ANÁLISE TÉCNICA COMPARATIVA SOBRE O EMPREGO DE REATORES SATURADOS E LINEARES PARA A REGULAÇÃO DA TENSÃO EM SISTEMAS DE TRANSMISSÃO RADIAIS

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ANÁLISE TÉCNICA COMPARATIVA SOBRE O

EMPREGO DE REATORES SATURADOS E

LINEARES PARA A REGULAÇÃO DA TENSÃO EM

SISTEMAS DE TRANSMISSÃO RADIAIS

A. B. Vasconcellos, Dr; F. P. Santilio, Acad; M. K. Kawaphara, Dr; J. M. Pacheco, Dr; R. Apolônio, Dr

Universidade Federal de Mato Grosso, Av. Fernando Correa da Costa, s/n – Coxipó – Cuiabá – MT

J. C. Oliveira, PhD.

Universidade Federal de Uberlândia, Av. Engenheiro Diniz, 1178 – Uberlândia - MG

J. E. Carvalho, Eng.

Centrais Elétricas do Norte do Brasil S.A. – Eletronorte – Av. Archimedes Pereira Lima, 3355 – Cuiabá - MT

Resumo - Este artigo apresenta considerações teóricas, estudos de desempenho do emprego de reatores lineares e saturados para fins do controle de tensão em sistemas de transmissão. Os trabalhos são conduzidos através do simulador ATP, em cuja base, que utiliza de técnicas de representação no domínio do tempo, são modelados tais dispositivos. Através da seleção de um estudo de caso, são investigadas questões associadas com o processo da regulação de tensão, com destaque as particularidades próprias a cada solução, quando da ocorrência de variações dos carregamentos impostos à rede. Através deste estudo de caso, o artigo evidencia as vantagens e desvantagens vinculadas a cada equipamento em pauta.

Palavras-chave–Reator Linear, Reatores Saturados, Modelagem, Controle de Tensão e Ganhos na Transmissão.1

I. INTRODUÇÃO

O sistema elétrico brasileiro, devido as longas extensões territoriais, constitui-se num país em que o emprego de linhas de transmissão em grandes distâncias é uma prática bastante comum. Isto se deve, sobremaneira, ao fato da concentração do consumo de energia ocorrer em regiões específicas e as gerações se constituírem, predominantemente, por aproveitamentos hídricos distantes. Ora, uma das singularidades dos sistemas de transmissão longos, em alta tensão, está atrelada com as dificuldades associadas com o controle e regulação de tensão oferecida nas barras de consumo, tanto em regime permanente como transitório. Na operação em vazio ou em carga leve, vigente por ocasião das

energizações ou devido a rejeições de carga, as capacitâncias associadas a essas linhas impõem, freqüentemente, elevações inadmissíveis na tensão das barras de consumo. Por outro lado, quando funcionando na plenitude da carga, registra-se um comportamento inverso, ou seja, uma redução, por vezes, drástica da tensão. Diante desta conjuntura, muitas vezes, estas oscilações de tensão nas barras de carga superam os valores pré-definidos pelos órgãos reguladores (ONS e ANEEL). Esse quadro adverso é tanto mais grave quanto menor for o nível da potência de curto-circuito do sistema. Para solucionar a questão, as soluções, via de regra, se apóiam em dispositivos fundamentados na compensação de reativos. De fato, esta é uma prática comum entre as concessionárias responsáveis pela geração e transmissão de energia elétrica, valendo-se, para tal, de diversos expedientes, cada um com características e indicações específicas. Dentre esses recursos destacam-se, dentre os mais tradicionais, e de menor custo, os reatores lineares e capacitores, de valores fixos e conectados em derivação. Nessa estrutura, os reatores coíbem a tensão de alcançar patamares elevados, enquanto os capacitores atuam na direção contrária, impedindo-a de cair abaixo dos níveis considerados admissíveis.

1_{Este trabalho visa analisar a utilização de reatores lineares e saturados para}

compensação de sistemas de transmissão de energia e conta com a participação de pesquisadores da UFMT e UFU.

