XV SEMI NÁRIO NACIONAL DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA - SENDI 2002

Resultados Obtidos na Operação de Sistemas de Compensação Série em

Alimentadores de Média Tensão da AES Sul

H. R. P. M. de Oliveira - AES Sul, C. E.C. Figueiredo - AES Sul, N.C. de Jesus - UNIJUÍ

E-mail: hermes.oliveira@aes.com

Palavras-chave - Sistemas de Distribuição, Regulação deTensão, Oscilações de Tensão, Compensação Série,Qualidade de Energia.

Resumo - Este trabalho relata as experiências durante ocomissionamento e aplicação de sistemas comcompensação série em alimentadores de distribuiçãopertencentes a AES SUL - Distribuidora Gaúcha deEnergia S/A. São apresentados os resultados de mediçõesrealizadas num sistema onde ocorreram oscilações detensão devido a interação do capacitor série com motoresde indução trifásicos no acionamento de levanteshidráuli cos. A análise da operação através de programasde transitórios eletromagnéticos demonstrou ainstabilidade no sistema inicialmente proposto parainstalação da compensação série. Neste caso, realizou-seuma adequação para um novo sistema de distribuição,cujos resultados durante a energização e desempenho sobcondições normais de operação são também apresentados.

1. INTRODUÇÃO

A aplicação de sistemas de compensação série éamplamente utilizada em sistemas de transmissão,visando a melhoria da estabilidade tanto em regimepermanente quanto transitório, além do aumento dacapacidade de transporte de energia elétrica [6]. Autilização desta filosofia de compensação em sistemas dedistribuição também tem apresentado inúmerosbenefícios, sendo que muitos projetos comprovam técnicae economicamente as vantagens sobre o sistemaconvencional com reguladores de tensão e capacitoresshunt. Atualmente, existem aproximadamente 200capacitores série instalados e utilizados em sistemas dedistribuição de vários países do mundo [5]. Neste caso, oprincipal objetivo é a redução das quedas de tensãoexistentes e melhoria da regulação do sistema.Atualmente, com a necessidade de níveis de qualidade deenergia compatíveis, a utilização de capacitores sérietambém é direcionada no sentido de reduzir os índices deseveridade de fli cker. Apesar das inerentes vantagens dacompensação série, como a regulação praticamenteinstantânea, diminuição dos valores de regulação detensão e suporte a partida de motores, os efeitos adversossão bem conhecidos, decorrentes principalmente dosfenômenos de ferroressonância e oscilações subsíncronas[1], [7]. Neste sentido, são apresentados os resultados eas considerações sobre a aplicação em dois alimentadoresde distribuição em 23 kV, pertencentes ao sistema

elétrico da AES SUL. O sistema inicialmente adotadopela concessionária para apli cação da compensação sérieapresentava elevadas quedas de tensão mesmo com apresença de três reguladores de tensão. Além disso, ademanda máxima era praticamente proveniente dosacionamentos de bombas locali zadas juntos aos levanteshidráuli cos utilizados durante o período de irrigação daslavouras de arroz na fronteira do Estado do Rio Grandedo Sul, especificamente, o alimentador 110 da SubestaçãoI de Uruguaiana/RS, que alimentava inúmeros motores degrande porte na faixa de 200 a 400 CV, os quais partiamprincipalmente através de chaves compensadoras. Apósos estudos e definição do projeto por um consultorexterno, realizou-se os procedimentos paraimplementação do projeto, com a proposta de substituirdois reguladores automáticos de tensão por bancos decapacitores em série, cada qual com reatânciasequivalentes de 35 [Ω]. Durante o comissionamento doprojeto original foram observadas oscilações de tensão, asquais resultaram em uma instabilidade do sistema, nãosendo possível a operação do equipamento junto ascondições normais de carga do sistema. Após assimulações realizadas em programas de transitórioseletromagnéticos, onde conclui-se a vulnerabili dade einviabili dade da aplicação dos bancos no referidosistema, procedeu-se com o objetivo de realocar um dosbancos em um outro sistema com características distintas,cujos resultados após a inserção do sistema decompensação série foram satisfatórios, conforme descritoa seguir.

