Self Healing

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO ”
FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
Micro Redes
Notas de Aula
Sistema de Proteção com auto-restauração
(Self Healing)
Profa Mariângela de Carvalho Bovolato
Ilha Solteira - SP, outubro de 2013
1 - Introdução
A auto-restauração (Self-Healing) do sistema de entrega de energia é um
conceito que possibilita a identificação e isolação dos componentes com faltas
no sistema e a restauração do serviço de fornecimento do consumidor por
elementos “saudáveis”.
Esta atividade pode ser conduzida com pequena ou nenhuma intervenção
humana e tem o objetivo de minimizar as interrupções de serviço e evitar a
deterioração da confiabilidade do sistema.
A auto-restauração do Sistema de Distribuição de Energia é conduzida via
Automação da Distribuição (DA), especificamente através da proteção
inteligente e de dispositivos de chaveamento que minimiza o número de
interrupções do consumidor durante uma condição de contingência pela ação
da isolação automática do componente defeituoso (falha) e transferindo o
consumidor (sua carga) para uma fonte ativa quando seu fornecimento normal é
perdido.
A fonte opcional pode incluir alimentadores visinhos, através da Distribuição de
energia com recursos (DER) tais como Geração Distribuída (DG), Distribuição de
Energia Armazenada (DES), etc. por esta razão alguns autores preferem usar o
termo auto-restauração em vez de Self-Healing. Isto equivale a observar que a
implementação da auto-restauração no Sistema de Distribuição necessita de
“projetos”(esquemas) que sejam flexíveis o sufucuente para ajustar mudanças
no carregamento do sistema e condições de configuração (incluindo modificação
no cenário de proteção automaticamente) e operar os componentes do sistema
de distribuição dentro de suas categorias (dentro dos limites de potência
nominal, tensão nominal, etc).
A automação da distribuição é um conjunto de tecnologias que possibilita uma
concessionária de energia Elétrica monitorar remotamente, coordenar e operar
componentes da proteção do sistema de distribuição em modo de tempo real
através das locações remotas. A automação da Distribuição (DA) inclui
subestações, alimentadores e automação dos consumidores. A DA é um
componente vital para executar a capacidade do self-healing, alta confiabilidade
e qualidade de energia do Smart-Grid, tão bem como para permitir a integração
do recurso de energia distribuída.
A DA é direcionada para:
- endereçar a necessidade relativa ao serviço de confiabilidade e qualidade de
energia;
- incentivar reguladores (regulamentação) e penalidades;
- pressionar o corte dos custos e otimizar as operações.
Os benefícios da DA podem ser classificados em funcionalidades e monetários e
eles são funções de aplicação específica para serem organizados. Uma das
aplicações da DA mais populares é a localização de faltas, isolação e serviço de
restauração, também conhecido como FLISR.
2 – Self Healing do Sistema de Distribuição
O Self-Healing ou auto restauração caminha através da abordagem convencional
da proteção tais como a transferência de carga automática e seccionalização de
um circuito fechado (malha) para o mais avançado agente-base do projeto
(esquema) de restauração incluindo a Distribuição de Energia com Recursos
(DER), de ilhamento intencional.
A auto restauração pode ser implementada utilizando somente chaves (não
considerando quando na falta de detecção de corrente ou capacidade
interrompida), somente religadores ou a combinação dos dois dispositivos.
A vantagem de se usar chaves para conduzir a auto restauração é que esta evita
procedimentos ou comportamentos com saídas ou perda relativa para a
coordenação da proteção, a qual deve ocorrer quando o fluxo de potência
(carga) de um lado para o outro no dispositivo é invertido devido a transferência
de carga para um alimentador vizinho. Se não levar particularmente em conta
esta situação, isto pode levar para uma descoordenação da proteção e a
curtos(falha) nos religadores, causando transtornos a este dispositivo.
Entretando, os modernos reguladores controlados remotamente permitem
superar este problema, sendo o obstáculo a necessidade de calcular e programar
diversos cenários (locais) para a proteção de sobrecorrentes, dependendo do
potencial da configuração dos alimentadores. Isto pode ser superado com a
implementação de uma proteção ajustável (adaptável) do sistema.
Novas tecnologias, incluindo religadores de pulso monofásicos fornecem
alternativas adicionais para a implementação de esquemas de auto-restauração.
