CENTRO UNIVERSITÁRIO ALVES FARIA (UNIALFA)
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Jefferson de Souza Costa
FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO APLICADO EM LINHAS DE
TRANSMISSÃO 230KV DURANTE DISTÚRBIOS ATMOSFÉRICOS
GOIÂNIA
DEZEMBRO DE 2021
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FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO APLICADO EM LINHAS DE TRANSMISSÃO 230KV, Teses (TCC) de Sistemas de Transmissão
O trabalho explora temáticas do sistema elétrico de potência com o intuito de criar um embasamento mínimo para compreender o seu funcionamento e realizar uma análise detalhada das atuações de cada proteção. É realizada uma análise de uma perturbação ocorrida no dia 16 de outubro de 2020 que envolveu a linha de transmissão 230kV (circuito duplo) entre a Subestação A e Subestação B, localizadas no sudeste goiano. As informações necessárias para análise foram coletadas dos equipamentos de proteção e controle das subestações que registraram os eventos no momento da perturbação. A interpretação e análise foram feitas com dados referentes a variáveis analógicas e digitais como: valores de tensão e corrente, status dos equipamentos e atuações dos pontos digitais das proteções durante o distúrbio atmosférico que aconteceu na linha de transmissão. Após coleta e interpretação das informações fundamentais, procedeu-se com uma análise avaliativa do desempenho do sistema de proteção da subestação
Tipologia: Teses (TCC)
2021
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CENTRO UNIVERSITÁRIO ALVES FARIA (UNIALFA)
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Jefferson de Souza Costa
FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO APLICADO EM LINHAS DE
TRANSMISSÃO 230KV DURANTE DISTÚRBIOS ATMOSFÉRICOS
GOIÂNIA
DEZEMBRO DE 2021
JEFFERSON DE SOUZA COSTA
FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO APLICADO EM LINHAS DE
TRANSMISSÃO 230kV DURANTE DISTÚRBIOS ATMOSFÉRICOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial à obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Elétrica do Centro Universitário Alves Faria (UNIALFA), sob orientação do prof. Esp. Nayane Moura Neris.
Orientador: Prof.ª Esp. Nayane Moura Neris
GOIÂNIA
DEZEMBRO DE 2021
Agradeço a Deus, à universidade, à orientadora, aos colegas de trabalho e à minha família pelo apoio.
RESUMO
COSTA, Jefferson de Souza. Funcionamento do sistema de proteção aplicado em linha de transmissão 230kV durante distúrbios atmosféricos 68 f. Trabalho de Conclusão de Curso do Curso de Graduação em Engenharia Elétrica do Centro Universitário Alves Faria (UNIALFA). Goiânia, 2021.
O trabalho explora temáticas do sistema elétrico de potência com o intuito de criar um embasamento mínimo para compreender o seu funcionamento e realizar uma análise detalhada das atuações de cada proteção. É realizada uma análise de uma perturbação ocorrida no dia 16 de outubro de 2020 que envolveu a linha de transmissão 230kV (circuito duplo) entre a Subestação A e Subestação B, localizadas no sudeste goiano. As informações necessárias para análise foram coletadas dos equipamentos de proteção e controle das subestações que registraram os eventos no momento da perturbação. A interpretação e análise foram feitas com dados referentes a variáveis analógicas e digitais como: valores de tensão e corrente, status dos equipamentos e atuações dos pontos digitais das proteções durante o distúrbio atmosférico que aconteceu na linha de transmissão. Após coleta e interpretação das informações fundamentais, procedeu-se com uma análise avaliativa do desempenho do sistema de proteção da subestação durante o acontecimento do curto-circuito. Tanto na Subestação A, quanto na Subestação B, ocorreu a atuação das funções de proteção direcional de sobrecorrente de neutro (67N), teleproteção (85), proteção diferencial de linha (87L), proteção de distância (21 Zona 1) e religamento (79), sinalizando fases “A e B” no circuito 1 e fase “B” no circuito 2. Todos os quatros vãos conseguiram realizar a abertura dos disjuntores e eliminação da falta antes dos 100ms. Depois do tempo morto configurado (3 segundos) o religamento tripolar dos dois circuitos foi realizado, atendendo aos requisitos mínimos de proteção estabelecido pelo ONS.
Palavras-chave : Sistema Elétrico de Proteção. Linhas de Transmissão. Distúrbios Atmosféricos. Procedimentos de rede ONS.
