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    Schweitzer Engineering Laboratories, Brasil Ltda - Av Joo Erbolato, 307 Campinas - SP CEP: 13066-640 pag 1Email: [email protected] tel: (19) 3213 8111 fax: 19 3213 6057 home-page: www.selinc.com.br

    TRIP E RESTABELECIMENTO DE CIRCUITOS DA DISTRIBUIO COM ARAPIDEZ DE TRANSMISSO

    Jeff Roberts Karl ZimmermanSchweitzer Engineering Laboratories, Inc., Pullman, WA USA

    INTRODUO

    Engenheiros de sistema de potncia dedicam significante tempo, esforo e ateno paramonitorar e medir a qualidade dos sistemas de distribuio. So de particular interesse adurao e a severidade das quedas de tenso, bem como o tempo de restabelecimento doservio aps uma interrupo. Este paper dedica-se a mostrar os mtodos de proteo econtrole, para reduzir a causa da perda da qualidade da potncia transmitida.

    Elementos de sobrecorrente, checks de tenso, e as informaes dos estados das chavesfornecem importantes dados sobre o sistema de distribuio. Associar os sistemas deproteo com as comunicaes permite uma isolao mais rpida da falta - isto significa ummenor afundamento de tenso para os consumidores atendidos por linhas de sistema depotncia adjacente, que no foram afetadas.

    Conhecer em qual seo da linha est a falta tambm nos permite criar esquemas dereligamento inteligente e de transferncia de carga. Integrar esse conhecimento ao sistemade proteo evita o mtodo processo de eliminao no restabelecimento das cargas. Evitareste mtodo de restabelecimento das cargas diminui os gastos em manuteno, atravs dareduo das operaes de disjuntores, religadores e seccionadoras de linha. Mais importante,este mtodo maximiza a qualidade da potncia transmitida, para aqueles consumidores no

    atendidos pelo circuito de distribuio em falta.

    OS NDICES TRADICIONAIS REPRESENTAM UM VERDADEIRO RETRATO DACONFIABILIDADE DOS ATUAIS SERVIOS DE ATENDIMENTO AOSCONSUMIDORES?

    Empresas de energia eltrica utilizam ndices de confiabilidade de servios como uma medidada satisfao dos consumidores. Estes ndices so tipicamente baseados no nmero deconsumidores por interrupo, e pela durao da interrupo. A Tabela 1 abaixo mostra asdefinies dos ndices de confiabilidade de servios de distribuio mais comumente usados.

    Na Tabela 1, o tempo mdio cumulativo que um consumidor pode esperar ficar sem servio de aproximadamente 100 minutos/ano, usando o ndice SAIDI. A mdia do nmero de vezesque um determinado consumidor pode esperar por uma interrupo de aproximadamente1,2 interrupes/ano, usando o ndice SAIFI. A mdia de durao de interrupo (CAIDI) deaproximadamente 80 minutos. Este ndice a relao da durao do servio disponvel peladurao do servio solicitado (ASAI).

    Um importante ponto a se observar sobre a pesquisa que muitas empresas de energiaeltrica no classificam falta de energia como interrupo, at que sua durao exceda 5minutos. Esta classificao das interrupes tambm no considera as que so causadaspelo afundamento de tenso nas linhas de distribuio adjacentes linha em falta.

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    De qualquer forma, no importa o quanto ns acreditamos na confiabilidade do servioexistente, pois a crescente sensibilidade das cargas ao afundamento de tenso deve nosmotivar a considerar novos mtodos, de forma a melhorar a confiabilidade do servio. Estesnovos mtodos devem reduzir a durao da falta, e minimizar as quedas de tenso nos

    circuitos que no foram atingidos pela mesma.

    Tabela 1 : ndices de Confiabilidade Tradicionais

    NDICE1Resultados do

    Levantamento de1990

    Clculo dos ndices

    1 SAIDI96 min/ano

    (Durao Interrupo) x (Consumidores Afetados)Total de Consumidores

    2 SAIFI 1,18 int/ano (Consumidores Interrompidos) x (N de Interrupes)Total de Consumidores

    3 CAIDI477 min/int.

    Durao das Interrupes aos ConsumidoresNmero de Interrupes ao Consumidor

    4 ASAI0,999375

    Disponibilidade do Servio em Horas p/ o ConsumidorDemanda de Servio em Horas do Consumidor

    1. Empresas de energia eltrica utilizam numerosos outros ndices, porm esses so osmais populares, baseados num levantamento de 1990 [4].

    2. Embora este ndice considere a durao das interrupes, a durao mnimatradicional de 5 minutos, isto , este ndice no observa interrupes que tenhammenos do que de 5 minutos de durao.

    3. Este ndice no considera a durao da interrupo, isto , interrupes de 5 e de 20minutos so tratadas da mesma forma.

    4. Este ndice realmente SAIDI / SAIFI. Os nmeros so ligeiramente diferentesporque nem todos as empresas informaram ambos, SAIDI e SAIFI.

    MINIMIZANDO A INDISPONIBILIDADE DO SERVIO DE ATENDIMENTO S CARGAS

    Para as subestaes de distribuio atendidas por uma linha de transmisso simples,qualquer falta permanente na mesma interrompe toda a potncia de distribuio, at que alinha seja restabelecida. Adicionar uma outra alimentao de transmisso subestaodiminui a probabilidade de tal fato ocorrer. Se a carga da subestao importante o bastante,o custo da instalao, manuteno e operao de uma segunda linha de transmisso justificvel. Esta mesma filosofia aplica-se s redes de distribuio radiais : cargasimportantes devem ter uma alimentao alternativa, para o caso de ocorrer uma faltapermanente na alimentao principal.

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    Quando consideramos prover uma alimentao alternativa, em quanto podemos esperar quemelhore a confiabilidade do servio, e que medidas ns devemos usar? Na seo seguinte,ns usamos a anlise de um diagrama de blocos para comparar a confiabilidade do serviopara dois casos separados:

    Caso 1: Utilizando chaves de isolao de linhas operadas manualmente.

    Caso 2: Utilizando restabelecimento automtico.

    Anlise Atravs de Diagrama de Blocos para Calcular a Confiabilidade

    Caso 1: Usando Isoladores de Linha Operados Manualmente

    A Figura 1.a mostra uma rede de distribuio com duas linhas radiais, dispondo de trschaves operadas manualmente para a isolao da linha e transferncia de cargas. Aplicandouma falta permanente na Linha 1, a proteo da Chave 1 (Switch 1-SW1) atua e toda a cargadas Linhas 1 e 2 interrompida. Para restabelecer a carga na Linha 2, operadores tm queabrir SW2 manualmente, e ento fechar SW5. Neste exemplo, ns presumimos que essasmanobras levam aproximadamente uma hora e meia para que o operador alcance e operecada chave, manual e seqencialmente. Portanto, a carga da Linha 2 restabelecida umahora aps a eliminao da falta permanente, pela SW1.

    Tabela 2: Taxas de Falhas Adotadas e Tempo Mdio de Reparo (MTTR)

    Equipamento (Taxa Falha/Ano) MTTR [Horas]

    Seo de Linha 0,20 3

    Disjuntores e Chaves 0,01 1

    A carga da Linha 2 no atendida at a operao de SW2 e SW5, aps a falta permanentena Linha 1, e permanecer no atendida por um tempo maior, caso SW2 ou SW5 estiveremdefeituosas. Esta mesma carga no atendida quando de faltas permanentes na Linha 2.

    A Figura 1.b mostra um diagrama de blocos e os resultados do clculo de indisponibilidadeobtidos pelas taxas de falha adotadas e valores do MTTR mostrados na Tabela 2. OApndice 1 mostra os clculos usados para se chegar aos valores de indisponibilidadeutilizados nos eventos bsicos do diagrama de blocos. Para simplificar, vamos restringir asfalhas calculadas quelas aplicadas nas Linhas 1 e 2, e s chaves operadas manualmente.(No consideramos, intencionalmente, falhas no disjuntor SW1 para o sistema do exemplo,porque esse evento exigiria abertura da fonte de alimentao do disjuntor, eliminando assimtodas as possveis alimentaes de potncia para a Linha 2.)

