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Cinco Descobertas Graças à Amostragem em Mega-Hertz e Análise de Ondas Viajantes

Durante as últimas edições do jornal Interface, foram abordados os princípios da Proteção no Domínio do Tempo. Após uma base teórica, que explorou o conceito por trás das grandezas incrementais e das ondas viajantes, foram abordadas as proteções envolvendo grandezas incrementais: elemento de distância (TD21) e elemento direcional (TD32) e as baseadas em ondas viajantes (travelling waves): elemento direcional (TW32) e elemento diferencial de linha (TW87).

Relés de proteção baseados em ondas viajantes com capacidade de amostragem de mega-Hertz, abriram caminho não só para as proteções citadas, mas também para monitoramentos com resolução que não era possível alcançar com os relés de proteção convencionais. Por estarem continuamente disponíveis (24/7), esses relés mantêm vigilância constante sobre o sistema de energia, gravando muitos eventos que permitem a observação inédita de vários fenômenos.

Durante dois anos, a SEL coletou mais de 20 mil registros abrangendo um amplo número de aplicações e níveis de tensão. Do monitoramento de uma rede de transmissão de 765 kV, à análise de transitórios da comutação de um reator shunt em 13,8 kV, conseguiu-se um consistente número de dados que possibilitou a empresa um melhor entendimento do sistema elétrico. Parte disso será compartilhado neste fascículo, que abordará cinco descobertas feitas graças à amostragem em mega-Hertz e à análise de dados de ondas viajantes.

Monitoramento de disjuntores
O disjuntor é um dos equipamentos mais importantes do sistema elétrico e seu mau funcionamento pode danificar outros equipamentos e até impactar na segurança humana. Uma amostragem em mega-Hertz permite uma análise detalhada de cada operação do disjuntor, incluindo a discrepância de pólos, saúde do resistor de pré-inserção e possíveis reignições.

A Figura 1 mostra as correntes e tensões captadas por um relé do domínio do tempo SEL-T400L instalado no terminal local durante a energização de uma linha de 230 kV. As formas de onda da fase A são azuis, da fase B são verdes e da C são vermelhas. Este esquema de cores é usado de forma consistente em todo texto.

Figura 1 - Tensões e correntes no terminal local durante a energização de uma linha de 230 kV

É possível perceber que a fase A foi fechada primeiro, t=0. A fase B foi fechada em t=3,8 ms e a fase C foi fechada em t = 6,5 ms. A fase A abre inesperadamente em t = 0,9 ms e depois fecha novamente em t = 3 ms.

Observando o comportamento do disjuntor do terminal remoto na Figura 2, é possível observar algumas diferenças.

Figura 2 - Tensões e correntes no terminal remoto durante a energização de uma linha de 230 kV

A operação de fechamento do disjuntor remoto está de acordo com o esperado. No entanto, a discrepância entre os tempos de fechamento dos polos é relativamente alta, com a diferença de 10 ms entre o primeiro e o último. Já que a diferença de tempo típica gira em torno de 2 a 3 ms, estes 10 ms de diferença levantam questões sobre possíveis desalinhamentos mecânicos.

Rastreando tempestades
Relés no domínio do tempo SEL-T400L instalados em uma linha de 400 kV no México, conhecida por se situar em uma região com alta incidência de tempestades, permitiram que se conhecesse o perfil das ondas viajantes causadas pela incidência de raios.

A CFE, Comisión Federal de Electricidad, responsável por operar a linha, registrou, no dia 1º de agosto de 2017, 32 eventos no intervalo de 35 minutos. Os eventos registrados não eram faltas e sim distúrbios, o que levou o relé a não enviar sinais de trips aos disjuntores mas permitiu registro de oscilografias. Ao analisar as oscilografias, foi possível fazer algumas observações:

  • A maioria dos registros continham transitórios de alta frequência, sem relação a uma fase específica;
  • Cálculos da corrente diferencial mostram que as correntes transitórias foram injetadas na linha;
  • Todos os eventos são originados dentro da linha de transmissão;
  • A forma de onda injetada se assemelha ao padrão de 1,2 por 50 µs, dos testes de impulso de curta duração;
  • As assinaturas dos eventos são semelhantes nas diferentes fases, conforme Figura 3;
  • O local dos distúrbios se move com o passar do tempo.

Figura 3 - (a) Tensões e correntes de um dos eventos registrados 
(b) Localização e horário dos distúrbios

Tais dados permitem concluir que os eventos foram causados por descargas indiretas. Estas descargas não atingiram efetivamente os condutores de fase, mas podem ter atingido cabos-guarda, torres ou o solo e estruturas nas imediações com amplitude insuficiente para provocar uma falta na linha. Foi constatado posteriormente que uma tempestade assolou a região no período estudado. Essa análise pode ser útil na identificação de uma falta causada por um raio que atinja alguma das fases, como mostrado a seguir.

Interrupção da corrente de falta
Outro caso interessante pode ser observado na análise de uma falta da fase B para a terra, em uma linha de 161 kV, comprimento de 117,1 km, apresentada na figura 4.

Figura 4 - (a) Tensões e correntes no terminal local durante uma falta 
(b) Diagram de Bewley das ondas viajantes geradas pela falta

Através das reflexões das ondas viajantes no diagrama de Bewley, é possível determinar a localização da falta em 65,5 km a partir do terminal local. Ao analisar a oscilografia pré-falta, especialmente o conteúdo de alta frequência, percebem-se dois distúrbios de baixa amplitude, chamados de precursores, um a 76 ms e um 35 ms antes da falta, conforme a figura 5. 

