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Marcelo Lobo Heldwein, Dr. Sc. <[email protected]>
Introdução à proteção de redes
ativas de distribuição Eletrônica de Potência para
Redes Ativas de Distribuição
Refs.:
Per Karlsson, “DC Distributed Power Systems - Analysis, Design and Control for a
Renewable Energy System ,” 2002.
— Exemplo 1
• Situação 1
o Se a falta for em A ou próxima de DG
o Monitorar a tensão no barramento e abrir PD
Influência de GD em esquemas de
proteção
2
— Exemplo 1
• Situação 2
o Se a falta for em C ou longe de DG
o UMZ-2 deverá ser mais rápida que UMZ-1 e abrir
Influência de GD em esquemas de
proteção
3
— Exemplo 1
• Situação 3
o Se a falta for em B ou mais ou menos longe de DG
o UMZ-1 possivelmente abrirá
Influência de GD em esquemas de
proteção
4
— Outros possíveis problemas
• Islanding
o Fontes de GD mantém energizada uma parte da rede
• Atuação de protetores de rede
o Estes são protetores que só permitem fluxo de potência em uma única direção
Influência de GD em esquemas de
proteção
5
6 INEP
Rede exemplo 1
– Rede radial sem GD
– Fluxo unidirecional
– Somente disjuntores e
fusíveis são utilizados
6
7 INEP
Rede exemplo 2
– Rede radial com GD
– Fluxo bidirecional
– Em caso de falta, todas as
unidades de GD são
desconectadas
– Somente disjuntores e
fusíveis são utilizados
7
8 INEP
Rede exemplo 3
– Rede em anel com GD
– Fluxo bidirecional
– São gerados anéis para
circulação de corrente
– Possibilidades:
• Proteção diferencial
• Proteção contra
sobrecorrentes com
módulos de direção e
comunicação
8
9 INEP
Outros aspectos para a proteção de GD
— Relés de impedância
• Medem correntes, que podem ser menores com a
inclusão de GD
— Flicker (cintilamento)
• Intermitência de fontes
— Aterramento
• Todos os potenciais de terra devem ser
equalizados
— Níveis de corrente de falta
• Inversores têm limitações de corrente
9
— Desligamento quando a rede colapsa
• Vantagens
o Baixo custo
o Facilidade de implementação
• Desvantagens
o Não há aumento de confiabilidade
• Requisitos de desconexão, sobrecorrente e sobretensão
de acordo com IEEE 1547
Esquemas de proteção para geração
distribuída
10
— Desligamento quando a rede colapsa
• Métodos anti-ilhamento (anti islanding)
o Passivos
o Ativos
Esquemas de proteção para geração
distribuída
11
— Desconectar e manter uma pequena parte da rede
(microrrede) operando quando a rede colapsa
• Vantagens
o Há aumento de confiabilidade
• Desvantagens
o Aumento de custo
o Necessidade de métodos de proteção adequados quando em ilhamento
Esquemas de proteção para geração
distribuída mais “evoluídos”
12
13 INEP
Chave estática
13
14 INEP
Chave estática
14
15 INEP
Chave estática - sincronização
15
Chave estática - sincronização
16
— Devem operar em ambos os modos de operação (em
ilhamento e conectada)
— Devem ser capazes de detectar uma ampla faixa de
correntes de falta
— Devem ser capazes de detectar correntes de faltas
“bidirecionais”
— Em resumo: devem ser bem diferentes dos utilizados
em redes de distribuição convencionais
Esquemas de proteção para microrredes
17
— Desconectar toda a microrrede em caso de falta
dentro desta
• Vantagens
o Facilidade de coordenação
o Custo relativamente baixo de implementação
• Desvantagens
o Menos confiabilidade
o A desconexão/conexão de grandes cargas/geradores pode piorar a situação para a concessionária
Esquemas de proteção para microrredes
18
— Desconectar com seletividade apenas a linha sob falta
• Vantagens
o Maior confiabilidade (especialmente para redes interconectadas)
• Desvantagens
o Dificuldade de coordenação
o Alto custo de implementação
• Desafios
o Fontes estão distribuídas
o Limitação de correntes de falta de inversores
Esquemas de proteção para microrredes
19
20 INEP
Proteção plug-and-play
20
• Vantagens
o Facilidade de implementação
o Não necessita de alterações para incluir novas fontes
• Desvantagens
o Não há comunicação
o Pode não ser capaz de detectar algumas faltas de alta impedância
• Desafios
o Uso de componentes simétricas
o Coordenação entre operação desbalanceada e sob falta
o Temporização de relés
Proteção plug-and-play
21
— Uso de proteção diferencial contra sobrecorrentes
— Uso de comparação de níveis de tensão
• Vantagens
o Operam bem tanto em ilhamento quanto com a rede conectada
• Desvantagens
o Podem não ser capazes de detectar algumas faltas de alta impedância
Esquemas de proteção com comunicação
22
— Uso de relés digitais de proteção
• Utilizam relés modernos com medição fasorial
sincronizada
o Desnecessário para distâncias < 29 km
• Se baseiam em comunicações de alta velocidade
