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Proteção de Linhas de Transmissão no Domínio do Tempo

A SEL publicará em suas próximas edições fascículos especiais sobre proteção de linhas de transmissão no Domínio do Tempo. 

Neste primeiro fascículo, serão abordadas as motivações para o desenvolvimento dessa tecnologia e as bases conceituais e teóricas para compreendê-la. A próxima edição se concentrará nas proteções envolvendo grandezas incrementais: elemento de proteção de distância (TD21) e elemento direcional (TD32). Já no terceiro fascículo, serão abordadas as funções de proteção baseada em ondas viajantes: elemento de proteção diferencial de linhas (TW87) e elemento direcional (TW32). Acompanhe e colecione os fascículos. 

No domínio do tempo
A teoria de proteção de linhas de transmissão no domínio do tempo não é algo novo. Estudos já vêm sendo desenvolvidos desde a década de 70, porém as limitações de hardware nunca permitiram que essa teoria fosse colocada em prática. Esse cenário mudou com a SEL, que criou o primeiro relé de proteção a operar no domínio do tempo, sem utilizar fasores. Combinando alta tecnologia e preço competitivo dos microprocessadores, a empresa foi capaz de criar e comercializar um relé de proteção que transcende os limites de operação impostos pela tecnologia atual de proteção.
Os relés de proteção atuais possuem seu tempo de operação na ordem de 25 ms. Grande parte desse tempo se dá pelo fato dos equipamentos possuírem suas lógicas internas de proteção e controle baseadas em fasores. Para que um fasor seja calculado é necessário que o dispositivo realize a leitura de, pelo menos, um ciclo da onda de tensão e de corrente, o que corresponde a aproximadamente 16,67 ms de aquisição de sinais (1 ciclo em um sistema elétrico com frequência de 60Hz). A tecnologia no domínio do tempo, ao invés de utilizar fasores em suas lógicas, opera utilizando o valor instantâneo da corrente e da tensão, o que dispensa a necessidade do cálculo do fasor e, consequentemente, a espera do tempo de 1 ciclo de onda de amostragem. Isso permite atuações na ordem de 1 a 4 ms, tempos impossíveis com os relés atuais.
Uma proteção mais rápida traz inúmeros benefícios ao sistema elétrico. É possível melhorias significativas em termos de qualidade de energia, estabilidade e em aplicações de fontes renováveis. Problemas com qualidade de energia trazem grandes prejuízos para as indústrias. Queima de equipamentos, paradas em linhas de produção e perda de eficiência dos processos industriais são alguns dos problemas mais comuns causados por elevações e afundamentos de tensão. Proteções mais rápidas diminuem o tempo de falta, minimizando assim a duração dos problemas relacionados a qualidade de energia citados anteriormente. Com tempos de faltas menores, afundamentos e elevações de tensão causam menos prejuízo, gerando economias com manutenção industrial e melhoria na eficiência da produção.
Em termos de estabilidade, uma proteção mais rápida permite que mais potência ativa seja transmitida sem que que o sistema perca a estabilidade durante uma falta. Já em 1976, um artigo da concessionária americana BPA mostrava que em uma determinada linha, uma redução de um ciclo no tempo de eliminação da falta aumentava a transferência de potência em 250 MW, representando cerca de 15 MW por milissegundo em seu sistema de transmissão, e mantendo-se o mesmo nível de estabilidade.
Esse conceito pode ser percebido analisando a figura abaixo e relembrando do “critério das áreas”: para que um sistema não perca a estabilidade, a área de aceleração, A1, não pode ser maior que a área de desaceleração, A2. Aumentando-se a potência ativa transferida através deste sistema, P0, agrava-se a condição para a estabilidade do sistema, uma vez que isso acarretará no aumento de A1 e redução de A2. Assim, limita-se a potência máxima que pode ser transferida através deste sistema para garantir a estabilidade.
Por outro lado, uma atuação mais veloz da proteção faz com que a transição da condição de falta, curva vermelha, para condição de pós falta, curva verde, seja mais rápida. Assim, diminui-se A1 e aumenta-se A2, sem que seja necessário diminuir P0. Isto permite que os ativos do sistema elétrico de potência sejam melhor utilizados, evitando novos investimentos.

Figura 1: Capacidade de transferência do sistema de potência e os critérios das áreas iguais em (a) um sistema instável e (b) um sistema estável

Proteção de linhas no domínio do tempo também vai ao encontro da demanda das fontes renováveis, que têm mudado o perfil e a inércia do sistema elétrico. As energias solar e eólica possuem controles com características complexas que dificultam o cálculo da corrente de curto-circuito que estas fontes de energia contribuem para as faltas. Assim, parametrizar os relés de proteção aplicados neste sistema se torna um desafio, que muitas vezes podem acarretar em erros de ajustes e consequentemente na atuação indevida ou não atuação dos relés. No entanto, para um relé de proteção que atua no domínio do tempo, as ondas viajantes que são lançadas a partir de uma falta não dependem da fonte de energia. Assim, a proteção baseada em ondas viajantes pode ser aplicada e ajustada para operar corretamente mesmo quando o modelo da fonte de energia não é completamente conhecido.

