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Detectando Faltas Antes que Aconteçam

Nova função do SEL-T400L da SEL permite detectar faltas iminentes por meio de pequenos distúrbios na rede, detectados pela alta amostragem do equipamento. 

Os engenheiros e técnicos envolvidos na proteção de sistemas elétricos de potência desejam relés de proteção que unam alta velocidade de atuação com confiabilidade e segurança. A busca por atuações mais rápidas se justifica pelas inúmeras vantagens que se consegue diminuindo o tempo em que uma falta permanece na rede: melhorias na estabilidade, melhorias na qualidade da energia fornecida, diminuição do desgaste dos equipamentos expostos à falta, entre outros vários benefícios. Frente a essa necessidade, a SEL inovou ao ir além da barreira imposta pelos algoritmos baseados em fasores e lançou o primeiro relé de proteção no domínio do tempo, o SEL-T400L.

O relé de proteção SEL-T400L opera baseado em ondas viajantes (travelling waves) e grandezas incrementais. Por dispensar os cálculos necessários para a estimação de fasores, imprescindíveis nos relés tradicionais, o relé de proteção no domínio do tempo consegue atuações de 1 a 4 ms, muito mais baixos que os típicos 25 ms dos relés convencionais. Mas mesmo atingindo tempos tão baixos, algumas perguntas continuam sendo feitas: é possível ir além? É possível diminuir ainda mais o efeito nocivo causado por uma falta no sistema elétrico? E se fosse possível prever o aparecimento da falta antes que ela se instalasse no sistema? Impulsionada por esse desafio, a SEL rompeu mais uma barreira, agora a do tempo, e trouxe para o mercado o Line Monitor, função do  SEL-T400L capaz de detecção de faltas antes que ocorram.

Faltas iminentes
O sistema elétrico está sujeito a uma infinidade de faltas pelas mais diversas causas. Algumas totalmente imprevisíveis, como uma ave que encosta nos cabos ao abrir suas asas ou um carro que colide com um poste. Outras, porém ocorrem como evolução de uma situação já recorrente, como um isolador que acumula sujeira ao longo do tempo ou uma árvore que cresce a ponto de encostar na rede elétrica. Mesmo antes de tais eventos se tornarem faltas propriamente ditas, eles já induzem pequenos distúrbios na rede, imperceptíveis para os relés tradicionais que amostram a tensão e a corrente na ordem dos quilo-Hertz (kHz), mas visíveis a relés de proteção no domínio do tempo, cuja amostragem é feita em mega-Hertz (Mhz).

A Figura 1 deixa clara a diferença de resolução entre tensões e correntes registradas por um relé no domínio do tempo (amostragem em MHz - Fig 1a) e tensões e correntes registradas por um relé convencional (amostragem em kHz - Fig 1b). 

Figura 1 (a) -  Tensões e correntes registradas por um relé no 
domínio do tempo.


Figura 1 (b) - Tensões e correntes registradas por um relé convencional

É possível observar que o sinal de tensão e corrente na Figura 1 (a) é acrescido de um ruído e dentre os ruídos de alta frequência existem as TW (travelling waves). Ondas viajantes são frentes de ondas eletromagnéticas de tensão e corrente de alta frequência que trafegam pelas linhas de transmissão, LTs, quando existe um distúrbio na linha que leve a uma descontinuidade na tensão. Esse distúrbio pode ser desde um galho que se aproxima da rede 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.

Como dito anteriormente, algumas faltas antes de se instalarem no sistema, são precedidas de eventos que podem ocasionar distúrbios na rede; em outras palavras, podem “gerar” ondas viajantes. Um isolador por exemplo, antes de ter seu dielétrico rompido por excesso de resíduos que se depositam com o tempo, já apresenta pequenas correntes de fugas. Essas fugas de corrente criam ondas viajantes de baixas magnitudes que se deslocam pela linha de transmissão. Logo, antes do isolador sujo se tornar um problema real, ocasionando uma falta, ele já mostra sinais de alerta. Uma equipe de manutenção, ciente desses sinais, pode fazer uma intervenção programada preventiva e realizar a limpeza do isolador, prevenindo que uma falta se instale no sistema.

