SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GSC 30 14 a 17 Outubro de 2007 Rio de Jaeiro - RJ GRUPO X GRUPO DE ESTUDO DE SOBRETENSÕES E COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO GSC ESTUDOS DE ESTADO PERMANENTE, TRANSITÓRIOS E HARMÔNICOS DE UM PROTÓTIPO DE REATOR DE SATURAÇÃO NATURAL Marcelo J. A. Maia* M. Afoso de Carvalho Jr.** Luiz A. Magata da Fote** Fabiaa S. Leal* Juradir A. Cavalcati* *COMPANHIA HIDROELÉTRICA DO SÃO FRANCISCO (Chesf) **UNIERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO (UFPE) RESUMO Os reatores de saturação atural (RSN) têm, a atualidade, atraído o iteresse de várias empresas do setor elétrico acioal graças aos beefícios que oferecem à operação dos sistemas de potêcia. Na Chesf o iteresse apresetado para o RSN foi para compesação de lihas de trasmissão em substituição aos tradicioais reatores lieares. Com essa fialidade, firmou um projeto de P&D com a UFPE para as ivestigações ecessárias. O presete iforme técico descreve parte dos trabalhos desevolvidos, particularmete os estudos de estado permaete, trasitórios e harmôicos para colocação em operação de um protótipo de RSN de 5,4 Mvar e 13,8 k. PALARAS-CHAE Reator de Saturação Natural, Cotrole de Tesão, Fluxo de Potêcia, Tesões Harmôicas 1.0 - INTRODUÇÃO A aplicação de reatores de saturação atural (RSN) para a compesação de lihas de trasmissão em substituição aos tradicioais reatores lieares tem sido motivo de diversas pesquisas realizadas a Chesf e a UFPE. Os gahos de potêcia trasmitida pelas lihas assim compesadas, bem como o aumeto da margem de estabilidade de tesão, coforme demostram as simulações computacioais efetuadas (1, 2), revelam a eorme potecialidade dessa alterativa. Além desses atributos, os RSNs também apresetam uma resposta trasitória rápida (3), a qual se alia às já cohecidas qualidades dos trasformadores de potêcia: alta cofiabilidade, loga durabilidade, grade simplicidade de istalação, mauteção e operação, e baixo custo de produção. A preferêcia pelos RSNs em detrimeto dos dispositivos com base em eletrôica de potêcia deve-se ão somete aos aspectos ecoômicos, mas também ao crescete obsoletismo experimetado pelos últimos, coseqüêcia da costate mudaça de tecologia. Assim, muito ates do retoro do ivestimeto iicial tomar lugar, ovas aplicações fiaceiras para moderização far-se-ão ecessárias, pois deverá haver dificuldade de ecotrar peças de reposição o mercado. Os aspectos relacioados acima são, evidetemete, de grade iteresse para as empresas do setor elétrico e, particularmete, para a Chesf, o que motivou a cotratação da UFPE, através de um projeto de P&D, para dimesioar, costruir e istalar um protótipo de RSN o barrameto de 13,8 k de uma de suas subestações (SE Mossoró), para as ecessárias ivestigações. Os estudos de desempeho em estado permaete, trasitório e harmôico desse protótipo serão descritos o presete iforme técico. (*) Rua Delmiro Gouveia, 333 sala 212 - Bloco B CEP 50761-901 Recife, PE Brasil Tel: (+55 81) 3229-2757 Fax: (+55 81) 3229-2001 Email: mjamaia@fchesf.gov.br
2 2.0 - ESTUDOS DE ESTADO PERMANENTE A característica operacioal defiida para o RSN destiado à subestação estudada, Figura 1, estabelece que, para tesões iferiores a 12862, esse equipameto ão deverá absorver potêcia reativa superior a 10% do seu valor omial, ou seja, aproximadamete 0,5 Mvar. Em tal poto de fucioameto, o RSN será dito estar operado em vazio. Acima desse valor de tesão, o cosumo do RSN crescerá rapidamete, alcaçado a plea carga, 5,4 Mvar, a marca dos 14297. Tal regime operacioal deverá, aturalmete, ser compatível com as exigêcias de potêcia reativa da barra de coexão do RSN. Para examiar o atedimeto desse requisito, fluxos de potêcia oriudos da base dados do ONS foram simulados o programa ANAREDE do Cepel o horizote de iteresse, 2007, ao