Diferentemente do que é proposto em alternativas como o caso das chaves de aterramento rápidas, o ZSBT é inserido em série à linha MCO+, operando juntamente com a linha de transmissão e demais componentes do sistema. Ele é mantido conectado mesmo na condição de operação normal da linha, ou seja, durante seu regime permanente, sem que haja ocorrência de defeitos ao longo da mesma. Dessa forma, não há a necessidade de se realizar chaveamentos para a atuação do ZSBT durante a ocorrência de um defeito.
Neste estudo, foram considerados ZSBTs em ambas as extremidades da linha. O unifilar da modelagem do sistema juntamente com o ZSBT está representada na Figura 5.3.
Figura 5.3 – Representação unifilar do sistema elétrico com ZSBT modelado no RTDS○R.
Fonte – Elaborada pelo autor.
Durante a operação normal do sistema, a corrente de fase passa pelo enro- lamento primário de cada transformador que compõe o ZSBT. Consequentemente, há a energização dos enrolamentos secundários respectivos e a presença de perdas nesse sis- tema. Essas perdas variam de acordo com as características elétricas e construtiva dos transformadores utilizados (LAKA et al., 2013).
A Tabela 5.1 apresenta os parâmetros elétricos utilizados nos modelos dos transformadores ZSBT. Foram testadas 4 alternativas. As relações de transformação entre primário e secundário dos transformadores componentes do ZSBT foram de 13,8 kV do enrolamento em série com a linha MCO+ para 230 kV no lado secundário dos ZSBTs. Essa relação se refere as proporções de tensão entre os enrolamentos primário e secundário do ZSBT. Independente da relação escolhida entre esses enrolamentos, os transformadores devem ser instalados em plataformas isoladas para o nível de tensão do sistema, que nesse estudo é de 1000 kV.
Tabela 5.1 – Parâmetros elétricos utilizados nos modelos dos ZSBTs.
ZSBT Sbase Z 𝑅1 (Ω) 𝑋1 (mH) 𝑅2 (Ω) 𝑋2 (mH)
T1 50 MVA 5 % 0,01904 0,505158 0,529 140,322 T2 50 MVA 10 % 0,01904 1,010316 0,529 280,643 T3 100 MVA 5 % 0,00952 0,252579 0,2645 70,1608 T4 100 MVA 10 % 0,00952 0,505158 0,2645 140,322
Por estar continuamente inserido no sistema elétrico, buscou-se avaliar inici- almente se as características da linha MCO+ seriam afetadas. A Figura 5.4 apresenta os perfis de corrente e tensão ao longo da linha em regime permanente nas simulações realizadas com a inserção do ZSBT T1 nesse sistema. As duas grandezas apresentam o comportamento esperado na linha MCO+, se mantendo próximas ao valor de 1,0 p.u. quando transmitindo potência próxima a 7,6 GW, valor de potência característica da silhueta de linha utilizada no trabalho.
Para avaliar a operação do ZSBT juntamente com a TMO+ foram refeitas as simulações de curto-circuitos monofásicos ao longo da linha MCO+, com realização da abertura monopolar. As figuras que serão apresentadas abaixo trazem os resultados
referentes ao uso do ZSBT T1. As figuras referentes aos demais ZSBTs (T2 a T4) são apresentadas no Apêndice A.1 de forma a simplificar a visualização dos resultados do trabalho. A mesma avaliação realizada nesse capítulo para o ZSBT T1 se aplica ao uso dos demais ZSBTs.
Figura 5.4 – Perfis de tensão e corrente em regime permanente na linha MCO+ com a presença do ZSBT.
As Figuras 5.5 a 5.7 apresentam as formas de onda das simulações realizadas com o ZSBT T1 em série à linha MCO+, para a condição de carregamento de 1, 0𝑃𝑐,
com defeitos em 25%, 50% e 75% do comprimento total da linha de transmissão. Nessas figuras podemos observar as seguintes formas de onda: tensões e correntes no início da linha de meia onda (0000 km), tensões e correntes no final da linha (2600 km), corrente no ponto de falta (I falta) e o estado dos disjuntores nas extremidades da linha.
Figura 5.5 – Abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 25% da linha com ZSBT.
