Olinda - Pernambuco - Brasil

XVIII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica
SENDI 2008 - 06 a 10 de outubro
Olinda - Pernambuco - Brasil
Uso Prático de Funções Auxiliares do IED para Monitoração do Disjuntor e
Detecção de Cabos Rompidos
Denys Lellys
Jorge Cruz
AREVA T&D Brasil
[email protected]
CELPA
[email protected]
Eduardo Esteves
CELPA
[email protected]
Luiz Afonso Lisboa
CELPA
Joaquim C. Rolim
COELCE
Giordane Silveira
COELCE
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Palavras-chave
Detecção, IED, Manutenção, Monitoração, Proteção.
Resumo
Com o avanço das técnicas digitais no campo dos relés de proteção ou IED (Dispositivos Eletrônicos
Inteligentes) e a integração de diversas funções auxiliares em seus algoritmos, permite-se incluir, entre
outras, a monitoração do estado do disjuntor, bem como a detecção do rompimento do cabo de
energia, sendo estas funções auxiliares ainda pouca exploradas pelas empresas distribuidoras de
energia.
O artigo apresentará em detalhes o uso prático destas funções auxiliares, apresentando, desde a base
teórica, até a aplicação prática em campo e os resultados técnicos e econômicos esperados com o uso
destas novas técnicas digitais, com a finalidade de disseminar o uso destas importantes funções
auxiliares nas empresas de distribuição de energia do Brasil.
1. Introdução
Este trabalho tem como finalidade detalhar tecnicamente os temas propostos, apresentando as
vantagens e aplicações do seu uso em instalações em operação as quais já possuem relés digitais ou
IED’s com estes recursos e incentivar a sua aplicação prática, visando à diminuição dos custos de
manutenção de disjuntores, com a aplicação de uma técnica moderna de monitoração de disjuntor e
ainda melhorar a detecção de cabos rompidos em redes elétricas, com significativo aumento na
segurança operacional de pessoas e propriedades.
Embora as duas técnicas sejam fundamentais para as empresas distribuidoras quanto ao aspecto de
redução dos custos de manutenção e segurança de redes urbanas, ainda são pouco utilizadas na prática.
No caso da monitoração do estado do disjuntor, a razão principal é a falta de dados do equipamento
para configurar o relé digital de proteção corretamente e no caso da detecção de condutor rompido,
pela dificuldade de ajustar com segurança a relação da corrente de seqüência negativa pela corrente de
seqüência positiva (I2/I1), sendo proposto neste artigo um método simples e direto para obtenção destes
dados em campo.
1
2. Monitoração de Disjuntor através do IED
A manutenção periódica preventiva de disjuntores é necessária para garantir que o circuito de abertura
e fechamento e seus mecanismos associados operem corretamente e tenham capacidade de interromper
o circuito em situações normais de manobras operacionais e principalmente em situações de curto
circuito pela necessidade de interrupção das altas correntes de curto circuito provocadas pelas faltas no
sistema elétrico.
Geralmente, tal manutenção é realizada tomando como base um intervalo fixo de tempo (manutenção
temporal) ou número fixo de disparos (“trip”) emitido pela proteção para abertura do disjuntor.
Estes métodos tradicionais de monitoração das condições do disjuntor dão apenas uma indicação
grosseira ou imprecisa e podem levar a realização excessiva de manutenção do equipamento e
conseqüente gastos desnecessários.
A monitoração do disjuntor através do IED, se comparado com o método tradicional, permite uma
manutenção mais precisa devido levar em conta à quantidade de operações abrir-fechar, somatório das
correntes de faltas interrompidas e tempo de abertura e fechamento máximo permitido. Com os dados
do fabricante do equipamento em mãos, esta função pode ser facilmente configurada no IED,
permitindo a monitoração otimizada das condições do disjuntor e alarmes individuais, correspondentes
a cada um dos parâmetros podem ser programados para o caso de violação dos limiares pré-ajustados,
de forma que sejam informados a um centro de controle local/remoto ou de manutenção e permitir a
intervenção otimizada da manutenção.