previsto para istalação do RSN. FIGURA 1 2.1 Modelo do RSN O modelo matemático cocebido para represetar o RSN em regime permaete é costituído por uma fote de tesão costate, s, em série com uma reatâcia liear x s, tal como assiala a Figura 2. A tesão da fote é, exatamete, a tesão de iicio de saturação do RSN, para o caso em apreço: s = 12862 = 0,932 pu A icliação da característica I forece a reatâcia x s, como mostra a Figura 2, expressa em ohms por: x s = I s = I s = I = ( ) Q s e em pu: pu xs x = s 2 b Qb = s Q b b b Q FIGURA 2 Sedo a tesão e a potêcia omial do RSN respectivamete: = 14297 = 1,036 pu Q = 5,4 MA e a potêcia de base do ANAREDE: Q b = 100 MA a reatâcia em p.u. será: Covertedo-se esse valor para % obtém-se: x pu s = 1,9950 x % s =199,50 Para implemetação desse modelo do RSN o programa ANAREDE, a barra da fote de tesão da Figura 2 é assumida como uma barra de tesão cotrolada (P) com valor fixado em s e iterligada à barra de coexão do RSN ao sistema, cosiderada uma barra de carga (PQ), pela reatâcia x s. Para circuscrever a ação desse modelo exclusivamete à região idutiva, impedido, assim, a circulação de correte quado a tesão os termiais do RSN for iferior a s, o limite superior de potêcia reativa da barra de tesão cotrolada é aulado. Assim procededo, sempre que a tesão a barra de carga,, cair abaixo de s, a impossibilidade de mater tal valor por falta de um aporte adequado de reativo, importará a comutação dessa barra do tipo P para PQ com carga ula, como é de praxe os programas. Também os limites de potêcia ativa dessa barra P são aulados, já que, para efeito dos estudos de estado permaete, o RSN é cosiderado sem perdas. pu %
3 2.2 Casos-Base Cosiderado-se que a istalação do protótipo de RSN se dará o ao de 2007, as cofigurações e codições de carregameto do sistema foram retiradas dos arquivos correspodetes, forecidos pelo ONS para o sistema iterligado acioal, a saber: - Carga leve (Jul-07-LE*PAR 05-07*01/09/04); - Carga média (Jul-07-MED*PAR 05-07*01/09/04); - Carga pesada (Dez-07-PES*PAR05-07*01/09/04). Com base esses arquivos, fluxos de potêcia foram simulados com o auxilio do programa ANAREDE, cujos resultados, especificamete para as barras associadas à subestação de Mossoró, podem ser apreciados a Figura 3. O reator liear, atualmete coectado à barra 5445 dessa subestação e que deverá ser alvo de substituição, somete permaecerá em operação durate o período de carga leve, sedo retirado do sistema por ocasião das cargas média e pesada. FIGURA 3 2.2 Casos-Estudados Os casos-base descritos o item aterior foram modificados com a remoção do reator liear da barra 5445 da subestação de Mossoró e itrodução o seu lugar do RSN especificado a Figura 1, o qual foi modelado o programa ANAREDE tal como descrito o tópico 2.1. Os fluxos de potêcia obtidos as simulações do sistema iterligado acioal estão registrados a Figura 4, ovamete apeas o que diz respeito às barras da subestação de Mossoró. Como se observa a Figura 4, o RSN ajustou automaticamete a sua demada de potêcia reativa aos diferetes carregametos do sistema, assegurado, em todos os casos simulados, codições operacioais satisfatórias de tesão para as barras da subestação. Também se costata a Figura 4 que os comutadores de derivações dos trasformadores permaeceram fixos em todos os regimes de trabalho, 0,977 e 1,000 respectivamete, ão exigido, dessa maeira, qualquer ação do cetro de operação. Na cofiguração atual com o reator liear coectado à rede, cada codição de carregameto do sistema solicitará posições distitas para os comutadores, como se verifica a Figura 3. A modificação o comutador somete se fará ecessária quado se preteder que o RSN efetue uma icursão completa pela sua faixa de trabalho, o que deverá ser requerido por ocasião dos esaios FIGURA 4 programados para o comissioameto.
