A time-domain cross-differential protection algorithm for double circuit transmission lines

Abstract

A disponibilidade de energia elétrica está ligada ao desenvolvimento socioeconômico da sociedade. No Brasil, o consumo de energia elétrica cresceu 10% em uma década, devido ao progresso tecnológico, além disso, a previsão média de crescimento de carga no Brasil de 2023 a 2027 é de 3,3%. A operação coletiva eficiente dos equipamentos que compõem os sistemas de energia elétrica é essencial para garantir níveis de energia confiáveis e seguros para os consumidores. No entanto, para garantir a continuidade na entrega desse serviço os sistemas de energia elétrica são conduzidos a se expandir, o que geralmente implica num aumento na complexidade do sistema de transmissão, devido à inevitabilidade da construção de linhas de transmissão adicionais. Por contribuírem para aumentar a segurança e a confiabilidade do sistema, há interesse em linhas de transmissão de circuito duplo. No entanto, a proximidade dos circuitos gera acoplamento mútuo, desafiando os esquemas de proteção. Devido à sua grande extensão e exposição climática, as linhas de transmissão são suscetíveis a defeitos. Portanto, sistemas de proteção eficientes são vitais para garantir a integridade dos equipamentos, a estabilidade do sistema e evitar apagões generalizados. A proteção de linhas de transmissão de circuito duplo é crucial para garantir a confiabilidade do sistema elétrico. As abordagens tradicionais, como esquemas de teleproteção e proteção diferencial, dependem da existência de canais de comunicação e sincronização de dados, o que pode aumentar os custos e a complexidade do sistema. Uma alternativa eficaz é a proteção de distância, que opera com base em um único terminal, não depende de comunicações entre terminais, mas pode ter atrasos na detecção de faltas. Uma solução promissora que está sendo investigada é a proteção diferencial cruzada, a qual elimina a dependência de canal de comunicação, mas por necessitar da estimação fasorial pode refletir em atrasos na sua atuação. Dada a crescente demanda por eletricidade, há uma busca contínua por elementos de proteção mais rápidos, como os fundamentados no domínio do tempo, com o objetivo de assegurar tempos de eliminação de faltas mais curtos e, assim, preservar a estabilidade do sistema elétrico. Nesse contexto, o algoritmo proposto representa uma solução inovadora para a proteção de linhas de circuito duplo. Ele combina a eficácia da proteção diferencial cruzada, conhecida por sua alta cobertura instantânea de proteção, com a agilidade do domínio do tempo, caracterizado por tempos de operação rápidos. O conjunto de entrada do algoritmo proposto é composto por correntes secundárias provenientes do TCs instalado em cada fase, no mesmo terminal, para ambos os circuitos da linha de transmissão do circuito duplo em análise. Esses sinais são normalizados na mesma base, a fim de eliminar as diferenças na relação de transformação dos TCs e nos parâmetros da linha, para os casos em que os circuitos não compartilham a mesma torre de transmissão. Após a normalização, novos sinais de corrente são inseridos diretamente no bloco de cálculo de valor incremental, geralmente chamado de filtro delta. Para eliminar os efeitos da componente CC de decaimento exponencial, são calculadas correntes de réplica incremental. Após esse procedimento, as correntes de operação e restrição são obtidas de maneira analogada à função de proteção diferencial cruzada e condições de operação são avaliadas. Para facilitar isso, as condições examinadas são integradas e referidas como energias operacionais dos circuitos 1 e 2. Ao mesmo tempo, um sinal senoidal, que representa a corrente de pickup escolhida, também é integrado. Finalmente, o bloco que representa a lógica de trip usa as quantidades integradas como entrada, para que o elemento diferencial proposto determine se um comando de trip deve ser emitido ou não. Dos resultados percebe-se que o desempenho do algoritmo proposto não é afetado pela variação da intensidade do acoplamento de sequência zero entre os circuitos. O algoritmo proposto exibiu também um desempenho superior em relação ao tempo de operação e à cobertura de proteção instantânea da linha de transmissão, mesmo em cenários com variações na localização da falta e na força das fontes. Além disso, o algoritmo não tem seu desempenho prejudicado pela variação da resistência de falta, ao considerar a faixa de avaliação avaliada, e opera corretamente para todos os casos simulados. Notavelmente, sua operação não requer comunicação entre os terminais da linha de transmissão nem a utilização de sinal GPS e sincronização de dados, por utilizar dados provenientes de um único terminal.