(*) Av. Virgilio Wey, 150Tel: (+55 11) 3491-7000

XXII SEMINRIO NACIONALDE PRODUO ETRANSMISSO DEENERGIA ELTRICA

GRUPO - V GRUPO DE ESTUDO DE PROTEO, MEDIO, CONTROLE E AUTOMAO EM SISTEMAS DE POTNCIA

NOVAS TCNICAS DE PROTEO

DENYS LELLYS (*) PAULO SIMES ALSTOM GRID Brasil CHESF

RESUMO

Este artigo tem como finalidade apresentar uma nova tcnica de proteode corrente rpida (subcycle differential protectiona anlise do comportamento transitrio doaplicao, desempenho e operao dos rels de prote

Finalmente, sero apresentados os resultados dos ensaios realizados no RTDS para verificao do desempenho do sistema de proteo de distncia e Brasventos a subestao de Au II da CHESF

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PALAVRAS-CHAVE Comunicao, Diferencial, Elica, Proteo

1.0 - INTRODUO

Nos ltimos anos, o governo brasileiro, atravs da ANEEL (Agncia Nacional de Energia Eltrica) tem incentivado e promovido leiles para construo e especial atravs de fontes alternativas (biomassa, elica, trmicas, etc.)montante de gerao integrada ao sistema eltrico nacional atual dea diversificao da matriz energtica cuja previso de que at 2022 as fontes alternativas sejam responsveis por at 10% da matriz energtica, algo em torno de 15de elicas seja da ordem de 350 GW

Para conexo e integrao deste montante de energia ao sistema interligado nacional, em especial da gerao elica, diversos estudos de sistemas (fluxo tocante a parte de proteo e controle no feito nenhum estudo prvio para avaliao e verificao do impacto destas novas fontes sobre o sistema de proteosolicitado aos empreendedores a realizao de ensaios no RTDS (real time digital simulator) para verificao e validao da performance da proteo.simulao realizada no sistema de proteo diferencial a CHESF e os 03 (trs) parque elico

Av. Virgilio Wey, 150 - CEP 05036-050 - So Paulo - SP Brasil 7000 Fax: (+55 11) 3491-7256 Email: denys.lellys@alstom.com

XXII SNPTEE SEMINRIO NACIONAL DE PRODUO E TRANSMISSO DE ENERGIA ELTRICA

13 a 16 de Outubro de 2013

DE PROTEO, MEDIO, CONTROLE E AUTOMAO EM SISTEMAS DE POTNCIA GPC

ROTEO APLICADAS AO SISTEMA DE TRANSMISSODISTRIBUDA INTEGRADA.

PAULO SIMES HUGO SALVADOR GUSTAVO ARRUDA HESF CHESF CHESF

Este artigo tem como finalidade apresentar uma nova tcnica de proteo diferencial de linhasubcycle differential protection), como tambm, apresentar os modelos de geradores elicos

anlise do comportamento transitrio dos geradores elicos durante curto circuito trifsico e operao dos rels de proteo.

sero apresentados os resultados dos ensaios realizados no RTDS para verificao do desempenho de distncia e diferencial de linha tradicional (87L) que conectar 03 parques elicos da

da CHESF em 230 kV.

, Proteo, RTDS.

Nos ltimos anos, o governo brasileiro, atravs da ANEEL (Agncia Nacional de Energia Eltrica) tem incentivado e promovido leiles para construo e instalao de novos empreendimentos de gerao de energia eltrica, em especial atravs de fontes alternativas (biomassa, elica, trmicas, etc.). No caso especifico da gerao elica, omontante de gerao integrada ao sistema eltrico nacional atual de 1,5 GW. O principal objetivo desta poltica a diversificao da matriz energtica cuja previso de que at 2022 as fontes alternativas sejam responsveis por

algo em torno de 15 GW. Estima-se que o potencial para gerao seja da ordem de 350 GW, na hiptese de plena utilizao dos potenciais.

Para conexo e integrao deste montante de energia ao sistema interligado nacional, em especial da gerao elica, diversos estudos de sistemas (fluxo de cargas, curto circuito, etc.) so exigidos pela ANEEL, entretanto no tocante a parte de proteo e controle no feito nenhum estudo prvio para avaliao e verificao do impacto destas novas fontes sobre o sistema de proteo existente. Como alternativa, a CHESF tem solicitado aos empreendedores a realizao de ensaios no RTDS (real time digital simulator) para verificao e validao da performance da proteo. Como exemplo, ser apresentado no item 4 deste artigo, resultados da

lao realizada no sistema de proteo diferencial (87L) que proteger a linha de transmisso de 230 kV entre parque elicos da Brasventos (produtor independente).

