Diagrama de LocciImpedâncias e

Filtros Harmônicos da Rede

Transmissão de Energia Elétrica II

Aline Falcão Clareana Rangel Mateus Lopes Figueiredo Vinícius Medina Jéssica VenturaGustavo OggIsrael BatistaLeonardo BernardesEmanuelJosé Nonato

Muniz Professor: Pós-Dsc José Eduardo Telles Villas

INTRODUÇÃO Atualmente o sistema elétrico vem experimentando um aumento da

sua capacidade de geração, transmissão e distribuição. Aliado à isso, vem ocorrendo uma ampliação do número de cargas não lineares, em todos os níveis de fornecimento. A utilização dessas cargas constitui-se numa das maiores preocupações tanto das concessionárias quanto dos consumidores, como também é motivo de constantes problemas para o sistema elétrico como um todo.

Tais cargas conhecidas como “ Não-lineares” ou “ Cargas Elétricas Especiais” provocam distorções de tensão e/ou corrente nas redes elétricas (harmônicos) comprometendo em boa parte dos casos, o perfeito funcionamento do sistema e seus equipamentos.

Sistema Elétrico Nesse circuito está representado os principais componentes no sistema de

transmissão de corrente contínua, sendo eles: geradores, transformadores, linhas de transmissões duplas e simples, conversores e outros.

Modelos Do Gerador Subtransitório

Sequência Positiva:

Onde:

E = tensão em rms antes do CC.

I” = Corrente subtransitória em rms no CC.

 

Modelos Do Gerador Subtransitório

Sequência Negativa:

Onde:

E = I” = Corrente subtransitória em rms no CC.

 

Modelos Do Gerador Subtransitório

Sequência Zero:

Onde:

= Corrente subtransitória em rms no CC.

 

Modelo Do Transformador

Sequência Positiva e Negativa :

Onde:

= Impedância do Transformador.

 

Modelo Do Transformador

Sequência Zero:

Modelos de Linhas de Transmissão O modelo a ser estudado dependerá do tamanho da linha e da precisão que

deseja ter;

Modelo de linha longa => mais preciso, e pode ser utilizado em linhas curtas e médias.

Considerando que a Transmissão de CC é feita através da Linha Longa, deve-se adotar o modelo equivalente. Portanto tem-se a seguinte modelagem:

 

São aquelas com extensão acima de 240 km;

Impedância Característica:

Relação ou parâmetro de certa relevância é a chamada impedância característica da linha (ou Zc):

No caso particular particular de linha ideal, sem perdas, a impedância característica pode ser simplificada por Zo:

Modelos Linha Longa Da L.T.

Chamada também como impedância de surto.

Modelos Linha Longa Da L.T.

Potência Característica

Um bom “termômetro” da capacidade de transmissão de potência em linhas de extra alta tensão é a potência característica da linha.

Esta potência é o carregamento da linha pela impedância de surto (ou característica) considerando uma carga resistiva pura com valor igual a da impedância de surto.

Por simplicidade, a potência característica pode ser expressa da seguinte forma:

Analisando a equação acima, podemos aumentar a capacidade de transmissão aumentando a capacitância, ou diminuindo a indutância.

Vista dos terminais do conversor, a impedância da rede AC, sendo função da frequência, pode ou ser medida ou ser calculada. Contudo, ambos os métodos apresentam certas dificuldades:

Medição

Cálculo

IMPEDANCIA DA REDE

Medição:

§ Deve ser feita com o sistema funcionando e em altas tensões. Visto que a rede AC contem outras fontes de harmônicos, a medição da impedância em frequências harmônicas necessita de uma fonte de harmônicos de alta potencia.

§ Além disso, as medições se aplicam apenas às condições durante as quais foram feitas, não servindo para cenários futuros nos quais o conversor talvez opere.

IMPEDANCIA DA REDE

Cálculo:

• Pode ser executado tanto por um modelo (analisador de rede) quanto por um computador.

• O cálculo pode ser feito para cargas altas e leves, interrupções nas linhas ou outros equipamentos e para condições futuras planejadas. Entretanto, as principais incertezas são provenientes da falta de conhecimento de parâmetros do circuito em frequências harmônicas e do efeito de desbalanceamentos do circuito.

IMPEDANCIA DA REDE

Harmônicos

Uma estação conversora HVDC é um tipo especial de subestação que forma o equipamento final para uma linha de transmissão de corrente contínua em alta tensão.

