O Poder da Precisão: Como os sistemas de ondas viajantes revolucionam a localização de falhas e aumentam a confiabilidade da rede

No mundo interconectado de hoje, o fornecimento confiável de eletricidade é fundamental. As interrupções de energia prejudicam vidas, empresas e infraestruturas essenciais, levando a perdas econômicas e preocupações com a segurança. As concessionárias estão constantemente se esforçando para minimizar a duração das interrupções e aumentar a resiliência da rede.

Um fator essencial para atingir esse objetivo é a capacidade de localizar falhas nas linhas de transmissão com rapidez e precisão. Esta postagem do blog analisa a tecnologia inovadora do Traveling Wave Fault Location (TWFL) e seu impacto transformador na localização de falhas e na confiabilidade da rede.

A urgência da localização rápida de falhas

Quando ocorre uma falha em uma linha de transmissão, é imperativo isolar a seção com falha, iniciar os reparos e restaurar a operação normal o mais rápido possível. Essa urgência decorre das implicações econômicas de interrupções prolongadas e das pressões regulatórias para manter uma alta qualidade de fornecimento.

As concessionárias são responsáveis por minimizar os "minutos perdidos pelos clientes", um indicador-chave de desempenho usado pelos órgãos reguladores para avaliar sua eficiência. Especialmente em redes de subtransmissão que operam abaixo de 100 kV, a necessidade de localização rápida de falhas é ampliada. Essas redes geralmente são mais extensas, menos robustas e têm redundância limitada, o que as torna suscetíveis a falhas e aumenta o impacto sobre as interrupções de serviço para os clientes.

Espectro de falhas: Permanentes, intermitentes e transitórias

As falhas em linhas de transmissão aéreas podem se manifestar em três categorias principais: permanentes, intermitentes ou recorrentes e transitórias. As falhas permanentes, embora pouco frequentes, exigem localização e reparo imediatos.As falhas intermitentes, desencadeadas por fatores como isolamento danificado, interferência da vegetação ou choque de condutores, podem ocorrer novamente e representar uma ameaça à confiabilidade de longo prazo. As falhas transitórias, geralmente causadas por pássaros, raios ou incêndios florestais, são normalmente eventos únicos.

Tradicionalmente, as falhas intermitentes e transitórias recebiam menos atenção. No entanto, o foco cada vez maior na qualidade do fornecimento e a possibilidade dessas falhas se transformarem em falhas permanentes mudaram essa perspectiva. A análise de todos os disparos de linha, independentemente de sua natureza, tornou-se crucial para evitar a escalada e manter proativamente a estabilidade da rede.

Limitações dos métodos tradicionais baseados em impedância

Os métodos tradicionais de localização de faltas baseavam-se principalmente em cálculos de impedância. Essas técnicas, embora sirvam a um propósito, muitas vezes não têm a precisão e a consistência necessárias para identificar o local exato da falta, principalmente em eventos intermitentes ou transitórios. A ambiguidade decorrente dos resultados baseados em impedância pode levar à incerteza em relação à torre específica com um isolador danificado ou ao vão afetado pela invasão da vegetação, dificultando os esforços de manutenção direcionados.

Entre em Sistemas de Ondas Viajantes: Uma mudança de paradigma na localização de faltas

Os modernos sistemas TWFL de localização de faltas por ondas viajantes surgiram como um divisor de águas, oferecendo uma alternativa altamente precisa e confiável aos métodos tradicionais. Os sistemas TWFL aproveitam o fenômeno das ondas viajantes geradas por uma falta.Quando ocorre uma falta, o arco de potência resultante e a mudança de etapa da tensão criam ondas viajantes que se propagam ao longo da linha de transmissão em ambas as direções. Os localizadores de falta TWFL, estrategicamente posicionados nas extremidades da linha, capturam com precisão o tempo de chegada dessas ondas usando o GPS como referência de tempo.

Os marcadores de tempo capturados são então transmitidos para um local central, onde algoritmos sofisticados, combinados com informações sobre o comprimento da linha e a velocidade de propagação da onda, calculam a distância até a falta. Esse método de extremidade dupla (Tipo D) elimina a necessidade de intervenção do operador e fornece dados automatizados de localização de faltas em tempo real.

Precisão redefinida: Desvendando a precisão do TWFL

A precisão das localizações de falta derivadas do TWFL depende de três fatores críticos: a precisão do marcador de tempo do GPS, a precisão dos dados de comprimento da linha e a velocidade presumida de propagação da onda. A velocidade de propagação em linhas aéreas é geralmente considerada a velocidade da luz (300 m/µs) e não é afetada pelas características do condutor, pela construção da torre ou pelas transposições de fase.