Figura 5.6 – Abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 50% da linha com ZSBT.
Figura 5.7 – Abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 75% da linha com ZSBT.
Consolidando os resultados dos demais pontos de falta, a Figura 5.8 apresenta os resultados obtidos para defeitos ao longo de todo o comprimento da linha MCO+ quanto a verificação dos picos de corrente de curto-circuito no arco primário.
Figura 5.8 – Pico das correntes de falta (arco primário) ao longo da linha para diferentes resistências de falta, com carregamento de 1, 0𝑃𝑐.
Apesar das capacidades dos disjuntores convencionais na abertura das corren- tes de curto-circuito não serem ultrapassadas na linha em meia onda, conforme (GER- TRUDES et al., 2013), a inserção do ZSBT nos terminais da linha apresenta um ganho claro na redução da magnitude das correntes de curto circuito. Os picos das correntes de curto-circuito que nos casos sem o ZSBT atingiam valores entre 7 e 60 kA, Figura 4.6, são reduzidos a valores menores do que 17 kA, Figura 5.8.
No entanto, para consideração do estudo realizado, o efeito mais importante foi o da redução da magnitude da corrente do arco secundário mantido após a abertura dos polos da fase em defeito, observado na Figura 5.9.
Figura 5.9 – Correntes de arco secundário em regime permanente ao longo da linha para diferentes resistências de falta, com carregamento de 1, 0𝑃𝑐.
A presença do ZSBT em série com a TMO+ reduziu a magnitude das cor- rentes de arco secundário para valores inferiores a 60 Aef. O nível de corrente obtido se encontra abaixo dos 75 Aef citados por (GATTA; ILICETO, 1992), valor que os autores consideravam adequados para extinção natural do arco secundário. O ZSBT se mostra, então, uma solução eficaz para viabilizar o uso do religamento monopolar na TMO+.
No entanto, apesar do resultado satisfatório na redução da magnitudes das cor- rentes de arco secundário, registrou-se também o efeito da inserção do ZSBT nas tensões dos terminais da linha. A adição de um novo componente no sistema elétrico, altera as im- pedâncias e admitâncias do mesmo, consequentemente sua resposta frente a perturbações. As Figuras 5.10 a 5.13 apresentam os picos de tensão observados durante a ocorrência das faltas na fase A para diferentes valores de impedância do arco e carregamento de 1, 0𝑃𝑐.
Figura 5.10 – Pico da tensão nos terminais da linha MCO+ na condição de faltas com resistência de 0,01Ω.
Figura 5.11 – Pico da tensão nos terminais da linha MCO+ na condição de faltas com resistência de 1 Ω.
Figura 5.12 – Pico da tensão nos terminais da linha MCO+ na condição de faltas com resistência de 5 Ω.
Figura 5.13 – Pico da tensão nos terminais da linha MCO+ na condição de faltas com resistência de 10 Ω.
As tensões registradas nas simulações, nos terminais da linha, apresentam mag- nitudes elevadas, com picos de mais de 3000 kV para determinados pontos de falta. Deve-se
considerar que estes valores tão elevados de tensão surgem devido à representação usual das linhas de transmissão, quando não é considerada a tensão de disrupção junto das ca- deias de isoladores, por exemplo. Apesar do rompimento do arco ter um forte componente aleatório, quando as tensões aplicadas forem muito superiores às de projeto ocorrerão ar- cos elétricos ao longo da linha. Isto significa que não serão medidas tensões superiores a 3,0 pu ao longo da linha, mas que arcos romperão nos locais onde as sobretensões forem maiores, o que retirará a linha de uma condição crítica de tensão.
Apesar disso, a ocorrência de arcos de forma descontrolada ao longo da linha não deve ocorrer, sendo necessário uma metodologia para mitigar estas sobretensões ele- vadas. Por outro lado, deve-se ter cuidado ao analisar resultados que não são fisicamente plausíveis, como o surgimento de tensões acima de 3 ou 4 pu.
Buscando a redução das magnitudes das tensões, foram adicionados aos sistema modelado componentes representando para-raios de 1000 kV, a Figura 5.14 apresenta o unifilar do sistema. Os para raios têm o papel de limitar os valores de tensão instantânea no sistema elétrico de forma a proteger equipamentos do mesmo. Para isso, foram adicionados nos terminais da linha, para-raios em todas as fases.