4 3.0 - ESTUDOS TRANSITÓRIOS A istalação do RSN a barra de 13,8 k da subestação de Mossoró, como foi explicitado, possui um caráter emietemete experimetal, ão tedo sido plaejada, portato, com a pretesão de itroduzir qualquer melhoria o cotrole da tesão do sistema. Todavia, como pretede-se que esse RSN substitua um reator liear, atualmete em operação a mesma barra e desevolvedo a mesma potêcia, presume-se algum beefício extra com a sua etrada em operação. Evidetemete que a reduzida capacidade do RSN perate o porte do Subsistema Norte da Chesf restrigirá, obviamete, a sua esfera de ifluêcia à imediata vizihaça do poto de istalação. Dessa maeira, os estudos de atureza trasitória com o ituito de aferir o desempeho do RSN frete ao reator liear, alvo da substituição, circuscreveram-se a evetos a subestação de Mossoró: - Maobra de eergização do RSN a barra de coexão; - Rejeição total da carga do setor de 69 k da SE Mossoró; - Abertura de uma das lihas de trasmissão Baabuiú/Mossoró. As simulações o EMTP-ATP dos evetos arrolados observaram as duas codições extremas de fucioameto da rede, cargas leve e pesada, e foram coduzidas para algus exemplares de RSNs, eleitos como os mais apropriados para aplicação pretedida. 3.1 Modelagem dos Compoetes do Sistema Os compoetes do sistema de potêcia foram modelados o EMTP-ATP da forma trifásica tradicioalmete cosagrada para esse fim, quais sejam: - parâmetros R-L-C distribuídos para as lihas de trasmissão; - parâmetros R-L-C cocetrados para os reatores lieares e cargas; - modelo T para os trasformadores de potêcia. A modelagem dos RSNs o EMTP-ATP para os estudos mecioados foram desevolvidas durate as pesquisas realizadas a UFPE (4), ode cada úcleo desse equipameto é tratado como um trasformador de múltiplos erolametos e represetado por itermédio do compoete Saturable trasformer, Figura 5. Para a implemetação de tal modelo, os seguites dados de cada reator deverão ser cohecidos: FIGURA 5 - úmero de espiras dos erolametos; - resistêcia e reatâcia de dispersão dos erolametos; - curva de magetização dos úcleos. Tais parâmetros foram obtidos durate os procedimetos de projeto de cada um dos RSNs, uma vez que o processo reverso utilizado com tal fialidade requer essa modelagem. Cosiderou-se o projeto a curva B H, o tipo de aço se GO-Grão Orietado ou GNO-Grão Não Orietado e três disposições dos erolametos as coluas da estrutura magética, sedo uma com ligação série e duas com ligação paralelo (5). 3.2 Rejeição da Carga do Setor 69 k A rejeição da carga do setor de 69 k da SE Mossoró foi simulada a situação mais crítica, qual seja, com o sistema suprido a sua carga máxima. Na cofiguração origial, o Subsistema Mossoró ão cota, esse regime de fucioameto, com o cocurso dos reatores lieares coectados às barras de 13,8 k da subestação em tela, porém, mesmo assim, ão se costatou, a rejeição, variações expressivas da tesão a barra de 69 k. Em estado permaete, o crescimeto registrado foi de 0,045 p.u.. Trasitoriamete, os primeiros ciclos após o eveto da rejeição, como idica a Figura 6, a tesão elevou-se com maior itesidade, alcaçado um máximo de 1,213 p.u. como seria esperado. Cosiderado-se que o RSN destiado a SE Mossoró foi especificado para absorver apeas 5,4 Mvar quado a tesão apresetar uma variação de 11%, é evidete que sua cotribuição para miimizar os efeitos o estado permaete da rejeição de carga o 69 k descrita é bastate limitada. Um exame a Figura 7 do comportameto da tesão a barra de 69 k da SE Mossoró quado um RSN (com ligação série dos erolametos primários utilizado o aço do tipo GNO e com saturação pricipiado em 1,70 T) foi coectado à barra de 13,8 k da mesma, ão apota qualquer mudaça importate. De fato, para coter a tesão os patamares ateriores à rejeição de carga, seria ecessário um RSN que absorvesse uma potêcia reativa o míimo igual ao valor descartado, 17,6 Mvar, e isso mediate uma elevação de apeas 4,5% a tesão. O comportameto ora descrito para o RSN com ligação série foi verificado igualmete para todos os demais tipos de RSN desevolvidos para a subestação de Mossoró.
