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WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Interação entre Transformadores.

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1 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Interação entre Transformadores e o Sistema Elétrico com Foco nos Transitórios Eletromagnéticos de Alta Frequência Apresentação e Análise dos Resultados das Simulações Digitais Realizadas no Âmbito do GT, nos Domínios do Tempo e da Frequência

2 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Para investigar as tensões transitórias de alta frequência que podem ocorrer nos terminais dos transformadores; Manobras de disjuntores (energização de transformadores) e chaves secionadoras e curtos-circuitos em linhas de transmissão, próximos da subestação; Verificado não apenas o valor máximo das tensões transitórias mas também os espectros de frequências e as frequências dominantes contidas nas formas de onda calculadas; Analisadas subestações de diferentes níveis de tensão (230, 345 e 500kV) com arranjos físicos (layout) típicos, utilizados pelas principais concessionárias que atuam no setor elétrico brasileiro; Simulações Digitais

3 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Análise no Domínio do Tempo Manobra de disjuntor para energização de transformador elevador em SE 500kV com arranjo DJM (Distância DJ – TR = 540m). 2,04pu 70kHz 160kHz SE 230 (BD), 345 (DJM) e 500kV (DJM): Tensão máxima: 1,54 a 2,04pu Frequências dominantes: 60kHz a 200kHz. Distâncias DJ-TR: 60 a 540m

4 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Análise no Domínio do Tempo Manobra de abertura de chave secionadora em SE 500kV com arranjo DJM, com reacendimento. 1,22pu 470kHz 840kHz SE 230 (BD), 345 (DJM) e 500kV (DJM): Tensão máxima bem abaixo do nível de atuação dos pára- raios e frequências dominantes na faixa de 200kHz a 840kHz.

5 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Análise no Domínio do Tempo SE 500kV com arranjo DJM. Curto-circuito monofásico em linha de transmissão a 1km e 5km da subestação. SE 230 (BD), 345 (DJM) e 500kV (DJM): Para distâncias variando de 0,5km a 5km foram encontradas frequências dominantes na faixa de 20kHz a 560kHz 30kHz 110kHz

6 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Análise no Domínio da Frequência Reator monofásico 550kV / 40Mvar (NBI 1550kV) Enrolamento : Entrada central H1, dois grupos com 45 bobinas duplas, subgrupos de disco entrelaçado (DE), disco contínuo com blindagem interna (DS) e disco contínuo (DC). A amplitude da solicitação e a localização das bobinas mais solicitadas dependem da freqüência do sinal senoidal aplicado.

7 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Análise no Domínio da Frequência 141kHz 317kHz 672kHz Sinal senoidal aplicado em H1-H0 e reposta medida em X1-X2. A amplitude da resposta depende da freqüência do sinal senoidal aplicado.

8 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Análise no Domínio da Frequência Espectro: Curva de densidade espectral (Vs) em função da frequência (Hz). Retrata a energia do sinal em cada frequência.. Qual o limite em cada freqüência?. Qual a referência? Tensão transitória calculada nos terminais do transformador Transformada Rápida de Fourier (FFT) 70kHz 5,10Vs 160kHz 1,76Vs

9 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Análise no Domínio da Frequência Referência: Formas de Onda Padronizadas. Especificação. Dimensionamento / Projeto da Isolação. Ensaios Dielétricos em Laboratório Transformada Integral de Fourier Espectro de Frequências. Impulso atmosférico, onda plena 1,2/50  s (NBI). Onda cortada na cauda 2 a 6  s (1,10 a 1,15 x NBI). Impulso de manobra 100/1000  s (0,83 x NBI)

10 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Análise no Domínio da Frequência Onda Cortada na Cauda (2 a 6  s) Transformada Integral de Fourier Definição de uma envoltória a partir da densidade espectral das formas de onda padronizadas.

