MODELAGEM DO CIRCUITO DE ENSAIO DE GERAÇÃO DE ARCO ELÉTRICO NO ATP

Puerto Iguazú Argentina XIII ERIAC DÉCIMO TERCER ENCUENTRO REGIONAL IBEROAMERICANO DE CIGRÉ 24 al 28 de mayo de 29 Comité de Estudio C4 - Desempeño Técnico del Sistema XIII/PI-C4-6 MODELAGEM DO CIRCUITO DE ENSAIO DE GERAÇÃO DE ARCO ELÉTRICO NO ATP Rogério Magalhães de Azevedo* Marcelo Guimarães Rodrigues Orsino Oliveira Filho José Carlos da Rocha Wagner Telles da Silva CEPEL Centro de Pesquisas de Energia Elétrica BRASIL Resumo Em 23, CEPEL, FURNAS e UFRJ deram início a um projeto de pesquisa, denominado MODELARCO, sobre modelagem de arco elétrico para estudos de religamento monopolar em linhas de transmissão, sendo montada toda uma infra-estrutura para os ensaios nas dependências do CEPEL. Nestes ensaios, é mantido um arco elétrico (6Hz) sobre uma cadeia de isoladores de uma linha de 5 kv por 1 segundo e, paralelamente, são aplicados impulsos de corrente neste arco. Entretanto, podem ocorrer algumas situações adversas, tais como, a extinção prematura do arco devido ao seu alongamento, o disparo do gerador de impulso estando o arco interrompido e a atuação de centelhadores existentes no circuito. Este trabalho apresenta a modelagem de todo o circuito de ensaio e as simulações realizadas com os programas ATPDraw e ATP. Com relação aos modelos, destaca-se a representação dos transformadores que foi norteada pelas medições de impedância terminal e de resposta em freqüência. Uma particularidade é a presença de um transformador de potência adicional nos ensaios com corrente de arco abaixo de 3 A, o que exigiu uma representação da impedância de transferência entre enrolamentos. Em alguns casos, simplificadamente, o arco elétrico também foi representado, refletindo somente a característica tensão x corrente em 6 Hz. São mostradas comparações entre simulações e medições correspondentes, utilizadas para validar a representação do circuito de ensaio no programa ATP. A partir desta validação, foram realizadas as simulações das condições adversas citadas acima e calculadas as sobretensões. Os resultados mostraram que não houve superação dos níveis de isolamento dos equipamentos. Palavras chave: Coordenação do Isolamento, Transitórios Eletromagnéticos, Arco elétrico, Transformadores de Potência, ATPDraw, ATP, Medição, Modelagem. 1 INTRODUÇÃO Em 23, CEPEL, FURNAS e UFRJ deram início a um projeto de pesquisa, denominado MODELARCO, sobre modelagem de arco elétrico para estudos de religamento monopolar em linhas de transmissão [1,2]. A infra-estrutura para os ensaios foi montada nas dependências do Laboratório de Alta Potência (AP-2) e Alta Tensão (AT-4) do CEPEL, em Adrianópolis-RJ, incluindo instalações externas, destacando-se: um trecho de linha de transmissão de 5kV com três torres e dois vãos, totalizando um comprimento de 15 metros; construção de um equipamento para geração e aplicação de uma seqüência de cinco impulsos de corrente no arco, em alta tensão; sistema de aquisição de dados com medições das grandezas do arco (corrente e tensão) e dos impulsos aplicados; medição das grandezas do vento próximo ao arco; filmagens em alta velocidade do arco de dois ângulos perpendiculares. Normalmente, em cada ensaio, o arco elétrico é mantido por 1 segundo e, paralelamente, são aplicados impulsos com frente de onda da ordem de micro segundo. Entretanto, podem ocorrer algumas situações adversas, tais como, a extinção prematura do arco devido ao seu alongamento, o disparo do gerador de impulso estando o arco interrompido, apesar de existir um inter-travamento para impedi-lo, e a atuação de *azevedo@cepel.br

