alguns fatores afetando o desempenho de relés de distância

8/14/2019 Alguns Fatores Afetando o Desempenho de Rels de Distncia

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ALGUNS FATORES AFETANDO O DESEMPENHO DE RELS DE

DISTNCIA

Maurcio Macanjo Menezes Lima

DISSERTAO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA

COORDENAO DOS PROGRAMAS DE PS-GRADUAO DE

ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO

DO GRAU DE MESTRE EM CINCIAS EM ENGENHARIA ELTRICA.

Aprovada por:

________________________________________

Prof. Sebastio rcules Melo de Oliveira, D. Sc.

________________________________________

Prof. Antonio Carlos Ferreira, Ph. D.

________________________________________

Prof. Luiz Cera Zanetta, D. Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL

SETEMBRO DE 2006


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LIMA, MAURCIO MACANJO MENEZES

Alguns Fatores Afetando o Desempenho deRels de Distncia [Rio de Janeiro] 2006

XI, 158 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,Engenharia Eltrica, 2006)

Dissertao Universidade Federal do Riode Janeiro, COPPE

1. Proteo de Sistemas Eltricos

2. Transmisso em Corrente Alternada

3. Rels de Proteo

4. Proteo de Distncia

I. COPPE/UFRJ II. Ttulo (srie)

ii


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DEDICATRIA

OFEREO ESTE TRABALHO

A CATERINE EMEU IRMO MARCO

OBRIGADO,

MAURCIO MACANJO

iii


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AGRADECIMENTOS

Agradeo ao orientador da dissertao, Professor Sebastio pela colaborao,

pelo empenho e pelo apoio irrestrito oferecidos durante todo o perodo de realizao dotrabalho de pesquisa. Aos amigos Roberto, Silmar e Erasmo de Furnas pela

colaborao. Agradeo ainda aos amigos do CTRR.O.

iv


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Resumo da Dissertao apresentada COPPE/UFRJ como parte dos requisitos

necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.)

ALGUNS FATORES AFETANDOO DESEMPENHO DE RELS DE DISTNCIA


Setembro/2006

Orientador: Sebastio rcules Melo de Oliveira

Programa: Engenharia Eltrica

Este trabalho apresenta as principais vantagens e desvantagens da aplicao dos

rels de distncia a partir da comparao de suas caractersticas bsicas com as

apresentadas pelos rels de sobrecorrente e diferenciais, no que diz respeito tarefa de

proteo das linhas de transmisso curtas e longas.

Em seguida, so apresentadas as tarefas executadas durante o trabalho de

pesquisa para incorporao da modelagem do sistema de proteo dentro do programa

MATLAB, de forma acoplada ao sistema de transmisso, este com elementos cuja

representao definida atravs de rotinas especficas do prprio programa.

A partir do programa contendo a modelagem do sistema de proteo, foram

feitas diversas simulaes para caracterizao das dificuldades principais que se

apresentam para correta atuao dos rels de distncia e indicadas algumas solues que

permitem a aplicao prtica e confivel deste tipo de proteo.

O desempenho dos algoritmos para filtragem digital so discutidos e a evoluo

da caracterstica de impedncia do rel durante curto-circuitos com e sem resistncia de

arco apresentada no plano R X.

v


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Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

SOME FACTORS AFFECTING THE BEHAVIOR OFDISTANCE RELAYS


September/2006

Advisor: Sebastio rcules Melo de Oliveira

Department: Electrical Engineering

This report presents the main advantages and constraints related to application of

distance relays starting from comparison of their basic characteristics to those presented

by the overcurrent and differential relays, concerning to the task of protection of short

and long transmission lines.

Following, the activities performed during the research work for incorporating

modeling of the protection system inside the MATLAB program are described, in such

a way that the equations are coupled to the transmission system, this last one presenting

elements whose representation is defined by specific program routines.

By running the program incorporating the protection system modeling, severalsimulations were carried out for characterizing the main difficulties for proper distance

relay operation and indicated possible solutions for practical and reliable operation of

this kind of protection.

The behavior of some algorithms for digital filtering is discussed and the

movement of the impedance characteristic as seen by the relay during short circuits with

and without arc resistance are presented in the R X plane.

vi


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PRINCIPAIS SMBOLOS E VARIVEIS

A / D = Analgico / Digital

CA = Corrente Alternada

CC = Corrente Contnua

CCAT = Corrente Contnua em Alta Tenso

CPU = Central Processing Unit

DCP = Divisor de potencial capacitivo

EMTP = Eletromagnetic Transient Program

EPRI = Edson Politechnic Research Institute

EPRI/DCG = EPRI Development Coordinating Group

IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers

MOV = Metal Oxide Varistor

MATLAB = Matrix Laboratory

RTDS = Real Time Digital Simulator

S/H = Sample and Hold

TC = Transformador de corrente

TP = Transformador de potencial

1C = Capacitncia equivalente superior do DCP

2C = Capacitncia equivalente inferior do DCP

FC = Capacitncia do filtro analgico

vii


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21 , FF = Fontes equivalentes para o Sistema de Transmisso CA

Pf = freqncia de corte do filtro de Butterworth (Hz)

Sf = freqncia sncrona (Hz)

1h = Grau de compensao srie do circuito AB de transmisso

2h = Grau de compensao srie do circuito BC de transmisso

excI = Corrente de excitao, ( sp II ' )

mi = Corrente de magnetizao do TC referida ao secundrio

mvi = Corrente de magnetizao do TP referida ao secundrio

Pi = Corrente no enrolamento primrio do TC

PVi = Corrente no enrolamento primrio do TP

'Pi = Corrente rms no primrio do TC referida ao secundrio

'PVi = Corrente no primrio do TP referida ao secundrio

Ri = Corrente de perdas magnticas do TC referida ao secundrio

RVi = Corrente de perdas magnticas do TP referida ao secundrio

Si = Corrente no enrolamento secundrio do TC

SVi = Corrente no enrolamento secundrio do TP

arcol = Comprimento do arco

BVL = Indutncia da carga do transformador de potencial

DL = Indutncia do indutor do divisor capacitivo de potencial

viii


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FL = Indutncia do filtro analgico

mL = Indutncia de magnetizao do transformador de corrente

mvL = Indutncia de magnetizao do transformador de potencial

PL = Indutncia do primrio do TC referida ao secundrio

PVL = Indutncia do primrio do TP referida ao secundrio

SL = Indutncia do enrolamento secundrio do TC

SVL = Indutncia do enrolamento secundrio do TP

321 ,, NNN = Potncia reativa da compensao em derivao do sistema CA

R = Parte resistiva da impedncia vista pelo rel de distncia

adR = Resistncia (adicional) de carga do TC

arcoR = Resistncia de arco

BR = Resistncia do sinal de tenso de sada do TC

BVR = Resistncia de carga do transformador de potencial

DR = Resistncia do indutor do divisor capacitivo de potencial

F

R = Resistncia do filtro analgico

mR = Resistncia de perdas magnticas do transformador de corrente

mvR = Resistncia de perdas magnticas do TP

PR = Resistncia do enrolamento primrio do TC

PVR = Resistncia do enrolamento primrio do TP

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SR = Resistncia do enrolamento secundrio do TC

SVR = Resistncia do enrolamento secundrio do TP

RTC = Relao de transformao do transformador de corrente

RTP = Relao de transformao do transformador de potencial

mv = Tenso induzida pelo fluxo mtuo do TC

mvv = Tenso induzida pelo fluxo mtuo do TP

inv = Tenso de entrada do filtro analgico no canal de corrente

invv = Tenso de entrada do filtro analgico no canal de tenso

outav = Tenso de sada do filtro analgico no canal de corrente

outvv = Tenso de sada do filtro analgico no canal de tenso

Pv0 = Tenso fase-neutro desenvolvida no circuito de transmisso no

ponto de localizao do rel (entrada do DCP)

'0Pv = Tenso referida ao secundrio do TPPv0

Pv = Tenso fase-neutro de sada do divisor capacitivo antes do

indutor do DCP

'Pv = Tenso referida ao secundrio do TPPv

P = freqncia de corte do filtro de Butterworth (rd/s)

S = freqncia sncrona (rd/s)

SUB = freqncia subsncrona (rd/s)

X = Parte indutiva da impedncia vista pelo rel de distncia

x


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1sX e = Reatncias das fontes2sX

xi


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NDICE

1 INTRODUO......................................................................................................11.1 Histrico ................................................................................................................41.2 Objetivo ...............................................................................................................131.3 Estrutura do Texto ...............................................................................................14

2 CARACTERSTICAS ESPECIAIS E AJUSTES DA PROTEO DEDISTNCIA ................................................................................................................16

2.1 Rel de impedncia..............................................................................................182.2 Rel de reatncia..................................................................................................182.3 Rel mho..............................................................................................................192.4 Rel mho com polarizao cruzada .....................................................................20

2.5 Ajuste da primeira zona.......................................................................................222.6 Ajuste da segunda zona .......................................................................................232.7 Ajuste da terceira zona.........................................................................................252.8 Zona reversa e teleproteo .................................................................................25

