Avaliação da proteção diferencial transversal aplicada às linhas de transmissão de circuito duplo

(1)

AVALIAÇÃO DA PROTEÇÃO DIFERENCIAL

TRANSVERSAL APLICADA ÀS LINHAS DE

TRANSMISSÃO DE CIRCUITO DUPLO

Matheus Freitas Borges Gomes

TRABALHO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

(2)

i

UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

AVALIAÇÃO DA PROTEÇÃO DIFERENCIAL

TRANSVERSAL APLICADA ÀS LINHAS DE TRANSMISSÃO

DE CIRCUITO DUPLO

MATHEUS FREITAS BORGES GOMES

ORIENTADOR: KLEBER MELO E SILVA

TRABALHO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

PUBLICAÇÃO: PPGEE.DM - XXX/XX

BRASÍLIA/DF: XXX

(3)

ii

UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

AVALIAÇÃO DA PROTEÇÃO DIFERENCIAL TRANSVERSAL

APLICADA ÀS LINHAS DE TRANSMISSÃO DE CIRCUITO DUPLO

MATHEUS FREITAS BORGES GOMES

Trabalho final de Graduação submetido ao Departamento de Engenharia Elétrica da Faculdade de Tecnologia da Universidade de Brasília como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau Engenheiro Eletricista.

APROVADO POR:

______________________________________________

Prof. Kleber Melo e Silva, Doutor (ENE - UnB)

(Orientador)

______________________________________________

Paulo Cesar Gonçalves Campos (Eletrobras Eletronorte)

(Examinador externo)

______________________________________________

Bernard Fernandes Küsel (ONS)

(Examinador externo)

BRASÍLIA - DF

JULHO DE 2014

(4)

iii

FICHA CATALOGRÁFICA

GOMES, MATHEUS FREITAS BORGES

Avaliação da Proteção Diferencial Transversal Aplicada às Linhas de Transmissão de Circuito

Duplo

[Distrito Federal] 2014.

xiv, 82p., 210 x 297 mm (ENE/FT/UnB, Engenheiro Eletricista, Engenharia Elétrica, 2014)

Universidade de Brasília. Faculdade de Tecnologia. Departamento de Engenharia Elétrica.

1. Proteção Diferencial Transversal 2. Plano Alfa

3. Linha de Transmissão 4. ATP

I. ENE/FT/UnB II. Título (série)

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

GOMES, M. F. B. (2014). Avaliação da Proteção Diferencial Transversal Aplicada às Linhas

de Transmissão de Circuito Duplo. Trabalho de Graduação em Engenharia Elétrica,

Publicação XXX, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade de Brasília, Brasília,

DF, 82p.

CESSÃO DE DIREITOS

AUTOR: Matheus Freitas Borges Gomes.

TÍTULO: Avaliação da Proteção Diferencial Transversal Aplicada às Linhas de Transmissão

de Circuito Duplo.

GRAU: Engenheiro Eletricista

ANO: 2014

É concedida à Universidade de Brasília permissão para reproduzir cópias deste trabalho de

graduação e para emprestar ou vender tais cópias somente para propósitos acadêmicos e

científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desse trabalho de

graduação pode ser reproduzida sem autorização por escrito do autor.

____________________________

Matheus Freitas Borges Gomes

Universidade de Brasília –UnB

Campus Darcy Ribeiro

Faculdade de Tecnologia – FT

Departamento de Engenharia Elétrica

Brasília – DF

(5)

iv

RESUMO

Neste trabalho apresenta-se uma avaliação do desempenho da proteção diferencial transversal aplicada às linhas de transmissão de circuito duplo. Como ferramentas de modelagem, utilizou-se o software ATP (Alternative Transients Program) em conjunto com o software Matlab para simular, modelar e visualizar o desempenho do sistema de proteção para diferentes cenários de falta.

A função de proteção foi implementada utilizando-se um elemento diferencial percentual associado ao método das correntes sobrepostas, com o intuito de aumentar a sensibilidade e a segurança na sua operação. Adicionalmente, utiliza-se o plano operacional para a visualização dos resultados e propõe-se a implementação de adaptações ao plano alfa de forma a torná-lo aplicável ao sistema de proteção analisado. Ambos os planos permitem uma análise visual dos resultados e uma detalhada comparação entre os métodos utilizados.

Os resultados foram obtidos por meio de simulações transitórias e simulações em massa. As primeiras foram utilizadas para verificar a atuação do relé durante o defeito, enquanto que as simulações em massa consideraram apenas o regime permanente de curto circuito. Tais resultados demonstram as vantagens do uso desse tipo de proteção para linhas de circuito duplo, mediante a verificação dos seus diferentes modos de operação, e evidenciam os aumentos consideráveis na sensibilidade, segurança e velocidade de atuação da proteção, em função da utilização do método das correntes sobrepostas e da implementação do plano alfa.

(6)

v

ABSTRACT

This work aims to evaluate the performance of the cross differential protection over a double circuit line system. In this regard, the softwares ATP (Alternative Transients Program) and Matlab were used to simulate, model and analyze the performance of the protection system over several fault scenarios.

A percentage differential element along with the superimposed fault components is used to improve the sensitivity and security of the protection scheme while the Operational plane is implemented to achieve visual comprehension of the protection's results. Additionally, this work proposes modifications over the Alpha plane aiming to make it suitable for the cross differential protection. Therefore, both planes allow a visual comparison of the utilized methods.

The results are obtained in two different stages: transient simulations, in order to verify the relay's performance during all the fault event, and mass simulations on steady state fault regime. The obtained data presents the advantages of the cross differential protection and demonstrate substantial improvements on the sensibility, stability and speed of the protection's system due the utilization of the Alpha plane and superimposed fault components.

(7)

vi

SUMÁRIO

UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA I INTRODUÇÃO 1 1.1. CONTEXTUALIZAÇÃODOTEMA 1 1.2. MOTIVAÇÃO 3 1.3. OBJETIVOS 3 1.4. ORGANIZAÇÃODOTEXTO 4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 5

FUNDAMENTAÇÃO DA PROTEÇÃO DIFERENCIAL TRANSVERSAL 10

3.1. PROTEÇÃODIFERENCIALTRANSVERSALTRADICIONAL 11 3.2. PROTEÇÃODIFERENCIALTRANSVERSALPERCENTUAL 12

3.3. PLANOOPERACIONAL 13

3.4. MODOSDEOPERAÇÃODAPROTEÇÃODIFERENCIALTRANSVERSAL 15 3.5. CÁLCULODAZONADEOPERAÇÃOSUCESSIVA 17 3.6. MÉTODODASCORRENTESSOBREPOSTAS 18

ALGORITMO PROPOSTO 24

4.1. METODOLOGIAPROPOSTA 24

APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS 29

5.1. SISTEMAANALISADO 29

5.2. SIMULAÇÕESTRANSITÓRIASPONTUAIS 34 5.3. SIMULAÇÕESEMMASSA 55 5.4. RESUMODOSRESULTADOS 74

CONCLUSÕES E PROPOSTAS DE TRABALHOS FUTUROS 76

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 78

(8)

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1 – Circuito duplo tradicional...11

Figura 3.2 – Plano Operacional...14

Figura 3.3 – Pontos de localização de faltas...15

Figura 3.4 – Circuito duplo com falta aplicada na linha 1...17

Figura 3.5 – Sistema teste de 230 kV proposto pelo IEEE Power System Relaying Committee...19

