LIMITAÇÃO DOS NÍVEIS DE CURTO-CIRCUITO EM UMA USINA DE COGERAÇÃO UTILIZANDO O EQUIPAMENTO IS-LIMITER ESTUDO DE CASO

SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GSE - 35 16 a 21 Outubro de 2005 Curitiba - Paraná GRUPO VIII GRUPO DE ESTUDO DE SUBESTAÇÕES E EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS GSE LIMITAÇÃO DOS NÍVEIS DE CURTO-CIRCUITO EM UMA USINA DE COGERAÇÃO UTILIZANDO O EQUIPAMENTO IS-LIMITER ESTUDO DE CASO Alexandre de Barros Arcon * ABB Ltda Lucílius Carlos Pinto ABB Ltda RESUMO Observa-se, ao longo dos últimos anos, um crescente aumento na capacidade instalada das usinas de cogeração, fato em parte explicado pelo ótimo negócio que se tornou a venda de excedentes energéticos para as concessionárias. Com o conseqüente aumento do número de transformadores, geradores e motores instalados, ocorre o inevitável aumento dos níveis de curto-circuito na instalação, podendo resultar, muitas vezes, na superação dos equipamentos elétricos existentes. O intuito deste trabalho é relatar um caso real onde ocorreu de fato esse problema e mostrar a solução conseguida através do equipamento denominado Is-Limiter, da ABB. PALAVRAS-CHAVE Limitadores de curto-circuito, Is-Limiter, Cálculo de curto-circuito. 1.0 - INTRODUÇÃO É notório o crescimento da cogeração nas usinas de açúcar e álcool brasileiras nos últimos anos, especialmente em São Paulo, onde estão localizadas as maiores e mais importantes. Esse fenômeno pode ser explicado pelo ótimo segmento de mercado que se tornou a venda de excedentes energéticos para as concessionárias de energia elétrica, a qual representa, para as indústrias cogeradoras, um negócio tão importante quanto à própria fabricação de seus produtos principais. Diante desse cenário, surge a conveniência e necessidade de ampliação de sua capacidade de geração e, conseqüentemente, de sua infra-estrutura elétrica para fluir a potência excedente. No caso específico em questão, a Cia Açucareira Vale do Rosário havia sido inicialmente concebida para operar, em sua fase final, com dois transformadores de 138-13,8 kv, 17/21 MVA em sua subestação de entrada, e seis geradores de 13,8 kv somando uma potência instalada de 58,75 MVA. Devido à expansão supra-citada, definiu-se que seriam instalados, para o horizonte de 2003, mais dois geradores de 31,25 MVA, com a previsão de instalação futura de um outro gerador de 10 MVA. Nessas condições, já considerando a desativação de algumas unidades, a potência instalada total de geração seria de 121,25 MVA, com demanda de cargas internas de cerca de 18 MW e previsão de venda de 73 MW para o sistema da concessionária (CPFL). Para comportar essa ampliação, definiu-se a instalação de mais um transformador de 138-13,8 kv, 34/42 MVA, a operar em paralelo com os dois existentes. O diagrama unifilar da figura 6 mostra simplificadamente o sistema elétrico de alta e média tensão em sua fase final, onde não foram mostradas as 24 subestações unitárias (13,8-4,16/0,44/0,38 kv) que alimentam as cargas da usina. *Av. Monteiro Lobato, 3285 CEP 07190-904 Guarulhos SP BRASIL Tel.: (011) 6464-8630 Fax: (011) 6464-8408 e-mail: alexandre.arcon@br.abb.com

2 2.0 - O PROBLEMA DA SUPERAÇÃO DE EQUIPAMENTOS E SOLUÇÃO APLICÁVEL O problema detectado após o planejamento da ampliação do sistema era quanto à superação dos equipamentos existentes em relação à nova corrente de curto-circuito. Os cubículos de média tensão existentes têm corrente de suportabilidade térmica nominal de 20 ka ou 31,5 ka, estando o conjunto de 20 ka inclusive já superado com relação aos níveis de curto na situação anterior, de maneira que faltas trifásicas e dupla-fase implicavam um risco iminente à integridade do sistema elétrico. As faltas envolvendo a terra não representam perigo, uma vez que são limitadas por resistores de aterramento