2. PROJETO ORIGINAL

O alimentador 110 do sistema de Uruguaianaoriginalmente supria em 23 kV uma demanda máximapróxima a 12 MVA com um fator de potência de 0,9quando o projeto inicial foi realizado.Naturalmente,considerando a influência de três bancos decapacitores shunt instalados ao longo do alimentador,cada um com potência nominal de 600 kVAr. Em relaçãoa queda de tensão, mesmo com três reguladores de 32degraus e 200 A, conectados em estrela aterrada, oalimentador apresentava uma queda de tensão próxima a15% no ponto mais crítico, sob condições de operação aplena da carga, referente as atividades correlacionadas airrigação das lavouras de arroz. Neste particular, serianecessário a implementação de uma nova solução paramelhoria e adequação do perfil de tensão deste sistema.

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A figura 1 mostra o diagrama unifilar do sistema originalde Uruguaiana.

Fig. 1 - Diagrama unifilar original (Al 110/Uruguaiana)

Conforme projeto elaborado por um consultor externo,contratado pela AES Sul, dois reguladores de tensãoseriam substituídos por dois bancos idênticos decapacitores série com reatância capacitiva de 35 Ω epotência nominal de 5,1 MVAr cada banco, visando amelhoria da tensão fornecida. A figura 2 apresenta odiagrama unifilar do sistema projetado para Uruguaiana,com a utilização da filosofia de compensação série,segundo o consultor externo. Os bancos de capacitoresshunt nestas mesmas condições, seriam realocados nasbarras a montante do primeiro banco série para nãominimizar o efeito de compensação.

Fig. 2 - Diagrama unifilar com compensação série (Al 110/Uruguaiana)

Salienta-se que o primeiro banco apresentava um altograu de compensação de aproximadamente 280%,enquanto a relação XC/XL do segundo equivalia a valorespróximos a 180%. A necessidade destes níveis decompensação era decorrente do fator de potênciarelativamente alto deste alimentador, associado aselevadas resistências dos condutores utilizados. Alémdisso, o levantamento da carga indicou motores dediversas potências nominais, sendo os mais significativosna faixa de 200 a 400 C. Os resultados deste projeto emregime permanente mostravam que a máxima queda detensão do alimentador ficaria próxima a 7%.

3. RESULTADOS OBTIDOS (AL 110)

Após a instalação dos equipamentos necessários paraefetivar a operação da proposta original, foi realizado ocomissionamento para energização do sistema decompensação série. O primeiro banco foi conectadodurante operação das principais cargas deste sistema, ouseja, junto a operação de motores de indução trifásicosutilizados no acionamento de levantes hidráuli cos. Logoapós a inserção do banco de capacitores série, observou-se significativas oscilações de tensão. Imediatamente,procedeu-se no sentido de operar a chave de by-passatravés do comando manual do dispositi vo de proteção avácuo. A figura 3 mostra como ocorreu a variação datensão RMS, com valores de tensão insustentáveis,resultando inclusive em cintilação das lâmpadas dosconsumidores próximos a este banco. A figura 4 mostra oregistro da forma de onda em um determinado instante,

quando da ocorrência das oscilações. Analisando ocomportamento das tensões instantâneas, e considerandoa envoltória, verifica-se uma freqüência equivalentepróxima a 8Hz. Foram realizadas algumas energizaçõesadicionais, as quais também apresentaram ocorrênciascríticas e instabili dade do sistema. Sendo assim, optou-seem fazer somente a inserção do segundo banco decapacitores em série, o qual em operação não implicouem qualquer perturbação do sistema. Porém, os resultadosde desempenho em regime permanente não foram osesperados. Neste momento, novamente tentou-seenergizar o primeiro banco de capacitores, mas osresultados foram surpreendentes, com sobretensõesdrásticas sustentadas no sistema, as quais provavelmenteforam decorrentes do fenômeno de ferrorresonância como transformador de potencial instalado no sistema deproteção do segundo banco ou transformadores dedistribuição operando a vazio. Entretanto, nestascondições, não registrou-se as formas de onda peloequipamento de medição e procedeu-se no sentido deretirada definitiva do equipamento através doacionamento de seu by-pass.

Fig. 3 - Comportamento da tensão RMS durante oscilações subsíncronas

Fig.4 - Tensões instantâneas durante a ocorrência de oscilaçõessubsíncronas

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4. RESULT ADOS DE SIMULAÇÃO (AL 110)

Para avaliar a vulnerabil idade do sistema proposto, frenteas condições de oscilações subsíncronas devido a partidade motores de indução, foram simulados diversos casosatravés da modelagem do sistema no programa detransitórios eletromagnéticos Microtran, cujos resultadossão apresentados a seguir.