Figura 4.1 – Plano Alfa...25

Figura 4.2 – Zonas de restrição do Plano Alfa para um relé diferencial...26

Figura 4.3 – Zonas de restrição no Plano Alfa para o relé diferencial transversal...28

Figura 5.1 – Sistema de 230 kV utilizado nas simulações computacionais...29

Figura 5.2 – Sistema de 230 kV utilizado nas simulações computacionais: implementação no ATPDraw...30

Figura 5.3 – Sistema utilizado para aplicação de faltas...30

Figura 5.4 – Curvas de excitação características dos TCs C800...32

Figura 5.5 – Processo de janelamento de um determinado sinal...32

Figura 5.6 – Proteção local da linha 1 para curto-circuito monofásico BT em 10% da linha 1: comparação entre o método tradicional e correntes sobrepostas...35

Figura 5.7 – Proteção remota da linha 1 para curto-circuito monofásico BT em 10% da linha 1: (a) antes da abertura monopolar do disjuntor local da linha 1; (b) Após a abertura desse disjuntor...35

Figura 5.8 – Proteção local da linha 2 para curto-circuito monofásico BT em 10% da linha 1: comparação entre o método tradicional e correntes sobrepostas...36

Figura 5.9 – Proteção remota da linha 2 para curto-circuito monofásico BT em 10% da linha 1: comparação entre o método tradicional e correntes sobrepostas...36

Figura 5.10 – Proteção local da linha 2 para curto-circuito monofásico BT em 10% da linha 1: comparação entre o método tradicional e correntes sobrepostas após a abertura monopolar do disjuntor local da linha 1...37

Figura 5.11 – Proteção local da linha 1 para curto-circuito monofásico BT em 10% da linha 1: método tradicional...38

Figura 5.12 – Proteção tradicional remota da linha 1 para curto-circuito monofásico BT em 10% da linha 1: (a) antes da abertura do disjuntor local da linha 1; (b) Após a abertura do disjuntor...38

(9)

viii

Figura 5.13 – Proteção local da linha 2 para curto-circuito monofásico BT em 10% da linha 1:

método tradicional...39

Figura 5.14 – Proteção remota da linha 2 para curto-circuito monofásico BT em 10% da linha 1:

Figura 5.15 – Proteção local da linha 1 para curto-circuito monofásico BT em 10% da linha 1: método

das correntes sobrepostas...39

método das correntes sobrepostas...40

Figura 5.17 – Proteção local da linha 2 para curto-circuito monofásico BT em 10% da linha 1: método

das correntes sobrepostas...40

Figura 5.19 – Proteção local da linha 1 para curto-circuito trifásico em 50% da linha 2: comparação

entre o método tradicional e correntes sobrepostas...42

Figura 5.20 – Proteção remota da linha 1 para curto-circuito trifásico em 50% da linha 2: comparação

Figura 5.21 – Proteção local da linha 2 para curto-circuito trifásico em 50% da linha 2: comparação

Figura 5.22 – Proteção remota da linha 2 para curto-circuito trifásico em 50% da linha 2: comparação

Figura 5.23 – Proteção local da linha 1 para curto-circuito trifásico em 50% da linha 2: método

tradicional...43

Figura 5.24 – Proteção remota da linha 1 para curto-circuito trifásico em 50% da linha 2: método

tradicional...44

Figura 5.25 – Proteção local da linha 2 para curto-circuito trifásico em 50% da linha 2: método

tradicional...44

Figura 5.26 – Proteção remota da linha 2 para curto-circuito trifásico em 50% da linha 2: método

tradicional...44

Figura 5.27 – Proteção local da linha 1 para curto-circuito trifásico em 50% da linha 2: método das

correntes sobrepostas...45

Figura 5.28 – Proteção remota da linha 1 para curto-circuito trifásico em 50% da linha 2: método das

(10)

ix

Figura 5.29 – Proteção local da linha 2 para curto-circuito trifásico em 50% da linha 2: método das

Figura 5.30 – Proteção remota da linha 2 para curto-circuito trifásico em 50% da linha 2: método das

Figura 5.31– Proteção local da linha 2 para curto-circuito bifásico-terra AC-T em 90% da linha 2: (a)

antes da abertura tripolar do disjuntor remoto da linha 2; (b) Após a abertura do disjuntor...47

Figura 5.32 – Proteção remota da linha 2 para curto-circuito bifásico-terra AC-T em 90% da linha 2:

comparação entre o método tradicional e correntes sobrepostas...48

(a) visão geral; (b) Detalhe do gráfico...48

Figura 5.34 – Proteção tradicional local da linha 2 para curto-circuito bifásico-terra AC-T em 90% da

linha 2: (a) antes da abertura tripolar do disjuntor remoto da linha 2; (b) Após a abertura do

disjuntor...49

Figura 5.36 – Proteção local da linha 2 para curto-circuito bifásico-terra AC-T em 90% da linha 2:

Figura 5.38 – Proteção local da linha 1 para curto-circuito monofásico AT de alta impedância em

90% da linha 1: comparação entre o método tradicional e correntes sobrepostas...51

Figura 5.39 – Proteção remota da linha 1 para curto-circuito monofásico AT de alta impedância em

90% da linha 1: comparação entre o método tradicional e correntes sobrepostas...52

90% da linha 1: método tradicional...52

90% da linha 1: método das correntes sobrepostas...53

Figura 5.44 – Proteção remota da linha 1 para um curto-circuito externo: método das correntes

(11)

x

Figura 5.45 – Proteção local da linha 2 para um curto-circuito externo: método

tradicional...54

Figura 5.46 – Proteção remota da linha 2 para um curto-circuito externo: método

tradicional...54

Figura 5.47 – Proteção local da linha 1 para um curto-circuito externo: método das correntes

sobrepostas...55

Figura 5.48 – Proteção local da linha 1 para curto-circuito monofásico B-T aplicado de 2% a 98% da

linha 1: comparação entre o método tradicional e correntes sobrepostas...57

Figura 5.49 – Proteção remota da linha 1 para curto-circuito monofásico B-T aplicado de 2% a 98%

da linha 1: (a) visão geral; (b) Detalhe do gráfico...57

Figura 5.50 – Proteção local da linha 1 pelo método tradicional para curto-circuito monofásico B-T

aplicado de 2% a 98% da linha 1: (a) visão geral; (b) Detalhe do gráfico...58

da linha 1: método tradicional...58

Figura 5.52 – Proteção local da linha 1 pelo método das correntes sobrepostas para curto-circuito

monofásico B-T aplicado de 2% a 98% da linha 1: (a) visão geral; (b) Detalhe do gráfico...59

da linha 1: método das correntes sobrepostas...59

Figura 5.54 – Proteção local da linha 1 para curto-circuito B-T aplicado a 95% da linha 1 com SIR

variando de 0,1 a 10: (a) visão geral; (b) Detalhe do gráfico...61

Figura 5.55 – Proteção remota da linha 1 para curto-circuito B-T aplicado a 95% da linha 1 com SIR

variando de 0,1 a 10: comparação entre o método tradicional e correntes sobrepostas...61

variando de 0,1 a 10: método tradicional...62

Figura 5.57 – Proteção remota da linha 1 para curto-circuito B-T aplicado a 95% da linha 1 com SIR

variando de 0,1 a 10: método tradicional...62

variando de 0,1 a 10: método das correntes sobrepostas...62

Figura 5.59 – Proteção remota da linha 1 pelo método das correntes sobrepostas para curto-circuito