Email: denys.lellys@alstom.com

BR/GPC/11 13 a 16 de Outubro de 2013

Braslia - DF

DE PROTEO, MEDIO, CONTROLE E AUTOMAO EM SISTEMAS DE POTNCIA -

RANSMISSO COM GERAO

GUSTAVO ARRUDA ROBERTO DIAS CHESF

de linha, atravs de diferencial os modelos de geradores elicos e

trifsico e o impacto na

sero apresentados os resultados dos ensaios realizados no RTDS para verificao do desempenho que conectar 03 parques elicos da

Nos ltimos anos, o governo brasileiro, atravs da ANEEL (Agncia Nacional de Energia Eltrica) tem incentivado e instalao de novos empreendimentos de gerao de energia eltrica, em

. No caso especifico da gerao elica, o . O principal objetivo desta poltica

a diversificao da matriz energtica cuja previso de que at 2022 as fontes alternativas sejam responsveis por se que o potencial para gerao de energia atravs

Para conexo e integrao deste montante de energia ao sistema interligado nacional, em especial da gerao de cargas, curto circuito, etc.) so exigidos pela ANEEL, entretanto no

tocante a parte de proteo e controle no feito nenhum estudo prvio para avaliao e verificao do impacto iva, a CHESF tem sistematicamente

solicitado aos empreendedores a realizao de ensaios no RTDS (real time digital simulator) para verificao e Como exemplo, ser apresentado no item 4 deste artigo, resultados da

a linha de transmisso de 230 kV entre

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Neste contexto, para compreenso e anlise do tema, ser apresentado tambm o estado da arte da tecnologia dos principais geradores elicos existentes no mercado e o comportamento destes equipamentos sob condies de curto-circuito e o impacto sobre os sistemas de proteo da rede em operao.

2.0 - MODELOS DE GERADORES ELICOS Cerca de 90% de toda energia comercializada nos leiles de energia elica de 2009 a 2010 promovidos pela ANEEL j foi instalada ou est em processo de instalao na faixa litornea do Nordeste devido grande abundncia de ventos nestas regies para gerao de energia atravs desta fonte alternativa. A entrada em operao e integrao deste volume de energia, distribuda em diversos pontos do sistema vai demandar um reforo na rede de transmisso para escoar toda esta energia gerada (novas linhas, novas subestaes coletoras, etc.), alm de impactar na necessidade de estudos de adequaes dos sistemas de proteo em operao, devido s diversas tecnologias de geradores elicos atualmente existentes no mercado.

Neste contexto, para compreenso e anlise do tema, sero apresentados a seguir o estado da arte da tecnologia dos principais geradores elicos existentes no mercado e o comportamento destes equipamentos sob condies de curto-circuito e o impacto sobre os sistemas de proteo da rede de distribuio em operao.

Os grficos abaixo apresentam os modelos de geradores elicos sob condio de curto circuito trifsico nos terminais do gerador:

FIGURA 1 Comportamento dos geradores elicos

Tomando como base a curva de cada tipo de gerador elico mostrado da figura 1, apresentado a seguir anlise do comportamento transitrio durante o curto circuito:

Gerador elico de induo tipo dupla alimentao - DFIG:

De acordo com a figura 1 (doubly fed induction generator - DFIG) a resposta transitria do gerador elico de induo de dupla alimentao o rpido decaimento da corrente de curto (4 ~ 6 x Ir - corrente operativa em PU) para o valor de regime (Iss) equivalente a 1 a 1,5 da corrente operativa em 40ms. Aps este tempo, o gerador comporta-se como uma fonte ideal de corrente que supre corrente balanceada trifsica continuamente com valor 1 ~ 1,5.Ir.

Gerador elico de induo clssico tipo gaiola de esquilo:

Conforme a figura 1 (squirrel cage induction generator) a resposta transitria do gerador elico tipo gaiola de esquilo o decaimento da corrente de curto (4 ~ 6 x Ir em PU) para uma corrente praticamente nula em at 300 a 400ms a partir do instante inicial do curto.

Este tipo de gerador normalmente conectado diretamente a rede e considerando a legislao atual no permitido este tipo de conexo no Brasil, alm do que, este tipo de gerador no se comporta como uma fonte ideal de corrente.