3 CARACTERSTICAS, VANTAGENS E DESVANTAGENS DAPROTEO DE DISTNCIA ..................................................................................27

3.1 Comparao com outras formas de proteo.......................................................273.2 Proteo de distncia digital ................................................................................28

3.2.1 Filtros digitais (algoritmos) ......................................................................... 313.3 Clculo das malhas (loops) de falta .....................................................................33

3.4 Diagrama R-X......................................................................................................353.5 Efeitos da resistncia de falta e do carregamento................................................363.6 Oscilaes de potncia.........................................................................................413.7 Efeitos devido aplicao de capacitores srie...................................................43

4 O SISTEMA ELTRICO ANALISADO ..........................................................45

4.1 Modelagem do sistema de transmisso................................................................454.1.1 Fontes de tenso........................................................................................... 464.1.2 Transformador ............................................................................................. 464.1.3 Linha de transmisso ................................................................................... 464.1.4 Reatores ....................................................................................................... 474.1.5 Transformador de corrente .......................................................................... 474.1.6 Divisor capacitivo e transformador de potencial......................................... 484.1.7 Filtragem anti-aliasing................................................................................. 49

5 DESEMPENHO DA PROTEO NO SISTEMA ANALISADO..................51

5.1 Desempenho de alguns algoritmos de proteo...................................................525.1.1 Faltas sem componente aperidica decrescente e sem carregamento ......... 535.1.2 Faltas com componente aperidica decrescente.......................................... 565.1.3 Faltas com carregamento na linha ............................................................... 58

5.2 Efeito da resistncia de Falta ...............................................................................635.2.1 Correntes de falta......................................................................................... 755.2.2 Diagrama R-X das impedncias de falta ..................................................... 77

5.3 Efeito do carregamento........................................................................................82

xii


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5.4 Efeito do instante da falta ....................................................................................855.4.1 Componente aperidica decrescente da corrente de falta............................ 855.4.2 Tenses e correntes de falta......................................................................... 865.4.3 Diagrama R-X das impedncias de falta ..................................................... 93

5.5 Efeito da saturao dos TC..................................................................................96

5.6 Efeito das Componentes Subsncronas..............................................................1015.6.1 Falta Fase-terra(AT) .................................................................................. 1025.6.1.1 Tenses e correntes de falta................................................................ 1025.6.1.2 Diagrama R-X das impedncias na falta AT..................................... 109

5.6.2 Falta bifsica (BC)..................................................................................... 1135.6.2.1 Tenses e correntes de falta................................................................ 1135.6.2.2 Diagrama R-X das impedncias na falta BC..................................... 118

5.6.3 Falta bifsica com terra(BCT) ................................................................... 1225.6.3.1 Tenses e correntes de falta................................................................ 1225.6.3.2 Diagrama R-X das impedncias na falta BCT .................................. 127

5.6.4 Falta trifsica(ABC) .................................................................................. 131

5.6.4.1 Tenses e correntes de falta................................................................ 1315.6.4.2 Diagrama R-X das impedncias na falta ABC.................................. 136

5.7 Utilizao da polarizao Cruzada ....................................................................1405.8 Mtodos para ajuste da proteo utilizando o diagrama R-X............................145

5.8.1 Ajuste da primeira zona............................................................................. 148

6 CONCLUSES E SUGESTES......................................................................155

BIBLIOGRAFIA.......................................................................................................156

xiii


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INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

1 INTRODUO

A proteo dos sistemas eltricos de potncia assunto de extrema importncia

e que tem atrado tambm a ateno das concessionrias e instituies de ensino epesquisa desde o incio da operao do primeiro sistema. Para que a operao de um

sistema eltrico se realize de forma apropriada, esquemas de proteo eficientes e

confiveis devem ser especificados. Enquanto consideramos que os componentes do

sistema de potncia tais como, geradores e motores sncronos, transformadores,

circuitos de transmisso, barramentos, capacitores, reatores e outros, so projetados para

operao sob condies normais de tenso, corrente, fluxos de potncia, freqncia,

etc., se, por alguma razo, qualquer destas grandezas se tornar relativamente elevada oureduzida em qualquer parte do sistema, ocorre, no sistema eltrico, o que denominamos

falta. Ento, considerando que o elemento ou elementos envolvidos em tal falta, devem

ser desligados to logo quanto possvel, para evitar danos a estes elementos ou mesmo

que os efeitos da falta se manifestem sob reas maiores do sistema eltrico, sistemas de

proteo devem ser especificados para tal fim.

importante considerar que incorreto avaliar a qualidade de um sistema de

proteo e os benefcios associados sua utilizao simplesmente pelo seu custo. Na

verdade, h ainda a se considerar a reduo evidente de gastos advindos de sua prpria

utilizao, j que os custos dos sistemas de gerao, transmisso e distribuio seriam

muito mais elevados para fazer frente a todos os possveis modos de falta na hiptese de

ausncia dos sistemas de proteo.

Outra vantagem importante da aplicao dos sistemas de proteo que, no

seguimento anormalidade, o elemento sob falta isolado da rede de forma seletiva, oque resulta, normalmente, no restabelecimento do fluxo normal de potncia aos

elementos restantes do sistema eltrico e no retorno a condies normais de operao de

forma extremamente rpida.

Nos primrdios da evoluo da indstria eltrica e dos sistemas eltricos de

potncia, a configurao sistmica bsica era constituda por gerao trmica localizada

prxima aos centros urbanos. Entretanto, em razo do crescimento da demanda para

diferentes fins, incluindo cargas industriais, residenciais, iluminao pblica e

1


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INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

alimentao a reas agrcolas, a necessidade por maiores quantidades de potncia

levaram ao crescimento dos sistemas de distribuio e, ainda, agregao da gerao de

usinas hidrulicas relativamente mais distantes atravs de sistemas de transmisso em

longa distncia. Nos dias atuais, portanto, os sistemas de potncia assumiram

configuraes extremamente complexas, com diversas interligaes para aumento da

confiabilidade de atendimento aos consumidores e envolvendo, desta forma, reas

geogrficas muito amplas. Ao sistema eltrico que inicia nas usinas geradoras de maior

porte e que envolve as longas interligaes entre elas e as grandes subestaes em alta

tenso d-se o nome de sistema de gerao e transmisso e rede que interliga este

sistema s reas urbanas e agrcolas d-se o nome de rede de sub-transmisso. Os

sistemas de distribuio, finalmente, conectam as subestaes atendidas pelas redes de

sub-transmisso aos consumidores, nos diferentes nveis de utilizao da energia

eltrica industrial, comercial e residencial, e s reas agrcolas.

Para tal sistema eltrico complexo, o esquema de proteo a ser adotado deve

apresentar grande sensibilidade, seletividade, eficincia e confiabilidade operativa. Este

esquema inclui os rels de proteo e, ainda, os disjuntores, estes como elementos de

manobra para extino das correntes de curto-circuito e isolamento rpido dos

equipamentos sob falta. Ainda a considerar que progresso constante tem ocorrido comrespeito aplicao da tecnologia numrica baseada em sistemas microprocessados de

grande atratividade para os usurios. Com esta tecnologia, pode-se esperar melhor

qualidade de resposta dos sistemas de proteo mesmo por ocasio de forte saturao

dos transformadores de corrente. Ainda a considerar que o intercmbio de dados digitais

atravs de cabos de fibra tica livres de interferncia viabilizado e tem conduzido a

simplificaes na proteo de cabos e linhas areas em redes urbanas e industriais.

Outra facilidade a possibilidade real de transferncia de dados associados aos sistemas

de proteo atravs das prprias redes digitais de comunicao.

Diversas vantagens importantes da aplicao dos esquemas de proteo

baseados em microprocessadores podem ser ressaltadas:

a possvel ajustar as caractersticas de operao de qualquer funo de proteo em

particular. Isto pode ser efetivado a partir da anlise das necessidades do sistema

eltrico, com o objetivo de prover melhor adaptao das curvas de operao dos rels

s caractersticas do sistema eltrico. Isto no era possvel nos rels eletromecnicos que

2


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INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

possuam caractersticas fixas.

b habilidade para simulao de funes lgicas e soluo de equaes matemticas.

c facilidade de interface com sistemas de comunicao digital.

d capacidade de avaliao de suas prprias condies de operao (auto diagnstico)

atravs de controle da execuo de funes de verificao (em software) de faltas no

prprio hardware.

e grande ganho de confiabilidade em relao aos rels eletromecnicos e estticos

obtido pela utilizao de um nmero menor de componentes, com menores taxas de

falha.

f disponibilidade de uma variedade de funes de proteo que podem ser obtidas

simplesmente por modificaes apropriadas nos algoritmos e com utilizao dos

mesmos componentes.

g imposio de carga muito menor aos transformadores de corrente e de potencial.

h reduo nos custos da proteo sendo obtida em razo dos preos cada vez menores

dos componentes micro-processados, de forma que a maior parcela destes custos j se

localiza nos gastos com desenvolvimento dos programas computacionais necessrios.