B-T aplicado a 95% da linha 1 com SIR variando de 0,1 a 10: (a) visão geral; (b) Detalhe do

gráfico...63

Figura 5.60 – Proteção local da linha 1 para curto-circuito B-T aplicado a 95% da linha 1 com

(12)

xi

Figura 5.61 – Proteção remota da linha 1 para curto-circuito B-T aplicado a 95% da linha 1 com

variação da impedância de falta de 0 a 1000 Ω: método tradicional...65

Figura 5.64 – Proteção local da linha 1 pelo método das correntes sobrepostas para curto-circuito B-T

aplicado a 95% da linha 1 com variação da impedância de falta de 0 a 1000 Ω: (a) visão geral; (b) Detalhe do gráfico...66

variação da impedância de falta de 0 a 1000 Ω: método das correntes sobrepostas...67

Figura 5.66 – Proteção local da linha 2 pelo método das correntes sobrepostas para curto-circuito B-T

aplicado a 95% da linha 1 com variação da impedância de falta de 0 a 1000 Ω: (a) visão geral; (b) Detalhe do gráfico...67

variação no carregamento da linha de -90o a +90o: método tradicional...70

(13)

xii

variação no carregamento da linha de -90o a +90o: método das correntes sobrepostas...71

(14)

xiii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1.1 – Estatística de falha considerando os tipos de falta...2

Tabela 1.2 – Estatística de falha para diferentes equipamentos...2

Tabela 3.1 – Modos de operação dos relés...16

Tabela 3.2 – Modos de operação do sistema de proteção...17

Tabela 5.1 – Parâmetros elétricos da linha de transmissão...31

Tabela 5.2 – Dados das impedâncias equivalentes...31

Tabela 5.3 – Ajustes da Proteção Diferencial Transversal...33

Tabela 5.4 – Lista de casos utilizados nas simulações em massa...56

Tabela 5.5 – Tabela resumo dos modos de operação do sistema de proteção...74

Tabela 5.6 – Tabela resumo dos pontos em que o sistema de proteção atua em modo de operação instantâneo...75

Tabela A.1 – Dados dos condutores da linha de transmissão...80

Tabela A.2 – Parâmetros elétricos da linha de transmissão...81

(15)

xiv

GLOSSÁRIO

ABB Asea Brown Boveri.

AC-T Fases A e C para Terra.

ANSI American National Standards Institute.

A-T Fase A para Terra.

ATP Alternative Transient Program.

ATPDraw Interface gráfica do ATP.

B11 Disjuntor localizado no terminal local da linha 1. B12 Disjuntor localizado no terminal remoto da linha 1. B21 Disjuntor localizado no terminal local da linha 2. B22 Disjuntor localizado no terminal remoto da linha 2. B-T Fase B para Terra.

CC Corrente contínua. C-T Fase C para Terra.

EHS Extra High Strength.

EMTDC Eletromagnetic Transients Program for Direct Current.

EMTP Eletromagnetic Transients Program.

F1 Ponto de aplicação de falta localizado no terminal local da linha 1. F2 Ponto de aplicação de falta localizado na região central da linha 1. F3 Ponto de aplicação de falta localizado no terminal remoto da linha 1. F4 Ponto de aplicação de falta localizado no terminal local da linha 2. F5 Ponto de aplicação de falta localizado na região central da linha 2. F6 Ponto de aplicação de falta localizado no terminal remoto da linha 2. FACTS Flexible Alternating Current Transmission System.

FDST Fast Discrete S-Transform.

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers.

L1F5 Terceiro ponto de aplicação de falta da linha 1. L1F7 Quarto ponto de aplicação de falta da linha 1. LT Linha de transmissão.

PSCAD Power System Computer Aided Design.

R1 Disjuntor localizado no terminal local da linha de transmissão. R2 Disjuntor localizado no terminal remoto da linha de transmissão. SIR Source Impedance Ratio.

TC Transformador de corrente. UPFC Unified Power Flow Controller.

(16)

1 CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO DO TEMA

Os avanços tecnológicos das últimas décadas fizeram com que a sociedade moderna se tornasse cada vez mais dependente da energia elétrica. Esse cenário, aliado ao desenvolvimento econômico-social vivenciado pelo país, propiciou uma crescente demanda por energia que, por sua vez, exigiu a expansão do sistema elétrico de potência. Como resultado, empresas e concessionárias tem direcionado os investimentos para a expansão de seus sistemas de transmissão promovendo um forte aumento no número de linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica. [1]

Ao mesmo tempo, legislações ambientais cada vez mais rígidas promovem grandes dificuldades na construção de novas linhas de transmissão. Áreas de preservação permanente, propriedades privadas e regiões com proteções ambientais específicas são verdadeiros empecilhos à construção desses novos circuitos. Adicionalmente, os gastos envolvidos em estudos de impacto ambiental, compra de terras, desmatamento da região que servirá como faixa de servidão e estudos de viabilidade para definição do traçado da linha representam uma parcela significativa do custo total para implantação de uma nova linha de transmissão. Nesse contexto, têm-se optado cada vez mais pela utilização de linhas de transmissão de circuito duplo, pois essa solução permite o aumento da capacidade de transmissão sem a necessidade de novas faixas de servidão ou torres de transmissão, eliminando ou minimizando grande parte desses gastos. [2]

Por outro lado, os sistemas elétricos de potência serão sempre suscetíveis a falhas em seus componentes, de tal forma que é impossível a construção de um sistema elétrico completamente imune a esses defeitos. Na ocorrência de uma determinada falta, o elemento atingido deve ser desconectado do restante do sistema de forma a minimizar seus efeitos, garantindo a integridade, não apenas do equipamento em questão, mas do sistema elétrico como um todo. [3]

Os relatos obtidos ao longo dos anos, desde o surgimento dos primeiros sistemas de transmissão, mostram que os diversos tipos de faltas não possuem a mesma probabilidade de ocorrer. Faltas trifásicas, por exemplo, embora severas em termos de magnitude de corrente e dano potencial, representam a menor parcela entre esses eventos. Por outro lado, faltas monofásicas, consideradas

(17)

2

menos nocivas, correspondem à maior parte das faltas ocorridas nos sistemas elétricos, como é possível perceber na tabela 1.1 a seguir. [3]

Tabela 1.1 Estatística de falha considerando os tipos de falta[3].

Tipo de Falta Probabilidade de

Ocorrência (%) Gravidade F-T 85% Menos grave F-F 8% F-F-T 5% F-F-F 2% Mais grave Total 100%

A distribuição das faltas nos diferentes equipamentos do setor elétrico também não obedecem uma relação de proporcionalidade. As linhas de transmissão, por estarem expostas a eventos tais como tempestades, vento, descargas atmosféricas, chuva de granizo, neve e outros elementos externos, são os componentes mais suscetíveis à faltas de todo o sistema elétrico, correspondendo à metade de todas as falhas verificadas no mesmo. Tais estatísticas estão representadas na tabela 1.2. [3]

Tabela 1.2 Estatística de falha para diferentes equipamentos [3].