5 É importate registrar que imediatamete após a ocorrêcia da rejeição, o RSN reagiu protamete, elevado o cosumo de correte de 0,86 para até 1,17 p.u. como se verifica a Figura 8, outra vez retratado a rápida resposta do RSN com ligação série e com 1,70 T de idução de saturação. A despeito dessa presteza, a atuação do RSN mostrou-se, pelas razões já citadas, isuficiete para coter o crescimeto da tesão as barras de Mossoró com o eveto da rejeição de carga. Esse mesmo desempeho foi observado para todos os tipos eleitos para aplicação em Mossoró, de sorte que a mesma coclusão apresetada acima também é válida para tais RSNs. O que é importate assialar é que a atuação do RSN, já o primeiro ciclo após a ocorrêcia do eveto, cofirma as iformações registradas por outros autores (3) e permite cosiderar tais equipametos como de resposta praticamete istatâea. FIGURA 6 FIGURA 7 FIGURA 8 3.3 Abertura da Liha de Trasmissão O desligameto de uma das lihas de trasmissão derivada de Baabuiú e que supre uma parcela importate da carga da subestação de Mossoró foi efetuada com o sistema operado em carga plea. De acordo com as simulações o EMTP-ATP, essa operação produziu uma redução muito pequea a tesão das barras dessa subestação, ão superado 0,02 p.u. para a cofiguração correspodete ao ao de 2007. A Figura 9 ilustra, justamete, esse comportameto da tesão para a barra de 69 k da SE Mossoró. A itrodução de um RSN o barrameto de 13,8 k dessa subestação ão esejou qualquer beefício adicioal para a tesão durate o eveto da abertura da mesma liha oriuda de Baabuiú, como mostra a Figura 10. Os registros dessa figura referem-se especificamete ao RSN com ligação paralela dos erolametos primários aos moldes de um autotrasformador, modelo desevolvido pela TTU (Talli Techical Uiversity), utilizado o aço do tipo GNO e saturado em 1,80 T. Todavia, o mesmo comportameto foi verificado para todos os demais tipos de RSN dimesioados para a subestação de Mossoró. Embora o RSN teha promovido uma redução da correte cosumida, tão logo a tesão iiciou o processo de queda, essa reação foi isuficiete para mater os padrões ateriores ao desligameto da liha. Como já foi mecioado, tal fato se deve à própria característica operacioal do RSN, a qual ão foi defiida com essa fialidade específica, mas para permitir as ivestigações previstas o projeto de P&D. 3.4 Eergização do RSN FIGURA 9 FIGURA 10 As simulações de eergização dos RSNs foram efetuadas a situação operacioal mais desfavorável, exatamete com o sistema cofigurado em carga leve, ocasião em que a tesão a barra de coexão alcaçará sua magitude máxima. Também o istate de fechameto da chave foi eleito de sorte a proporcioar a maior compoete cotíua possível, ou seja, o istate em que a tesão aplicada ao RSN apreseta um valor ulo, já que a resistêcia do mesmo é praticamete desprezível perate a reatâcia. Nas codições estipuladas, a correte solicitada pelos RSNs assumiu os valores mais itesos, como de fato mostra a Figura 11, que registra a
6 correte as três fases dos dois diferetes tipos de RSNs, erolametos primários ligados em paralelo com idução de saturação de 1,80 T e erolametos ligados em série com idução de 1,70 T. FIGURA 11 Uma aálise dos afudametos de tesão produzidos as barras da subestação de Mossoró durate o procedimetos de eergização dos RSNs mostrou que essa redução atigiria, o máximo, 4% o barrameto de 69 k, o que deota que tais maobras ão serão capazes de itroduzir perturbações de mota o sistema. 