Ela converte corrente contínua para corrente alternada ou vice-versa.

Estação conversora

Subestação de Ibiúna – Foz do Iguaçu/PR

Harmônicos

Causas das distorções harmônicas

Harmônicos

Efeito das Harmônicas nos principais equipamentos

Harmônicos

Efeito das Harmônicas nos principais equipamentos

Harmônicos

Aceleração do Processo de envelhecimento do dielétrico em Transformadores e Capacitores Estáticos.

Perda de precisão e eventual queima em Transformadores de Medição e medidores

Mau funcionamento da Proteção, Equipamentos de Telecomando e Telecomunicação.

Interferência em Sistemas de Comunicação (Telefonia principalmente) na faixa de Frequência de 100 a 4000 Hz.

Interferência em Equipamentos sensíveis como Computadores, Sensores Voltimétricos, etc. (Circuitos de Sinalização para Tração: 500 Hz).

Instabilidade no Controle do Conversor.

Interferência das distorções harmônicas na linha.

Harmônicos

Ordem dos harmônicos característicos produzidos por um conversor ‘p’ numero de pulso

Formula para harmônicos no lado C.C. = (p)

Formula para harmônicos no lado C.A. ph +-(1)

Ordem dos harmônicos:

1,4,7 sequencia positiva

2,5,8 sequencia negativa

3,6,9 sequencia zero

Harmônicos

O efeito pelicular é o fenómeno responsável pelo aumento da resistência aparente de um condutor elétrico em função do aumento da frequência da corrente elétrica que o percorre.

Este aumento de reatância leva a que a corrente, preferencialmente, se desloque pelo condutor, o que implica uma diminuição da área efetiva do condutor e logo um aumento da sua resistência aparente.

A área pela qual a corrente elétrica com uma determinada frequência se distribui é designada por área aparente, a qual é dependente da frequência.

Efeito Pelicular

Filtros Harmônicos

Filtros harmônicos AC possuem dois propósitos:

1. Reduzir voltagens e correntes harmônicas a níveis aceitáveis na rede AC;

2. Prover toda ou parte da potencia reativa consumida pelo conversor;

Filtros harmônicos DC servem apenas para reduzir os harmônicos na rede DC.

Filtros de harmônicos fabricados pela IESA.

Tipos de Filtros

Filtros em uma estação conversora podem ser classificados de acordo com:

1. Sua localização;

2. A forma como são conectados ao circuito principal; e

3. Exatidão.

1) Localização

Os filtros são localizados tanto do lado AC quanto do lado DC de conversores.

Do lado AC, podem ser conectados tanto ao primário (rede) do transformador do conversor quanto no enrolamento do terciário. Entretanto, os filtros nunca são conectados ao secundário.

Como enrolamentos terciários, caso existam, possuem uma voltagem menor que enrolamentos primários, os filtros tem isolamento para menores frequências e tensões de surto e, portanto, custam menos. Porem, o terciário aumenta o custo do transformador, visto que estes enrolamentos normalmente tem um alto “vazamento” de reatância que forma um ramo em série com todos os filtros shunt e complica a computação de possíveis ressonâncias entre os filtros e a rede AC.

2) Em série ou shuntHarmônicos podem ser:

1. Impedidos de passar do conversor para a rede por uma impedância de alto valor em série;

2. Divergidos por uma impedância de pequeno valor em paralelo com o circuito;

3. Ou ambos.

.O filtro em série devem conduzir a corrente total do circuito principal e possuir isolamento para a maior tensão possível em relação a terra. Já o filtro shunt, pode ser aterrado de um lado e conduzir apenas a corrente de harmônico para a qual ele foi parametrizado mais uma corrente fundamental bem inferior àquela do circuito principal. Dessa forma, o filtro shunt é bem mais barato que o filtro em série de igual eficácia.

.Filtros shunt AC possuem outra vantagem sobre filtros em série visto que, na frequência fundamental, aquele provê a potencia reativa necessária e este a consome.

2) Em série ou shunt

Por essas duas razões, os filtros shunt são usados exclusivamente do lado AC. Do lado DC, o reator DC, que é um elemento em série, constitui todos ou parte dos filtros DC. Esse reator deve suportar uma alta voltagem DC em relação à terra e alta corrente contínua. O resto dos filtros DC, se usados, consistem em ramos shunt.

