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REQUISITOS DE TRT (TENSÃO DE RESTABELECIMENTO TRANSITÓRIA)
ORIUNDOS DE MANOBRAS DE ABERTURA IMPOSTOS AOS DISJUNTORES DAS
SUBESTAÇÕES DO TRONCO DE 500 KV DA INTERLIGAÇÃO NORTE-SUL PARA
A DEFINIÇÃO DE SUAS CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS
Jorge Amon F° (*) P. C. V. Esmeraldo Adriana Nakazato Marcio Accioly R. L. Leoni Claudia M. F. Oliveira Alessandra S. B. Câmara F. M. S. Carvalho Dalton O. C. Brasil Marcelo J. A. Maia
Furnas Centrais Elétricas S.A. Promon/Themag Eletrobrás
RESUMO
O objetivo do presente trabalho é determinar os requisitos de TRT (tensão de restabelecimento transitória) oriundos de manobras de abertura impostos aos disjuntores das subestações do tronco da Interligação Norte-Sul para a definição de suas características elétricas, verificando, principalmente, eventuais desvios em relação aos limites estabelecidos nas normas técnicas de disjuntores, face a influência de linhas de transmissão longas e com torres compactas e do elevado grau de compensação paralela e série.
PALAVRASCHAVE: Manobra Abertura Disjuntor -Linha de Transmissão - Norma Técnica
1. INTRODUÇÃO
Para a determinação dos requisitos de TRT [1] (tensão de restabelecimento transitória) oriundos das manobras de abertura dos disjuntores das subestações do tronco da Interligação Norte-Sul [2] visando a definição de suas características elétricas, sob a influência de linhas de transmissão longas e com torres compactas e do elevado grau de compensação paralela e série, as seguintes manobras de abertura de disjuntores foram consideradas:
- Eliminação de falta; - Abertura de linha em vazio ; - Abertura em discordância de fases.
As simulações das manobras de abertura do disjuntor foram realizadas em computador digital com a utilização do programa de cálculo de transitórios eletromagnéticos ATP [3] (Alternative Transients Program).
2. ELIMINAÇÃO DE FALTA
2.1 Critérios
Nas simulações de eliminação de falta terminal, foram consideradas faltas trifásicas e monofásicas aplicadas aos terminais do disjuntor do lado da linha, com o cálculo da TRT para os três pólos do disjuntor.
Foram consideradas tanto faltas para terra quanto não aterradas, muito embora, devido ao grande espaçamento entre fases em linhas de 500 kV (mesmo em torres compactas), faltas trifásicas não aterradas são de pouca probabilidade de ocorrência.
Nas simulações de eliminação de falta quilométrica, foram consideradas faltas monofásicas para terra, aplicadas à linha de transmissão em pontos distantes de 2, 3, 4 e 5 km dos terminais do disjuntor.
O cálculo da TRT devido a eliminação de falta foi desenvolvido para os disjuntores da subestação de Serra da Mesa. Como esta subestação corresponde aos maiores níveis de curto-circuito, o que acarreta solicitações de TRT mais severas, os resultados puderam ser utilizados para as demais subestações.
Para o cálculo da TRT foram estudadas as configurações inicial (1998) e do ano horizonte considerado (2008) para a rede de 500 kV estudada.
impedância de surto na barra de Serra da Mesa no ano horizonte igual ao do ano inicial, o nível de curto-circuito mais elevado acarreta uma taxa de crescimento inicial da TRT mais elevada.
Da mesma forma, para um número de linhas sãs conectadas à barra de Serra da Mesa no ano horizonte igual ao do ano inicial, o nível de curto-circuito mais elevado acarreta picos máximos da TRT mais elevados. Foi observada a abertura dos três pólos do disjuntor da linha da Interligação Norte -Sul partindo da barra de 500 kV de Serra da Mesa, com a falta já aplicada e o regime permanente já atingido, com registro das curvas de TRT e dos parâmetros que caracterizam a sua severidade, quais sejam, o primeiro pico (E1), o pico máximo (E2), seus respectivos tempos de ocorrência (T1 e T2) e a taxa de crescimento (S).
Para as faltas monofásicas, os tempos de abertura dos pólos do disjuntor foram convenientemente ajustados de tal forma que o pólo correspondente à fase em falta abrisse por último, de modo a maximizar a impedância de surto vista pelo disjuntor no instante da interrupção da falta, acarretando elevadas taxas de crescimento da TRT.