Equipamento Probabilidade de Falha (%)

Linhas de Transmissão 50% Disjuntores 12% TPs, TCs, Relés, etc 12% Transformadores 10% Cabos Subterrâneos 9% Geradores 7% Total 100%

Já as linhas de transmissão de circuito duplo fazem parte de um cenário ainda pior: a proximidade entre as linhas dos circuitos paralelos resulta em uma taxa de falha consideravelmente mais elevada, fazendo com que seja necessário o uso de um sistema de proteção capaz de eliminar qualquer tipo de falta, rápida e apropriadamente, a fim de garantir a integridade dos componentes do sistema. Para isso, este trabalho propõe a utilização da proteção diferencial transversal (ou cruzada) como um método de proteção de linhas de circuito duplo. Assim, modelou-se a linha de transmissão de circuito duplo no software ATP (Alternative Transients Program) enquanto que o software Matlab foi utilizado para realizar a implementação da lógica de proteção. Diferentes métodos foram utilizados

(18)

3

associados à lógica da proteção e, por meio de análises transitórias e simulações em massa, foi possível otimizar o desempenho da proteção diferencial transversal de linhas de circuito duplo.

1.2. MOTIVAÇÃO

No que concerne à proteção de linhas de transmissão, é sabido que a proteção de distância é a mais utilizada [3]. Entretanto, no caso de circuitos duplos, o acoplamento de sequência zero entre as linhas influencia sobremaneira o desempenho dos relés de distância, tornando necessária a utilização de técnicas de compensação dos efeitos desse acoplamento. Na tentativa de contornar essa limitação, os avanços tecnológicos verificados na última década nos relés numéricos microprocessados, aliado ao uso de modernos sistemas de comunicação, têm possibilitado a aplicação da proteção diferencial longitudinal, mesmo para o caso de linhas de transmissão longas. De fato, esse tipo de proteção não é afetado pelo acoplamento de sequência zero inerente às linhas de circuito duplo, mas requer a troca de informações entre os diferentes terminais da linha.

Alternativamente, a proteção diferencial transversal se mostra como uma opção técnica e economicamente viável para a proteção desse tipo de linha, já que não é afetada pelo acoplamento mútuo de sequência zero e nem requer a troca de informações entre os seus terminais. Tais fatos serviram como motivação principal para a realização do presente trabalho.

1.3. OBJETIVOS

O objetivo do presente trabalho é analisar o desempenho da proteção diferencial transversal aplicada a linhas de transmissão de circuito duplo, a partir de dados obtidos com o software ATP.

Os objetivos específicos desse projeto são:

 Modelar e simular a lógica de funcionamento dos relés diferenciais transversais no software Matlab.

 Aplicar o método das correntes sobrepostas à lógica da proteção, analisar seu desempenho e compará-lo ao método de proteção tradicional.

 Implementar a lógica da proteção diferencial transversal analisada sobre a ótica dos planos Operacional e Alfa, tanto durante o regime transitório de falta quanto para o regime permanente de falta.

(19)

4 1.4. ORGANIZAÇÃO DO TEXTO

Este trabalho está organizado como segue:

No Capítulo 2, é realizada uma revisão bibliográfica abordando os principais trabalhos referentes à utilização da proteção diferencial transversal na proteção de linhas de transmissão de circuito duplo.

No Capítulo 3, descreve-se a fundamentação teórica da proteção diferencial transversal, a lógica implementada no sistema de proteção e os métodos utilizados em conjunto com a mesma.

No Capítulo 4, os algoritmos e parâmetros utilizados nas simulações são apresentados.

No Capítulo 5, os resultados obtidos através de simulações computacionais são apresentados e os pontos mais relevantes são detalhadamente analisados.

Por fim, no Capítulo 6, são apresentadas as conclusões a partir das análises dos resultados e realizadas propostas para trabalhos futuros que possam dar continuidade e complementação a este estudo.

(20)

5 CAPÍTULO 2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Na literatura referente à proteção de sistemas elétricos, encontram-se inúmeros trabalhos abordando o desempenho da proteção de distância. É possível encontrar ainda diversas publicações que analisam a lógica de funcionamento da proteção diferencial longitudinal aplicada às linhas de transmissão, propondo modificações, melhorias e novas ferramentas, de forma a aprimorar o desempenho da proteção desse componente. Por outro lado, a proteção diferencial transversal foi desenvolvida, principalmente, para contornar as dificuldades encontradas por esses tipos de proteção mais comuns em atender as necessidades de um sistema de transmissão moderno, crescente e que passou a adotar as linhas de transmissão de circuito duplo com cada vez mais frequência.

No estado da arte da proteção diferencial transversal aplicada às linhas de circuito duplo, o aumento da sensibilidade na detecção das faltas pode ser definido como um dos maiores desafios. Para contornar essa dificuldade, várias soluções têm sido propostas.

Em [4], os autores utilizam um elemento diferencial percentual para aumentar a sensibilidade do relé e melhorar o desempenho da proteção diferencial transversal. O trabalho foi motivado, principalmente, pela necessidade da proteção ser ajustada com um valor de restrição muito alto para linhas de extra alta tensão, de forma que o relé tivesse sua sensibilidade consideravelmente diminuída, para situações de elevado carregamento. Os autores utilizam ainda um elemento transversal diferencial direcional baseado no valor da amplitude da corrente diferencial para identificar se a falta é interna ou externa à região protegida. Além disso, uma lógica de seleção de fases é utilizada para bloquear a atuação indevida do relé nas situações em que o mesmo atua em modo de operação sucessivo. Nesses casos, a corrente da fase defeituosa cai a zero, enquanto que a corrente da linha sã é a corrente de carregamento. Assim, o elemento diferencial transversal percentual é bloqueado, impedindo que a diferença entre a corrente das duas linhas promova o trip indevido do relé.

Em seguida, os autores de [4] publicam o trabalho [5] com a mesma lógica de proteção e com os mesmos elementos adicionais associados à proteção diferencial transversal. Entretanto, para esse trabalho, o relé, composto pelos elementos diferencial percentual transversal, seletores de fase e elementos de bloqueio, é apresentado com maiores detalhes de implementação e os mapas lógicos de atuação da proteção são exibidos e analisados. Os resultados de ambos os trabalhos demonstram que a

(21)

6

implementação do elemento diferencial faz com que o relé passe a atuar corretamente para situações que o carregamento a linha é consideravelmente alto, melhorando a sensibilidade da proteção diferencial transversal, aumentando sua área de atuação em modo instantâneo e aumentando sua estabilidade para faltas externas. Além disso, a implementação completa do relé, incluindo os elementos seletores de fase e de bloqueio, permite que a proteção diferencial transversal atue corretamente nos modos de operação instantâneo e sucessivo sem a necessidade de um canal de comunicação entre os terminais da linha.