Uma vantagem imediata do uso prático desta função auxiliar é a precisão que se obtém com as
informações em tempo real das condições do disjuntor como também o armazenamento destes dados
na memória do IED.
Os modernos relés digitais de proteção, dotados de recursos de monitoração de disjuntor e
comunicação, podem apresentar informações do estado do disjuntor através do seu display e LED
frontais, bem com armazenar na memória várias informações de acordo com os parâmetros mostrados
na tabela 1 abaixo:
Registro/Monitoração do Disjuntor
CB Opening Time
Display Frontal do Relé Digital
Valor do tempo de abertura apresentado no
display do relé
Valor do tempo de fechamento apresentado no
display do relé
Valor do numero de operações apresentado no
display do relé
Valor do Somatório de corrente de curto
interrompida [ΣAmps (n)] – Fase A.
Valor do Somatório de corrente de curto
interrompida [ΣAmps (n)] – Fase A.
Valor do Somatório de corrente de curto
interrompida [ΣAmps (n)] – Fase A.
CB Closing Time
CB Operations
CB ΣAmps(n) IA
CB Σ Amps(n) IB
CB Σ Amps(n) IC
Tabela 1
2
Para permitir esta funcionalidade, basicamente, os relés digitais são configurados e ajustados com os
dados e valores fornecidos pelo manual do fabricante do disjuntor e configurados no relé, de acordo
com a tabela 2, a seguir:
MENU TEXTO
CB Open Supervision
CB Open Time
CB Close Supervision
CB Close Time
CB Open Alarm
CB Operations
ΣAmps (N)
ΣAmps (N)
N
t Open Pulse
t Close Pulse
FAIXA DE AJUSTE
MIN
MAX
No
Yes
50 ms
1000 ms
No
Yes
50 ms
1000 ms
No
Yes
PASSOS ou “Step”
50 ms
50 ms
0
No
50000
Yes
1
0
1
100 ms
100 ms
4000 x 106
2
5000 ms
5000 ms
1x 106
1
100 ms
100 ms
Tabela 2
A partir do fechamento do disjuntor e operação do circuito, o relé passa a monitorar e acumular os
valores em tempo real proveniente do disjuntor e sempre que ocorrer uma mudança dos parâmetros
monitorados (ex. ordem de fechamento/abertura do disjuntor, valor da corrente de curto circuito, etc.),
é realizado a comparação em tempo real com os valores ajustados da tabela 1, sendo emitido um
alarme local ou remoto quando os valores ajustados são excedidos. Estas grandezas e alarmes
associados além de serem vistos no display e Led´s frontais do relé conforme figura 1, podem também
ser enviados, monitorados e extraídos por uma estação remota de manutenção, através de software de
comunicação e análise adequado.
Figura 1
3
Uma aplicação prática desta nova técnica de monitoração do disjuntor, através do IED com precisão e
redução de custos de manutenção, ocorre em circuitos ou alimentadores dotados de disjuntor a óleo,
com alta incidência de faltas no sistema as quais pode levar a elevada freqüência de mudança do óleo
para proporcionar operação adequada e extensão do ciclo de vida do equipamento. Neste caso,
considerando os critérios conservativos atualmente adotados, são executadas mudanças de óleo em
intervalo fixo de tempo ou número fixo de disparos efetuados, porém, isto pode resultar em
manutenção prematura, principalmente, onde as correntes de curto circuito tendem a ser baixas e,
conseqüentemente, a degradação do óleo é mais lenta do que esperado.
Neste último caso, considerando-se a monitoração através do IED, tem-se um resultado preciso do
número de intervenções para manutenção, pois o IED leva em conta o somatório de correntes
interrompidas (I2t), refletindo exatamente o estado real da rigidez dielétrica do óleo do disjuntor.
Para disjuntores a óleo, é necessário levar em consideração que a rigidez dielétrica do óleo se degrada
ou diminui como uma função de I2t, em que “I”’ é a corrente de curto interrompida e “t” o tempo
formado pelo arco dentro do tanque (não o tempo de interrupção). Como o tempo do arco não pode ser
determinado com precisão, o relé então pode ser ajustado para o quadrado das correntes de curto (I2)
interrompida com N = 2 na tabela 2 acima.