Filtros AC podem ser conectados em delta mas isso não proporciona vantagens. Dessa forma, a conexão estrela-aterrado é usada.

2) Em série ou shunt

(a) Filtro em série e (b) filtro shunt.

3) Exatidão

São usados dois tipos:

1. Filtro sintonizado (high Q filter): É sintonizado para uma ou duas das baixas frequências de harmônicos, como os de 5ª e 7ª ordens; e

2. Filtro amortecido (low Q filter): Se conectado em shunt, oferece uma baixa impedância para uma grande faixa de frequências incluindo, por exemplo, os harmônicos de ordem 7 e maiores. É chamado também de filtro passa-alta.

3) Exatidão

Filtro sintonizado shunt:

(a) circuito; (b) gráfico de impedância x frequência

3) Exatidão

Filtro amortecido shunt:

(a) circuito;

(b) Gráfico de impedância x frequência

Ressonância

Ressonância é o fenômeno no qual a energia de um sistema capaz de armazenar energia em duas ou mais formas distintas oscila entre essas formas com amplitude máxima;

Nos circuitos elétricos, energia pode ser armazenada na forma de campo elétrico nos capacitores e na forma de campo magnético nos indutores;

Quando se tem harmônicas presentes, corre-se o risco que ocorra ressonância série ou paralela entre os elementos da linha, que não acontecem à frequência fundamental.

Ressonância

Apresenta-se o circuito equivalente simplificado visto a partir do conversor.

Ressonância em Paralelo A partir do circuito em paralelo entre a impedância equivalente do

sistema e o filtro, obtemos a fórmula:

Se o sistema as impedâncias possuírem valores que a soma seja igual a 0, essa impedância tende a ser infinita. Provocando uma sobre tensão.

 

Ressonância em Série Ainda considerando essa impedância total (), se esse valor também

somado a impedância do transformado tiver o resultado de 0, neste momento teremos a ressonância em série.

Em que a partir deste fenômeno, ocorrerá a sobrecorrente no sistema.

 

Ressonância As indutâncias e capacitâncias dos componentes de um sistema

elétrico podem constituir circuitos ressonantes em função de condições particulares de sua operação ou de sua configuração.

Geração

Geração

GeraçãoCurva média de carga brasileira em 24 horas.

Geração

Geração

Diagrama de Locci → Conversora no sistema

Ao colocamos uma estação conversora no sistema, temos injeção de Harmônicos no Sistema, que pode esta do lado AC ou do lado DC.Os harmônicos gerados são:

e ±1

Onde são os harmônicos gerados no lado DC e no la do AC, e p representa o pulso da unidade conversora e q um numero qualquer real, como mostra a tabela

 

Equivalente do sistemaTabela dos harmônicos

Diagrama de Locci → Conversora no sistema

Os harmônicos gerados na unidade conversora no sistema são:

Utilizando uma conversora de 6 pulsos temos as ordens de harmônicos na unidade conversora no lado AC é 6.q+1 para sequencia positiva e 6.q – 1 sequencia negativa.

Plano R vs X Com as ordem de harmônicos gerados temos o plano R vs X, pois cada

ordem de Harmônico gerar um valor de impedância para o sistema.

Plano X vs R

Diagrama de Locci

Neste sistema, com o diagrama a seguir, conseguimos calcular a impedância para cada ponto do diagrama onde é inserido o filtro no sistema.

Equivalente do diagrama de Locci

Impedância calculada para a rede de 220KV em carga máxima

Verificaremos os pontos operacionais onde ocorrem ressonância e os pontos onde ocorrem curto-circuito, no qual a resistência é baixa e ocorre a passagem de todas as componentes harmônicas, fazendo com que a corrente tenha para valores muilo levados.

É possível observar também os pontos onde a linha é predominantemente indutiva e capacitiva.

Impedância calculada para a rede de 220KV em carga máxima.

Diagrama de Locci carga máxima rede 220 KV

Impedância calculada para a rede de 220KV em carga mínima com uma linha desconectada.

Diagrama de Locci carga mínima

rede 220 KV – linha desconectada

Impedância calculada para a rede de 220KV em carga mínima com duas linhas desconectadas. Com duas linhas, vemos que o ponto médio detém maiores valores de

impedância, como é possível observar no diagrama.

Diagrama de Locci carga mínima rede 220 KV – linhas conectadas

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

“Direct Current Transmission”, volume 1; Edward Wilson Kimbark.