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    a. Sistema Unifilar - Chaves de Isolao Manuais

    b. Indisponibilidade de Atendimento Carga da Linha 2 - Chaves de Isolao

    ManuaisFigura 1: Diagrama Unifilar e Diagrama de Blocos da Indisponibilidade do Sistema de

    Distribuio Usando Isoladores de Linha Operados Manualmente

    Caso 2: Usando Esquemas de Interrupo de Falta Automatizados para Isolar asSees de Linha

    o arranjo de chaves mostrado na Figura 1, aquele que minimizar a durao da interrupopara cargas atendidas pela Linha 2?

    Vamos em seguida considerar a substituio das chaves manuais por dispositivos deinterrupo da falta controlados automaticamente (isto : religadores eletrnicos, disjuntores,etc.) Alm disso, vamos assumir que as protees de todos os disjuntores e chavesautomticas so unidas por um link de comunicao: rdio, fibra tica, etc.

    A Figura 2 mostra a mesma rede de distribuio com chaves controladas automaticamente euma proteo de sobrecorrente associada a um esquema de controle. O link de comunicaoaumenta sensivelmente as possibilidades de automao e controle. Exemplos de controlesavanados so discutidos mais frente neste paper. Para o objetivo desse exemplo,assumimos que cada rel de proteo mostrado na Figura 2.a comunica-se com relsadjacentes por meio de funes de controle. Essa capacidade permite restabelecimentoautomtico rpido e evita o envio de operador para restabelecer a carga. E o mais importante,isto diminui aproximadamente uma hora no restabelecimento das cargas da Linha 2.

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    a: Sistema de Unifilar - Chaves de Isolao Automticas

    b. Indisponibilidade de Atendimento Carga da Linha 2 - Chaves Automticas

    Figura 2: Diagrama Unifilar e Diagrama de Blocos da Indisponibilidade do Sistema deDistribuio Usando Isoladores de Linha para Interrupo da Falta, Controlados

    Automaticamente

    Novamente vamos admitir uma falta permanente na Linha 1. Para uma falta nessa linha, a

    proteo de SW1 atua quase instantaneamente, e em cinco segundos o religador associadofaz uma tentativa de religamento sem sucesso. Aproximadamente um segundo depois, o relde proteo de SW2 abre SW2, e ento o rel de proteo de SW5 fecha SW5.

    A Figura 2.b mostra um diagrama de blocos e os resultados do clculo de indisponibilidadepara as taxas de falha adotadas e valores do MTTR mostrados na Tabela 2. O Apndice 1mostra os clculos usados para se chegar a esse valor de indisponibilidade. Na Figura 2.b,observar que a indisponibilidade com o esquema de chaves controladas automaticamente consideravelmente reduzida: uma reduo de 40%! Os custos exigidos para conseguir essareduo devem ser considerados, levando-se em conta o aumento da confiabilidade doservio para as cargas dos consumidores.

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    A QUALIDADE DE POTNCIA JUSTIFICA A ADIO DE EQUIPAMENTOS

    O exemplo anterior mostra que adicionando equipamentos automatizados de interrupo defalta e de fechamento diminui a indisponibilidade das cargas da Linha 2 para faltas na Linha1. No exemplo do Caso 2, ns admitimos que as cargas da Linha 2 poderiam suportar umainterrupo de seis segundos (um intervalo de tempo de cinco segundos aberta, mais otempo de operao de chaveamento de um segundo). E se a carga conectada Linha 2fosse tal que uma interrupo de seis segundos no servio de fornecimento causasseparalisao total de suas instalaes?

    O item [1] de Referncias resume um levantamento das duraes das perdas de servioscrticos para instalaes industriais: 25% das mesmas tm que recomear completamente aproduo, caso o servio seja interrompido por um tempo maior que 10 ciclos. Considerandoque o tempo para recomear muitas dessas instalaes industriais grande (tempo mdiomaior do que 17 horas!), ns temos que considerar o prejuzo do consumidor para o que

    possa parecer uma curta interrupo no servio de fornecimento.

    O chaveamento e o esquema associado sugeridos na Figura 2.a obviamente no evitam umaparalisao total da instalao, nos casos includos nos 25% citados acima. Existem duasrazes que tornam o esquema proposto insuficiente:

    1. O tempo de transferncia excessivo (A carga da Linha 2 no atendidadurante 6 segundos aps a abertura de SW1).

    2. A tenso na barra de distribuio mantida baixa devido presena da faltana Linha 1. Essa condio de tenso baixa chamada de uma variao detenso.

    As Duraes das Variaes de Tenso Admissveis Dependem do Tipo daCarga Conectada

    Nem toda variao de tenso intolervel. A tolerabilidade depende do tipo de carga,porcentagem do desvio de tenso da nominal, durao, e tempo entre as variaes.

    Para uma carga suposta, ns podemos usar curvas de aceitabilidade de potncia paradeterminar se uma simples variao de tenso ou no tolervel. A Figura 3 mostra uma

    tpica curva de aceitao de potncia. A ordenada do grfico de aceitabilidade de potncia graduada em porcentual da tenso nominal; a abscissa mostra a durao da variao detenso. Na Figura 3, a variao de tenso tolervel (isto , equipamentos sensveis podemsuportar a variao de tenso) se o ponto definido atravs do desvio de tenso da nominal, epelo tempo de durao, est entre ambas as curvas mostradas. Pontos acima e abaixodessas curvas indicam uma variao de tenso inadmissvel para uma variao de tensosingular.

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    Figura 3: Curva de Aceitabilidade de Potncia [3]

    Estas curvas de aceitabilidade de potncia so tambm citadas como referncia na CBEMA -Associao dos Fabricantes de Computadores (Computer Business Electrical ManufacturersAssociation) e FIPS - Normas para Processamento de Informaes Federais (FederalInformation Processing Standard). No existe um padro universal para curvas deaceitabilidade de potncia. As razes para isso incluem:

    Diferentes cargas tm tolerncias diferentes para variaes de tenso. Isso significaque ns no podemos usar uma curva padro.

    Curvas de aceitabilidade de potncia no consideram variaes mltiplas de tensoque ocorrem em rpida sucesso. Uma simples variao de tenso pode muito bemser tolervel, porm uma segunda variao de tenso que ocorra logo aps aprimeira pode no ser tolervel. Curvas de aceitabilidade de potncia no levam emconta o tempo de recuperao da carga. Denominar o tempo de recuperao = T r.

    Ns podemos deduzir na Figura 3 que reduzindo a durao da variao de tenso permite ummaior desvio a partir da nominal, antes que a variao se torne intolervel.

    Toda carga tem um tempo de recuperao (Tr) para variaes de tenso. Como um exemplo,motores compressores de ar condicionado domstico freqentemente tm um T r de 20 a 30segundos, para quedas de tenso que reduzem a tenso na fase para menos que 60% danominal.

    Curva CBEMA (Revisada em 1996)

    Regio de Variaode Tenso Inaceitvel (RVTI)

    Aplicvel a Equipamentos

    Monofsicos de 120 Volts

    RVTI

    REGIME

    Durao em Ciclos (c) e Segundos (s)

    Porcentagemd

    aTenso

    Nominal(EquivalenteRMSoudePico)

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    O valor de Tr depende da severidade e da durao da variao de tenso. T r tambmdepende se a variao de tenso , ou no, uma interrupo/afundamento ou uma oscilao.Se a carga no sofrer uma outra variao de tenso durante o tempo Tr , em seguida variao de tenso inicial, ela totalmente restabelecida. Se uma outra variao de tenso

    ocorre durante o tempo Tr , a carga pode no se recuperar. Este o ponto que no ilustradopelas curvas tpicas de aceitao de potncia. Uma melhor maneira de decidir se asvariaes de tenso so ou no aceitveis sobrepor as curvas de valores constantes dostempos de restabelecimento. Evitando uma segunda variao de tenso, ns tambmevitamos ter que nos preocupar com esses tempos de recuperao da carga.