Figura 2 - Isoladores danificados

Outro exemplo de falta precedida por eventos precursores são as faltas que envolvem vegetação. Por mais que podas regulares aconteçam, faltas ainda são causadas por árvores que encostam nas linhas de transmissão. O processo de aproximação entre as árvores e as linhas é gradativo e mesmo quando a árvore toque a linha, o contato inicial se caracteriza como um caminho de alta impedância, não ocasionando o aparecimento de uma falta. A falta apenas se instala na combinação de certas condições que levam ao aumento da condutividade do caminho árvore-terra. Porém, a aproximação e o contato, mesmo com alta impedância, já induz nas linhas ondas viajantes capazes de serem detectadas pelos relés que amostram em mega-Hertz. A detecção prematura dessas condições proporciona às empresas a oportunidade de programarem uma poda preditiva, impedindo o aparecimento da falta. 

Figura 3 - Poda programada

Foto 4 - Limpeza de Isoladores

Outras situações, como incêndios nas faixas de servidão, também podem ser detectadas antes que evoluam para uma falta. A detecção antecipada de uma possível falta permite às empresas traçar ações de mitigações e manutenção, que além de programadas podem impedir que faltas e consequentemente desligamentos inesperados ocorram. Esse cenário de “previsão de falta” já é uma realidade com o Line Monitor.

Line Monitor – detectando as faltas antes que elas aconteçam.
Já foram explorados em edições anteriores da revista Interface os princípios de operação do relé SEL-T400L. Além de uma atuação ultrarrápida, o relé é capaz de localizar faltas utilizando ondas viajantes com alta precisão. A localização pode ser feita através dos métodos de um ou dois terminais, com a precisão de até um vão de torre. Uma vez que o SEL-T400L pode detectar travelling waves, graças a sua amostragem de mega-Hertz, e localizá-las de forma precisa através do método de dois terminais, é possível implementar no equipamento a função de Line Monitor.

A função basicamente detecta, localiza e registra as ondas viajantes de corrente geradas por distúrbios que chegam aos relés dos dois terminais. Quando o relé detecta que uma região está com alta incidência de distúrbios, um alarme é enviado e a empresa tem a oportunidade de deslocar uma equipe para averiguar a fonte dessas ondas e, se for o caso, impedir que uma falta ocorra.

Para a definição das regiões, os relés dividem a linha em partes de 0,25 km ou 0,25 mi, dependendo do ajuste do usuário. Cada região é chamada de bin, seção, e ao detectar um distúrbio, o relé realiza a localização e o registra dentro da seção correspondente. Esta divisão tem como objetivo respeitar o erro inerente ao processo de localização de faltas, garantindo que os distúrbios sejam devidamente localizados e agrupados. A figura 4 representa essa divisão. 

Figura 5 - Divisão da linha em Bins - Seções

Uma vez registrado o evento na seção correspondente, um contador é incrementado. Caso sejam detectados um número significativo de eventos em uma região correspondente a três seções consecutivas, um alarme é enviado para o operador. Este número de eventos é escolhido pelo usuário, sendo três uma recomendação para linhas aéreas, caso não haja uma base histórica para auxiliar na escolha. A probabilidade de três eventos sem qualquer relação acontecerem na mesma região é muito baixa. Tomando por exemplo uma linha de 100 km, a probabilidade de um evento acontecer dentro de três seções  adjacentes é de: 3x  25/100 = 0,0075.  A probabilidade de ocorrerem três eventos sem relação entre si então seria de (0,0075)3 = 4,2x10-7, logo extremamente improvável. Ajustar o contador em três significa que, se o alarme de uma região indicar uma provável falta, muito provavelmente os três eventos registrados na região possuem relação entre si.

Ao receber o alarme de que uma região ultrapassou o número de eventos estabelecido, o operador pode enviar uma equipe para a localidade informada. Se os eventos reportados forem causados por um isolador sujo, uma árvore que esteja se aproximando da linha de transmissão ou qualquer outro precursor (evento que possa evoluir para uma falta), a empresa tem a oportunidade de agir antes que o problema se instale, evitando prejuízos causados pela falta e pelo desligamento.

