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A Implicação dos Arcos Eléctricos das Linhas de Média Tensão nos Sistemas de Protecção
1
Sérgio Oliveira6 de Junho de 2010
Dissertação 2009/2010
Sérgio Oliveira ([email protected]) 2
Motivação
•Defeitos monofásicos à terra que afectam a rede de distribuição correspondem a 70% a 90 % do total de defeitos;
•Análise dos defeitos monofásicos com formação de Arco Eléctrico;
•Estudos do comportamento do Sistema da Protecção das saídas aéreas das Subestações de Distribuição de Média Tensão devido a estes defeitos;
•Influência do Regime de Neutro na exploração do Sistema Eléctrico de Energia devido a defeitos à terra.
Sérgio Oliveira ([email protected]) 3
Objectivos
•Modelização e simulação de um defeito com formação de arco eléctrico na rede de distribuição de média tensão;
•As implicações dos defeitos com formação de arco eléctrico no desenho dos sistemas de protecção;
•As implicações dos defeitos com formação de arco eléctrico no regime de exploração do neutro das subestações de distribuição de média tensão;
•A influência arcos eléctricos na segurança, qualidade e continuidade de serviço;
•Influência da Resistividade dos Solos no regime de neutro;
•Implicações da uniformização do regime de neutro das subestações de distribuição de média tensão.
Sérgio Oliveira ([email protected]) 4
Software para Simulação: PSCAD®/EMTDC™
•Simulação respostas transitórias;
•Representação e resolução de equações diferenciais electromecânicos e
electromagnéticos no domínio do tempo;
•Ambiente se simulação gráfica;
•Simulação de alimentação de sistema AC e DC;
•Necessidade de realizar a simulação de forma eficaz e eficiente;
•Modelização e análise do sistema de energia;
•Adaptando-se ao desafio da modelização de um arco eléctrico e suas
implicações.
Sérgio Oliveira ([email protected]) 5
Modelo da Rede Eléctrica de Teste1.1. Validação do modelo do Arco Eléctrico;1.2. Validação da parametrização das funções de Protecção;1.3. Validação do Regime de Exploração do Neutro;1.4. Influência da Resistividade do Solo;1.5. Implicações da uniformização do regime de neutro.
Carga 1
Carga 2
Linha 1
Linha 2
Curto-circuito (Arco Eléctrico)
MVAScc 2505,2
RX
1Disjuntor
2Disjuntor
MVA100kV15/60
%4
Rede a
Montante
2C
2C
2C
2C
R L
R L
Sérgio Oliveira ([email protected]) 6
Modelo do Defeito com Formação de Arco Eléctrico
Modelo Matemático
0llv
0v
)(tlarco
)(tlarco
arcoi
00 ,rv G
g
)(tlarco
g
r
r)(|).|.( 00 tlirv
i
arcoarco
arco
0 Fechado
))(.( 00 ltlvAberto arco
g
1
0)( ltlFechado arco
0).1.()( ltvtlAberto larco
)(1
gGdt
dg
Circuito Eléctrico
Sim
Abrir
kl
dtdr
l
g
arcoarco
64&25,0
Tensão do Arco
0.550 0.600 0.650 0.700 0.750 0.800 0.850 0.900 ...
...
...
-30
-20
-10
0
10
20
30
Te
nsã
o (
kV
)
Sérgio Oliveira ([email protected]) 7
Corrente do Arco
t (s) 0.600 0.650 0.700 0.750 0.800 0.850 0.900 0.950 ...
...
...
-5.0
-4.0
-3.0
-2.0
-1.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Co
rre
nte
(kA
)
(C) (D)
(A) (B)
(A): Tensão do Arco Eléctrico para um Ensaio
Real em Laboratório
(B): Tensão do Arco Eléctrico utilizando a
modelização dinâmica em PSCAD/EMTDC
1.1. Validação do Modelo do Arco Eléctrico•Comparação entre os resultados obtidos laboratorialmente e em PSCAD/EMTDC
(C): Corrente do Arco Eléctrico para um Ensaio
Real em Laboratório
(D): Corrente do Arco Eléctrico para um Ensaio Real
em Laboratório
1 2
3 4
Sérgio Oliveira ([email protected]) 8
(A) (B)
1.2. Validação da Parametrização das Funções de Protecção
•Parametrização das protecções em PSCAD/EMTDC e verificação da actuação para
um defeito monofásico com formação de arco eléctrico.