Figura 5.14 – Representação unifilar do sistema elétrico com ZSBT e para-raios modelado no RTDS○R.
Fonte – Elaborada pelo autor.
Foram modelados para-raios de 1000 kV genéricos, a partir de dados de fabri- cantes. A tensão de descarga utilizada foi de 1,4 p.u., 1150 kV pico. A corrente de descarga utilizada foi de 10 kA pico e o limite de energia térmica dissipada de 15 kJ por kV.
As Figuras 5.15 a 5.20 apresentam as formas de onda das simulações realizadas com o ZSBT T1 em série à linha MCO+, para a condição de carregamento de 1, 0𝑃𝑐, com
defeitos em 25%, 50% e 75% do comprimento total da linha de transmissão e a inserção dos para-raios de 1000 kV.
Figura 5.15 – Abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 25% da linha com ZSBT.
Figura 5.16 – Corrente e energia dissipada nos para-raios durante abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 25% da linha com ZSBT.
Figura 5.17 – Abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 50% da linha com ZSBT.
Figura 5.18 – Corrente e energia dissipada nos para-raios durante abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 50% da linha com ZSBT.
Figura 5.19 – Abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 75% da linha com ZSBT.
Figura 5.20 – Corrente e energia dissipada nos para-raios durante abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 75% da linha com ZSBT.
As Figuras 5.21 a 5.27 apresentam os resultados consolidados da nova confi- guração para defeitos ao longo de toda a linha MCO+.
Figura 5.21 – Perfis de tensão e corrente em regime permanente na linha MCO+ com a presença do ZSBT e para-raios.
Figura 5.22 – Pico das correntes de falta primária ao longo da linha para diferentes resis- tências de falta, com carregamento de 1, 0𝑃𝑐, com para-raios.
Figura 5.23 – Correntes de arco secundário em regime permanente ao longo da linha para diferentes resistências de falta, com carregamento de 1, 0𝑃𝑐, com para-raios.
Figura 5.24 – Pico da tensão nos terminais da linha MCO+ na condição de faltas primária com resistência de 0,01 Ω, com para-raios.
Figura 5.25 – Pico da tensão nos terminais da linha MCO+ na condição de faltas primá- rias com resistência de 1 Ω, com para-raios.
Figura 5.26 – Pico da tensão nos terminais da linha MCO+ na condição de faltas primá- rias com resistência de 5 Ω, com para-raios.
Figura 5.27 – Pico da tensão nos terminais da linha MCO+ na condição de faltas primá- rias com resistência de 10 Ω, com para-raios.
Conforme esperado, sendo observado na Figura 5.21, a presença de para raios na linha MCO+ não altera os perfis de tensão e corrente em regime permanente, já que não há atuação desses equipamentos para a condição normal de operação da linha.
Já na condição de defeito, a presença dos para-raios auxilia ainda mais no de- sempenho do ZSBT. Com atuação desses, as tensões nos terminais da linha MCO+ ficam limitadas a limites toleráveis pelo sistema elétrico, aproximadamente 1,3 p.u., conforme observado nas Figuras 5.24 a 5.27.
Os picos das correntes de curto circuitos ao longo da linha se reduzem ainda mais, apresentando valores inferiores a 11 kA, Figura 5.22. As magnitudes das correntes de arco secundário que se manteriam após abertura da fase em defeito se limitam a valores inferiores a 35 𝐴𝑒𝑓, Figura 5.23. Com essa magnitude, a probabilidade de extinção do arco
secundário é praticamente 100 %.
Os para-raios simulados, no entanto, acabam tendo seus limites térmicos atin- gidos devido à grande energia a ser absorvida no sistema. Pelo fato do ZSBT agir como um limitador da corrente de curto-circuito, durante a ocorrência de defeito há uma eleva- ção brusca na componente de sequência zero das tensões do sistema, consequentemente, surge uma grande solicitação da capacidade de absorção de energia pelos para-raios. Isso ocorre principalmente nos primeiros momentos da ocorrência do defeito, antes da abertura monopolar do sistema elétrico.
