Caso 3: Gerador de 22,5 MVA conectado em 88 kV

O terceiro caso apresenta um gerador síncrono distribuído a vapor de 22,5 MVA

conectado diretamente na rede de distribuição em 88 kV, conforme Figura 4.22. A

simulação consistiu na variação da carga conectada na linha de subtransmissão para

se verificar o tempo de detecção de ilhamento para cada umas das funções de

proteção discutidas neste trabalho. O ilhamento é provocado intencionalmente, com a

abertura do disjuntor 52-S1. Este sistema é um caso real de uma instalação de

cogeração com exportação do excedente conectado no sistema CPFL/CTEEP em 88

kV na cidade de Cubatão/SP. Os dados do gerador estão apresentados na Tabela

4.15.

Figura 4.22: Caso 3 - GD de 22,5 MVA conectado em 88 kV

Sistema Eq. 1

52-S1

88 kV

Scc=1000 MVA

X/R=5

GD

22,5 MVA

13,2 kV

52-GD

TR1

88/13,2kV

Linha 1

15 km

Linha 2

15 km

Carga

1,25 a 20 MVA

FP = 0,92

Fonte: Próprio autor

Tabela 4.15: Caso 3 - Dados do Gerador de 22,5 MVA

Parâmetro Dado

Potência nominal 22,5 MVA

Tensão nominal 13,2 kV

Reatância síncrona de eixo direto (Xd) 159%

Reatância transitória de eixo direto (X’d) 26%

Reatância subtransitória de eixo direto (X”d) 21%

Reatância síncrona de eixo em quadratura (Xq) 137,2%

Reatância subtransitória de eixo em quadratura (X”q) 11,8%

Constante trans. de eixo direto em curto-circuito (T’d) 5,5 s

Constante subtransitória de eixo direto em curto-circuito (T”d) 50 ms

Constante trans. de eixo em quadratura em curto-circuito (T’q) 1,25 s

Constante subtransitória de eixo em quadratura em

curto-circuito (T”q)

180 ms

Constante de inércia H 1,5 s

Número de polos 2

Rotação nominal 1800 rpm

A Figura 4.23 apresenta o sistema de proteção da GD instalada em 88 kV, onde

as funções de proteção analisadas para a detecção do ilhamento foram o relé de sub

e sobrefrequência (ANSI 81 o/u), ROCOF ou df/dt, salto de vetor (ANSI 78) e direcional

de potência reativa (ANSI 32Q). Os ajustes destas proteções estão apresentados na

Tabela 4.16. O gerador foi simulado considerando potência ativa nominal e potência

reativa nula.

Figura 4.23: Caso 3 - Sistema de Proteção da GD 22,5 MVA conectada em 88 kV

GD

22,5 MVA

13,2 kV

TR1

88/13,2kV

3xTC

3xTP

52-GD

Relé de Proteção 81u 81o 27 df/dt 78 59N 67 21 32Q

Rede de Distribuição

Fonte: Próprio autor

Como critério de avaliação, foi considerado 500 ms como tempo limite para a

detecção do ilhamento. Este valor foi escolhido baseado no tempo usual das

concessionárias de energia no Brasil que utilizam 500 ms como o tempo morto para a

primeira tentativa de religamento do alimentador.

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 seguindo recomendações de Jenkins et al.

(2000) que sugere ajuste de 6° para redes com fonte forte (alta 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 0,97 a 0,99 indutivo, o que

resulta em uma potência reativa de 1,058, 1,492 e 1,823 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 4.16.

Tabela 4.16: Caso 3 - Ajustes de Proteção

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 4° / 6° / 8°

Temporização 100 ms

Direcional de Potência Reativa – ANSI 32Q

Potência reativa máxima por fase 1,058 / 1,492 / 1,823 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 10,7%, conforme

Tabela 4.17. O desempenho do relé pode ser observado nas Figuras 4.24 e 4.25.

