Baixe Técnicas de Controle de Sobretensão Transitória e outras Trabalhos em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! ANÁLISE DAS TÉCNICAS DE CONTROLE DE SOBRETENSÃO TRANSITÓRIA DURANTE A ENERGIZAÇÃO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO Eduardo da Costa Sousa educosta.sousa@gmail.com: Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia – Minas Gerais, www.ufu.br Resumo – A sobretensão em sistemas de transmissão de energia elétrica é um problema de difícil solução, visto que sua total supressão é extremamente difícil e não há formas satisfatórias de evitá-la, entretanto, suas amplitudes são passíveis de redução. Tradicionalmente, as sobretensões transitórias advindas das manobras de energização de linhas de transmissão são limitadas utilizando o “método convencional”, como é o caso do uso de resistores de pré-inserção, este apesar de ser um método efetivo, apresenta uma aceitação de sua tecnologia tendente a diminuir devido ao alto custo de implementação e manutenção. Nos últimos tempos as principais empresas de transmissão do mundo têm se mostrado mais favoráveis à utilização de pára-raios e chaveamento controlado de disjuntores para o controle de sobretensões. O presente trabalho foi realizado com o objetivo de analisar os diferentes métodos para o controle de sobretensões associadas às manobras de energização de linhas de transmissão em vazio determinando assim as melhores condições técnicas para a otimização destes processos. Apresentam-se os resultados obtidos através de simulações com o programa ATPDraw de um caso específico, tendo como base um sistema de 138 kV. Palavras-Chave – ATPDraw, chaveamento controlado, energização, linhas de transmissão, pára-raios. I. INTRODUÇÃO As sobretensões em um sistema de transmissão não podem ser evitadas, assim como sua total supressão é extremamente difícil, entretanto, suas amplitudes podem ser limitadas para que sejam compatíveis com os níveis de isolamento dos equipamentos do sistema. Por este motivo faz-se necessário pesquisar novas abordagens que busquem soluções cada vez mais eficientes com a finalidade de diminuir os efeitos das sobretensões nos sistemas de transmissão. Nesse sentido, a avaliação precisa do comportamento dos sistemas de potência frente às sobretensões torna-se uma missão prioritária para pesquisadores que buscam melhorar a proteção dos sistemas, a diminuição dos custos de projeto, a identificação de sistemas vulneráveis e seus impactos efetivos [1]. Durante a maior parte do tempo, os sistemas elétricos de potência e, especificamente, as linhas de transmissão operam em regime permanente. No entanto, o dimensionamento dos sistemas elétricos deve contemplar, além das perturbações sustentadas, as perturbações transitórias. A linha de transmissão, em conjunto com seus sistemas de proteção, de controle e dos equipamentos de compensação reativa quando existentes, é dimensionada para suportar ocorrências de fenômenos transitórios e sustentados, tendo como ferramentas bastante úteis nessa tarefa os simuladores de sistemas elétricos. A energização de linhas de transmissão são manobras frequentes, cuja amplitude dos transitórios é influenciada pela configuração do sistema bem como pelas características dos equipamentos. Tradicionalmente, as sobretensões transitórias advindas destas manobras são limitadas por métodos convencionais. Estes métodos consistem na aplicação de resistores de pré-inserção nos disjuntores, muitas vezes associados a pára-raios de óxido metálico em ambos os terminais da linha. O uso de resistores de pré- inserção, apesar de ser um método efetivo, apresenta uma aceitação de sua tecnologia tendente a diminuir devido ao alto custo de implementação e manutenção [1]. Outro método para reduzir as sobretensões de manobra é controlar o instante de fechamento do disjuntor através da utilização de um dispositivo de controle. Isto se deve ao fato de que os surtos originados de manobras de energização são dependentes das tensões através dos contatos do disjuntor no instante do seu fechamento, e são consideravelmente reduzidos se estas tensões estão próximas de zero. Experiências positivas de campo têm sido obtidas durante os últimos anos com equipamentos de sincronismo usados para controlar manobras de bancos de capacitores