Modelagem de transformador de corrente para simulação de transitórios eletromagnéticos em altas frequências

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2021.As manobras de abertura e fechamento de chaves seccionadoras em subestações de extra alta tensão isoladas a ar produzem arco elétrico de baixas correntes, que se estabelece e extingue várias vezes até o ciclo da manobra se encerrar. A extinção e o restabelecimento do arco elétrico geram frentes de onda de elevada frequência e intensidade variável, dependente da distância entre os polos da chave seccionadora. Em diversos arranjos de subestação, o transformador de corrente se situa adjacente a uma chave seccionadora, o que o submete às frentes de onda decorrentes do arco elétrico com quase nenhum amortecimento. As simulações destes transitórios eletromagnéticos em programas do tipo EMTP-ATP permitem o detalhamento dos surtos de tensão e corrente às quais o transformador de corrente é submetido. Entretanto, para a obtenção de resultados confiáveis, é necessário realizar a correta modelagem dos componentes da subestação, principalmente do transformador de corrente. Por tratar-se de simulação de um fenômeno de alta frequência, os modelos devem ser adequados para frequências mais elevadas. Este trabalho tem como objetivo discorrer sobre diferentes modelos de transformadores de corrente de extra alta tensão para os fenômenos de alta frequência, como a abertura de chaves seccionadoras, bem como avaliar os impactos dos surtos de tensão e de corrente no transformador de corrente. Os modelos de transformador de corrente usados foram: PI, RLC e com o uso de Vector Fitting, onde aplicaram-se os métodos de obtenção dos parâmetros dos componentes que compõem os circuitos dos modelos. O transformador de corrente escolhido para ser modelado é um tipo top-core com tensão nominal de 550 kV. Realizaram-se medições de capacitância e fator de dissipação da isolação, bem como a medição da admitância em função da frequência, onde utilizaram-se cabos coaxiais com blindagem aterrada nas duas extremidades. Essas medições foram utilizadas para a obtenção dos valores dos parâmetros dos modelos. Por fim, simulou-se o evento de abertura da chave seccionadora em subestação isolada a ar com cada um dos três modelos. O arco elétrico foi modelado através de rotina na linguagem MODELS, em que as equações de Cassie e Mayr são calculadas a cada passo de simulação. Ocorrem diferenças nos resultados de simulação dependendo do modelo de transformador de corrente adotado. Os valores de tensão e de corrente de pico, bem como a frequência das oscilações diferem. Constatou-se que o modelo mais adequado é o que utiliza o método de Vector Fitting para obtenção do circuito que representa a admitância em função da frequência do transformador de corrente.Abstract: The disconnector switch operation in open air extra-high voltage substations produces low-current electric arcs, which are established and extinguished several times until the operation is completed. The extinction and reestablishment of the electric arc produce high-frequency surges with variable amplitude, which depends on the distance between contacts. In many substation layouts, the current transformer is located immediately next to the disconnector switch, making it subject to the arcing surges with almost no damping. The simulation of these electromagnetic transients in EMTP-ATP-type software allows the detailing of the voltage and current surges that the current transformer is subject to. However, to achieve reliable results it is necessary to correctly model the substation components, mainly the current transformer. Because of the transient high-frequency nature, the models must be suitable for this frequency range. This work aims to discuss different models of extra high voltage current transformers for high-frequency phenomena, such as the opening of disconnect switches, as well as to evaluate the impacts of voltage and current surges in the current transformer. The current transformer models used were: PI, RLC, and one with the use of Vector Fitting, where the methods of obtaining the parameters of the components that make up the circuits of the models were applied. A 550 kV top core current transformer was chosen to be modeled. The admittance in a wide frequency range was measured, where shielded cables with both terminals grounded were used. Also, capacitance and dissipation factor tests were performed. These measurements were used to obtain the models. Finally, simulations of the disconnector switch operation in an open-air substation were performed with each of the three models. The electric arc was modeled with the MODELS language. The work shows that different results are obtained with each model. The peak voltage and current values, and the oscillation frequency are different. It is shown that the most reliable model is the one that uses Vector Fitting to obtain the circuit that represents the measured admittance in the frequency domain of the current transformer