UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ UNIOESTE CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS CAMPUS DE FOZ DO IGUAÇU CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ UNIOESTE CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS CAMPUS DE FOZ DO IGUAÇU CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA MODELAGEM E AVALIAÇÃO DA PROTEÇÃO DE ALIMENTADORES E GERADORES SÍNCRONOS DISTRIBUÍDOS CONSIDERANDO SISTEMAS DESEQUILIBRADOS FABRICIO ANDRADE MOURINHO FOZ DO IGUAÇU PR 2013

2 FABRICIO ANDRADE MOURINHO MODELAGEM E AVALIAÇÃO DA PROTEÇÃO DE ALIMENTADORES E GERADORES SÍNCRONOS DISTRIBUÍDOS CONSIDERANDO SISTEMAS DESEQUILIBRADOS FABRICIO ANDRADE MOURINHO Relatório de trabalho de conclusão de curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual do Oeste do Paraná, como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. M.Eng. Jonas Roberto Pesente FOZ DO IGUAÇU - PR 2013

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4 Dedico este trabalho à minha família.

5 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus por todas as conquistas e lições de minha vida, e esta conquista merece ser mencionada. Agradeço aos meus pais, por infinitos motivos, mas destaco aqui a oportunidade que me forneceram em ter uma formação de qualidade, sempre me motivando e desejando o melhor. Adicionalmente, agradeço a minha família, e aos meus amigos por sempre estarem ao meu lado. Ainda agradeço a minha namorada, Bárbara, por sempre me apoiar e entender o motivo de minha ausência em alguns momentos. Com relação à formação, agradeço a todos os professores da Universidade Estadual do Oeste do Paraná por terem tanto me ensinado e, certamente, contribuíram para formação de meu caráter e conduta. Fico orgulhoso em carregar comigo o nome desta Universidade. Especialmente agradeço ao professor orientador Jonas Roberto Pesente pela orientação, paciência e amizade, as quais serviram de motivação para a execução deste trabalho, além de todo suporte e contribuições feitas ao trabalho. Agradeço aos membros da banca examinadora por aceitarem o convite de avaliar este trabalho e fazer contribuições de modo a enriquecê-lo. Ao Laboratório de Automação e Simulação de Sistemas Elétricos LASSE, local onde iniciei minhas pesquisas na área de Sistemas de Energia Elétrica, adquiri conhecimentos que utilizarei em minha vida profissional e fiz grandes amigos. A Itaipu Binacional pela concessão de espaço físico, profissionais e bolsa, elementos que foram importantes para a realização deste trabalho. Agradeço, especialmente, o supervisor de estágio, o Engenheiro Rodrigo Pimenta.

6 RESUMO MOURINHO, F. A. (2013). Modelagem e Avaliação da Proteção de Alimentadores e Geradores Síncronos Distribuídos Considerando Sistemas Desequilibrados. Monografia de Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual do Oeste do Paraná UNIOESTE, Foz do Iguaçu, Resumo: O aumento da implantação de geradores de pequenos e médios portes conectados diretamente nos sistemas de subtransmissão e distribuição de energia elétrica é uma realidade observada em âmbito mundial, implicando em uma tendência de descentralização da produção de energia elétrica. Diante desta nova modalidade de geração de energia elétrica, a Geração Distribuída, é imprescindível realizar estudos para que a conexão de tais geradores com as redes elétricas seja tal que minimize eventuais impactos negativos ao sistema e ao próprio gerador. Os atuais sistemas de distribuição não foram planejados para operar na presença de múltiplas fontes de energia, além de que é intrínseca a característica de desequilíbrio de cargas entre as fases em tais sistemas, impactando diretamente sobre o comportamento do gerador síncrono e consequentemente sobre o sistema de proteção associado. O estudo acerca do efeito do desequilíbrio sobre o comportamento das funções de proteção que constituem os sistemas de distribuição na presença de geradores síncronos se encontra no estado da arte, e forma o produto deste trabalho. No contexto apresentado, este trabalho apresenta a modelagem e a avaliação de funções de proteção de geradores síncronos e de alimentadores de distribuição em aplicativo com capacidade de representação trifásica detalhada do sistema, o ATP. Os resultados obtidos a partir de simulações evidenciam o efeito do desequilíbrio sobre a atuação e comportamento das proteções presentes em sistemas de distribuição com geração distribuída e mostram que em alguns casos é majoritária a representação do sistema desequilibrado para o correto ajuste das funções de proteção. Palavras-Chave: Geração Distribuída, Sistemas Desbalanceados, Sistemas de Proteção, Proteção de Geradores Síncronos Distribuídos, Proteção de Sistemas de Distribuição, Simulação Computacional de Sistemas de Energia Elétrica, Relés digitais.

