Proteção por Frequência explicada: Variantes e Justificativa

À medida que o mundo adota recursos de energia distribuída e geração renovável, a proteção por frequência se torna uma técnica comumente especificada para a integração confiável de ativos.

A proteção por frequência monitora a frequência do sistema de potência e sinaliza qualquer anormalidade.

Neste artigo, exploraremos o conceito de frequência normal, quais cenários fazem com que a frequência do sistema varie e alguns dos elementos de proteção mais comuns que atuam nesses cenários de falta.

Frequência do Sistema de Potência

Após os famosos desentendimentos entre Edison e Westinghouse nos primórdios da engenharia elétrica, o vencedor do debate entre corrente alternada (AC) e corrente contínua (DC) foi Edison.

A corrente alternada é uma magnitude de corrente que varia constantemente ao longo do tempo, enquanto a DC é constante.

Embora esteja fora do escopo deste artigo, a AC apresenta vantagens na indução eletromagnética, o que permitiu que determinadas tecnologias, como os transformadores, dimensionassem e transportassem energia em massa. Embora a HVDC seja uma alternativa viável nos dias de hoje, grande parte da transmissão e distribuição de energia é de AC.

Quando a “Frequência” é discutida em um contexto de Sistema de Potência, ela se refere aos ciclos por segundo da corrente elétrica. Para a maioria das transmissões e distribuição, a frequência é de 50 Hz ou 60 Hz (embora algumas aplicações ferroviárias usem frequências mais baixas).

Quais cenários fazem com que a frequência do sistema de potência varie?

A frequência é uma grandeza fundamental no desenvolvimento de uma rede elétrica AC. Todos os equipamentos selecionados devem ser projetados de modo a operar nesta frequência e, em um sistema saudável, deve haver pouquíssimo movimento.

A frequência de uma rede elétrica é geralmente regida pelos “geradores síncronos” em usinas de geração convencionais. Essas máquinas enormes geram potência a uma frequência especificada.

Em estado estacionário, na potência nominal, a frequência não deve variar.

Quando a demanda de potência do gerador muda, começamos a observar variações na frequência. A “inércia”, ou energia armazenada, do sistema tentará manter a saída de frequência sob uma carga mais alta.

Uma analogia simples pode ser feita com o comportamento de um carro. Ao dirigir a uma velocidade constante, 50 km/h por exemplo, o motor do carro gira a uma RPM específica. RPM é uma forma de frequência.

Quando esse carro chega em uma subida, mais potência se torna necessária para atingir a mesma velocidade. Quando isso acontece, a RPM começa a cair, pois o motor é colocado sob mais carga.

Ou seja, a frequência cai e a potência de saída é a mesma. Se você conseguir aumentar a potência, você evita que o carro desligue. Se não conseguir, o carro desligará. No exemplo do sistema de geração de potência, se o gerador não puder corresponder à carga, o gerador “desliga” e a energia acaba.

Por outro lado, quando o carro está em uma descida, menos potência é necessária para manter a mesma velocidade. Se você não reduzir a aplicação do acelerador, a RPM (e a velocidade do carro) aumenta, com a mesma potência. Nesse caso, o gerador está excedendo a demanda, e a frequência aumentaria se a geração de potência permanecesse a mesma.

E é por isso que a frequência é uma métrica de proteção útil. Ela nos permite verificar se a geração e a carga estão equilibradas e permite que os engenheiros de proteção intervenham caso essa incompatibilidade se torne um problema.

Por que a Proteção por Frequência vem sendo mais usada?

O principal motivo é a adoção da geração distribuída. Os geradores precisam de proteção contra eventos de frequência e essas conexões precisam de proteção por frequência.

Além disso, esses geradores distribuídos costumam usar “geração assíncrona”, como inversores de potência em usinas de energia solar. Sem nenhuma inércia mecânica, esses locais de geração teriam menos capacidade de responder a flutuações de frequência do sistema de potência sem desconectar.

Pensando nisso, vamos explorar alguns elementos típicos de proteção por frequência:

• Subfrequência (81O)
• Sobrefrequência (81U)
• Taxa de Variação de Frequência (81R)

Sobrefrequência (ANSI 81O)

Como vimos em nossa analogia do carro, um nó de rede apresentará um evento de sobrefrequência quando a geração for muito alta ou a carga for muito baixa.