11 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Análise no Domínio da Frequência Envoltória definida pelas FO padronizadas Solicitações cobertas pelas FO padronizadas. Solicitações não cobertas pelas FO padronizadas. 3kHz 30kHz

12 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Análise no Domínio da Frequência Energização de Transformador 16/16/500kV – 555MVA em SE 500kV DJM 70kHz FSDF = 0,71 160kHz FSDF = 0,54 Fator de Severidade no Domínio da Frequência Envoltória Tensão transitória FSDF < 1 → Solicitações cobertas pelas FO padronizadas 2,04pu

13 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Análise no Domínio da Frequência Manobra de Chave Secionadora em SE 500kV DJM 840kHz FSDF = 1,19 FSDF > 1 → Solicitações não cobertas pelas FO padronizadas 1,22pu

14 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Energização de Transformadores através de Disjuntores

15 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Manobra de Chave Secionadora (*) Considerar possíveis efeitos de múltiplos impulsos na suportabilidade do isolamento (Vários reacendimentos do arco numa mesma manobra)

16 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Curto-circuito Monofásico em Linha de Transmissão

17 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Formas de Onda não Padronizadas Frente de onda Transformada Integral de Fourier Definição de uma envoltória a partir da densidade espectral da frente de onda (0,5 a 1,0  s) com amplitude variando de 1,3 a 1,5 x NBI (1,2/50  s).

18 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Envoltória definida pela Frente de Onda (FOW): 1,3 x NBI (1,2/50  s) 366kHz 840kHz FSDF = 1,19 FSDF = 0,88 Formas de Onda não Padronizadas

19 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Considerações Sobre a Margem de Segurança Nos estudos de coordenação de isolamento e nas análises das tensões transitórias de alta freqüência, devem ser considerados limites de sobretensão e de densidade espectral que proporcionem uma margem de segurança adequada com relação aos valores de tensão de ensaio e com relação à envoltória da densidade espectral. Normas de Coordenação de Isolamento Ut > Fs. Umax, Fs ≥ 1,15 para levar em conta a redução da suportabilidade pelas condições de O&M e as incertezas estatísticas dos ensaios em laboratório. Mesmo em condições bem definidas e constantes, a suportabilidade da isolação não é um valor determinístico, mas uma variável aleatória que tem diferentes probabilidades de descarga para diferentes valores de tensão. Normas de Coordenação de Isolamento Isolação não auto-recuperante: Probabilidade de Falha P(Ut) = 0

20 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Considerações Sobre a Margem de Segurança Distribuição de Weibull m = 4 S/U 50 = 15% P(Ut) = 0,1% Margem = (U/Ut)/Fs Para 1000 aplicações, = 0,85/1,15 = 0,70 Pn = 0,1% Pn = 1% Pn = 5%

21 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 As solicitações provocadas pelas tensões transitórias de alta frequência, geradas pelas manobras de chaves secionadoras e disjuntores, podem exceder as aplicadas nos ensaios dielétricos com as formas de onda padronizadas, que são consideradas no projeto da isolação do transformador; Os casos analisados mostram a importância do ensaio com a onda cortada no sentido de cobrir as solicitações impostas pelo sistema na região de frequências mais elevadas. Nas especificações técnicas e no dimensionamento da isolação devem ser consideradas ondas cortadas com tempos de corte variando de 2µs a 6µs; A frente de onda, com tempos de corte na faixa de 0,5  s a 1,0  s e amplitude de 1,30 a 1,50 vezes o BIL, cobre a região de frequências mais elevadas (acima de 360kHz) melhor que a onda cortada na cauda com tempos variando de 2  s a 6  s; Constatações

22 WORKSHOP SOBRE INTERAÇÃO TRANSFORMADOR – SISTEMA 22 de Outubro de 2009 CEPEL – Rio de Janeiro - RJ Roseval, Outubro 2009 Considerar não apenas o valor máximo, mas também os espectros de freqüências das tensões transitórias. Quando o FSDF exceder o limite, devem ser consideradas medidas mitigadoras (especificação de um nível de isolamento mais elevado, modificação do arranjo físico da SE, etc.); A margem de segurança a ser aplicada na definição dos níveis de isolamento deve levar em conta, além dos efeitos das condições de O&M, a dispersão estatística da tensão suportável pela isolação, o número de aplicações esperado ao longo da vida útil do equipamento e o risco de falha assumido; Constatações Procedimentos de Coordenação de Isolamento


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