Disparo da proteção baseado em ondas viajantes garante mais confiabilidade e segurança ao sistema elétrico

Outros benefícios poderiam ser citados como as melhorias causadas nas aplicações em linhas de transmissão com compensação série ou envolvendo saturação de transformadores de corrente (TCs), porém por hora os benefícios explanados nos parágrafos anteriores já deixam claro os ganhos da aplicação da proteção de linhas de transmissão no domínio do tempo.

Grandezas  incrementais
Como dito anteriormente, os relés de proteção no domínio do tempo ao invés de utilizarem fasores em suas operações, como ocorre com os equipamentos atuais, utilizam grandezas baseadas em valores instantâneos, como por exemplo as grandezas incrementais.
Pode-se definir grandezas incrementais como a grandeza gerada da diferença entre um sistema com falta e o mesmo sistema e uma situação de operação normal com carga. A figura abaixo facilita o entendimento:

Figura 2: Decomposição de um sistema em falta 

Aplicando-se o teorema da superposição, um sistema em falta, sistema a), pode ser decomposto em dois outros sistemas: um em operação normal com carga, sistema b), e um exclusivo da ação da falta, sistema c). No sistema mostrado em a), percebe-se que o sistema opera em condição normal quando ocorre uma falta no instante “t”, quando se observa uma elevação na corrente.
Analisando os outros sistemas antes do instante “t”, as formas de onda de a) e b) são idênticas, uma vez que o sistema está operando em seu regime normal de operação com carga, e não existe sinal em c), já que não existe falta ainda no sistema. Após o instante “t”, aparece uma corrente em c), que corresponde a corrente gerada exclusivamente pela ação da falta. Essa corrente, somada à corrente de operação em carga, em b), traz a corrente do sistema inicial, a).
Através da forma de onda do sistema c), o relé consegue criar dois elementos de proteção: uma elemento direcional (TD32) e uma elemento de distância (TD 21), ambos usando grandezas incrementais e com tempo de atuação ultra-rápidos, de 1 a 4 ms. Estes elementos baseados em grandezas incrementais não são influenciados pela corrente de carga e trabalham baseados somente nas grandezas geradas pela falta, isso permite maior sensibilidade e velocidade da proteção.
Essas duas novas funções de proteção, serão exploradas mais profundamente no segundo fascículo, no próximo Jornal Interface.

Ondas Viajantes
Outro príncipio utilizado na proteção de linhas de transmissão no domínio do tempo são as ondas viajantes.
Ondas viajantes são frentes de ondas eletromagnéticas de tensão e corrente de alta frequência que trafegam pelas linhas de transmissão (LT), quando existe um chaveamento no sistema. Esse distúrbio pode ser desde um disjuntor que operou até uma falta que se instaurou no sistema. Após a perturbação, duas frentes de ondas em sentidos opostos, saindo a partir do ponto do evento, trafegam até os terminais da linha. Esse fenômeno pode ser exemplificado na figura abaixo:

Figura 3: Ondas viajantes geradas a partir de uma falta na linha de transmissão

Esses sinais estão presente em praticamente todas as faltas que podem ocorrer no sistema elétrico, com exceção daquelas que acontecem quando o sinal de tensão está passando pelo zero. As ondas viajantes não podem ser detectadas pelos relés convencionais pois são sinais de alta frequência e necessitam de equipamentos com uma taxa de amostragem na ordem de MHz, como os relés que operam no domínio do tempo.
Na figura abaixo pode-se perceber o sinal de alta frequência da onda viajante em uma falta:

Figura 4: Ondas viajantes presentes em uma oscilografia

Com os sinais de tensão e corrente de ondas viajantes, é possível implementar elementos de proteção: proteção direcional (TW32) e a proteção diferencial de linha (TW87).
Essas proteções serão explicadas a fundo no terceiro fascículo, após o próximo Interface.

Proteção de Linhas de Transmissão no Domínio do Tempo no Mundo Real
Inúmeras companhias de energia elétrica ao redor do mundo já estão experimentando os benefícios da proteção de linhas de transmissão no domínio do tempo.
No website da SEL, é possível conferir diversos eventos reais de atuações corretas do novo relé de proteção 
SEL-T400L onde são constatados tempos de disparos da proteção menores que 4 ms. Além disso, a precisão dos novos algoritmos de localização de faltas também impressionam.
Confira os eventos acessando: www.selinc.com/event-reports

Fonte:  Jornal Interface Ed. 44