Uma maneira de contornar a situação é a utilização dos ZSBT apenas durante o período de abertura monopolar do sistema em meia onda, quando da ocorrência de um defeito monofásico. Nessa condição, após a identificação da falta monofásica, o sistema de proteção realiza a abertura monopolar da linha MCO+. Em seguida é feita a inserção do ZSBT através da abertura tripolar dos disjuntores que bloqueiam a entrada do ZSBT durante a operação normal do sistema. Essa sequência de eventos é apresentada na Figura 5.28 e na Figura 5.29 é possível observar a nova configuração do sistema.
Figura 5.28 – Sequência de eventos realizados nas simulações.
Fonte – Elaborada pelo autor.
Figura 5.29 – Representação unifilar do sistema elétrico com chaveamento do ZSBT e para-raios modelado no RTDS○R.
Fonte – Elaborada pelo autor.
Nessa nova condição, os ZSBTs ficam curto-circuitados durante a operação normal do sistema, mas seus efeitos só influenciarão no sistema após a abertura dos disjuntores em paralelo com o equipamento (disjuntor de by-pass).
Com essa nova sequência de eventos, as correntes de arco secundário são re- duzidas ao ponto de auto extinção e os limites térmicos dos para-raios não são atingidos durante o defeito. Essas simulações são apresentadas nas Figuras 5.30 a 5.35.
Figura 5.30 – Abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 25% da linha com ZSBT.
Figura 5.31 – Corrente e energia dissipada nos para-raios durante abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 25% da linha com ZSBT.
Figura 5.32 – Abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 50% da linha com ZSBT.
Figura 5.33 – Corrente e energia dissipada nos para-raios durante abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 50% da linha com ZSBT.
Figura 5.34 – Abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 75% da linha com ZSBT.
Figura 5.35 – Corrente e energia dissipada nos para-raios durante abertura monopolar da linha durante falta monofásica na fase A em 75% da linha com ZSBT.
6 Conclusão
A pesquisa sobre a utilização da transmissão de energia elétrica em corrente alternada através da linha de transmissão com pouco mais de meio comprimento de onda tem tido grandes avanços nos últimos anos. A identificação de soluções para as diferentes particularidades da alternativa é um projeto de engenharia extenso e importante. A cada novo problema solucionado se aproxima a condição de implantação da alternativa de transmissão da MCO+ num sistema elétrico como o do Brasil ou da China.
Esta pesquisa de doutorado teve como principal objetivo propor uma solução para uma de suas particularidades, a elevada magnitude da corrente dos arcos secundários durante a abertura monopolar. A redução destas correntes possibilita a aplicação da manobra de religamento monopolar para a eliminação do defeito monofásico, que é o mais frequente a atingir as linhas de transmissão de ultra alta tensão. Consequentemente, a viabilidade do uso desta manobra implica no aumento da continuidade no fornecimento de energia elétrica na linha MCO+, contribuindo para a manutenção da estabilidade do sistema elétrico como um todo.
No decorrer da pesquisa foram avaliadas as características das correntes de curto-circuito monofásicas, tanto na condição de arco primário quanto após a abertura monopolar do sistema, no qual se observa a presença dos arcos secundários. Dentre as principais características, podemos citar:
∙ Correntes de curto-circuito (arco primário) de valor elevado nas extremidades da linha, podendo atingir até seis vezes o valor da corrente de carregamento normal na condição de plena carga;
∙ No trecho central da linha, essas mesmas correntes de curto-circuito apresentam valores similares à corrente na condição de plena carga da linha, fator que dificulta a detecção de faltas por meio de esquemas de proteção convencionais;
∙ As maiores correntes de arco secundário ocorrem no trecho central da MCO+, in- dependente da condição de carga da linha;
∙ As correntes de arco secundário possuem valores elevados no sistema de transmissão em meia onda de 1000 kV estudado, sendo mantidas entre valores de 500 A e 4 kA na condição de plena carga do sistema, e entre 200 A a 1,8 kA na condição da linha em vazio;
∙ Um importante acoplamento indutivo é observado no trecho central da linha devido às correntes que circulam nesse ponto, esse acoplamento influencia diretamente na manutenção das elevadas correntes de arco secundário nesse trecho da linha.
