Capítulo 4 Estudos de Casos
4.2. Caso 2: Gerador de 9,125 MVA conectado em 34,5 kV
O segundo estudo de caso apresenta um gerador síncrono distribuído à
biomassa (turbina à vapor) com capacidade de 9,125 MVA, gerando em 13,8 kV, com
conexão na rede de distribuição em 34,5 kV da CELG Distribuição por meio de um
transformador elevador 13,8/34,5 kV, conforme Figura 4.12. Este empreendimento
está localizado na cidade de Goianésia, estado de Goiás, e encontra-se atualmente
em operação. Os dados do gerador estão apresentados na Tabela 4.8.
Figura 4.12: Caso 2 - GD de 9,125 MVA conectado em 34,5 kV
SE Goianésia
CELG-D
52-S1
34,5 kV
Scc = 122 MVA
X/R = 3,23 0 a 11 MVACarga
FP = 0,92 a 1
GD – Biomassa
9,125 MVA
13,8 kV
52-GD
TR1
34,5/13,8kV
Linha 2
Carga
2 a 7 MVA
FP = 0,92 a 1
Linha 1
5km 5km
Fonte: Próprio autor
Este gerador síncrono distribuído, instalado em uma usina de álcool e açúcar,
atende as demandas internas do empreendimento e exporta o excedente da energia
elétrica gerada. A carga própria da usina varia de 2 a 7 MVA, dependendo dos
processos industriais em operação. De acordo com informações de Tavares (2015)
1,
a carga instalada deste alimentador de 34,5 kV pode chegar a 11 MVA. Assim, a carga
mínima de um possível sistema ilhado neste alimentador será de 4 MVA e a carga
máxima de 18 MVA. Estes valores de potência representarão para a GD um
desbalanço de potência de -56,16% a +97,26% na base do gerador. Portanto, existe
a possibilidade de ocorrer desbalanços de potência pequenos ou até nulos, o que
torna ilhamentos difícil de detectar.
Tabela 4.8: Caso 2 - Dados do Gerador de 9,125 MVA
Parâmetro Dado
Potência aparente nominal 9,125 MVA
Potência ativa nominal 7,30 MW
Máximo fator de potência 0,80
Tensão nominal 13,8 kV
Reatância síncrona de eixo direto (Xd) 126,2%
Reatância transitória de eixo direto (X’d) 17,2%
Reatância subtransitória de eixo direto (X”d) 12,5%
Reatância síncrona de eixo em quadratura (Xq) 124,6%
Reatância subtransitória de eixo em quadratura (X”q) 16,5%
Constante trans. de eixo direto em curto-circuito (T’d) 1,3201 s
Constante subtransitória de eixo direto em curto-circuito (T”d) 23 ms
Constante de inércia H 2 s
Número de polos 2
Rotação nominal 1800 rpm
A Figura 4.13 apresenta o sistema de proteção aplicado para detecção do
ilhamento no ponto de conexão da GD ao sistema de distribuição. As funções
analisadas foram a de sobre e subfrequência (ANSI 81 o/u), ROCOF (df/dt), salto de
vetor (ANSI 78) e direcional de potência reativa (ANSI 32Q).
Para analisar o desempenho das funções de proteção propostas na detecção de
ilhamento, a carga do sistema de distribuição foi variada de 1,37 a 14,6 MVA, com
cargas tipo impedância constante e fator de potência variando 0,92 indutivo e 1. Tal
faixa de potência escolhida para esta simulação impõe desbalanços na ordem de
±80% à GD, que atende perfeitamente aos objetivos deste trabalho de analisar o
desempenho dos relés de proteção anti-ilhamento. O ilhamento foi provocado pela
abertura do disjuntor 52-S1 no instante 0,1 s de um total de 1 s de simulação. Os
ajustes avaliados estão apresentados na Tabela 4.9. O gerador foi simulado
considerando potência ativa nominal e potência reativa nula.
