Comutação de corrente fora de fase em disjuntores de alta tensão

Quando duas partes de uma rede elétrica com a mesma tensão de operação são acopladas, ocorre um fenômeno de comutação de deslocamento de fase se suas fontes equivalentes tiverem ângulos de fase diferentes, com algumas ou todas as fases estando 180° fora de fase. Durante a operação de comutação, o disjuntor encontra tensões de fonte com ângulos de fase diferentes, levando à presença de correntes deslocadas em fase na conexão. Essas correntes devem ser interrompidas de forma confiável pelos disjuntores de ambos os lados da conexão.

Especificamente, a diferença de ângulo de fase entre os vetores rotativos que representam as tensões das fontes resulta em formas de onda instantâneas de tensão fora de sincronismo, causando correntes transitórias significativas e tensões de estresse no momento da comutação. Para a tensão de recuperação transitória (TRV), essa tarefa de comutação é caracterizada por fontes de potência ativa em ambos os lados do disjuntor, aumentando a complexidade e os desafios da operação de comutação.

Como mostrado na Figura 1, suponha que as fontes de energia S1 e S2 representem duas fontes com diferentes ângulos de fase. Quando o disjuntor comuta entre essas duas fontes, a diferença de ângulo de fase pode levar a um aumento substancial da corrente transitória, impondo maiores exigências de interrupção ao disjuntor. Portanto, o disjuntor deve ter capacidade suficiente para lidar com essas condições de alto estresse, garantindo operações de comutação seguras e confiáveis.

Resumo dos Pontos Principais

• Comutação de Deslocamento de Fase: Ocorre quando há comutação entre duas fontes com diferentes ângulos de fase.

• Correntes Transitórias: Correntes transitórias significativas são geradas devido às diferenças de ângulo de fase.

• Tensão de Recuperação Transitória (TRV): A tarefa de comutação envolve fontes de potência ativa em ambos os lados do disjuntor, aumentando a complexidade.

• Requisitos do Disjuntor: O disjuntor deve ser capaz de lidar com condições de alto estresse para garantir operações de comutação seguras e confiáveis.

Nas tarefas de comutação de falhas discutidas anteriormente, o componente de Tensão de Recuperação Transitória (TRV) do lado da carga, eventualmente, decresce a zero. No entanto, na comutação de deslocamento de fase, o componente TRV do lado S2 decresce gradualmente para a tensão de recuperação de frequência de rede (RV) da fonte S2. Como mostrado na Figura 2, assume-se que a diferença de fase entre as duas fontes é de 90°, e os reatores de curto-circuito têm impedância igual.

Portanto, a principal característica da operação de comutação de deslocamento de fase é a presença de picos de TRV excepcionalmente altos, enquanto a Taxa de Ascensão da Tensão de Reestabelecimento (RRRV) e a corrente permanecem relativamente moderadas. Dado que o pico de TRV sob condições de deslocamento de fase é o mais alto entre todas as operações de comutação, ele é geralmente usado como referência para avaliar outras condições de comutação complexas, como a limpeza de falhas em linhas de transmissão de longa distância ou o tratamento de falhas em linhas compensadas em série.

Resumo dos Pontos Principais:

• TRV do Lado da Carga: Em todos os casos, o componente TRV do lado da carga decresce a zero. TRV do Lado S2 em Deslocamento de Fase: Decresce para a tensão de recuperação de frequência de rede (RV) da fonte S2.

• Pico de TRV: Excepcionalmente alto na comutação de deslocamento de fase.

• RRRV e Corrente: Permanecem relativamente moderadas.

• Padrão de Referência: O pico de TRV sob condições de deslocamento de fase é o mais alto, tornando-o uma referência comum para avaliar outras condições de comutação complexas.

Características da TRV na Comutação de Deslocamento de Fase

Nas situações de comutação de falhas discutidas anteriormente, o componente de Tensão de Recuperação Transitória (TRV) do lado da carga decresce a zero em todos os casos. No entanto, na comutação de deslocamento de fase, o componente TRV do lado S2 decresce para a tensão de recuperação de frequência de rede (RV) da fonte S2. Este comportamento é ilustrado na Figura 2, onde se assume que a diferença de fase entre as duas fontes é de 90°, e os reatores de curto-circuito são considerados iguais.