J. C. de Oliveira trabalha na Universidade Federal de Uberlândia (e-mail:

jcoliveira@ufu.br ).

A. B. de Vasconcellos, J. M. Pachedo, M. K. Kawaphara e R. Apolonio trabalham na Universidade Federal de Mato Grosso (e-mails:

arnulfo@ufmt.br Jackson@ufmt.br apolonio@cpd.ufmt.br

kiyoshi@cpd.ufmt.br ).

J. E. Carvalho trabalha na Eletronorte (joseeduardo@eln.gov.br )

As desvantagens verificadas com o uso desse esquema de compensação residem, em primeiro lugar, na necessidade de execução de manobras de inserção ou remoção de equipamentos sempre que o carregamento do sistema experimentar mudanças significativas. Assim, quando a carga suprida pela linha é reduzida, os capacitores deverão ser gradativamente retirados de operação para conter o crescimento da tensão, enquanto os reatores serão alvo de idêntica manobra por ocasião da elevação do consumo. A regulação de tensão alcançada mediante esses procedimentos não exibe, pois, um caráter contínuo, mas discreto, uma vez que apenas blocos desses elementos poderão ser acionados de cada vez. Ainda mais, a contenção da tensão no contexto de uma rejeição de carga requer a permanência de reatores em funcionamento contínuo, indiferente ao carregamento imposto à linha de transmissão e, nessas circunstâncias, tais

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equipamentos passarão a exercer o papel de um consumidor permanente de potência reativa. Desse modo, os benefícios auferidos com a operação dos reatores durante o regime de baixa carga serão inteiramente convertidos em ônus na plena carga, pois parte da capacidade de transmissão da linha estará ocupada com o suprimento dos mesmos. Esse quadro torna-se ainda mais dramático quando se leva em consideração os esforços atuais das empresas do setor elétrico nacional para elevar a potência natural das suas linhas de transmissão, pois os ganhos pretendidos com essa operação serão parcialmente frustrados pela presença dos reatores lineares de compensação.

Diante deste quadro, uma das alternativas para superar os inconvenientes da associação convencional reator – capacitor de valores fixos e manobráveis via chaveamento, consiste na substituição desse conjunto por compensadores rotativos ou estáticos. Sem entrar nos pormenores destas linhas de produtos, vale lembrar que qualquer dessas opções, todavia, significará o dispêndio de grandes somas, destinadas não somente à aquisição e instalação dos equipamentos propriamente ditos, mas também em infra-estrutura com vistas à futura manutenção e operação dos mesmos. Uma outra proposição igualmente eficaz, porém bem mais em conta, utiliza reatores saturados. De fato, a característica tensão×corrente exibida por esses equipamentos, parece feita sob medida para aplicação pretendida visto que: sob tensões mais baixas, ou seja, na condição de plena carga, o reator funcionará na região linear, demandando, dessa forma, uma potência reativa mínima do sistema. À proporção que a carga do sistema diminui, a tensão experimenta uma elevação correspondente, o que desloca o ponto de operação do reator para a região de saturação, elevando o seu consumo numa proporção ditada pela inclinação da sua característica, a qual, em princípio, poderá ser especificada para satisfazer qualquer nível de compensação desejada. Tal comportamento além de ensejar um controle contínuo da tensão dentro de patamares determinados, disponibilizará maior parte da capacidade da linha de transmissão para o atendimento das cargas. Além destas características, como o seu princípio de funcionamento é semelhante ao transformador de potência em termos da tecnologia de fabricação, o reator a núcleo saturado exibe as peculiaridades próprias dessa natureza de equipamento.

Dentro do contexto acima, o objetivo deste trabalho está centrado no emprego do compensador de reativos à núcleo saturado no que tange ao seu desempenho comparativo com a compensação reativa tradicional, ou seja, aquela que utiliza de reatores lineares.