Figura 4.13: Caso 2 - Sistema de Proteção da GD 9,125 MVA conectada em 34,5kV
GD – Biomassa
9,125 MVA
13,8 kV
TR1
34,5/13,8kV
3xTC
3xTP
52-GD
Relé de Proteção 81u 81o 27 df/ dt 78 59N 32Q 59Rede de Distribuição
Fonte: Próprio autor
Como critério de avaliação, o tempo limite para a detecção do ilhamento foi de
500 ms. Este valor foi escolhido baseado no tempo aplicado por muitas
concessionárias de energia no Brasil que utilizam um tempo morto de 500 ms para a
primeira tentativa de religamento do alimentador (CELG, 2012; CEMIG, 2012; CEMIG,
2013; COPEL, 2013).
Para se analisar o desempenho das funções de proteção na detecção de
ilhamentos, diferentes ajustes foram simulados para que se pudesse observar o
impacto nos tempos de atuação dos relés. A proteção de frequência foi simulada para
atuar em variações de frequência na ordem de 1 a 2 Hz temporizado em 100 ms. O
relé ROCOF foi simulado com ajustes de 1 a 3 Hz/s temporizado em 100 ms. A
proteção de salto de vetor foi simulada com ajustes de 8 a 12° seguindo
recomendações de Jenkins et al. (2000) que sugere ajuste de 8° para redes com fonte
fraca (baixa potência de curto-circuito). Já a proteção direcional de potência reativa foi
simulada para atuar quando o fator de potência de exportação da GD for inferior a
0,98 ou 0,99 indutivo, o que resulta em uma potência reativa de 0,3467 a 0,4941 MVAr
por fase, pois para aplicação deste relé é necessário que o gerador opere com fator
de potência unitário permanentemente. Um resumo dos ajustes é apresentado na
Tabela 4.9.
Tabela 4.9: Caso 2 - Ajustes de proteção definidos
Parâmetro Ajuste
Subfrequência – ANSI 81 u
Frequência de partida 59 / 58,5 / 58 Hz
Temporização 100 ms
Sobrefrequência – ANSI 81 o
Frequência de partida 61 / 61,5 / 62 Hz
Temporização 100 ms
ROCOF – ANSI 81 df/dt
Variação de frequência máxima 1 / 2 / 3 Hz/s
Temporização 100 ms
Salto de Vetor – ANSI 78
Salto vetorial máximo 8° / 10° / 12°
Temporização 100 ms
Direcional de Potência Reativa – ANSI 32Q
Potência reativa máxima por fase 0,3467 / 0,4941 MVAr
Temporização 100 ms
Direcionalidade Direta (Exportação)
O relé de frequência apresentou detecção de ilhamento dentro do limite de
operação de 500 ms para desbalanços de potência ativa a partir de 8,03%, conforme
Tabela 4.10. O desempenho do relé, ajustado conforme Tabela 4.1, pode ser
observado nas Figuras 4.14 e 4.15.
Quando ocorre um ilhamento com excesso de geração (P
G> P
C), o fator de
potência mais indutivo das cargas provoca uma maior queda de tensão na rede de
distribuição, logo, a tensão na carga (V) vai ser menor do que a tensão pré-ilhamento
(V
0), consequentemente, a potência absorvida pela carga (P
C) vai ser menor do que a
potência pré-ilhamento (P
0) numa proporção ao quadrado da variação da tensão (V),
conforme (3.1) e (3.2). Logo, o desbalanço de potência vai ser maior do que o nominal.
Portanto, à medida que o FP das cargas se torna mais indutivo, o desbalanço de
potência e a aceleração da máquina aumentam, fazendo o relé de frequência ter uma
detecção mais eficiente para FP mais indutivo, como pode ser observado na Figura
4.14.