    A tolerncia variao de tenso definida pela carga mais sensvel num circuito emparticular. Assim, somente necessrio sobrepor o tempo de recuperao desta carga nacurva de aceitabilidade de potncia. Observe tambm que as variaes de tenso com ummesmo desvio da nominal, porm com uma maior durao, requerem tempos de recuperaomaiores.

    A Configurao do Sistema Influi nas Variaes de Tenso

    Na seo anterior ns vimos que para cargas sensveis variao de tenso, temos que abrira linha em falta e restabelecer a alimentao para estas cargas, atravs de uma fonte queno foi afetada, em questo de ciclos. A maneira como o sistema est configurado podereduzir ou piorar os efeitos das variaes de tenso.

    Muitas subestaes de distribuio contm vrios transformadores de potncia. A Figura 4mostra a mesma rede de linhas de distribuio da Figura 2.a, porm agora atendida por doistransformadores de potncia (XFMRs A e B). Para este exemplo, ns admitimos que a chaveC opera normalmente fechada, e que ocorre uma falta trifsica na Linha 1, prxima SW1.

    Para esta falta, em todas as quatro sees de linha ocorre afundamento de tenso. AbrindoSWC e SW2 para a falta citada, ns imediatamente elevamos a tenso nas Linhas 3 e 4.

    A Figura 5 ilustra por que a separao das barras de alimentao faz elevar a tenso naLinha 3, quando de uma falta na Linha 1. A linha tracejada na Figura 5 representa o diagramade impedncia antes da abertura de SWC. Para saber qual o valor da elevao da tenso quens podemos obter, vamos admitir os seguintes valores do sistema:

    1. Tenso de Transmisso = 115kV; tenso de distribuio = 12,47kV

    2. Impedncia de seqncia positiva dos XFMR A e B (Z1A e Z1B,respectivamente): 10,58secundrios (base 115kV)

    3. A impedncia de seqncia positiva da fonte 1secundrio (base 115kV).

    Para essa falta trifsica, a tenso imposta a todas as quatro linhas , obviamente, zero. Coma SWC aberta, a corrente de falta total que flui atravs de XFMR A de 5,7A secundrios(66,4V / 11,58). Logo, a tenso presente no lado de alta do XFMR B de 60,67Vsecundrios (66,4V - 5,7A 1) ou 91,4% da nominal. Este nvel de tenso aceitvelporque a impedncia da fonte pequena. Entretanto, aumentando a impedncia da fontetambm aumenta a queda de tenso na mesma. Se a impedncia da fonte for de 10, atenso no lado de alta de XFMR B somente 51,4% da nominal (SWC aberta), para essafalta na Linha 1. Este nmero inaceitvel se o limite de tenso crtico for de 70%. Para aimpedncia do transformador admitida, a impedncia secundria da fonte mxima permitida =

    4,58.

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    Figura 4: Diagrama Unifilar do Sistema (Dois Transformadores de Alimentao)

    Figura 5: Diagrama de Impedncia (Dois Transformadores de Alimentao)

    A existncia de duas fontes independentes, como mostrado na Figura 6, proporciona umasoluo do problema da excessiva queda de tenso na fonte. Na Figura 7 ns vemos que atenso nas Linhas 3 e 4 no afetada para faltas na Linha 1, se SWC estiver aberta(mostrado tracejado na Figura 6). Ns intencionalmente tracejamos SWC, uma vez que aincluso da mesma opcional. Para definir a operao desta chave, voc tem que fazer umbalano da continuidade do servio versus reduo da variao de tenso. Se vocconsiderar que as conseqncias da perda da fonte so maiores do que as das quedas detenso para faltas na linha, ento opere SWC normalmente fechada, e abra a mesma paratodas as faltas detectadas na linha.

    Figura 6: Diagrama Unifilar do Sistema (Exemplo de Alimentao por FontesIndependentes)

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    Figura 7: Diagrama de Impedncia de um Sistema em Falta (Exemplo de Alimentaopor Fontes Independentes)

    A Comunicao Entre Rels Reduz os Tempos de Abertura e de Afundamento

    de Tenso

    Considerando o sistema mostrado na Figura 8, a coordenao com o fusvel 50E evita um triprpido para faltas permanentes na linha principal (Linha 1): O Rel 2 do Religador (R) temque estar com o seu tempo coordenado com o fusvel 50E, e o Rel 1 tem que estar com oseu tempo coordenado com o Rel 2.

    Figura 8: Diagrama Unifilar do Sistema de uma Aplicao Onde as ComunicaesMelhoram a Coordenao do Tempo

    A Figura 9 mostra as curvas de coordenao tempo-corrente tradicionais, para o sistemamostrado na Figura 8. Observe que o tempo de eliminao de uma falta no lado da fonte do

    fusvel 15E retardado devido coordenao de tempo tradicional.

    A existncia de canais de comunicao entre os Rels 1 e 2 reduz o tempo de abertura parafaltas na Linha 1, isto , o Rel 1 no mais tem que ter o seu tempo coordenado com o Rel2, se houver comunicao entre eles. Em vez disso, agora o Rel 1 somente tem que estarcoordenado com as chaves fusveis conectadas Linha 1. Com o esquema proposto, o Rel1 utiliza dois elementos de sobrecorrente temporizados: um que est coordenado com o Rel2, caso o canal de comunicao no esteja em servio, e um outro que coordena com ofusvel 15E quando o canal est disponvel.

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    Figura 9: Coordenao do Tempo Pode Agravar a Qualidade da Potncia para Faltasna Linha 1

    O canal de comunicao e a lgica existentes nos Rels 1 e 2 permitem que o Rel 1 possadiscernir quando a falta est na frente do Religador R. Para faltas na frente do Religador R, oRel 2 sente a falta e instrui o Rel 1 para no dar trip atravs de seu elemento desobrecorrente temporizado rpido. Se o Rel 2 no sente a falta na sua direo, enquanto o

    Rel 1 o faz, ento a falta deve ser na Linha 1, ou em algum ramal da mesma. Para taisfaltas, o Rel 1 no recebe um sinal de bloqueio, e tem a permisso de dar trip atravs de seuelemento de sobrecorrente temporizado rpido (lembrar que o Rel 1 tem informaes de queo Rel 2 e o canal esto em servio, atravs da lgica exclusiva de comunicao descrita em[2]). Com este esquema, exigido que o Rel 1 somente tenha seu tempo coordenado com ofusvel 15E.

    A Figura 10 ilustra a melhoria nos tempos de atuao dos rels, proporcionada pela adio docanal de comunicao e da lgica associada. Os benefcios proporcionados por essamelhoria na velocidade de abertura so:

    1. Durao menor do afundamento de tenso para o sistema de potncia adjacente Linha 1 em falta.

    2. Danos menores aos equipamentos.

    Quando o Rel 2 ou o canal de comunicao falha, o Rel 1 comuta para um grupo deajustes alternativo. Os ajustes desse grupo alternativo comutam a coordenao de tempo daproteo do Rel 1, para aquela mostrada na Figura 9.

    Uma motivao adicional para se instalar canais de comunicao entre os Rels 1 e 2 acapacidade de se ter uma proteo do sistema, no caso de haver falha do Religador R, parafaltas terra de alta impedncia, localizadas na extremidade remota da Linha 2. Se o Rel 2detecta uma falha do trip do religador para uma falta, ele envia um sinal de transfer trip diretopara o Rel 1. Falhas de trip para comandos de trip manual, ou supervisionado, nonecessitam abrir SW1 (e causar uma interrupo no programada para a carga alimentada

    pelo fusvel 15E).

