Chaveamento Controlado Aplicado para Reduo

de Sobretenses em Linhas de Transmisso

Karcius Marcelus Colao Dantas

Engenharia Eltrica, Professor, Doutor, Departamento

de Engenharia Eltrica, UFCG, Campina Grande, PB,

e-mail: karcius@dee.ufcg.edu.br

Milene Oliveira de Sousa Aluna do Curso de Engenharia Eltrica, Departamento

de Engenharia Eltrica, UFCG, Campina Grande, PB,

e-mail: milene.sousa@ee.ufcg.edu.br

Resumo Os resistores de fechamento de disjuntores,

tambm conhecidos como resistores de pr-insero so

um dos mtodos mais utilizados para reduzir sobretenses

de manobra em linhas de transmisso. Porm, devido ao

alto custo de implementao e manuteno, a tcnica do

chaveamento controlado tem sido a melhor alternativa

para substitui-los. O objetivo deste trabalho analisar os

mtodos para reduo de sobretenses de manobra,

atravs de simulaes que sero feitas com o Real-Time

Digital Simulator ( ). Ser avaliado o desempenho de trs mtodos: resistores de pr-insero,

para-raios e chaveamento controlado.

Palavras Chaves Chaveamento Controlado; Linhas de

Transmisso; Sobretenses de Manobra; Simulao em

Tempo Real.

I. INTRODUO

Os sistemas eltricos de potncia devem ser

projetados para suportar solicitaes extremas causadas

por distrbios de natureza transitria, denominadas

sobretenses. Devido a estes distrbios, o estudo de

mtodos para reduo de sobretenses de grande

importncia para o setor eltrico.

Sobretenses transitrias resultantes de

manobras de energizao e religamento de linhas de

transmisso so limitadas utilizando-se resistores de

pr-insero (RPI). Porm, o uso destes resistores tende

a diminuir devido ao alto custo de implementao e

manuteno. A partir de constataes de que os

resistores de pr-insero possuem um ndice de falhas

insatisfatrio, pesquisas para o desenvolvimento de

mtodos mais eficazes e confiveis vm sendo

desenvolvidas. Um destes mtodos o chaveamento

controlado. De acordo com [1]-[2], chaveamento

controlado o termo utilizado para descrever o uso de

equipamentos eletrnicos para controlar o fechamento

e a abertura eletrnica dos contatos dos disjuntores

tendo como referncia sinais eltricos de tenso ou

corrente. A viabilidade do uso deste mtodo para

limitar as sobretenses de manobras tem sido estudada

h vrios anos. Estes estudos atestam que o

chaveamento controlado pode ser bastante eficiente

para o fim que se prope [3].

Neste projeto de pesquisa ser feito um estudo

das tcnicas bsicas para a simulao de sistemas

eltricos por meio de programas do tipo EMTP e dos

princpios bsicos da teoria de linhas de transmisso de

potncia. A partir deste estudo ser modelado um

sistema eltrico baseado em dados do Sistema

Interligado Nacional (SIN). A simulao em tempo real

deste sistema ser feio no Real-Time Digital Simulator

- . Ser avaliado o desempenho de trs mtodos para reduo de sobretenses de manobra:

resistores de pr-insero, para-raios e chaveamento

controlado.

II. SIMULAO DE ELEMENTOS DE CIRCUITOS

No clculo de transitrios eletromagnticos e na

simulao digital, faz-se necessrio converter as

equaes diferenciais que relacionam tenso e corrente

nos elementos do circuito por relaes algbricas [4].

A modelagem dos componentes de circuito

elementares consiste de uma resistncia em paralelo

com uma fonte de corrente contendo informaes

passadas do sistema. Para obteno deste circuito

equivalente foram utilizados mtodos de integrao

numrica. Estes mtodos consistem em uma

aproximao da integral por uma soma finita de

termos.

A integral de uma funo f(t) ao longo do eixo

do tempo a rea abaixo desta funo. Para se

determinar essa rea abaixo de no intervalo de (Figura 1), foram utilizados os mtodos numricos de Euler Regressivo, Trapezoidal e

Simpson.