Correntes da Linha com Defeito
t (s) 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 ...
...
...
-0.080
-0.060
-0.040
-0.020
0.000
0.020
0.040
0.060
0.080
Co
rre
nte
(kA
)
I_2A I_2B I_2C
Corrente da Linha com Defeito
t (s) 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 ...
...
...
-0.100
-0.080
-0.060
-0.040
-0.020
0.000
0.020
0.040
0.060
0.080
0.100
Co
rre
nte
(kA
)
I_2A I_2B I_2C
(A): Função de Protecção de Máximo de
Intensidade Fase
(B): Função de Protecção de Máximo de
Intensidade Homopolar Direccional
Sérgio Oliveira ([email protected]) 9
(A) (B)
1.3. Validação do Regime de Exploração do Neutro
1.3.1. Grandezas eléctricas para regime de neutro isolado aquando de um defeito
monofásico com formação de arco eléctrico
(A): Tensão na linha em defeito com formação de
arco eléctrico para uma rede com regime de
exploração do neutro Isolado.
(B): Tensão na linha sã devida ao defeito com
formação de arco eléctrico numa saída aérea para
uma rede com regime de exploração do neutro
Isolado.
Tensão da linha com Defeito
t (s) 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 ...
...
...
-20.0
-15.0
-10.0
-5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
Te
nsã
o (
kV
)
E_2A E_2B E_2C
Tensão da Linha Sã
t (s) 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 ...
...
...
-20.0
-15.0
-10.0
-5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
Te
nsã
o (
kV
)
E_1A E_1B E_1C
Sérgio Oliveira ([email protected]) 10
(A) (B)
1.3. Validação do Regime de Exploração do Neutro
1.3.2. Grandezas eléctricas para regime de neutro ligado directamente à terra para
um defeito monofásico com formação de arco eléctrico
(A): Tensão na linha em defeito com formação de
arco eléctrico para uma rede com regime de
exploração do neutro ligado directamente à terra.
(B): Tensão na linha sã devida ao defeito com
formação de arco eléctrico numa saída aérea para
uma rede com regime de exploração do neutro
ligado directamente à terra.
Tensão da Linha Sã
t (s) 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 ...
...
...
-15.0
-10.0
-5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
Te
nsã
o (
kV
)
E_1A E_1B E_1C
Tensão da linha com Defeito
t (s) 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 ...
...
...
-15.0
-10.0
-5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
Te
nsã
o (
kV
)
E_2A E_2B E_2C
Sérgio Oliveira ([email protected]) 11
(A) (B)
1.3. Validação do Regime de Exploração do Neutro
1.3.3. Grandezas eléctricas para regime de neutro com reactância limitadora da
corrente de defeito para um defeito monofásico com formação de arco eléctrico
(A): Tensão no ponto de neutro do transformador
com formação de arco eléctrico para uma rede
com regime de exploração do neutro com
reactância limitadora da corrente de defeito.
(B): Corrente na linha com defeito com formação
de arco eléctrico numa saída aérea para uma rede
com regime de exploração do neutro com
reactância limitadora da corrente de defeito.
Corrente no Ponto de Neutro
t (s) 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 ...
...
...
-0.30
-0.20
-0.10
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
Co
rre
nte
(kA
)
I_N
Corrente da Linha com Defeito
t (s) 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 ...
...
...
-0.60
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
Co
rre
nte
(kA
)
I_A2 I_B2 I_C2
Sérgio Oliveira ([email protected]) 12
(A) (B)
1.4. Influência da Resistividade do Solo
1.4.1. Influência da resistividade do solo para uma para o regime de neutro isolado
para um defeito monofásico com formação de arco eléctrico
(A): Tensão no ponto de neutro para uma
resistividade do solo que se traduz numa
resistência de 10Ω para um defeito com formação
de arco eléctrico para uma rede com regime de
exploração do neutro isolado.
(B): Tensão no ponto de neutro para uma
resistividade do solo que se traduz numa
resistência de 1000Ω para um defeito com
formação de arco eléctrico para uma rede com
regime de exploração do neutro isolado.
Corrente no Ponto de Neutro
t (s) 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0.550 ...
...
...
