ressonância em banco de capacitores de 69 kv

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SNPTEE
SEMINÁRIO NACIONAL
DE PRODUÇÃO E
TRANSMISSÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA
GSC - 19
16 a 21 Outubro de 2005
Curitiba - Paraná
GRUPO X
GRUPO DE SOBRETENSÕES E COORDENAÇÃO DO ISOLAMENTO - GSC
RESSONÂNCIA EM BANCO DE CAPACITORES DE 69 KV – SOLUÇÕES ADOTADAS
Auro Seiji Mishima – COPEL TRANSMISSÃO
José Coriolano Lacerda Ribas – COPEL TRANSMISSÃO
Luiz Fernando Colla ( * ) – COPEL TRANSMISSÃO
Paulo Eiki Cavamura – COPEL TRANSMISSÃO
RESUMO
Na execução da subestação CIC (230/69/13,8kV - 400MVA), contruiram-se dois bancos de capacitores
69kV/15MVAr. Os bancos têm (em cada fase) doze capacitores, 450kVAr/10,35kV, na configuração quatro série
por três em paralelo.
Após essa associação, há TPs de 15kV conectados a capacitores auxiliares
de167kVAr/825V. Esses bancos possibilitam o surgimento de ressonância com o sistema de 69kV, quando uma
falta fase-capacitor auxiliar ocorre no banco, provocando potenciais de 400 kV (RMS) sobre os TPs que alimentam
o relé diferencial de tensão. Como solução, instalou-se "gaps" na caixa dos TPs estabelecendo-se assim,
imunidade para a casa de comando.
PALAVRAS – CHAVE
Banco de capacitores, Ressonância, Soluções adotadas
1.0– INTRODUÇÃO
No projeto e construção de sistemas elétricos, é objetivo de todo engenheiro garantir instalações que operem com
segurança, com elevada confiabilidade e com disponibilidade máxima. Muitas vezes estuda-se soluções que
sejam o mais abrangente possível, com o emprego de materiais e equipamentos que se julga serem de ótima
qualidade e, com a utilização de técnicas de análise que correspondem ao estado da arte naquele momento.
Verifica-se, entretanto, que, em algumas situações, todos esses cuidados mostram-se insuficientes para garantir
um projeto e instalação adequados para determinados equipamentos.
O presente trabalho é um estudo de caso de dois bancos de capacitores de 69 kV, instalados na SE CIC, onde
uma dessas situações foi detectada e resolvida antes que quaisquer dificuldades adicionais viessem a ocorrer.
Para um melhor entendimento desse estudo de ocorrência na SE CIC, objeto deste trabalho, é necessário
citarmos rapidamente a configuração de bancos de capacitores mais usual na COPEL.
Por razões histórico-econômicas, a COPEL utiliza na barra de carga de 13,8kV de suas subestações de
distribuição, transformadores conectados na configuração triângulo (portanto, sistema isolado sem neutro
acessível). Nesse sistema, a detecção de defeitos à terra é realizada com o auxílio do emprego de reatores
("transformadores") de aterramento. Esta configuração do sistema em 13,8kV da COPEL, praticamente,
determinou a configuração dos bancos de capacitores instalados em sua barra de carga de 13,8kV quando essa
necessidade se mostrou presente. Assim, os bancos de capacitores, instalados nas barras de 13,8kV dessas SEs
e destinados à compensação da potência reativa nesses barramentos, são montados na configuração dupla
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estrela isolada, sendo protegidos por fusíveis externos, individuais, ou internos aos capacitores com a utilização
de um relé sensor de desequilíbrio de corrente (função ANSI nº 60 ) entre as interligações dos neutros das
estrelas desses bancos, apresentando somente estágio de alarme na eventualidade de ocorrência de algum
desequilíbrio entre as unidades capacitivas que compõem essa configuração. Na Figura 1 temos uma referência
esquemática dos bancos de 13,8 kV.
BARRA - 13,8kV
42
60
FIGURA 1 – Banco de capacitores usualmente instalados em 13,8kV.