Figura 1 Integrao Numrica

A. Circuitos Equivalentes Discretos Os modelos equivalentes de circuitos

discretos, obtidos a partir dos mtodos de integrao

descritos no item anterior so apresentados nas Figuras

2 e 3.

Figura. 2 - Indutncia concentrada e o circuito discreto equivalente.

Figura. 3- Capacitncia concentrada e circuito discreto equivalente.

A relao tenso/corrente no resistor j uma

equao algbrica. Na tabela 1 encontram-se todas as

expresses algbricas referentes aos circuitos

equivalentes discretos para o capacitor e indutor. Estas

relaes so determinadas a partir dos mtodos de

integrao numrica.

Tabela 1. Expresses para os circuitos discretos equivalentes do

indutor e do capacitor.

B. Sobretenses de Manobra Entende-se por sobretenso toda a tenso acima da

nominal, que coloque em perigo a integridade ou o

funcionamento de uma instalao eltrica de modo a

reduzir a vida til dos equipamentos e degradar a

qualidade da energia fornecida pelo sistema eltrico.

As sobretenses podem ser classificadas em:

sobretenses externas e sobretenses internas. As

sobretenses externas so causadas geralmente por

descargas atmosfricas. J as sobretenses internas,

tambm conhecidas por sobretenses de manobra,

ocorrem sempre que h mudanas na topologia do

sistema. Neste projeto ser dada maior ateno s

sobretenses de manobra e os meios empregados para

limit-las.

C. Resistores de Pr-Insero (RPI)

Os resistores de pr-insero (RPI) so um dos

meios mais utilizados para se reduzir a amplitude das

sobretenses transitrias geradas por manobras de

chaveamento de linhas de transmisso.

Um disjuntor com resistor de pr-insero pode ser

representado pelo fechamento de duas chaves,

conforme a Figura 4, de forma que quando a linha de

transmisso energizada, inicialmente, se fecha o

contato auxiliar que insere o resistor em srie com a

fonte e a linha. Aps um curto perodo de tempo o

contato principal se fecha curto-circuitando o resistor e

trazendo para a linha a tenso plena da fonte.

Figura 4 Modelo do Resistor de Pr-Insero

O resistor de pr-insero se configura como um

conjunto de mecanismos e peas que acrescenta ao

disjuntor uma ou mais cmaras de manobra,

dependendo da sua classe de tenso. Isto implica no

aumento do nmero de componentes do disjuntor e,

consequentemente, custo mais elevado, necessidade de

mais trabalho de manuteno e de peas de reposio.

D. Para-Raios O para-raios um equipamento de extrema

importncia para os sistemas eltricos. constitudo

basicamente por um elemento resistivo no linear. O

para-raios funciona como um circuito aberto em

operao normal, e quando ocorre uma sobretenso se

comporta como um resistor de baixa impedncia, a fim

de manter a tenso em seus terminais em um

determinado valor. O uso de para-raios em linhas de

transmisso oferece uma alternativa aos resistores de

pr-insero pelo menor custo, facilidade de

manuteno e a possibilidade destes poderem se situar

ao longo da linha em pontos selecionados para obter o

controle requerido do perfil de sobretenso.

Nos casos em que, mesmo com a utilizao

dos para-raios, o resistor de pr-insero no pode ser

eliminado por razes diversas, o uso do chaveamento

controlado surge como uma alternativa capaz de

reduzir as sobretenses transitrias e a energia

dissipada pelos para-raios a nveis mais adequados do

que aqueles obtidos somente com para-raios de xido

de Zinco (ZnO) [3].

E. Chaveamento Controlado Chaveamento controlado o termo utilizado para

descrever o uso de equipamentos eletrnicos para

controlar o fechamento e abertura mecnica dos

contatos dos disjuntores tendo como referncia sinais

eltricos de tenso ou corrente [1], [2].