centelhadores existentes no circuito. As simulações destes eventos foram realizadas com os programas ATPDraw e ATP [3] e, para isso, todo o circuito de ensaio foi modelado, considerando diferentes configurações, que são função da corrente de arco em 6 Hz desejada. Com relação aos modelos, destaca-se a representação dos transformadores que foi norteada pelas medições de impedância terminal e de resposta em freqüência. Uma particularidade é a presença de um transformador de potência adicional nos ensaios com corrente de arco abaixo de 3 A, o que exigiu uma representação da impedância de transferência entre enrolamentos. Em alguns casos, simplificadamente, o arco elétrico também foi representado, utilizando-se modelo existente na literatura, refletindo somente a característica tensão x corrente em 6 Hz. Comparações entre simulações e medições correspondentes foram utilizadas para validar a representação do circuito no programa ATP. A partir desta validação, foram realizadas as simulações das condições adversas citadas acima e calculadas as sobretensões ao longo do circuito de ensaio. 2 MODELAGEM DO CIRCUITO DE ENSAIO A Fig. 1 mostra o diagrama do circuito de ensaio utilizado para valores de corrente de arco menores que 3 A. Para valores maiores de corrente de arco, o transformador, indicado na Fig. 1 como T1, é retirado do circuito de ensaio. Fig. 1 - Diagrama do circuito de ensaio de geração de arco elétrico. Os dois vãos da linha de transmissão instalada no CEPEL, com geometria de uma linha de 5kV de FURNAS, foram representados pelo modelo de parâmetros distribuídos e constantes do ATP. Esta representação também foi utilizada para todos os trechos de condutores do circuito de ensaio: entre gerador de impulso e a cadeia de isoladores, entre a torre e o laboratório AP-2 e entre os equipamentos da Sala de Parâmetros. 2.1 Representação dos Transformadores Um dos pontos importantes da simulação é a modelagem dos transformadores, pois ela deve representar o comportamento do equipamento em 6Hz e nas altas freqüências. Nos ensaios com a presença do transformador T1, também deve-se representar a transferência de surto entre os enrolamentos. Outro aspecto importante é a associação em série dos transformadores T2-1 e T2-3. A Fig. 2 mostra a representação do transformador T1. Foram colocadas em paralelo com os terminais do transformador, as respectivas sínteses das impedâncias terminais de circuito aberto (componente LIB), calculadas pela rotina Vector Fitting [4, 5], e representou-se um acoplamento capacitivo entre os mesmos. 2

Fig. 2 - Representação do transformador T1 no ATPDraw As Fig. 3 e 4 mostram as impedâncias terminais de circuito aberto e curto-circuito, vistas dos terminais de baixa e alta do transformador T1, respectivamente, obtidas a partir da execução da rotina Frequency Scan do ATP (curvas vermelhas), comparadas com as medições realizadas pelo CEPEL(curvas verdes). Cabe ressaltar que nas simulações, as impedâncias terminais de curto-circuito foram obtidas a partir do modelo representado pelas impedâncias de circuito aberto. Fig. 3 - Impedâncias terminais de circuito aberto e curto-circuito medidas no lado de baixa Fig. 4 - Impedâncias terminais de circuito aberto e curto-circuito medidas no lado de alta Para a representação dos transformadores do AP-2, utilizou-se o mesmo procedimento mostrado para o transformador T1. 2.2 Representação do Arco Elétrico O modelo mostrado na Fig. 5 consiste em ajustar os parâmetros do circuito a partir de uma curva característica VxI do arco elétrico, para 6 Hz, previamente conhecida [6]. Fig.5 - Modelo para representação da característica VxI do arco elétrico, em 6 Hz. 3