Tabela 4.10: Caso 2 - Limites de desbalanços de potência para detecção de ilhamento em 500 ms
pela proteção de frequência ANSI 81 o/u
Limites de desbalanço de potência para detecção de ilhamento
FP da
carga
Ajuste em ± 1 Hz Ajuste em ± 1,5 Hz Ajuste em ± 2 Hz
P
G> P
CP
G< P
CP
G> P
CP
G< P
CP
G> P
CP
G< P
C0,92 8,03% 39,41% 18,03% 53,81% 28,03% 70,41%
1,00 16,95% 18,17% 24,53% 27,27% 32,61% 36,92%
Figura 4.14: Caso 2 - Tempo de atuação da proteção ANSI 81 o/u versusΔP: carga tipo impedância
constante com excesso de geração (P
G> P
C)
Quando ocorre um ilhamento com déficit de geração (P
G< P
C), o desempenho
do relé de frequência é o contrário, piora à medida que o FP se torna mais indutivo.
Isso ocorre porque a carga real (P
C) é menor quando a tensão na rede (V) é menor,
numa proporção ao quadrado da variação da tensão (V), conforme (3.1) e (3.2). A
medida que o FP das cargas diminui, o desbalanço de potência e a desaceleração
(frenagem) da máquina também diminuem, fazendo o relé de frequência ter uma
detecção menos eficiente para FP mais indutivo, como pode ser observado na Figura
4.15.
Figura 4.15: Caso 2 - Tempo de atuação da proteção ANSI 81 o/u versusΔP: carga tipo impedância
constante com déficit de geração (P
G< P
C)
O relé ROCOF ou df/dt apresentou detecção de ilhamento dentro do limite de
operação de 500 ms para desbalanços de potência ativa a partir de 3%, conforme
Tabela 4.11. O desempenho do relé, ajustado conforme Tabela 4.1, pode ser
observado nas Figuras 4.16 e 4.17 para as condições de excesso e déficit de geração,
respectivamente.
Tabela 4.11: Limites de desbalanços de potência para detecção de ilhamento em 500 ms pela
proteção df/dt
Limites de desbalanço de potência para detecção de ilhamento
FP da
carga
Ajuste em 1 Hz/s Ajuste em 2 Hz/s Ajuste em 3 Hz/s
P
G> P
CP
G< P
CP
G> P
CP
G< P
CP
G> P
CP
G< P
C0,92 3% 18,55% 12,94% 47,71% 17,94% 72,59%
1,00 7,77% 7,84% 12,94% 17,77% 22,81% 22,98%
O comportamento do relé ROCOF é similar ao relé de frequência quanto ao
fator de potência da carga, porém, seu desempenho é melhor. Isso se justifica pela
característica de previsão ou tendência de variação da frequência que o ROCOF
possui. Conforme (2.5), a taxa de variação de frequência muda imediatamente após
Figura 4.16: Caso 2 - Tempo de atuação da proteção ROCOF versusΔP: carga tipo impedância
constante com excesso de geração (P
G> P
C)
Figura 4.17: Caso 2 - Tempo de atuação da proteção ROCOF versusΔP: carga tipo impedância
constante com déficit de geração (P
G< P
C)
o ilhamento conforme o desbalanço de potência ativa (ΔP). Se o ΔP for grande o
suficiente para fazer a taxa df/dt superar o ajuste, o relé dispara um comando de
abertura para o disjuntor. Já o relé de frequência é uma resposta dinâmica no tempo,
que tende a ser mais lenta que o df/dt, conforme (2.3) e (2.4).