7 ABSTRACT MOURINHO, F. A. (2013). Modeling and Evaluation of Protection of Feeders and Distributed Synchronous Generators Considering Unbalanced Systems. Monografia de Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual do Oeste do Paraná UNIOESTE, Foz do Iguaçu, Abstract: The increasing deployment of small and medium generators connected directly in the sub-transmission and distribution systems of electrical energy is a reality observed worldwide, resulting in a trend of decentralization of electricity production. Faced with this new form of power generation, Distributed Generation, it is important to carry out studies on the connection of these generators with electrical networks in order to minimize any negative impacts to the system and the generator itself. The traditionals distribution systems were not designed to operate in the presence of multiple sources of energy, and that is the intrinsic characteristic of load imbalance between phases in these systems, impacting directly on the behavior of synchronous generator and consequently on the protection system associated. The study of the effect of imbalance on the behavior of the protection functions that constitute the distribution system in the presence of synchronous generators is in the state of the art, and it is the product of this work. In this context, this work presents the modeling and evaluation of protective functions of synchronous generators and distribution feeders in a program capable of representing detailed triphase system, ATP. The results from simulations show the effect of imbalance on the performance and behavior of the protections present in distribution systems with distributed generation and show that in some cases it is necessary to represent the unbalanced system for proper adjustment of the protection functions. Keywords: Distributed Generation System, Unbalanced Systems, Protection Systems, Protection of Synchronous Generators Distributed, Protection of Distribution Systems, Computer Simulation of Power Systems, Digitals Relays.

8 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ATP Alternative Transients Program FD Fator de Desequilíbrio GD Geração Distribuída GS Gerador Síncrono GSD Gerador Síncrono Distribuído SGD Sistema de Geração Distribuída MS Máquina Síncrona RMS Root Mean Square RP Regime Permanente SD Sistema de Distribuição SE Sistema de Excitação SP Sistema de Proteção SEE Sistema de Energia Elétrica SIN Sistema Interligado Nacional TC Transformador de Corrente TP Transformador de Potencial ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica RT Regulador de Tensão TDFR Transformada Discreta de Fourier Recursiva

9 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Justificativa Objetivo geral Objetivos específicos Estrutura do trabalho ESTUDOS DE CURTOS-CIRCUITOS EM SISTEMAS DE ENERGIA Formulação e análise do problema de curtos circuitos Estudo de curto-circuito para um Sistema de Distribuição com Geração Distribuída Considerações Finais PROTEÇÃO CLÁSSICA DE SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Introdução a proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica Dispositivos empregados na Proteção de SDEE Religadores Seccionalizadores Disjuntores Coordenação e Seletividade dos Dispositivos de Proteção Coordenação entre Elos Fusíveis Coordenação entre religador, seccionalizador e elo fusível Considerações Finais PROTEÇÃO DE GERADORES SÍNCRONOS DISTRIBUÍDOS Sistemas de Proteção em Sistemas de Geração Distribuída Descrição e ajuste recomendado das Funções de Proteção de Geradores Síncronos Relés Comerciais Considerações Finais MODELAGEM DAS FUNÇÕES DE PROTEÇÃO Estimação Fasorial Funções de Proteção Implementadas Considerações Finais... 57

10 6. EFEITO DO DESEQUILÍBRIO DE CARGA SOBRE A ATUAÇÃO DAS PROTEÇÕES DOS GERADORES SÍNCRONOS DISTRIBUÍDOS E DOS ALIMENTADORES DE DISTRIBUIÇÃO Sistema teste Definição dos Casos de Simulação Análise da atuação das Proteções associadas ao GSD sob Condições de Desequilíbrio Considerações Finais CONCLUSÕES REFERÊNCIAS ANEXO A PARÂMETROS DOS MODELOS DOS SISTEMAS TESTE AN.1 Parâmetros do Sistema de Distribuição Completo AN.2 Parâmetros do Sistema de Distribuição Equivalente... 86

