Desempenho de linhas de transmissão HVDC frente a descargas atmosféricas: aspectos de interesse e análises de sensibilidade
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Performance of HVDC transmission lines against electric discharges: aspects of interest and sensibility analysis
Primeiro orientador
Membros da banca
Ronaldo Eugênio de Souza Filho
Alberto Resende de Conti
Silvério Visacro Filho
Alberto Resende de Conti
Silvério Visacro Filho
Resumo
Esta dissertação de mestrado apresenta uma contribuição referente ao desempenho de linhas de transmissão HVDC frente a descargas atmosféricas considerando o mecanismo de backflashover. Para isso, foi desenvolvido um conjunto extenso de análises de sensibilidade baseadas em simulação computacional, considerando diferentes topologias de torres e disposição de polos, ampla faixa de valores de impedâncias impulsivas de pé de torre e assumindo a incidência no topo das torres de descargas de polaridade negativa e positiva. O trabalho também compara o desempenho de linhas HVDC com linhas HVAC com mesma configuração de torre e nível de tensão.
O trabalho apresenta uma discussão da influência da polaridade e posição dos polos, ou condutores fase, nas sobretensões resultantes na cadeia de isoladores, correntes críticas e probabilidade de ocorrências de backflashover, para duas configurações de linha de transmissão HVDC, que consideram uma torre autoportante de 500 kV, circuito duplo, e uma torre estaiada de 600 kV, circuito simples. As análises foram realizadas com a assistência de simulações computacionais baseadas no modelo HEM, Hybrid Electromagnetic Model, e no modelo de progressão do líder LPM, Leader Progression Model.
O estudo destaca a importância do posicionamento e polaridade dos polos e do valor da impedância de pé de torre para a definição do desempenho das linhas HVDC. Os resultados indicam, em geral, o pior desempenho (menores valores de corrente crítica) para a linha HVDC com torre autoportante frente a descarga negativa quando os polos positivos estão posicionados nas cadeias de isoladores inferiores. Por outro lado, o pior desempenho frente a descarga positiva está relacionado ao posicionamento dos polos negativos nas cadeias de isoladores inferiores. Comportamento similar é observado para a linha HVDC com torre estaiada, conforme esperado. Além disso, foram verificados piores desempenhos para valores elevados de impedância de pé de torre para ambas as configurações de linha.
Observou-se, também, um melhor desempenho geral frente a descargas atmosféricas para a torre estaiada, de 600 kV, em comparação àquele referente à Torre autoportante, de 500 kV, além de um melhor desempenho de ambas as torres para o cenário de incidência de descargas negativas em relação àquele de descargas positivas. Além disso, destaca-se o aparente melhor desempenho do sistema HVDC em comparação ao sistema HVAC, uma vez respeitada a mesma topologia de torre e nível de tensão. O pior desempenho do sistema HVDC foi verificado através da análise da corrente crítica e probabilidade de ocorrência de backflashover, assim como a análise das taxas de desligamento. Foram indicados os máximos valores de Zp que garantiriam o desempenho de 1 desligamento/100 km/ano, exigido pelo ONS para linhas de transmissão de extra alta tensão. Tais valores limites são menores para o sistema HVDC, indicando seu pior desempenho e a necessidade de instalação de maiores comprimentos de cabos contrapesos para uma mesma condição de solo.
Abstract
This work aims to present a contribution referred to the lightning performance of HVDC, High Voltage Direct Current, transmission lines considering backflashover. A set of sensitivity analysis is developed based on computational simulations, considering different line topologies and position of the DC poles, a wide range of grounding impulse impedances, Zp, and assuming the incidence at the tower top of negative and positive lightning. This work also compares the performance of HVDC and HVAC lines with the same tower configuration and voltage level.
The work presents a discussion of the influence of the polarity and position of the DC poles, or phase conductors on the resulting overvoltages across line insulator strings, critical currents and probability of backflashover occurrence, for two HVDC transmission line configurations, that considers a self-supporting double circuit 500 kV tower and a guyed 600 kV single circuit tower. These analyzes were carried out with the assistance of computational simulations based on the HEM model, Hybrid Electromagnetic Model, and the progression model from the LPM, Leader Progression Model.
The study highlights the importance of the positioning and polarity of the poles and the value of the tower footing impedance for defining the performance of HVDC lines. The results indicate, in general, the worst performance (lower values of critical current) for negative lightning when the positive poles are positioned in the lower insulator strings of the self-supported HVDC transmission tower. On the other hand, the worst performance assuming positive lightning is related to negative poles positioned in the lower insulator strings. Similar behaviour is observed for the transmission line with guyed tower, as expected. Also, the worst performances are observed for greater values of tower-footing impedance for both line configurations.
Furthermore, a better general lightning performance was noted for the guyed tower, 600 kV, in comparison with the one for the self-supporting tower, 500 kV, in addition to a better performance of both towers for the case of negative lightning, and the apparent worse performance of the HVDC system compared to the HVAC system, both with the same tower topology and voltage level. The worst performance for the HVDC system is indicated through the analysis of critical current, probability of backflashover occurrence and outage rate. Maximum Zp values were calculated to achieve the performance of 1 outage/100 km/year, determined by ONS, National System Operator of Brazil, for extra-high voltage transmission lines. These limit values are lower for the HVDC system, indicating its worse performance and the need to install longer counterpoise wires for the same soil conditions.
Assunto
Engenharia elétrica, Linhas elétricas - Postes e torres, Eletricidade atmosférica, Impedância (Eletricidade), Simulações (Computadores digitais)
Palavras-chave
linhas de Transmissão HVDC, descargas atmosféricas, desempenho, sobretensões, backflashover, corrente crítica, taxa de desligamento