LISTA DE FIGURAS
Figura 30 - Diagrama unifilar da Subestação B referente a LT 230kV Subestação A / Subestação B (circuito 01 e 02) ................................................................................................................... 60 Figura 31 - Diagrama funcional da Subestação A referente a coletas das grandezas elétricas nos transformadores de tensão e corrente da LT 230 kV Subestação A / Subestação B (circuito 01) .................................................................................................................................................. 61 Figura 32 - Diagrama funcional da Subestação B referente a coletas das grandezas elétricas nos transformadores de tensão e corrente da LT 230 kV Subestação A / Subestação B (circuito 01) .................................................................................................................................................. 62 Figura 33 - Oscilografia gravada pelo registrador de perturbação da subestação B antes da perturbação ............................................................................................................................... 63 Figura 34 - Oscilografia gravada pelo registrador de perturbação da subestação B, durante a perturbação ............................................................................................................................... 64 Figura 35 - Parâmetros do distúrbio registrado pela unidade de proteção da subestação A durante a perturbação................................................................................................................ 66 Figura 36 - Parâmetros configurados de sobrecorrente de neutro na unidade de proteção do circuito 01 da Subestação A ..................................................................................................... 68 Figura 37 - Diagrama fasorial representando as magnitudes de tensão e corrente antes e durante o distúrbio do circuito 01. ......................................................................................................... 65 Figura 38 - Registro de envio e regimento de atuação da teleproteção do circuito 01, Subestação A ............................................................................................................................................... 69 Figura 39 - Momento da abertura do disjuntor registrada pela unidade de proteção do circuito 01, Subestação A ...................................................................................................................... 69 Figura 40 - Momento da fechamento do disjuntor registrada pela unidade de proteção do circuito 01, Subestação A ......................................................................................................... 70
- Figura 1 - Sistema Elétrico
- Figura 2 - Mapa do sistema de transmissão horizonte 2024.....................................................
- Figura 3 - Linha de transmissão
- Figura 4 - Fasores de tensão e correntes durante os curtos-circuitos
- Figura 5 - Geometria da torre mostrando os parâmetros para cálculos de falha da blindagem
- Figura 6 - Queda de descarga atmosférica no cabo guarda
- Figura 7 - Unifilar do sistema elétrico
- Figura 8 - Diagrama de ligação do transformador de potencial
- Figura 9 - Unidades de proteções digitais
- Figura 10 - Funções típicas disponibilizadas
- Figura 11 - Principais vantagens do relé de proteção
- Figura 12 - Arquitetura típica de hardware
- Figura 13 - Vista frontal do RPV
- Figura 14 - Vista posterior do RPV
- Figura 15 - Modelo de curva de atuação
- Figura 16 - Diagrama fasorial durante uma falta
- Figura 17 - Diagrama fasorial circuito equilibrado
- Figura 18 - Diagrama fasorial das grandezas elétricas durante uma falta
- Figura 19 - Característica de operação do relé de impedância
- Figura 20 - Característica do acoplamento do relé de impedância e do direcional
- Figura 21 - Zonas 1, 2 e 3 do relé de impedância
- Figura 22 - Zonas de atuação do relé de distância A
- Figura 23 - Diagrama unifilar básico de uma LT com proteção diferencial
- Figura 24 - Diagrama representativo de atuação do relé de sobretensão
- Figura 25 - Teleproteção...........................................................................................................
- comunicação Figura 26 - Diagrama representando o envio de sinal da proteção utilizando canal de
- Figura 27 - Cabo OPGW
- Figura 28 - Esquema de operação do religamento em uma falta transitória
- B (circuito 01 e 02) Figura 29 - Diagrama unifilar da Subestação A referente a LT 230kV Subestação A / Subestação
- 1 INTRODUÇÃO
- 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
- 2.1 Sistema Elétrico Brasileiro.........................................................................................