Gerador elico sncrono tipo full converter:

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De acordo com a figura 1 (full converter generator) ocorre uma elevao da corrente de pr-falta para uma corrente de curto em regime (Iss), limitada ao valor de 1 a 1,5 a corrente nominal (Ir) do gerador, aps 40 ms do instante inicial do curto.

O gerador elico tipo full converter capaz de manter a corrente de curto mnima em regime com a tenso de curto na ordem de 25% da tenso nominal do sistema.

Neste cenrio, podemos observar que o comportamento transitrio e a contribuio de curto circuito destes geradores so distintos dos tradicionais geradores hidrulicos e trmicos e cuidados adicionais devem ser tomada na aplicao, definio dos ajustes e operao dos rels de proteo para o correto desempenho destes dispositivos, conforme recomendaes a seguir:

Os rels de distncia (ANSI 21) requerem valor mnimo de corrente para operarem e pode-se afirmar que geradores de dupla alimentao (DFIG) e gaiola de esquilo permitem a operao correta da zona 1 (instantnea) devido ao alto valor da corrente no instante inicial, entretanto, para geradores tipo full converter este valor pode no ser suficiente e a proteo no operar.

Por outro lado, para qualquer tipo de gerador, dentre os modelos da figura 1, pode-se afirmar que os rels diferenciais de linha (ANSI 87L) protegem e operam corretamente, embora cuidados adicionais deve ser tomado no clculo dos ajustes da unidade diferencial para correta sensibilizao da curva de operao (corrente de restrio x corrente de operao) desta unidade.

Para geradores tipo dupla alimentao (DFIG) e full converter, pode-se afirmar que sistemas de proteo atravs de rels de sobrecorrente de fases temporizados (ANSI 50/51) no so adequados devido a baixa contribuio de corrente de curto-circuito (Iss = 1 a 1,5 x Ir), aps 40ms do instante inicial do curto. Para geradores tipo gaiola de esquilo, embora a corrente se mantenha por 300 a 400ms, provavelmente ocorrer partida e depois o reset e o rel no ir operar corretamente.

3.0 - PROTEO DIFERENCIAL DE LINHA DE ALTA VELOCIDADE SUBCYCLE LINE DIFFERENTIAL PROTECTION

O princpio de funcionamento da proteo diferencial se baseia na aplicao da lei de Kirchoff ou lei das correntes cuja soma das correntes que entram e saem do n igual zero para linha sem falta e diferente de zero para falta interna, sendo necessrio canal de comunicao ptico direto ou multiplexado para realizar a troca constante de mensagens entre os rels, contendo principalmente nestas mensagens os fasores de correntes medidos em ambos os terminais de linha.

A proteo diferencial de linha atualmente um dos mtodos mais recomendados para proteo da linha de transmisso que conecta parques elicos ao sistema de potncia, em especial para o caso de linha curtas e tambm imunidade deste mtodo de proteo ao fenmeno de power swing, efeito da compensao srie, altssima sensibilidade para faltas com alta impedncia e seletividade, entre outros fatores.

O tempo tpico de operao dos tradicionais rels diferenciais de linha em operao da ordem de 1,5 a 2,0 ciclos, como tambm a velocidade de comunicao direta de 56/64 Kbps, entretanto, com a finalidade de diminuir o tempo de atuao desta proteo, e por consequncia rpida eliminao da falta e desconexo da linha de transmisso que conecta a gerao e o sistema de potncia, foi desenvolvido um novo mtodo de medio e processamento do sinal digital com reduo do tempo de filtragem (01 ciclo para ciclo), associado ao aumento da velocidade de comunicao entre os reles (128 Kbps) permitindo alcanar tempo de operao inferior a 01 (um) ciclo.

De acordo com a figura 2, o processamento do sinal possui 02 ramos, sendo o primeiro ramo a filtragem rpida de Fourier de ciclo e segundo ramo a filtragem lenta de 01 ciclo. O chaveamento automtico do processamento ocorrer em funo da deteco da presena de rudos no sinal de entrada visando garantir a segurana e estabilidade do sistema de proteo. Na frequncia de 60 HZ os tempos de filtragem sero 8,33ms e 16,66ms.

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Figura 2 Processamento sinal digital ciclo (50Hz)

A figura 3 a seguir , apresenta o esquema simplificado do sistema de comunicao diferencial de alta velocidade com taxa de transmisso de 128 Kbps (subcycle communication protection). Para este esquema utilizado comunicao direta rel-rel e no necessrio o uso de GPS.