Apesar dos religadores monofásicos permitirem a detecção e isolação, somente
na fase afetada na condição de falta monofásica ou bifásica, existe limitações
práticas tais como equipe (pessoal) de segurança que evita a implementação
deste tipo de operação para os propósitos de auto restauração, e isto é limitado
somente para aplicações especializadas.
O conceito de auto-restauração em Sistemas de Distribuição parece ser mais
adequado para alimentadores urbano e suburbano, onde abrem laços(malhas) e
as rotas alternativas de fornecimento estão disponíveis, mas não para os
alimentadores rurais, onde a distribuição radial é predominante. Entretanto, no
ultimo caso a implementação das microgrids e ilhamento intencional de Geração
Distribuída (DG) e Distribuição de Energia Armazenada (DES), podem ajudar a
minimizar os impactos de confiabilidade, pois sucessivas experiências a este
respeito têm sido apresentado na literatura.
No caso de alimentadores de distribuição urbanos e suburbanos, alternativas
como operação de abertura de laço (malha) de alimentadores de média tensão é
possível ser implementado no contexto da auto-restauração, embora alcançando
outros benefícios como melhoria da eficiência do Sistema. Isto quer dizer que
não exista uma série de dificuldades para implementar tal operação. Entretanto,
novas tecnologias e o crescimento da capacidade de monitoramento e controle,
estão incrementando a viabilidade de utilização deste tipo de operação (assim
mesmo muito limitado para aplicações específicas), de uma forma mais ampla.
O principal aspecto da auto restauração, quando aplicada no sistema de
distribuição, é a necessidade de identificar o local da falta e se possível antecipar
a ocorrência desta. Inúmeras propostas e produtos comerciais estão disponíveis
nesta área. Diferentes níveis de capacidade de localização de faltas estão sendo
disponibilizadas não somente a nível de dispositivos de campo tais como os
modernos relés baseados em microprocessadores e religadores, mas também no
gerenciamento (do lado da demanda) do sistema de Distribuição. Isto inclue a
localização de qualquer falta ou interrupção.
O objetivo da localização da falta e sua identificação com precisão é nos
componentes do alimentador com falha (poste, linha de distribuição, etc),
enquanto que a localização da interrupção tem a meta de identificar o
dispositivo de proteção que tem que ser operado para isolar a falta.
Nisto está a qualidade, é o que vale a pena, relembrando que nem todos os
dispositivos de proteção são monitorados em tempo real, portanto a localização
da interrupção (saída) é visada pelo operador do sistema de distribuição, quando
detectando a operação deste tipo de dispositivo e confirmando a operação
daqueles que estão sendo supervisionados em tempo real.
Revisão: out/2012
Sobrecorrentes: é a intensidade de corrente superior à máxima corrente
permitida para um sistema, equipamento ou para um componente elétrico
qualquer.
Corrente Nominal do Fusível: é o valor de corrente que o fusível pode suportar
continuamente sem deteriorar-se ou exceder os limites de temperatura
especificados, satisfazendo as características de tempo/corrente desta
especificação.
Elo- Fusível Protegido: é aquele que está instalado do lado da fonte.
Elo – Fusível protetor: é aquele que está instalado do lado da carga.
2.1.2 – Principio de Funcionamento da Chave Fusível, do tipo expulsão.
Quando da circulação de sobrecorrente em uma chave fusível, devido ao efeito
térmico, o elemento fusível se funde, interrompendo o circuito. A alta
temperatura do arco provoca a queima e a decomposição parcial do
revestimento interno do cartucho, gerando gases que interrompem o arco no
instante de corrente nula. A pressão dentro do cartucho aumenta em função dos
incrementos de temperatura e a geração dos gases cria condições dentro do
tubo que ajudam a desionizar o caminho do arco. A pressão exercida também
ajuda a manter a condição de circuito aberto, uma vez que as partículas
ionizadas forçam a abertura das extremidades do cartucho, sendo expelidas em
seguida.
2.2- RELIGADOR AUTOMÁTICO
O Religador Automático é um dispositivo interruptor automático, que abre e
fecha seus contatos repetidas vezes na eventualidade de uma falha do circuito
por ele protegido.
2.2.1 – Principio de Funcionamento.