A proteção por sobrefrequência é configurada aplicando-se um ponto de ajuste acima da frequência normal de operação. Quando este limite é atingido, o relé de proteção atua, acionando um alarme ou a operação de um disjuntor.

No sistema de religadores OSM da NOJA Power, o recurso de sobrefrequência monitora a frequência de potência e pode ser configurado para alertar ou desarmar o religador se a frequência estiver excessivamente alta.

Subfrequência (ANSI 81U)

A subfrequência ocorre quando há um déficit de geração. Ou seja, quando há carga excessiva para a capacidade de geração disponível.

A proteção por subfrequência é frequentemente usada em um “esquema de corte de carga”, no qual a rede de distribuição desconecta partes da rede automaticamente em caso de geração insuficiente.

Isso permite que a operadora de rede reduza parcialmente o serviço, em vez de permitir que todo o sistema sofra um blecaute.

Por meio de Religadores OSM, posicionados ao redor da rede de distribuição, esses dispositivos podem ser acionados automaticamente para o “corte de carga”, desligando progressivamente partes da rede quando houver geração insuficiente.

Se a desconexão da carga for mais rápida do que a queda de frequência, a rede pode recuperar o controle ao alcançar o ponto em que a geração restante corresponde à carga que permanece conectada à rede.

Nesse ponto, as operadoras de rede podem aumentar progressivamente a potência e reconectar partes da rede, evitando um blecaute completo.

A subfrequência funciona verificando se a frequência do sistema atinge um limiar abaixo da frequência de operação. Se isso ocorrer, o relé é ativado e pode desarmar automaticamente um disjuntor ou alertar o operador da rede.

Taxa de Variação de Frequência (81R)

O último elemento de frequência a ser considerado é a Taxa de Variação de Frequência (ANSI 81R), ou ROCOF.

Essa proteção trata de um déficit fundamental de proteção de sobrefrequência e subfrequência – a zona de não detecção.

Tanto a proteção por sobrefrequência quanto por subfrequência exigem que as condições da rede sejam insatisfatórias antes de serem detectadas.

Se a rede estiver normalmente em 50 Hz e ocorrer um déficit de geração, um disjuntor sem ROCOF só detectaria o problema quando a frequência atingisse um ponto baixo. A essa altura, a frequência pode ter caído demais para ser salva pelo corte de carga.

Em vez disso, a proteção ROCOF analisa o movimento da frequência ao longo do tempo. Embora pequenos movimentos na frequência sejam toleráveis, uma grande variação, de 0,5 Hz/s, por exemplo, é mais indicativa de problemas sérios.

Ao monitorar o ROCOF, os disjuntores podem operar mais rapidamente, já que o sistema de proteção pode detectar o problema antes da queda de frequência.

Usando nossa analogia do carro novamente, a proteção por ROCOF é como os olhos do motorista. Ela consegue detectar a queda de RPM do motor quando o carro começa a subir a ladeira, em vez de esperar que o motor diminua para uma determinada RPM antes de aumentar a potência.

A ROCOF é especialmente útil para geração renovável, na qual a geração de baixa inércia causa rápidas flutuações na frequência. Ao acelerar a resposta, a proteção ROCOF oferece aos geradores maior capacidade para operar de forma confiável.

Conclusão

Todos esses recursos de frequência estão disponíveis no sistema de Religador OSM da NOJA Power, e muitos locais de geração podem usar uma combinação deles.

Da mesma forma, qualquer rede que deseje implementar um esquema de corte automático de carga pode fazê-lo com os Religadores OSM da NOJA Power. Esse design pode ajudar a evitar blecautes em casos de déficit de geração, melhorando o desempenho e a confiabilidade do sistema de geração de potência.

“Com cada vez mais geração assíncrona conectada à rede, a proteção por frequência vem desempenhando um papel ainda mais importante na manutenção da estabilidade da rede“, comenta o Diretor Geral do Grupo NOJA Power, Neil O’Sullivan.

“A linha completa de religadores e controles da NOJA Power oferece o pacote completo de proteção de frequência exigido pelas rede elétricas modernas.“

Para mais informações, visite www.nojapower.com.br ou entre em contato com seu distribuidor local NOJA Power.