Adotou-se para taxa de crescimento da TRT aquela correspondente à tangente à curva da TRT passando pela origem. Os disjuntores com meio de extinção a ar comprimido e a SF6 são mais sensíveis esse tipo de variação do crescimento da TRT.
2.2 Casos simulados
A configuração original da rede estudada foi modificada pelo planejamento, com alteração do valor do reator de linha em Serra da Mesa quando os casos já haviam sido simulados.
Entretanto os resultados continuaram válidos, pois como será visto adiante, os requisitos de TRT foram definidos pelos casos que não incluem reator em Serra da Mesa que acarretara resultados mais desfavoráveis.
Foram simulados 19 casos onde foram combinados o tipo (Trifásica ou Monofásica) e o ponto de aplicação da falta (Terminal ou Quilométrica), envolvendo ou não a terra.
Foi considerada também a possibilidade de ocorrência de pólo preso nos disjuntores.
Foram contempladas as configurações do ano inicial e também do ano horizonte, onde foram consideradas diversas configurações de reatores de linha em Serra da Mesa, tendo também sido investigado o efeito da representação das capacitâncias da barra de Serra da Mesa.
2.3 Resultados
Dos casos simulados, os de falta terminal acarretam os maiores valores de pico da TRT, enquanto que os casos de falta quilométrica acarretam os maiores valores de taxa de crescimento da TRT. Tal resultado já era esperado pois, na falta quilométrica, a redução da corrente de falta pela impedância do trecho de linha entre o disjuntor e o ponto de aplicação da falta atenua os valores dos picos máximos da TRT, enquanto que as reflexões do surto de manobra ocorridas no mesmo trecho de linha aumenta as taxas de crescimento da TRT.
Em decorrência do aumento do nível de curto-circuito, os casos correspondentes ao ano horizonte acarretam os resultados mais severos do estudo.
2.4 Definição dos Requisitos de TRT
Da análise desenvolvida no ítem anterior, conclui-se que, para o ano inicial os requisitos de TRT são definidos: • para falta terminal, com E1 = E2 = 868.2 kV, T1 = T2 = 2055.µs, S = 1.4 kV/µs e Icc = 7.0 kA;
• para falta quilométrica, com E1 = 82.7 kV, E2 = 508.9 kV, T1 = 42.5 µs, T2 = 2115. µs, S = 2.8 kV/µs e Icc = 7.9 kA;
Para o ano horizonte os requisitos de TRT são definidos: • para falta terminal, com E1 = 662.8 kV, E2 = 886.2 kV, T1 = 1135. µs, T2 = 1955. µs, S = 2.7 kV/µs e Icc = 15.2 kA;
• para falta quilométrica, com E1 = 147.2 kV, E2 = 496.1 kV, T1 = 42.5 µs, T2 = 1910. µs, S = 4.2 kV/µs e Icc = 14.3 kA.
Na Figura 1 está mostrado o gráfico da TRT para o primeiro pólo a abrir uma falta terminal trifásica não aterrada. No mesmo gráfico também está mostrada a envoltória normalizada, correspondente a 60 %.
O gráfico da TRT para a abertura de uma falta monofásica quilométrica (último pólo a abrir) está mostrado na Figura 2.
Figura 1 - Gráfico da TRT para o primeiro pólo a abrir uma falta terminal trifásica não aterrada
2.5 Especificação do disjuntor
Os requisitos de TRT constantes das Normas ABNT [4] / IEC [5] para disjuntores de 550 kV estão mostrados na Tabela 1, a seguir:
% Icc 10 30 60 100 u1 ( kV ) - 702 674 674 t1 ( µs ) - 117 225 337 uc ( kV ) 1066 1053 1011 943 t2, t3 ( µs ) 82 878 1013 1010 u1/t1, uc/t3 ( kV / µs ) 13 6 3 2
Tabela 1 - Requisitos de TRT das Normas ABNT / IEC para disjuntores de 550 kV
a) Seleção
A seleção do disjuntor se inicia pela verificação dos requisitos de TRT para falta terminal. Tendo em vista que o maior valor de corrente de curto-circuito relacionado no ítem 2.4 é de 15.2 kA, seleciona-se, em princípio, o valor normalizado de 20 kA.
b) Verificação
Como 15.2 / 20 = 0.76, compara-se os resultados máximos encontrados para falta terminal (ítem 2.4) com a envoltória normalizada (100 % - Tabela 1).