Para todos outros tipos de disjuntores (gás, vácuo, etc.), especialmente aqueles operando em sistema
de alta tensão (HV, EHV), a prática sugere que o valor “N” pode ser fixado em “1”.
Encontra-se em curso na CELPA, planejamento para realização de projeto piloto de monitoração de
disjuntor através de relé digital do fabricante AREVA em uma subestação na região da grande Belém
(PA), próxima ao departamento de manutenção de subestação – DMS, visando o acompanhamento,
coleta de dados local e remoto, com a finalidade de comprovação prática da técnica e redução dos
custos de manutenção de disjuntor.
É imperativo ressaltar que qualquer execução ou programação de manutenção no disjuntor, deve ser
completamente complacente com as instruções do fabricante. Quando for realizada uma intervenção
no IED, para extração de dados do disjuntor, após a utilização e análise das informações relevantes,
pode-se “ressetá-las” no IED, para que o mesmo possa iniciar um novo ciclo de monitoramento.
3. Detecção de Cabos Rompidos – 46BC
A detecção de condutor rompido ou “broken conductor protection”, tem sua aplicação principal em
alimentadores radiais de distribuição de energia em região urbana ou rural, podendo ser estendido às
linhas de transmissão de alta potência, e é de extrema importância para evitar eventuais acidentes
nestes circuitos quando ocorre quebra do cabo ou numa falta de alta impedância, cujo comportamento
com o decorrer do tempo é de uma fase(s) aberta ou cabo(s) isolado(s), impossibilitando atuação da
proteção da linha ou alimentador.
Nos últimos anos, empresas de energia elétrica vêm relatando o aumento de invasões de faixas de
linhas de transmissão ou redes de distribuição em áreas urbanas e acidentes com rompimento de cabo
sem contato com a terra tem ocorrido.
4
Esta função auxiliar, existente na maioria dos relés digitais modernos, pode detectar com precisão este
tipo de defeito, cuja característica principal é a inexistência ou baixa de corrente de falta, impedindo
sua detecção pelas proteções de sobrecorrente de fases e neutro, principalmente em redes de
distribuição. Esta técnica não era possível com a tecnologia convencional anterior (eletromecânica e
eletrônica) em face da necessidade de uso de processamento numérico em tempo real e velocidade
adequada para cálculo das correntes de sequência negativa (I2), positiva (I1) e zero (I0).
Portanto, trata-se de uma técnica moderna, baseada na medição e cálculo através de processamento
numérico ou digital da relação da corrente de seqüência negativa, pela corrente de seqüência positiva
(I2/I1), cujo valor mínimo de ajuste é “0,2” ou 20% e o máximo “1” ou 100%. Esta relação, quando
excedido e decorrido o tempo ajustado (valor típico na ordem de segundos) no IED, indica que o
rompimento do cabo ocorreu (falta de fase) e não houve abertura de arco, dessa maneira, não seria
possível sensibilizar as unidades de proteção de sobrecorrente do alimentador, devendo o IED emitir
ordem de abertura para o disjuntor do alimentador pela proteção de quebra ou rompimento do
condutor.
Figura 2
5
Existe ainda a possibilidade de detectar este rompimento medindo diretamente a corrente de seqüência
negativa (I2) do circuito, porém, o cálculo e a definição do ajuste correto ser bastante complexo
determinar em face do comportamento oscilatório da carga.
Ressaltamos que a proteção para detecção de condutor rompido (46BC) é destinada para proteger
pessoas e propriedades, em especial, em região urbana de grandes capitais em que os circuitos com
tensão de 69kV e superior percorrem vias públicas com grande tráfego de pessoas e veículos,
agravadas em áreas com invasão de faixa de servidão das linhas de transmissão e construções
irregulares, próximas ou debaixo de torres de energia.