As características de detecção de ilhamento da proteção de salto de vetor
(ANSI 78) estão apresentadas nas Figura 4.18 e 4.19. Os resultados apresentaram
detecção de ilhamentos num tempo inferior a 500 ms para desbalanços de potência a
partir de 14,73%, conforme Tabela 4.12. O comportamento do relé de salto de vetor
quanto ao fator de potência da carga foi similar ao do relé de frequência. Para a
condição de excesso de geração, o desempenho do relé de salto de vetor melhora à
Tabela 4.12: Caso 2 - Limites de desbalanços de potência para detecção de ilhamento em 500 ms
pela proteção salto de vetor
Limites de desbalanço de potência para detecção de ilhamento
FP da
carga
Ajuste em 8° Ajuste em 10° Ajuste em 12°
P
G> P
CP
G< P
CP
G> P
CP
G< P
CP
G> P
CP
G< P
C0,92 14,73% 45,41% 21,09% 53,99% 27,6% 62,45%
1,00 20,75% 24,43% 26,6% 29,48% 31,97% 35,76%
Figura 4.18: Caso 2 - Tempo de atuação da proteção salto de vetor versusΔP: carga tipo impedância
constante com excesso de geração (P
G> P
C)
medida que o fator de potência da carga se torna mais indutivo, conforme Figura 4.18.
Já para a condição de déficit de geração, o desempenho piora à medida que o fator
de potência se torna mais indutivo, conforme Figura 4.19.
Figura 4.19: Caso 2 - Tempo de atuação da proteção salto de vetor versusΔP: carga tipo impedância
constante com déficit de geração (P
G< P
C)
O relé direcional de potência reativa (ANSI 32Q) tem um desempenho muito
favorável a detecção de ilhamento somente para os casos onde a carga possui um
fator de potência indutivo. Cargas com fator de potência próximo do unitário fazem o
relé 32Q não atuar independente do desbalanço de potência ativa imposto
pós-ilhamento. Na Figura 4.20 é apresentado o seu desempenho para cargas com fator
de potência 0,92 indutivo.
Conforme a Figura 4.20, quanto mais indutivo for o fator de potência da carga,
melhor será o desempenho do relé direcional de potência reativa. Na condição de
déficit de geração e cargas com fator de potência de 0,92, o relé 32Q atua para
qualquer desbalanço de potência ativa, deixando de atuar somente quando houver
excesso de geração superior a 52,2%, quando o relé for ajustado em 0,3647 MVAr
(fator de potência do gerador de 0,99), ou 35,39%, quando ajustado em 0,4941 MVAr
(fator de potência do gerador de 0,98).
Figura 4.20: Caso 2 - Tempo de atuação da proteção ANSI 32Q versusΔP: carga tipo impedância
constante
O relé 32Q atua conforme sua exportação de potência reativa. Quando há
grandes excessos de geração de potência ativa, a potência reativa consumida
localmente pelas cargas pode não ser suficiente para que o fator de potência de
operação do gerador reduza a valores inferiores a 0,98 ou 0,99 indutivo escolhidos
para atuação da proteção direcional de potência reativa. Assim, quando a potência
reativa das cargas não for superior ao ajuste do relé, a proteção 32Q não atua.
Analisando os desempenhos dos relés de sobre e subfrequência, ROCOF, salto
de vetor e direcional de potência reativa, os ajustes definidos para a proteção da GD
do caso 2 estão conforme Tabela 4.13. Optou-se pelos ajustes de valores
intermediários das simulações realizadas, visto que nenhum relé garantiu a detecção
de ilhamento para qualquer desbalanço de potência. A opção de ajustes mais
rigorosos foi descartada porque, tendo em vista que os geradores de GD geralmente
possuem uma inércia pequena, poderia tornar a operação da GD instável com uma
maior probabilidade de falsas atuações da proteção anti-ilhamento.
Tabela 4.13: Caso 2 - Ajustes de proteção definidos
Parâmetro Ajuste
Subfrequência – ANSI 81 u
Frequência de partida 58,5 Hz
Temporização 100 ms
Sobrefrequência – ANSI 81 o
Frequência de partida 61,5 Hz
Temporização 100 ms
ROCOF – ANSI 81 df/dt
Variação de frequência máxima 2 Hz/s
Temporização 100 ms
Salto de Vetor – ANSI 78
Salto vetorial máximo 8°
Temporização 100 ms
Direcional de Potência Reativa – ANSI 32Q
Potência reativa máxima por fase 0,4941 MVAr
Temporização 100 ms
Direcionalidade Direta (Exportação)
A GD do caso 2 terá uma detecção de ilhamento para desbalanços de potência
ativa inferiores a 17,81% quando houver déficit de geração serão detectados e 12,81%
quando houver excesso de geração, todos para os casos de cargas do tipo
impedância constante e fator de potência unitário. Já para cargas com fator de
potência 0,92, a detecção de ilhamento será efetiva para qualquer desbalanço,
independentemente se há excesso ou déficit de geração por causa do relé 32Q. Os
limites deste estudo de caso estão apresentados na Tabela 4.14. O desempenho da
proteção anti-ilhamento da GD do caso 2 pode ser observado na Figura 4.21.