Ao observarmos a Figura 1, vemos que, na hipótese de ocorrência de faltas sólidas para a terra que envolvam a
interligação dos neutros das estrelas dos capacitores do banco, e considerando-se a ruptura de alguma conexão
no relé ou mesmo abertura da bobina do mesmo, ter-se-á, no máximo, nos painéis da casa de comando o
desenvolvimento de tensões elevadas (porém limitadas) provocadas pelos secundários dos TCs; Entretanto,
estas tensões não serão maiores do que 3500 V de crista ou 2500 Vrms, valores de norma admitidos para
transformadores de corrente [1]. Estes níveis de sobretensões não teriam, em princípio, maiores conseqüências
para os circuitos adjacentes ao circuito do banco de capacitores.
Para os bancos de 69 kV, (nas subestações da COPEL, conforme podemos observar na Figura 2), adota-se a
configuração estrela aterrada, por ser esse também, o padrão de ligação dos enrolamentos (desse nível de
tensão) dos transformadores da COPEL. Nessa configuração, como proteção de desbalanço do banco, é usual o
emprego de relés de sobretensão conectados em paralelo a resistores ajustáveis, no ponto neutro do banco,
sendo essa associação alimentada pelo TC instalado entre o ponto neutro da estrela e o seu terra. Uma das
unidades de relés de sobretensão destina-se a dar alarme e a outra, “trip”.
A respeito de sobretensões que podem migrar para a casa de comando e circuitos adjacentes, são válidas aqui,
as mesmas observações realizadas para bancos de 13,8kV, anteriormente.
69kV
P
T
BANCO CAP. 1
60-5-5A
15
51
51N
OSC
FIGURA 2 – Banco de capacitores usualmente instalados em 69kV.
159N
259N
3
2.0 – BANCO DE CAPACITORES INSTALADOS NA SE CIC – DESCRIÇÃO DO SISTEMA
Nesta subestação, foram especificados e instalados dois bancos de capacitores de 15 MVAr cada na barra de
69 kV. Podemos observar na Figura 3 o diagrama trifilar de um deles.
BANCO DE CAPACITORES - 1
15 MVAr (36 X 450 kVAr)
69kV
BARRA
PRINCIPAL
A B V
TPB1A
600V
250
REATOR
TPB1B
600V
250
1952
450kVAr
X
X
X
167kVAr
X
TPB1V
600V
250
50/51
50/51N
59 + 27
167kVAr
X
X
X
X
87VB1
GAP
TP's BARRA 69kV
FIGURA 3 – Banco de capacitores instalado na barra de 69kV na SE CIC.
Nota-se que cada banco é constituído de trinta e seis (36) unidades capacitivas com potência de 450kVAr/10,35kV
(cada unidade), com quatro (04) unidades capacitivas por "string" e com três (03) "strings" em paralelo por fase;
Ao final dessa associação paralela de "strings", foram instalados (por fase) um (01) TP (classe de isolação 15kV)
ligado em paralelo com dois capacitores auxiliares de características nominais 167kVAr/825V. Essas unidades
capacitivas auxiliares destinam-se a proporcionar uma amostra de tensão, via TP, a um relé diferencial de tensão
(87V) instalado na casa de comando, o qual compara esta amostra com a tensão existente no barramento de
69 kV, pois esse relé diferencial também recebe referência de tensão da barra de 69kV da SE..
Na Figura 4 temos o diagrama unifilar da barra de 69 kV, onde podemos observar o sistema de proteção adotado
para o banco em questão e para os demais circuitos ligados nesta barra.
4
69kV
T
BARIGUI 1
P
23
21P, 21NP
67NP, 50BF
25, 79
21A, 21NA
67NA, 50BF
25,79
SYN
TRANSFORMADOR A
23
50/51V
50/51N
50BF, 59T
50/51V
50/51N
50BF
50/51
59G
87TA
BC-2
15 MVAr
REATOR
87VB2
600
V
250
21
50/51
50/51N
59, 27
87B
FIGURA 4 – Diagrama unifilar da barra de 69kV da SE CIC.
As unidades capacitivas do banco em análise não possuem fusíveis, sendo do tipo "fuseless". A proteção do
banco é realizada por intermédio de unidades de sobrecorrente e de diferença de tensão que desligam o mesmo
no caso de anomalias. O desequilíbrio de tensão que surge internamente ao banco quando algumas unidades
capacitivas são avariadas é monitorado como informado anteriormente. Um certo desequilíbrio destas tensões é
admitido em condições normais de operação. A partir de um certo nível de desequilíbrio o relé 87V atua seu
estágio de alarme e a partir de outro patamar comanda o “trip” do disjuntor do banco.
