Teste de ponta a ponta em proteção diferencial da linha

Autor: Sughosh Kuber, Engenheiro de Aplicações de Relé

Introdução

A proteção diferencial de linha é uma das formas mais utilizadas na proteção da linha de transmissão. Este tipo de proteção baseia-se na lei atual de Kirchoff, que afirma que a corrente que flui para dentro de uma linha deve ser igual à corrente que flui para fora da linha. Com a proteção diferencial da linha, a zona de proteção é definida pela localização dos transformadores de corrente (TCs) que monitoram as correntes em cada extremidade da linha. Quando ocorre uma falha, é essencial que os relés de proteção nas extremidades da linha se comuniquem entre si e emitam um sinal de disparo para falhas na zona.

Na Figura 1, um diagrama de linha única mostra a disposição dos relés diferencial de corrente de linha (87 L) instalados nas extremidades de uma linha de transmissão. Os relés, chamados de relé local e relé remoto, monitoram a corrente de seus TCs associados e se comunicam entre si por meio de cabos de fibra óptica. Quando ocorre uma falha na linha, os relés detectam a falha ao mesmo tempo. Com base nas informações recebidas da outra extremidade da linha, os relés decidem o que precisa ser feito, disparo ou restrição. Os fabricantes de relés usam vários métodos para medir e comparar correntes nos relés de proteção do diferencial: comparação de magnitude, comparação de fasor, comparação de fase, comparação de carga e várias combinações destas. Um método popular é usar a característica de plano alfa para determinar a condição diferencial da linha.

Este artigo discute a proteção diferencial da linha, a importância do teste de ponta a ponta e o procedimento para testar as características do plano alfa usando esse método. Especificamente, o teste do elemento 87 L é considerado em relação a precisão do pick-up, tempo de operação, confiabilidade (simulando falhas internas) e segurança (simulando falhas externas).

Compreensão das características do plano alfa

Quando a relação de correntes de fase (ou correntes de sequência) que entram ou saem de uma linha de transmissão é geometricamente representada em um plano complexo, isso constitui a característica do plano alfa. As correntes consideradas no cálculo da relação podem ser valores monitorados de correntes de fase em relés remotos e locais, ou correntes calculadas por equações que usam componentes reais e imaginários do diferencial e restringem as correntes obtidas a partir de correntes de fase monitoradas. Diferentes modelos de relés usam diferentes algoritmos. Na Figura 2, "k" representa a relação das correntes.

Figura 1: Implementação de proteção diferencial de linha

A área de estabilidade e disparo pode ser determinada pelos parâmetros característicos com os quais, qualquer característica diferencial percentual pode ser mapeada no plano alfa. A região de restrição é definida pelo raio do arco maior (R), o raio do arco interno (1/R) e o ângulo (α). O raio do arco maior e do arco interno determina o raio da região de restrição (área de estabilidade) e o ângulo (α) representa a extensão angular da região de restrição. Cada fase tem suas próprias características de plano alfa. No exemplo da Figura 1, se a corrente de fase A monitorada pelo relé local for 3∠0 °, o relé remoto registrará 3∠180 °. A relação entre a corrente remota e a corrente local será:

No plano alfa essa relação será plotada no eixo real à esquerda do eixo imaginário. Como pode ser visto na Figura 2, ela se enquadra na região de restrição, que também é a área de estabilidade. Esse caso pode estar relacionado à condição de carga nominal ou a uma falha externa, dependendo dos níveis atuais.

Figura 2: Características do plano alfa

No caso de uma falha interna, as correntes lidas por ambos os relés em suas respectivas fases tendem a estar em fase, pois monitoram as correntes que alimentam a falha. Isso plotará a relação resultante em 0°, que se enquadra na região de disparo das características do plano alfa mostradas acima.

A importância dos testes de ponta a ponta

O teste de ponta a ponta é a avaliação de um esquema de proteção de relé simulando condições de falha simultaneamente em ambas as extremidades da linha de transmissão. É essencial que os sistemas de teste em cada uma das linhas sejam sincronizados para que as correntes de teste possam ser injetadas em todos os terminais de relé simultaneamente. Os relés do diferencial de linha recebem correntes de seus próprios terminais e também recebem, por meio de vários modos de comunicação, dados sobre correntes no relé remoto. Como os relés enviam pacotes de informações com carimbo de data/hora um para o outro, mesmo um pequeno erro de sincronização durante a injeção pode carimbar incorretamente os pacotes, o que pode causar operação incorreta ou não intencional.