O compensador estático a reator a núcleo saturado fundamenta-se numa combinação de um núcleo magnético com características e enrolamentos especiais. Esta propriedade construtiva proporciona um equipamento robusto, com reduzida manutenção, boa eficiência na regulação de tensão e pequeno tempo de resposta. Esses elementos concorrem, sem dúvida, para tornar ainda mais atrativo o uso de reatores a núcleo saturado para a compensação de linhas de transmissão.

Focando, pois a substituição dos Reatores Lineares pelos Reatores a Núcleo Saturado para o carreamento de mais potência nas linhas de transmissão, este artigo tem por

objetivo apresentar resultados de estudos de desempenho, via modelagem ATPDraw, destes dispositivos e avaliar os seus impactos num sistema de transmissão típico da rede nacional. Para tanto é utilizada uma linha de Transmissão da Eletronorte entre as cidades de Cuiabá e Sinop no Estado de Mato-Grosso. As investigações têm por propósito a avaliação da eficácia do compensador a núcleo saturado na regulação de tensão e no ganho de potência na unidade sob foco. Diferentes casos, compreendendo elevações de tensões, sob condições ideais, são considerados nas simulações.

Os princípios básicos e características de funcionamento do compensador estático de reator a núcleo saturado, assim como, o seu modelo físico e correspondente implementação computacional constituíram-se em temas devidamente explorados em [1]-[2]-[3]-[4]-[5], motivo pelo qual tais detalhamentos não são inseridos no presente trabalho.

II. CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA E ESTUDOS

COMPUTACIONAIS

O diagrama unifilar do sistema utilizado para fins deste trabalho é apresentado na Fig. 1, enquanto que algumas informações relevantes são encontradas na Tabela I.

Fig. 1. Sistema elétrico utilizado na simulação

Tabela I – Dados do Sistema

Dados Potência_(MVA) Fator de _Potência Tensão _(kV) Potência _(MVAr) Distância _(km) Carga 60,0 0,92 138 - - Banco Capacitor Paralelo - - 13,8 6x3,6 - Compr. Da Linha - - - - 438 Reator Linear - 230 20,0 - Reator Twin- Tripler - - 13,8 20,0 -

Tomando por base o arranjo supra caracterizado, algumas situações operativas são consideradas, na seqüência, para fins elucidativos das questões focadas pelo tema central deste artigo.

A. Análise no barramento de 230kV da subestação de Sinop - sem a presença do reator linear e do reator saturado.

Esta situação objetiva, dentre outros pontos, destacar os impactos atrelados com um súbito alívio do carregamento do principal ponto de consumo do complexo elétricos sobre as tensões de operação. Para tanto, as análises focam, de modo especial, os efeitos sobre o barramento de 230 kV que

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alimenta a cidade de Sinop. Com vistas a obtenção de níveis que servirão como referência para fins comparativos, os resultados em pauta, muito embora considerem a rede completa e duas condições distintas para a carga final, não contemplam a presença do reator linear ou do reator à núcleo saturado, cada qual com potência nominal pré-especificada como de 20 MVAr.

Como pode ser constatado pelo oscilograma subseqüente, em t=1s é provocada a ocorrência de um evento atribuído a uma súbita perda de 50% da carga presente no secundário do transformador da cidade de Sinop. Este efeito, como se observa, é responsável por uma elevação de 8,29% na tensão, a qual perdura por 1s. Findo este intervalo de tempo, a carga é restaurada ao seu valor original, assim como também sua respectiva tensão. Os perfis das tensões entre fases no barramento 230kV (1 p.u.) de Sinop, durante todo o intervalo de simulação (entre 0,0 e 3,0s), associados com o operação supra definida são indicados na Fig. 2.

Fig. 2. Tensões entre fases no barramento 230 kV da cidade de Sinop – alívio súbito de 50% da carga - sem reator linear e reator saturado.

