Forum de Proteção e Automação - CONPROVE

Proteção de Sistemas Geradores Paralelos à Rede Elétrica de Média Tensão

Parte 1 – Cenário e funções de proteção aplicadas

Nesta primeira abordagem, serão tratados pontos como a perspectiva da rede em relação à entrada de novos geradores distribuídos. Além disso, serão contempladas as funções de proteção mais comuns na implementação de geradores distribuídos ligados ao SIN (Sistema Interligado Nacional) na Média Tensão.

Renovação e descentralização dos geradores de energia

Em meio às diversas questões ambientais que vem gerando grande impacto no cenário global, a geração de energia elétrica tem um papel fundamental na abordagem de iniciativas mais sustentáveis. Seja no aproveitamento de novas matérias primas, fontes de energia ou redução da distância entre a geração e o consumo, o setor elétrico possui diversas alternativas a serem exploradas. No que tange o uso de fontes de energia sustentáveis, a energia fotovoltaica e a eólica já possuem um destaque considerável no mundo, e com a adesão destes novos recursos, a geração de energia está se tornando não só limpa, mas também distribuída. As PCHs (Pequenas Centrais Hidroelétricas), por outro lado, continuam utilizando o recurso mais aproveitado no Brasil, as fontes hídricas, no entanto esta é uma opção de geração que traz o benefício da eficiência, visto que é controlada com maior facilidade e está mais próxima do ponto de consumo. Todo este novo cenário traz inúmeras vantagens não só em preservação ambiental, mas também em eficiência, a saber:

a. Redução de perdas de transmissão;
b. Redução das emissões de carbono;
c. Segurança das estações remotas de energia;
d. Preços mais competitivos;
e. Baixo impacto ambiental;
f. Maior rapidez no atendimento do consumidor;
g. Os custos podem ser maiores na instalação, mas tende a estabilizar, ainda assim o investimento total será menor.

Cenário de novos autoprodutores e produtores independentes + rede elétrica brasileira

Aumentar a eficiência no fornecimento de energia para regiões isoladas, garantindo a mesma geração em megawatts com menores custos. Este é um dos principais objetivos do chamado Produtor Independente de Energia (PIE). O PIE é a pessoa jurídica ou empresas reunidas em consórcio que recebem concessão ou autorização do poder concedente para produzir energia elétrica destinada ao comércio de toda ou parte da energia produzida para uma determinada localidade ou região, por sua conta e risco. Com a inserção destes agentes na década de 90, a partir da Lei 9.074, a nova legislação mudou a composição do mercado, que passou a contar com empresas de capital privado, misto e estatais classificadas em grupos de atuação como: geradores, transmissores, distribuidores, comercializadores e consumidores. [1]

Diversos benefícios podem ser elencados mediante a entrada de produtores independentes no mercado de energia. A primeira delas é a própria resposta a necessidade do mercado por maiores níveis de geração. Não obstante, a eficiência por trás dos interesses de um produtor privado, podem trazer melhores processos de geração, visto que o intuito muitas vezes é a geração de riqueza. Por outro lado, a concorrência é um fator naturalmente presente quando há a entrada de agentes privados em um dado mercado competitivo, o que de fato acaba agregando qualidade ao setor. A concorrência impõe a necessidade de geração de valor continuamente por parte dos produtores, momento este em que o consumidor acaba sendo o grande beneficiado.

No que diz respeito aos desafios que os PIEs podem trazer para o setor elétrico, cita-se a necessidade de adaptação do sistema para os novos lotes de energia que serão transmitidos pela rede. Deste modo, medidas como adaptação de equipamentos de proteção, substituição de componentes condutores e implementação de novas Subestações (SEs), são alguns dos investimentos a serem estudados para manutenção da plena operação do Sistema Elétrico. Além disso, o acompanhamento e a orientação dos agentes privados por parte do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) é um dos ônus para que se mantenha o controle de todo o cenário de geração, transmissão e distribuição.

Proteção aplicada aos acessantes

Em meio aos processos que circundam a entrada de um gerador distribuído na rede elétrica, as respectivas concessionárias e órgão regulador (ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica) devem trazer clareza nos procedimentos para liberação do acesso à rede através de suas normas orientativas, contratos, medidas de proteção aplicada no sistema gerador e no ponto de conexão entre os sistemas e requisitos de qualidade.