Em [6] os autores também utilizam um elemento diferencial percentual para aumentar a sensibilidade da proteção transversal. Entretanto, para situações em que as fontes conectadas aos terminais da linha apresentem valores de SIR (Source Impedance Ratio) consideravelmente diferentes entre si, a proteção pode não atuar corretamente. Mesmo na ocorrência da falta, as correntes que circulam em ambas as linhas no terminal conectado à fonte com alto valor de SIR, também chamada de fonte fraca, possuem valores muito semelhantes. Assim, a proteção é incapaz de identificar o defeito e atuar corretamente para eliminar a falha. Dessa forma, o trabalho propõe a utilização do método das correntes sobrepostas (do inglês Superimposed Currentes) na tentativa de aumentar a sensibilidade do relé diferencial transversal, especialmente do relé conectado ao terminal de alto valor de SIR. Basicamente, o método realiza a subtração entre os valores das correntes medidas após a ocorrência do defeito e as correntes medidas antes da falta, permitindo assim que o relé obtenha apenas valores de corrente de falta pura. Diversas situações de falta aliadas às variações na característica das fontes foram simuladas em um sistema de transmissão modelado com EMTP. Os resultados demonstram que o método das correntes sobrepostas aplicado à proteção diferencial transversal percentual permite que o relé atue corretamente nos modos de operação instantâneo e sucessivo, mesmo na presença de uma fonte fraca conectada ao sistema. Por outro lado, observa-se que, mesmo com o método das correntes sobrepostas e com a utilização do elemento diferencial, a porcentagem do comprimento da linha em que a proteção atua em modo de operação instantâneo ainda está fortemente associada ao seu carregamento e à força das fontes conectadas a ela.

Em [7], os autores utilizam o software PSCAD/EMTCD para modelar a linha de transmissão de circuito duplo e verificar o desempenho do sistema de proteção analisado. O trabalho propõe a utilização de um algoritmo de proteção baseado na lógica de um diagrama de estados e combina a proteção diferencial transversal com lógicas de proteção de distância. A técnica proposta compara as correntes das mesmas fases do circuito duplo em um plano bidimensional segmentado em 6 diferentes áreas, de forma a abranger todos os possíveis estados de operação da linha de transmissão. A lógica baseada na proteção de distância é utilizada na tentativa de contornar situações específicas em que a

(22)

7

proteção transversal é ineficiente ou incapaz de eliminar o defeito, como por exemplo algumas situações de faltas evolutivas. Adicionalmente, a compensação da corrente de sequência zero foi realizada para os casos em que um dos circuitos estava desenergizado e aterrado em ambos os terminais de forma a evitar problemas de sobrealcance da proteção de distância. O algoritmo baseado no diagrama de estados utiliza as sequências de transição entre as diferentes áreas do plano bidimensional e, consequentemente, as transições de estados, para identificar diferentes cenários de falta, permitindo que o relé atue corretamente. Assim, os resultados obtidos pelos autores demonstram que o algoritmo de proteção proposto é rápido quando as duas linhas do circuito estão em funcionamento, devido à alta sensibilidade da proteção transversal, e é capaz de eliminar faltas evolutivas corretamente, além de apresentar boa confiabilidade. Por outro lado, a compensação da sequência zero ainda é necessária e, para faltas internas, sua estimação não é precisa, possibilitando que o relé apresente problemas de subalcance e tenha sua região de atuação reduzida.

Em [8], os autores propõem a implementação de um sistema de proteção de linhas de circuito duplo que possuem um dispositivo controlador unificado de fluxo de potência ( do inglês, Unified

Power Flow Controller, ou UPFC) em sua configuração. Esse dispositivo, pertencente à classe dos

FACTS (Flexible AC Transmission System ou sistemas de transmissão flexíveis), interfere nos sinais de corrente e tensão enviados ao dispositivo de proteção e, portanto, influenciam diretamente no desempenho do sistema de proteção desse circuito. Assim, o trabalho apresenta um sistema de proteção para linhas de transmissão de circuito duplo compensadas com um dispositivo UPFC, baseado na lógica da proteção diferencial transversal em conjunto com uma nova ferramenta, chamada de transformada S discreta rápida (Fast Discrete S-Transform, FDST). A FDST utiliza técnicas de seleção de frequência adaptadas aos sinais dos sistemas de potência para reduzir significativamente a complexidade computacional exigida. Assim, as correntes de fase de ambas as linha e medidas em um mesmo terminal são enviadas a um dispositivo detector de faltas onde o circuito em que se encontra a falha é identificado por meio da lógica da proteção diferencial transversal. Em seguida, um sistema composto pelas técnicas da proteção diferencial transversal em conjunto com a FDST espectral é utilizado para selecionar as fases em que o defeito acontece dentro do circuito já identificado. Para isso, os autores apresentam as formulações da FDST, definem os parâmetros da linha de transmissão utilizada nas simulações e apresentam os resultados obtidos para diferentes tipos de faltas, envolvendo variações no ângulo de falta, resistência de falta e parâmetros do UPFC. Os resultados obtidos com simuladores em tempo real mostram que o algoritmo proposto é capaz de detectar e identificar faltas em circuitos paralelos compensados com dispositivos UPFC. Entretanto, para algumas situações de falta externa o relé opera indevidamente.

(23)

8

No trabalho apresentado em [9], os autores sugerem um sistema de proteção de linhas de circuito duplo utilizando a transformada Wavelet, devido a suas vantagens na estimação de fasores e na detecção de faltas, buscando obter um dispositivo de proteção de alta velocidade e que não tenha a necessidade de um canal de comunicação entre os terminais da linha. Assim, a lógica da proteção diferencial transversal é aplicada em conjunto com um relé de distância, assim como em [7], e a transformada Wavelet é utilizada para aumentar a velocidade de detecção do algoritmo de proteção. Para isso, o sistema de proteção é realizado utilizando dois relés em cada terminal da linha, um para cada circuito, de forma a obter seis sinais de corrente e três valores de tensão que serão utilizados nas três etapas seguintes do algoritmo de proteção. A primeira etapa é exatamente a fase de utilização da transformada Wavelet para uma rápida detecção da falta e estimação de fasores. Já a segunda etapa é a execução da lógica da proteção diferencial transversal em que a magnitude das correntes obtidas em cada um dos circuitos são subtraídas e comparadas a um determinado coeficiente de restrição. Finalmente, no terceiro estágio ocorre a atuação da proteção de distância para situações em que a proteção transversal não é capaz de atuar corretamente. Com isso, os resultados obtidos demonstram que o algoritmo de proteção utilizado atuou rapidamente e corretamente para diversos tipos de falta. Por outro lado, a proteção de distância foi necessária para atuar em casos especiais e a compensação da sequência zero não foi realizada nesse trabalho, de forma que a mesma poderia estar susceptível a problemas de sobre e subalcance.

É possível citar ainda alguns trabalhos baseados na lógica da proteção diferencial transversal, assim como em [10], mas que utilizam valores incrementais de corrente em vez da magnitude dessas correntes. Nesse trabalho, os autores propõem a utilização de dois componentes para compor a lógica de proteção: um elemento de início (starting element) e o elemento diferencial. O elemento de início é o primeiro passo da detecção utilizado pelo sistema de proteção e é ativado quando a magnitude da corrente pós-falta excede o valor da corrente de pré-falta por um limiar pré-definido. Já o elemento diferencial representa a lógica da proteção diferencial transversal utilizando somas incrementais de corrente. Os resultados demonstram que o sistema de proteção proposto, assim como nos trabalhos anteriores, atua corretamente para diversas situações de falta. Entretanto, mesmo com essa lógica transversal incremental, o relé é incapaz de atuar corretamente para elevados valores de impedância de falta e também atua em modo de operação sucessivo para faltas próximas ao terminal remoto do relé analisado.

Adicionalmente, é possível encontrar trabalhos diversos que buscam implementar novos tipos de proteção de linhas de transmissão de circuito duplo e que dispensam a necessidade do canal de comunicação entre os terminais da linha [11-12]. Em [11], os autores sugerem um sistema de proteção

(24)

9

no qual o relé toma a decisão de trip determinando o estado de operação do disjuntor a partir do desbalanceamento do sistema. Assim, ao se obter o estado de operação do disjuntor é possível verificar se o defeito se encontra dentro da região de proteção definida pelo relé.