• São capazes de detectar faltas de alta impedância
• Corrente é amostrada 16 vezes a cada período de rede
e comunicada com os relés próximos
• Relés são utilizados nos terminais de cada linha
Esquemas de proteção com comunicação
23
— Uso de relés digitais de proteção
• Proteção primária
o Proteção diferencial comunicada entre relés nos terminais de cada linha
o Comparam-se as diferenças e se estas forem maior que dado limite, dispara-se a proteção
o Desconecta-se na próxima passagem por zero
Esquemas de proteção com comunicação
24
— Uso de relés digitais de proteção
• Proteção secundária (backup)
o Havendo falha na abertura da linha, dispara-se sinal para todos os dispositivos de proteção do distribuidor
o Envia-se o sinal se a corrente diferencial ainda é medida após 300 ms
Esquemas de proteção com comunicação
25
— Uso de relés digitais de proteção
• Proteção terciária
o Em caso de falta do link de comunicação utiliza-se a proteção por comparação de níveis de tensão
– Dispara-se o relé com maior sobretensão ou
menor subtensão
– Envia-se sinal para o controlador central
o Atua, no máximo, 600 ms após a medição da sobre- ou subtensão para que haja tempo das outras proteções atuarem
o Todas as fontes são desconectadas após 1 s de medição de sobre- ou subtensão
Esquemas de proteção com comunicação
26
27 INEP
Exemplo de proteção com comunicação
– PD 1: Proteção no PCC
– PD 2: Proteção de
alimentador utilizando
mini-disjuntor (MCB),
disjuntor (CB) ou chave
estática (SS)
– PD 3: Ramal de serviço
de utilizando MCB ou SS
em nanorredes ou
Microrredes em CC
– PD 4: Proteção de GD
27
28 INEP
Exemplo de proteção com comunicação
28
29 INEP
Exemplo de proteção com comunicação
29
30 INEP
Aterramento e detecção em CC
30
31 INEP
Aterramento e detecção em CC
– Aterramento deve
considerar tensões de
sequência 0
– Capacitores de
aterramento devem
garantir correntes
suficientes para detectar
uma falha
– Capacitância de cabos
deve ser somada
31
32 INEP
Situações de falta
— Curto-circuito no lado CC – Capacitores do
barramento contribuem
para as correntes de falta
32
33 INEP
Situações de falta
— Curto-circuito no lado CC – Constantes de tempo
são tipicamente longas
pelos altos valores de
capacitância
– Após a descarga dos
capacitores o curto é
alimentado pelas fontes
CA através de diodos
dos retificadores
33
34 INEP
Situações de falta
— Curto-circuito no lado CA – As correntes de curto
são alimentadas pelas
fontes de energia
– Proteções em CA devem
atuar facilmente
– Se o curto for próximo a
um conversor, a
proteção ou limitação de
corrente pode atuar sem
problemas
34
35 INEP
Situações de falta
— Curto-circuito no lado CC para terra – Capacitores de
aterramento e de cabos
para a terra contribuem
para as correntes de falta
35
36 INEP
Situações de falta
— Curto-circuito no lado CC para terra – Constantes de tempo
são tipicamente curtas
– Pode-se incluir resistores
em série com capacitores
de aterramento
36
37 INEP
Situações de falta
— Curto-circuito no lado CA para a terra – Condições iniciais
dependem do tempo
37
38 INEP
Situações de falta
— Curto-circuito no lado CA para a terra – As correntes de curto
são alimentadas por
diferentes caminhos
38
39 INEP
Situações de falta
— Curto-circuito no lado CA para a terra – Indutâncias e
semicondutores limitam
os valores de corrente
39
40 INEP
Detecção e seletividade
— Correntes de curto-circuito para a terra fluem como
correntes de modo comum
— Para impedâncias de falta baixas, fluem altas correntes
de modo comum
— Para altas impedâncias de falta, as amplitudes são
baixas e se deve realizar medições diferenciais
40
41 INEP
Detecção e seletividade
— Sugestão: – Em alguns casos é
necessário utilizar
detectores de derivada
ou integral das correntes
medidas e até das
tensões dos barramentos
41
— Interruptores eletromecânicos
• Tempo de abertura:100’s ms até10 s
• Tempos dependem da corrente
• Queda de tensão em condução é baixa (μΩ)
• Boa capacidade de sobrecarga
Proteção por dispositivos
eletromecânicos
42
— Princípios
• Criação de um arco elétrico
• Extingue-se na passagem por zero da corrente (CA)
• Se a tensão sobre o arco crescer mais lentamente que a
capacidade dielétrica, não há re-ignição
• Relação X/R indica a velocidade de crescimento da
tensão de recuperação
• X/R alto = alta velocidade de crescimento da tensão
Proteção por dispositivos
eletromecânicos
43
— Capacidade dielétrica
• Aumenta com
o Resfriamento do arco
o Aumento da pressão
o Aumento de ar fresco
o Aumento do comprimento do arco
Proteção por dispositivos
eletromecânicos
44
— E em CC?