Sob o ponto de vista de proteção, deve-se observar que, funcionalmente, como no sistema representado pela
Figura 3, a utilização de TPs é semelhante ao emprego de TC pois, nas duas situações, ambos os dispositivos
atuam como elementos (sensores) de aquisição de informação.. Isto é, tanto em um, como em outro caso, há
proteção de sobrecorrente e de desbalanço capacitivo originado pela queima de elementos das unidades
capacitivas do banco.
A principal diferença entre os sistemas que se utilizam de TC no neutro ( Figuras 1 e 2), ou de TPs que retiram
uma amostra de um divisor capacitivo (Figura 3 e 4 ) é a extensão dos danos à casa de comando e,
consequentemente, na subestação, caso um pulso de tensão com potência (uma sobretensão, ainda que de curta
duração) consiga migrar do pátio para a mesma.
Nos sistemas a TCs, o pulso (se existir), fica restrito a níveis não excessivos ( 2500 Vrms ) de tensão, conforme
visto anteriormente, e os danos limitam-se, no máximo, ao circuito de proteção do banco de capacitores, podendo
- eventualmente - causar alguma avaria no circuito de controle e sinalização deste, mas sem apresentar maiores
conseqüências para os demais circuitos da subestação.
Nos sistemas a TPs (Figuras 3 e 4), ocorre o oposto, pois conforme pode ser observado no diagrama unifilar da
Figura 4, se esse pulso existir sobre o TP e for de magnitude capaz de avariar o relé diferencial de tensão, haverá
grande probabilidade do mesmo propagar-se a todos os dispositivos que estão ligados no circuito de tensão da
barra de 69 kV danificando-os também (lembrar que o relé diferencial de tensão recebe em seus circuitos
eletrônicos, de baixa isolação, as duas referências de tensão: a do banco e da barra à qual o banco está ligado).
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Assim, um pulso de tensão com potência na entrada deste relé, poderá retirar de serviço todos os circuitos
conectados a uma dada barra de uma subestação, se estes circuitos estiverem protegidos por relés que requeiram
referência de tensão de barra para operar, tais como: relés de distância, relés de sub ou sobretensão, relés de
sobrecorrente com restrição de tensão, etc.
É fácil imaginar os transtornos e os prejuízos que um acidente desta natureza e magnitude causaria.
3.0 – PROVÁVEIS PERIGOS
DETECTADOS NOS BANCOS DE CAPACITORES INSTALADOS NO
BARRAMENTO DE 69 KV DA SE CIC – FENÔMENO DE RESSONÂNCIA
Conforme verificado pelo item anterior, um pulso de tensão com potência que adentre à subestação via circuito de
amostra de tensão dos bancos de capacitores provocará a falha de todos os relés que operam com sinal de
referência de tensão da barra de 69 kV, pois o relé diferencial 87V – vide Figura 4 – não possui isolação suficiente
para impedir a migração deste pulso até a entrada, no relé, da referência de potencial da barra de 69 kV.
Com o objetivo de responder qual deve ser o nível de isolamento necessário aos TPs que proporcionam a amostra
de tensão dos bancos, uma vez que em condições normais de operação estes estarão submetidos a um nível de
tensão fase-terra de apenas 254 Volts, (como é possível inferir da Figura 3), pesquisou-se defeitos que pudessem
ocorrer no sistema, colocando em risco a isolação dos referidos TPs.
É possível argumentar-se que na ocorrência de um curto circuito entre alguma fase do sistema e os capacitores
auxiliares, (Ver Figura 5), estes estariam submetidos a uma tensão de aproximadamente 40 kV ( 69/R3 kV ).
BANCO DE CAPACITORES - 1
15 MVAr (36 X 450 kVAr)
69kV
BARRA
PRINCIPAL
A B V
TPB1A
600V
250
CURTO-CIRCUITO DA FASE "A"
AO CAPACITOR DE 167kVAr
REATOR
TPB1B
600V
250
1952
450kVAr
X
X
X
167kVAr
X
TPB1V
600V
250
50/51
50/51N
59 + 27
167kVAr
X
X
X
X
87VB1
GAP
TP's BARRA 69kV
FIGURA 5 – Curto-circuito entre fases e capacitores de 167kVAr.
Se considerarmos a impedância de Thévenin do sistema de potência, a indutância do reator de limitação de
corrente do banco e a impedância dos capacitores auxiliares, ter-se-á um circuito R-L-C série que, dependendo
dos valores das impedâncias envolvidas, poderão estar em sintonia provocando o fenômeno de ressonância, com
o surgimento de elevadas sobrecorrentes e sobretensões tanto no lado do sistema como nos elementos
componentes do banco de capacitores.