e reatores em derivação em sistemas de alta tensão. Pelo exposto neste artigo, analisam-se os métodos de limitação de sobretensões transitórias associadas às manobras de energização de linhas de transmissão, determinando assim as melhores condições técnicas para a otimização destas manobras. A finalidade principal deste trabalho visa estimar os níveis de sobretensões geradas em uma linha de transmissão durante as manobras de energização. Tal levantamento é fundamental para inferir o desempenho do “método convencional” de controle, como é o caso do resistor de pré- inserção versus o chaveamento controlado de disjuntores, o uso de pára-raios nos terminais e ao longo da linha, para finalmente fazer uma análise comparativa destas técnicas de mitigação de sobretensões. Como parte da metodologia de desenvolvimento, realizam-se simulações computacionais utilizando-se o programa ATPDraw. II. MÉTODOS DE LIMITAÇÃO DE SOBRETENSÕES A. Resistor de Pré-Inserção Os resistores de fechamento de disjuntores, também conhecidos como resistores de pré-inserção (RPI), são um dos métodos mais utilizados para se reduzir a amplitude das sobretensões transitórias geradas por manobras de chaveamento de linhas de transmissão. São instalados em paralelo com as câmaras dos disjuntores, um resistor para cada câmara. Os resistores de fechamento são componentes que podem apresentar um considerável índice de falhas quando em operação. A possibilidade de sua eliminação ou da aplicação de um sincronizador de fechamento diminui a necessidade de peças de reposição, permitindo que o disjuntor continue a ser utilizado com um menor número de componentes mecânicos, aumentando a sua confiabilidade. O arranjo de atuação do resistor, como se apresenta na figura 1, é tal que quando a linha de transmissão é energizada, inicialmente, fecha-se o contato auxiliar que insere o resistor em série entre a fonte e a linha de transmissão. Ao inserir o resistor, a tensão que seria imposta sobre a linha é dividida entre a linha e o resistor. Após um breve período de tempo, fecha-se o contato principal, curto- circuitando desta forma o resistor e trazendo para a linha a tensão plena da fonte. Fig. 1 – Circuito simplificado do resistor de pré-inserção. Assim a linha é energizada em dois estágios, com cada um deles produzindo uma determinada sobretensão. A primeira delas é devida à energização através do resistor e a segunda é causada pelo curto-circuito do resistor. Embora cada estágio produza sobretensões ao longo da linha, a escolha adequada do resistor assegura que as amplitudes das sobretensões sejam consideravelmente inferiores àquelas obtidas sem o resistor [1]. As principais características dos resistores de pré-inserção são: Tempo de Inserção: Para determinar o tempo de inserção do resistor, verifica-se que a partir de um determinado valor, aproximadamente de ½ ciclo, para linhas com comprimento elétrico menor do que ¼ do comprimento de onda (λ), o valor da sobretensão se torna insensível ao aumento do tempo de permanência. Este fato, juntamente com a exigência térmica conduz à decisão de se adotarem valores médios de permanência do resistor normalmente na faixa de 6 a 15 ms. Uma condição a ser obedecida é que o resistor não deve ser retirado antes que a primeira reflexão das ondas de tensão/corrente na extremidade aberta da linha retorne ao terminal da fonte, isto é, de modo a ser efetivo, o tempo de permanência deve ser maior que duas vezes o tempo de trânsito da linha. Valor do Resistor: Definido o tempo médio de permanência do resistor, o seu valor de resistência é encontrado pesquisando-se a menor sobretensão, variando-se o valor ôhmico do resistor no instante do chaveamento. A escolha do resistor através desse procedimento é válida para qualquer configuração de sistema com linhas menores do que λ/4. O valor ótimo do resistor depende basicamente dos seguintes fatores: potência de curto circuito da fonte, comprimento da linha e grau de compensação da linha. Quando conhecido o valor da impedância característica da linha de transmissão, este deve ser adotado como valor do resistor de pré-inserção. Energia Dissipada: Outro fator que deve ser levado em conta no dimensionamento do resistor é a quantidade de energia por ele dissipada. Com o aumento no valor do