instalados no neutro dos trafos 138-13,8 kv e dos geradores. A máxima corrente de curto-circuito trifásico simétrica calculada, na situação em que os três trafos estivessem em paralelo e todos os geradores e motores operando, seria de aproximadamente 60 ka nas barras de 13,8 kv, ou seja, muito acima do limite térmico e dinâmico de todos os equipamentos. A troca dos painéis antigos por outros com suportabilidade adequada (63 ka) foi descartada de início, pois os custos tornariam o empreendimento inviável, face ao elevado número de colunas a serem trocadas. As hipóteses inicialmente levantadas para contornar o problema foram: a. Operar com o terceiro trafo isoladamente, isto é, sem deixá-lo em paralelo com os dois primeiros. Essa alternativa, além de não garantir um nível de curto inferior a 20 ka, geraria a necessidade de adaptações no sistema de controle de exportação de energia, o que não seria uma boa solução para o cliente do ponto de vista técnico e econômico. b. Instalar reatores limitadores de curto-circuito no sistema. Verificou-se que essa não seria uma alternativa recomendada, devido aos seguintes problemas: - Reatores geram perdas ativas elevadas, o que representa um custo adicional significativo na geração e, portanto, diminuição da relação geração / exportação de energia, implicando diminuição de receita. Demonstrou-se que a capitalização do custo das perdas viabilizaria soluções mais elegantes do ponto de vista tecnológico; - Reatores geram perdas reativas elevadas, o que representa uma necessidade maior de potência de compensação e, portanto, diminuição de capacidade do sistema de geração; - Reatores prejudicam a regulação de tensão e introduzem quedas indesejáveis, especialmente na partida de motores; - Reatores geram modificação na TRT (tensão de restabelecimento transitória) sobre os disjuntores, especialmente do tipo a vácuo, podendo causar superação dos valores aceitáveis e normalizados; - Reatores podem não limitar o curto-circuito a valores aceitáveis, uma vez que a sua capacidade de limitação é restrita. c. Utilizar limitadores de curto-circuito de alta capacidade, do tipo Is-Limiter da ABB, solução que se mostrou a mais favorável do ponto de vista técnico-econômico para o caso em questão. 3.0 - IS-LIMITER: ASPECTOS TEÓRICOS 3.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O Is-Limiter é um dispositivo para limitação de corrente desenvolvido pela ABB Calor Emag Schaltanlagen AG (Alemanha) em 1955 e que tem sido utilizado com sucesso em sistemas trifásicos e de corrente contínua com tensão nominal até 40,5 kv, podendo ser locado em acoplamento entre barras, em série com geradores e transformadores e em paralelo com reatores. Basicamente, o Is-Limiter consiste de um condutor principal projetado para conduzir uma corrente nominal de valor elevado, porém com baixa capacidade de interrupção, e um fusível em paralelo com alta capacidade de ruptura. De forma a conseguir um baixíssimo tempo de interrupção, é instalada no condutor principal uma pequena carga explosiva com energia suficiente para interromper o fluxo de corrente por este condutor. Assim que este fluxo é interrompido, a corrente passa a fluir através do fusível, o qual opera em cerca de 0,5 ms, interrompendo a corrente de curto-circuito na próxima passagem pelo zero. A corrente que flui pelo Is-Limiter é permanentemente monitorada por um dispositivo eletrônico de medição e atuação, o qual avalia o valor instantâneo (i) e a taxa de crescimento da corrente (di/dt) e compara com os valores ajustados, de maneira que ocorra a atuação, se ambos limites foram atingidos, durante a primeira subida da corrente de curto-circuito. As três fases possuem monitoramento e atuação independentes uma da outra. A figura 1 mostra os componentes principais da parte de potência do Is-Limiter.

