Teste de proteção ROCOF
Autor: Andrea Bonetti
A proteção ROCOF (Taxa de Variação de Frequência) é obrigatória na maioria dos países para sistemas de geração distribuída e embutida que estão conectados diretamente à rede de distribuição de energia. Mas o que exatamente é a proteção ROCOF, por que ela é necessária e como pode ser testada? Andrea Bonetti, da Megger, tem as respostas.
Embora a disseminação de sistemas de geração distribuída (DG) que fornecem energia para as redes de distribuição nacionais traga muitos benefícios, principalmente em termos de redução do impacto ambiental, ela também cria novos desafios. Um desses desafios está relacionado ao fenômeno da "ilha", que ocorre quando um sistema DG perde a conexão com a rede e continua a alimentar circuitos locais – com o sistema agora isolado operando como uma “ilha”.
À primeira vista, isso pode parecer um benefício, pois os circuitos locais continuarão recebendo energia apesar da perda da conexão com a rede. Na prática, no entanto, a formação de ilhas é, na maioria dos casos, indesejável e potencialmente perigosa. As razões são várias: sem uma conexão com a rede, o sistema DG pode não fornecer energia na tensão e frequência corretas, o que significa que há risco de danos ao equipamento. Os engenheiros que trabalham no sistema podem se deparar com cabos que, inesperadamente, estão energizados, e reconectar um sistema isolado à rede frequentemente é problemático devido à necessidade de igualar a frequência, a fase e a tensão. Por essas e outras razões, os operadores de rede de distribuição (DNOs) na maioria dos países exigem que os sistemas de geração distribuída (DG) que serão conectados às suas redes incorporem equipamentos que detectem rapidamente a formação de ilhas e, quando isso ocorrer, desliguem imediatamente a geração local. Ao longo do tempo, muitos métodos foram testados, incluindo detecção de subtensão e transientes. No entanto, alcançar a resposta rápida necessária e, ao mesmo tempo, minimizar o risco de desarmes inconvenientes e perturbadores mostrou-se um desafio até que uma abordagem alternativa, que analisa as mudanças na frequência de fornecimento, foi adotada.
Essa é a proteção de taxa de alteração de frequência (ROCOF) e baseia-se na ideia de que, se um gerador local for subitamente desconectado da rede, desde que o fluxo de energia para ou da rede naquele momento não seja zero, a frequência do fornecimento que o gerador está produzindo será alterada. Como a análise mostrou que a probabilidade de um sistema de DG conectado à rede não ter entrada ou saída líquida de energia é muito pequena, essa mudança de frequência é um indicador confiável e praticamente instantâneo de que a conexão com a rede foi perdida.
Por essa razão, a proteção ROCOF agora está consagrada em normas nacionais, como a ANSI 81R e a G59/3. E, desde fevereiro de 2019, há uma nova norma de relé de proteção da IEC - IEC 60255-181 - que especifica o desempenho e as metodologias de teste para os relés usados para implementar a proteção ROCOF.
Figura 1: Equação obrigatória para gerar rampa de frequência
Na verdade, a IEC 60255-181 prescreve um regime de testes muito específico para relés ROCOF. Fundamentalmente, isso se baseia no uso de um sinal de teste que assume a forma de uma “rampa de frequência”, o que significa que a frequência do sinal aumenta suavemente ao longo do tempo. O uso de uma rampa com a forma correta é essencial para que o desempenho do relé seja avaliado de forma adequada e confiável e, por esse motivo, a norma exige que a rampa siga uma fórmula matemática definida, que é mostrada na Figura 1. A norma não permite o uso de nenhum outro método de teste ou forma de sinal de teste.
Figura 2: Rampa de frequência suave, conforme exigido pela norma IEC 60255-181
Para os propósitos deste artigo, não é necessário analisar a equação da rampa de frequência em detalhes, mas é importante observar que ela descreve uma forma de onda em que as alterações de frequência são suaves e contínuas. Um exemplo dessa forma de onda é mostrado na Figura 2.
A norma deixa claro que não é aceitável usar um sinal de teste na forma de uma rampa de frequência da forma mostrada na Figura 3, em que a frequência muda em etapas discretas. Isso se aplica independentemente do tamanho das etapas de frequência.
Figura 3: Uma rampa em que a frequência muda em etapas discretas não pode ser usada
Embora possa parecer, a princípio, que uma definição tão precisa da forma de onda de teste seja desnecessariamente pedante e restritiva, ela é, na verdade, de fundamental importância. Isso se deve ao fato de que muitas operações indesejadas dos relés ROCOF em serviço resultaram de mal-entendidos sobre a forma que a forma de onda de teste deve assumir. A experiência demonstrou que o teste com uma rampa de frequência em que, por exemplo, a frequência muda em etapas discretas de 0,04 Hz a cada 20 ms, o que equivale a uma taxa de rampa de 2 Hz/s, pode não dar os mesmos resultados que o uso da forma de onda de teste prescrita, em que a frequência muda continuamente a 2 Hz/s em vez de em etapas.
Felizmente, agora estão disponíveis instrumentos de teste de relés que oferecem recursos para testar relés ROCOF usando métodos que atendem totalmente aos requisitos da nova norma IEC 60255-181. Um excelente exemplo é o versátil e econômico conjunto de teste SVERKER 900 da Megger, que apresenta operação intuitiva por meio de uma grande tela colorida sensível ao toque e é adequado para testar não apenas os relés ROCOF, mas também quase todos os outros tipos de relés usados em esquemas de proteção modernos.
Com um conjunto de teste desse tipo, o teste e a configuração dos relés ROCOF tornam-se tarefas simples, o que significa que os relés podem ser confiáveis para desempenhar suas funções essenciais de segurança e operação, protegendo contra as consequências inconvenientes e potencialmente perigosas de ilhamento não detectado em redes de energia.