Visando propiciar maiores informações sobre o fato ocorrido, as Fig. 3 (a) e (b) ilustram, respectivamente, detalhes das tensões em Sinop para as duas condições de funcionamento do sistema, uma associada com o que se denominou por situação normal e outra sob a ação do alívio repentino da carga. Os resultados refletem o desempenho da tensão sem a presença dos reatores e, diante deste conjuntura, pode-se constatar que houve uma elevação da tensão no barramento fora dos padrões permitidos pelos órgãos reguladores. O seu valor inicial, em torno de 235,1kV (1,02 p.u.), no intervalo de 0,0 a 1,0s, foi elevado para 254,6kV (1,10 p.u.), no intervalo de 1,0 a 2,0s. Esta tensão retoma o seu valor inicial, após o religamento da carga, que ocorre em t ≥2,0s, como mostra a Fig.2.

(a) Intervalo I

(b) Intervalo II

Fig. 3. Tensões entre fases no barramento de 230kV da Cidade de Sinop – detalhes para as condições: (a) carregamento pleno e (b) alívio de 50% da

carga – sem a presença dos reatores: linear e saturado.

B. Análise no barramento de 230kV da subestação de Sinop - com a presença do reator linear.

A presente avaliação expressa as mesmas condições anteriores, exceto pelo fato que agora, o complexo elétrico passa a operar com a inserção do reator linear de 20 MVAr, o qual foi anteriormente energizado e se encontra em operação contínua e em regime permanente. Deste modo, em t=1s é provocada a ocorrência do distúrbio sob foco, qual seja, a retirada de 50% da carga presente no secundário do transformador da cidade de Sinop. As tensões entre fases para o barramento 230kV (1 p.u.) de Sinop, durante todo o intervalo de simulação (entre 0,0 e 3,0s) encontram-se indicadas na Fig. 4.

Fig. 4. Tensões entre fases no barramento 230 kV da cidade de Sinop – alívio de carga com reator linear.

As Fig. 5 (a) e (b) fornecem respectivamente, detalhes das tensões em Sinop para a condição original e sob a ação do alívio repentino da carga. Como se constata, houve uma estabilização da tensão no barramento dentro dos padrões oficiais devido à presença da compensação realizada pelo reator linear. O seu valor inicial, em torno de 220,4kV (0,95 p.u.), no intervalo de 0,0 a 1,0s, foi elevado para 237,5kV (1,03 p.u.), no intervalo de 1,0 a 2,0s. Esta tensão retoma o seu valor inicial, após o religamento da carga, que ocorre em t ≥2,0s.

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(a) Intervalo I

(b) Intervalo II

carga – coma presença do reator linear.

Objetivando esclarecer sobre o funcionamento do reator linear, a Fig. 6 mostra a corrente absorvida pelo dispositivo de compensação ao longo de todo intervalo de simulação (entre 0,0 e 3,0s).

Fig. 6. Corrente de operação do reator linear - (Intervalos I e III) com carga pesada e (Intervalo II) com carga reduzida.

O resultado mostrado anteriormente evidencia que a corrente de operação, inicialmente de 48,1A sob carga pesada, é elevada para 51,7A durante a retirada momentânea de 50% da carga. Isto equivale a um acréscimo de 7,5% da corrente de operação e respectivo impacto sobre a regulação da tensão. Esta corrente, como seria esperado, retoma o seu original quando a carga é restaurada ao seu valor inicial.

Complementarmente, a Fig. 7 é indicativa da potência reativa absorvida pelo reator linear ao longo do intervalo de simulação (0,0 e 3,0s). Pode-se observar que a potência inicial de 18,4 MVAr foi elevada para 21,2 MVAr, durante a retirada momentânea de 50% da carga. Estes valores indicam pois uma elevação de 15,6% da potência reativa absorvida

durante o alívio de carga. Ao final, após a retomada do carregamento normal, a potência reativa assume seu valor inicial.

Fig. 7. Potência Reativa no Reator Linear - detalhes para as condições: (Intervalos I e III) com carga pesada e (Intervalo II) com carga leve.