Uma vez que as ondas viajantes não são geradas apenas por faltas ou percussores de faltas, podendo aparecer pela abertura de um disjuntor para manobra por exemplo, alguns cuidados devem ser tomados. Linhas com tap podem gerar um grande número de ondas viajantes pelo chaveamento no ramal em derivação. Essas ondas serão todas localizadas e registradas dentro da mesma seção, podendo levar a um alarme indevido. Para evitar falsas indicações em áreas que já se espera um alto índice de ondas viajantes, o SEL-T400L possui a opção de “área de bloqueio”. As áreas de bloqueio são basicamente regiões delimitadas pelo usuário em que o número de eventos para o alarme é diferente do restante da linha, normalmente maior. Em outras palavras, as áreas de bloqueio permitem que os usuários configurem um limite de eventos para alarme exclusivo para aquela área, diferente do limite da linha de transmissão ou de outra área de bloqueio. Desse modo, o usuário é capaz de monitorar a área evitando falsos alarmes. Um equipamento é capaz de implementar até duas áreas de bloqueios independentes. As figuras abaixo ilustram as áreas de bloqueio em uma linha com duas derivações com cargas. Percebe-se que enquanto o limite para alarme da linha foi configurado para três eventos, o limite da área de bloqueio foi configurado para cinco eventos. Vale ressaltar que o contador correspondente à área de bloqueio reseta automaticamente todo fim do dia.

Figura 6 - Regiões de bloqueio

Figura 7 - Limites de eventos na linha e na região de bloqueio 1

Ao atingir o número máximo de eventos em uma região, permite reportar as informações através de protocolos de comunicação ao SCADA. A Tabela 1 traz os registros digitais e a Tabela 2 os valores analógicos de saída.

Tabela 1 - Word Bits de saída de função Line Monitor

Tabela 2 - Valores Analógicos da função Line Monitor

Além de poderem ser enviadas para um supervisório, as informações ainda podem ser exportadas do relés através de um arquivo .txt , possibilitando a análise por meio de um programa como o Microsoft Excel, por exemplo.

Além do domínio do tempo
Detectar uma falta antes que ela efetivamente aconteça é, sem dúvida, um dos marcos da proteção moderna. Permitir que as empresas tracem suas estratégias, programem suas manutenções e efetivem as ações de modo estruturado, com tempo hábil e sem a urgência advinda de uma falta no sistema traz um ganho operacional e financeiro para a companhia. Mas muito além dos benefícios econômicos, impedir que uma falta se instale traz segurança para a sociedade, protege equipamentos da rede elétrica de estresse térmico, permite que serviços essenciais que dependem de energia elétrica não sejam descontinuados, previne problemas ambientais como queimadas por curtos-circuitos e muitos outros benefícios que refletem a preocupação das empresas com a sociedade civil.

Line Monitor é mais do que a nova função do relé SEL-T400L, é a certeza que estamos caminhando no sentido de nossa missão de tornar a energia elétrica mais segura, mais confiável e mais econômica.

SEL-T400L coleciona casos de sucesso em operação pelo mundo
O relé de Proteção de Linhas no Domínio do Tempo SEL-T400L utiliza ondas viajantes e grandezas incrementais para oferecer uma proteção de ultra-alta velocidade às linhas de transmissão. A solução atua entre 1 a 4 milissegundos, sendo capaz de localizar faltas com uma precisão de 1 vão de torre. O sistema também tem uma alta amostragem de 1 Mhz.

As vantagens do produto, que foi lançado em 2015, foram descobertas por companhias de transmissão no mundo todo, e a SEL já coleciona casos de sucesso de usos. Essas experiências são reunidas em uma página atualizada constantemente com as aplicações reais e os resultados obtidos pelos usuários, com oscilografias de alta resolução e a descrição do evento.

 
Consulte todas as informações no Feed de Atualização do SEL-T400L no site da SEL.

 

Fonte: Interface 48