O Religador é um equipamento de proteção a sobrecorrentes utilizado em
circuitos aéreos de distribuição, que opera quando detecta correntes de curtocircuito, desligando e religando automaticamente os circuitos um número
predeterminado de vezes. Quando o religador sente uma condição de
sobrecorrente, a circulação desta corrente é interrompida pela abertura de seus
contatos. Os contatos são mantidos abertos durante determinado tempo,
chamado de tempo de religamento, após o qual se fecham automaticamente
para reenergização da linha.
Se, no momento do fechamento dos contatos, a corrente persistir, a sequência
abertura/fechamento é repetida até três vezes consecutivas e, após a quarta
abertura os contatos ficam abertos e travados. O novo fechamento só poderá ser
manual.
As operações de um religador podem ser combinadas nas seguintes sequências:
a- se for ajustado para 04 operações:
-uma rápida e três retardadas;
-duas rápidas e duas retardadas;
- três rápidas e uma retardada;
- todas rápidas;
- todas retardadas.
b- para qualquer número de operações menor que quatro, em combinações
similares de operações rápidas e retardadas.
A partir dessa característica de temporização dupla, pode-se coordenar o
equipamento com os fusíveis dos ramais de um alimentador ou outros
equipamentos localizados a jusante.
Religador na saída de Subestação- (fonte CEMIG)
Os fabricantes, geralmente fornecem a curva média para uma operação
temporizada do religador, com variações de ± 10%. Isto significa que para uma
dada corrente In, o tempo de operação correspondente pode variar sobre uma
reta, de ± 10% na base do tempo e ± 10% na base da corrente. O maior desvio
será o limite aceitável. Quando se estuda a coordenação dos equipamentos,
pode-se levar em consideração esta tolerância, admitindo sempre o caso mais
desfavorável.
2.2.2 – Classificação dos Religadores
a-
Quanto ao número de fases
Monofásicos: são utilizados para proteção de linhas monofásicas ou ramais de
alimentadores trifásicos, um para cada fase, onde as cargas são
predominantemente monofásicas, sendo que na eventualidade de ocorrer uma
falha permanente para terra, será bloqueada somente a fase com falha,
enquanto é mantido o serviço aos consumidores ligados às outras duas fases.
Trifásicos: são utilizados onde é necessário o bloqueio das três fases
simultaneamente, para qualquer tipo de falha permanente, a fim de evitar que
cargas trifásicas sejam alimentadas com apenas duas fases.
Os religadores trifásicos podem operar das seguintes formas:
-trifásicos com operação monofásica e bloqueio trifásico: são constituídos de 03
religadores monofásicos, montados em um único tanque, com mecanismos
interligados apenas para proceder o bloqueio trifásico. Cada fase opera
independentemente em relação às correntes de defeito.
- trifásicos com operação trifásica e bloqueio trifásico: são constituídos de um
único religador, que opera e bloqueia sempre trifasicamente, independente do
tipo de falta. Mesmo que a falta ocorra somente em uma fase, todos os contatos
realizam a operação de abertura e fechamento.
b-
Quanto ao tipo de controle
Os religadores possuem dois tipos de controle:
- controle hidráulico : as correntes são detectadas pelas bobinas de disparo que
estão ligadas em série com a linha. Quando, através da bobina flui uma corrente
igual ou superior à corrente mínima de disparo do religador, também conhecida
como pick-up, o núcleo da bobina é atraído para seu interior, provocando
abertura dos contatos principais do religador.
Nos religadores com corrente nominal de até 200ª, são empregadas molas de
fechamento, que são carregadas pelo movimento do núcleo da bobina série.
Nos religadores com correntes nominais de 250, 280, 400 e 560 A, o fechamento
é realizado pela bobina de fechamento, que é energizada pela tensão da linha.
- controle eletrônico: o religador , com este tipo de controle apresenta mais
facilidade para ajustes e ensaios e maior flexibilidade. É mais preciso, em
comparação ao controle hidráulico. Este controle abriga-se em uma caixa
separada do religador e permite modificações de ajustes no equipamento, sem a
necessidade de sua abertura, onde tem-se:
Característica tempo x corrente; níveis de corrente de disparo; sequência de
operação.
c- Quanto ao meio de interrupção
Os religadores, em relação ao meio de interrupção, classificam-se em:
- religadores com interrupção a óleo;
- religadores com interrupção à vácuo.