Dentre as medidas a serem aplicadas, a garantia da proteção dos sistemas de geração e dos componentes da rede elétrica talvez seja uma das mais importantes, visto que os componentes envolvidos dizem respeito a investimentos de elevado nível. Além disso, a topologia de proteção também pode trazer mecanismos de controle para o operador da rede elétrica no fornecimento de energia vinda do gerador distribuído, de forma que este não interfira ou prejudique o sistema em nenhuma situação. Podem ser utilizadas normas das respectivas concessionárias e o Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) disponibilizado pela ANEEL, como guia para definição da topologia a ser adotada em termos de proteção dos sistemas envolvidos. O PRODIST, mais especificamente, deve-se abordar os módulos 3 e 8 para melhor entendimento do tema em questão.

Proteção de sistemas elétricos

Os dispositivos de proteção objetivam monitorar permanentemente o estado elétrico dos componentes de uma rede e provocar sua desenergização (por exemplo, a abertura de um disjuntor) quando estes elementos forem a causa de um distúrbio indesejado: curto-circuito, falha de isolação, etc.

A escolha de um dispositivo de proteção não é o resultado de um estudo isolado, mas uma das mais importantes etapas do projeto de uma rede elétrica. Baseada na análise do comportamento dos equipamentos elétricos (motores, transformadores, etc) durante as falhas e fenômenos ocorridos. [2]

Por sua vez, o uso destes equipamentos no ambiente de geração pode variar em termos da topologia adotada, ou demandada pela concessionária. No entanto, existem algumas funções empregadas por estes sistemas de proteção costumam ser uma constante em qualquer construção de sistema gerador acoplado à rede elétrica, cita-se, por exemplo:

• ANSI 25 – Checagem de Sincronismo;
• ANSI 27 – Proteção contra subtensão;
• ANSI 32 – Proteção direcional de potência;
• ANSI 46 – Proteção contra desbalanço de corrente;
• ANSI 47 – Proteção contra desbalanço de tensão;
• ANSI 50/51 – Proteção contra sobrecorrente de fase;
• ANSI 50N/51N – Proteção contra sobrecorrente de neutro;
• ANSI 51V – Proteção contra sobrecorrente de fase com restrição de tensão;
• ANSI 59 – Proteção contra sobretensão;
• ANSI 67 – Proteção direcional de sobrecorrente de fase;
• ANSI 78 – Proteção contra perda de sincronismo;
• ANSI 81U/O – Proteção contra sub e sobrefrequência;
• ANSI 81R – Proteção contra a taxa da variação de frequência.

Funções abordadas

Com o intuito de trazer maior clareza às formas de proteção adotadas nos sistemas de geração e nos pontos de conexão entre o gerador e a rede elétrica, serão explanadas abaixo com maiores detalhes as funções de proteção supracitadas. Como base de exploração do tema, serão avaliadas, principalmente quatro grandes concessionárias atuantes no Brasil, são essas CEMIG-D, COPEL, ELEKTRO e EDP.

Função de verificação de sincronismo – ANSI 25:

A função de verificação de sincronismo procura controlar o fechamento do disjuntor de acoplamento mediante a certas condições de variação de tensão, frequência e ângulo entre os sistemas envolvidos.

No acoplamento de um gerador à rede elétrica, deve-se empregar a função 25, preferencialmente, em todos os disjuntores responsáveis pelo paralelismo do sistema gerador com a rede e entre os geradores do PIE. Nos casos onde não se deseja implementar a proteção em todos os disjuntores que acoplam a rede ao gerador, deve-se dotar os acopladores de um mecanismo de intertravamento mecânico, desta maneira nenhum dos componentes sem a função 25 proporcionará um fechamento ou abertura indevida.

A verificação de sincronismo deve garantir também que não haja o fechamento entre a rede e o gerador mediante a uma condição de ausência de tensão na rede (desenergização). Além disso, o fechamento do disjuntor só deve ocorrer de fato após um retardo de 2 minutos (CEMIG-D) a partir momento de reestabelecimento da tensão na rede.