4.1. Partidas de Motores de InduçãoComo o sistema apresentava carga motora com a maispreponderante, analisou-se os resultados de partida demotores de indução trifásicos a jusante do sistema decompensação série. As figuras 5, 6 e 7 mostram,respectivamente, as correntes de partida para motorescom potências nominais de 75, 150 e 200 CV, conectadosno sistema de baixa tensão em 380 V, imediatamenteapós a barra de instalação do capacitor série. Observou-seque na medida do aumento da potência nominal dosmotores, aumentava a probabili dade de oscilaçõessubharmônicas (auto-excitação) com a presença docapacitor série [4].

Fig. 5 - Corrente de partida do motor de 75 CV

Fig. 6 - Corrente de partida do motor de 150 CV

Na figura 6, as correntes apresentaram uma pequenatendência de oscilação, porém o motor atingiu o regimepermanente de maneira normal. Já para o motor de maiorpotência (200 CV), as correntes não se estabili zaram e omotor não acelerou até as condições normais de

trabalho, caracterizando como oscilações subsíncronas,conforme o comportamento da corrente e velocidadedesenvolvida pelo motor, apresentado respectivamentenas figuras 7 e 8. Para motores de potências maiores osresultados foram similares.

Fig. 7 - Corrente de partida do motor de 200 CV

Fig. 8 - Velocidade desenvolvida pelo motor de 200 CV

4.2. Simulação de Alternativas para Amortecimento dasoscilações de Tensão

4.2.1. Redução do Grau de Compensação

Diante das oscilações de tensão ocorridas, realizou-sesimulações no sentido de avaliar as condições técnicaspara contornar os problemas e instabili dade do sistema. Aprimeira alternativa seria a redução do grau decompensação, diminuindo portanto a probabili dade dofenômeno frente as cargas motoras do sistema. Asfiguras a seguir mostram a evolução considerando estaalternativa para dois casos contendo dez motores comdiversas potências e instantes de partida distintos. Afigura 9 mostra a corrente total soli citada considerandoum grau de compensação de 200%, conjuntamente com apartida de diversos motores de 200 CV, onde os efeitosdas oscilações permaneceram inalterados. A figura 10mostra o resultado para uma compensação de 150%, ondeno caso especifico, os motores entraram em regimepermanente sem qualquer perturbação ao sistema.

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Fig. 9 - Corrente total com compensação de 200%

Fig. 10 - Corrente total com compensação de 150%

4.2.2. Resistor de Amortecimento

Um dos métodos efetivos para mitigação de oscilaçõesauto-excitadas durante a partida de motores é a util izaçãode um resistor de amortecimento [3]. A resistênciaparalela tipicamente se situa na faixa de 5 a 10 XC [Ω].Para avaliar estas características simulou-se um caso coma inserção de um resistor de amortecimento com valor de140 [Ω] aos 8 seg., e abertura da respectiva chave aos20 seg., sendo uma relação de 4 vezes sobre a reatânciado banco. Neste caso, o sistema apresentava umaconfiguração com dez motores de potência nominal de200 CV, partindo nos mais variados instantes. Enquantoo resistor de amortecimento esteve em operação, osmotores operavam normalmente e, após a abertura dachave de conexão do resistor, ocorreram novamenteoscilações, o que caracteriza um caso particular de auto-excitação de motores de indução, não somente no períodode partida, mas também em regime permanente, comomostra a figura 11. Conforme [8], este é um fenômenoprovável com cargas parabólicas, ou seja, acionamento debombas e compressores na presença de compensaçãosérie. Este fenômeno é conhecido como Hunting,causando perturbações relacionadas ao efeito fli cker.

Fig. 11 - Velocidades desenvolvidas com resistor de amortecimento

4.2.3. Filtro RLC

Durante a ocorrência de ressonâncias com sistema decompensação série ao longo da história [2], uma dassoluções encontradas e que apresentaram bons resultadosrefere-se ao fil tro RLC, como mostra a figura 12. Oprincípio de funcionamento baseia-se em utilizar oselementos LC de tal forma que ocorra uma ressonânciaparalela à freqüência industrial, e para freqüências abaixoda síncrona, a impedância equivalente é reduzida,atuando praticamente o circuito de amortecimento, sendoque os valores utilizados na simulação foram de 100[Ω],68 [mH] e 98[µF]. A figura 13 ilustra a corrente noresistor durante a atuação do fil tro para o mesmo caso,onde eliminou-se as oscilações de tensão do sistema.

