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Benefícios da Função 59N na Geração Distribuída

Geraldo Teles de Souza[1]

 Resumo

A geração distribuída pressupõe o uso dos transformadores dos consumidores para exportar a potencia excedente. Como transformadores tipicamente são orientados a consumidores, tradicionalmente usam a conexão Delta no primario que torna os eventos fase-terra insensíveis aos reles de sobrecorrente quando a geração provem do lado do consumidor. Neste caso a função 59N mostra sua importância na detecção destes eventos, porem a especificação dos TP’s devem observar as características peculiares desta aplicação.

Palavras-chave: Função 59N, Delta-Broken, Grupo IIIB

Abstract

Distributed generation presupposes the use of consumer transformers to export excess power. As transformers are typically consumer oriented, they traditionally use the Delta connection in the primary which makes the phase-ground events insensitive to overcurrent relays when the generation comes from the consumer side. In this case, function 59N shows its importance in detecting these events, however the specification of TP’s must observe the peculiar characteristics of this application.

 Keywords: Function 59N, Delta-Broken, 3B Group

Introdução

O avanço da geração distribuída no Brasil, implicou na necessidade de ampliação das funções de proteção tipicamente encontradas nas cabinas dos consumidores de energia. Isto porque o fluxo de potência tradicionalmente proveniente apenas das concessionárias passaram a poder ocorrer no sentido reverso, isto é, o consumidor exportando o excedente de potência gerado para a concessionaria, tornando-se assim uma usina local para os consumidores da concessionaria, dai o termo geração distribuída.

Ocorre que os transformadores destinados a atender os consumidores tem a ligação delta para o lado da concessionaria. Em situação de fluxo reverso, a rede da concessionaria passa a ser visto pelo transformador como uma carga, sendo a fonte a geração interna das instalações do cliente situada no lado de BT do transformador.  Ocorre que nestas condições sob uma situação de falta a terra no lado da rede da concessionaria, havendo a atuação no religador da concessionaria, poderá incorrer que a usina fique isolada do sistema, com uma fase a terra, ainda que momentaneamente. Como o fluxo de potencia emana do lado delta do transformador, não haverá corrente de falta, permanecendo a situação da falha da terra sem detecção pelos elementos de sobrecorrente 51G ou 50G como ilustra a foto 1).

Figura 1:  Situação de fase-terra com GD, sendo a rede interrompida.

O agravante decorre do fato de que com uma fase a terra, haverá deslocamento do potencial de neutro em relação ao terra e consequentemente, as fases sãs sofreram uma sobretensão porque agora atingirão o potencial de fase-fase em relação a terra. Considerando-se que os dispositivos de sobretensão conectados a terra como para-raios e Transformadores de Potencial (TP) são normalmente dimensionados pensando em um sistema solidamente aterrado, estarão em uma situação que excede suas especificações.

Para ilustrar, caso estejamos em um sistema 13,8kV fase-fase. Durante um evento como este, com a fase A a terra e o religador aberto, teremos a tensão da fase em relação ao terra próximo de zero e as fases B e C em 13,8kV. Um para-raio nestas aplicações e dimensionado para 12kV de tensão a frequência industrial.

Um método de detecção para esta condição deve ser prevista, pois trata-se de uma sobretensão sustentada e não pode ficar a cargo apenas da atuação de uma função de proteção de ilhamento (78 ou 81R ANSI). Ademais devemos observar que além da redundância de falha, temos que considerar os tempos típicos de operação destas funções que são na ordem de segundos e que um evento fase terra como este deve ser eliminado muito mais rapidamente permitindo que as estratégias de religamento automático possam ser efetivas.

A Função 59N como solução:

            Uma solução para o impasse passa pela aplicação da função de sobretensão de neutro (59N ANSI), que percebe a elevação da tensão de neutro ocorrida nestas circunstancias e permite atuar a proteção de forma imediata isolando a usina da rede.   Para tanto, são usados 03 TP’s em conexão de estrela aterrada que permite a avaliação da tensão fase-terra. Assim no secundário de cada TP temos a imagem da tensão de fase-terra. Conectando o secundário em delta, porem abrindo um dos seus vértices (ligação delta broken ou delta aberto), nos terminais desta ligação temos exatamente o somatório das tensões Un=Ua+UB+UC. Tal situação pode ser observada na figura 2 logo abaixo.

Figura 2: conexão dos TP’s em Estrela-Delta broken para a função 59N.

 Em condições normais a tensão dará próximo de zero. Porém, em situação de defeito fase-terra, uma das tensões será próximo de zero, deslocando o neutro do sistema para a tensão de fase-terra e as tensões das fases sãs para a tensão de linha. Assim sendo estes TP’s estarão submetidos a uma tensão 1,73 maior que a de trabalho (1,73pu) e deverão ser dimensionados para esta situação limite.

Claramente a tensão corresponde ao triplo  da tensão da componente de sequencia zero do sistema (3V0 em componentes simétricas ou Fortescue).

Esta brusca elevação de tensão permite uma fácil discriminação de um evento fase-terra no lado delta do transformador de carga dos demais eventos transitório, permitindo uma ação rápida.

Com o uso dos reles multifunção, a conexão delta broken não se faz necessária, sendo o somatório das tensões do rele feito por algoritmo, bastando que o rele receba as tensões fase-neutro dos secundários do TP em estrela.

As precauções da 59N:

 O uso desta função nestas condições requerem algumas observações. Uma delas é a sobretensão, que como visto pode ser de até 1,73pu. Assim sendo, para uso nestas condições, o indicado seria o uso dos TPs do grupo 3B que permitem sobretensões de 1,9pu ou seja até 1,9 vezes a tensão de operação.

Não se pode também ignorar os efeitos da reatância capacitiva das linhas no comportamento das sobretensões transitórias que são típicas deste tipo de evento.

Como vê-se na figura 3 logo abaixo:

Figura 3: Correntes capacitivas fases A, B e C sob geração distribuída.

Como citado no artigo de Behrendt, Ken, “ Se a impedância de magnetização de cada transformador for aproximadamente a mesma que a reatância capacitiva shunt da fase correspondente, é possível ocorrer ferroressonancia” (Behrendt, Ken, 2003 pagina 21).

E como citado no mesmo artigo, “A pratica recomendada requer um resistor de carregamento conectado em paralelo com o rele 59N para amortecer as oscilações ressonantes” (Behrendt, Ken, 2003 pagina 21).

Dai uma justificativa para uso de tensões secundarias mais baixas, a redução de potencia dissipada num resistor de cargas como este.

Isto e mais uma justificativa para o emprego de um TP ou Trafo exclusivo para a alimentação de uma cabina, sendo a pratica de retirada de alimentação pelo TP de proteção, embora costumeira, não recomendada.

Considerações Finais

A função de proteção 59N mostra-se uma importante aliada na geração distribuída permitindo a detecção de eventos fase-terra em situação de ilhamento mais rápida que as proteções de ilhamento tipicamente usadas, facilitando a coordenação com os demais equipamentos de redes nas estratégias de religamento automático e/ou self-healing, razão pela qual varias concessionarias tem adotado tal função de proteção nas conexões de GD.

A natureza da operação da GD, permite a sobretensão fase-terra para limites de 1,73pu o que torna o TP grupo de ligação 3B  o mais indicado para o uso nestas condições.

Referências

BEHENDT, Ken; Proteção para Fontes Delta não Esperadas. Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. Artigo publicado na 57th Annual Georgia Tech Protective Relaying Conference. Atlanta,Georgia em 2003. Traduzido para português em 2017.

[1] Engenheiro Eletricista pela Universidade Estadual de Campinas.

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