Capítulo 4 Estudos de Casos
4.1. Caso 1: Gerador de 2,25 MVA conectado em 13,8 kV
O primeiro estudo de caso apresenta um gerador síncrono distribuído de uma
PCH com capacidade de 2,25 MVA, gerando em 4,16 kV, com conexão na rede de
distribuição em 13,8 kV da Escelsa por meio de um transformador elevador 13,8/4,16
kV, conforme Figura 4.1. Este empreendimento está localizado na cidade de
Cachoeiro do Itapemirim, estado do Espírito Santo. Os dados do gerador estão
apresentados na Tabela 4.1.
Figura 4.1: Caso 1 - GD de 2,25 MVA conectado em 13,8 kV
SE Cachoeiro
Escelsa
52-S1
13,8 kV
Scc = 100 MVA
X/R = 30 0,45 a 4,05 MVACarga
FP = 0,92 a 1
GD - PCH
2,25 MVA
4,16 kV
52-GD
TR1
13,8 / 4,16 kV
Linha 2
Linha 1
2km 3km
Fonte: Próprio autor
Tabela 4.1: Caso 1 - Dados do Gerador
Parâmetro Dado
Potência aparente nominal 2,81 MVA
Potência ativa nominal 2,25 MW
Máximo fator de potência 0,80
Tensão nominal 4,16 kV
Reatância síncrona de eixo direto (Xd) 131,5%
Reatância transitória de eixo direto (X’d) 10,1%
Reatância subtransitória de eixo direto (X”d) 7,4%
Reatância síncrona de eixo em quadratura (Xq) 75,4%
Reatância subtransitória de eixo em quadratura (X”q) 12,3%
Constante trans. de eixo direto em curto-circuito (T’d) 547 ms
Constante subtransitória de eixo direto em curto-circuito (T”d) 39 ms
Constante de inércia H 1,4 s
Número de polos (2p) 6
Rotação nominal 1200 rpm
A Figura 4.2 apresenta o sistema de proteção da GD instalada em 13,8 kV, onde
as funções de proteção analisadas para a detecção do ilhamento foram o relé de sub
e sobrefrequência (ANSI 81), relé ROCOF (df/dt), salto de vetor (ANSI 78) e direcional
de potência reativa (ANSI 32Q). Os ajustes avaliados estão apresentados na Tabela
4.2.
Para analisar o desempenho das funções de proteção propostas para a detecção
de ilhamento, a carga do sistema de distribuição foi variada de 0,45 MVA a 4,05 MVA,
com cargas tipo impedância constante e fator de potência de 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. O
gerador foi simulado considerando potência ativa nominal e potência reativa nula.
Figura 4.2: Caso 1 - Sistema de Proteção da GD 2,25 MVA conectada em 13,8 kV
GD - PCH
2,25 MVA
4160 V
TR1
13,8/4,16 kV
3xTC
3xTP
52-GD
Relé de Proteção 81u 81o 27 78 59N 32Q 59 df/ dtRede de Distribuição
Fonte: Próprio autor
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 6 a 10° 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
0,97 ou 0,98 indutivo, o que resulta em uma potência reativa de 0,149 a 0,188 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 4.2.
Tabela 4.2: Caso 1 - 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 6° / 8° / 10°
Temporização 100 ms
Direcional de Potência Reativa – ANSI 32Q
Potência reativa máxima por fase 0,149 / 0,188 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 11,58%, conforme
Tabela 4.3. O desempenho do relé pode ser observado na Figura 4.3 para a condição
de excesso de geração e na Figura 4.4 na condição de déficit de geração.
Tabela 4.3: 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
CP
G< P
CP
G> P
CP
G< P
CP
G> P
CP
G< P
C0,92 12,35% 19,97% 19,2% 29% 26,44% 37,98%
1,00 16,47% 11,58% 22,88% 18,64% 29,36% 25,98%
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 fator de potência 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 4.3.
Figura 4.3: Caso 1 - Tempo de atuação da proteção de sobrefrequência 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 do caso com excesso de geração, piora à medida
que o fator de potência se torna mais indutivo. Isso ocorre porque a carga real (P) 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). À medida que o fator de potência 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,
como pode ser observado na Figura 4.4.
Figura 4.4: Caso 1 - Tempo de atuação da proteção de sobrefrequência versusΔP: carga tipo
impedância constante com déficit 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 do caso com excesso de geração, piora à medida
que o fator de potência se torna mais indutivo. Isso ocorre porque a carga real (P) 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). À medida que o fator de potência 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,
como pode ser observado na Figura 4.4.
Na Figura 4.5, este comportamento pode ser observado pelo perfil da frequência
para os casos de excesso e escassez de geração para cargas com fator de potência
0,92 indutivo e 1.
Figura 4.5: Comportamento da frequência em ilhamentos com excesso e déficit de geração para
cargas com fator de potência 0,92 indutivo e 1
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 1,8%, conforme
Tabela 4.4. O desempenho do relé pode ser observado na Figura 4.6 para a condição
de excesso de geração e na Figura 4.6 na condição de déficit de geração.
Tabela 4.4: Caso 1 - 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 12,87% 27,59% 17,8% 27,59% 22,81% 27,59%
1,00 7,81% 1,77% 12,81% 7,81% 17,8% 12,77%
Figura 4.6: Caso 1 - Tempo de atuação da proteção ROCOF versusΔP: carga tipo impedância
constante com excesso de geração (P
G> P
C)
Conforme pode ser observado por meio da equação (2.5), a taxa de variação de
frequência, que indica a tendência de variação da frequência do sistema, é uma
função diretamente proporcional ao ΔP. Desta forma, após um ilhamento, o ΔP muda
abruptamente, fazendo a taxa de df/dt também alterar da mesma forma e proporção.