Descrição Refinada

Nas situações de comutação de falhas discutidas anteriormente, o componente de Tensão de Recuperação Transitória (TRV) do lado da carga sempre decresce a zero. No entanto, na comutação de deslocamento de fase, o componente TRV do lado S2 decresce para a tensão de recuperação de frequência de rede (RV) da fonte S2. Como mostrado na Figura 2, isso assume uma diferença de fase de 90° entre as duas fontes de energia e reatores de curto-circuito iguais.

Portanto, as principais características da operação de comutação de deslocamento de fase são:

• Picos de TRV Muito Altos: Os valores de pico de TRV são significativamente mais altos em comparação com outros modos de comutação.

• RRRV e Corrente Moderadas: A Taxa de Ascensão da Tensão de Reestabelecimento (RRRV) e os níveis de corrente permanecem moderados, apesar dos picos de TRV elevados.

Dado que o pico de TRV sob condições de deslocamento de fase é o mais alto entre todos os modos de comutação, esse cenário é frequentemente usado como referência para avaliar outras condições de comutação especiais, como:

• Limpeza de falhas em linhas de transmissão longas

• Tratamento de falhas em linhas compensadas em série

Resumo dos Pontos Principais:

• TRV do Lado da Carga: Sempre decresce a zero em todos os cenários de comutação de falhas.

• S2-lado TRV em Deslocamento de Fase: Decresce para a tensão de recuperação de frequência de rede (RV) da fonte S2.

• Pico de TRV: Excepcionalmente alto na comutação de deslocamento de fase.

• RRRV e Corrente: Permanecem relativamente moderados.

• Padrão de Referência: O pico de TRV sob condições de deslocamento de fase é o mais alto, tornando-o um benchmark comum para avaliar outras condições de comutação complexas.

A Figura 3 ilustra dois cenários que podem levar a condições de deslocamento de fase. No primeiro cenário (imagem à esquerda), um gerador é inadvertidamente conectado à rede por um disjuntor em um ângulo de fase incorreto. No segundo cenário (imagem à direita), diferentes partes da rede de transmissão perdem a sincronização, muitas vezes devido a um curto-circuito ocorrendo em algum lugar da rede.

Em ambos os casos, correntes deslocadas em fase fluem pela rede, que devem ser interrompidas de forma confiável pelos disjuntores. Essas situações representam desafios significativos para o sistema de energia, pois o deslocamento de fase pode resultar em correntes e tensões transitórias altas, exigindo que os disjuntores lidem com essas condições extremas de forma eficaz.

Resumo dos Pontos Principais:

• Cenário 1 (Imagem à Esquerda): Um gerador é conectado à rede em um ângulo de fase incorreto, levando a um deslocamento de fase.

• Cenário 2 (Imagem à Direita): Diferentes partes da rede de transmissão perdem a sincronização, tipicamente devido a um curto-circuito, causando um deslocamento de fase.

• Correntes Deslocadas em Fase: Em ambos os cenários, correntes deslocadas em fase fluem pela rede.

• Requisito do Disjuntor: Os disjuntores devem interromper de forma confiável essas correntes deslocadas em fase para manter a estabilidade e segurança do sistema.

Comutação Entre Gerador e Sistema

Ao usar um transformador elevador, a comutação entre o gerador e o sistema de energia pode ocorrer tanto no lado de alta tensão (HV) quanto no lado de média tensão (MV) do transformador. Esta comutação pode ocorrer não apenas durante falhas do sistema ou paradas de usinas, mas também durante eventos de sincronização e dessincronização.

A gravidade das condições fora de fase depende de:

• Diferença de Ângulo de Fase: Quanto maior a diferença de ângulo de fase entre o gerador e a rede, mais grave será a condição fora de fase.

• Estado de Excitação do Rotor: O nível de excitação no rotor do gerador também afeta a gravidade da condição fora de fase. Geralmente, o sistema de controle de excitação reduz rapidamente a força do campo magnético do rotor para minimizar o impacto da condição fora de fase.