Na presente dissertao, o foco colocado na proteo de distncia que permite

proteo contra curto-circuitos em sistemas de transmisso e em sistemas de

distribuio malhados. Enquanto a proteo de distncia clssica especificada no

passado com rels eletromecnicos e estticos ainda est em uso, as novas funes de

proteo de distncia apresentam a mesma filosofia de aplicao mas esto sebeneficiando tambm da tecnologia dos rels micro-processados, com processamento

numrico dos sinais e algoritmos inteligentes de avaliao.

Para permitir a execuo de casos de verificao da operao da proteo de

distncia, algumas rotinas foram implantadas diretamente no ambiente MATLAB para

incorporao da modelagem de um sistema de proteo de distncia, mas considerando

a operao deste sistema de forma acoplada ao sistema de transmisso, este com

elementos cuja representao definida atravs de rotinas especficas do prprio

3


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INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

programa.

A partir do programa contendo a modelagem do sistema de proteo, foram

feitas diversas simulaes para caracterizao da impedncia vista pelos rels de

distncia no plano R X. Com base no resultado destas simulaes so discutidas as

dificuldades principais que se apresentam para correta atuao destes rels e indicadas

algumas solues que permitem a aplicao prtica e confivel deste tipo de proteo.

1.1 HISTRICOA referncia[1] apresenta um novo filtro digital recursivo para clculo das

impedncias a partir de amostras de tenso e corrente obtidas no ponto de localizao da

proteo. A partir de um modelo baseado na composio de sinais do tipo componente

CC amortecida e componentes fundamental e de freqncias harmnicas, um

observador espectral construdo para determinao recursiva dos coeficientes de

Fourier. O algoritmo proposto foi testado utilizando dados de oscilografia do sistema da

empresa Saskatchewan Power e produziu condies confiveis de operao do sistema

de proteo. O desempenho do observador espectral foi melhorado pela especificao

apropriada dos plos do observador, resultando em operao rpida do rel digital. Odesempenho do projeto de proteo com amostras de dados desigualmente espaadas

tambm discutido.

A referncia [2] prope um novo tipo de rel de reatncia de seqncia zero

baseado em microprocessador, adequado a linhas de transmisso curtas. O dispositivo

apresenta no s maior habilidade para tolerar curtos com resistncia de falta, mas

tambm com menor influncia do carregamento da linha. Um novo filtro derivativo de

Fourier foi desenvolvido e que permite eliminar a influncia dos harmnicos de maior

ordem e restringir o efeito da componente CC amortecida em um sistema eltrico. O

autor comenta que baseado em anlise e clculos, o trabalho apresenta um bom projeto

de deteco de falta que pode operar corretamente mesmo que a falta seja seguida por

oscilao eletromecnica no sistema eltrico. Os aspectos de projeto do sistema de

bloqueio da oscilao e do seletor da fase da falta so discutidos, de modo que um

esquema completo de proteo de distncia com um microprocessador de CPU 8086

para linhas de transmisso curtas descrito no trabalho e o diagrama de blocos do

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INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

programa associado apresentado de maneira simples.

Os autores da referncia [3] argumentam que a literatura tcnica apresenta os

conceitos tericos e empricos associados aos efeitos da presena das componentes

harmnicas de tenso e corrente nos sistemas de potncia mas que pouco esforo tem

sido realizado para anlise do efeito da distoro associada das formas de onda sobre o

desempenho dos sistemas de proteo. observado que uma razo importante para esta

omisso que a ampla variedade de princpios de medio utilizados no projeto destes

rels produzem diferentes resultados, de forma que a tarefa se torna difcil. Apesar disto,

o presente artigo apresenta resultados do esforo empreendido para exame dos conceitos

de medio empregados pelos rels eletromecnicos e estticos e pelos rels

microprocessados, descreve os aspectos tericos associados ao efeito dos harmnicossobre o desempenho do sistema de proteo e apresenta confirmao dos resultados com

base em ensaios de laboratrio.

A referncia [4] faz uma anlise do desempenho transitrio dos transformadores

de corrente para proteo incluindo o efeito da histerese do ncleo. Mostra que a

condio de saturao do ncleo dos transformadores de corrente para proteo,

produzido pela componente CC da corrente de falta e pelo efeito de histerese do ncleo

determinando um certo nvel de fluxo residual, pode resultar em correntes de sada

distorcidas. Uma tcnica de simulao digital previamente descrita e que representa

tanto a ao da histerese quanto a ao das correntes parasitas no ncleo do

transformador, utilizada para computar as formas de onda das correntes e as excurses

de fluxo para uma faixa ampla de variao dos parmetros com maior efeito sobre a

corrente de falta. A produo do fluxo residual de ncleo e sua influncia sobre a

corrente secundria do TC tambm examinada. Os efeitos de histerese e das correntes

parasitas so includos diretamente na modelagem, com nfase para os valores elevados

da corrente de falta que, com assimetria elevada, determinam a saturao do ncleo por

dois ou trs ciclos.

A referncia [5] descreve uma tcnica de construo de um filtro digital que

pode calcular efetivamente a impedncia de uma linha de transmisso a partir dos dados

de falta disponveis pelo sistema de proteo digital localizado em um determinado

barramento do sistema. A robustez do mtodo se baseia na eliminao efetiva da

componente unidirecional exponencial e cuja taxa de decaimento includa na

5


19/170

INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

formulao do algoritmo e efetivamente determinada. Os autores mencionam que a

aplicao deste algoritmo permite a eliminao completa das componentes transitrias

no harmnicas dentro de uma banda de freqncias previamente selecionada e que a

resposta em freqncia do algoritmo altamente seletiva quando comparada com outras

tcnicas disponveis. Para atingir esta caracterstica, o comprimento da janela de dados

feito 6,25% maior que o perodo da freqncia fundamental.

Resultados de simulao gerados por um programa de transitrios e dados reais

de oscilografia obtidos em uma subestao de 230 kV so utilizados para a tarefa de

avaliao do desempenho do algoritmo, a partir da comparao contra o algoritmo

bsico de Fourier.

Em [6], Chaudhry e outros descrevem o trabalho realizado para incluso de

modelagem de transformadores de corrente, transformadores de potencial, divisor

capacitivo e rels verso no. 2 EPRI/DCG do programa de transitrios EMTP.

Modelos para representao de rels especficos para proteo de linhas e para

representao da proteo diferencial de transformadores foram tambm desenvolvidos.

Embora o trabalho no fornea detalhes especficos sobre os modelos incorporados,

mostrado que os modelos referidos foram realmente desenvolvidos, validados e

agregados ao EMTP, restando ao usurio, na hiptese de seleo destes modelos, apenas

especificar seus parmetros. Outra caracterstica interessante do programa a

capacidade de compilao de rotinas escritas pelo usurio diretamente em FORTRAN,

de forma que estudos mais importantes podem agora ser conduzidos, o que no era

possvel com verses anteriores do programa EMTP.

Os autores observam que vrios estudos que antes no podiam ser conduzidos,

como por exemplo a anlise da dinmica de interao entre o sistema de proteo e arede, e vice-versa, podem agora ser implementados, contribuindo para a conseqente

melhoria da confiabilidade do sistema de proteo. Uma srie de eventos seqenciais

podem ser simulados, incluindo tanto a operao de rel primrio e seu disjuntor quanto

a operao da proteo de retaguarda e disjuntor associado.

Kezunovic e outros em [7] descrevem o trabalho realizado para implementao

de modelagem do efeito de capacitores srie protegidos por varistores de xido de zinco

(MOV) em simulador em tempo real. Eles concluem que o mtodo proposto para

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INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

representao dos componentes computacionalmente eficiente e que as caractersticas

propostas para o MOV com uma inclinao e trs inclinaes fornecem resultados para

os estudos bem coincidentes com aqueles realizados com o programa EMTP. Eles

concluem ainda que o processo de ajuste da caracterstica do varistor com trs

inclinaes de utilizao mais fcil desde que o processo de ajuste mais direto.

Em [8] os autores ressaltam que a resposta dos rels de distncia digitais a sinais

de entrada ruidosos dependem do processo combinado de filtragem que resulta dos

filtros analgicos passa-baixa anti-aliasing, dos parmetros da filtragem digital e do ps-

processamento da deciso de desligamento. Diferentes algoritmos digitais de filtragem

para proteo de distncia so comparados, com foco nos filtros de Fourier e Walsh.

Estes filtros so cuidadosamente analisados e registrado que os filtros coseno Fourier ecoseno Walsh, ambos de um ciclo, so os que apresentam a melhor capacidade de

rejeio de componentes CC decrescentes, enquanto os filtros seno Fourier e seno

Walsh apresentam maior capacidade para rejeio das componentes amortecidas de alta

freqncia.

Em [9] McLaren e outros registram que com o advento dos rels numricos para

clculo de estimativas dos fasores tenso e correntes na freqncia fundamental,

diversas caractersticas no anteriormente consideradas podem ser implementadas e

agregadas aos sistemas de proteo. A forma e a extenso das zonas de operao no

plano de impedncia podem agora ser escolhidas com muito mais liberdade do que

ocorria no passado, de forma que, no artigo, os autores utilizam a relao entre os

fasores tenso e corrente incrementais de seqncia positiva para decidir sobre a

direcionalidade de atuao da proteo. A impedncia resultante recair sobre o terceiro

quadrante para faltas diretas e sobre o primeiro quadrante em caso de curtos em direo

reversa. O artigo descreve o princpio de operao do novo elemento de proteo,

informa a respeito da integrao do elemento ao sistema de proteo de distncia e

fornece resultados de testes realizados com o rel. Informam ainda que um modelo

offline do rel foi implementado e testado em uma situao complexa envolvendo a

aplicao de compensao srie no sistema de transmisso protegido.