Entretanto, como a taxa de crescimento calculada (S = 2.7 kV/µs) é maior do que o valor correspondente da envoltória normalizada (S = 2.0 kV/µs), conclui-se que o valor de 20 kA não atende às necessidades do sistema e, então, seleciona-se o valor normalizado imediatamente superior, de 31.5 kA.
O procedimento análogo remete à envoltória normalizada de 60 % (S = 3.0 kV/µs), acarretando a conclusão de que o valor de 31.5 kA atende às necessidades do sistema, no que se refere ao requisito de TRT para falta terminal, restando, agora proceder a análise do requisito para falta quilométrica. De acordo com o Apêndice AA da Norma IEC-56 para disjuntores, a partir de U = 550 kV, I = 31.5 kA e f = 60 Hz, chega-se a um valor de taxa de crescimento suportável de 6.9 kV/µs para faltas quilométricas, concluindo-se, então, que o valor de 31.5 kA também atende às necessidades do sistema, no que se refere ao requisito de TRT para falta quilométrica.
c) Conclusão
A análise anterior mostrou que o disjuntor de 31.5 kA atende às necessidades de TRT da interligação Norte - Sul no horizonte considerado. Todavia, como esse horizonte é apenas de 10 anos, não se tendo definição da evolução do sistema para anos além do horizonte, recomenda-se, a fim de se cobrir possíveis expansões não previstas no planejamento original, a utilização de disjuntores de 40 kA.
3. ABERTURA DE LINHA EM VAZIO SOB CONDIÇÕES NORMAIS E DE FALTA, COM TENSÕES DE PRÉ-MANOBRA RESULTANTES DE REJEIÇÃO DE CARGA
3.1 Critérios
A abertura de uma fase sã de uma linha de transmissão em vazio, após uma rejeição de carga seguida ou não de falta monofásica para terra é considerada uma solicitação bastante severa para o disjuntor.
Para o cálculo da TRT devido à abertura de linha de transmissão em vazio foi estudada apenas a configuração inicial (1998), uma vez que na configuração prevista para o ano horizonte (2008) haverá maior número de linhas de transmissão com menor carga residual por circuito, acarretando solicitações de abertura de linha em vazio menos severas para os disjuntores.
A configuração inicial compreende um único circuito de linha de transmissão entre as subestações de Serra da Mesa e Imperatriz, passando pelas subestações intermediárias de Gurupi, Miracema e Colinas e a subestação escolhida para a análise do disjuntor manobrado foi a de Colinas, pois, nesta subestação é verificada a maior sobretensão fase-terra em consequência de uma rejeição de carga aplicada em Imperatriz.
Foram simulados 2 casos de abertura da LT 500 kV Colinas - Imperatriz em vazio, na subestação de Colinas, um após uma rejeição de carga em Imperatriz seguida de falta monofásica para terra na barra de Imperatriz e o outro sem a falta.
Para o caso com falta foi representado um curto monofásico na subestação de Imperatriz e foi observada a abertura das fases sãs. Os tempos de abertura dos pólos do disjuntor foram convenientemente ajustados de tal forma que o pólo correspondente à fase em falta abrisse por último.
Nos 2 casos simulados, não foram representados os transitórios de aplicação da rejeição de carga nem da falta, admitindo-se que o regime permanente já havia sido atingido no instante da abertura do disjuntor sob análise. Foi fixado o valor de 1,4 pu para a tensão de pré-manobra da barra de 500 kV da subestação de Colinas, conforme indicado na Figura 3.
resultados com os dos casos anteriores, embora, tanto na literatura disponível, quanto nas normas técnicas de disjuntores, as condições pós rejeição de carga e falta e pré abertura da linha em vazio são consideradas como regime permanente.
3.2 Resultados
Na Tabela 2, a seguir, estão listados os valores máximos obtidos para a tensão através dos contatos do disjuntor estudado.
Descrição do Caso Tensão Através dos Contatos do DJ (kV, crista) 1. sem transit. aplic. rej. ,
sem falta
870.
2. sem transit. aplic. rej. , com falta
880.
3. com transit. aplic. rej. , sem falta
800.
4. com transit. aplic. rej. , com falta
810.
Tabela 2 - Valores máximos da tensão através dos contatos do disjuntor estudado.