    CURVA D E COORDENA O - REL 1 > REL 2 > FUS VEL 50E

    Curva do Rel 1

    CORRENTE [A pri]

    TEMPO

    [SEGUNDOS]

    Curva do Rel 2

    Curva 50E TC

    Curva 15E TC

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    Figura 10: A Melhoria na Coordenao de Tempo Proporcionada pelasComunicaes entre Rels1 e 2 Permite Abertura Mais Rpida para Faltas na

    Linha Principal 1

    Mtodos Convencionais para Reduzir os Tempos de Abertura e de Restabelecimento

    Lgica de Controle de Transgresso do Limite de Carga - LE (Load Encroachment -LE) para Reduzir os Tempos de Abertura para Faltas Trifsicas

    Para alimentadores com carga pesada, os tradicionais elementos de sobrecorrente de faseno direcionais (e a filosofia de ajustes associada) requerem valores de atuao (pickup)maiores que as grandezas de carga mxima, para evitar a abertura para carga. As principaisdesvantagens dessa filosofia de proteo so a sensibilidade reduzida e o tempo de atuaoaumentado para faltas na linha principal.

    Hoje, ns podemos utilizar a lgica LE para controle do torque de atuao da proteo defase. Esta lgica atua sempre que se detecta carga (isto , o rel detecta que a impednciade seqncia positiva medida encontra-se na Regio de Carga mostrada na Figura 11). Se algica LE atua, os elementos de sobrecorrente de fase so bloqueados, at que a impednciade seqncia positiva se mova para fora da regio de carga. Utilizando a lgica LE, vocpode seguramente ajustar o valor de pickup dos elementos de sobrecorrente de fase abaixodos valores da corrente de carga, para aumentar a sensibilidade. Isso tambm permite umamelhor coordenao com os dispositivos de proteo sua frente. (Esta a mesma lgica decontrole de transgresso do limite de carga usada para dar segurana ao rel de distnciatipo mho, em linhas de transmisso muito carregadas). Uma coordenao de tempo bemajustada reduz os tempos de atuao dos rels. A Figura 12 mostra como o elemento paracontrole de transgresso do limite de carga define a carga alm do terminal remoto da linha.

    CURVA DE COORDENA O - REL COM FUSVEL 15E

    Curva do Rel para Coordenao com 15E

    CORRENTE [A pri]

    TEMPO

    [SEGUNDOS] Curva 15E TC

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    Figura 11: Caractersticas Do Controle de Transgresso do Limite de Carga nosArredores da Regio de Carga

    A seguir vamos examinar dois tipos de arranjo de cargas, de forma a demonstrar a eficcia dalgica LE em diferenciar carga e condies de falta trifsica. A Figura 12 mostra os doisarranjos de carga que ns consideramos: carga em para o Caso 3, e carga em para oCaso 4. Nestes exemplos, ns usamos valores secundrios para relacion-los aos que o relmediria.

    Valores Secundrios: E = 6,4V 0 Z1S= 190 Z1L= 860

    Figura 12: Diagrama Unifilar Mostrando os Arranjos de Carga Usados nos CasosEstudados para Verificar a Influncia da Carga na Impedncia de Seqncia PositivaMedida pelo Rel Antes e Durante Faltas Trifsicas

    Caso 3: Carga Concentrada na Extremidade Remota da Linha ()

    Para esse caso ns admitimos que ZCARGA = 80. Assim, o rel simplesmente medeuma impedncia de seqncia positiva (Z1) igual a (Z1L + ZCARGA =) 13,8530. Estaimpedncia est dentro da caracterstica da lgica LE e conseqentemente causa a suaatuao, bloqueando os elementos da proteo de sobrecorrente de fase.

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    Agora vamos examinar a impedncia Z1 medida pelo rel para uma falta trifsica naextremidade da linha. Como a falta curto-circuita a impedncia de carga, o rel mede Z1L=860. Logo, ns podemos ver que existe uma diferena considervel na magnitude e nongulo de Z1, para carga e condies de falta trifsica.

    Valores Secundrios: E = 6,4V 0 Z1S= 190 Z1L= 860

    Figura 13: Diagrama de Conexo de Seqncia Positiva para o Caso 3

    Caso 4: Carga Concentrada Perto da Subestao ()

    Vamos agora nos dedicar idia de que I1 para carga, e I1para uma falta trifsica naextremidade da linha, so iguais. Para condies de carga, o rel mede uma impedncia deseqncia positiva (Z1) igual a ZCARGA.

    Agora vamos examinar Z1 medida pelo rel, para uma falta na extremidade da linha. Como o

    rel no curto-circuita a impedncia de carga, mas em vez disso coloca a impedncia da linhaem paralelo com a carga, o rel mede Z1 = 4,6230. Novamente podemos ver que existeuma diferena considervel entre Z1 para carga, e para condies de falta trifsica.

    Valores Secundrios: E = 6,4V 0 Z1S= 190 Z1L= 860

    Figura 14: Diagrama de Conexo de Seqncia Positiva para o Caso 4

    E se ns no considerssemos a carga nos clculos da falta, e admitssemos que asmagnitudes das impedncias da linha e da carga fossem iguais? Para tais condies, Z1medido pelo rel para faltas, e para carga, somente seria diferente em funo da diferena dengulos entre a linha e a carga. Entretanto, devemos considerar a combinao em paralelodas impedncias de carga e de linha, para determinar a impedncia Z1 medida pelo rel, para

    faltas na linha, associadas com a carga.

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    Uma Nova Lgica Evita a Elevao dos Ajustes quando de Faltas Evolutivas (patentependente)

    Faltas evolutivas podem causar dificuldades quando a mesma est localizada no lado dacarga de um fusvel de potncia. No exemplo a seguir, ns descrevemos uma falta que evoluiconforme vista pelo rel, isto , o rel sente a mudana no tipo da falta, porm do ponto devista do sistema de potncia, ela uma falta polifsica terra, em uma linha radial, que eliminada seqencialmente.

    Vamos examinar uma falta B-C-N (fases B-C-Neutro) no lado da carga do fusvel 50Emostrado na Figura 15. Observe que as faltas evolutivas que estamos aqui considerando soaquelas que evoluem de fase-fase-neutro para fase-neutro.

    Figura 15: Sistema Unifilar para os Casos dos Estudos das Faltas Evolutivas

    No caso da falta B-C-N localizada em F1, como mostrado na Figura 15, o fusvel da fase Batua primeiro, em 0,47 segundos, admitindo-se 414A. Os fusveis das fases B e C no atuamsimultaneamente porque o fusvel da fase B conduz consideravelmente mais corrente do queo fusvel da fase C.

    Para a corrente na fase C mostrada na Tabela 3, o fusvel 50E no atingiu o seu tempomnimo de fuso quando o fusvel da fase B atua. Entretanto, esse fusvel atingiu 58% do seutempo mnimo de fuso. Uma vez que o fusvel da fase B atua, a magnitude da corrente nofusvel da fase C diminui levemente, porm a corrente residual medida pelo rel quase

    duplica.

    Tabela 3: Correntes de Falta para uma Falta Evolutiva em F1 na Fig.15

    Denominaoda Corrente

    Falta B-C-N[ A pri.]

    Falta C-N[A pri.]

    Ic 261 2513I0 162 330

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    A condio de defeito descrita acima apresenta uma difcil coordenao para o rel, porque oelemento de sobrecorrente de terra temporizado - TOC (time-overcurrent - TOC) comea acontar o tempo para a falta B-C-N, e no pra de contar, at que o fusvel da fase Cinterrompa a falta.