4.0 - ESTUDOS HARMÔNICOS A aálise harmôica do Subsistema Mossoró foi efetuada com o auxílio da rotia Frequecy Sca do EMTP-ATP e abrageu o itervalo compreedido etre 60 e 5000 Hz. A impedâcia do sistema vista dos termiais de istalação do RSN, barrameto de 13,8 k de Mossoró, obtida da forma descrita é apresetada a Figura 12 para duas situações distitas; com e sem o baco de capacitores do setor de 69 k dessa subestação. No primeiro caso, somete freqüêcias a imediata vizihaça do poto de ressoâcia, 540 Hz (Noa harmôica), iteressam à aálise. Ora, essa freqüêcia ão está icluída etre as compoetes harmôicas características dos diferetes modelos de RSN, pois essas são dadas pela expressão: h = 18 ± 1 N FIGURA 12 Portato, ehuma distorção harmôica importate será itroduzida pelo RSN essa cofiguração. Por outro lado, com o capacitor fora de operação, a impedâcia do sistema apreseta vários potos de ressoâcia devido às lihas de trasmissão. O valor da impedâcia as freqüêcias típicas do RSN é, todavia, também isuficiete para causar distorções harmôicas relevates a tesão do sistema, como se observa a Tabela 1, que cotém: TABELA 1 - o valor da impedâcia do sistema as freqüêcias características do RSN, Z(Ω); - o valor da máxima correte harmôica produzida pelos dois tipos de RSNs, um com ligação série dos erolametos e outro com ligação paralela, I(Ω); - a tesão harmôica gerada a barra de 13,8 k de Mossoró calculada por (Ω)=Z(Ω) I(Ω). 5.0 - CONCLUSÃO Os estudos ora apresetados revelam que a coexão o barrameto de 13,8 k da subestação de Mossoró de qualquer um dos modelos de RSN ão deverá itroduzir trastoros sigificativos à operação do sistema, pois, como foi mostrado: - as distorções harmôicas geradas por tais RSNs situam-se abaixo dos limites prescritos as ormas ora vigetes o setor elétrico brasileiro;
7 - a queda de tesão provocada pela correte solicitada por ocasião da eergização dos diferetes tipos de RSNs ecotra-se detro de patamares aceitáveis. Quato aos beefícios auferidos com a aplicação do RSN, os estudos distiguem: - a suspesão das maobras diárias ora exigidas pelo reator liear istalado a subestação de Mossoró; - a sustação das mudaças costates os comutadores de derivações dos trasformadores 230/69/13,8 k. 6.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Icreasig the Capacity of Log EH Trasmissio Lies - Carvalho, M. A. e Fote, L. A. M. - IEEE / PES Trasmissio ad Distributio Lati America Coferece, São Paulo, 2001; (2) Aálise Comparativa etre Reatores Covecioais e Reatores Saturados: Estudo de Caso para a LT Colias- Sobradiho Maia M. J. A. e outros XIII SNPTEE, Curitiba, 2005; (3) Te Year s Operatioal Experiece with Saturated Reactors Thaawala H. L., Wiliiams W. P., Youg D.J. GEC Joural of Aciece ad Techology, vol. 45, o. 3, 1979; (4) Cotrole de Tesão em Trasitórios e em Estado Permaete de Lihas Logas de Trasmissão em EAT Carvalho, M. A. e Fote, L. A. M XI SNPTEE, Campias, 2001; (5) Reator de Saturação Natural: Estudos para o Projeto de um Protótipo Maia M. J. A. e outros XIX SNPTEE, Rio de Jaeiro, 2007. 7.0 - DADOS BIOGRÁFICOS Marcelo José Albuquerque Maia Nascido em Campia Grade, PB, em 12 de maio de 1956; MBA em Admiistração (1997): FG-RJ, Especialização em Sistemas Elétricos (1980): UNIFEI-MG e Graduação em Egeharia Elétrica (1978): UFCG-PB; Empresa: Chesf Desde 1978; Assessor da Superitedêcia de Plaejameto da Expasão da Trasmissão. Luiz Atôio Magata da Fote Nascido o Recife, PE, em 08 de jaeiro de 1947; Doutorado (2004), Mestrado (1997) e Graduação (1969) em Egeharia Elétrica: UFPE-Perambuco; Istituição: Uiversidade Federal de Perambuco (UFPE) Maoel Afoso de Carvalho Jr. Nascido em Salvador, BA, em 10 de agosto de 1950; Ph. D (1983): UMIST-Iglaterra, Graduação (1973) em Egeharia Elétrica: UFBA-Bahia; Istituição: Uiversidade Federal de Perambuco (UFPE) Fabiaa da Silva Leal Nascida o Recife, PE, em 07 de outubro de 1972; Mestrado (2000) e Graduação (1997) em Egeharia Elétrica: UFPE-Perambuco; Empresa: Chesf Desde 2002, Egeheira da Divisão de Estudos e Tecologia de Alta Tesão-DEAT/DES/SPE. Juradir de Almeida Cavalcati Nascido em Garahus, PE, em 06 de abril de 1954; MBA em Fiaças (2004): FG-RJ; Especialização em Sistemas Elétricos (1984): UFSC-SC e Graduação (1978) em Egeharia Elétrica: UFPE-Perambuco; Empresa: Chesf Desde 1978, Egeheiro da Divisão de Plaejameto do sistema de Trasmissão - DEPT/DES/SPE.