Para evitar isso, um sinal de hora de um relógio do sistema de posicionamento global (GPS) é usado para sincronizar os sistemas de teste em cada extremidade da linha. Os sinais de tempo estão disponíveis em várias formas, como pulso por segundo (1 PPS), IRIG-B, Protocolo de tempo de precisão (PTP), entre outros. Neste artigo, apenas o padrão de sincronização de tempo IRIG-B é considerado. O método de teste de ponta a ponta requer dois conjuntos de equipamentos de teste de relé com a capacidade de decodificar o sinal IRIG-B para que a injeção de sinais analógicos possa ser acionada simultaneamente em ambos os conjuntos de equipamentos. (Veja a Figura 3).

Figura 3: Teste de ponta a ponta: o panorama completo

O sinal IRIG-B do receptor de GPS, com sua antena associada, também é disponibilizado para os relés em teste. Esse tipo de teste é usado para avaliar novos esquemas de proteção durante o comissionamento da subestação, solucionar problemas de relés com mau funcionamento, verificar alterações no ajuste do relé e para outros fins.

Os itens necessários para realizar testes de ponta a ponta são:

• Dois conjuntos de equipamentos de teste de relé com a capacidade de decodificar sinais IRIG-B e gerar correntes com as magnitudes e ângulos de fase especificados no plano de teste
• Receptores de GPS
• Cabos coaxiais (para ligar o receptor GPS e os conjuntos de teste e relés de relé)
• Dois computadores (para acionar os conjuntos de teste de relés nas respectivas subestações)
• Um meio de comunicação entre os técnicos de teste (telefones celulares ou outros equipamentos de comunicação por voz)
• Teste o software com planos de teste pré-criados

Quando implementados corretamente, os esquemas de proteção baseados na comunicação fornecem uma proteção mais eficiente e mais confiável para as linhas de transmissão do que os esquemas baseados em vários relés que não se comunicam entre si. E embora seja, sem dúvida, mais simples testar relés individuais em um esquema, é melhor testar todo o esquema como um todo, uma vez que isto não só valida os componentes individuais, mas também o sistema de comunicação.

Procedimento de teste

Uma configuração de teste pode ser organizada para simular um sistema semelhante ao mostrado na Figura 3. Os sinais IRIG-B devem ser fornecidos às entradas apropriadas do equipamento de teste de relé e aos relés em teste. As conexões de teste devem ser feitas em ambas as extremidades, para injetar sinais analógicos nos relés. Os contatos de saída sobressalentes em ambos os relés devem ser programados para o elemento 87 L. Serão discutidos os testes de pick-up de diferencial de fase, testes de verificação do raio, testes de limite de extensão angular e testes de sincronização para verificar se há falha interna. Para os fins deste artigo, o relé de proteção é do tipo que possui um algoritmo que trabalha com correntes derivadas de cálculos que utilizam as partes real e imaginária das correntes diferenciais e de restrição obtidas a partir das correntes de fase monitoradas.

Configurações do relé

Pick-up do elemento diferencial de fase: 0,72 pu

Raio do elemento diferencial de fase (R): 6

Ângulo do bloco do elemento diferencial de fase (α): 195 °

Teste de pick-up para o diferencial de fase

O teste de pick-up para o diferencial de fase valida a lógica 87 L e a configuração de pick-up quando a corrente injetada está acima da configuração de pick-up. Esse teste pode ser realizado em cada fase em cada extremidade separadamente e não precisa da sincronização de hora. Com base em uma configuração de relé de 0,72 pu e uma corrente nominal de 5 A, o valor de pick-up calculado é de 3,6 A. portanto, o elemento 87 L deve pegar em 3,6 A. 

Figura 4: Gráfico de característica no plano alfa: teste do raio do arco interno

Teste de verificação do raio

O teste de verificação do raio é realizado para validar o limite da região de restrição no plano alfa em relação ao raio da origem. Inicialmente, o teste deve ser realizado para verificar o pick-up da configuração do raio do arco interno da região de restrição. A distância da origem até o arco interno da região de restrição é definida por 1/R, conforme mostrado na Figura 2. Com base nas configurações do relé, 1/R = 1/6 = 0,16. Uma vez que os conjuntos de teste são sincronizados durante a pré-falha, os valores de teste devem ser variados durante o estado de falha. O valor de teste no qual o elemento 87 L dispara deve ser de 0,80∠0 ° amperes. Esse valor se traduz em uma distância de 0,16 pu da origem até o arco interno. Na Figura 4, para validar a configuração 1/R, a característica de plano alfa mostra as alterações no gráfico de relação complexa à medida que a corrente de teste é variada. A Tabela 1 lista as correntes da fase A a serem injetadas nos relés locais e remotos nos estados de pré-falha e falha. Com base nas correntes injetadas, os relés usam equações diferenciais e restritas para calcular as correntes derivadas e a razão dessas correntes derivadas é plotada no plano alfa para definir a operação do elemento 87 L.