Com objetivo de se reduzir os impactos eletromecânicos nas máquinas e as oscilações de tensão e potência na rede, segundo a CEMIG-D, recomendam-se como condições mínimas para a sincronização:

• Diferença de frequência: 0,3 Hz;
• Diferença de tensão: 10%;
• Diferença do ângulo de fase: 10°.

Função de subtensão – ANSI 27:

Proteção tanto da rede, quanto da planta do Acessante contra quedas de tensão prejudiciais aos equipamentos. O uso desta proteção se justifica principalmente pelo efeito de queda de tensão causado pela partida de máquinas. Durante a partida, as máquinas demandam muita corrente e acabam provocando uma queda de tensão, o que pode ser prejudicial para toda a instalação caso esta condição permaneça por muito tempo.

Segundo a concessionária COPEL, deve-se ajustar a função de subtensão para atuar com um retardo de 2 segundos quando verificada uma condição de tensão de 70% da nominal ou inferior. A ELEKTRO por sua vez recomenda uma atuação em 10 segundos para níveis menores ou iguais a 80% da nominal.

Função direcional de potência – ANSI 32:

A função 32, aplicada à ligação entre um PIE e a rede elétrica, procura limitar o máximo valor a ser exportado/importado pelo Acessante conforme o acordo operativo (contrato entre concessionária e PIE). Deste modo, evitam-se problemas de sobrecarga nos equipamentos do sistema da concessionária (redes e subestações). Além disso, esta função também pode ser empregada na proteção do gerador contra motorização do mesmo, situação esta onde o gerador passa a consumir potência ativa, gerando sobreaquecimento em seu rotor e dano às turbinas mecânicas acopladas ao gerador. No caso das turbinas, diferentes situações podem ser identificadas:

• Sobreaquecimento das paletas da turbina à vapor;
• Cavitação da turbina hidráulica;
• Queima de combustível não processado nas turbinas à combustão.

Para ajustes desta função na limitação de potência exportada para a rede, deve-se primeiramente aguardar o estudo da concessionária, pois os parâmetros a serem empregados dependeram do valor de potência a ser fornecido pelo Acessante em contrato.

A COPEL por sua vez, predetermina que a função deve promover a abertura do disjuntor de acoplamento mediante a uma potência de 110% do valor contratado, com um retardo de 10 segundos.

Função de desbalanço de corrente – ANSI 46:

Normalmente adotada para proteção de sistemas geradores com capacidade acima de 500 kW, a função 46 tem a função de proteger as máquinas, motores e geradores, do Acessante contra correntes desbalanceadas. O desbalanço de corrente ocasionará o sobreaquecimento do rotor das máquinas caso este seja permitido.

Os ajustes desta função devem ser determinados pelo proprietário dos equipamentos a serem protegidos, visto que cada máquina possuí uma suportabilidade diferente a correntes desbalanceadas.

Função de desbalanço de tensão – ANSI 47:

A proteção contra desbalanço de tensão consegue identificar o sentido de rotação através da leitura do desbalanço de tensão. Deste modo, pode haver a abertura do disjuntor para regularização da tensão.

Assim como no desbalanço de corrente, o de tensão também deve ter seu ajuste definido com base nas especificações particulares do Acessante.

Função de falha de disjuntor – ANSI 50BF:

Esta função deverá atuar quando identificar que um disjuntor/religador não atuou como esperado mediante o comando de abertura de uma função. A 50BF se preocupará em enviar um sinal de abertura de disjuntor para o elemento de interrupção à montante, deste modo será garantido que o elemento sob falta seja interrompido, ainda que uma maior extensão das instalações acabe sendo desligada. O dispositivo 50BF deverá monitorar a corrente no circuito do disjuntor e/ou o contato auxiliar do disjuntor para definir se houve ou não interrupção do circuito após o comando de abertura do disjuntor de proteção principal.

Deve-se utilizar o tempo de abertura do disjuntor como base para parametrização desta função no equipamento de proteção.

Função de sobrecorrente de fase – ANSI 50/51:

A função 50/51 procura identificar situações de sobrecorrente causadas por falta fase-terra, fase-fase, fase-fase-terra ou trifásicas, de modo a eliminar o perímetro faltoso sem que a elevada corrente cause danos aos equipamentos das instalações.