Basicamente, o mtodo do chaveamento

controlado consiste em atrasar o comando para o

fechamento do disjuntor em um intervalo de tempo

Regra de

Integrao

Trapezoidal

Euler

Regressivo

Simpson

(instante timo) tal que, a tenso entre seus contatos

seja zero. Para isto, necessrio que um controlador

seja acoplado ao disjuntor. As estratgias adotadas para

realizar o chaveamento iro depender do tipo de

manobra, energizao ou religamento, a ser realizada.

Na Figura 5 ilustrada a estratgia para controle

de manobras de fechamento de disjuntores.

Desprezando-se o efeito do pr-arco, o instante timo

ocorre no zero do sinal de referncia. O procedimento consiste em controlar o instante (comando para o fechamento do disjuntor) atrasando-o

por um intervalo de tempo de forma que o , j previamente determinado, ocorra em um instante depois de [5]. O

intervalo pode ser determinado por trs subintervalos:

: intervalo de processamento interno so sistema de controle do chaveamento para

determinao dos instantes timos;

: nos casos em que o tempo de pr-arco considerado;

: intervalo para sincronizao com o instante timo pr-determinado, considerando

(tempo de operao do equipamento).

Figura 5 Temporizao do chaveamento controlado

III. REAL-TIME DIGITAL SIMULATOR -

O Real-Time Digital Simulator ( )[6] uma ferramenta de simulao em tempo real que

possui a capacidade de modelar o sistema eltrico de

potncia de forma realista e propiciar maior

flexibilidade e confiabilidade as simulaes digitais.

Trata-se de um equipamento que combina hardware

com software, de modo que, alm de permitir a

simulao em tempo real, permite que dispositivos de

controle e de proteo possam ser simulados em malha

fechada com o sistema eltrico.

O permite ao usurio implementar e incorporar seus prprios modelos e algoritmos s

simulaes digitais em tempo real, de forma que esses

novos modelos possam interagir com os modelos j

existentes no . Esta funcionalidade importante para o desenvolvimento de modelos de

componentes do sistema eltrico, bem como, para o

desenvolvimento de algoritmos para dispositivos de

controle e proteo. A Figura 6 mostra o simulador em

tempo real pertencente Universidade Federal de

Campina Grande (UFCG).

Figura 6 - RTDSTM pertencente UFCG

IV. AVALIAO DOS MTODOS.

Neste projeto de pesquisa ser feito um estudo

comparativo de mtodos de reduo de sobretenses de

manobras de energizao e de religamento de linhas de

transmisso. As manobras em questo sero tratadas

apenas sob o ponto de vista trifsico. Os mtodos

avaliados sero: resistores de pr-insero, para-raios e

chaveamento controlado. Sero simuladas as seguintes

situaes:

i. Energizao da Linha de Transmisso com grau de compensao reativa;

ii. Religamento da Linha de Transmisso com grau de compensao reativa.

As simulaes sero realizadas seguindo o esquema

apresentado na Figura 7.

Figura 7 - Esquema de simulaes (PR: Para-raios; RPI-PR:

Resistores de Pr-Insero; CC-PR: Chaveamento Controlado).

V. SISTEMA ELTRICO A SER MODELADO

O sistema eltrico de potncia a ser modelado para

realizar a anlise comparativa dos mtodos de reduo

de sobretenses de manobra fictcio, porm, os dados

utilizados baseiam-se em dados reais obtidos do

sistema eltrico de potncia de 500kV da Companhia

Hidro Eltrica do So Francisco (CHESF). O esquema

bsico do sistema modelado apresentado na Figura 8.

Figura 8 Sistema eltrico fictcio.

Para a simulao no , o mtodo de reduo de sobretenso de manobra em linhas de

transmisso utilizando para-raios, ser aplicado apenas

com para-raios de ZnO nas extremidades da linha de

transmisso. Os resistores de pr- insero so

instalados junto cmara do disjuntor, e so inseridos

no sistema quando o disjuntor acionado para ser

fechado, permanecendo no sistema por um

determinado intervalo de tempo. Este mtodo

aplicado colocando-se resistores de pr-insero apenas

nas chaves do terminal emissor da linha, e o tempo de

permanncia destes no sistema de 8ms, com valor de

resistncia por fase de 400. A aplicao do chaveamento controlado consiste no fechamento dos

contatos do disjuntor em um instante timo, isto ,

quando o sinal de tenso entre os seus contatos passa

por zero.