Depois de validar a configuração 1/R, o próximo teste verifica a configuração do raio do arco externo da região de restrição. Na Figura 2, esse ajuste de raio é mostrado como R. Para verificar o ajuste de R, são injetados os mesmos valores de pré-falha. No entanto, as correntes de estado de falha no relé local variam até 30 A. isso é equivalente a 6 pu, o raio da região de restrição. Assim que a corrente é aumentada para mais de 30 A, a relação complexa no plano alfa cruza a região de restrição e o relé deve disparar. O procedimento de teste descrito é para a fase A, mas o mesmo procedimento é seguido para testar as fases B e C.

Teste de verificação do limite de extensão angular 

Este teste é realizado para validar a extensão angular da região de restrição no plano alfa. A configuração de extensão angular é mostrada como α na Figura 2. A configuração de α do relé em teste neste exemplo é 195 °. Portanto, deve ser feita a injeção de corrente pré-falha com ângulo de fase ∠0 ° no relé local e ∠180 ° no relé remoto. No estado de falha, o ângulo de fase das correntes analógicas no relé local deve variar no sentido anti-horário. O relé deve disparar em um ângulo de fase de 98 °.

Na Figura 5, a característica do plano alfa mostra alterações no gráfico de relação complexa, com base na variação do ângulo da fase. Isso valida a extensão angular da região de restrição. O próximo teste deve ser realizado para validar a extensão angular na direção oposta à origem. O ângulo de fase em estado de falha deve variar no sentido horário até o relé local. Os relés devem disparar a um valor de -98 °. A diferença de extensões angulares entre o primeiro e o segundo teste é de 98 °- (-98 °) = 196 °. Esse resultado corresponde de forma próxima ao ajuste de extensão angular do relé (195°). O procedimento de teste descrito acima é para a fase A, mas o mesmo procedimento é usado para as fases B e C.

Figura 5: Gráfico de características do plano alfa: teste de verificação do limite de extensão angular

Teste de sincronização (de falha interna)

Uma falha interna pode ser simulada para realizar um teste de sincronização no elemento 87 L. Os estados de pré-falha e falha são configurados com os valores mostrados na Tabela 5. O ideal é que o relé local e os relés remotos sejam disparados dentro de um ciclo ao detectar uma falha interna. Na Figura 6, a característica de plano alfa mostra o caminho do gráfico de relação complexa em transição da região de restrição para a região de operação, com base na comutação da injeção de corrente do estado de pré-falha para o de falha.

Figura 6: Gráfico de características do plano alfa - teste de sincronização de falha interna

Uma configuração semelhante de estado de pré-falha e falha pode ser usada para simular correntes de falha externas. Os relés devem ser impedidos de disparar, pois a relação complexa das correntes é traçada na região de restrição do plano alfa.

Os relés também podem ter configurações ativadas para os elementos de sequência negativa 87 L e sequência zero 87 L, oferecendo proteção para falhas de linha única-terra e condições de falha não equilibradas. Os testes discutidos para os elementos de fase neste artigo também devem ser realizados para validar os elementos de sequência negativa e sequência zero.

Conclusão

A grande maioria das concessionárias de energia em todo o mundo implementa a proteção diferencial da linha. É importante validar o esquema de proteção para o funcionamento correto em condições de falha. Testes de ponta a ponta validam todo o esquema de proteção baseado em comunicação, incluindo a operação dos relés, bem como a comunicação entre os relés. Conhecimento e experiência em campo com métodos de teste de ponta a ponta ajudam os técnicos a realizar os testes com mais eficiência. Este artigo forneceu uma visão sobre o teste de proteção diferencial de linha usando o método de teste de ponta a ponta, bem como o teste de características de plano alfa para validar o elemento diferencial de linha com testes de pick-up, raio e extensão angular.