Nos casos em que ocorra dificuldade para calcular corretamente e definir o ajuste para a relação (I2/I1)
em determinados alimentadores, pode-se buscar este valor no campo, mantendo desabilitada esta
função e a partir do próprio relé digital, extrair esta medição, verificando os valores observados no
display e anotando numa planilha em intervalos regulares de tempo, no mínimo durante uma semana.
A COELCE em 2002 em parceria com o CEPEL, realizou com sucesso estas medições em campo
durante o desenvolvimento de um projeto pioneiro bastante arrojado, visando encontrar solução
adequada para detecção e proteção do sistema elétrico contra defeitos fase-terra de alta impedância,
sendo na maioria dos casos observados que este defeito tinha característica e comportamento de
condutor partido ou cabo isolado. Neste sentido, foi usado o sistema automático de monitoramento de
seus alimentadores, permitindo leituras discretas em períodos pré-selecionados do dia. Foram obtidos
resultados das medições em 119 alimentadores/transformadores de 17 subestações diferentes, tomadas
em horários de carga máxima e de carga mínima, totalizando 331 pontos medidos de acordo com
tabela 3, a seguir:
6
Mínimo
ALIMENTADOR
I2/I1
In
NVR-21N2
0,049
5,568
NVR-21N3
0,000
NVR-21N5
Máximo
I2/I1
In
0,103 12,530 0,071
7,923
0,011
1,550
0,000
0,038
2,535
0,008
1,345
0,044
6,000
0,095 22,913 0,068 10,575
0,008
3,620
SBU-01S3
0,002
1,000
0,031
0,014
4,404
0,005
1,297
SBU-01S6
0,007
1,732
0,065 14,177 0,034
8,042
0,017
3,225
ITE-01I3
0,032
3,606
0,106 27,713 0,064 10,209
0,017
5,164
ITE-01I4
0,039
4,359
0,071 13,115 0,056
7,363
0,007
1,758
ITK-01I2
0,000
0,000
0,047
2,480
0,008
1,237
ART-01N3
0,051
8,660
0,091 22,517 0,067 12,561
0,007
3,100
ART-01N6
0,007
2,000
0,026 11,790 0,018
7,774
0,003
1,686
JGA-01N3
0,004
1,732
0,037
3,095
0,006
0,947
LMN-01N1
0,033
9,165
0,056 18,330 0,039 13,345
0,005
2,153
LMN-01N4
0,027
9,644
0,073 18,735 0,053 12,413
0,011
2,087
BFG-01N4
0,000
0,000
0,059
3,971
0,013
1,543
AGF – 01I7
0,012
6,999
0,034 15,715 0,023 10,525
0,004
1,748
ARP – 01M1
0,036
3,608
0,082 13,458 0,059
6,654
0,009
1,460
BNS – 01S1
0,032 18,665 0,086 26,605 0,059 22,812
0,013
1,571
BNS – 01S3
0,023 16,508 0,051 25,922 0,034 21,997
0,005
1,630
CDR – 01M1
0,023
3,997
0,097 17,509 0,062
9,553
0,014
2,538
CDR – 01M2
0,000
0,001
0,116
1,999
0,059
1,052
0,014
0,222
DID I – 01I6
0,002
0,997
0,024
9,990
0,011
4,544
0,004
1,553
DID II – 01F6
0,000
0,001
0,017
6,994
0,007
3,365
0,002
1,400
IGT – 01M6
0,010
1,728
0,094 23,044 0,050 11,459
0,020
5,409
IGT – 01M8
0,022
2,996
0,083 14,526 0,050
4,971
0,013
1,004
JNT – 01M2
0,000
0,001
0,016
2,005
0,003
0,994
JNT – 01M7
0,066 11,349 0,099 24,539 0,082 14,774
0,007
3,333
TAP – 01F4
0,000
3,132
0,003
1,116
TAP – 01F2
0,023 16,824 0,060 26,232 0,042 20,818
0,009
1,602
0,018
Tabela 3
7
In
6,928
7,810
7,211
6,928
8,185
6,077
7,002
I2/I1
Desvio Padrão
In
0,000
I2/I1
Média
0,019
0,016
0,010
0,026
0,005
0,007
A partir das medições em campo apresentadas na tabela 3, foram calculados os desequilíbrios de carga
desses alimentadores, traduzidos pela corrente de neutro (In) e pela relação I2/I1.