Por esta característica que os resultados apresentados nas Figuras 4.6 e 4.7 mostram
um comportamento do tipo binário, ou seja, atuando ou não atuando, cuja curva se
assemelha ao ajuste de tempo definido.
Assim como o relé de frequência, o relé ROCOF é influenciado pelo fator de
potência da carga, visto que a potência real absorvida se altera, consequentemente,
o desbalanço de potência ativa (ΔP) também.
O relé de salto de vetor apresentou detecção de ilhamento dentro do limite
estabelecido para desbalanços de potência a partir de 9,28%, conforme Tabela 4.5.
Seu desempenho foi levemente melhor que o de relé de sobre e subfrequência. Isso
pode ser explicado pelo fato da tensão do gerador sofrer um deslocamento angular,
instantâneo, no momento do ilhamento, o que não ocorre para a frequência, além do
relé de frequência precisar de mais ciclos para confirmar a sua atuação. Após este
salto inicial, o ângulo vai se deslocando na mesma proporção em que a frequência
elétrica se altera tornando o relé de salto de vetor mais rápido.
Figura 4.7: Caso 1 - Tempo de atuação da proteção ROCOF versusΔP: carga tipo impedância
constante com déficit de geração (P
G< P
C)
Tabela 4.5: Caso 1 - Limites de desbalanços de potência para detecção de ilhamento em 500 ms
pela proteção de salto de vetor
Limites de desbalanço de potência para detecção de ilhamento
FP da
carga
Ajuste em 6° Ajuste em 8° Ajuste em 10°
P
G> P
CP
G< P
CP
G> P
CP
G< P
CP
G> P
CP
G< P
C0,92 9,94% 18,12% 14,45% 22,7% 19,03% 27,39%
1,00 14,75% 9,28% 19,05% 13,34% 22,61% 16,99%
Assim como o 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 4.8. Já para a condição de déficit de
geração, o desempenho piora à medida que o fator de potência se torna mais indutivo,
conforme Figura 4.9.
Figura 4.8: Caso 1 - Tempo de atuação da proteção de salto de vetor versusΔP: carga tipo
impedância constante com excesso de geração (P
G> P
C)
Figura 4.9: Caso 1 - Tempo de atuação da proteção de salto de vetor versusΔP: carga tipo
O relé direcional de potência reativa (ANSI 32Q) tem 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 4.10 é apresentado o seu desempenho para cargas com fator
de potência 0,92 indutivo.
Figura 4.10: Caso 1 - Tempo de atuação da proteção direcional de potência reativa versusΔP: carga
tipo impedância constante e fator de potência 0,92 indutivo
Conforme a Figura 4.10, 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 com cargas de 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 44,5%, quando o relé for ajustado em 0,188 MVAr
(fator de potência do gerador de 0,98), ou 31,43%, quando ajustado em 0,149 MVAr
(fator de potência do gerador de 0,97). É possível observar que esta função de
proteção detectou ilhamentos justamente onde os relés anteriores não detectaram, na
faixa de pequenos desbalanços de potência.
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 ou 0,98 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 (ANSI 81 o/u),
ROCOF ou df/dt, salto de vetor (ANSI 78) e direcional de potência reativa (ANSI 32Q),
os ajustes escolhidos para a proteção da GD do caso 1 resultaram conforme Tabela
4.6. 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 4.6: Caso 1 – Ajustes de proteção finais
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 10°
Temporização 100 ms
Direcional de Potência Reativa – ANSI 32Q
Potência reativa máxima por fase 0,188 MVAr
Temporização 100 ms
Direcionalidade Direta (Exportação)
O desempenho das funções de proteção de sub e sobrefrequência, ROCOF,
salto de vetor e direcional de potência reativa operando em conjunto foi satisfatório
quando a carga possui um fator de potência 0,92. Já para cargas com fator de potência
próximo de 1 há uma limitação na detecção de ilhamento na ordem de 7,81% de
desbalanço para excesso de geração e 12,77% para déficit de geração, conforme
Figura 4.11 e Tabela 4.7.
Tabela 4.7: Caso 1: Limites de desbalanços de potência para detecção de ilhamento em 500 ms pelo
sistema de proteção
Limites de desbalanço de
potência para detecção de
ilhamento
FP da carga P
G> P
CP
G< P
C0,92 0% 0%
1,00 7,81% 12,77%
Figura 4.11: Caso 1 - Tempo de atuação do sistema de proteção considerando a sobreposição das
funções 81 o/u, ROCOF, 78 e 32Q versusΔP: carga tipo impedância constante
Reduzir os ajustes da Tabela 4.6 tornando-os mais rigorosos representa perda
de confiabilidade no sistema de proteção da GD, em que o relé de proteção pode não
diferenciar ilhamentos de perturbações do sistema do tipo rejeição de carga, por
exemplo. A tentativa de tornar o sistema mais sensível pode aumentar as chances de
falsas atuações das funções de detecção de ilhamento.
Apesar de não ser discutido neste trabalho, a ocorrência de faltas no sistema de
distribuição pode afetar o sistema de proteção da GD fazendo-o operar. Para mitigar
as possibilidades de falsas atuações, recomenda-se a utilização de bloqueio por
subtensão das proteções de detecção de ilhamento. O ajuste do nível de subtensão
deve ser estudado caso a caso, visto que a resposta do regulador de tensão
influenciará nesta definição.
Neste estudo de caso, observou-se que para cargas com fator de potência
elevado há riscos de não detecção de ilhamentos. Visto que o sistema de proteção do
caso 1 pode não detectar ilhamentos na ordem de 7,81% de desbalanço de potência
conforme Tabela 4.7, pode-se afirmar que problemas poderão ocorrer e os riscos de
um religamento automático fora de fase são reais.
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 1, 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 70-84)