    Para esse caso, o elemento TOC de terra utiliza uma caracterstica extremamente inversacom ajuste de pickup de 50A primrios e dial de tempo de 4,8. Com esses ajustes de pickup ede tempo, o limite mnimo de coordenao 0,2 segundo, para uma falta terra mxima de300A, na localizao F2.

    Para a falta inicial B-C-N, o elemento TOC de terra sente a falta e conta at 0,475 segundo,ou aproximadamente 16% do seu tempo total de interrupo. Ao mesmo tempo em que ofusvel da fase B atua, esse elemento TOC continua a contar. Uma vez que o elemento TOCde terra tem sua partida acima do fusvel da fase C, ns efetivamente estamos tentandocoordenar o fusvel 50E (pr-aquecido em 58% de sua energia total de interrupo) e oelemento (TOC) de terra com pickup de 50A e um dial de tempo de 4. O tempo de operaopara tal elemento 0,68 segundo, para os valores da falta C-N mostrados na Tabela 3. O

    tempo de interrupo para o fusvel da fase C 0,77 segundo. O resultado da evoluo dafalta para esse exemplo uma descoordenao de 0,09 segundo. A coordenao restaurada no religamento se o elemento TOC de terra estiver completamente resetado.Entretanto, essa descoordenao resulta em uma queda de tenso adicional para o sistemade potncia, se o rel verifica a linha, e o fusvel da fase C no completou a sua fuso.

    Mtodo Simples de Resolver a Descoordenao para Falta Evolutiva

    O mtodo mais fcil de resolver essa descoordenao aumentar o dial de tempo do

    elemento TOC de terra. Entretanto, fazendo isso resulta em tempos de interrupo maiorespara faltas na linha principal. Isso tambm representa quedas de tenso com maior durao.

    Esquemas de rels de proteo utilizando elementos de distncia de terra, para detectarfaltas ao longo da linha protegida, devem ter uma Lgica de Seleo e Identificao de Faltas- FIDS (Fault Identification and Selection - FIDS), que seguramente distingue se a falta dotipo simples ou complexa. Para aplicaes em linhas de transmisso, esta lgica requeridapara controle do elemento de distncia para faltas polifsicas terra, e para a segurana dotrip monopolar. Essa mesma lgica tambm vantajosa para melhorar a coordenao dossistemas de proteo da distribuio para faltas evolutivas.

    FIDS: Introduo (patenteado)

    A lgica FIDS primeiro compara o ngulo de fase entre IA2e IA0.O tipo da falta A-Terra se adiferena angular entre IA2e IA0 0 60, B-Terra se a diferena angular 120 60, e C-Terra se a diferena angular -120 60. Na lgica FIDS, esses setores 60 soidentificados como FSA, FSB, e FSC respectivamente.

    A Figura 16 ilustra a relao do ngulo de fase entre IA2e IA0 para faltas terra. A Figura 17ilustra a comparao desse ngulo para uma falta A-Terra e uma B-C-Terra, sem aresistncia de falta. Na Figura 17, o ngulo entre IA2e IA0 o mesmo (0) para ambos os tiposde falta.

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    A TERRA B --TERRA C - TERRA

    Figura 16: Relao dos ngulos de IA2 e IA0 para Faltas Fase-Terra

    Figura 17: Relao dos ngulos de IA2 e IA0 para Faltas A-Terra e B-C-Terra

    Combinando essa lgica FIDS com a lgica de identificao das correntes mximas de fase efase-fase, cria-se um esquema que identifica a falta evolutiva descrita anteriormente. Paraessa falta, FSA assegurado e a corrente B-C a mais alta corrente fase-fase. Quando ofusvel da fase B abre, a sada da lgica FIDS muda para FSC, ao mesmo tempo em que acorrente da fase C a maior corrente de fase.

    FALTA A-TERRA

    (Na falta)

    a. RELAO ENTRE AS CORREN-TES DE SEQNCIA DE FASE

    b. DIAGRAMA DE CONEXODE SEQNCIA

    c. CONEXO DA FALTA

    FALTA BC-TERRA

    (Na falta)

    d. RELAO ENTRE AS CORREN-TES DE SEQNCIA DE FASE

    (ANG. Z2 = ANG Z0, RF=0)

    e. DIAGRAMA DE CONEXODE SEQNCIA

    f. CONEXO DA FALTA

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    Uma vez que a lgica FIDS d a mesma sada para dois tipos diferentes de falta (ex.: FSA garantido para faltas A-Terra e B-C-Terra), a lgica de evoluo de faltas necessita dasinformaes das correntes mximas de fase e fase-fase, para identificar o tipo da falta.

    A Figura 18 mostra a nova lgica de evoluo da falta para detectar a evoluo de uma faltaB-C-Terra para C-Terra, ou B-Terra. Quando a lgica detecta a evoluo de uma falta fase-fase-terra para uma falta fase-terra, todos os temporizadores dos elementos de sobrecorrentede terra temporizados resetam. O que ocorre, na realidade, o reset da temporizao doelemento TOC de terra, alm do restabelecimento da coordenao (aps resetar, o elementoTOC de terra reinicia a sua temporizao).

    Legenda:

    FIDS: Lgica de Seleo e Identificao da FaltaFSA: Lgica de Seleo da Falta Seleciona Fase AFSB: Lgica de Seleo da Falta Seleciona Fase BFSC: Lgica de Seleo da Falta Seleciona Fase CIBmx. Corrente Fase B a mximaICmx. Corrente Fase C a mximaIBCmx. Corrente Fase-Fase BC a mximaBCG: Falta B-C-Terra (BC-ground)

    Figura 18: Diagrama de Fluxo da Lgica de Deteco de Falta Evolutiva (B-C-Terra para Fase Bou C, Outra Lgica Similar de Evoluo de Falta)

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    IMPLEMENTAO DOSESQUEMAS

    Vamos agora descrever os detalhes da implementao dos esquemas de proteo e controle

    referidos anteriormente neste paper. Na prxima seo, utilizaremos o seguinte diagramamonofsico:

    Figura 19: Diagrama Unifilar com SW1 - SW4 Normalmente Fechadas, e SW5Normalmente Aberta

    As tabelas 4 e 5 mostram as operaes das chaves requeridas para restaurar a maior partepossvel das cargas conectadas, para vrias localizaes de falta (Nessas tabelas FLS =Seo da Linha em Falta (FLS = Faulted Line Section)).

    Tabela 4: Operaes com SW1, SW2, SW3,

    e SW4 Fechadas, SW5 Aberta

    FLS SW1 SW2 SW3 SW4 SW5

    1 Abrir Abrir No No Fechar

    2 No Abrir No No No

    3 No No Abrir Abrir Fechar

    4 No No No Abrir No

    Tabela 5: Operaes com SW1, SW3, SW4,

    e SW5 Fechadas, SW2 Aberta

    FLS SW1 SW2 SW3 SW4 SW5

    1 Abrir No No No No

    2 No No No No Abrir

    3 No Fechar Abrir Abrir No

    4 No Fechar No Abrir Abrir

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    Esquema de Restabelecimento Convencional Usando Rels/Controles eTransformadores de Tenso

    O restabelecimento da carga da distribuio ainda realizado manualmente por muitasempresas de energia eltrica. Os funcionrios operam as chaves e outros equipamentos deseccionamento, at que a linha em falta seja isolada. Algumas empresas esto adicionandoradios ou outros links de comunicao, para realizar remotamente as operaes deabertura/fechamento.