resistor, a corrente que flui através dele diminui, levando-o a absorver menos energia. Deve-se, portanto, selecionar um resistor igual àquele correspondente ao valor ótimo e que atenda às condições pré-determinadas de máxima sobretensão permitida e de energia dissipada. B. Pára-Raios Nos últimos anos surgiram alternativas aos resistores de pré-inserção, especificamente, o uso mais ativo dos pára- raios e o chaveamento controlado. A limitação eficiente das sobretensões ao longo da linha por pára-raios é possível mediante a utilização de equipamentos com alta capacidade de dissipação de energia. O uso de pára-raios em linhas de transmissão oferece uma alternativa aos resistores de pré- inserção pelo menor custo, facilidade na manutenção e a possibilidade destes poderem se situar ao longo da linha em pontos selecionados para obter o controle requerido do perfil de sobretensão. A tecnologia dos pára-raios de óxido de zinco (ZnO) foi introduzida no final da década de 1970, desenvolvida durante a década de 1980 e aperfeiçoada no início da década de 1990, onde foram introduzidos, aos sistemas de transmissão de alta tensão, pára-raios com alta capacidade de absorção de energia e fácil instalação, fornecendo uma solução aos problemas que a tecnologia antiga não conseguia. As energias absorvidas dependem de suas características não lineares e da configuração do sistema elétrico em estudo. Geralmente, a quantidade de energia absorvida pelos pára- raios é maior para sistemas elétricos com impedâncias de surto menores e para níveis de proteção dos pára-raios mais baixos. Na ocorrência de sobretensões de manobra, todos os pára-raios de óxido metálico, instalados na mesma subestação conduzem ao mesmo tempo, compartilhando a energia total envolvida na manobra [2]. As principais características elétricas dos pára-raios são: Tensão Nominal: A tensão nominal de um pára- raios é o valor máximo eficaz da tensão na frequência industrial aplicada aos seus terminais no ensaio de ciclo de serviço, para a qual o pára-raios foi projetado e tem condições de operar satisfatoriamente durante o ensaio. O valor da tensão nominal é utilizado como um parâmetro de referência para a especificação de suas características de operação. Níveis de Proteção: Os níveis de proteção para pára-raios de óxido de zinco, sem nenhum tipo de centelhador em série, são definidos somente pelas tensões residuais que aparecem através de seus Fig. 10 – Forma de onda da tensão no final do trecho B-C. Fig. 11 – Forma de onda da tensão no final do trecho B-D. C. Pára-Raios A tabela III apresenta a característica não linear dos pára- raios utilizados nestas simulações, estes possuem tensão de referência de 150 kV. TABELA III Característica Não Linear dos Pára-Raios Corrente (A) Tensão (kV) 0,005 120 3 130 10000 190 Foram simuladas as seguintes situações envolvendo a localização dos pára-raios: Pára-raios no final de cada trecho; Pára-raios no final de cada trecho e meio da linha; Pára-raios nas extremidades da linha; Pára-raios nas extremidades e no meio da linha. Depois de realizadas todas estas simulações, o sistema de transmissão em estudo apresentou resultados semelhantes para todas as situações, mostrando-se que a utilização de pára-raios no final de cada trecho já satisfaz o desejo de diminuição da sobretensão transitória de energização. As figuras 12 e 13 apresentam a forma de onda da tensão para o caso de energização da linha de transmissão utilizando pára-raios. Pode-se observar que usando este método, a sobretensão no final de cada trecho foi reduzida em 39,40% e em 36,86%, alcançando valores de 1,40 pu e 1,39 pu para o trecho B-C e B-D, respectivamente. Fig. 12 – Forma de onda da tensão no final do trecho B-C. Fig. 13 – Forma de onda da tensão no final do trecho B-D. D. Chaveamento Controlado O fechamento ótimo dos polos do disjuntor, para reduzir ou não produzir a parcela transitória durante a manobra de energização da linha de transmissão a vazio, corresponde a fechar o polo do disjuntor no instante no qual a tensão à montante do disjuntor encontra-se próxima de zero, uma vez que a linha em vazio tem um comportamento semelhante a um capacitor sem carga. O método desenvolvido, para o chaveamento controlado de linhas de transmissão, baseia-se em estimar o sinal de