3 FIGURA 1 Partes principais do Is-Limiter O exemplo genérico da figura 2 demonstra a função fundamental do equipamento: cada transformador contribui com 25 ka para um curto-circuito localizado após o disjuntor do alimentador, totalizando 50 ka neste ponto. O barramento, entretanto, é projetado para suportar uma corrente de curto-circuito de 25 ka, o que permitiria a contribuição de apenas um trafo. Com a presença de um Is-Limiter no acoplamento entre os dois trafos, quando ocorre um curto naquele ponto, o Is-Limiter atua no primeiro meio-ciclo da corrente, o que limita i 2 tão rapidamente que esta não contribui para o valor de crista da corrente i 1 + i 2 no ponto de curto-circuito. As figuras a seguir ilustram o exemplo descrito. a) b) 3.2 PRINCÍPIO DE SELETIVIDADE FIGURA 2 a) Circuito para exemplo de aplicação b) Corrente de curto sem Is-Limiter (i o ) e com Is-Limiter (i m ) De forma a obter seletividade em uma instalação com mais de um Is-Limiter, um critério de atuação adicional com somatória ou comparação de direcionalidade de correntes é necessário. Este é o caso indicado na figura 3, no qual o Is-Limiter atua como segue: Curto-circuito na seção A: somente o Is-1 atua; Curto-circuito na seção B: ambos Is atuam; Curto-circuito na seção C: somente o Is-2 atua. Para a medição da corrente total, transformadores de corrente nos circuito alimentadores devem ser instalados. A corrente total I sum1 é igual a corrente I T1 do transformador T1 mais a corrente I 1 que flui através do Is-1. A corrente total I sum2 é igual a corrente do transformador T2 mais a corrente fluindo através do Is-2. A corrente total I sum3 é igual a corrente do transformador T3 mais a corrente que flui através do Is-2. O critério de atuação do Is-Limiter corresponde a uma função lógica and : o Is-1 atua em caso de curto-circuito na seção A, se a corrente no Is-1 e a corrente total I sum1 atingem ou excedem os valores ajustados, simultaneamente. No caso de um curto-circuito na seção B, ambos Is atuam. A somatória das correntes corresponde ao mesmo princípio de somatória adotado nos sistemas de proteção de barra, não sendo necessários, entretanto, transformadores de corrente nos circuitos de saída. Com este principio, até cinco transformadores podem ser conectados em paralelo, usando até quatro Is-Limiter, garantindo sempre que apenas os Is-Limiters mais próximos da falta irão operar.

4 FIGURA 3 Critério de somatória das correntes 3.3 DEFINIÇÃO DOS VALORES DE ATUAÇÃO E DE AJUSTE O Valor de Atuação (I T ) é o valor eficaz esperado do primeiro meio-ciclo da corrente de curto-circuito fluindo pelo Is-Limiter, para o qual ele deve atuar na primeira subida da corrente. A fim de estabelecer uma equação geral para o valor de atuação, é utilizado o circuito da figura 4. FIGURA 4 Circuito equivalente para definição dos valores de atuação Z1 e Z2 representam as impedâncias dos circuitos que alimentam as barras de interesse. Z3 é a impedância entre a barra A e o ponto de falta. I k, perm1 e I k, perm2 são os valores de suportabilidade térmica das barras A e B, as quais são interligadas através de um Is-Limiter. No caso de falta na barra A (Z3 = 0), vale a seguinte relação: I 1 = I k1 e I 2 = I k2, onde I k1 e I k2 são as contribuições para o curto-circuito. Para determinação da equação geral, é assumido um curto à jusante da impedância Z3. O Is-Limiter deve atuar na seguinte situação: I 3 = I 1 + I 2 I k, perm1 (1) Como a relação I 1 /I 2 é determinada pela relação entre as impedâncias Z1 e Z2, vale a seguinte relação: I 1 /I 2 = I k1 /I k2 (2) Substituindo (2) em (1), vem: I 3 = I 2 (1 + I k1 /I k2 ) I k,perm1 No caso limite, a corrente I 2 fluindo pela barra B é igual ao valor de atuação I T2 : I T2 (1 + I k1 /I k2 ) I k,perm1