Já em [12], os autores também utilizam dois relés em cada terminal da linha interligados entre si, mas a comunicação entre eles é realizada por meio do método permissivo (method of

allowance). O método se baseia na lógica de que, no momento em que ocorre uma falta no terminal

oposto da linha, o disjuntor remoto é aberto e , assim, o sentido da corrente de uma das linha se inverte, de forma que os relés percebam correntes de falta com direções opostas. Assim, se um dos relés detecta uma direção inversa na corrente, um sinal de permissão é enviado ao outro relé que, por sua vez, envia o comando de trip do disjuntor.

Com isso, é possível perceber que grande parte dos métodos de proteção de linhas de circuito duplo buscam aumentar a sensibilidade da proteção e ao mesmo tempo garantir confiabilidade e estabilidade ao relé durante os diferentes tipos de falta. Entretanto, nenhum desses métodos foi capaz de eliminar ou minimizar de forma considerável o atraso na atuação da proteção para faltas ocorridas no terminal remoto da linha. O método de operação sucessivo, responsável pelo atraso na atuação da proteção para faltas muito próximas ao terminal remoto, está presente em todos os tipos de proteção que não necessitam de canal de comunicação entre os terminais da linha encontrados na literatura.

(25)

10 CAPÍTULO 3

FUNDAMENTAÇÃO DA PROTEÇÃO DIFERENCIAL

TRANSVERSAL

Linhas de transmissão de circuito duplo têm sido amplamente utilizadas nos sistemas de transmissão modernos para atender a crescente demanda por energia elétrica e, ao mesmo tempo, garantir segurança e confiabilidade ao sistema elétrico.

Esses circuitos podem ter diferentes configurações, considerando a topologia do sistema elétrico em questão e a forma como as linhas estão conectadas em cada um dos terminais do circuito. Como exemplo é possível citar as seguintes configurações [13]:

 As linhas não estão conectadas ao mesmo barramento em nenhum dos terminais do circuito.

 As linhas estão conectadas ao mesmo barramento em apenas um dos terminais do circuito.

 As linhas estão conectadas ao mesmo barramento em ambos os terminais do circuito. Entretanto, a principal diferença entre um circuito paralelo, independentemente se as linhas ocupam a mesma torre de transmissão ou apenas a mesma faixa de servidão, e um circuito simples está no acoplamento mútuo presente no primeiro. Em geral, o acoplamento das sequências positiva e negativa entre as linhas do circuito paralelo é relativamente pequeno e, portanto, pode ser desprezado. Por outro lado, o acoplamento de sequência zero corresponde normalmente de 50% a 70% da impedância própria de sequência zero das linhas. Portanto, quando uma falta envolvendo a terra ocorre no sistema, a tensão em uma das linhas do circuito inclui uma parcela de tensão induzida proporcional à corrente de sequência zero que circula na outra linha, o que pode ser visto como um verdadeiro desafio a diversos sistemas de proteção de linhas de transmissão [13].

Os relés de distância são os equipamentos mais utilizados na proteção de linhas de transmissão. Mas, quando utilizados na proteção de linhas de transmissão paralelas considerando os circuitos dessa linha como dois condutores independentes, o desempenho dos relés fica diretamente comprometido. Nesta situação, se um relé de distância for ajustado para cobrir 85% da impedância de sequência positiva da linha, tal relé pode ser capaz de cobrir apenas cerca de 50% do comprimento

(26)

11

total quando os dois circuitos estiverem em operação. Ao mesmo tempo, essa cobertura do relé pode ultrapassar o comprimento da linha quando um dos circuitos paralelos estiverem desligados e aterrados nos dois terminais. Assim, para uma medição mais precisa, a compensação de sequência zero é necessária [7].

Como alternativa, a proteção diferencial longitudinal pode ser vista como uma solução segura e confiável para a proteção de linhas duplas. Entretanto, a confiabilidade desse tipo de proteção depende da confiabilidade do canal de comunicação entre os relés nos terminais da linha. Além disso, a necessidade de sincronização de amostras associada ao tempo de comunicação entre os relés contribui para o aumento no tempo total de atuação da proteção. Portanto, um algoritmo de proteção baseado apenas nas informações obtidas no próprio terminal em que o relé esteja localizado se apresenta como uma valiosa ferramenta na proteção dos circuitos paralelos [7].

3.1. PROTEÇÃO DIFERENCIAL TRANSVERSAL TRADICIONAL

Neste trabalho, o circuito de transmissão paralelo considerado possui as linhas conectadas a um mesmo barramento em ambos os terminais do sistema. Assim, para apresentar os fundamentos da proteção diferencial transversal, considera-se uma linha de transmissão de circuito duplo típica, como ilustrado na Fig. 1. Nesse sistema, os parâmetros de ambas as linhas são iguais e os circuitos equivalentes conectados às barras possuem os mesmos valores de impedância e tensão, para evitar que a força dessas fontes influencie na avaliação do desempenho da proteção.

Figura 3.1 – Circuito duplo tradicional.

Basicamente, a proteção diferencial transversal compara o módulo das correntes medidas em um mesmo terminal que circulam por cada uma das linhas do circuito duplo. O valor resultante da subtração entre as duas correntes é então comparado a uma constante pré-definida, conhecida como corrente de restrição Ires. Para situações nas quais o sistema se encontra em funcionamento normal ou apresenta faltas externas, as correntes medidas nas duas linhas do circuito possuem aproximadamente o mesmo valor. Barra 1 Fonte S

Z

_S Barra 2 R1 TC R2 TC Linha 1 Linha 2 TC TC B21 B22 B11 B12 Fonte R

Z

_R

(27)

12

Nesse caso, o resultado da subtração entre elas é menor que o valor da constante Ires. Por outro lado, se a falta acontece em uma das linhas, a subtração resulta em um valor maior que Ires, levando o relé a um trip [4]. Assim, essa lógica é implementada a partir das seguintes inequações:

𝐼

₁

− 𝐼

₂

> 𝐼

_𝑟𝑒𝑠

(3.1)

𝐼

2

− 𝐼

1

> 𝐼

𝑟𝑒𝑠

(3.2)

nas quais ˆI₁ e ˆI₂ são os módulos das correntes que circulam pelas linhas 1 e 2, respectivamente. Assim, se Iˆ₁ Iˆ₂ I_res a falta está localizada na linha 1. Por outro lado, se Iˆ₂ Iˆ₁ I_res, o defeito acontece na linha 2.

Já o valor de Ires deve ser definido levando em consideração a maior assimetria verificada no sistema durante o período de funcionamento em regime permanente. Assim, essa constante deve possuir valor superior a:

 Variações no módulo das correntes que circulam nas linhas do circuito para situações de falta externa.

 Máximo valor da corrente de carga para situações em que apenas uma da linhas está em funcionamento.

 Valor da corrente diferencial entre a fase sã e a fase em que se encontra o defeito para o modo de operação sucessivo.