Em [10], Saha e outros descrevem um esquema de proteo de distncia, rpido

e adaptativo, para proteo contra curtos fase-terra e curtos multi-fases para linhas de

transmisso de extra-alta-tenso. Os autores afirmam que o esquema apresenta bom

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INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

desempenho para proteo de linhas compensadas e que novos algoritmos

complementares de ao rpida junto com algoritmos antigos extensivamente testados e

com algoritmos de distncia instalados em sistemas microprocessados resultaram em

um esquema de proteo adaptativo hbrido. Este esquema foi implementado em

plataforma de hardware confivel e com exigncias de comunicao moderadas. Os

autores registram que o esquema confere alta velocidade operao da proteo (menos

que um ciclo) e que foram realizadas verificaes do desempenho dos algoritmos

utilizando a capacidade de simulao do EMTP/ATP e de simulador em tempo real.

Em [11], os autores tratam da questo complexa de proteo de sistemas de

transmisso compensados por capacitores srie e observam que os problemas

conhecidos de inverso de tenso, de inverso de tenso do elemento direcional e deinverso de corrente podem ser resolvidos pelos esquemas de proteo existentes.

Registram ainda que os problemas com transitrios podem ser minimizados atravs da

utilizao de tcnicas de filtragem apropriadas e que a maior dificuldade a ser

contornada pelos rels de distncia quando da aplicao de mtodos convencionais de

deteco de falta a medio do seu alcance. enfatizado que a medio do alcance do

rel de distncia depende do estado do capacitor e da resposta transitria do circuito de

proteo do capacitor, de forma que a compensao efetiva pode ser considerada comofuno da localizao da falta na linha.

Assim, devido capacitncia efetiva varivel ao longo do tempo, os rels de

distncia podem operar incorretamente ou no operar quando chamados para tal. Os

autores registram, entretanto, que novos desenvolvimentos usando a tecnologia dos

microprocessadores permitem a aplicao apropriada das funes de proteo e de

localizao de falta para redes de transmisso com compensao srie e que um novo

mtodo de medio de impedncia em freqncias mltiplas mostra que possvel

detectar se o capacitor est ou no presente no loop de falta.

A referncia [12] trata da questo do deslocamento da corrente de curto pela

componente unidirecional associada ao instante de ocorrncia da falta, ressaltando que o

efeito ocorrer em pelo menos uma das fases do sistema trifsico. A componente CC

referida apresenta um decaimento no tempo dependente da relao X / R do sistema

eltrico e de forma que sua circulao poder resultar em saturao do TC de

alimentao do sistema de proteo. Alm disso, quando a corrente de falta

8


22/170

INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

interrompida, a componente CC resultante pode manter a corrente acima do ajuste de

drop-out do rel por um perodo de tempo dependente da constante de tempo RL do

circuito secundrio do TC. Isto pode resultar no retardo do rearme da funo detetora de

falta do rel. O trabalho discute esse fenmeno e como ele pode afetar a operao dedois tipos de rels operados por corrente.

Kim e outros em [13], utilizando a rotina MODELS do programa EMTP,

apresentam algoritmos de simulao para os sistemas de potncia e para a proteo

digital de distncia em um formato nico e que ajuda a reduzir as tarefas de modelagem

e seleo dos algoritmos, contribuindo para melhor entendimento dos conceitos

fundamentais envolvidos nas tcnicas de proteo disponveis e para o reconhecimento

de que o sistema eltrico e o sistema de proteo no devem ser tratados separadamente

quando analisando-se a aplicao de qualquer algoritmo de proteo digital. Resultados

de casos de simulao dos curtos fase-terra e fase-fase-terra so apresentados, para

diferentes instantes de falta e diferentes localizaes da falta ao longo do sistema de

transmisso.

Na referncia [14] observa-se que nos esquemas digitais de proteo, a

Transformada Discreta de Fourier (TDF) o algoritmo mais largamente usado para

computar a componente de freqncia fundamental. Quando a medio somente contm

esta componente fundamental e componentes de freqncias harmnicas inteiras, a TDF

padro somente necessita da quantidade de dados de um ciclo ps-falta para definio

da componente de freqncia fundamental. Uma das situaes que se afasta amplamente

desta condio ideal diz respeito proteo de sistemas de longa distncia compensados

por capacitores srie. Neste caso, os sinais de tenso e de corrente contm componentes

CC unidirecional amortecida e de freqncia subsncrona de amplitudes relativamente

elevadas durante o intervalo da falta. Estas componentes anmalas envolvidas na

medio podero retardar excessivamente a velocidade de convergncia do algoritmo

TDF padro. Diferentemente de um ciclo ps-falta dos casos ideais, o TDF padro

precisar, neste caso, de cerca de 5 a 10 ciclos ps-falta (para a componente CC) e de 10

a 20 ciclos ps-falta (para a componente subsncrona) para determinar a componente de

freqncia fundamental convergente. A convergncia lenta ir reduzir sensivelmente a

exatido e o tempo de resposta do localizador da falta. Tentando superar as dificuldades

referidas, os autores propem um novo Filtro de Fourier para aplicao proteo de

9


23/170

INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

linhas de transmisso compensadas, com proposta de determinao da amplitude da

componente de freqncia fundamental de forma convergente aps processamento de

uma quantidade de dados de 2 a 3.5 ciclos ps-falta, mesmo quando as componentes

CC e subsncrona estiverem presentes na medio. Os efeitos da resoluo do conversor

A/D e do filtro passa baixa so tambm considerados na pesquisa. Como o algoritmo

proposto efetivamente suprime todas as componentes de freqncias diferentes da

sncrona, no apenas o clculo da componente de freqncia fundamental, mas tambm

os clculos para localizao de falta podem ser realizados de forma muito rpida. Dados

gerados pelo programa EMTP para uma linha de transmisso compensada de 300km,

345kV, foram utilizados para teste do desempenho do algoritmo proposto. Os casos de

teste incluem diferentes tipos e localizaes das faltas, faltas com resistncia de arco,

aplicao das mesmas a diferentes ngulos de fase, etc. Resultados da simulao

indicam que o algoritmo proposto pode atingir at 99,95% de exatido na maioria dos

casos testados.

Saha e outros em [15] apresentam um esquema de proteo de alta velocidade

para curtos monofsicos e multi-fase em linhas de EAT. O esquema utiliza um sistema

de proteo de distncia e uma combinao de algoritmos de ao rpida, de tal forma

que os efeitos da presena eventual de capacitores srie no loop de falta soreconhecidos e utilizados para promover a operao correta da proteo tambm neste

caso. O algoritmo de ao rpida que minimiza o tempo de falta em caso de curto fase-

terra atua em tempo inferior a meio ciclo e apresentado em detalhe no artigo.

mencionado que a proteo pode cobrir at 70% da reatncia total de seqncia positiva

no compensada, isto em situao de resistncia de falta reduzida. A constatao de

resistncias de falta relativamente maiores pode resultar na reduo do alcance da

proteo.

Na referncia [16], os autores apresentam, de forma detalhada, um algoritmo

rpido e robusto para aplicao proteo de linhas de transmisso compensadas por

capacitores srie. O algoritmo definido aplica diferentes tcnicas modernas mas se apia

nas medies de impedncia na freqncia fundamental como nos esquemas clssicos

de proteo.

Diversas simulaes realizadas com apoio do programa EMTP indicam que a

ao do algoritmo bastante confivel, com tempo mdio de operao abaixo de 3/4 do

10


24/170

INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

ciclo da freqncia fundamental. As simulaes indicam ainda que apenas pequenas

modificaes do algoritmo necessitam ser implementadas quando altera-se o grau de

compensao srie e sua localizao. Exemplo de aplicao apresentado para uma

linha de transmisso de 400kV, 300 km, indicando alta velocidade na deteco da falta.

A referncia [17] mostra apresenta um mtodo relativamente complexo para

remoo da componente unidirecional em sinais no-senoidais gerados pelos sistemas

de potncia. observado que na medio digital de potncia e em aplicaes a sistemas

digitais de proteo, alguns sinais indesejveis, tais como componentes CC e outros

sinais no-peridicos com queda exponencial, devem ser filtrados para que se possa

obter grande preciso nas medies de tenso e corrente. Os autores propem um

algoritmo para estimao das amplitudes e ngulos de fase dos sinais de tenso no-senoidais atravs da remoo das componentes CC, empregando uma diferenciao

numrica central com 11 pontos e a Transformada Discreta de Fourier (TDF). A

Transformada Discreta Wavelet de ondulao utilizada para estimar a constante de

tempo de sinais no peridicos e a diferenciao numrica usada para remover as

componentes CC e para estimar as amplitudes e ngulos de fase dos sinais no-

senoidais gerados pelos sistemas eltricos. Os autores argumentam que enquanto alguns

algoritmos tradicionais realizam a extrao da componente senoidal em temporelativamente longo para sinais no senoidais com componentes unidirecionais

exponenciais, os resultados de simulao realizada a partir de um estudo exemplo

realizado em MATLAB demonstram aplicao com preciso e rapidez proteo e

medio digitais, com extrao da componente fundamental realizada em um quarto de

ciclo quando o sinal em exame puramente senoidal e em um ciclo mais um quarto de

ciclo para sinais no senoidais. Como restrio qualidade dos resultados obtidos est o

fato que o sinal proposto definido como uma composio de um sinal constante, mais

uma componente unidirecional exponencial e mais trs senides de amplitudes

constantes e freqncias harmnicas fundamental, de segundo e de terceiro harmnico.