C. Análise no barramento de 230kV da subestação de Sinop - com a presença do reator saturado.

Da mesma forma procedida na seção anterior, o comportamento da tensão no barramento de 230 kV sob a ação do reator saturado (RNS) de 20 MVAr, foi também avaliado. A localização física do reator pode ser observada na Fig. 1, que mostra sua inserção na barra de 230 kV através de um transformador abaixador de 230/13,8kV. As condições operativas são as mesmas já discutidas, não havendo pois necessidades de maiores informações sobre a ocorrência simulada.

A Fig. 8 destaca as tensões para o barramento de 230kV (1 p.u.) de Sinop, durante todo o intervalo de estudo, compreendido entre 0,0 e 3,0s.

Fig. 8. Tensões no barramento de 230kV na Cidade Sinop – alívio de carga com o reator saturado.

Baseando-se nas Fig. 9 (a) e (b), que detalham as regiões de interesse para os estudos, pode-se constatar a eficácia do reator saturado sobre a regulação da tensão em Sinop. Esta, que era inicialmente de 229,9 kV (0,99 p.u.) foi elevada para 240,9 kV (1,047p.u.), durante a retirada momentânea de 50% da carga. Como para os demais estudos, esta tensão retoma o seu valor original após a restauração da carga normal. Nestes termos, verifica-se que o reator, agindo no sentido de absorver reativos do sistema, ofereceu a compensação almejada para a tensão final de operação. Somado a isto, é importante ressaltar que a tensão inicial também se apresenta em patamares melhores que aquele associado com a presença do reator linear, fato este atribuído às suas propriedades

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intrínsecas de funcionamento, como observado anteriormente.

(a) Intervalo I

(b) Intervalo II

carga – coma presença do reator saturado.

Um ponto relevante a ser ressaltado durante a atuação do reator saturado refere-se à questão das distorções harmônicas detectadas. De fato, ao se observar os resultados da Fig. 9(b) são evidentes as distorções harmônicas, as quais não se faziam presentes para os estudos anteriores. Esta constatação, todavia, seria esperada quando se considera o principio operacional do equipamento de compensação utilizado. Este, conforme estabelecido pela teoria clássica que rege o assunto produz, quando de sua operação, correntes harmônicas cujas ordens são similares àquelas relacionadas com um sistema retificador de 12 pulsos. Portanto, as freqüências esperadas mais significativas correspondem às ordens 11 e 13, o que está em consonância com o desempenho esperado de um reator trifásico tipo Twin-Tripler, o qual, idealmente, gera harmônicos de ordem (12K±1) [4], sendo K um número inteiro positivo qualquer. Não obstante este aspecto desvantajoso, o espectro de freqüências indicado na Fig. 10 revela que os impactos negativos em pauta não produziram distorções superiores aos níveis de referência recomendados pelos órgãos que regulamentam a matéria.

Fig. 10. Espectro harmônico da tensão do barramento 230 kV na Cidade Sinop durante atuação do RNS no alívio de carga.

No que tange à corrente absorvida pelo reator saturado ao longo do processo sob estudo, a Fig. 11 mostra o seu desempenho e ressalta, com clareza, uma propriedade bastante atrativa para o emprego deste equipamento. Através da mesma constata-se que a corrente absorvida pelo RNS em carga pesada, que era de 16,4 A, foi elevada para 39,6A, durante a retirada momentânea de 50% da carga. Isto, diferentemente do reator linear, resultou numa elevação de 141,3% da corrente inicial de funcionamento do dispositivo. Esta corrente retoma o seu original quando da restauração da carga.

Fig. 11. Corrente de operação do RNS - detalhes para as condições: (Intervalos I e III) com carga pesada e (Intervalo II) com carga leve.

Da mesma forma que anteriormente, através da Fig. 12 pode-se constatar, para cada situação operacional, a potência reativa absorvida pelo reator saturado. A figura esclarece que o valor inicial desta grandeza, antes de 6,75 MVAr, durante o alívio de carga passa para 16,81 MVAr, correspondendo assim a uma elevação de 149% da potência original.