O comprimento da linha, normalmente fornecido pela concessionária, representa a soma das distâncias ponto a ponto entre as torres, muitas vezes chamada de comprimento "físico" da linha. Para levar em conta a queda dos condutores, geralmente é aplicado um fator de velocidade padrão de 98,98% (297 m/µs).

A evolução da tecnologia TWFL testemunhou avanços notáveis na precisão da marcação de tempo por GPS.Os equipamentos TWFL mais antigos tinham uma precisão de marcação de tempo por GPS de 1 µs, resultando em precisões alcançáveis de cerca de 200 metros. No entanto, a geração mais recente de TWFL apresenta uma precisão de tempo de GPS de 100 nanossegundos, com uma resolução de 10 nanossegundos, permitindo uma precisão teórica de aproximadamente 30 metros.Testes de campo realizados no Extremo Oriente demonstraram precisões impressionantes de até 45 metros, com precisão típica de 60 metros após a calibração da linha usando transientes de operações de comutação.

Essa precisão notável se traduz na capacidade de identificar falhas dentro de um único vão usando o equipamento TWFL existente e, o que é mais impressionante, dentro de uma única torre usando a última geração de TWFL.

É importante observar que discrepâncias no comprimento do cabeamento dos transformadores de corrente (TCs) de proteção até a sala de relés em cada extremidade da linha podem introduzir erros. Essas variações devem ser consideradas para se obter a precisão ideal.

Colhendo os frutos: Benefícios da localização de faltas de alta precisão

A alta precisão e a consistência fornecidas pelo TWFL dão aos engenheiros de operação uma confiança sem precedentes nos dados de localização de faltas. Essa precisão possibilita vários benefícios importantes:

• Desdobramento rápido das equipes de reparo: A localização precisa da falta permite que as concessionárias enviem equipes de reparo diretamente para o local da falta, eliminando o tempo perdido na busca pelo local da falta. Isso se traduz em reparos mais rápidos e restauração mais rápida do serviço.
• Manutenção Preventiva Direcionada: O TWFL fornece informações valiosas sobre a natureza e o local de falhas intermitentes ou transitórias. A análise das tendências desses eventos permite que as concessionárias identifiquem problemas recorrentes, como isoladores poluídos ou danificados ou invasão de vegetação, e os resolvam de forma proativa por meio de manutenção direcionada. Essa abordagem proativa minimiza o risco de essas falhas evoluírem para interrupções permanentes.
• Compreensão aprimorada das causas das falhas: Os dados do TWFL podem ajudar a identificar as causas básicas das falhas. Por exemplo, a correlação de locais de falhas com sistemas de detecção de raios fornece fortes evidências de falhas induzidas por raios. Em outros casos, o TWFL revelou que a atividade de pássaros era a culpada por trás de falhas inicialmente atribuídas a raios, destacando a capacidade do sistema de descobrir causas menos óbvias e melhorar a precisão da classificação de falhas.
• Restauração aprimorada do sistema: A identificação rápida e precisa dos locais das falhas facilita um retorno mais rápido às condições normais de operação das redes com falhas. Isso minimiza o tempo de interrupção do cliente e aumenta a confiabilidade geral do sistema.

Infraestrutura de comunicação: A espinha dorsal do TWFL de extremidade dupla

O método de localização de falhas de extremidade dupla (Tipo D) empregado pelo TWFL depende da troca contínua de informações entre as extremidades da linha e um local de processamento central. Infraestrutura de comunicação robusta é, portanto, essencial para a operação eficaz do TWFL. Várias opções de comunicação estão disponíveis, cada uma com suas próprias considerações:

• Ethernet: As conexões Ethernet oferecem alta largura de banda e confiabilidade, o que as torna a escolha preferida quando disponíveis.
• Modems dial-up: Os modems dial-up oferecem uma solução econômica, especialmente em cenários com requisitos limitados de largura de banda.
• GSM/GPRS: Os modems GSM (Global System for Mobile communications) e GPRS (General Packet Radio Service) aproveitam a onipresença das redes de telefonia móvel, oferecendo flexibilidade em áreas em que outras opções de comunicação são limitadas.
• Canais SCADA: A integração de dados TWFL aos sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) existentes está ganhando força, principalmente nos EUA. Essa abordagem utiliza canais de comunicação estabelecidos e requer software especializado no mestre SCADA para processar os dados do TWFL e calcular a localização das falhas.

A escolha do método de comunicação depende de fatores como a infraestrutura existente, os requisitos de largura de banda, as considerações de custo e as necessidades específicas da concessionária.