Sinais resultantes da simulao do desempenho transitrio de um sistema eltrico real

no foram analisados no trabalho.

A referncia [18] apresenta um algoritmo rpido para remoo da componente

unidirecional e dos harmnicos das formas de onda dos sinais de entrada de tenso e

corrente dos rels de proteo. observado que nos projetos de proteo de sistemaseltricos, a Transformada Discreta de Fourier para meio Ciclo (HCDFT) se constitui no

11


25/170

INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

algoritmo mais largamente utilizado para determinao rpida da componente de

freqncia fundamental. Entretanto, componentes anmalas sub-harmnicas e

unidirecionais envolvidas nas medies podero retardar o processo de convergncia do

algoritmo padro HCDFT. Para solucionar esta questo e permitir resposta rpida, o

trabalho apresenta um novo algoritmo que combina as caractersticas de um filtro

constritivo band-pass e o HCDFT. Os autores observam que o algoritmo proposto

suprime efetivamente as componentes indesejveis e permite que a determinao da

amplitude e da fase da componente de freqncia fundamental seja feita de forma

precisa e rpida, requerendo, para isso, somente meio ciclo de janela de dados. O

desempenho do algoritmo verificado atravs de diversas simulaes realizadas com

apoio do EMTP.

A referncia [19] apresenta um novo algoritmo de estimao de fasor de meio

ciclo considerando que eles so requeridos para filtrar componentes indesejveis

presentes nos sinais de entrada e para reter somente as componentes de interesse. Dentre

as componentes a serem removidas esto os harmnicos da freqncia fundamental e a

componente CC unidirecional de queda exponencial que afetam sobremaneira a

preciso e a velocidade de convergncia dos algoritmos de clculo de fasor. Este

trabalho apresenta uma nova tcnica que efetivamente remove as componentesharmnicas e a componente unidirecional exponencial presentes nos sinais de entrada,

dentro de meio ciclo da freqncia do sistema eltrico. Isso alcanado por meio de um

simples procedimento de computao utilizando trs tabelas de consulta off-line. O

algoritmo proposto foi testado para uma grande variedade de sinais visando avaliar seu

desempenho. Seu desempenho foi tambm comparado com dois dos mais populares

algoritmos de clculo de fasor para janela de meio ciclo: o algoritmo dos erros mnimos

quadrticos e uma forma do algoritmo de Fourier. Os resultados de testes demonstram

que o algoritmo de proteo proposto tem convergncia mais rpida e maior preciso

quando comparado aos algoritmos acima referidos. Os resultados tambm indicam que

o algoritmo proposto converge para o seu valor final dentro de meio ciclo da freqncia

do sistema eltrico, em comparao aos outros dois algoritmos, os quais levam mais de

meio ciclo para convergirem, quando a componente unidirecional est presente na

entrada.

12


26/170

INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

1.2 OBJETIVOO objetivo deste trabalho apresentar e discutir os principais fatores que afetam

o desempenho de um sistema de proteo de distncia aplicado a linhas de transmisso

vistas como parte integrante dos sistemas de potncia de alta tenso e extra-alta-tenso,com foco nos diversos efeitos que interferem na medio precisa da impedncia das

linhas, desde o ponto de localizao da proteo at o ponto de falta.

Para dar suporte a esta discusso, um sistema de potncia, com modelagem

trifsica equilibrada, em coordenadas de fase, composto por dois circuitos de

transmisso singelos interligados, com equivalentes de curto-circuito em seus terminais,

representado no programa MATLAB a partir da chamada de rotinas especficas

disponveis para representao de cada um de seus elementos. Compensao srie

considerada como parte integrante do sistema de transmisso.

Relativamente ao sistema de proteo de distncia considerado, os mesmos

modelos apresentados em [20] foram utilizados tanto na representao analgica dos

tranasformadores de corrente, dos transformadores de potencial, dos divisores de

potencial capacitivo e dos filtros de Butterworth dos dois canais de tenso e corrente.

Entretanto, diferentemente de [20] onde todo o sistema de proteo foi representado emprograma computacional escrito em linguagem FORTRAN, no presente trabalho a

modelagem do sistema de proteo foi implementada diretamente em ambiente

MATLAB tambm para aproveitar outras facilidade disponibilizadas ao usurio por este

programa.

Assim, enquanto em [20] as simulaes dos diversos tipos de curto-circuito no

sistema de potncia com o programa MATLAB desprezaram o efeito da presena do

sistema de proteo e o consumo de energia a ele associado, sendo as correntes e

tenses desenvolvidas no sistema de potncia obtidas e armazenadas para

processamento posterior das simulaes de desempenho da proteo, no presente

trabalho o acoplamento entre os dois sistemas considerado a partir da representao

conjunta e simulao simultnea do desempenho do sistema global sistema de potncia

+ sistema de proteo.

Em seguida, os fatores mais relevantes que podem perturbar o bom desempenho

do sistema de proteo de distncia so apresentados para, posteriormente, atravs de

13


27/170

INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

um conjunto de simulaes executadas com o programa MATLAB, se realizar a

verificao dos efeitos produzidos. Solues para alguns dos problemas verificados so

indicadas em paralelo com a apresentao dos resultados das simulaes.

1.3 ESTRUTURA DO TEXTOPara apresentar todos os aspectos indicados anteriormente, a dissertao de

mestrado foi organizada em seis captulos.

O captulo 1 apresenta aspectos gerais do assunto proteo de sistemas eltricos,

com nfase em particularidades associadas proteo de distncia. Em seguida,

apresentada uma discusso sobre o contedo de diversos artigos que tratam exatamente

do tema da pesquisa.

No captulo 2 as caractersticas inerentes a algumas funes de distncia

tradicionais so apresentadas juntamente com os ajustes que devem ser fixados sempre

com o intuito de reduzir as margens de subalcance e sobrealcance normalmente

selecionadas em cada uma das zonas de proteo. A questo da operao sob falta na

zona reversa tambm analisada, bem como a necessidade do canal de comunicao

entre os terminais e os benefcios advindos de sua utilizao.

No captulo 3 so apresentadas informaes sobre as caractersticas , vantagens e

desvantagens da proteo de distncia quando comparada proteo tradicional de

sobrecorrente e proteo diferencial, esta ltima sendo considerada unitria, ou seja,

cobrindo toda a extenso do sistema protegido sem qualquer margem de sobre ou

subalcance. Outros efeitos de grande interesse como aqueles relacionados aplicao de

compensao srie e s oscilaes de potncia so tambm discutidos.

O captulo 4 apresenta informaes sobre a modelagem do sistema eltrico

analisado, as ferramentas utilizadas, dificuldades encontradas e a metodologia das

simulaes.

No captulo 5 so apresentados resultados de simulao de diversos casos de

curto-circuito de forma a ressaltar uma srie de dificuldades enfrentadas pela proteo

de distncia e de forma a garantir seu bom funcionamento sob as diferentes condiesapresentadas. O desempenho de alguns algoritmos de proteo avaliado e alguns

14


28/170

INTRODUO__________________________________________________________________________________________________________

efeitos importantes que interferem na avaliao da impedncia vista pelo rel de

proteo, tais como a resistncia de arco, carregamento do sistema de transmisso,

instante de falta, saturao dos transformadores de corrente, presena de componentes

subsncronas e adoo da polarizao cruzada, so discutidos. Comentrios relativos

soluo de tais problemas so tambm apresentados.

Finalmente, o captulo 6 apresenta as concluses finais e enumera sugestes de

temas para trabalhos de pesquisa futuros.

15


29/170

CARACTERSTICAS ESPECIAIS E AJUSTES DA PROTEO DE DISTNCIA__________________________________________________________________________________________________________

2 CARACTERSTICAS ESPECIAIS E AJUSTES DA PROTEODE DISTNCIA

Os rels de distncia so utilizados, de forma geral, para a proteo de sistemasde transmisso e distribuio. A denominao rel de distncia reconhecendo que o

sistema de proteo deve atuar para defeitos dentro do trecho sob proteo quando a

distncia entre o rel e o ponto de falta inferior ao ajuste fixado na parametrizao do

mesmo.

A distncia acima referida , idealmente, para ser medida em termos da

impedncia de seqncia positiva do circuito sob falta, desde o ponto de localizao da

proteo at o ponto de falta, conforme Figura 1,supondo falta slida, sem resistncia

de arco. Pode ser considerado que esta impedncia varia linearmente com a distncia at

o ponto de falta.