- 2.1.1 Sistema Interligado Nacional (SIN)
- 2.1.2 Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL)
- 2.1.3 Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS)
- 2.2 Linha de transmissão
- 2.2.1 Requisitos mínimos para os sistemas de proteção
- 2.2.2 Requisitos mínimos para registro de perturbações
- 2.3 Distúrbios elétricos transitórios em linhas de transmissão
- 2.3.1 Análise Fasorial de curto-circuito
- 2.3.1.1 Ângulos de defasagens das correntes de curtos-circuitos
- 2.3.2 Descarga Atmosférica
- 2.3.2.1 Descarga direta
- 2.3.2.2 Descarga Indireta
- 2.4 Sistema de proteção
- 2.4.1 Transformador de corrente
- 2.4.2 Transformador de potencial
- 2.4.3 Relés de proteção
- 2.4.3.1 Relés digitais numéricos
- 2.4.4 Registrador Digital de perturbação (RDP)
- 2.5 Proteção de linhas de transmissão
- 2.5.1 Proteção de Sobrecorrente
- 2.5.1.1 Ajuste de atuação temporizada de fase
- 2.5.1.2 Ajuste de atuação temporizada de neutro
- 2.5.1.3 Ajuste de atuação instantânea de fase
- 2.5.1.4 Ajuste de atuação instantânea de neutro
- 2.5.1.5 Seleção da curva de atuação dos relés
- 2.5.2 Proteção Direcional de Sobrecorrente
- 2.5.3 Proteção de Distância
- 2.5.3.1 Relés de Impedância
- 2.5.3.2 Zonas de atuação
- 2.5.4 Proteção de diferencial de linha
- 2.5.5 Proteção de Sobretensão
- 2.5.5.1 Unidade de Sobretensão temporizada
- 2.5.5.2 Unidade de Sobretensão instantânea
- 2.5.6 Teleproteção
- 2.5.6.1 Transferência de abertura
- 2.5.6.1.1 Abertura Direta
- 2.5.6.1.2 Abertura Permissiva...............................................................................................
- 2.5.6.1.3 Esquema de Bloqueio
- 2.5.6.2 Fibra Óptica
- 2.5.7 Falha de disjuntor
- 2.5.7.1 Função 50BF (Instantânea)
- 2.5.7.2 Temporizador 62BF
- 2.5.8 Sincronismo
- 2.5.9 Religamento
- 3 METODOLOGIA DA PESQUISA
- 4 RESULTADOS DA PESQUISA
- 4.1 Descrição da linha de transmissão
- 4.2 O estudo de caso
- 4.2.1 Primeiro vão – Subestação A, circuito
- 4.2.1.1 Proteções atuadas
- 4.2 Análise do atendimento aos requisitos mínimos estabelecido pelo ONS
- 5 CONCLUSÕES...........................................................................................................
- REFERÊNCIAS
1 INTRODUÇÃO
Em um mundo cada vez mais globalizado, com o surgimento de diversas tecnologias como, por exemplo, os meios de transportes elétricos (carros, metrôs, ônibus, drones, aviões); a constante evolução da sociedade e o crescimento dos grandes centros urbanos, houve um aumento da demanda e dependência quanto ao consumo de energia elétrica. Esta dependência de energia tem provocado o crescimento da malha energética do Brasil, sendo necessários crescentes investimentos, tanto na área de criação de novas fontes de energia renovável (eólica, solar e térmica), quanto para manter a confiabilidade do sistema elétrico de transmissão (EPE, 2021). Portanto, é essencial que os sistemas de proteção elétricos sejam crescentemente mais eficazes, a fim de evitar a interrupção no fornecimento de energia. O principal objetivo de um sistema elétrico de transmissão é interligar amplos geradores de energia a grandes centros de carga, garantindo a qualidade e continuidade do serviço de transmissão. Por ser um sistema responsável por transmitir grandes quantidades de energia, ele necessita ter alta confiabilidade e eficácia. Em caso de incidência de distúrbio elétrico transitório, o sistema de proteção deve estar sempre preparado para extinguir a falta, desligando o mínimo de equipamentos e recompondo o sistema o mais rápido possível, causando o mínimo impacto possível no serviço de transmissão (MAMEDE FILHO; MAMEDE, 2013). O Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) é o órgão responsável pela coordenação e controle da operação das instalações de geração e transmissão de energia elétrica no Sistema Interligado Nacional (SIN) e pelo planejamento da operação dos sistemas isolados do país, sob a fiscalização e regulação da ANEEL (ONS, 2021a). A presente pesquisa objetiva analisar e verificar se a filosofia aplicada na linha de transmissão 230kV (circuito duplo) entre a Subestação A e Subestação B localizadas no sudeste goiano, se está em concordância com o procedimento de rede submódulo 2.11 (requisitos mínimos para os sistemas de proteção, de registro de perturbação e teleproteção) (ONS, 2020a). Assim será possível analisar se o funcionamento das funções de proteção como: sobrecorrente, direcional de sobrecorrente, distância, diferencial de linha, sobretensão, teleproteção e religamento estão de acordo com o estabelecido pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) para o comportamento do sistema de proteção da linha de transmissão durante um distúrbio atmosférico e seus principais dispositivos de proteção (ONS, 2020b). Para isso, foi realizado um estudo de caso referente ao distúrbio ocorrido dia 16 de outubro de 2020 na LT 230kV Subestação A/Subestação B, circuitos 01 e 02.