A Fig. 6 apresenta as curvas VxI resultantes das medições realizadas nos ensaios com correntes de arco iguais a 15 A, 3 ka e 1 ka, comparando-as com as curvas obtidas a partir das respectivas simulações. Fig. 6 (a) - Medição e simulação: Curva VxI para corrente de arco igual a 15 A 15 1 5-5 -1-15 -5-375 -25-125 125 25 375 5 (file ensaio_3ka.pl4; x-var c:aterra-retlg1) v:fasea -TORRE Fig. 6 (b) - Medição e simulação: Curva VxI para corrente de arco igual a 3 ka 3 SIMULAÇÕES Fig. 6 (c) - Medição e simulação: Curva VxI para corrente de arco igual a 1 ka 3.1 Aplicação de Impulso em um Arco de 15A A Fig. 7 mostra uma comparação entre as medições de tensão e corrente do arco realizadas em um ensaio de 15 A e a respectiva simulação no ATP. O impulso mostrado na Fig. 7 tem amplitude de 3 A pico e frente de onda igual a 1 µs. Fig. 7 (a) - Curvas de tensão e corrente no arco medidas em ensaio Fig. 7 (b) - Curvas de tensão e corrente no arco obtidas na simulação 4

3.2 Extinção de um Arco de 15A A presença do trafo T1 proporciona uma maior força eletromotriz quando da geração do arco, contribuindo para a sua sustentabilidade, sobretudo, no caso do seu alongamento que pode levá-lo à extinção. Quando o arco tende a se extinguir, a tensão nos terminais do trafo T1 tende a aumentar, e o nível máximo dessa tensão é limitado pelo disparo do centelhador próximo à torre. Isto ocorreu em um dos ensaios realizados. A Fig. 8 mostra uma comparação entre a tensão nos terminais do arco obtida na medição e a obtida na simulação com o ATP. Nota-se um primeiro transitório relativo à aplicação de um impulso (3 A Pico ; t f = 1µs) e, depois, a atuação do centelhador que está próximo à torre. A Fig. 9 mostra a corrente de arco medida e a da simulação. 12 8 4-4 -8-12 2 25 3 35 4 45 5 55 [ms] 6 (file ENSAIO_15A_EXT_arco.pl4; x-var t) v:fasea -TORRE Fig. 8 - Medição e simulação: Tensão no arco 6 [A] 45 3 15-15 -3 2 25 3 35 4 45 5 55 [ms] 6 (file ENSAIO_15A_EXT_arco.pl4; x-var t) c:aterra-retlg1 Fig. 9 - Medição e simulação: Corrente no arco A Fig. 1 (a) mostra as tensões nos lados de alta e de baixa do trafo T1. A Fig. 1 (b) mostra as tensões nos terminais do trafo T2-1 do AP-2, destacando a tensão no instante em que o arco se extingue. 12 8 4-4 -8-12 2 25 3 35 4 45 5 55 [ms] 6 (file ENSAIO_15A_EXT_arco.pl4; x-var t) v:aeg125 v:aeg_25 Fig. 1 (a) - Tensão nos enrolamentos de alta e baixa de T1 Fig.1 (b) - Tensões nos terminais X1 e X2 de T2-1, com destaque para o instante de extinção do arco. 5

3.3 Aplicação de Impulso em um Arco de 3kA A Fig. 11 mostra uma comparação entre as medições de tensão e corrente do arco realizadas em um ensaio de 3 ka e a respectiva simulação no ATP. O impulso mostrado na Fig. 11 tem amplitude de 6 A pico e frente de onda igual a 1 µs. Fig. 11 (a) - Curvas de tensão e corrente no arco medidas em ensaio Fig.11 (b) - Curvas de tensão e corrente no arco obtidas na simulação A Fig. 12 mostra as tensões nos terminais do trafo T2-1 do AP-2, destacando a tensão no instante em que o impulso é aplicado. Fig. 12 - Tensões nos terminais X1 e X2 do trafo T2-1 3.4 Aplicação de Impulso em um Arco de 1kA A Fig. 13 mostra uma comparação entre as medições de tensão e corrente do arco realizadas em um ensaio de 1 ka e a respectiva simulação no ATP. O impulso mostrado na Fig. 13 tem amplitude de 2 ka pico e frente de onda igual a 1 µs. Fig. 13 (a) - Curvas de tensão e corrente no arco medidas em ensaio Fig.13 (b) - Curvas de tensão e corrente no arco obtidas na simulação 6