Figura 1 - Esquema mostrando a impedncia que deve ser medida para uma falta fase-terra nafase A.

Antes da ocorrncia da falta, a medio de impedncia do sistema de proteo,

dada pela relao entre a tenso e a corrente de sada dos transformadores de potencial e

de corrente fornece valor maior que a impedncia da linha, a diferena refletindo um

DCP

DCPT

C

DCPT

C

TC

A Impedncia medida,atravs dos TC e DCP, proporcional a distncia.

16


30/170


valor de impedncia representativo da carga ou do carregamento do sistema de

transmisso. Com a aplicao da falta envolvendo uma frao da extenso da linha e de

sua impedncia de seqncia positiva, uma impedncia total igual impedncia do

restante da linha somada impedncia de carga curto-circuitada, de forma que a

proteo passa a medir, tambm, a mesma frao da impedncia total de seqncia

positiva da linha. Portanto, se fizermos o rel comparar a impedncia por ele medida

com a impedncia total da linha, uma ordem para abertura de disjuntor pode ser dada

sempre que a impedncia medida pela proteo for inferior impedncia total da linha.

Na verdade, considerando que os sinais aplicados proteo so derivados das sadas

dos enrolamentos secundrios dos transformadores de potencial e de corrente, a

impedncia da linha deve ser refletida, atravs das relaes de transformao destes

instrumentos, a seus enrolamentos secundrios e a seguinte expresso utilizada para

definir a operao ou no do sistema de proteo:

LZ

RTPRTCZIVZ LTCTPR /./


31/170


2.1 REL DE IMPEDNCIAO rel de impedncia opera para valores de impedncia menores que um valor

pr-determinado. O rel de impedncia no direcional uma vez que no distingue a

direo da impedncia e opera para impedncias nos quatro quadrantes, como mostradona Figura 2.

XNo opera

Figura 2 Rel de impedncia

2.2 REL DE REATNCIAO rel de reatncia no direcional e sua rea de operao no diagrama R-X

praticamente infinita, ou seja, suscetvel a operar para condies de carga. Sua maior

virtude a imunidade s resistncias de falta, como pode ser visto na Figura 3 e na

Figura 4.

R

Opera

Z

18


32/170


X

No opera

Opera

R

Figura 3 - Rel de reatncia

X

Resistncia da falta

Figura 4 - Rel de reatncia com alta resistncia de falta

2.3 REL MHOO rel de admitncia naturalmente direcional e abrange uma rea que passa

pela origem e com uma inclinao determinada pela impedncia da linha que se quer

proteger, como mostrado na Figura 5.Algumas alteraes desta caracterstica podem ser

promovidas, entre uma delas uma maior inclinao de maneira a permitir a operao

para maiores resistncias de falta, com mostrado na Figura 6.

R

Z medidoZ Linha X medido

19


33/170


X No opera

Figura 5 - Rel mho

Figura 6 - Rel mho deslocado para acomodar maior resistncia de falta

2.4 REL MHO COM POLARIZAO CRUZADAA caracterstica convencional tipo mho associada proteo de distncia passa

pela origem do diagrama R-X, o que dificulta a operao para faltas nas proximidades

do barramento onde a proteo est localizada, j que tanto para faltas internas como

externas, difcil distinguir a localizao da falta e uma operao indevida pode

acontecer. Quando o rel em exame do tipo eletromecnico, seu conjugado

desenvolvido pode ser insuficiente para resultar na operao da proteo, enquanto quequando a proteo digital, a possvel no operao pode ser atribuda aos erros de

medio da amplitude e fase da componente fundamental, presena agora importante

de outras componentes em freqncias diferentes da fundamental, etc.

J que possvel ainda a operao da proteo para faltas externas prximas

origem do plano R-X (a montante da proteo), necessrio distinguir as faltas internas

das externas com apropriada seletividade.

A polarizao cruzada utiliza um percentual da tenso das fases ss rebatida para

X

R

No opera

Opera

Z Linha

Rfalta

R

Opera

R falta

Z Linha

20


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apresen

Figura 7 Polarizao cruzada da fase A com tenso BCA polarizao cruzada no resolve o problema para faltas trifsicas na origem

devido ao fato de todas as tenses fase-fase e fase-neutro se anularem. Este problema

pode se

verificar o efeito de sua implementao durante as faltas localizadas nas vizinhanas do

ponto d

Loop dfalta

Tenso de entrada Corrente deentrada

Impedncia monitorada

tar o mesmo ngulo de fase que a tenso da fase de falta exibia na condio pr-

falta. Esse efeito de contribuio permite que a impedncia vista fique maior que a real

para faltas internas e bem negativa para faltas externas. Para o caso de uma falta BC na

origem, a unidade de proteo de fase BC pode ter como grandeza utilizada para

polarizao a tenso da fase A ou at a tenso CA, uma vez que estas no se anulam

quando da ocorrncia de uma falta BC. A Figura 7 mostra a polarizao feita para uma

falta AN, onde se utiliza a teso BC.

r resolvido com a aplicao da polarizao cruzada utilizando outras grandezas

que no as tenses fase-neutro ou fase-fase ou mesmo a aplicao de memria pr-falta.

A tabela abaixo apresenta a polarizao que foi utilizada neste trabalho para

e localizao da proteo (incio da linha protegida).

e

va

VbcVa=0

Vbc 0

300

=+

=IkI

VZ

a

aa

Falta no incio da linha (antes oudepois)

Tenses pr-falta

Tenso da fase A com polarizaopela tenso BC

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AN 3

)(V15,085,0 cba

ViV

+

aI

300

3

)(15,0

VViV ba

+85,0

IkIa

c

+

BN 3)(15,085,0 acb VViV +

bI

300

3)(15,085,0

IkI

VViV

b

acb

+

+

CN 3

)(15,085,0 bac

VViV

+

cI

300

3

)(15,085,0

IkI

VViV

c

bac

+

+

AB( )ba iVV 315,085,0

ba II

( )

ba

cba

II

ViVV

315,085,0

BC( )cb iVV 315,085,0

cb II

( )

cb

acb

II

ViVV

315,085,0

CA( )ac iVV 315,085,0

ac II

( )

ac

bac

II

ViVV

315,085,0

Ta la 1 - Loops de falta com polarizao cruzada

2.5 AJUSTE DA PRIMEIRA ZONAdas, a finalidade da proteo de primeira zona

realizar

iado para o terminal

remoto

que o rel

sobreal

be

Para linhas no compensa

proteo instantnea da linha de tal forma que o barramento remoto no seja

alcanado. Na prtica, costuma-se colocar este rel com um alcance da ordem de 80 a

90% da impedncia da linha de maneira que no alcance o barramento remoto quando

das faltas com as maiores resistncias de falta previstas, todos os instantes de falta e

associadas a todos os carregamentos.

Eventualmente, um sinal de transferncia de abertura env

quando h total certeza que a falta foi interna.

Para linhas compensadas, o ajuste de 80 a 90% da linha faz com

cance para faltas aps os capacitores srie. Isso se deve s elevadas

compensaes geralmente implementadas, da ordem de 25 a 75% da linha. Ento, um

ajuste correto deve levar em conta os efeitos do capacitor srie presente no loop de falta,

com margem para englobar o efeito devido aos transitrios da impedncia at seu ponto

22


36/170


final de convergncia, como indicado na Figura 8. Esse transitrio de determinao

muito complexa. A alternativa confiar nos ajustes sugeridos pelos manuais de

fabricante, geralmente pouco elucidativos a respeito das tcnicas e parametrizaes

aplicadas. Pode-se ainda lanar mo de um simulador que tenta retratar o sistema

analisado com todas as velocidades de operao e ajustes dos capacitores srie e

equipamentos envolvidos. Desta maneira, pode ser levantada a caracterstica do rel,

com base em algumas dezenas de simulaes que daro a certeza do comportamento do

rel que se quer ajustar.

No caso estudado, o ajuste implementado na proteo da linha AB localizada em

B pode

ser para faltas at 80%, como antes sugerido. Isso se deve ao fato de no possuir

capacitores srie a jusante.

Figura 8 - Ajuste da primeira zona

2.6 AJUSTE DA SEGUNDA ZONAzona proteger o trecho restante da

linha n

Uma segunda zona geralmente implementada com uma temporizao

intencio

A principal funo dos rels de segunda

o protegida pela primeira zona. Assim, deve-se garantir que os rels de segunda

zona alcancem, em todas as situaes, o barramento remoto.

nal para que haja coordenao das protees em outros terminais e para que o aslinhas ou disjuntores mais prximos ao problema sejam abertos. Ela usada, tambm,

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sem temporizao intencional e em conjunto com o a teleproteo para prover proteo

instantnea para toda a linha. Por confiabilidade, pode ser usado um segundo rel de

mesmo alcance para fazer o papel com a teleproteo.

Faz-se o alcance da segunda zona sempre superior a 110 ou 120% da

impedncia da linha. O limite superior para o alcance da segunda zona dado pelo

trecho de linha adjacente, de tal forma que no haja superposio de alcances, como

pode ser visto na Figura 9, a seguir.