O primeiro capitulo é referente a introdução que aborda uma visão geral do trabalho e seus objetivos. O segundo apresenta uma revisão bibliográfica contendo como os principais tópicos: sistema elétrico de potência, órgãos reguladores, transformadores de tensão e corrente, sistema de proteção elétrico, linhas de transmissão e fenômenos transitórios. O terceiro retrata a metodologia de estudo utilizada para realizar o trabalho. O quarto é referente aos resultados encontrados no estudo do distúrbio ocorrido na linha de transmissão. O quinto é relacionado a conclusão do trabalho, no qual é possível verificar se o trabalho atendeu os objetivos definidos.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Sistema Elétrico Brasileiro
A definição trazida pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) acerca do setor elétrico brasileiro expressa significativamente o funcionamento deste ao afirmar que:
A energia elétrica é um insumo essencial à sociedade, indispensável ao desenvolvimento socioeconômico das nações. No Brasil, a principal fonte de geração é a hidrelétrica (água corrente dos rios), que responde por 62% da capacidade instalada em operação no país, seguida das termelétricas (gás natural, carvão mineral, combustíveis fósseis, biomassa e nuclear), com 28%. O restante é proveniente de usinas eólicas (energia dos ventos) e importação da energia de outros países (ANEEL, [s.d.])
Ainda de acordo com a ANEEL ([s.d.]):
As geradoras produzem a energia, as transmissoras a transportam do ponto de geração até os centros consumidores, sendo as distribuidoras que a levam até a residência dos cidadãos. Há ainda as comercializadoras, empresas autorizadas a comprar e vender energia para os consumidores livres (ANEEL, [s.d.]).
A Figura 1, apresenta os sistemas de geração de energia, transmissão e distribuição que alimentam os grandes centros de carga.
Figura 1 - Sistema Elétrico
Fonte: Bioenerg (2018)^1
(^1) BIOENERG CONSULTORIA AMBIENTAL: O Sistema Elétrico. In : O Sistema Elétrico. [ S. l. ], 22 nov.
- Disponível em: https://bioenerg.com.br/blog-detalhes.php?id=2&titulo=O+Sistema+El%C3%A9trico. Acesso em: 29 abr. 2021.
2.1.2 Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL)
A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) é o órgão regulador do setor elétrico. Criada em dezembro de 1996, é uma autarquia em regime especial vinculada ao Ministério de Minas e Energia (MME). Sua missão é “proporcionar condições favoráveis para que o mercado de energia elétrica se desenvolva com equilíbrio entre os agentes e em benefício da sociedade” (ANEEL, [s.d.]). A Figura 2, ilustra a malha energética esperada para o horizonte 2024.
Figura 2 - Mapa do sistema de transmissão horizonte 2024
Fonte: ONS (2021b)
A ANEEL normatiza as políticas e diretrizes estabelecidas pelo Governo Federal para o setor elétrico, fiscaliza a prestação do fornecimento de energia elétrica à sociedade e faz a mediação de conflitos entre os agentes do setor. Cabe ainda à ANEEL, mediante delegação do MME, conceder o direito de exploração dos serviços de geração, transmissão, distribuição e comercialização de energia elétrica. Além disso, a ANEEL também define as tarifas de energia,
de acordo com o que está estabelecido em lei e nos contratos de concessão assinados com as empresas (ANEEL, [s.d.]).
2.1.3 Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS)
O Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) é o órgão responsável pela coordenação e controle da operação das instalações de geração e transmissão de energia elétrica no Sistema Interligado Nacional (SIN) e pelo planejamento da operação dos sistemas isolados do país, sob a fiscalização e regulação da ANEEL (ONS, 2021a). Para o exercício de suas atribuições legais e o cumprimento de sua missão institucional, o ONS desenvolve uma série de estudos e ações exercidas sobre o sistema e seus agentes proprietários, para gerenciar as diferentes fontes de energia e a rede de transmissão, de forma a garantir a segurança do suprimento contínuo em todo o país, que de acordo com a ONS (2021a), tem os seguintes objetivos: (a) promover a otimização da operação do sistema eletroenergético, visando ao menor custo para o sistema, observados os padrões técnicos e os critérios de confiabilidade estabelecidos nos Procedimentos de Rede aprovados pela Aneel; (b) garantir que todos os agentes do setor elétrico tenham acesso à rede de transmissão de forma não discriminatória; (c) contribuir, de acordo com a natureza de suas atividades, para que a expansão do SIN se faça ao menor custo e vise às melhores condições operacionais futuras.