5 Portanto o valor de atuação é calculado como segue: I T2 = I k, perm1 x I k, perm1 x I k2 /(I k1 + I k2 ) (3) Para um curto na barra B, o valor de atuação I T1 é calculado de forma similar: I T1 = I k, perm2 x I k, perm1 x I k1 /(I k1 + I k2 ) (4) Normalmente, I T1 é diferente de I T2. O menor entre ambos é escolhido como o valor de atuação do Is-Limiter (I T ), o qual representa um valor eficaz para a corrente de curto-circuito, sendo que o Is-Limiter deve atuar durante a primeira subida da onda, caso a taxa de crescimento da corrente exceda o ajuste (di/dt) T e as correntes instantâneas fluindo pelo Is-Limiter fiquem entre os valores i 1 e i 2. As grandezas (di/dt) T, i 1 e i 2 são chamadas de Valores de Ajuste e estão mostradas na figura 5. i 0 representa a curva da corrente de curto com a máxima componente CC, enquanto i 90 representa a curva sem qualquer componente CC, ou seja, são os valores limites observados. FIGURA 5 Corrente instantânea e taxa de crescimento O menor valor das taxas de crescimento calculadas a partir de i 1 e i 2, calculadas sobre as correntes i 0 e i 90, é escolhido como o valor de ajuste (di/dt) T. A corrente instantânea e a taxa de crescimento são dadas, respectivamente, por: i(t) = I [sen(ωt+ψ+ϕ) e -(R/X)ωt sen(ψ-ϕ)] di(t)/dt = Iω [cos(ωt+ψ+ϕ) R/X e -(R/X)ωt sen(ψ-ϕ)] ϕ é o ângulo de fase da corrente de curto; ψ é o ângulo de fase da tensão no instante do curto. 4.0 - DEFINIÇÃO DOS AJUSTES PARA O CASO ESTUDADO 4.1 REQUISITOS PARA OS IS-LIMITERS Na figura a seguir é mostrado um diagrama unifilar simplificado com as contribuições para o curto-circuito trifásico nas barras de 13,8 kv do sistema da Vale do Rosário, bem como a suportabilidade térmica das barras (entre parêntesis), a posição escolhida para os Is-Limiters e a simbologia utilizada para designar as correntes medidas pelo seu sistema de controle.

6 CPFL 138kV TR1 138-13.8kV 17/21 MVA TR2 138-13.8kV 17/21 MVA TR3 138-13.8kV 34/42 MVA BARRA B (31,5 KA) BARRA A (31,5 KA) 16,1 KA BARRA D (31,5 KA) BARRA C (20 KA) BARRA F (31,5 KA) Is-1 4000A I I1 IDC Is-2 1250A I I2 M 0-5KA BARRA E (20 KA) 8,581KA 8,874KA 8,874KA 3,546KA 5,319KA 2,66KA 2,66KA G7 G8 G9 G10 G6 G4 G3 IG7 IG8 IG9 IG10 IG6 I S2 = I I1 + I G7 + I G8 + I G9 + I I2 I S3 = I G7 + I G8 + I G9 + I G6 I S1 = - I I2 + I G6 + I G10 BARRAS A e B Barras 13,8 kv do painel 13,8 kv (31,5 ka) da SE 138-13,8 kv BARRA C Barra 13,8 kv (Concessionária) do painel 13,8 kv (20 ka) da Casa de Força BARRA D Barra 13,8 kv (Concessionária) do painel 13,8 kv (31,5 ka) da Casa de Força BARRA E Barra 13,8 kv (Gerador) do painel 13,8 kv (20 ka) da Casa de Força BARRA F Barra 13,8 kv (Gerador) do painel 13,8 kv (31,5 ka) da Casa de Força FIGURA 6 Contribuições para o curto-circuito em 13,8 kv Os Is-limiters devem ser dimensionados para atuarem quando a corrente de curto-circuito for maior do que 31,5 ka no caso de uma falta nas barras A, B, D e F, e quando for maior do que 20 ka para uma falta nas barras C e E, a fim de proteger os limites térmicos e dinâmicos dos equipamentos já instalados. Os Is-Limiters também poderão atuar para faltas em 138 kv, próximas aos transformadores, dependendo do número de geradores em operação. 