Figura 3 Esquema de comunicao diferencial

Para execuo da sincronizao automtica das amostras de corrente e execuo do algoritmo diferencial de corrente rpida necessrio medir com preciso e compensar o tempo de atraso ocasionado pelo canal de comunicao (128 Kbps). Para este sistema de proteo, usada a tcnica de medio contnua do tempo de atraso de propagao e compensao deste atraso para sincronizar as amostras de correntes na mesma base de tempo.

Este esquema de proteo tem aplicao principalmente em sistemas de potncia de alta (230 a 500 KV) e extra alta tenso (750 a 1000 KV), onde o tempo total de eliminao de faltas requerido seja inferior a 100ms, garantindo a manuteno da estabilidade e menor stress possvel dos equipamentos do sistema, como por exemplo, em conexes entre usinas hidroeltricas e subestaes elevadoras ou centrais geradoras (elicas ou trmicas) e subestaes coletoras do sistema de potncia.

4.0 - TESTE DE MODELO (RTDS) CONEXO EM 230 KV DA CENTRAL GERADORA ELICA BRASVENTOS E O SISTEMA CHESF

A simulao foi realizada no simulador em tempo real (RTDS) do fabricante ALSTOM U.K. e teve como objetivo principal comprovar o correto desempenho do sistema de proteo diferencial de linha (87L) e da proteo de distncia (21), que proteger a linha de transmisso de 230 KV que conectar 03 parques elicos da Brasventos e a subestao de Au II da CHESF.

Os parques elicos do empreendedor Brasventos, a ser instalado no estado do Rio Grande do Norte, sero compostos por trs parques independentes denominados de Miassaba III (68,47 MW), Reis dos ventos I (58,45 MW) e Reis dos ventos III (60,12 MW) com potncia total de 187,04 MW e 112 aerogeradores modelo ALSTOM ECO86-1,67 MW, conforme figura 4 abaixo:

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Figura 4 Central Geradora Elica Brasventos

O destaque desta simulao foi a precisa modelagem no RTDS dos geradores elicos modelo ALSTOM ECO86 (tipo Dobly feed induction DFI), cujos modelos de geradores no so normalmente disponibilizados pelos fabricantes para realizao dos estudos de sistema (regime permanente e dinmico).

Ressalta-se que as mquinas tipo DFIG tm como caracterstica o rpido decaimento da corrente de curto circuito conforme apresentado na figura 5, onde podemos observar que no instante do curto a corrente de pico atinge 3,4 PU (base da mquina) e decaimento muito rpido (t =0,2 0,23 = 0,03s).

Figura 5 - Corrente de curto circuito de uma mquina DFIG - ECO86

4.1 Circuito de testes

A conexo destes parques elicos da Brasventos ao sistema interligado nacional (SIN) ser atravs de uma linha de transmisso de 230 kV com extenso de 75 Km at a subestao de Au II da CHESF.

Para a simulao e modelagem no RTDS do sistema de potncia, foi adotado o circuito de teste da figura 6 abaixo, representando parte do regional Norte da CHESF e os parques elicos da Brasventos.

Os reles de proteo multifuncionais, modelo P545, foram conectados ao simulador em ambos os terminais da linha de transmisso de 230 kV (LT 04xx). As funes de distncia (21), direcional de neutro (67N) e diferencial de corrente (87L) foram habilitadas e funcionaram em paralelo para eliminarem qualquer tipo de falta.

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Figura 6 Circuito de testes

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4.2 Resultados dos Testes

Foram simulados 370 casos de faltas (monofsica, bifsica e trifsica) em pontos pr-definidos do sistema, considerando tanto faltas interna na linha de transmisso (F1-0%, F2-25%, F3-50%, F4-75%, F5-100%), quanto faltas externas (F6, F7, F8 e F9) e impedncia de faltas variando de 0,01, 10, 20 e 100 Ohms e condio de carga mxima e mnima.

Nos itens a seguir ser apresentada a anlise geral do desempenho das protees para as faltas internas e externas aplicadas no sistema de potncia da figura 6: .

Faltas Internas:

O terminal da SE Au II da CHESF, foi comprovadamente o terminal de fonte forte, ou seja, gerao forte e alta contribuio de corrente de curto circuito at a abertura do disjuntor (CB1) e a rpida eliminao das faltas, permitindo desempenho adequado da proteo.