Foi constatado que em 97% dos casos, os valores da relação I2/I1 obtidos foram inferiores a 0,1.
Foram obtidos valores superiores a 0,1 em apenas 10 casos e superiores a 0,2 em apenas três casos.
Durante a coleta de dados, observou-se também que há uma tendência de aumento da relação I2/I1 com
o aumento da carga durante cada período de medição, indicando que o período mais significativo em
termos de desequilíbrio é o período de carga máxima, conforme já esperado para este tipo de carga em
regiões urbanas.
A tabela 4 apresenta os resultados calculados de um estudo mostrando a variação da relação I2/I1 em
função das correntes de fase, para um sistema trifásico com ângulo entre as fases de 1200 com “Ia”= 1
pu (por unidade), “Ic” e “Ib” variando de 0 a 1 pu.
1.0
Ib=1
Ib=0,8
Ib=0,6
Ib=0,4
Ib=0,2
Ib=0,0
P1
0.9
0.8
0.7
Ib=0,95
Ib=0,75
Ib=0,55
Ib=0,35
Ib=0,15
Ib=0,9
Ib=0,7
Ib=0,5
Ib=0,3
Ib=0,1
Ib=0,85
Ib=0,65
Ib=0,45
Ib=0,25
Ib=0,05
Ia=1
P3
I2/I1
0.6
0.5
0.4
P2
0.3
P1:
P2:
P3:
P4:
0.2
0.1
Ia=1,
Ia=1,
Ia=1,
Ia=1,
Ib=0,
Ib=1,
Ib=0,
Ib=1,
Ic=0
Ic=0
Ic=1
Ic=1
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Ic
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
P4
Tabela 4
Essa é uma informação teórica interessante indicando que, quando ocorre rompimento total de uma
fase ou condutor, a relação I2/I1 aproxima-se de 0,5 ou quando ocorre quebra ou rompimento de duas
fases do cabo, esta relação é máxima ou 100%. Esse é o princípio o qual torna essa relação um
parâmetro com grande potencial para ser utilizado como parâmetro para identificação de condutor ou
cabos rompidos.
8
4. Conclusões
A monitoração de disjuntor para execução de manutenção a partir dos relés digitais ou IED tem sido
pouco utilizada pelas empresas distribuidoras, devido a pouca divulgação desta técnica para as equipes
responsável pela manutenção de disjuntor e ainda falta de dados do equipamento para configurar
corretamente o IED. Esta técnica tem grande potencial para diminuir os custos com manutenção de
disjuntor e aumentar o tempo de vida útil do equipamento, especialmente nos alimentadores com alta
incidência de interrupção de curto circuito, devido a sua precisão para a indicação da necessidade de
manutenção se comparado ao método tradicional utilizado pelas empresas.
Atualmente, as invasões de faixas de linhas de transmissão e ramais de distribuição em áreas urbanas
densamente povoadas é uma realidade e acidentes com rompimento de cabo sem contato com a terra
têm sido relatados nos últimos anos pelas empresas distribuidoras de energia elétrica e através desta
função auxiliar (46BC – condutor partido ou “broken conductor protection”), disponível na maioria
dos modernos relés digitais de proteção, dotados de detecção de condutor rompido através da medição
da relação I2/I1, é possível detectar com precisão este tipo de defeito, desligando o circuito e evitando
danos a pessoas e propriedades.
5. Referências bibliográficas
[a] CEPEL, relatório técnico ALAB 0206/2006 - Medições, Estudos e Ensaios para Avaliação e
Projeto de Proteção para Falhas Fase-Terra em Sistemas com Alta Impedância de Contato;
[b] ALSTOM, Network Protection & Automation guide – PRAG;
[c] AREVA, Technical Guide MiCOM P12x/EN AP/F75, Overcurrent Relays.
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