Estudo da Compensação Reativa e das Manobras de Religamento Monopolar em Linhas de Transmissão

Abstract

Este trabalho tem como objetivo principal realizar uma revisão teórica de um sistema de transmissão de energia clássico, em que se aprofunda dois conceitos: o de compensação reativa de linhas de transmissão e o de manobras de religamento. A teoria revisada é composta por análises matemáticas e modelagens de circuitos de linhas de transmissão de longo comprimento. O sistema estudado pode ser modelado matematicamente através de equações diferenciais que representam ondas eletromagnéticas, essas equações podem ser modeladas através de quadripolos e com isso apresentam um circuito elétrico equivalente. A compensação reativa visa equilibrar a potência reativa gerada ou absorvida na linha, almeja-se a estabilidade do sistema através da manutenção das tensões e correntes dentro de limites aceitáveis. Quando a linha de transmissão está alimentando cargas pesadas - potência ativa acima da potência característica - absorve potência reativa em excesso do sistema, com isso, elementos capacitivos devem ser acoplados para equilibrar o sistema. Quando a linha de transmissão está alimentando cargas leves – potência ativa abaixo da potência característica – fornece potência reativa em excesso ao sistema, elementos indutivos devem, então, ser acoplados ao sistema. Há dois esquemas possíveis de ligação desses dispositivos: em série ou em derivação. As manobras de religamento são importantes para corrigir falhas na transmissão de energia, quando algum evento externo causa uma perturbação no sistema deve ser realizada a interrupção do fornecimento das fases em falta e, após a correção, deve ser realizado o religamento. Verifica-se que faltas são majoritariamente monofásicas em linhas de transmissão. Quando o religamento é tripolar, as três fases do sistema são desligadas, o que não permite o fornecimento de energia à carga. Quando a manobra é monopolar, apenas a fase que sofreu a falta é desligada, então duas fases ainda alimentam a carga. Nota-se que a manobra monopolar tem vantagem em relação à tripolar, mas para que ela seja realizável é necessária a mitigação do arco secundário, fenômeno que ocorre devido ao acoplamento eletromagnético das fases em normal funcionamento. Para verificar essas teorias implementa-se em simulação uma linha de 500 kV e 300 km. Observa-se que essa linha, longa e de alta tensão, está sujeita aos fenômenos explicados, verifica-se a necessidade de compensação reativa, em carga leve e pesada, e a necessidade de implementar métodos de extinção do arco secundário, para possibilitar a manobra monopolar. Para compensar a linha em situação de carga pesada utilizam-se capacitores em série, que resultam em melhoria no carregamento da linha, reduzindo a queda de tensão. Para compensar a linha em situação de carga leve utilizam-se reatores em derivação, que resultam em redução da elevação de tensão. Para permitir a manobra monopolar utiliza-se o reator de neutro acoplado à compensação em derivação dimensionada, que resulta na provável extinção do arco secundário.

The main objective of this paper is to carry out a theoretical review of a classic energy transmission system, delving into two concepts: reactive transmission line compensation and reclosing maneuvers. The revised theory consists of mathematical analysis and modeling of long-distance transmission line circuits. The studied system can be modeled mathematically by means of differential equations that represent electromagnetic waves, these equations can be modeled by quadripoles and with that they present an equivalent electrical circuit. Reactive compensation aims to balance the reactive power generated or absorbed in the line, seeking at system stability by maintaining voltages and currents within acceptable limits. When the transmission line is feeding heavy loads - active power above surge impedance loading - it absorbs excess reactive power from the system, therefore, capacitive elements must be coupled to balance the system. When the transmission line is feeding light loads - active power below surge impedance loading - it supplies excess reactive power to the system, inductive elements must then be coupled to the system. There are two possible schemes to connect these devices: in series or in shunt. Reclosing maneuvers are important to correct failures in the transmission of energy, when an external event causes an outbreak in the system, the supply of the missing phases must be interrupted and, after correction, reclosing must be performed. It appears that faults are mostly single-phase in transmission lines. When the reclosure is three-pole, the three phases of the system are switched off, which does not allow the supply of energy to the load. When the maneuver is monopolar, only the missing phase is turned off, so two phases still supply the load. It is identified that the monopolar maneuver has an advantage over the three pole one, but for it to be possible, it is necessary to mitigate the secondary arc, a phenomenon that occurs due to the electromagnetic coupling of the phases in normal operation. To verify these theories, a 500 kV and 300 km line is implemented in simulation. It is observed that this line, long and high voltage, is subject to the phenomena explained, there is a need for reactive compensation, under light and heavy load, and the need to implement methods of extinction of the secondary arc, to enable the monopolar maneuver. To compensate the line under heavy load, series capacitors are used, which result in improved line loading, reducing the voltage drop. To compensate the line under a light load situation, shunt reactors are used, which result in reduced voltage rise. To allow the monopolar maneuver, the neutral reactor coupled to the dimensioned derivation compensation is used, which results in the probable extinction of the secondary arc.