VI. RESULTADOS ESPERADOS

A implementao computacional dos

elementos de circuitos e seus equivalentes discretos

sero realizadas com o auxlio do software MATAB.

Estas simulaes tm como objetivo verificar os

resultados j esperados, por meio dos estudos

realizados durante a primeira etapa do projeto de

pesquisa.

A anlise comparativa dos mtodos de reduo de

sobretenses ser feita a partir dos resultados das

simulaes, utilizando o , analisando-se o perfil das sobretenses de manobra de energizao e

religamento ao longo da linha de transmisso. Este

perfil ser obtido a partir do monitoramento da tenso

no meio da linha e em seus terminais. Espera-se que

dentre os trs mtodos avaliados, o chaveamento

controlado apresente o melhor resultado.

Na Figura 9, apresentado um grfico referente

aos mximos valores de sobretenses em uma linha de

transmisso considerando os mtodos de para-

raios(PR), resistores de pr-insero(RPI-PR) e

chaveamento controlado(CC-PR) em uma manobra de

religamento. Estes dados foram extrados dos

resultados de simulaes realizadas em [7].

Figura 9 Grfico comparativo dos mximos valores de

sobretenso de manobra de religamento.

A partir da anlise dos resultados contidos no

grfico, pode-se afirmar que, dos mtodos estudados, o

que apresentou o melhor desempenho foi o mtodo do

chaveamento controlado em conjunto com para-raios.

Deste modo, o chaveamento controlado pode propiciar

melhorias na qualidade da energia eltrica e um

aumento na vida til de equipamentos, alm de

eliminar o uso dos resistores de pr-insero,

aumentando assim a confiabilidade dos disjuntores e

reduzindo os custos associados a fabricao e

manuteno.

VII. CONCLUSO

Sobretenses em linhas de transmisso provocam a

degradao da qualidade da energia e a reduo da vida

til dos equipamentos, comprometendo a

confiabilidade do sistema eltrico. Espera-se ao

trmino deste trabalho, verificar a aplicao dos trs

mtodos apresentados para reduzir as sobretenses

oriundas das manobras em linhas de transmisso.

Porm, o chaveamento controlado dever apresentar

um resultado mais satisfatrio, por ser um mtodo mais

confivel alm de ser mais vivel do ponto de vista

econmico e por trazer benefcios tanto para as

companhias quanto para os fabricantes de disjuntores.

VIII. REFERNCIAS

[1] CIGRE Working Group 13.07. Controlled Switching of HVAC

Circuit Breakers: Guide for Applicarion Lines, Reactors, Capacitors, Transformers 1st Part. ELECTRA, n. 183, p. 42-73, April 1999.

[2] CIGRE Working Group 13.07. Controlled Switching of HVAC Circuit Breakers: Guide for Application Lines, Reactors,

Capacitors, Transformers - 2nd Part. ELECTRA, n. 185, p. 36-

57, August 1999. [3] DANTAS, K. M. C. Chaveamento Controlado Aplicado ao

Religamento Rpido de Linhas de Transmisso. Tese

(Doutorado) UFCG, Campina Grande, Brasil, 2012. [4] ARAJO, A.E.A.; NEVES, W. L. A. Clculo de Transitrios

em Sistemas de Energia. Belo Horizonte, MG Brasil: Editora UFMG, 2005.

[5] DANTAS, K. M. C. Chaveamento Controlado de Linhas de Transmisso. Tese (Mestrado) UFCG, Campina Grande, Brasil, 2007.

[6] RTDSTM Users Manual Set. RTDS Technologies, Canad, 2007.

[7] OLIVEIRA, R.G.D., Chaveamento Controlado Aplicado para Reduo de Sobretenses em Linhas de Transmisso.

Relatrio de PIBIC UFCG, Campina Grande PB, 2013.

2,21 1,86

1,46

0

0,5

1

1,5

2

2,5

PR RPI-PR CCP-PR

Mx

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Mtodo utilizado