Assim, para atender a essas situações, a constante de restrição acaba por receber valores muito elevados, o que faz com que a sensibilidade da proteção diminua inevitavelmente, sobretudo para situações de alto carregamento do circuito. Dessa forma, a porcentagem da linha em que a proteção atua em sua forma mais rápida, ou seja, em modo instantâneo, diminui consideravelmente e, portanto, um maior número de faltas serão eliminadas apenas no modo sucessivo de operação da proteção (os modos de operação serão detalhadamente analisados a seguir). Além disso, se a constante de restrição for ajustada com um valor tão elevado de forma que a proteção atue em modo de operação instantâneo para regiões inferiores a 50% do comprimento total da linha de transmissão, haverá o surgimento de zonas mortas em que a proteção será incapaz de perceber e eliminar defeitos internos [5].

3.2. PROTEÇÃO DIFERENCIAL TRANSVERSAL PERCENTUAL

Na tentativa de minimizar as dificuldades apresentadas na seção anterior, um elemento diferencial percentual é utilizado para aumentar a sensibilidade do sistema de proteção. Basicamente,

(28)

13

esse elemento corresponde a uma substituição da constante de restrição Ires, definida anteriormente, por um termo percentual, na qual a parcela de restrição da proteção passa a variar com o módulo da soma das correntes medidas em ambas as linhas do circuito duplo. Nesse caso, a soma do módulo das correntes passa a ser utilizado como a nova variável de restrição. Portanto, se uma falta interna ocorrer, a corrente diferencial se torna maior que o valor percentual dessa constante de restrição, promovendo o trip do respectivo relé. A lógica utilizada no relé percentual transversal está disposta a seguir pelas seguintes inequações que podem ser escritas de duas formas diferentes [4]:

𝐼

₁

− 𝐼

₂

> 𝑘. 𝐼

₁

+ 𝐼

₂

(3.3)

𝐼

₂

− 𝐼

₁

> 𝑘. 𝐼

₁

+ 𝐼

₂

(3.4)

ou

𝐼

1

− 𝐼

2

> 𝑘. 𝐼

1

+ 𝐼

2

(3.5)

𝐼

2

− 𝐼

1

> 𝑘. 𝐼

1

+ 𝐼

2

(3.6)

No presente trabalho foram utilizadas as equações 3.3 e 3.4, nas quais a constante k é chamada de coeficiente de polarização. De forma análoga à Ires, k também é definido utilizando como base a maior assimetria do sistema em regime permanente. O problema com a definição do valor do coeficiente k é que, para minimizar a ocorrência de trips indevidos do relé, ele deve ser ajustado com um valor relativamente alto. Essa condição, por sua vez, diminui a sensibilidade do sistema de proteção e, consequentemente, reduz sua zona de atuação.

Portanto, é esperado que, para faltas externas, as correntes que circulam em ambas a linhas possuem valores muito semelhantes de forma que o novo coeficiente de restrição, definido a partir da lógica percentual, possui valor suficientemente elevado para impedir atuações incorretas do relé. Além disso, para faltas internas, a depender do ajuste do coeficiente de polarização, a diferença entre os módulos das correntes nas linhas será superior ao valor percentual da soma delas, resultando em um

trip do relé e, assim, eliminando o defeito corretamente.

3.3. PLANO OPERACIONAL

O elemento diferencial percentual garante à proteção a possibilidade de utilizar uma ferramenta importante para a compreensão visual dos eventos ocorridos durante a atuação do relé diferencial transversal. Essa ferramenta, chamada de plano operacional ou plano de operação, é obtida ao se representar as correntes de operação e restrição no plano cartesiano[14]. Utilizando a própria

(29)

14

lógica de operação como a equação de uma reta que divide o plano em duas regiões obtém-se um plano dividido em duas regiões: região de operação e região de restrição do relé. Assim, o relé deve operar quando as seguintes condições forem satisfeitas [15]:

𝐼

𝑜𝑝

> 𝑘. 𝐼

𝑟𝑒𝑠

(3.7)

e

𝐼

_𝑜𝑝

> 𝐼

_{𝑝𝑖𝑐𝑘 −𝑢𝑝}

(3.8)

A partir das Equações (3.3) e (3.4) é possível definir que:

𝐼

_𝑜𝑝

= 𝐼

₁

− 𝐼

₂

(3.9)

𝐼

𝑟𝑒𝑠

= 𝐼

1

+ 𝐼

2

(3.10)

Portanto, o coeficiente de polarização k define a inclinação da reta que separa as regiões de operação e restrição do relé no plano operacional, representado na Fig. 3.2. Assim, quanto maior o valor de k, maior será a inclinação da reta e menor se torna a sensibilidade do relé. Por outro lado, para pequenos valores do coeficiente angular k, o relé se torna mais sensível a variações do sistema e maiores são as probabilidades de atuações indevidas da proteção. Por isso, é possível implementar a variação adaptativa do coeficiente angular da reta, de forma a melhorar a segurança da proteção para situações de saturação dos TCs, por exemplo [15].

Figura 3.2 – Plano Operacional.

É importante destacar ainda que 𝐼_{𝑝𝑖𝑐𝑘 −𝑢𝑝} é utilizado para evitar a atuação indevida da proteção para situações de funcionamento normal do sistema, como por exemplo durante situações de alto carregamento das linhas ou transitórios de chaveamento. Além disso, a definição de 𝐼𝑝𝑖𝑐𝑘 −𝑢𝑝

também possui influencia direta na sensibilidade da proteção. Seu valor deve ser definido levando em consideração a máxima corrente de carga do sistema, erros de medição dos TCs, correntes solicitadas pelos equipamentos de medição e transitórios eletro-magnéticos verificados no sistema. Da mesma forma que o coeficiente k, acréscimos no valor de 𝐼𝑝𝑖𝑐𝑘 −𝑢𝑝 levam à diminuição da sensibilidade da

I

o p

I

res

I

pick-up Região de Restrição

k

(30)

15

proteção, enquanto que o inverso provoca o aumento dessa sensibilidade. Portanto, percebe-se a importância do desenvolvimento de métodos que minimizem oscilações da corrente de operação de forma a possibilitar menores valores para os coeficientes k e 𝐼 _{𝑝𝑖𝑐𝑘 −𝑢𝑝} garantindo à proteção o aumento da sensibilidade sem decréscimos em sua segurança

.

3.4. MODOS DE OPERAÇÃO DA PROTEÇÃO DIFERENCIAL TRANSVERSAL

Dependendo do ponto de localização da falta, a proteção diferencial transversal pode atuar em dois modos diferentes, a saber: modo de operação instantâneo e modo de operação sucessivo. O modo de operação da proteção diferencial transversal está diretamente associado à velocidade total de eliminação do defeito. Portanto, o estudo e desenvolvimento de técnicas que permitam a maximização da região em que a proteção opera em modo instantâneo é de fundamental importância para garantir melhorias no desempenho da proteção.

Figura 3.3 – Pontos de localização de faltas.