Ajusta-se a proteção contra sobrecorrente de fase com base em curvas de tempo inverso e curvas de tempo definido, deste modo a partir de um estudo de curto-circuito para definição dos níveis de sobrecorrente esperados mediante faltas, deve-se parametrizar da melhor forma possível o relé de sobrecorrente.

Função de sobrecorrente de neutro – ANSI 50N/51N:

A proteção contra sobrecorrente de neutro tem como objetivo identificar com facilidade as faltas a terra, ou seja, fase-terra ou fase-fase-terra. A partir da leitura, ou cálculo, da componente zero presente no neutro de um circuito, é possível estabelecer se de fato há uma falta no sistema. Identificada uma situação faltosa, o equipamento demanda a abertura do disjuntor para eliminação da condição.

Os ajustes a serem estabelecidos nesta função dependem dos níveis de componentes simétricas esperadas no condutor neutro mediante a uma condição de falta a terra.

Função de sobrecorrente de fase com restrição de tensão – ANSI 51V:

Mediante condições de falta em que o nível de curto-circuito pode ser influenciado pela tensão, deve-se utilizar a função 51V para tornar a proteção mais sensível a falta com base no nível de variação de tensão.

No acoplamento de um sistema gerador com a rede elétrica, esta função é empregada em geradores com geração acima de 500 kW e procurará servir de retaguarda para a função 67 mediante faltas bifásicas e trifásicas, visto que a muitas vezes a 67 não é capaz de se sensibilizar para níveis de curto-circuito influenciados por tensão. Estas condições de variação do nível de curto-circuito ocorrem normalmente para faltas distantes do ponto de geração ou quando o gerador, desconectado do sistema elétrico, sofre uma falta próximo à sua saída, situação esta onde o afundamento de tensão será intenso e a corrente de curto também sofrerá uma queda considerável.

Função de sobretensão – ANSI 59:

Ao contrario da função 27, a 59 interpreta condições de sobretensão como prejudiciais e comanda a abertura do disjuntor para isolação do componente protegido.

Os ajustes recomendados pela COPEL são de que o relé deve atuar em 10 segundos para tensão acima de 110% da nominal. Do mesmo modo a CEMIG-D mantém este ajuste, mas também acrescenta uma curva de atuação de 120% da nominal em 0,5 segundos.

Função direcional de sobrecorrente de fase – ANSI 67:

A função 67 objetiva a eliminação de faltas em um determinado sentido de circulação de sobrecorrentes. É uma proteção comumente empregada na proteção de linhas e barras. Esta é uma proteção que também pode ser empregada na proteção interna de geradores.

Os ajustes desta função devem ser precedidos de estudos detalhados das instalações por parte do Acessante, de modo que, deve-se garantir que sejam implementadas duas funções 67, tanto no sentido do Acessante para a concessionária, quanto da concessionária para o Acessante. Este último garante que sob uma condição de falta em um circuito adjacente, também ligado à barra de concessionária, o disjuntor de acoplamento do Acessante não abra indevidamente devido a sua contribuição para a falta.

Função de proteção contra falta de sincronismo – ANSI 78:

Em condições de entrada de cargas na rede, faltas transitórias e outras ocorrências que possam levar o sistema elétrico a uma oscilação de potência instável, a função 78 terá o papel de comandar a abertura do disjuntor para proteção do sistema subjugado a esta condição. Esta função também é uma alternativa para proteção contra ilhamentos.

Determina-se uma condição de perda de sincronismo a partir da verificação do deslocamento do ângulo de fase da tensão do gerador. Deste modo, a partir de uma defasagem de 180° do gerador com relação ao resto do sistema, o mesmo é desacoplado da rede para proteção dos componentes.

Segundo a COPEL, esta função deve ser capaz de bloquear sua atuação mediante tensões abaixo da nominal para que se evitem operações indevidas durante a partida do gerador ou durante curto-circuitos com afundamentos de tensão. Além disto, é exigido também que sejam apresentados ajustes com base em simulações de análise de estabilidade dinâmica em softwares como ATP, Matlab e EMTP.

Função de sub e sobrefrequência – ANSI 81 O/U:

A partir da interpretação da tensão, a função 81 coleta os valores de frequência para determinação, ou não, de uma condição de sub ou sobrefrequência. Mediante a uma dessas situações, a proteção atua na abertura de um disjuntor após um tempo de retardo. Estas funções comumente tem uma excelente precisão em termos de módulo da frequência, porém são mais inexatas em seus tempos de atuação.