Tabela 4.14: Caso 2 - Limites de desbalanços de potência para detecção de ilhamento em 500 ms
pelo sistema de proteção completo
Limites de desbalanço de
potência para detecção de
ilhamento
FP da carga P
G> P
CP
G< P
C0,92 0% 0%
1,00 12,81% 17,81%
Neste estudo de caso, observou-se que para cargas com fator de potência
elevado há riscos de não detecção de ilhamentos. Como já exposto, esta GD poderá
ser submetida a desbalanços de potência de -56,16% a +97,26%. Visto que o sistema
de proteção do caso 2 pode não detectar ilhamentos na ordem de 12,81% de
desbalanço de potência conforme Tabela 4.14, pode-se afirmar que problemas
poderão ocorrer e os riscos de um religamento automático fora de fase são reais.
Figura 4.21: Caso 2 - Tempo de atuação do sistema de proteção considerando a sobreposição das
funções 81 o/u, ROCOF, 78 e 32Q versusΔP: carga tipo impedância constante
Se o ilhamento for causado por abertura manual do circuito de distribuição para
manutenção, por exemplo, a GD poderá alimentar continuamente o subsistema
formado. Neste caso, há duas possibilidades de desconexão da GD. A primeira seria
por meio de agendamento de um desligamento onde o agente responsável pela GD
se comprometa a desconectar a usina geradora nos horários programados
devidamente acompanhado por um técnico da concessionária de energia. A segunda
seria a instalação de um sistema de transferência de disparo direto (TDD) por meio
de comunicação via rádio ou GPRS, quando for possível, ou por meio de fibra ótica
com a instalação de cabo OPGW. Esta segunda opção acarretará em aumento nos
custos de implantação.
Para evitar riscos de religamento fora de fase após uma interrupção por falta, a
solução sugerida é a instalação de um relé de verificação de sincronismo (ANSI 25)
para operar em conjunto com o religamento automático. O relé 25 deverá permitir o
religamento para a condição de barra viva – linha morta e barra viva – linha viva para
pequenos desvios de frequência (Δf ≤ 0,05 Hz), módulo (ΔV ≤ 10%) e ângulo da
tensão (Δθ≤ 10°).
Outra alternativa para melhorar o desempenho da detecção de ilhamento é
aumentar o tempo morto do primeiro ciclo de religamento do alimentador de
distribuição da concessionária, o que fará com que as limitações dos relés de detecção
de ilhamento diminuam. Tal procedimento deve ser feito em conjunto com a
concessionária de energia, que é a proprietária e responsável pelo circuito de
distribuição. São conhecidos casos onde foi possível discutir os ajustes da
concessionária para facilitar a detecção de ilhamento e melhorar a segurança
operativa.
Embora seja possível, é improvável encontrar cargas em sistemas de
distribuição com fator de potência superiores a 0,92 indutivo. Logo, para o estudo de
caso 2, a associação das funções de proteção de frequência, ROCOF, salto de vetor
e direcional de potência reativa se apresenta como uma boa solução do ponto de vista
da detecção de ilhamentos de geradores síncronos distribuídos.
No documento
Igor Lopes Mota. Análise de Alternativas de Proteção Anti-Ilhamento de. Geradores Síncronos Distribuídos
(páginas 84-96)