-0.008n
-0.006n
-0.004n
-0.002n
0.000
0.002n
0.004n
0.006n
0.008n
Co
rre
nte
(kA
)
I_N
Corrente no Ponto de Neutro
t (s) 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0.550 ...
...
...
-0.3p
-0.2p
-0.1p
0.0
0.1p
0.2p
0.3p
Co
rre
nte
(kA
)
I_N
Sérgio Oliveira ([email protected]) 13
(A) (B)
1.4. Influência da Resistividade do Solo
1.4.2. Influência da resistividade do solo para uma para o regime de neutro ligado à
terra através de uma Reactância limitadora da corrente de defeito.
(A): Tensão no ponto de neutro para uma
resistividade do solo que se traduz numa
resistência de 10Ω para um defeito com formação
de arco eléctrico para uma rede com regime de
exploração do neutro com reactância limitadora
da corrente de defeito.
(B): Tensão no ponto de neutro para uma
resistividade do solo que se traduz numa
resistência de 1000Ω para um defeito com
formação de arco eléctrico para uma rede com
regime de exploração do neutro com reactância
limitadora da corrente de defeito.
Corrente no Ponto de Neutro
t (s) 0.125 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 ...
...
...
-0.0060
-0.0040
-0.0020
0.0000
0.0020
0.0040
0.0060
Co
rre
nte
(kA
)
I_N
Corrente no Ponto de Neutro
t (s) 0.125 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 ...
...
...
-0.200
-0.150
-0.100
-0.050
0.000
0.050
0.100
0.150
0.200
Co
rre
nte
(kA
)
I_N
Sérgio Oliveira ([email protected]) 14
1.5. Implicações da Uniformização do Regime de Neutro
•Questões económicas e desenvolvimento das redes:•Regime de neutro isolado coloca limitações ao desenvolvimento das redes;•Utilização de cabos em substituição as linhas aéreas.
•Concepção de novas subestações e as subestações em exploração:•Garantir padrões de qualidade, segurança e continuidade de serviço.
•Impacto ao nível da regulação do sistema de protecção:• Utilização de relés de dupla sensibilidade.
•Compromisso entre aspectos de ordem económica, e de continuidade, segurança e qualidade de serviço:
•Alteração de normas e regulamentos relativos a isolamento dos equipamentos e ao crescimento das redes de distribuição.
Sérgio Oliveira ([email protected]) 15
Principais Conclusões
•A rede de distribuição é a que mais contribui para a deterioração do nível de qualidade de serviço;
•Um defeito monofásico com formação de arco eléctrico pode ser representado por um modelo dinâmico, através da ligação à terra por uma resistência de carácter dinâmico;
•Defeitos com formação de arco eléctrico, mas de carácter muito resistivo obriga a adopção de técnicas de detecção de defeitos de alta impedância;
•Os factores que influenciam a qualidade de serviço são diversos, salienta-se o regime de exploração do neutro da média tensão;
•A escolha do regime de neutro a adoptar nas subestações é determinante para o funcionamento do sistema de protecção;
Sérgio Oliveira ([email protected]) 16
Principais Conclusões
•Regime de neutro isolado, no caso de existir uma elevada resistividade do solo, existirá uma dificuldade acrescida na detecção de defeitos;
•Regime de neutro com reactância limitadora da corrente de defeito facilita a detecção dos defeitos mesmo em situações de solo muito resistivo;
•A uniformização do regime de neutro das subestações poderá significar repensar todo o sistema de protecção, ou no pior dos casos toda a rede de distribuição;
•Sistema de neutro standard:•Alteração de normas e regulamentos relativos a isolamento dos equipamentos.•Economicamente um contributo positivo;•Qualidade, segurança e continuidade de serviço considerações terão de ser feitas:
•Procura por maior segurança e a protecção ambiente;•Necessidade de reduzir as consequências dos defeitos em equipamentos e salvaguardar as pessoas contra os defeitos na rede de distribuição;
Sérgio Oliveira ([email protected]) 17
Trabalhos Futuros
•Desenvolvimento de uma nova protecção para a detecção de defeitos monofásicos com formação de Arco Eléctrico a partir da análise da transformada de Wavelet ;
•Desenvolvimento do princípio da protecção de terras resistentes que aumente a sensibilidade e a selectividade das protecções de forma a obter disparos para um maior número de defeitos muito resistivos.