Para o caso em estudo, realizou-se diversas simulações com auxílio do software ATP observando-se as correntes
e as tensões desenvolvidas nos capacitores auxiliares, assim como sobre os TPs que alimentam a proteção
diferencial de tensão.
6
Na Figura 6 temos o resultado da impedãncia harmônica vista pelos capacitores auxiliares de uma destas
simulações.
.
16
14
12
Ohms
10
8
6
4
2
0
0
60
120
180
240
300
360
420
480
540
Freqüência (Hz)
FIGURA 6 – Impedância harmônica vista pelo capacitor de 167 kVAr.
Observa-se, na Figura 6, a existência de uma freqüência de ressonância nas proximidades de 60 Hz, a qual
permite o surgimento (nos capacitores auxiliares), de tensões (teóricas) de 460 kV.
Obviamente que esses capacitores não são construídos para suportar tensões desta magnitude, ocorrendo sua
danificação, caso aconteça o fenômeno de ressonância. A questão que se coloca a seguir consiste em saber que
conseqüências um fenômeno dessa natureza provocaria, e quais seriam as magnitudes dos surtos de tensão que
poderiam se propagar para dentro da casa de comando provocando conseqüências imprevisíveis.
A esse respeito, realizou-se outro estudo detalhado cujas principais ações e conclusões estão informadas no
parágrafo a seguir.
4.0 – RESUMO DOS ESTUDOS REALIZADOS NOS BANCOS DE CAPACITORES DA SE CIC
Ainda uma vez, com auxílio do software ATP, estudou-se, (para o sistema de potência de 69kV da COPEL,
horizonte ano 2005), quais seriam as conseqüências de um curto circuito entre uma das fases desse sistema de
potência com o(s) capacitor(es) auxiliar(es) de baixa tensão, .
O estudo considerou regime de carga pesada prevista para o ano de 2005 e analisou-se as situações com um ou
com dois bancos em operação. Os resultados para ambos esses casos foram muito parecidos e, assim, passouse a considerar, nas simulações, a operação com dois bancos simultaneamente.
A primeira conclusão é de que uma falta como a descrita anteriormente, efetivamente provocaria elevados níveis
de sobretensões e sobrecorrentes pois, nessas condições, o sistema seria “ quase ressonante “. Os valores
resultantes foram de 270 kV pico em 70 ms e 150 kA pico em 65ms. .
Tais valores diferem um pouco dos conseguidos no estudo anterior pelo fato de terem sido obtidos com dados
atualizados da rede COPEL (equivalente) . Entretanto, quanto aos propósitos de ambos os estudos, eles são
conclusivos positivamente quanto ao surgimento de tensões (teóricas) inadmissíveis nos capacitores auxiliares de
BT do banco da SE CIC.
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Como é sabido, esses capacitores auxiliares de BT não suportam tensões tão elevadas e, certamente, sofrerão
avarias caso estas tensões ocorram. [2]
Outra conclusão importante desse estudo foi que, "segundo a tecnologia deste capacitor auxiliar de BT ( GE), a
falha no dielétrico ocorre com 6 vezes o valor da tensão nominal. Uma atitude conservadora, é admitir a falha do
seu dielétrico com o valor de 6 kV, onde o capacitor auxiliar de BT entra em curto. Após, aproximadamente, 12 ms
(correntes superiores a 7 kA), haverá a ruptura da caixa,[...] Ao romper a caixa do capacitor, este poderá
permanecer curto-circuitado, que é a situação mais comum, ou poderá, remotamente, extinguir o arco com a
ruptura da caixa. Nessas condições, consideramos que o TP não se danificará[...]” [3]
Os efeitos dessa situação não são, seguramente, previsíveis quanto ao seu aspecto quantitativo havendo
necessidade de formulação de algumas hipóteses, baseadas nas conclusões acima.
4.1 – Hipótese de curto circuito do banco de capacitores (Figura 5) e curto circuito de um dos capacitores de BT ,
bem como permanência do isolamento do TP, montado paralelamente a esse capacitor.