Os gráficos correspondentes aos casos simulados são mostrados a seguir:
Figura 4 - Caso 1 - Sem transitório de aplicação da rejeição , sem falta
Figura 5 - Caso 2 - Sem transitório de aplicação da rejeição , com falta
Figura 6 - Caso 3 - Com transitório de aplicação da rejeição , sem falta
Figura 7 - Caso 4 - Com transitório de aplicação da rejeição , com falta
3.3 Análise dos resultados
Os resultados mostram que os casos onde não foram representados os transitórios de aplicação da rejeição de carga nem da falta (1 e 2), os valores máximos das tensões através do disjuntor manobrado são superiores aos correspondentes dos casos 3 e 4.
Isto se deve porque nos casos 1 e 2 foi fixado o valor de 1,4 pu para a tensão de pré-manobra da barra de 500 kV da subestação de Colinas, enquanto que nos casos 3 e 4 é visto que o valor dessa tensão é inferior a 1,4 pu e não se mantém constante.
Por outro lado, também é visto que nos casos 3 e 4 as tensões através do disjuntor manobrado apresentam picos iniciais superiores aos correspondentes nos casos 1 e 2, exatamente porque nos casos 3 e 4 foram incluídos os transitórios de aplicação da rejeição de carga e da falta.
De qualquer forma, esses picos iniciais ocorrem em tempos superiores a 7,6 ms e seus valores são inferiores a 1300 kV, como é mostrado nas Figuras 8 e 9 e estão cobertos pelas normas de disjuntores, como será mostrado mais a diante.
As Figuras 8 e 9 apresentam o detalhe do gráfico do caso 1 superposto com o do caso 3 e o do caso 2 superposto com o do caso 4, respectivamente.
Figura 9 - Casos 2 e 4
3.4 Conclusões
Em função dos resultados das simulações foram definidos os requisitos de abertura de linha em vazio para os disjuntores de 550 kV da linha da Interligação Norte - Sul, conforme segue:
- valor de crista da TRT: 1300 kV
- tempo correspondente ao valor de crista: 7,6 ms
Cabe salientar que, embora o valor máximo calculado para a tensão de restabelecimento tenha sido 880 kV, foi especificado o valor imediatamente superior coberto pelas normas ABNT / IEC de disjuntores, conforme é demonstrado a seguir:
A tensão através dos contatos do disjuntor Vr é dada em pu da tensão fase terra Vt na barra onde está conectado o disjuntor e depende da relação C1 /Co. Para linhas de transmissão, em que as capacitâncias entre fases tem valor significativo em comparação com as capacitâncias para a terra, a relação C1/Co situa-se na faixa de 1,6 a 2,0 , acarretando Vr máximo situado entre 2,2 a 2,4 pu.
Assumindo Vt = 1,4 pu e Vr máximo = 2,2 pu, de acordo com a norma IEC 56, chega-se a Vr máximo = 1300 kV.
Este valor calculado de acordo com a norma IEC 56 é bem superior ao valor obtido das simulações.
Tempo correspondente ao valor de crista = 1/2F para F = 66 Hz ---> Tempo = 1/(2 X 66) = 7,6 ms
4. ABERTURA EM DISCORDÂNCIA DE FASES
4.1 Critérios
O pior caso para este tipo de manobra é a abertura do disjuntor com defasagem de 180o através de seus pólos, o que tem a severidade da mesma natureza da abertura de um curto-circuito.
Foram escolhidas duas subestações adjacentes para a referência da discordância de fases entre os pólos do disjuntor.
Foram investigados ângulos de defasagem de 180o e também inferiores a 180o, tendo em vista a possibilidade de adoção de esquemas de proteção que impeçam a abertura do do disjuntor nessa condição limite. As subestações escolhidas para o início das simulações foram a de
Imperatriz, por ser, eletricamente, a mais distante de Serra da Mesa e, portanto, já possuindo elevada defasagem angular em relacão a esta subestação em função da grande distância elétrica e a de Colinas, por ser a subestação, também elétricamente distante de Serra da Mesa, adjacente a Imperatriz. Em seguida, foram realizadas simulações para as demais subestações.
4.2 Casos simulados
Para se encontrar condições severas não cobertas pelas Normas ABNT / IEC foram simulados vários casos, cada um com um valor de ângulo de defasagem a saber: 180°, 100°, 85°, 70° e 65°; considerando também várias hipóteses de compensação em derivação na interligação.