    Um outro mtodo de reduzir os tempos de restabelecimento, e diretamente melhorar osndices de confiabilidade tradicionais (SAIDI, CAIDI), o de se utilizar rels baseados emmicroprocessadores convencionais, e/ou controles do religador em cada chave, comindicadores dos sinais de tenso, alimentados por transformadores de tenso, em cada ladoda chave. Isto nos permite detectar as condies de tenso viva/morta, e desse modo permitirabertura e restabelecimento automtico das chaves, melhorando a velocidade e aconfiabilidade. Para testar esse procedimento, vamos considerar o sistema mostrado na

    Figura 20, com as seguintes caractersticas:

    Chaves SW1 e SW3 tm capacidade de interrupo de faltas. Chaves SW2,SW4, e SW5 podem somente interromper carga com segurana.

    Chaves SW1 e SW3 tm rels ou controles com proteo de sobrecorrenteinstantnea e temporizada (50/51), e religamento automtico com trs tentativas.

    Chaves SW2, SW4, e SW5 tm controles com elementos de sobrecorrenteinstantneo (50), sub e sobretenso (27 e 59 respectivamente), lgicaprogramvel, e temporizadores internos.

    Utilizando estes dispositivos, ns reduzimos os tempos de restabelecimento das linhas queno esto sob falta, de minutos (restabelecimento manual), para segundos.

    Figura 20: Diagrama Unifilar para o Esquema de Restabelecimento ConvencionalUsando Rels e Transformadores de Tenso

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    Nesse exemplo, cada rel utiliza elementos de tenso para detectar tenso viva ou morta(ex., DL2 indica tenso morta (dead) na linha 2 e HL4 indica tenso viva (hot) na linha4). Considerar uma falta permanente na Linha 1: SW1 detecta a falta e d trip atravs daproteo de sobrecorrente (50/51). O esquema inicia o restabelecimento da Linha 2 quando a

    linha desenergizada em ambos os lados de SW2, desde que:

    1. A tenso estava inicialmente viva em ambos os lados de SW2 (HL1iHL2).

    2. A tenso morre (DL1iDL2).

    3. SW2 est fechada.

    4. O elemento 50 da SW2 no est partido (uma segurana para faltas trifsicasfrancas).

    5. As condies 1 - 4 so verdadeiras para o tempo tt2 (que maior que o tempo de

    religamento total mximo de SW1). O elemento 50 de SW2 partiu e resetou duasvezes, e as condies 1 - 4 so verdadeiras para o tempo tt2 (que menor que ointervalo do terceiro religamento de SW1), ento abre SW2.

    A lgica para esse esquema mostrada na Figura 21 assegura que a tentativa derestabelecimento da Linha 2 somente efetuada se as tenses da linha em ambos os ladosda chave so inicialmente boas, tornando-se, em seguida, mortas. SW2 tem que estarfechada, para abrir. Verificando o estado do elemento 50 de SW2, ns asseguramos queSW2 no tenta interromper a corrente de falta. Se a falta na Linha 1, ns abrimos SW2 apsSW1 ter completado a sua seqncia de religamento. Se a falta na Linha 2, ns abrimosSW2 antes que SW1 efetue o bloqueio. Ajuste tt2 maior do que a mais longa seqncia dereligamento de SW1 (aproximadamente 90 a 120 segundos). Ajuste tt2a menor do que ointervalo do terceiro religamento de SW1 (ex., 5 a 10 segundos).

    Figura 21: Lgica de Abertura para SW2 - Esquema de Restabelecimento Convencional

    A lgica de fechamento de SW5 requer que sejam verdadeiras as seguintes condies para otempo tc5:

    1. A tenso inicialmente viva em ambos os lados de SW5 (HL4iHL2).

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    2. A tenso morre na Linha 2 (HL4iDL2).

    3. SW5 est aberta.

    4. SW5 no d trip aps uma tentativa de religamento.

    A lgica para o fechamento de SW5 est mostrada na Figura 22.

    Figura 22: Lgica de Fechamento para Chave SW5 - Esquema de RestabelecimentoConvencional

    Essa lgica assegura que temos tenses boas antes que: a Linha 2 morra, e que atue oesquema de restabelecimento automtico. Alm disso, o esquema somente efetua umatentativa de restabelecimento. Se SW5 d trip aps uma tentativa de restabelecimento, algica bloqueia o fechamento. Ns ajustamos nosso temporizador (tc5) maior do que o maislongo retardo para a abertura de SW2 (ex., 120 a 150 segundos).

    Finalmente, se a falta na Linha 2 permanente, precisamos evitar uma outra seqncia dereligamento de SW3, aps SW5 ter sido fechada. Assim, se as tenses morrem (DL2 iDL4)aps uma tentativa de fechamento de SW5, a lgica abre SW5 antes que SW3 religue.

    A lgica para esse esquema est mostrada na Figura 23.

    Figura 23: Lgica de Abertura para a Chave SW5 - Esquema de RestabelecimentoConvencional

    Geralmente, ns ajustamos o limite da tenso morta (dead) em 10 - 20% da nominal, paraassegurar tenso em, ou prxima, de zero, e os ajustes da tenso viva (hot) em 80 - 90 %da tenso nominal da linha.

    As Figuras 24 e 25 mostram as seqncias de tempo para faltas permanentes nas Linhas 1 e2 respectivamente:

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    Figura 24: Seqncia dos Tempos de Atuao para uma Falta Permanente na Linha 1 -Esquema de Restabelecimento Convencional

    Figura 25: Seqncia dos Tempos de Atuao para uma Falta Permanente na Linha 2 -Esquema de Restabelecimento Convencional

    Algumas outras observaes sobre esse esquema:

    A lgica pode ser aplicada SW4 de maneira similar quela da SW2.

    SW1 e SW3 tm que retardar seu primeiro religamento, para permitir SW5 dar trip(ex., 0,5 segundo).

    As condies de restabelecimento devem ser modificadas, baseando-se nosistema de distribuio. Por exemplo, se a Linha 2 for principalmente subterrnea,ns podemos querer abrir SW2, aps a primeira abertura de SW1, para evitar

    religamento automtico sobre uma falta em um cabo.

    No total, esse esquema melhora os tempos de restabelecimento no sistema de distribuio,comparado ao de restabelecimento manual (1 - 2 minutos versus 1 hora). Uma desvantagem que ainda temos afundamentos de tenso prolongados, que afetam outras cargas nosalimentadores adjacentes. Tambm, fechando sempre SW5, arriscamos faz-lo sobre umafalta permanente na Linha 2.

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    O Uso de Canais de Comunicao Possibilita Maior Rapidez na Interrupo da Falta eno Restabelecimento da Carga

    Usando o esquema convencional descrito acima, melhoramos a confiabilidade dos mtodosSAIDI e CAIDI atravs da reduo dos tempos de restabelecimento. Todavia, comodiscutimos anteriormente neste paper, o uso de rels inteligentes ou controles dosreligadores, conectados atravs de canais de comunicao, reduz os tempos das quedas detenso e de oscilao, para as cargas mais crticas e sensveis.

    Vamos agora examinar como podemos implementar essas melhorias. Para a discussoseguinte, utilizaremos o diagrama unifilarmostrado na Figura 26.

    Figura 26: Diagrama Unifilar para o Esquema de Restabelecimento Aprimorado com aComunicao

    As chaves SW1 a SW5 so equipadas e operadas como segue:

    Cada chave um religador com capacidade de interrupo de faltas.

    Cada rel um controle do religador equipado com lgica de comunicao Rel- Rel.

    Cada controle do religador pode se comunicar com um, ou dois outros controlesde religadores. Isto pode ser realizado atravs do uso de rdios 900MHz ponto aponto em cada local, ou por um outro meio (ex., fibra ptica, linhas de telefone).Isso estabelece linhas de comunicao entre todas as cinco chaves (SW1

    SW5).Para cada chave ns aplicamos trs tentativas de religamento. Onde for possvel, nstransferimos a carga, aps a falta inicial, para reduzir falhas no fornecimento (blinks), empores do alimentador que no foram afetadas pela falta.

    Para restaurar a carga to rpida e inteligentemente quanto possvel, o sistema de proteonecessita das seguintes informaes para cada chave:

    Que chaves esto inicialmente abertas ou fechadas?