Fig. 12. Potência Reativa no RNS - detalhes para as condições: (Intervalos I e III) com carga pesada e (Intervalo II) com carga leve.

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III. SÍNTESE DOS RESULTADOS

Com a finalidade de estabelecer meios para uma comparação direta entre os resultados anteriores, a Fig. 13 apresenta, para todo o período de estudo computacional realizado, as potências reativas absorvidas pelos dois tipos de reatores. A figura revela que, sob carregamento normal, o reator linear absorve uma potência reativa 172% maior que a do correspondente dispositivo linear. Também, na condição operacional com a retirada de 50% da carga original, verifica-se que a potência requerida pelo saturado é 26% inferior àquela exigida pelo linear.

Fig. 13. Potência Reativa no reator linear e no RNS - detalhes para as condições: (Intervalos I e III) com carga pesada e (Intervalo II) com carga

leve.

Reunindo as demais informações numa mesma figura, a Fig. 14 permite uma pronta confrontação entre as grandezas mais representativas do processo como um todo. Na figura são agrupados os resultados associados com: os valores das tensões sob carregamento pleno e reduzido, as correntes absorvidas pelos reatores e, novamente, as potências reativas para as situações investigadas. As condições operacionais da rede na ausência dos reatores e com os mesmos são claramente indicadas.

Fig. 14. Gráfico comparativo entre os valores das tensões, correntes e potências reativas - barramento 230 kV na Cidade Sinop

IV. CONCLUSÕES

Este artigo teve por foco principal apresentar os ganhos obtidos quando da substituição de reatores lineares por

dispositivos correspondentes que utilizam da propriedade intrínseca dos materiais magnéticos, qual seja, a saturação. O tema central explorado foi direcionado ao emprego de tais dispositivos para a regulação de tensão em linhas de transmissão, sem a preocupação da descrição dos modelos e respectiva implementação computacional. Objetivando esclarecer sobre as vantagens e desvantagens associadas com cada uma das tecnologias, utilizando um complexo elétrico real, em 230 kV, foram realizados estudos de desempenho do sistema diante da ocorrência de um fenômeno associado com uma subida retirada de uma parcela expressiva do carregamento num barramento final da linha. Os valores obtidos para as potências requeridas durante o funcionamento dos reatores evidenciaram uma grande vantagem quando do emprego das unidades saturadas, as quais, como destacado no texto, além de propiciarem uma melhor margem para a regulação da tensão, ainda conduziu a um alívio da rede de transmissão. Como ponto negativo quando da instalação dos reatores saturados, o artigo mostrou que tal dispositivo, pela sua característica não linear, constitui-se numa fonte de correntes harmônicas injetada na rede. Não obstante este fato, para o caso focado, tais problemas não se mostraram em proporções preocupantes, constatação esta que não pode ser prontamente estendida a outras aplicações.

V. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Oliveira, J. C., Vasconcellos, A. B., Apolônio, R. – Compensador Estático a Reator Saturado: Geração Harmônica Sob Condições Ideais e Não Ideais de Suprimento. V SBQEE, Aracaju – Sergipe – Brasil, 17 a 20 de Agosto de 2003.

[2] J. C. Oliveira, A. B. Vasconcellos, R. Apolônio; “Análise do Desempenho Dinâmico de um Compensador Estático a Reator a Núcleo Saturado”; VI SBQEE, Aracaju-SE, Brasil, Agosto/2005. [3] J. C. Oliveira, A. B. Vasconcellos, R. Apolônio; “Saturated Core

Reactor Static Compensator: Computational Analysis Versus Experimental” (in Portuguese), XV CBA, Gramado-RS, Brazil, September/2003.

[4] M. A. Carvalho; “Application of Saturated Reactors in Systems of Transmission” (in Portuguese), XIII SNPTEE, Camboriú-SC, Brazil, October/1995.

[5] E. Friedlander, K. M. Jones; “Saturated reactors for Long Distance Bulk Power Lines”; Electrical Review, 27th June/1969, pp 940 – 943.