A interrupção à vácuo apresenta um período de trabalho cerca de 3 a 4 vezes
maior do que o com interrupção a óleo, mas são mais caros devido as garrafas de
vácuo serem importadas.
2.3 - SECCIONADOR AUTOMÁTICO
O Seccionador Automático é um equipamento utilizado para interrupções
automáticas de circuitos, que abre seus contatos quando o circuito é
desenergizado por um equipamento de proteção situado à sua retaguarda e
equipado com dispositivo para religamento automático.
2.3.1 – Principio de Funcionamento.
O Seccionador é um equipamento basicamente construído de um elemento
sensor de sobrecorrente e de um mecanismo para contagem de desligamentos
do equipamento de retaguarda, além de contatos e de dispositivos para
travamento na posição aberto. Quando ocorre uma sobrecorrente no circuito,
passando através do seccionador, cujo valor seja maior ou igual à corrente de
acionamento, o equipamento é armado e preparado para a contagem. A
contagem se inicia quando a corrente que circula por ele é interrompida pelo
equipamento de retaguarda ou cai abaixo de determinado valor. Após um certo
número dessas ocorrências, que corresponde ao ajuste do equipamento, ele
abre os contatos e permanece travado na posição “aberto”, isolando o trecho
com falha.
2.3.2 – Classificação dos religadores
- Quanto ao número de fases:
Monofásicos: são utilizados exclusivamente para seccionamento automático
de sistemas monofásicos primários de Distribuição.
Trifásicos : são utilizados exclusivamente para seccionamento automático de
sistemas trifásicos primários de Distribuição.
- Quanto ao tipo de controle :
Controle Hidráulico: Este mecanismo compõe-se de3 uma bobina série e do
respectivo êmbolo, um pistão de disparo, uma mola e duas válvulas de
retenção. Um seccionador hidráulico opera, quando sua bobina série é
percorrida por um fluxo de corrente que exceda 160% de sua corrente
nominal.
A operação de contagem de um seccionador típico se faz quando o religador
de retaguarda interrompe uma sobrecorrente.
O equipamento pode ser ajustado para mais de uma contagem e caso o
número programado seja completado dentro do período de memória, o
dispositivo abrirá seus contatos e só poderá ser fechado manualmente.
O tempo de rearme dos seccionadores com controle hidráulico é de 1 a 1,5
minutos por contagem.
Como a corrente mínima de acionamento é de 160% da corrente nominal da
bobina, podem-se obter determinadas correntes mínimas de atuação através
da simples troca de bobina série do equipamento.
Controle Eletrônico: As unidades controladas eletronicamente preparam-se para
contar quando ocorre uma sobrecorrente e completam a contagem quando o
circuito for desenergizado. A diferença está no fato de que os seccionadores
com controle eletrônico têm suas operações supervisionadas por circuitos de
estado sólido. Ocorrendo uma falta permanente, o seccionador irá disparar após
o número prefixado de contagens. Caso a falta seja temporária, o circuito
armazena a contagem em uma memória eletrônica até o tempo preestabelecido,
para depois, gradativamente, esquecê-la.
2.3.3 – Acessórios
Existem acessórios que aumentam a flexibilidade de aplicação dos seccionadores
e são normalmente usados onde a coordenação é particularmente difícil.
a- Acessório restritor de tensão
Este dispositivo faz com que o equipamento seja capaz de contar somente as
operações do dispositivo situado do lado da fonte e isto permitirá que o
seccionador conte as interrupções somente quando não existir tensão no
mesmo. Foi projetado somente para seccionadores trifásicos hidráulicos.
b- Acessório restritor de corrente:
Este acessório desempenha a mesma função que o acessório restritor de tensão,
efetua nos seccionadores hidráulicos, mas só é disponível para seccionadores
eletrônicos e sua atuação se faça por comparação de correntes.
c- Acessório restritor de corrente inrush.
Correntes de inruh são correntes transitórias de energização e desenergização
de circuitos e equipamentos.
Os acessórios restritor de corrente inruh são utilizados em sistemas onde a
coordenação é prejudicada por altas correntes de inruh e quando este problema
não é solucionado pelo aumento da corrente de atuação do seccionador, os
equipamentos eletrônicos podem ser usados com o acessório restritor de
corrente inruh. . Este tipo de acessório só é utilizado para seccionadores com
controle eletrônico.