Fig. 12 - Configuração do fil tro RLC

Fig. 13 - Corrente no resistor do fi ltro RLC

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5. ADEQUAÇÃO DO SISTEMA E DO BANCO DECAPACITOR SÉRIE

Apesar das simulações indicarem algumas alternativascom bom desempenho quanto a eliminação das oscilaçõesde tensão, a análise econômica determinou ainviabili dade e impossibili dade de operação do sistema decompensação série originalmente proposto para aplicaçãono alimentador 110 de Uruguaiana. Após a seleção donovo sistema e análise em regime permanente, adotou-seo alimentador 03, pertencente ao sistema de distribuiçãoem 23 kV da AES Sul, derivando da SE UJAC-320 deSalto do Jacuí. Este alimentador apresenta 5 MVA dedemanda máxima com um fator de potência de 0,92 . Naconfiguração com dois reguladores apresentava umaqueda de tensão máxima de 9%. O diagrama unifilarsimplificado é apresentado na figura 14, onde se previa asimples substituição de um regulador de tensão por umdos bancos série, inserido na cidade de Arroio do Tigre.Um fator a destacar é que no ponto de apli cação, o graude compensação era praticamente o mesmo do segundobanco série do projeto elaborado inicialmente, o qualtambém não resultou em oscilações devido ao maioramortecimento do sistema.

Fig.14 - Diagrama unifilar (Al 03/Salto do Jacuí)

5.1. Resultados de Simulação (AL 0 3 - UJAC 320)Apesar do sistema proposto para adequação dacompensação série não apresentar cargas motoras comoas mais significativas, realizou-se a modelagem destesistema frente à avaliação das condições de partida demotores de indução. Sendo assim, simulou-se um motorde 200 CV partindo junto à barra 4 da figura 14, onde osresultados foram normais, conforme a velocidadedesenvolvida pelo motor e ilustrada na figura 15.

Fig.15 - Velocidade desenvolvida pelo motor de 200CV

5.2. Resultados Obtidos (AL 3 - UJAC 320)A implementação do banco série foi realizada, sendo queos principais componentes do sistema podem serverificados na figura 16.

Fig.16 - Diagrama unifilar do sistema de compensação série

A figura 17 apresenta a visão geral do sistema decompensação série implementado.

Fig. 17 - Implementação do sistema de compensação série

A energização deste sistema foi realizada sob condiçõesnormais de operação, obtendo-se elevações de tensãosignificativas em determinados períodos. Não foramverificados quaisquer sinais de oscilações, sendo que osistema mostrou-se bastante estável e com uma boaregulação de tensão. A figura 16 ilustra o comportamentodas tensões RMS a montante e a jusante do capacitorsérie, registradas imediatamente a fase final docomissionamento e energização do banco, com resultadosconsiderados satisfatórios. Neste caso, durante aoperação sob carga máxima ocorreram quedassignificativas de tensão. Deve-se salientar que os doisbancos de capacitores shunt mostrados na figura 13 nãoestavam em operação. Neste sentido, durante a cargamáxima já existe uma deterioração da tensão na própria

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subestação, o que dificultou a obtenção de um perfiladequado das tensões do sistema no referido período.

COMPORTAMENTO DA TENSÃO RMS

MEDIÇÃO: CAPACITOR SÉRIE - AES SUL ARROIO DO TIGRE/RS

26/01/01 16:00:00,00 - 27/01/01 12:00:00,00

CHA Vrms CHB Vrms 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00

Volts

18000

19000

20000

21000

22000

23000

24000

Fig.17 - Comportamento das tensões no sistema decompensação série

Portanto, os resultados indicaram que a adequação dobanco de capacitores foi conveniente, principalmente nacomparação da operação do sistema com dois reguladoresde tensão. Após cerca de onze meses de operação plenado alimentador com o sistema de capacitor série, foramregistrados novamente as tensões nas barras de instalaçãodo banco, com elevações de tensão de 5 a 14% edesempenho satisfatório, como verifica-se na figura 17.