    Quais os rels que sentiram a falta?

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    Utilizando a lgica de comunicao Rel - Rel, podemos distribuir essa informao. Aquiest um exemplo de como ocorrem as comunicaes:

    Figura 27: Links de Comunicao Usando a Lgica Rel-Rel

    Nesse arranjo, SW1 comunica com SW2; SW2 com SW1 e SW5; SW5 com SW2 e SW4;SW4 com SW5 e SW3; e SW3 com SW4. Cada link de comunicao pode enviar e receberat 8 bits de informao. Isto pode ser aumentado para 16 bits, usando dois canais (dois

    radios, fibras, etc.) entre cada par de chaves. Portanto, SW1 pode receber informao deSW2, que pode enviar seus prprios dados, mais os dados pertinentes recebidos de SW5,etc.

    Uma vez que o canal de comunicao rpido, cada rel conhece o estado de cada umdesses pontos da lgica (logic points), poucos ciclos aps o incio de qualquer falta. Estacapacidade permite ao esquema abrir as partes afetadas do alimentador em poucos ciclos, erestabelecer o restante alguns ciclos depois.

    Como exemplo, usando fibra ptica, os dados podem ser transmitidos e recebidos entre cadaequipamento em aproximadamente 0,5 ciclo. Com rdios, este tempo est entre 1,0 e 1,5ciclo. O trip final e a deciso de fechamento so efetuados pelo rel de cada chave, pormele usa as informaes (logic points) dos outros rels, como condies de permisso, ou

    bloqueio, para abertura e fechamento.

    Vamos agora examinar alguns exemplos especficos de como podemos aplicar a lgicaaprimorada de trip e restabelecimento.

    Chaves SW1 - SW4 Fechadas e SW5 Aberta

    Com o arranjo do circuito da rede de distribuio mostrado na Figura 28, ns precisamosimplementar a lgica que isola a poro do sistema em falta, to rpido quanto possvel. Umamaneira de pensar a respeito disso, que ns queremos colocar o doente em quarentena.Ns mostramos abaixo a lgica para as chaves SW1 e SW2, porm lgica similar pode ser

    implementada para SW3 e SW4.

    Figura 28: Diagrama Unifilar com as Chaves 1 - 4 Fechadas e a Chave 5 Aberta

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    Para uma falta na Linha 1, desejamos isolar aquela seo de linha, e restabelecer a carga daLinha 2, to rpido quanto possvel. Inicialmente abrimos SW1 atravs do elemento desobrecorrente instantneo (50), com uma curva de tempo rpida, desde que a mesma possaser aplicada sem descoordenao. Se a falta est na Linha 2, o elemento de sobrecorrente

    instantneo em SW2 (50) bloqueia a curva rpida em SW1, desde que o canal decomunicao esteja instalado. Tambm habilitamos a curva rpida em SW1, se SW2 estiveraberta. A Figura 29 mostra a lgica:

    Figura 29: Lgica de Abertura de SW1 atravs de uma Curva Rpida - EsquemaAprimorado com a Comunicao

    Figura 30: Lgica de Abertura de SW2 paraRestabelecimento Rpido da Carga daLinha 2, Usando Esquema Aprimorado com

    a Comunicao

    Ns queremos abrir SW2 rapidamente para asseguintes condies:

    1. Comunicao est OK.

    2. O sobrecorrente instantneo (50) em SW2partiu inicialmente (limiar de atuao do50).

    3. O 50 em SW1 no est habilitado nomomento.

    4. SW1 est aberta.

    A sada da lgica mostrada no Figura 30 pode ser transmitida para SW2, no tempo de 1 a 2 ciclos,para abrir SW2.

    Figura 31: Lgica de Fechamento de SW5,para Restabelecimento Rpido das Cargasda Linha, Usando Esquema Aprimoradocom a Comunicao

    A seguir, ns queremos restabelecer a cargada Linha 2 to rpido quanto possvel. SW5 fechada para as seguintes condies:

    1. Comunicao est OK.

    2. O sobrecorrente instantneo (50) em SW1partiu inicialmente (limiar de atuao do50).

    3. O elemento de sobrecorrente em SW2 nopartiu.

    4. SW2 est aberta.

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    Esta lgica assegura que SW1 sente a falta, e SW2 no, antes do fechamento de SW5. Ns somenteprecisamos esperar que SW2 abra e que os pontos da lgica sejam transmitidos. A lgica mostradana Figura 31. Finalmente, ns habilitamos o trip rpido em SW2, se as comunicaes estiverem OK ese SW5 estiver aberta, ou se o seu elemento 50 no estiver habilitado; esta lgica apresentada na

    Figura 32.

    Figura 32: Lgica de Abertura de SW2 atravs de uma Curva Rpida - EsquemaAprimorado com a Comunicao

    Agora vamos examinar as operaes para algumas faltas no sistema. A Figura 33 mostra osdiagramas de tempo para faltas na Linha 1 e Linha 2, usando a lgica para interruporpida, aprimorada com canais de comunicao

    a. Falta na Linha 1

    b. Falta na Linha 2

    Figura 33: Seqncia dos Tempos de Atuao para Faltas Permanentes - EsquemaAprimorado com a Comunicao

    Ns podemos implementar a lgica de restabelecimento automtico para qualquercombinao das posies iniciais das chaves. Usamos as posies das chaves para trocar osgrupos de ajustes em cada rel/controle do religador. Assim, implementamos sriesdiferentes de condies de trip/fechamento.

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    Alterando os Ajustes para Adaptar-se s Condies do Sistema

    Um outro mtodo para obter uma interrupo mais rpida da falta o de se utilizar grupos de

    ajustes baseados nas posies das chaves. Desde que as comunicaes estejam instaladas,podemos automaticamente, ou manualmente, alterar os trips de sobrecorrente instantneo etemporizado de cada chave, assim reduzindo, ou eliminando, a descoordenao. Se foremperdidas as comunicaes, ns podemos reverter para o grupo normal de ajustes do rel(SW1, SW2, SW3, SW4 fechadas, SW5 aberta).

    Tabela 6: Comunicaes Permitem Coordenaes de Tempo para Adaptar-se aosChaveamentos do sistema

    A

    F F F A F

    F A F F F

    A F F F F

    F

    Coordenao dasCurvas de Tempo

    Diagrama Unifilar comcom o estado das chaves

    SW1 SW2 SW3 SW4 SW5

    Linha 1 Linha 2

    Linha 3 Linha 4

    Linha 1 Linha 2

    Linha 3 Linha 4

    Linha 1 Linha 2

    Linha 3 Linha 4

    Linha 1 Linha 2

    Linha 3 Linha 4

    Linha 1 Linha 2

    Linha 3 Linha 4

    NF NA

    NF NF

    NF

    NF NF

    NF NA

    NF

    NF NF

    NF NF

    NA

    NA NF

    NF NF

    NF

    NF NF

    NA NF

    NF

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    Esquema de Controle para Atender s Necessidades Daqueles 25% dosConsumidores

    No esquema lgico discutido at aqui, ns no restauramos totalmente o servio deatendimento carga da Linha 2, dentro de um tempo de 10 ciclos, para faltas na Linha 1.Para que isto ocorra, ns precisamos abrir SW2 e fechar SW5, para qualquer falta na Linha 1.

    Quando o rel da SW1 sente uma falta e o da SW2 no, a localizao da falta est confinadaem algum lugar da Linha 1. Utilizando os canais de comunicao e a lgica associada, SW1transmite as informaes de seus elementos de deteco de faltas para SW2. To logorecebe a mensagem de SW1, de que ela sente uma falta, SW2 verifica as informaes deseus prprios elementos de deteco de faltas. Se nenhum deles est partido, ento SW2 dtrip. Os elementos de sobrecorrente de SW1 e SW2 podem ser suplementados comelementos direcionais para aqueles circuitos propensos ocorrncia de sympathetic trip [5].Simultaneamente ao comando de abertura, o rel de SW2 transmite um sinal de fechamento

    para SW5.