Tabela 4.17: Caso 3 - 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

C

P

G

< P

C

P

G

> P

C

P

G

< P

C

P

G

> P

C

P

G

< P

C

0,92 10,7% 19,69% 17,73% 28,48% 24,14% 37,77%

1,00 16,25% 10,05% 22,03% 17,48% 27,41% 24,92%

Como os estudos de caso anteriores, o relé de frequência apresentou limitações

na detecção de ilhamento, não atuando para pequenos desbalanços de potência ativa.

O fator de potência da carga afetou o comportamento deste relé, fazendo diminuir sua

eficiência quando a carga se torna mais indutiva na situação de déficit de geração.

Por outro lado, a eficiência do relé de frequência melhora quando há excesso de

geração. Observa-se também que o impacto do fator de potência da carga é mais

acentuado para a situação de déficit de geração, pois a tendência quando há

sobrecarga é de subtensão na rede, o que provoca uma diminuição na potência ativa

absorvida pela carga na proporção (V/V

0

)

²

. Neste cenário, a sobrecarga diminui e o

desbalanço de potência também, piorando o desempenho do relé de frequência.

Figura 4.24: Caso 3 - Tempo de atuação da proteção ANSI 81 o/u versusΔP: carga tipo impedância

constante com excesso de geração (P

G

> P

C

)

Figura 4.25: Caso 3 - 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 apresentou tempos de detecção de ilhamento dentro do limite

estabelecido de 500 ms para desbalanços de potência a partir de 8,09%, conforme

Tabela 4.18. O desempenho do relé é apresentado nas Figuras 4.26 e 4.27. Assim

como os demais casos, o relé de taxa de variação de frequência teve limitações para

detecção de ilhamentos para pequenos desbalanços de potência, porém, obteve

resultados ligeiramente melhores que o relé de frequência, conforme explicado no

estudo de caso 1.

Tabela 4.18: Caso 3 - 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

C

P

G

< P

C

P

G

> P

C

P

G

< P

C

P

G

> P

C

P

G

< P

C

0,92 8,09% 12,32% 8,23% 27,32% 13,23% 32,32%

1,00 12,88% 7,55% 18% 7,59% 23,03% 12,66%

Figura 4.26: Caso 3 - Tempo de atuação da proteção ROCOF versusΔP: carga tipo impedância

constante com excesso de geração (P

G

> P

C

)

Figura 4.27: Caso 3 - Tempo de atuação da proteção ROCOF versusΔP: carga tipo impedância

constante com déficit de geração (P

G

< P

C

)

O relé salto de vetor apresentou limitação na detecção de ilhamento a partir de

5,78%, conforme Tabela 4.19. O desempenho do relé nas condições de excesso e

déficit de geração está apresentado nas Tabelas 4.28 e 4.29.

Assim como sugerido por Jenkins et al. (2000) e Vieira (2006), o ajuste do relé

salto de vetor deve ser de 6° para redes fortes (alta potência de curto-circuito) e de

12° para redes fracas (baixa potência de curto-circuito). No caso 1 os ajustes testados

foram de 8, 10 e 12° e no caso 2 os ajustes testados foram de 6, 8 e 10° e a resposta

do relé salto de vetor foi satisfatória para desbalanços na ordem de 10 a 15%. Os

Tabela 4.19: Caso 3 - 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 4° Ajuste em 6° Ajuste em 8°

P

G

> P

C

P

G

< P

C

P

G

> P

C

P

G

< P

C

P

G

> P

C

P

G

< P

C

0,92 5,78% 14,18% 10,22 _{19,45% 15,14% 24,37%}

1,00 12,17% 5,38% 15,8% 9,48% 19,76% 14,29%

Figura 4.28: Caso 3 - Tempo de atuação da proteção salto de vetor versusΔP: carga tipo impedância

constante com excesso de geração (P

G

> P

C

)

Figura 4.29: Caso 3 - Tempo de atuação da proteção salto de vetor versusΔP: carga tipo impedância

constante com déficit de geração (P

G

< P

C

)

maior constante de inércia e uma maior potência nominal. Para se alcançar este

desempenho, no estudo de caso 3, onde a potência de curto-circuito é 10 vezes maior

que a dos casos 1 e 2, os ajustes do relé tiveram que ser de 4, 6 e 8°. Logo, o estudo

de caso 3 comprovou esta afirmação.

