HVDC converter transformers protection - differential function assessment

Abstract

A transmissão em corrente contínua em alta tensão (High Voltage Direct Current - HVDC) apresenta vantagens financeiras e técnicas para transmissão de potência em longas distâncias devido às menores perdas de potência na transmissão, a menor necessidade de compensação reativa e por não apresentar problemas de estabilidade causados por baixos valores de tensão e altas impedâncias em sistemas de transmissão CA. Com os avanços da eletrônica de potência a partir do século XX, o uso de sistemas HVDC tem crescido e isso inclui o Brasil, que tem investido nesses sistemas devido seu às suas dimensões continentais e à distância entre fontes de geração e a carga. Nesse cenário, pesquisas relacionadas aos sistemas de proteção desses sistemas são essenciais, o que inclui os transformadores conversores que são equipamentos fundamentais para implementação e funcionamento desses sistemas, tem um custo elevado e são de difícil substituição. Portanto, é necessário garantir o bom funcionamento de seus esquemas de proteção e a identificação tempestiva de falhas internas ao equipamento. Logo, essa dissertação apresenta uma avaliação detalhada das funções de proteção diferencial de fase (ANSI code 87T), diferencial de sequência negativa (ANSI code 87Q), e Restrict Earth Fault (ANSI code REF ou 87N) em transformadores conversores de sistemas HVDC—sendo a função 87T a principal proteção do equipamento. As análises consideraram apenas transformadores conversores conectados a conversores operando como inversores. Para realização dessas avaliações, foram realizadas simulações em um modelo do sistema LCC-HVDC do Complexo do Rio Madeira através do software Alternative Transients Program (ATP/ATPDraw), simulando faltas externas aos transformadores na barra em que eles estão conectados e em uma linha de transmissão CA adjacente, e faltas internas aos equipamentos, sendo elas: faltas fase-terra, fase-fase-terra, fase-fase, espira-terra e espira-espira, tanto no primário quanto no secundário dos transformadores de um polo. Foi simulada, também, a energização desses transformadores. As funções de proteção por sua vez, foram implementadas em Python e a partir dos resultados das simulações, a atuação das funções foram avaliadas. Os resultados da atuação dessas funções foram discutidos, avaliando-se os melhores ajustes de proteção e detalhando as razões dos problemas de desempenho encontrados. Destaque para faltas fase-terra e espira-terra no secundário dos transformadores que apresentam problemas de desempenho por bloqueios indevidos das funções ou nem mesmo detecção de faltas internas.