A Fig. 14 mostra as tensões nos terminais do trafo T2-1 do AP-2, destacando a tensão no instante em que o impulso é aplicado. Fig. 14 - Tensões nos terminais X1 e X2 do trafo T2-1 3.5 Disparo do gerador de impulso estando o arco interrompido Este item mostra os resultados das simulações do disparo do gerador de impulso estando o arco interrompido, apesar desta situação ser pouco provável de acontecer, pois existe um inter-travamento para impedi-la. O disparo do gerador nos circuitos de ensaio de 3 ka e 1 ka provoca a atuação do centelhador. As Figuras 14 (a) e 14 (b) mostram a tensão fase-terra no terminal X1 dos trafos T2-1 e T2-3, para as simulações nos circuitos de ensaio de 3 ka e 1 ka, respectivamente. 2 15 1 8 5 5 2-5 -1-1 -4-15 -2 9, 9,5 1, 1,5 11, 11,5 [ms] 12, (f ile ensaio_3ka_imp_semarco_g1.pl4; v :TR21X1 :TR23X1 x-v ar t) v Fig. 14 (a) - Tensões nos trafos T2-1 e T2-3, circuito de ensaio de 3 ka -7 9, 9,5 1, 1,5 11, 11,5 [ms] 12, (file ensaio_1ka_imp_semarco_g1.pl4; x-var t) v:tr21x1 v:tr23x1 Fig.14 (b) - Tensões nos trafos T2-1 e T2-3, circuito de ensaio de 1 ka 4 CONCLUSÕES Com relação ao principal objetivo do estudo realizado, verificou-se que não ocorrem sobretensões superiores aos valores de tensão suportáveis pelos diferentes equipamentos nas simulações realizadas, seja em condições normais de ensaio ou em situações adversas, tais como, a extinção prematura do arco devido ao seu alongamento, o disparo do gerador de impulso estando o arco interrompido e a atuação de centelhadores existentes no circuito. Baseado nas medições realizadas durante os ensaios de aplicação de impulso em arco elétrico com diferentes valores de corrente estabelecidas em 6 Hz, validou-se os modelos utilizados nas simulações do circuito de ensaio com programa ATP, notadamente, a modelagem dos transformadores, uma vez que reproduz o comportamento tanto na freqüência fundamental, quanto em altas freqüências. 7

5 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem aos técnicos dos laboratórios do CEPEL pela colaboração para a realização dos ensaios e medições. 6 REFERÊNCIAS [1] A.S. Câmara, R.A. Goncalves, M.G. Rodrigues, O.O. Filho, C.M. Portela and M.C. Tavares, Singlepole autoreclosure studies: secondary arc model research including a 5 kv line experimental circuit, in 28 ICHVE International Conference on High Voltage Engineering and Application, Chongqing, China, November, 28. [2] A.S. Câmara, C.M. Portela and M.C. Tavares, Single-phase autoreclosure studies considering a robust and reliable secondary arc model based on a gray-box model, in 28 ICHVE International Conference on High Voltage Engineering and Application, Chongqing, China, November, 28. [3] Canadian/American EMTP User Group, Alternative Transient Program Rule Book, Portland-OR, USA, 1986. [4] B. Gustavsen, A. Semlyen, Rational approximation of frequency domain responses by vector fitting, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 14, Iss. 3, pp. 152-161, July 1999. [5] B. Gustavsen, Application of vector fitting to high frequency transformer modeling, in IPST 23 International Conference on Power Systems Transients, New Orleans, USA, 23. [6] W. Rogers, Modeling of Free-Air Arcs, in www.eeug.org. 8