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 medida que o fator de potência da

carga se torna mais indutivo, conforme Figura 4.28. Já para a condição de déficit de

geração, o desempenho piora à medida que o fator de potência se torna mais indutivo,

conforme Figura 4.29.

Conforme os casos 1 e 2, o relé direcional de potência reativa (ANSI 32Q) para

o caso 3 apresentou um desempenho muito favorável à 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 4.30 é apresentado

o seu desempenho para cargas com fator de potência 0,92 indutivo.

Tabela 4.20: Caso 3 - Limites de desbalanços de potência para detecção de ilhamento em 500 ms

pela proteção direcional de potência reativa com excesso de geração

Limites de desbalanço de potência para detecção de ilhamento

FP da

carga

Ajuste em 1,058 MVAr Ajuste em 1,492 MVAr Ajuste em 1,823 MVAr

0,92 37,55% 22,57% 7,56%

Conforme a Figura 4.30, 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 a partir de 7,46%. Os limites encontrados estão apresentados na

Tabela 4.20, onde são representados somente os limites com excesso de geração,

pois no relé 32 atua para qualquer desbalanço na situação de déficit de geração.

Figura 4.30: Caso 3 - 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 0,97, 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 3 estão conforme Tabela 4.21. 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 4.21: Caso 3 - 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 6°

Temporização 100 ms

Direcional de Potência Reativa – ANSI 32Q

Potência reativa máxima por fase 1,492 MVAr

Temporização 100 ms

Direcionalidade Direta (Exportação)

O gerador distribuído do estudo de caso 3 terá uma limitação na detecção de

ilhamento para cargas com fator de potência unitário para desbalanços de potência

inferiores a 11,63% para a condição de excesso de geração e 11,56% para déficit de

geração, conforme Tabela 4.22. Porém, para cargas com fator de potência mais

indutivo, a tendência é de garantia de detecção de ilhamento para qualquer

desbalanço de potência ativa. Quanto mais indutiva a carga, maiores são as chances

de desconexão da GD, conforme pode ser observado na Figura 4.31.

Assim como nos estudos de caso 1 e 2, as sugestões para garantia de

desconexão da GD para ilhamentos são as mesmas. Quando o ilhamento for

provocado por uma interrupção proposital no fornecimento de energia, para

manutenção, por exemplo, agendar o desligamento e fazer a vistoria in loco pode ser

uma alternativa que não gera custos de implantação, porém, um pouco inconveniente

Tabela 4.22: Caso 3 - 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

C

P

G

< P

C

0,92 0% 0%

1,00 11,56% 11,63%

Figura 4.31: Caso 3 - Tempo de atuação do sistema de proteção completo versusΔP: carga tipo

impedância constante e fator de potência 1 e 0,92

caso a penetração de GD no sistema for grande. O uso de meios de comunicação

para envio de TDD é a solução mais eficiente, porém, de maior custo. Quando o

ilhamento é provocado por uma falta no sistema, a instalação de um relé de verificação

de sincronismo na saída do alimentador que atende a GD elimina a possibilidade do

circuito ser religado fora de fase com a GD. Esta solução gera custos adicionais, mas

que são acessíveis. Ainda, o aumento do tempo morto do primeiro ciclo de religamento

por parte da concessionária também é uma possibilidade que ajuda na garantia de

detecção de ilhamento da GD. Contudo, a concessionária de energia deve concordar

com a alteração visto que o tempo de restabelecimento da energia para os

consumidores aumenta, o que é um ponto negativo nesta solução.

Embora seja possível, a carga agregada apresentar valores de fator de potência

maiores que 0,92 é improvável. Logo, 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.

Capítulo 5 Conclusões e Proposta para Trabalhos

No documento Igor Lopes Mota. Análise de Alternativas de Proteção Anti-Ilhamento de. Geradores Síncronos Distribuídos (páginas 96-108)