Com reatores de 136 MVAr foi simulada a abertura de disjuntor nas subestações de Serra da Mesa, Gurupi, Miracema, Colinas e Imperatriz, tendo sido investigado o efeito da representação ou não dos gaps dos CS’s e TCSC’s.
Os gráficos dos resultados das simulações correspondentes às defasagens de 180o e 65o, bem como a envoltória de norma estão mostrados nas Figuras 10 e 11, respectivamente.
Figura 10 Defasagem angular de (eficaz)180o -corrente = 3,1 Ka
Figura 11 - Defasagem angular de 65o - corrente = 1,7 kA
Os resultados que, conforme será visto a diante, estão cobertos pelas Normas ABNT / IEC são apresentados na Tabela 3.
Subestação Defasagem Angular (graus)
Corrente Interrompida (kA, eficaz)
Serra da Mesa 90 1,8
Gurupi 80 2,0
Miracema 70 1,8
Colinas 65 1,7
Imperatriz 120 2,7
O caso correspondente à abertura do disjuntor de Miracema da LT Miracema - Colinas, em oposição de fases de 180o ,
considerando os capacitores série inseridos, apresentou os maiores valores de tensão através dos polos do disjuntor e, portanto, seus resultados definiram a especificação dos requisitos de abertura em oposição de fases para os disjuntores de 550 kV da Interligação Norte - Sul, conforme segue:
- tensão através (valor de crista) = 1632 kV
- instante de ocorrência (contado a partir da interrupção) = 2352 µs
A Figura 12 apresenta os valores de tensão através dos polos dos disjuntores, incluindo o caso correspondente à abertura do disjuntor de Miracema da LT Miracema – Colinas, considerado o caso mais severo.
Figura 12 - Tensão através dos polos do disjuntor, sem a representação dos gaps dos CS’s e TCSC’s
4.3 Análise dos resultados
Os resultados dos casos simulados foram comparados com a envoltória das Normas ABNT / IEC de disjuntores, cujos parâmetros para a tensão de 550 kV são os seguintes:
U1 = 898 kV T1 = 583 µs
U2 = 1123 kV T2 = 1749 µs
Corrente interrompida = 25 % da capacidade de interrupção do disjuntor
Todos os casos simulados apresentaram valor de corrente a ser interrompida inferior a 10 kA (25 % de 40 kA), porém somente os casos da Tabela 3 apresentaram a curva da tensão de restabelecimento envolvida pela envoltória normalizada, o que também pode ser visto na Figura 11.
4.4 Conclusão
Pelo ítem anterior conclui-se que o disjuntor de 40 kA atende aos requisitos de abertura em discordância de fases, desde que sejam respeitados os ângulos limites da Tabela 3. Para a especificação dos disjuntores será considerado, também, o resultado do caso mais severo, que como foi
visto, é o caso correspondente à abertura do disjuntor de Miracema da LT Miracema - Colinas, em oposição de fases de 180o , considerando os capacitores série inseridos. Assim,
o requisito de abertura em discordância de fases será composto por:
a) Requisito de Norma:
U1 = 898 kV T1 = 583 µs
U2 = 1123 kV T2 = 1749 µs
Para corrente interrompida de 10 kA e
b) Requisito Especial:
Uc = 1632 kV Tc = 2352 µs
Para corrente interrompida de 6 kA
5. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Os cálculos realizados nos ítens 2, 3 e 4 indicam que podem ser adotados disjuntores de 500 kV / 40 kA em todas as subestações integrantes da Interligação Norte - Sul, especificados de acordo com as Normas ABNT / IEC para disjuntores, ressalvando-se, contudo, a ponderação do ítem 4.4 .
6. BIBLIOGRAFIA
[1] - D'Ajuz, A., - Amon F., J. e outros - "Transitórios Elétricos e Coordenação de Isolamento - Aplicação em Sistemas de Potência de Alta Tensão". Livro Técnico editado por FURNAS/UFF, 1987 - Capítulo 17 – Tensão de Restabelecimento Transitória
[2] - Esmeraldo, P. C. V. - Amon F., J. e outros – “The Brazilian North-South Interconnection: Main Electrical Studies” – VI SEPOPE, Salvador, 1998.
[3] - Alternative Transients Program (ATP) – Rule Book – 1992
[4] - Disjuntores de Alta Tensão – Norma Técnica da ABNT - NBR 7118 – set 1994
