AVALIAÇÃO DO DESEMPE NHO DO RELÉ DE ... são apontados os efeitos mais comuns da compensação série

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Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica (PPGEL)

Associao ampla entre UFSJ e CEFET-MG

AVALIAO DO DESEMPENHO DO REL DE

DISTNCIA EM LINHAS DE TRANSMISSO COM

COMPENSAO SRIE CONTROLADA POR TIRISTOR

por

Mateus Andrade Ferreira

Belo Horizonte

2018

ii

Mateus Andrade Ferreira

AVALIAO DO DESEMPENHO DO REL DE

DISTNCIA EM LINHAS DE TRANSMISSO COM

COMPENSAO SRIE CONTROLADA POR TIRISTOR

Dissertao de mestrado apresentada ao

Programa de Ps-Graduao em Engenharia

Eltrica, associao ampla entre CEFET-MG e

UFSJ, como parte dos requisitos exigidos para a

obteno do ttulo de Mestre em Engenharia

Eltrica. rea de concentrao: Sistemas

Eltricos SE. Linha de Pesquisa: Planejamento

e Operao de Sistemas Eltricos de Potncia

POSEP.

Orientador: Rafael Silva Alpio

Coorientador: Eduardo Gonzaga da Silveira

Belo Horizonte

2018

iii

AVALIAO DO DESEMPENHO DO REL DE

DISTNCIA EM LINHAS DE TRANSMISSO COM

COMPENSAO SRIE CONTROLADA POR TIRISTOR

Mateus Andrade Ferreira

Texto da Dissertao de Mestrado submetido Banca Examinadora designada pelo

Colegiado do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica do Centro Federal de

Educao Tecnolgica de Minas Gerais, como requisito parcial para obteno de ttulo de

Mestre em Engenharia Eltrica.

BANCA EXAMINADORA:

______________________________________________________

Prof. Dr. Rafael Silva Alpio (orientador)

Centro Federal de Educao Tecnolgica de Minas Gerais

______________________________________________________

Prof. Dr. Eduardo Gonzaga da Silveira (Coorientador)

Centro Federal de Educao Tecnolgica de Minas Gerais

______________________________________________________

Prof. Dr. Alex Sander Amvel Luiz

Centro Federal de Educao Tecnolgica de Minas Gerais

______________________________________________________

Prof. Dr. Mrcio Matias Afonso

Centro Federal de Educao Tecnolgica de Minas Gerais

______________________________________________________

Prof. Dr. Clever Sebastio Pereira Filho

Universidade Federal de Minas Gerais

v

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeo ao prof. Eduardo Gonzaga, pela orientao durante essa

jornada, e ao prof. Alex-Sander pelo suporte no desenvolvimento do sistema de aquisio de

dados do trabalho.

Agradeo tambm aos demais professores do PPGEL pelo conhecimento que

compartilharam comigo em todas as disciplinas, em especial professora rsula e ao

professor Rafael Alpio, pois so exemplos de profissionais nos quais me inspiro ao atuar

como professor no ensino tcnico.

Agradeo aos tcnicos responsveis pelo LEACOPI, Mrcio, Henrique e lton, pelo

suporte prestado, sempre com muita boa vontade.

Ao engenheiro Joo Marcos da TRANCIL que colaborou com a doao de parte dos

indutores utilizados na abordagem prtica do trabalho.

Aos meus amigos Bernardo, William e Laisla que sempre se dispuseram a me ajudar

no s com solues tcnicas, mas ouvindo minhas angustias e incertezas.