4.2 CRITÉRIOS DE ATUAÇÃO A atuação dos Is-Limiters é dependente dos valores atingidos pelas correntes medidas durante uma falta e também da direção dessas correntes. Os critérios de atuação escolhidos são mostrados na tabela a seguir. TABELA 1 Critérios de atuação Is-Limiter Critério Condição Proteção das barras 1.1 - I I1(1) e I S3 A, B, D 1 1.2 - I I1(2) e I DC C 1.3 I I1(2) e I S2 F 2.1 - I I2 e I S1 E 2 2.2 I I2 e I S2 F 2.3 I I2 A, B, D, E, F Para melhor entendimento da tabela acima, peguemos, por exemplo, o critério 1.2. O Is-Limiter 1 somente irá atuar quando a corrente I I1(2) e a corrente I DC atingirem os seus valores de ajuste simultaneamente e, adicionalmente, possuírem sinais diferentes. Esse critério ativa o Is-Limiter 1 quando ocorrer uma falta na barra C. Os critérios mostrados nunca são efetivos todos ao mesmo tempo, pois dependem da condição operacional do sistema. Por exemplo, para uma situação normal de operação, pelo menos dois dos três geradores G7, G8 e G9 estarão em serviço, sendo efetivos os critérios 1.1, 1.2, 1.3, 2.1 e 2.2. O critério 2.3 é necessário para garantir proteção caso um ou nenhum dos geradores G7, G8 e G9 estiver em serviço.

7 A tabela a seguir mostra o panorama geral de atuação dos Is-Limiters para todas as condições operacionais do sistema. TABELA 2 Condições operacionais para atuação Condição Localização da falta Is-Limiter 1 Is-Limiter 2 de serviço A/B C D E F 138kV 1.1 1.2 1.3 Atuação 2.1 2.2 2.3 Atuação X X X X SIM X X --- NÃO X X X X SIM X X --- NÃO A X X X X SIM X X --- NÃO X X X X NÃO X X --- SIM X X X X SIM X X --- SIM X X X X SIM X X --- NÃO X 0 X X NÃO --- --- X SIM X 0 X X SIM --- --- X SIM B X 0 X X NÃO --- --- X SIM X 0 X X NÃO --- --- X SIM X 0 X X SIM --- --- X SIM X 0 X X SIM --- --- X SIM Condição de serviço A: pelo menos dois dos três geradores G7, G8 e G9 estão em serviço. Condição de serviço B: somente um ou nenhum dos três geradores G7, G8 e G9 está em serviço. As condições de serviço A e B são identificadas através de contatos auxiliares dos disjuntores dos geradores. 4.3 VALORES DE ATUAÇÃO Para o caso em questão, onde as correntes de curto-circuito no sistema variam com o número de geradores em operação e onde a contribuição dos motores pode variar substancialmente, torna-se difícil determinar sob quais circunstâncias o valor mais desfavorável (menor) de corrente, que deve representar o valor de atuação, irá ocorrer. Assim, é necessário realizar uma série de cálculos sob diversas condições operacionais do sistema. Conforme formulação apresentada anteriormente, pode-se encontrar o valor de atuação do Is-Limiter 2, o qual é definido para uma falta na barra F, estando apenas os geradores G3 e G6 em operação: I I2T = 31,5 x (5,319 + 2,66) / (5,319 + 2,66 + 8,874 + 8,874 + 8,581 + 16,1) = 4,99 ka Escolheu-se, então, I I2T = 4,50 ka. Para o Is-Limiter 1, os valores de atuação I I1(1)T e I 1(2)T podem ser calculados de uma forma similar. Para o cálculo do valor de atuação devido ao critério de somatória de correntes, assume-se um curto-circuito na barra B atrás de uma reatância X F cujo