2.2 Linha de transmissão
As linhas de transmissão são os elementos de um sistema elétrico que transportam a energia produzida pelas fontes de geração até as subestações abaixadoras instaladas próximas aos grandes centros de carga (MAMEDE FILHO; MAMEDE, 2013). Devido às grandes fontes de geração (hidráulicas) serem construídas afastadas dos grandes centros de carga, as linhas de transmissão são de grandes extensões, sendo susceptíveis a diversos defeitos (SATO; FREITAS, 2015). As linhas de transmissão são classificadas pelos seus diferentes níveis de tensão. Os procedimentos de rede (documento de responsabilidade do ONS) levam em consideração que todas as linhas de transmissão acima dos 230kV são consideradas de rede básica e formam o
d) Lógica de detecção de faltas em eventuais zonas mortas; e) Lógica de detecção de faltas no trecho de LT que permanece energizado quando a chave isoladora da LT estiver aberta e seus disjuntores fechados; f) No caso da utilização da função diferencial (87L), os sistemas de proteção devem possuir sincronização de tempo. Os sistemas de proteção principal e alternada devem ser capazes de detectar faltas entre fases e entre fases e terra para 100% da extensão da LT protegida, sem retardo de tempo intencional, e possibilitar efetiva proteção de retaguarda para a LT protegida e para o barramento remoto, mantida a coordenação com as proteções dos componentes adjacentes. Quando de defeitos sólidos e sem ocorrência de falha de disjuntor, o tempo total de eliminação de faltas, que inclui o tempo de abertura dos disjuntores de todos os terminais da LT, não deve exceder a 100 milissegundos. Esquemas de religamento automático (ONS, 2020b): As LT devem ser dotadas de esquema para religamento automático tripolar e monopolar. Os esquemas de religamento automático devem atender à seguinte filosofia: a) Prover facilidades (por meio de chave seletora ou do sistema de controle) para colocação ou retirada de serviço do religamento automático; b) Para as funções de religamento monopolar e tripolar: ter ajustes independentes para o tempo morto; c) Uma vez iniciado um determinado ciclo de religamento, somente ser permitido um novo ciclo depois de decorrido um tempo mínimo ajustável, que se inicia com a abertura do disjuntor;
2.2.2 Requisitos mínimos para registro de perturbações
De acordo com ONS (2020b) no submódulo 2.11, em toda a instalação que compõe a rede básica de transmissão deve estar prevista a existência de registradores de perturbação (RDP) com canais analógicos e digitais para realizar o monitoramento e registro de possíveis distúrbios. Requisitos gerais para terminais de LT (ONS, 2020b): As seguintes grandezas analógicas devem ser supervisionadas: a) Três correntes da LT (três fases ou duas fases e corrente residual); b) Três tensões da LT (três fases ou duas fases e tensão residual).
Os seguintes sinais digitais devem ser supervisionados pelos sistemas de proteção principal e alternada: a) Atuação de cada função de proteção que comanda o disparo dos disjuntores; b) Atuação de cada função de proteção associada aos esquemas de teleproteção; c) Recepção e transmissão de sinal de transferência direta de disparo; d) Recepção e transmissão de sinais de teleproteção; e) Atuação de bloqueio por oscilação de potência; f) Atuação de religamento automático; g) Atuação do esquema de falha de disjuntor; h) Desligamento pela proteção de perda de sincronismo. Os registros devem ser realizados para as seguintes condições: a) Alteração do estado de canal digital; b) Sobrecorrente nas fases monitoradas; c) Sobrecorrente residual; d) Subtensão nas fases monitoradas; e) Sobretensão residual.
2.3 Distúrbios elétricos transitórios em linhas de transmissão
Os sistemas elétricos de potência operam a maior parte do tempo em regime permanente, devendo, no entanto, ser projetados para suportar as piores situações a que podem ser submetidos. Estes eventos extremos geralmente são produzidos durante acontecimentos transitórios do sistema. Nos sistemas elétricos, os transitórios podem ocorrer por várias razões e podem gerar sobrecorrente, formas de ondas anormais e transitórios eletromecânicos. Em geral, um evento qualquer poderá ocorrer dando origem à anormalidade (D’AJUZ et al ., 1987). Entretanto, na maioria dos estudos, alguns destes efeitos são mais relevantes. Principalmente quando se trata de descargas atmosféricas, é conveniente analisar os fenômenos transitórios (D’AJUZ et al ., 1987): Sobretensões As características elétricas dos equipamentos são determinadas pelas sobretensões a que estarão submetidos. Estas sobretensões podem ser causadas por fenômenos de alta frequência