Para enfrentar esses desafios, as usinas de energia são equipadas com vários dispositivos de proteção e controle:

• Dispositivos de Proteção Fora de Passo: Estes detectam e prevenem que o gerador perca a sincronização com a rede.

• Dispositivos de Verificação de Sincronismo: Estes garantem que o gerador seja conectado à rede no ângulo de fase correto, prevenindo condições fora de fase.

• Equipamentos de Controle de Sincronização: Estes ajudam a alcançar uma sincronização suave entre o gerador e a rede.

A Figura 4 ilustra este layout típico, mostrando a conexão entre o transformador elevador, o gerador e o sistema de energia, bem como a configuração dos dispositivos de proteção e controle associados.

Resumo dos Pontos Principais:

• Local de Comutação: A comutação entre o gerador e o sistema de energia pode ocorrer no lado de alta tensão (HV) ou no lado de média tensão (MV) do transformador elevador.

• Condições Fora de Fase: A gravidade das condições fora de fase depende da diferença de ângulo de fase e do estado de excitação do rotor.

• Dispositivos de Proteção e Controle: As usinas de energia são equipadas com dispositivos de proteção fora de passo, dispositivos de verificação de sincronismo e equipamentos de controle de sincronização para garantir operações de comutação seguras e confiáveis.

2-Comutação entre Dois Sistemas:

A comutação entre dois sistemas de energia geralmente ocorre em situações de desequilíbrio de potência e instabilidade do sistema. Exemplos incluem grandes perturbações do sistema, situações durante a restauração do sistema e devido à operação incorreta dos sistemas de proteção.

As linhas de transmissão mais importantes podem ser equipadas com bloqueio fora de fase em seus sistemas de proteção e/ou pode ser aplicada uma proteção especial em todo o sistema para prevenir a separação dos sistemas sob condições severas fora de fase.

Conclusões sobre fenômenos fora de fase:

• As correntes fora de fase nominal propostas foram de 25% da corrente de curto-circuito nominal. Por razões econômicas e estatísticas, foram propostos valores mínimos de pico a partir das análises de TRV: uma RV de 2,0 p.u. e um excesso de 25%.

• À medida que a separação do sistema vem acompanhada de disparos em cascata de linhas aéreas e, portanto, um aumento da impedância do sistema, um valor máximo de 25% da corrente de curto-circuito nominal parece ser razoável, mesmo hoje. O valor máximo da corrente fora de fase é um parâmetro importante para as capacidades dos disjuntores de alta tensão.

• Grandes perturbações mostram ângulos fora de fase muito maiores do que os valores de 105 graus a 115 graus associados aos valores de pico de TRV nos padrões. Isso se aplica tanto a redes radiais quanto malhas; no entanto, eventos históricos mostraram que ângulos fora de fase grandes podem ocorrer ao mesmo tempo que tensões de operação baixas. A combinação de um ângulo fora de fase grande e uma tensão de operação baixa resulta em valores de pico de TRV semelhantes aos mencionados nos padrões para situações com um ângulo fora de fase relativamente baixo e tensão nominal (tensão máxima de operação).

• Os disjuntores de sistemas de transmissão usados para conectar ou desconectar usinas de energia convencionais podem estar sujeitos a comutação fora de fase. Para desconectar usinas de energia durante oscilações de potência instáveis, as mesmas considerações aplicáveis à separação do sistema são válidas, embora com cuidado para a possibilidade de que uma condição de teste de falha limitada pelo transformador tenha que ser especificada.

• Para desconectar usinas de energia devido a sincronização defeituosa, condições e requisitos semelhantes aos descritos para disjuntores de geradores de média tensão são aplicáveis, e simulações são necessárias para julgar se um projeto pode cumprir a tarefa. Simulações desses eventos devem incluir o tempo de resposta dos sistemas de proteção, o fenômeno de depressão da tensão do gerador e a aceleração/desaceleração do rotor para identificar se a corrente fora de fase e a TRV após a sincronização errônea dos geradores cobrem as condições prescritas pelo usuário, por exemplo, 180 graus.