    Admitindo-se que o tempo de atuao dos rels de proteo (pickup time) e o tempo detransmisso do canal (end-to-end-channel time) so ambos menores do que um ciclo, nsconseguimos a abertura de SW2 dentro de um tempo de dois ciclos, aps o incio da falta.SW5 recebe o sinal de fechamento dentro de um tempo de 3 ciclos aps o incio da falta (nsconsideramos que o tempo de abertura de SW2 close-to-open time menor do que otempo de fechamento de SW5 open-to-close time). Assim, admitindo-se um tempo de 7ciclos para o fechamento de SW5, restabelecemos com sucesso a carga da Linha 2, paraqualquer falta na Linha 1. Se o tempo de fechamento de SW5 (open-to-close time) for maiordo que 7 ciclos, precisamos verificar a possibilidade de reduo do tempo requerido paraSW5 receber o sinal de fechamento. Elementos de sobrecorrente com tempos de atuao(pickup) mais rpidos (aproximadamente um quarto de ciclo) e canais de comunicao mais

    rpidos (isto , utilizando um canal de fibra ptica e uma taxa de transmisso de 19200kbits/seg., o retardo no tempo de transmisso do canal 4 milisegundos) podem reduzir oretardo de 3 ciclos para SW5 fechar para 0,75 - 1,0 ciclo. O emprego desses dispositivosmais rpidos permite que os tempos de fechamento de SW5 (open-to close time) aproxime-sede 9 ciclos.

    SUMRIO

    Pontos importantes apresentados nestepaperincluem o que segue:

    1. Utilizar esquemas de proteo e controle assistidos por canais de comunicao emcircuitos de distribuio, reduz significantemente os tempos de trip e de transferncia decarga.

    2. ndices de performance tradicionais no consideram a reduo na confiabilidade doservio, causada por quedas de tenso provocadas por uma falta. Considerando-se osefeitos dessas quedas nas cargas dos consumidores situados nos circuitos adjacentes aum circuito em falta, conclumos que temos que considerar novos mtodos de proteo econtrole, que reduzam a durao dessa quedas para ciclos ao invs de segundos.

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    3. A Anlise do Diagrama de Blocos mostra que melhorar os controles do disjuntor e doreligador, com esquemas lgicos de comunicao, proporcionaram uma melhora de 40%na taxa de indisponibilidade do servio (quando comparado aos tradicionais esquemas deproteo e controle da distribuio).

    4. Lgicas de trip assistidas por canais de comunicao simplificam a dificuldade dasaplicaes de coordenao de tempo, uma vez que restringem o nmero deequipamentos que requerem coordenao. Esta simplificao tambm diminui o tempode trip para faltas na linha principal.

    5. A mesma Lgica de Controle de Transgresso do Limite de Carga, utilizada parasegurana dos elementos de distncia em linhas de transmisso, aumenta asensibilidade da proteo da distribuio, ao mesmo tempo em que permite uma melhorcoordenao de seus ajustes com os dispositivos de proteo sua frente.

    6. Ns mostramos que faltas fase-fase-terra, no lado da carga de um ramal com cargapesada, podem causar descoordenao do elemento de sobrecorrente de terra.

    Apresentamos uma nova lgica que evita ter que elevar os ajustes do elemento de terrapara manter a coordenao.

    7. Ns mostramos que, sem canais de comunicao, podemos aplicar uma lgica de relsque combina elementos de tenso, estados das chaves, e outra lgica combinatria paramelhorar a confiabilidade do servio para alimentadores que no sofreram a falta, masso atendidos por uma fonte de alimentao sob falta.

    REFERNCIAS

    [1] ANSI/IEEE Std 493-1990, IEEE Recommended Practice for the Design of ReliableIndustrial and Commercial Power Systems, Captulo 2.

    [2] Kenneth C. Behrendt, Relay-to-Relay Digital Communication for Line Protection,Monitoring, and Control, 51stAnnual Georgia Tech Protective Relaying Conference, Atlanta,Georgia, maio de 1997.

    [3] CBEMA Curve Application Note, Technical Committee #3 (TC-3) of the InformationTechnology Industry Council (ITI), 1996.

    [4] James J. Burke, Power Distribution Engineering: Fundamentals and Applications, 1aEdio, 1994. Publicado por Marcel Dekker, Inc., 270 Madison Avenue, New York, NY, 10016.

    [5] Jeff Roberts, Terrence L. Stulo, e Andres Reyes, Sympathetic Tripping Problem,Analysis and Solutions, 24th Annual Western Protective Relay Conference, Spokane,Washington, outubro de 1997.

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    APNDICEI

    Indisponibilidade de Atendimento Carga daLinha 2 para Sistemas Usando Chaves DeIsolao Manuais

    . Carga da Linha 2 no atendida para faltas naLinha 1 por (1/2 +1/2) 1h a cada 5 anos.

    = MTTR= 0,2 (2 0,000057)= 22,83E-06(1/2 h para operar cada chave)

    . Carga na Linha 2 no atendida para faltas naLinha 1 e SW2 com defeito por (1/2 + 1 + 1/2) 2h acada 5 anos. Na mdia, SW2 testada a cada 2,5anos, supondo-se faltas nas Linhas 1 e 2 a cada 5anos. Desses 2,5 anos, SW2 est disponvel 1/2 dotempo para = 1/40 (calc. como (1,25/10 (1/5))

    =MTTR= 1/40 (2 0,000114)

    = 5,7E-06(1/2h de deslocamento at SW2, 1hpara reparo da linha, 1/2h dedeslocamento at SW2)

    . Idem acima.

    . Carga da Linha 2 no atendida por (1/2 + 3 +1/2) 4h para faltas na Linha 2 e todas as chavesOK.

    = MTTR= 0,2 (4 0,000114)= 91,2E-06(1/2h de deslocamento at SW2, 3hpara reparo da linha, 1/2h dedeslocamento at SW2)

    . Carga da Linha 2 no atendida por (1/2 + 3 + 1 +1/2) 5h para falta na Linha 2 e SW2 com defeito.

    = MTTR= (1/40) 0,2 (5 0,000114)= 14,3E-06(1/2h de deslocamento at SW2, 3hpara reparo da linha, 1/2h dedeslocamento at SW2, 1h parareparo da linha)

    Nota: MTTR tem unidade em anos:

    1h=0,000114ano

    Indisponibilidade de Atendimento Carga daLinha 2 para Sistemas Usando Chaves DeIsolao Automticas

    . Carga da Linha 2 no atendida para faltas naLinha 1 por 6 segundos a cada 5 anos.

    = MTTR= 0,2 (0,19E-06)= 0,038E-06(5s int. aberta + 1s comando) =0,19E-06

    . Carga na Linha 2 no atendida para faltas naLinha 1 e SW2 com defeito por 1h a cada 5 anos. Amesma justificativa = 1/40 mostrada em esquerda.

    = MTTR

    = 1/40 (2 0,000114)= 2,85E-06(detectado quase inst., 1h parareparo)

    . Idem acima.

    . Carga da Linha 2 no atendida por 3h parafalta na Linha 2 e todas as chaves OK.

    = MTTR= 0,2 (3 0,000114 + 0,19E-06)= 68,4E-06(3h para reparo da linha, 6s paralocalizar e isolar automaticamente)

    . Carga da Linha 2 no atendida por 4h parafalta na Linha 2 e SW2 com defeito.

    = MTTR= 0,2 (4 0,000114 + 0,19E-06)= 11,4E-06(3h para reparo da linha, 1h parareparo da chave, 6s para localizare isolar automaticamente)

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