Aos meus pais Jos Nicodemos e Rosilda, pelo apoio incondicional por toda a minha

vida.

vi

RESUMO

Este trabalho tem como propsito apresentar a avaliao do desempenho da funo de

distncia do rel de proteo quando aplicado em linhas de transmisso com compensao

srie fixa e controlada por TCSC (Thyristor-Controlled Series Capacitor). Este tipo de proteo

tem seu funcionamento baseado na impedncia da linha, portanto afetada por problemas

relacionados a compensao srie. So apresentadas as principais caractersticas de

funcionamento deste tipo de compensao com maior nfase no sistema controlado. Tambm

so apontados os efeitos mais comuns da compensao srie no funcionamento da proteo

de distncia. A maioria destes efeitos esto relacionados com a mudana na impedncia da

linha protegida, no entanto tambm tem relao com outros fenmenos, como transitrios e

pela atuao de sistemas de proteo dos capacitores. Para a avaliao proposta foi

desenvolvida uma montagem prtica de linha de transmisso com tenso reduzida, assim

como um mdulo de TCSC trifsico que permite compensar a linha em at 40%. Esto

descritos ensaios em que foram simulados diferentes tipos de faltas com diversas

caractersticas de compensao em um ponto especfico do sistema proposto. Durante os

testes as tenses e correntes do sistema so amostrados por meio de uma placa de aquisio

de dados e posteriormente processados em um algoritmo, desenvolvido no software Matlab,

que simula a funo de proteo de distncia de caracterstica MHO de um rel. Uma

simulao computacional com caractersticas semelhantes da abordagem prtica foi

desenvolvida no software Simulink para validao dos resultados. Por fim, so apresentadas

as concluses da anlise.

Palavras chave: Rel de distncia, compensao srie, TCSC.

vii

ABSTRACT

The purpose of this dissertation is to present a performance evaluation of the protection relay

distance function when applied in series compensated transmission lines. This type of

protection has its operation based on line impedance, so it is affected by problems related to

series compensation. The main operating characteristics of this type of compensation are

presented with greater emphasis on the controlled system (TCSC). Its also mentioned the

most common effects of series compensation in the operation of the distance protection. These

effects are not only related to the change in impedance of the protected line, but also with other

phenomena, such as transients and the operation of capacitor protection systems. For the

proposed evaluation a practical transmission line assembly was developed with reduced

voltage, as well as a three-phase TCSC module that allows to compensate the line by up to

40%. There are described tests in which different types of faults with different compensation

characteristics were simulated at a specific point in the proposed system. During the tests, the

voltages and currents of the system are sampled by means of a data acquisition board and

later processed in an algorithm, developed in Matlab software, which simulates the MHO

characteristic distance protection function of a relay. A simulation with similar characteristics

to the practical approach was developed in Simulink software to validate the results. Finally,

the conclusions of the analysis are presented.

Key words: Distance relay, series compensation, TCSC.

SUMRIO

RESUMO .......................................................................................................................................... VI

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................................. X

LISTA DE TABELAS .......................................................................................................................... XVI

1. INTRODUO ........................................................................................................................... 1

1.1 RELEVNCIA ....................................................................................................................................................... 1 1.2 OBJETIVOS ......................................................................................................................................................... 2 1.3 ESTRUTURA DO TEXTO ......................................................................................................................................... 2

2. A COMPENSAO SRIE ........................................................................................................... 4

2.1 COMPENSAO SRIE FIXA ................................................................................................................................... 4 2.1.1 Grau de compensao ........................................................................................................................... 5 2.1.2 Fluxo de potncia em uma linha de transmisso com compensao Srie fixa .................................... 7 2.1.3 Estabilidade de sistemas com compensao fixa .................................................................................. 8 2.1.4 Arranjo fsico e sistema de proteo ................................................................................................... 10

2.1.4.1 Proteo com centelhadores ............................................................................................................................ 11 2.1.4.2 Proteo com centelhador duplo ..................................................................................................................... 12 2.1.4.3 Proteo com varistores ................................................................................................................................... 13

2.1.5 Localizao da compensao srie ...................................................................................................... 14 2.1.6 Ressonncia subsncrona ..................................................................................................................... 15

2.1.6.1 Auto-excitao .....................................