tensão, de forma que ocorra o fechamento sincronizado de cada fase do sistema, quando esta passar por seu valor mínimo, isto é, no cruzamento da onda de tensão por zero. O controle sincronizado do disjuntor foi implementado usando as componentes TACS, que são parte de um grupo especial de elementos de controle do ATPDraw, realizando o fechamento sincronizado das fases, quando a onda de tensão de cada fase cruza consecutivamente os zeros da tensão. A figura 14 apresenta o controle utilizado para realização do chaveamento controlado em uma das fases. Fig. 14 – Controle do chaveamento sincronizado em uma das fases. As figuras 15 e 16 apresentam a forma de onda da tensão para o caso de energização da linha de transmissão, utilizando chaveamento controlado. Pode-se observar que usando este método, a sobretensão no final de cada trecho foi reduzida em 48,66% e em 43,31%, alcançando valores de 1,19 pu e 1,23 pu para o trecho B-C e B-D, respectivamente. Fig. 15 – Forma de onda da tensão no final do trecho B-C. Fig. 16 – Forma de onda da tensão no final do trecho B-D. IV. ANÁLISE COMPARATIVA Nesta seção é feita uma análise comparativa dos três métodos estudados para a manobra de energização de linhas de transmissão. Os níveis de sobretensões comparados são medidos no final de cada trecho analisado. Para o trecho B-C os três métodos apresentaram um desempenho muito similar, conforme a figura 17. O nível de sobretensão no terminal receptor utilizando pára-raios é reduzido a 1,40 pu. Utilizando chaveamento controlado o nível de tensão é reduzido até 1,19 pu e com o resistor de pré-inserção alcança um valor de 1,39 pu. Para o trecho B-D os três métodos também apresentaram um bom desempenho, de acordo com a figura 18. O nível de sobretensão no terminal receptor utilizando pára-raios é reduzido a 1,39 pu. Utilizando chaveamento controlado o nível de tensão é reduzido até 1,23 pu e com o resistor de pré-inserção alcança um valor de 1,35 pu. Fig. 17 – Máxima sobretensão no final do trecho B-C. Fig. 18 – Máxima sobretensão no final do trecho B-D. V. CONCLUSÕES Mediante simulações realizadas com o programa ATPDraw foram apresentados os resultados do comportamento dos pára-raios, chaveamento controlado e resistor de pré-inserção, no controle de sobretensões transitórias na manobra de energização de linhas de transmissão. Este estudo analisa as piores condições do sistema, porém os resultados apresentados neste artigo não devem ser generalizados. Cada sistema deve ser estudado de forma específica e com suas particularidades, já que um grande número de parâmetros influi nestas sobretensões. O uso de pára-raios de óxido de zinco é uma alternativa na limitação de sobretensões na manobra de energização, apresentando resultados satisfatórios. A partir dos resultados obtidos nas simulações realizadas, pode-se afirmar que na manobra de energização do sistema estudado, o chaveamento sincronizado é um método mais adequado para o controle das sobretensões do que o resistor de pré-inserção. Este último, apesar de ser um método efetivo, apresenta uma aceitação de sua tecnologia tendente a diminuir devido ao alto custo de implementação e manutenção. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] VALERO, P.M. Análise comparativa de técnicas de controle de sobretensões transitórias nas manobras de energização e religamento de linhas de transmissão. 2007. 170 p. Dissertação (Mestrado) Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP. Campinas, 2007. [2] J.R. RIBEIRO, M.E. McCALLUM, “An applicatioin of metal oxide surge arresters in the elimination of need for closing resistors in ehv breakers”, in: IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 4, n° 1, pp. 282-291, January 1989. [3] K.M.C. DANTAS, W.L.A. NEVES, D. FERNANDES Jr., “Aplicação de Chaveamento Controlado para Manobras de Religamento de Linhas de Transmissão: Estudos de Caso”, in: XIII ERIAC. Puerto Iguazú, Argentina, 2009. [4] H. ITO, “Controlled switching technologies, state of the art survey – part i”, in: ELECTRA, n°. 162, pp. 65-97, October 1995. [5] K.M.C. DANTAS, D. FERANDES Jr., W.L.A. NEVES, B.A. SOUZA, L.C.A FONSECA, “Mitigation of Switching Overvoltage in Transmission Lines via Controlled Switching”, in: IEEE Power & Energy Society General Meeting, July 2008.