Figura 9 - Proteo de segunda zonaSempre que possvel, coorde ona em srie, conforme

mostra

na-se os rels de segunda z

na Figura 10, abaixo.

Figura 10 Coordenao da proteo de segunda zona para linhas radiais

Esta coordenao, entretanto, s possvel em trechos radiais. Em sistemas em

24


38/170


anis, c

2.7 AJUSTE DA TERCEIRA ZONAtaguarda remota, para o trecho de linha

adjacen

ostuma-se colocar as temporizaes de todos os rels de segunda zona iguais

entre si.

Sua funo realizar a proteo de re

te, conforme mostra na Figura 11, abaixo:

Figura 11 - Proteo de terceira zonaPela Figura 11 v-s cance, na pior situao, o

barram

Uma outra soluo para a realizao de proteo de retaguarda remota instal-

lo no

2.8 ZONA REVERSA E TELEPROTEOmar para a ponta remota que

uma fa

e que se deve garantir que o rel al

ento C. A grande dificuldade deste elemento de proteo o inconveniente sob o

ponto de vista de impedncia equivalente da carga e oscilaes.

no primeiro disjuntor, como mostrado, mas sim no segundo disjuntor da mesma

linha, com a utilizao de um rel de 3 zona reversa. Isto resultar num menor alcance

para o rel de distncia de terceira zona, reduzindo-se assim a tendncia para a operaoem oscilaes e efeitos da proximidade de carga.

A zona reversa empregada quando se quer infor

lta se estabeleceu para fora ou para dentro da linha. Esta informao pode ser

dada na forma de bloqueio, desbloqueio ou permissivo de subalcance, dependendo dafilosofia da proteo. O canal para essa informao pode ser atravs de sistema carrier,

25


39/170


microondas ou fibra ptica.

No caso da proteo de linhas compensadas, muito usada a proteo de

transfer

ncia permissiva de disparo com sobrealcance, dado pela proteo de segunda

e/ou terceira zonas. Neste caso, s acontece a abertura dos terminais com atuao da

segunda ou terceira zona e ao mesmo tempo recepo de sinal de transferncia de

disparo.

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40/170

CARACTERSTICAS, VANTAGENS E DESVANTAGENS DA PROTEO DE DISTNCIA

__________________________________________________________________________________________________________

3 CARACTERSTICAS, VANTAGENS E DESVANTAGENS DAPROTEO DE DISTNCIA

3.1 COMPARAO COM OUTRAS FORMAS DE PROTEOA questo da seletividade, de grande importncia para a proteo de distncia,

considerada resolvida completamente para a proteo diferencial, mas esta apresenta,

ainda, restries quanto extenso do circuito a ser protegido. Mesmo assim, em razo

dos avanos tecnolgicos associados aos sistemas de comunicao digital, aplicaes da

proteo diferencial para circuitos de transmisso at a extenso de 100 km j so

encontradas. Acima desta extenso, entretanto, a proteo de distncia tem presena

praticamente absoluta. A se considerar que enquanto a proteo de distncia lana mo

de duas grandezas diferentes (tenso e corrente) medidas no mesmo ponto eltrico para

viabilizar sua operao, a proteo diferencial utiliza apenas as correntes no incio e no

fim do elemento a ser protegido, o incio e fim do circuito sendo definido pela posio

de seus dos transformadores de corrente. O princpio de operao da proteo

diferencial baseado na formao da diferena entre as duas correntes referidas que

pode ser aplicada a um rel de sobrecorrente que ir operar se esta corrente for maiorque um certo valor de referncia. Desta forma, podemos considerar que a proteo

diferencial pode ser aplicada com absoluta seletividade, apenas atuando para defeitos

dentro da regio limitada pelos transformadores de corrente, se determinadas condies

eltricas forem respeitadas. Problemas de saturao dos TCs resultam, ainda, na

possibilidade de operao incorreta deste tipo de proteo para faltas fora da regio de

proteo, o que tem sido historicamente resolvido pela aplicao da proteo diferencial

percentual. Esta forma de proteo apresenta condies naturais de aplicao proteode geradores, proteo de transformadores, proteo de unidades gerador

transformador e proteo de barramentos, e implementada sem maiores dificuldades

j que os extremos dos enrolamentos a serem protegidos esto no mesmo local. ainda

aplicada a circuitos de transmisso, atualmente at cerca de 25 km utilizando circuitos a

fio piloto e at cerca de 100km, utilizando comunicao digital via fibra tica. Como

questes que so, portanto, resolvidas de forma apropriada pela correta especificao da

proteo diferencial, podemos citar o controle dos efeitos de saturao dostransformadores de corrente e o efeito das correntes capacitivas nas linhas de

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41/170


__________________________________________________________________________________________________________ transmisso que resulta em diferena entre as correntes em seus dois extremos.

Os rels de distncia, por sua vez, so fundamentais para a proteo de sistemas

de transmisso e sistemas de distribuio malhados, agindo como proteo principal

para linhas areas e cabos e como proteo de retaguarda para barramentos,

transformadores e alimentadores. Esta forma de proteo , normalmente, muito mais

seletiva que a proteo de sobrecorrente, apresentandose muito pouco afetada pelas

alteraes nas impedncias de curto-circuito das fontes de tenso equivalentes que

podem ser estabelecidas nos terminais da transmisso sob anlise e pelas condies de

carga no momento da falta. Outra vantagem da proteo de distncia a disponibilidade

da funo de localizao de falta, extremamente importante para permitir retorno mais

rpido operao normal do sistema de transmisso em caso de defeitos permanentes.

Apesar das qualidades acima referidas e exibidas pela proteo de distncia,

alguns fatores importantes devem ser entendidos e seus efeitos controlados para

aplicao confivel desta funo de proteo. Isto discutido nos prximos itens e,

ainda, no captulo 5, atravs da apresentao de resultados de simulao executados

com o apoio do programa MATLAB. As rotinas para representao da proteo foram

todas implantadas no ambiente MATLAB.

3.2 PROTEO DE DISTNCIA DIGITALAs protees de distncia digitais so as nicas utilizadas nos novos projetos de

sistemas de proteo, em razo de inmeras vantagens em relao s protees antigas

eletomecnicas e estticas. Entre elas, podemos citar:

Automonitoramento (autodiagnstico); Deteco e diagnstico de faltas;

Multifuncionalidade;

Melhor explorao do potencial das funes de proteo;

Permitem o desenvolvimento de novas funes e mtodos de proteo;

Compartilham dados atravs de redes de comunicao;

Proporcionam melhor interface homem x mquina;

Adaptao aos requisitos funcionais operativos;

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__________________________________________________________________________________________________________ Transferem e recebem dados;

Os custos esto baixando.

E as desvantagens so:

Vida til reduzida (10 a 15 anos), enquanto as protees convencionais

possuem vida longa (acima de 30 anos);

O hardware dos rels digitais avana rapidamente, tornando-os

obsoletos e sem peas de reposio;

Interferncias eletromagnticas;

A proteo digital de sistemas eltricos de potncia surgiu nas dcadas de 60 e

70, quando vrios pesquisadores desenvolveram diferentes algoritmos para rels de

distncia para proteo de linhas de transmisso. Porm, no foi muito utilizada naquela

poca devido ao alto custo dos processadores de sinal e lentido no processamento

frente s necessidades de alta velocidade. Junto com as vantagens citadas acima e com o

problema de processamento j ultrapassado, as protees digitais se popularizam com

grande rapidez e devem se firmar mais e mais no futuro.

Os recursos utilizados para implementar um rel de distncia consistem nos

comparadores e na disponibilidade dos sinais de tenso e de corrente. As informaes

de corrente e tenso esto disponveis para o rel atravs dos transformadores de

corrente (TC) e dos divisores capacitivos de potencial (DCP) instalados nas

extremidades da linha que se quer proteger.

Os rels de distncia digitais utilizam, geralmente, amostras das formas de onda

de tenso e corrente das fases como parmetros para definir sua operao. Essa

informao chega ao rel de forma analgica e necessita ser tratada por filtros

analgicos para retirar a grande quantidade de harmnicos envolvidos nas formas de

onda durante a falta. Em seguida, o sistema digital seleciona as amostras que sero

utilizadas nos clculos da impedncia vista, como o mnimo de distoro. Para o clculo

da impedncia referida, so utilizados algoritmos digitais que lanam mo das amostras

de tenso e corrente de entrada e so calculados os fasores representativos destas

grandezas que sero utilizados para o clculo das impedncias a cada frao de ciclo de

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__________________________________________________________________________________________________________ onda fundamental, frao esta predefinida pelas velocidades de operao requeridas no

projeto da proteo e pela capacidade de processamento do sinal amostrado.

Neste trabalho o algoritmo de filtragem digital utiliza 16 amostras por ciclo, o

que quer dizer que a cada 161 do perodo fundamental os fasores tenso e corrente

utilizados nos clculos das impedncias so atualizados e o valor da impedncia vista

atualizado. A Figura 12 mostra o tratamento tpico que deve ser dado aos sinais de

entrada para se obter o sinal amostrado, multiplexado e convertido para digital para uso

nos microprocessadores.