No primário do TP ocorrerá um pulso de 6 kV que induzirá um pulso de tensão da ordem de 1,5 kV para o
secundário, não afetando a isolação dos relés de proteção, uma vez que estes são especificados ( na COPEL )
para 2,0 kV, e ensaiados segundo a IEC 255-5 de 1977.
4.2 – Hipótese de curto circuito do banco de capacitores (Figura 5), seguido do curto circuito de um dos
capacitores de BT e interrupção do curto com a ruptura da caixa.
Nos primeiros instantes do processo, até que o capacitor entre em curto, ocorrerão efeitos similares aos descritos
no item 4.1 anterior. Após o capacitor interromper o arco – abrir-se completamente – as tensões que surgirão no
primário do TP são, basicamente, as tensões fase-terra do sistema ( 40 kV ), com alguns transitórios decorrentes
da abertura da fase em falta.
Muito provavelmente, o TP suportará essas tensões nesses intervalos de tempo, uma vez que se adotou
equipamentos com classe de isolação de 15 kV, grupo 1 .[4].
As tensões induzidas no secundário do TP – Figura 7 -, no entanto, podem assumir valores muito superiores a 2,0
kV (rms) comprometendo tanto o relé 87V como os demais relés que estejam ligados na linha de potencial dos
TPs de barra.
FIGURA 7 - Tensão no secundário do TP de medição e no relé 87V.
Para minorar a extensão desse tipo de dano, na SE CIC, nessa hipótese, foram adotadas as providências do item
4.3, a seguir.
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4.3 – Soluções adotadas para essas condições
a)
TPs
Conforme já foi comentado anteriormente, adotou-se TPs com classe de isolação de 15 kV, grupo 1, evitando-se
assim a ruptura de seu isolamento quando submetido a sobretensões excessivas, o que certamente ocorreria se
seu nível de isolamento fosse inferior ao valor especificado.
b)
Instalação de "gaps" nos secundários dos TPs
Visando prevenir as sobretensões que podem surgir nas hipóteses do item 4.2 anterior, e ante a impossibilidade
de se instalar varistores devido a alta potência a que os mesmos estariam submetidos, instalou-se “gaps” na saída
dos TPs, capazes de limitar a onda de tensão em 2 kV, proporcionando assim a garantia de que níveis superiores
a esse valor não migrarão para os relés , danificando-os.
c)
Instalação de varistores na entrada do relé 87 V
A instalação desses dispositivos objetivou oferecer uma proteção adicional contra surtos de tensão ao relé
diferencial, 87 V, e aos demais relés que operam com referência de tensão da barra de 69 kV.
5.0 CONCLUSÕES
A necessidade de instalações de bancos de capacitores em tensões mais elevadas é uma tendência crescente
nos sistemas de elétricos potência da COPEL. Esses bancos, no entanto, requerem um sistema de proteção
sofisticado quando comparado com os sistemas de proteção selecionados para os bancos de capacitores
instalados em 13,8 kV, ao mesmo tempo em que são inseridos em partes do sistema onde o nível de curto
circuito, e a conseqüente redução das impedâncias, são mais elevados.
Dependendo das condições do sistema e dos componentes do banco, quando este apresenta configuração
semelhante à configuração da SE CIC, surge a possibilidade dos capacitores auxiliares de BT entrarem em
ressonância com a impedância do sistema caso ocorra uma falta de uma das fases para o ponto de instalação
desses capacitores, dando origem, assim, a elevadas sobretensões que podem migrar para a casa de comando
via TPs ligados nestes capacitores, submetendo toda a instalação aos riscos decorrentes dessa situação.
Assim, são indispensáveis os estudos detalhados sobre os possíveis riscos potenciais de danos de forma a
subsidiar a adoção de medidas preventivas para se evitar situações adversas dessa natureza.
6.0 BIBLIOGRAFIA
1 - NBR 6856/ 1992 – TRANSFORMADOR DE CORRENTE
2 - NBR 5282/1998 – CAPACITORES DE POTÊNCIA EM DERIVAÇÃO PARA SISTEMAS DE TENSÃO
NOMINAL ACIMA DE 1000V.
3 - USHIKUBO CONSULTORIA – Estudo do curto-circuito de um conjunto de capacitores de uma fase do banco
69 kV, 15 MVAr, da subestação CIC da COPEL
4 - NBR 6855/1992 – TRANSFORMADOR DE POTENCIAL
5 – IEC 255-5 – PART 5 – INSULATION TESTS FOR ELECTRICAL RELAYS. 1977