∙ As tensões nas fases sãs apresentam valores muito elevados durante a ocorrência dos defeitos.
Desse modo, é necessário implementar medidas para a redução dos valores de arco secundário e, assim, possibilitar a utilização do religamento monopolar.
A utilização de chaves de aterramento rápido é uma solução já proposta que possibilita a redução da magnitude da corrente do arco secundário em faltas monofásicas na linha de meia onda e, portanto, viabiliza a utilização do religamento monopolar na linha. Observou-se uma redução significativa do valor da corrente do arco secundário com o uso de seis chaves de aterramento distribuídas ao longo da linha, mas o valor de corrente obtido ainda é elevado e impede a auto-extinção do arco secundário. E essa redução pode ser ainda maior utilizando-se um número maior de chaves.
No entanto, o elevado número de equipamentos a serem instalados ao longo da linha reduz a confiabilidade desse sistema. Há uma descaracterização da transmissão ponto a ponto, que consiste numa interligação sem subestações intermediárias. Além disso, todo o conjunto de chaves HSGS deve atuar de forma rápida, de modo a permitir a extinção do arco e o retorno do sistema elétrico à condição normal de operação. Isso exige o desenvolvimento de um sistema de proteção e comunicação robusto, o que pode comprometer a segurança da alternativa.
Desse modo, buscou-se um método de mitigação mais confiável e que mantenha as características desejadas de um sistema com pouco mais de meio comprimento de onda: menor número de equipamentos, robustez do sistema e sistema de transmissão ponto a ponto. Surge então a possibilidade de utilizar o ZSBT (Zero-sequence blocking transformer), que consiste num conjunto de transformadores monofásicos que apresentam uma conexão especial. O ZSBT deve ser instalado em série com a linha em ambos os seus terminais. A principal função deste equipamento é eliminar a componente de sequência zero e suas harmônicas, tanto em regime permanente quanto em transitório.
Esta solução apresentou um bom desempenho para um sistema de potência com a presença da linha MCO+. Como resultado principal, ele promove a redução da magnitude da corrente de arco secundário para valores inferiores a 60 𝐴𝑒𝑓, valor adequado
para promover a auto-extinção de arcos em uma estrutura de 1000 kV.
Avaliou-se a possibilidade de manter o ZSBT durante a operação normal do sistema elétrico, pois o equipamento não altera o comportamento da linha MCO+ em
condições normais de operação. Contudo, durante a ocorrência de falta desequilibrada, como a monofásica, ele eleva demasiadamente as tensões nas fases sãs durante a falta pri- mária. Foi observado que os para-raios localizados nas subestações terminais precisariam ter uma alta capacidade térmica, em princípio superior ao identificado em uso nas linhas de 1000 kV em operação atualmente.
Foi verificada, então, a possibilidade de inserção do ZSBT após a abertura monopolar. O ZSBT ficaria curto-circuitado por um disjuntor que somente iria abrir, conectando o ZSBT em série com a linha, após a abertura monopolar da fase sob falta. Após o religamento com sucesso o disjuntor voltaria a curto-circuitar o ZSBT, removendo- o do circuito até uma futura operação. Desta forma as elevadas sobretensões que surgiam nas fases sãs durante o arco primário foram eliminadas e a magnitude da corrente de arco secundário reduzida para valores baixos o suficiente para permitir o sucesso da manobra de religamento monopolar em linha MCO+. Essa solução se mostrou eficaz, e considerando uma rápida atuação da proteção da linha MCO+, o religamento poderia ser realizado em tempos abaixo de 500 ms, o suficiente para não causar grandes distúrbios ao sistema elétrico.
Desta forma, na presente pesquisa foi desenvolvido um método para mitigar as elevadas correntes de arco secundário que surgem durante a manobra de religamento monopolar na linha MCO+, permitindo que a manobra seja implementada com sucesso.
Perspectivas Futuras
Na presente pesquisa a linha de transmissão foi suposta idealmente transposta. Deve ser verificada a influência da correta representação da transposição na magnitude da corrente de arco secundário.
Apesar da redução importante obtida na magnitude da corrente de arco se- cundário indicar que a manobra de religamento terá alta probabilidade de sucesso, deve