Para a definição dos dois modos de operação da proteção, considerou-se a linha de transmissão de circuito duplo típica, representada na Figura 3.3 com seus respectivos pontos de faltas localizados de F1 a F6. Em funcionamento normal, as correntes que circulam em cada uma das linhas do circuito detalhado na Figura 3.3 possuem módulos aproximadamente iguais. Entretanto, para uma situação de falta, esse equilíbrio é perdido e a proteção atua, em modo instantâneo ou sucessivo, para eliminar o defeito. Assim, é possível definir os modos de atuação de proteção para cada um desses pontos como a seguir:

a) Modo de operação instantâneo:

O modo de operação instantâneo ocorre quando as correntes medidas em ambos os terminais da linha tem valores suficientemente grandes para que os dois relés detectem a falta simultaneamente. Nessa situação, os disjuntores de cada terminal do circuito são abertos de forma independente. Por exemplo, considerando o sistema da Fig.3.3, é possível definir que o

Barra 1 Fonte S

Z

_S Barra 2 R1 TC R2 TC Linha 1 Linha 2 TC TC B21 B22 B11 B12 Fonte R

Z

_R F 3 F 2 F 1 F5 F4 F 6

(31)

16

relé R1 opera em modo instantâneo na abertura dos disjuntores B11 e B21 para faltas localizadas nos pontos F1, F2, F4 e F5. De forma análoga, o relés R2 opera os disjuntores B12 e B22 para faltas localizadas próximo aos pontos F2, F3, F5 e F6, também no modo instantâneo.

a) Modo de operação sucessivo:

O modo de operação sucessivo ocorre principalmente para faltas localizadas em uma região localizada próxima ao terminal remoto do relé em análise. Esse fato ocorre pois, mesmo em situação de falta, os valores das corrente que circulam nas duas linhas são semelhantes e, portanto, a diferença entre elas possui valor reduzido. Nessa situação, a distribuição da corrente de falta através das duas linhas ocorre de tal forma que apenas um dos relés consegue detectar a falta instantaneamente e abrir seu disjuntor correspondente. Assim, após a abertura do primeiro disjuntor, a falta passa a ser alimentada apenas pelo terminal da linha que ainda se encontra fechado, ou seja, pelo terminal local. Como resultado, a diferença entre as correntes que passam por esse terminal se torna suficientemente grande para que o relé consiga detectar o defeito e, só então, o segundo disjuntor é aberto. Como exemplo, é possível verificar que o relé R1 atua no modo de operação sucessivo para faltas localizadas nos pontos F3 e F6. De forma semelhante, o relé R2 atua nesse mesmo modo para faltas que ocorrerem nos pontos F1 e F4.

Assim, a Tabela 3.1 apresenta a configuração completa dos modos de operação em função da localização das faltas no circuito.

Tabela 3.1 Modos de operação dos relés. Modos de operação

Instantâneo Sucessivo

Relé R1 F1, F2, F4 e F5 F3 e F6

Relé R2 F2, F3, F5 e F6 F1 e F4

É importante destacar que a Tabela 3.1 apresenta os modos de operação de cada um dos relés separadamente. Entretanto, é possível definir também os modos de atuação do sistema de proteção como um todo para cada uma das linhas, considerando os dois relés atuando em conjunto na proteção dessas linhas, e analisá-los em função da localização do defeito no sistema. Assim, para o mesmo sistema representado na Figura 3.2, os sistemas de proteção das linhas 1 e 2 possuem a seguinte lógica

(32)

17

de atuação apresentado na Tabela 3.2 a seguir:

Tabela 3.2 Modos de operação do sistema de proteção. Modos de operação Instantâneo Sucessivo Sistema de proteção da linha 1 F2 F1 e F3 Sistema de proteção da linha 2 F5 F4 e F6

É necessário ressaltar ainda que a característica de operação da proteção diferencial transversal apresentada considera um circuito duplo ideal, com as fontes de tensão conectadas possuindo valores de impedância e tensão exatamente iguais. Entretanto, os pontos em que a proteção opera em modo instantâneo ou sucessivo são diretamente influenciados por fatores como SIR das fontes, impedância de falta e abertura angular da linha. Assim, as características de operação explicitadas são apenas representações teóricas do funcionamento da proteção, enquanto que seu desempenho, em função desses parâmetros citados, será analisado posteriormente nesse trabalho.

3.5. CÁLCULO DA ZONA DE OPERAÇÃO SUCESSIVA

Considerando-se um circuito duplo com uma falta aplicada a um determinado ponto, conforme representado pela Figura 3.4, o percentual da linha de transmissão em que a proteção atua em modo de operação sucessivo pode ser calculado como se segue.

Figura 3.4 – Circuito duplo com falta aplicada na linha 1.

Admitindo que l é o comprimento total da linha de transmissão, que α.l é a distância do ponto de falta ao terminal remoto da linha e que a corrente de falta pode ser dada por 𝐼 𝐹 = 𝐼 1𝐿+ 𝐼 1𝑅 é

possível definir que [4]:

1 − 𝛼 𝐼

1𝐿

− 𝛼𝐼

1𝑅

= 𝐼

2𝐿

(3.11)

Barra 1 Fonte S Z_S Barra 2 R1 TC R2 TC Linha 1 Linha 2 TC TC B21 B22 B11 B12 Fonte R Z_R I1R

I

F I1L

(33)

18

Assim, obtém-se a seguinte relação:

𝐼

1𝐿

− 𝐼

2𝐿

= 𝛼(𝐼

1𝐿

+ 𝐼

1𝑅

) = 𝛼 𝐼

𝐹

(3.12)

Portanto, é possível obter uma relação para o coeficiente α correspondente à porcentagem da zona de operação sucessiva do relé R1 para a proteção da linha de transmissão 1:

𝛼 =

𝐼 1𝐿−𝐼 2𝐿

𝐼 𝐹

.100% (3.13)

3.6. MÉTODO DAS CORRENTES SOBREPOSTAS

3.5.1 Fundamentação Teórica

Como definido anteriormente, a utilização do elemento diferencial percentual garante notáveis aumentos na sensibilidade da proteção diferencial transversal. Entretanto, seu desempenho ainda é consideravelmente influenciado pela corrente de carga que circula nas linhas do circuito duplo [4-5].

Adicionalmente, é possível perceber que a lógica utilizada na proteção falha se uma das linhas estiver fora de funcionamento. Portanto, se um desligamento monopolar ou tripolar for executado em um dos terminais da linha afetada, o módulo das correntes nesse terminal em aberto cai a zero, enquanto que as correntes nesse mesmo terminal da outra linha aumentam. Essa situação leva o relé a um mau funcionamento, podendo causar, até mesmo, um trip indevido na linha sã. Esse efeito acontece principalmente no modo de operação sucessivo, mas pode ser verificado também no modo de operação instantâneo se houver diferenças significativas entre os tempos de abertura dos disjuntores dos dois terminais da linha [7].

Além disso, para situações em que as fontes conectadas ao sistema possuam forças diferentes, as correntes medidas nas duas linhas do terminal conectado à fonte fraca se mantém com valores muito próximos entre si. Assim, mesmo para situações de falta relativamente próximas a esse terminal, a proteção pode se tornar insensível ao defeito e, portanto, incapaz de eliminá-lo corretamente.

Nesse trabalho é utilizado o método das correntes sobrepostas associado à proteção diferencial percentual cruzada, tanto para resolver esses problemas citados quanto para aumentar a sensibilidade da proteção, garantindo assim um aumento no desempenho e na confiabilidade do mesmo.

Basicamente, o método permite que o relé utilize em sua lógica de operação apenas valores de correntes da falta pura, minimizando a influência do carregamento da linha em seu desempenho. Essa operação é realizada a partir da subtração entre os valores das correntes medidas após a ocorrência do defeito e as correntes medidas antes da falta. Portanto, a corrente sobreposta pode ser definida como o valor diferencial entre a corrente de curto-circuito e a corrente de carga da linha.