Instalação e monitoramento de sinais: Considerações práticas

Os sistemas TWFL são frequentemente adaptados às subestações existentes, enfatizando a necessidade de procedimentos de instalação fáceis e não intrusivos. O método de monitoramento de sinal depende da configuração da terminação da linha:

• Monitoramento de corrente: Em subestações com várias linhas conectadas a um barramento e baixa impedância de terminação, é preferível monitorar o componente de corrente da onda viajante. Normalmente, isso é feito com o uso de pequenas pinças de corrente de núcleo dividido colocadas ao redor da fiação do TC no painel de proteção. Um espaço de ar é introduzido para filtrar os sinais de energia de baixa frequência.
• Monitoramento de tensão: Quando as linhas terminam em transformadores ou linhas de circuito duplo com a possibilidade de uma linha ser desligada, a impedância de terminação torna-se alta. Nesses casos, é necessário monitorar o componente de tensão da onda viajante. O método preferido envolve a utilização do CVT (Capacitor Voltage Transformer) da linha, se disponível. Um TC toroidal é instalado na conexão de terra da pilha de capacitores do CVT para capturar os componentes de alta frequência da tensão da linha, que são amplificados de forma eficaz.

O sinal é então transmitido para a sala de relés por meio de um cabo blindado e monitorado usando um TC de núcleo dividido padrão. Embora essa técnica ofereça um bom acoplamento de alta frequência, ela exige uma interrupção da linha para a instalação do TC toroidal e um novo cabeamento para a sala do relé.

Complementando a configuração de monitoramento do sinal, uma antena GPS é normalmente montada no teto da subestação, garantindo uma visão clara do céu para uma sincronização precisa do tempo.

TWFL em ação: Estudos de caso e resultados de campo

A eficácia do TWFL de extremidade dupla em aplicações reais está bem documentada por meio de vários estudos de caso e implantações de campo:

• Escócia: Um estudo de dois anos em um circuito relativamente curto de 35,1 km, circuito de 400 kV na Escócia, demonstrou consistentemente a precisão do TWFL.
• África do Sul: Os resultados de um circuito de 140 km na África do Sul durante um período de seis meses validaram ainda mais a confiabilidade do TWFL, com patrulhas de linha confirmando sempre a precisão das localizações de falta derivadas do TWFL. Em contrapartida, os resultados do relé de impedância apresentaram erros significativos que variaram de 1,7% a 23%.
• EUA: Uma empresa de serviços públicos nos EUA equipou 12 circuitos de 500 kV com dispositivos TWFL. As comparações entre os dados do TWFL e os sistemas de detecção de raios durante uma tempestade mostraram uma forte correlação, mesmo nos casos em que a linha não desarmou, destacando a sensibilidade do TWFL às ondas viajantes induzidas por raios.
• Circuito Dominion 22 500 kV: Essa linha de 39,07 milhas, construída na década de 1920 com torres de madeira, apresentou desafios para os métodos tradicionais de localização de faltas devido às faltas de aterramento de alta impedância. No entanto, o TWFL acionou e localizou com sucesso todos os 10 disparos da linha desde a instalação, demonstrando sua eficácia em cenários desafiadores.

Esses exemplos do mundo real destacam a confiabilidade, a precisão e a versatilidade do TWFL na localização exata de faltas em diversas configurações de rede e tipos de faltas.

Horizontes Futuros: Expansão do alcance do TWFL

O sucesso do TWFL em sistemas de transmissão de alta tensão abriu caminho para a expansão de sua aplicação em sistemas de tensão mais baixa, que muitas vezes apresentam complexidades como múltiplas derivações e ramificações.

Os esforços de pesquisa e desenvolvimento em andamento estão concentrados no aprimoramento dos algoritmos TWFL e das interfaces de software para lidar com essas complexidades de forma eficaz. Além disso, a exploração de transdutores de tensão alternativos para facilitar o monitoramento da tensão em cenários em que os CVTs não estão disponíveis continua sendo uma área ativa de investigação.

Conclusão: TWFL - uma pedra angular da confiabilidade da rede moderna

Os sistemas de ondas viajantes revolucionaram a localização de faltas, oferecendo às concessionárias uma ferramenta poderosa para aumentar a confiabilidade da rede e minimizar a duração das interrupções. A precisão, a automação e a capacidade de analisar todos os tipos de falhas fazem do TWFL um recurso indispensável para os sistemas de energia modernos.

À medida que a pesquisa e o desenvolvimento continuarem a ampliar os limites dessa tecnologia, o TWFL desempenhará um papel cada vez mais importante para garantir uma rede elétrica estável, resiliente e eficiente no futuro.