Proteção por dispositivos
eletromecânicos
45
— Em CC
• O dispositivo de proteção deve “construir” uma tensão
contrária para abrir um circuito
• A energia armazenada na linha (indutâncias distribuídas)
deve ser absorvida pelo dispositivo antes de abrir
• Contatos mecânicos sofrem erosão = custo de
manutenção
Proteção por dispositivos
eletromecânicos
46
— Abrir uma corrente em CC:
• Aumenta-se a distância do arco
• Melhoram-se as condições para extinção do arco
o Opção: 3 disjuntores CA em série
o Corrente para disparo magnético é √2 vezes para disjuntor CA operando em CC
• Utiliza-se o campo magnético para aumentar a distância
o Opção: 1 disjuntor CC (maior custo)
• Utiliza-se ressonância
o Opções:
Proteção por dispositivos
eletromecânicos
47
— Abrir uma corrente em CC :
• Aumenta-se a distância do arco
• Melhoram-se as condições para extinção do arco
o Opção: 3 disjuntores CA em série
o Corrente para disparo magnético é √2 vezes para disjuntor CA operando em CC
• Utiliza-se o campo magnético para aumentar a distância
o Opção: 1 disjuntor CC (maior custo)
• Utiliza-se ressonância
o Opção: disjuntor híbrido
o Utilizado em HVDC
Proteção por dispositivos
eletromecânicos
48
— Abrir uma corrente em CC :
• Aumenta-se a distância do arco
• Melhoram-se as condições para extinção do arco
o Opção: 3 disjuntores CA em série
o Corrente para disparo magnético é √2 vezes para disjuntor CA operando em CC
• Utiliza-se o campo magnético para aumentar a distância
o Opção: 1 disjuntor CC (maior custo)
• Utiliza-se ressonância
o Opção: disjuntor híbrido
o Utilizado em HVDC
• Utiliza-se interruptores eletrônicos
Proteção por dispositivos
eletromecânicos
49
50 INEP
Relé eletrônico contra sobrecarga
— Configuração
50
51 INEP
Relé eletrônico contra sobrecarga
51
52 INEP
Relé eletrônico contra sobrecarga
52
53 INEP
Relé eletrônico contra sobrecarga
– Vantagens
• Velocidade
• Confiabilidade
• Flexibilidade
• Custo competitivo
• Multifuncionalidade
• Sem arco elétrico
• Sem oscilações
transitórias
• Sem ruído audível
• Baixo consumo
• Facilidade de inclusão
de comunicação
• Altas perdas em
condução
53
54 INEP
Disjuntor híbrido
54
55 INEP
Disjuntor híbrido
55
56 INEP
Disjuntor híbrido
56
57 INEP
Disjuntor híbrido com comutação forçada
57
58 INEP
Disjuntor híbrido com comutação forçada
58
59 INEP
Disjuntor híbrido com snubber
59
60 INEP
Disjuntor híbrido com snubber
60
61 INEP
Disjuntor híbrido com snubber
61
62 INEP
Disjuntor eletrônico
62
63 INEP
Disjuntor eletrônico
63
64 INEP
Comparação
64
65 INEP
Comparação
65
66 INEP
Comparação
– Custos em k€
66
67 INEP
Disjuntor híbrido sem arco
67
68 INEP
Disjuntor híbrido sem arco
– Snubber!
68
69 INEP
Disjuntor híbrido sem arco
– Desempenho
• 100 kA
• 30 kV
• 100 vezes menor que
outras opções
• Vários detalhes por
resolver
69
70 INEP
Disjuntor híbrido
70
71 INEP
Disjuntor híbrido
71
72 INEP
Disjuntor híbrido
72
73 INEP
Disjuntor híbrido
73
74 INEP
Disjuntor híbrido
74
75 INEP
Disjuntor eletrônico
75
76 INEP
Disjuntor eletrônico
76
77 INEP
Disjuntor eletrônico
– Comparação de
dispositivos
77
78 INEP
Disjuntor eletrônico
– Configurações para altas
tensões
78
79 INEP
Disjuntor eletrônico
– Aplicação em MT
– Coordenação
• I: 100 ms
• II: 500 ms
• III: 1,0 s
• IV: 1,5 s
– .: não se pode abrir IV ou
III muito rápido
– Alternativa:
• Limitação de corrente
79
80 INEP
Disjuntor eletrônico
– Aplicação em MT
– Coordenação
• I: 100 ms
• II: 500 ms
• III: 1,0 s
• IV: 1,5 s
– .: não se pode abrir IV ou
III muito rápido
– Alternativa:
• Limitação de corrente
• Com L, C ou LC
80
81 INEP
Disjuntor eletrônico
81
82 INEP
Disjuntor eletrônico
82
83 INEP
Disjuntor eletrônico
83
84 INEP
Disjuntor eletrônico
84
85 INEP
Disjuntor eletrônico
85