COMPORTAMENTO DA TENSÃO RMS

MEDIÇÃO: CAPACITOR SÉRIE - AES SUL ARROIO DO TIGRE/RS

12/12/01 12:00:00,00 - 13/12/01 18:00:00,00

CHA Vrms CHB Vrms 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00

Volts

20500

21000

21500

22000

22500

23000

23500

24000

Fig.18 - Comportamento das tensões no sistema decompensação série

6. CONCLUSÕES

Este artigo relatou experiências distintas na apli cação desistemas de distribuição com sobrecompensação série emdois alimentadores de distribuição do sistema de 23 kVda AES SUL. Em virtude das características de sistemastípicos de distribuição rural, com resistências e quedas detensão consideráveis, existe a necessidade desobrecompensação para obter-se níveis adequados detensão, o que implica em um maior risco de ressonâncias.Os resultados apresentados mostraram oscilações detensão ocorridas durante a energização do primeiro bancosérie do sistema original, em função do grande número decarga motora conectada ao alimentador. Desta forma, o

sistema que objetivava a redução dos níveis de regulaçãoe diminuição dos índices de severidade de fli cker, foi opróprio responsável pela sua ampliação, gerando tensõesinsustentáveis em operação devido ao alto grau decompensação. Após a ocorrência dessa oscilação,realizou-se um estudo detalhado, considerando asprincipais características do sistema e modelagem emprogramas de transitórios eletromagnéticos, avaliandoinclusive algumas técnicas para eliminação dasoscilações. Neste aspecto, destaca-se que no referidosistema existiu a possibili dade de ocorrência deoscilações em regime permanente (hunting), além dofenômeno de auto-excitação na partida de motores deindução, pois a inclusão de um resistor de amortecimentonão apresentou os resultados esperados, com oscilaçõessustentadas após a abertura da chave do resistor. Dianteda impossibili dade de aplicação do sistema originalmenteproposto pelas características da carga e conseqüênciasdecorrentes da inviabili dade técnica, procedeu-se nosentido de readequação e aplicação em um outro sistemade distribuição. Neste caso, os resultados foramsatisfatórios, mostrando a potencialidade e vantagensinerentes de regulação em sistema de distribuição comcompensação série, desde que observados os níveis dedesempenho e condições de ressonância, principalmentequando um alto grau de compensação é necessário àsolução de problemas de quedas de tensão. Desta forma,após a determinação de um sistema com característicasdistintas de carregamento e propícias a utilização dacompensação série, apli cou-se um dos bancos do sistemaprojetado para Uruguaiana em outro alimentador, comvalores significativos de desempenho e redução daregulação de tensão para o sistema final adotado.Portanto, o sistema de compensação série foiimplementado e mostrou-se viável ao novo sistema,considerando os resultados obtidos sob plenas condiçõesde operação.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Butler, J.W., Concordia, C. “Analysis of SeriesCapacitor Applications Problems” , AIEETransactions, navol. 56,1937, pp.975-988

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[3] Larsson, L.O.; Samuelson, J.; Lombard, J.J.;Berneche, P.; Aliard, G. “Applications of a NewConcept for a Compact Series Capacitor Scheme forDistributions Networks” , Canadian ElectricalAssociation, Vancouver, March 1995.

[4] Mahmoud, A.A.; Ortmmeyer, T.H.; Harley, R.G.“Effect of Reactive Compensation on InductionMotor Dynamic Performance”, IEEE Trans. on Power

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[5] Miske, S.A. “Considerations for the Application ofSeries Capacitors to Radial Power DistributionCircuits” , IEEE Transactions on Power Delivery, vol.16, no. 2, April 2001, pp. 306-318.

[6] C. G. Vabo, P.P.E. Silva, A.W. Cavalcanti,“Aplicação de Bancos de Capacitores Série paraRegulação de Tensão e Compensação Reativa emSistemas de Distribuição” . Seminário Nacional deDistribuição de Energia Elétrica, 1994.

[7] C.F. Wagner., “Self-excitation of Induction Motorswith Series Capacitor Series Capacitor” AIEETransactions, vol.60, 1941, pp.1241-1247

[8] Westinghouse, Electrical Transmission andDistribution Reference Book, Westinghouse, 1964,p.258.