Figura 5 - (a) Correntes de fase e ondas viajantes de corrente pré-falta 
(b) Zoom das correntes e das respectivas ondas viajantes, no precursor

Ampliando um dos eventos precursores, como mostrado na figura 5 (b), observa-se um transitório de corrente, com a mesma forma em todas as três fases. Como explicado na seção anterior, essa assinatura é característica de um transitório induzido por uma descarga indireta de um raio nas vizinhanças da linha de transmissão. É então provável que vários raios tenham causado descargas indiretas e um deles uma descarga direta, que gerou o flashover e consequentemente a falta.

Outro momento que merece atenção é a abertura do disjuntor. Observa-se um elevado conteúdo transitório na fase B com uma série de reflexões de ondas viajantes. Ao serem analisadas no diagrama de Bewley da figura 6, essas reflexões informam a mesma localização encontrada na falta: 65,5 km do terminal local.

Figura 6 - (a) Tensões e correntes no instante da abertura do disjuntor 
(b) Diagrama de Bewley das ondas viajantes geradas da reignição da fase B

Pode-se concluir que o que causou as TWs foi uma reignição da fase B 360 µs após a interrupção da corrente.

Monitoramento do sistema de transmissão
Relés SEL-T400L amostrando em mega-Hertz com tecnologia de ondas viajantes podem auxiliar na obtenção de uma melhor compreensão dos efeitos eletromagnéticos presentes em subestação de alta e extra-alta tensão. Esses efeitos não podem ser percebidos através da amostragem tradicional dos relés baseados em fasores.

A figura 7 é referente a uma linha de 400 kV e apresenta as diferenças entre as oscilografias dos dois relés medindo as mesmas grandezas elétricas.

Figura 7 - (a) Tensões e correntes registradas por um relé no domínio do tempo 
(b) Tensões e correntes registradas por um relé convencional

Uma característica importante desses eventos é que eles não são exclusivos de faltas no sistema de potência. Eles também acontecem durante as sobretensões do sistema e ocorrem perto dos picos de tensão em 60 Hz. De modo geral, os eventos registrados caem na categoria de descargas parciais, em que capacitores séries da linha descarregam energia que é logo acomodada em capacitores séries subsequentes.

Aplicando transformada de Fourier e exibindo o resultado em um diagrama Waterfall na Figura 8, percebe-se a presença dos sinais de comunicação através da linha (PLC) em 110 kHz, sinais vizinhos ao sinal PLC com menor magnitude e o sinal de alta frequência devido à a ressonância do PLC (indicado pela seta). Essa análise abre a possibilidade de que os transitórios medidos sejam injetados pela baixa tensão (115 kV).

Figura 8 - Diagrama “Waterfall” mostrando conteúdo de alta frequência causado pelos eventos de descarga de alta energia em função do tempo

Outras análises foram feitas também em uma subestação de 765 kV, observando resultados similares. Pode-se concluir que os transitórios observados são comuns em subestação de alta e extra-alta tensão.

Essas informações, após mais estudos e análises podem ser usadas no futuro para auxiliar na manutenção preditiva e na avaliação do funcionamento das subestações.

Evolução de uma falta durante abertura monopolar
Por fim, outro fenômeno interessante observado é a falta evolutiva. Dois relés de proteção no domínio do tempo SEL-T400L , instalados um em cada terminal de uma linha de 230 kV na Guatemala, registraram a evolução de uma falta de fase C para terra para uma falta bifásica CA para terra após um ciclo de religamento.

A figura 9 apresenta a oscilografia do evento.

Figura 9 - (a) Tensões e correntes registradas pelo terminal local 
(b) Tensões e correntes registradas pelo terminal remoto

Os sinais de tensão fornecem informações valiosas sobre a evolução da falta. A figura 9 (a) mostra as tensões das fases A e C. A aparência da tensão de fase C durante a condição de polo aberto indica que o arco secundário se extinguiu 108,4 ms após o início da falta.

Após 46,1 ms depois, a falta evolui para uma falta CAG com a diferença de tensão entre fase C e A tendendo a zero, como mostrado na Figura 10.

Figura 10 - (a) Tensões das fases A e C durante a evolução da falta 
(b) Diferença entre as tensões da fase C e A durante a evolução da falta

Oscilografias em alta resolução com amostragem em mega-Hertz, que têm uma duração de até 1,2 segundos, permitem a análise da evolução da falta ao longo de toda a sequência de religamento. Transitórios de tensão durante o religamento após a condição de falta também são visíveis graças a alta taxa de amostragem. Observe que neste evento, os transitórios de tensão não excederam os valores operacionais normais.

Os cinco casos expostos são pequenos exemplos do que se pode descobrir graças à amostragem em mega-Hertz aliada à análise de ondas viajantes. Além da rápida velocidade na atuação da proteção, por volta de 2 ms, os relés de proteção no domínio do tempo possibilitam uma compreensão profunda de fenômenos antes impossíveis de serem observados com os relés convencionais. Esse conhecimento abre portas para um entendimento mais abrangente do sistema elétrico de potência, permitindo que os engenheiros busquem soluções cada vez mais seguras, confiáveis e econômicas. 

Veja mais exemplos de eventos e oscilografias registradas pelos relés SEL-T400L acessando:https://selinc.com/pt/mktg/122973/?fallback

Fonte: Interface 47