Vafiltro

analgico

filtroanalgico

Ia

S / H

S / H

S / H

S / H

S / H

S / H

Ib

Ic

Vb

Vc

MULTIPLEXADOR

conversorA / D

microprocessadores

Figura 12- Hardware Padro para um Sistema de Proteo Digital

Os sinais de tenso e corrente primrios do sistema eltrico da Figura 12 entram

nos transformadores de potencial e de corrente, respectivamente. Os sinal de corrente

dos secundrios dos TCs so convertidos em tenses atravs do uso de uma carga(burden) puramente resistiva, com o sinal de sada sendo obtido dos terminais desta

carga, no caso deste trabalho de 1 , que faz 1A corresponder a 1V. Os sinais entram

em filtros analgicos que retiram os harmnicos de alta freqncia. Os circuitos sample

& hold (S/H), definem de quanto em quanto tempo cada amostra de cada um dos sinais

deve ser tomada, no caso deste trabalho 16 amostras por ciclo. O multiplexador

intercala as amostras de amplitude em um nico sinal que entra no conversar analgico/

digital. Este conversor transforma as amplitudes dos sinais referidos acima em sinais

binrios que sero armazenados no microprocessador e usados para os clculos dos

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__________________________________________________________________________________________________________ fasores de tenso e corrente pelos algoritmos sugeridos, bem como para a definio de

todas as caractersticas de operao e multifuncionalidades.

Existem vrios algoritmos digitais utilizados e sugeridos na literatura para

filtragem e clculo dos fasores de tenso e corrente, mas a grande maioria se baseia na

Transformada Discreta de Fourier (TDF) ou em algumas variantes em torno dela.

Normalmente, os clculos executados por estes algortmos so baseados em um, em

meio e at em um quarto de ciclo. O algoritmo digital de um quarto de ciclo, apesar de

ser mais rpido e operar com menores tempos, exige uma filtragem analgica prvia

mais elaborada para deix-lo livre dos harmnicos que no tem capacidade para filtrar.

Implementar um filtro digital com melhores caractersticas de filtragem muito

mais barato que um analgico. Isto exige uma avaliao das necessidades da proteo,

levando em conta o custo/benefcio e a real necessidade de se ter a operao em tempos

to pequenos. Foi observado que os algortmos de meio e um quarto de ciclo deixam

passar alguns harmnicos e at componentes aperidicos exponenciais, fazendo com

que os fasores calculados oscilem por muitos ciclos prximos ao ponto de impedncia

de falta real, o que prejudica uma proteo que exija que a impedncia correta seja dada

em poucos ciclos.

Este trabalho utilizou trs algoritmos de um ciclo para clculo dos fasores:

Fourier, Coseno e Seno-Coseno. Estes algortmos sero postos prova no captulo 5 e o

Coseno, o melhor entre os trs, foi usado nas investigaes que se seguiram.

3.2.1 FILTROS DIGITAIS (ALGORITMOS)A Figura 13 ilustra as operaes associadas ao algoritmo padro de Fourier para

1 ciclo, com a utilizao de 16 amostras. Uma tabela com 16 pontos da funo seno e 16

pontos da funo coseno formada, para os ngulos , , , , ... , .

A cada instante de observao da janela de amostragem dos pontos (indicados por x) do

sinal em considerao (tenso ou corrente), estas 16 amostras so somadas

algebricamente, depois de ponderadas (multiplicadas) pelos pontos referidos acima das

funes seno e coseno j anteriormente armazenadas na tabela. O instante de aquisio

da ltima amostra considerado como sendo o instante de referncia para os clculos.

Para o prximo instante, uma nova amostra incorporada ao grupo de 16 pontos,

00 05,22 045 05,67 05,337

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__________________________________________________________________________________________________________ enquanto a amostra mais antiga descartada.

O algoritmo de Fourier acumula, portanto, os produtos dos valores das amostras

pela funo coseno em e o produto das amostras pela funo seno em , no

perodo atual de at + T . Em seguida, a amplitude e a fase da componente

fundamental do sinal sob exame so determinadas por:

XV YV

0t 0t

221 YX VVV += )/tan( XYV VVa = (2)

VVV = 11.

(3)

x xx

xx

x

xx

x xx

xx x

x xx

xx

xx

t0

N=16

cossin

T+t0

t =

algoritmo de Fourier

Figura 13 - Amostras e funo seno e coseno para clculos no algoritmo de Fourier de 1 ciclo.Instante atual = Tt +0

A Figura 14 ilustra as operaes associadas a um segundo algoritmo, o

denominado algoritmo coseno para 1 ciclo, com a utilizao de 16 amostras. Este

algoritmo pode ser considerado como uma adaptao do algoritmo de Fourier e que,

portanto, tambm lana mo da tabela mas apenas com os 16 pontos da funo coseno.

Como indicado na Figura 14,as amostras de a0t Tt +0 so combinadas apenas com os

pontos da funo coseno. A combinao das amostras com a funo seno substituda

pela combinao das amostras novamente com os valores da funo coseno, mas com

um detalhe importante. O conjunto de amostras que processado no aquele de a

, mas aquele com um recuo de 90 graus, ou seja, neste caso com um recuo de 4

amostras, de a .

0t

Tt +0

4/0 Tt 4/30 Tt +

32


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__________________________________________________________________________________________________________

33

0O algoritmo Coseno acumula, portanto, os produtos dos valores das amostras t

a pela funo coseno em e o produto das amostras de a

novamente pela funo coseno em . Agora, a amplitude e a fase da

componente fundamental do sinal sob exame so determinadas por:

Tt +0 XV 4/0 Tt

4/30 Tt + YV

221 YX VVV += )/tan( XYV VVa += (4)

VVV = 11.

(5)

x xx

xx

x

xx

x xx

xx x

x xx

xx

xx

t0

T+t0

t =

x xx

xx

x

xx

x xx

xx x

x xx

xx

xx

t0

T+t0

t =

amostraatual K

instanteatual t

amostraK - N

amostraK - N - 4

Algoritmo Coseno N=16

+ 3T/40

t

cos cos sin

amostraK - 4

- T/4t0

Figura 14 - Amostras e funo coseno para clculos no Algoritmo Coseno de 1 ciclo. Instante atual

= Tt +0

No algoritmo Seno, o mesmo procedimento tomado, considerando-se da

mesma forma como no algoritmo de Fourier determinado pelos produtos dos valores das

amostras de a pelos valores armazenados na tabela para a funo seno e os

produtos dos valores das amostras do perodo

YV

0t Tt +0

4/0 Tt a 4/30 Tt + novamente pelos

valores da tabela para a funo seno em .X

V

3.3 CLCULO DAS MALHAS (LOOPS)DE FALTASe acontecer uma falta em um ponto de uma linha de transmisso radial sem

resistncia de falta e se desprezarmos os acoplamentos e capacitncias, as impedncias


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__________________________________________________________________________________________________________ do trecho em falta sero calculadas facilmente para os vrios tipos de falta com o uso

dos circuitos de seqncias nas malhas formadas. Se uma falta desse tipo acontece,

basta se ter acesso s tenses e correntes do terminal e com a devida manipulao se

obtm as impedncias dos trechos sem grandes erros. Existe literatura vasta sobre o

calculo dos loops de falta.

As malhas para cobrir todos os casos de faltas so no total de seis: AN, BN, CN,

AB, BC e CA. Essas malhas de falta so calculadas a partir da barra onde esto

instalados os TCs e DCPs at a localizao da falta, o que engloba uma porcentagem

da linha e, na grande maioria, uma resistncia de falta em srie. Esta resistncia pode

mascarar um pouco a impedncia vista pelo rel e violar uma das premissas: resistncia

zero. Ser visto, logo frente, sua influncia sobre os clculos das impedncias vistas.A 0 abaixo mostra todos os loops que devem ser calculados e monitorados.

Loop de falta Tenso de entradaCorrente de

entradaImpednciamonitorada

AN aV aI 300IkI

V

a

a

+

BN bV bI 300IkI

V

b

b

+

CN cV cI 300IkI

Vc

c

+

AB ba VV ba II ba

ba

II

VV

BC cb VV cb II cb

cb

II

VV

CA ac VV ac II ac

ac

II

VV

Tabela 1 - Valores de tenso e corrente utilizados no clculo das impedncias dos loops de falta e

equaes para clculo das impedncias.

onde,1

10

30 L

LL

Z

ZZk

= (6)

0LZ =Impedncia de seqncia zero da linha

1LZ =Impedncia de seqncia positiva da linha

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__________________________________________________________________________________________________________

cba IIII ++=30 = Corrente residual na barra onde est instalado o rel

3.4 DIAGRAMA R-XAs diferentes impedncias das malhas de falta durante um curto-circuito podem

ser melhor observadas utilizando-se o diagrama R-X da Figura 15. Esse diagrama se

constitui em ferramenta apropriada para anlise das protees de distncia. Com ele,

podem ser apreciados tanto os valores de impedncia estticos quanto

alguns fatores afetando o desempenho de relés de distância

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