Em condições de rejeição de cargas, devido ao excedente de energia cinética, o gerador pode acabar disparando e como consequência elevar a frequência do sistema. Por outro lado, quando há a entrada de cargas no sistema ou perda de geração, a rede pode acabar se sobrecarregando de modo que a potência elétrica nos geradores excederá a potência mecânica, ocasionando uma situação de subfrequência no sistema. Essa elevação ou afundamento de frequência é responsável direta pela perda do equilíbrio de potência do sistema elétrico, situação esta que pode ocasionar blackouts rigorosos.

Segundo a CEMIG-D, na subfrequência, deve-se atuar em 10 segundos para frequências de 58,5 Hz, em 5 segundos para frequências de 57,5 Hz e instantaneamente para frequências de 56,5 Hz. Já em sobrefrequências, ajusta-se a operação para 30 segundos em 62 Hz, 10 segundos em 63,5 Hz e instantaneamente para 66 Hz.

A ELEKTRO por sua vez, solicita um ajuste de 0,15 segundos para 57 Hz na subfrequência e 0,15 segundos para 63 Hz na sobrefrequência.

Função de taxa variação de frequência – ANSI 81R:

A função 81R monitora a taxa de variação da frequência de modo a determinar um deslocamento prejudicial ao sistema.

No acoplamento entre PIEs e rede elétrica, o df/dt é uma boa aplicação para detectar ilhamentos em uma situação de variação de frequência leve decorrente de um pequeno desbalanço de potência entre a carga e a geração.

Segundo a COPEL, deve-se abordar cálculos e simulações em softwares específicos de análise de estabilidade dinâmica para determinação dos ajustes a serem implementados na proteção por df/dt.

Prévia Parte 2

Na parte 2 deste artigo serão abordadas algumas topologias de conexão entre o Acessante e a rede elétrica. Cada concessionária apresenta uma configuração de acoplamento e, portanto, serão levantados modelos das 4 concessionárias já em foco neste estudo. Por fim, serão apresentadas soluções da Conprove que viabilizam o teste operacional do sistema de proteção.

Referências

[1] Produtor Independente de Energia: A Alternativa da ANEEL para melhorar o Setor Elétrico, 16 de fevereiro de 2016. Disponível em: <https://www.tecnogera.com.br/blog/produtor-independente-de-energia-a-alternativa-da-aneel-para-melhorar-o-setor-eletrico>. Acesso em: 06 fev. 2019.

[2] Proteção de redes elétricas: Guia de proteção, Schneider Electric, 2008. Disponível em: <http://www.se.com>. Acesso em: 06 fev. 2019.

[3] NTC 905100, de dezembro de 2013. ACESSO DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA AO SISTEMA DA COPEL (com comercialização de energia), Curitiba-PR, dez de 2013. Disponível em: <http://www.copel.com>. Acesso em: 06 fev. 2019.

[4] ND 5.31, de julho de 2011. Requisitos para a conexão de Acessantes Produtores de Energia Elétrica ao Sistema de Distribuição Cemig – Conexão em Média Tensão, Belo Horizonte-MG, julho de 2011. Disponível em: <http://www.cemig.com.br>. Acesso em: 06 fev. 2019.

[5] ND 65, de dezembro de 2012. Conexão de geradores em paralelo com o sistema de distribuição de média tensão da ELEKTRO, Campinas-SP, dezembro de 2019. Disponível em: <http://www.elektro.com.br>. Acesso em: 06 fev. 2019.

[6] PR.DT.PDN.03.14.001, 24 de junho de 2014. Conexão de Mini e Microgeradores ao Sistema de Distribuição em média tensão, junho de 2014. Disponível em: <http://www.edp.com.br>. Acesso em: 06 fev. 2019.

[7] PRODIST, Módulo 3, 14 de dezembro de 2012. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional - Módulo 3: Acesso ao Sistema de Distribuição, dezembro de 2012. Disponível em: <http://www.prodist.com.br>. Acesso em: 06 fev. 2019.


Eng. Hiury Gomes