valor é tal que limita o curto em 31,5 ka no ponto da falta. Além disso, considera-se que o Is-Limiter 2 está aberto e na barra F apenas os geradores G7 e G8 estão em serviço. Sob essas condições, o valor de atuação é calculado da seguinte maneira: I S3T = 31,5 x (8,581 + 8,874) / (8,581 + 8,874 + 16,1) = 16,4 ka Escolheu-se, então, I S3T = 14,0 ka. A tabela 3 mostra os valores de atuação para todas correntes utilizadas como componentes dos critérios de atuação. TABELA 3 Valores de atuação Corrente medida Valor de atuação Is-Limiter 1 Is-Limiter 2 I I1 I I1(1)T 17,0 ----- I I2 I I1(2)T 7,50 ----- I I2T ----- 4,50 I S1 I S1T ----- 13,7 I S2 I S2T 27,0 27,0 I S3 I S3T 14,0 ----- I DC I DCT 16,0 -----

8 A tabela anterior mostra os Valores de Atuação dos Is-Limiters, que são valores eficazes de corrente ou de somatória de correntes. Há a necessidade, ainda, da definição dos Valores de Ajuste dos Is-Limiters, que são as correntes instantâneas i 1 e i 2 e a taxa de crescimento di/dt, conforme definidas no item 3.3. Novamente, um grande número de casos deve ser considerado e simulado, de maneira a determinar-se os menores valores de ajuste. Os resultados encontrados são mostrados na tabela a seguir. TABELA 4 Valores de ajuste Corrente medida Valor de ajuste Is-Limiter 1 Is-Limiter 2 I I1 i 1 [ka] 10,0 6,00 I I2 i 2 [ka] 6,50 3,50 di/dt T [ka/ms] ----- 2,004 di/dt (1)T [ka/ms] 6,975 ----- di/dt (2)T [ka/ms] 3,160 ----- I S1 di/dt S1T [ka/ms] ----- 5,562 I S2 di/dt S2T [ka/ms] 10,46 10,46 I S3 di/dt S3T [ka/ms] 5,65 ----- I DC di/dt DCT [ka/ms] 6,70 ----- 5.0 - CONCLUSÃO Quando um sistema elétrico é expandido, é possível que ocorra a superação dos equipamentos existentes quanto aos seus limites térmicos e dinâmicos, sendo, muitas vezes, a instalação de limitadores de curto-circuito a única solução plausível do ponto de vista técnico e/ou econômico. O presente artigo descreveu, de maneira estilizada, a aplicação do dispositivo Is-Limiter na Cia Açucareira Vale do Rosário, mostrando as suas características principais e métodos de cálculo de seus parâmetros de ajuste. Pôde-se observar que o Is-Limiter possui características únicas e essenciais para um desempenho adequado frente às particularidades do sistema estudado, tais como avaliação da corrente de curto não só pelo seu valor eficaz mas também pela sua taxa de crescimento, avaliação da somatória de diversas correntes medidas através de TC s instalados nos geradores e alimentadores e avaliação da direcionalidade das correntes, o que confere ao sistema uma característica exclusiva de seletividade, possibilitando que os Is-Limiters atuem somente em caso de necessidade real, dependendo da intensidade, da configuração operacional do sistema e do local de acontecimento da falta. 6.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) DREIMANN, E., HARTUNG, K. H.; GRAFE, V. Protective device for limiting short-circuit currents. ETZ 1 15, p. 492-494, 1994. (2) HARTUNG, K. H.; GRAFE, V. Reliable and economic protection against short-circuit currents. Elektizitätswirtschaft, p. 720-724, 1994. (3) ABB Calor Emag Schaltanlagen AG. Is-Limiter, 1996. (4) HARTUNG, K. H.; GRAFE, V. Calculation of the tripping values for applications of Is-Limiters, 2000. (5) HARTUNG, K. H.; GRAFE, V. Calculation of the settings for an Is-Limiter measuring and tripping device, 2001.