Observamos ainda que para faltas na sada deste terminal (frontal ao rel ponto F1), as faltas dentro do alcance da zona 1 foram eliminadas com tempo inferior ao da unidade diferencial de corrente, ou seja, a unidade de distncia atuava mais rpido com tempo em torno de 17ms e a unidade diferencial em torno de 25ms. medida que o ponto da falta afastava-se do terminal da SE Au II (25%, 50%, 75% e 100%), as faltas foram eliminadas atravs da unidade diferencial com o tempo uniforme mdio de 25ms, embora a unidade de distncia tenha apresentado comportamento intermitente e tempo de operao crescente.

Enquanto que o terminal dos parques elicos Brasventos, pela caracterstica das mquinas DFIG, conforme j explicado no incio deste item, apresentou decaimento muito rpido da corrente de curto (vide figura 7), desta forma, a unidade de distncia no operou para a maioria das faltas enquanto que a unidade diferencial operou corretamente para todas as faltas com tempo mdio de 25,5ms.

Figura 7 Registro das contribuies de correntes do terminal CHESF (ICB1) e Brasventos (ICB2)

Este comportamento confirma que parques elicos com mquinas DFIG, conectadas ao sistema de potncia, deve ser aplicada a proteo diferencial de corrente e a proteo de distncia como funo de back-up ou retaguarda.

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Faltas externas:

Os rels de ambos os terminais da linha de transmisso permaneceram estveis (no operao) para as faltas externas aplicadas em diversas barras nos pontos pr-selecionados (F6, F7, F8 e F9) da figura 6.

5.0 - CONCLUSO

imprescindvel o estudo de aplicao para verificao do comportamento de uma proteo de linha de transmisso de alta e extra alta tenso com a integrao de novas fontes de gerao (elica, trmica, hidraulica, etc), em especial com a evoluo das modernas tcnicas digitais no campo das protees diferenciais de linha, permitindo reduo do tempo de operao e a desconexo de blocos de gerao com menor impacto possivel na estabilidade do sistema.

Novas tcnicas de proteo diferencial de corrente rpida, com tempo de operao inferior a 01 ciclo e canal de comunicao de 128Kbps, tem sido aplicadas nas linhas de transmisso, tornando-se a preferida das empresas devido a rpida eliminao das faltas e soluo de problemas j conhecidos e relatados tais como efeito da compensao srie, faltas com alta impedncia e oscilao de potncia nos sistemas eltricos de potncia.

Os testes de modelo executados no simulador em tempo real (RTDS) para aferio das protees que protegero a linha de transmisso de 230 KV que conectar o parque elico Brasventos e a subestao de Au II da CHESF apresentaram resultados satisfatrios e operao correta tanto para faltas internas quanto para as faltas externas.

6.0 - REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS [1] Network Protection Application Guide, NPAG ALSTOM GRID, 2011; [2] Differential Protection Relay Technical Manual ALSTOM; [3] Estudos para Integrao das CGE Miassaba III, Reis dos ventos I/III Relatrio ANDESA RT-05-10-11. [4] P545 Numerical current differential line protection Dynamic testesfor Brasventos wind farm and CHESF.

7.0 - DADOS BIOGRFICOS

Denys Lellys Nascido em Campina Grande, PB, em 26 de Junho de 1958. Graduao (1981) na UFPB-PB e Ps-Graduao (1983) em Engenharia Eltrica: UFPB-PB Empresa: ALSTOM desde 2000 Engenheiro de Aplicao e Vendas.

Paulo Simes Nascido em Juazeiro, BA, em 15 de Novembro de 1970. Graduao (1994) na UFPE em Engenharia Eltrica, com Especializao (2005) em Proteo Digital de Sistemas Eltricos de Potncia na Universidade de So Paulo e Especializao (2009) em Proteo de Linhas de Transmisso e Subestaes na Universidade Federal de Santa Catarina. Empresa: CHESF desde 2002 Gerente da Diviso de Engenharia de Controle de Processos e Proteo de Subestaes - DEEC.

Hugo Salvador Nascido em Caruaru, PE, em 22 de Janeiro de 1979. Graduao (2002) na UPE em Engenharia Eltrica Empresa: CHESF desde 2003 Engenheiro Eletricista.

Gustavo Arruda Nascido em Recife, PE Graduao na UFPE em Engenharia Eltrica Empresa: CHESF Gerente da Diviso de Operao da Proteo e Regulao - DOPR.

Roberto Dias Nascido em Recife, PE. Graduao na UFPE em Engenharia Eltrica Empresa: CHESF Engenheiro da DOPR.