11 1 1. INTRODUÇÃO O crescimento constante do consumo mundial de energia elétrica, o estabelecimento de tecnologias para exploração de novas fontes energéticas e a necessidade de aumentar a eficiência dos Sistemas de Energia Elétrica (SEE) aliados a reestruturação do setor elétrico (JENKINS, et al., 2000; ACKERMANN; ANDERSSON; SÖDER, 2001) tem contribuído para a instalação de médios, pequenos e micro geradores nas redes de distribuição e subtransmissão de eletricidade, modalidade conhecida como Geração Distribuída (GD). Essa nova modalidade de geração de energia elétrica já está presente nos parques de geração de diversos países (INTERNACIONAL ENERGY AGENCY, 2002; JENKINS et al., 2000; SHINJI; YOKOYAMA; HAYASHI, 2009; WANG; ZHONG, 2009), inclusive no Brasil (GRANVILLE et al., 2009). No caso do Brasil, especificamente, existe a perspectiva de crescimento da oferta de energia elétrica proveniente de tais geradores, em complemento aos geradores de grande porte tradicionais. Aliado à dificuldade crescente de financiamento de grandes centrais de geração estão os problemas relacionados ao impacto ambiental associado à implantação destas grandes centrais. Estes fatores contribuíram para a valorização da geração distribuída (DIAS; BOROTONI; HADDAD, 2005). Segundo a (AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA, 2012), existem atualmente 73 usinas operando em condição de co-geração qualificada, ou seja, que satisfazem os requisitos normativos estabelecidos pela própria entidade, totalizando uma capacidade instalada de kw, cerca de 2% da capacidade total instalada no país. Neste cenário, o estado de São Paulo possui grande destaque (SOUZA MACHADO, 2004), devido ao seu elevado número de usinas sucroalcooleiras que utilizam o bagaço da cana, subproduto de seu processo industrial, para gerar energia. A pequena parcela de contribuição da GD na geração de energia elétrica no Brasil decorre do fato de que até recentemente não havia regulamentação padronizada de procedimentos para a inserção de geradores conectados diretamente na rede distribuição, além do reduzido conhecimento das tecnologias envolvidas na GD para sua operação adequada (DIAS; BOROTONI; HADDAD, 2005), o que acabou por atrasar o processo de implantação de geração distribuída na realidade do SEE brasileiro. A GD apresenta potencial de expansão originado do crescimento do setor de cana de açúcar no Brasil, estabelecimento da regulamentação associada (GRANVILLE et al., 2009) e

12 2 das tecnologias acerca de energias renováveis para a geração de energia elétrica, já aplicado na região oeste do Paraná (DREHER et. al., 2010). A GD é vantajosa quando comparada às fontes convencionais, pois, apresenta menores perdas de transmissão, devido à proximidade com os centros consumidores, menor impacto ambiental e ampliação da matriz energética (PITOMBO, 2010; LUIZ, 2012). Não obstante, por outro lado, há entraves técnicos, econômicos e reguladores que se interpõem à sua utilização. Acerca do desempenho elétrico, a instalação de geradores distribuídos nos sistemas de subtransmissão e de distribuição de energia elétrica deve ser precedida de uma série de estudos visando determinar condições de operação, controle e proteção desses geradores de forma a minimizar eventuais impactos negativos nos SEEs (CARVALHO, 2009). Tais impactos são originados porque a conexão de geradores distribuídos nos sistemas de distribuição impacta significativamente no fluxo de potência e no perfil de tensão dos consumidores e equipamentos das empresas concessionárias de energia (PITOMBO, 2010), justificando-se o estabelecimento de metodologias para avaliação rigorosa dos riscos envolvidos (GÓMEZ, et. al., 2013). Dentre tais impactos, destacam-se os associados aos sistemas de proteção (GÓMEZ, et. al., 2013), uma vez a proteção nos sistemas de distribuição é realizada com elementos não direcionais, tais como elos fusíveis e religadores, que somente operam adequadamente se não houver contribuição de corrente desde os terminais das cargas. De acordo com (SALLES, 2007), a implantação de geradores distribuídos em redes de distribuição tem dificultado a aplicação dos esquemas tradicionais de proteção, quer seja nas instalações da concessionária ou do acessante, especialmente em processos sazonais de produção de energia elétrica. Os estudos de proteção de alimentadores puramente radiais podem ser efetuados através de técnicas tradicionais, pois o fluxo de corrente é unidirecional, o que simplifica a parametrização dos dispositivos de proteção. A modificação da topologia tradicional do sistema de distribuição causada pela inserção de GDs demanda então, a avaliação criteriosa da performance de seus dispositivos de proteção e eventualmente, seu reajuste (LUIZ, 2012; GÓMEZ, et. al., 2013). Adicionalmente, os estudos acerca do desempenho do sistema de proteção de GSs, em sua grande maioria, levam em conta a operação em redes equilibradas, de modo que o

13 3 comportamento dos SPs em redes desequilibradas é questão a ser resolvida. Os SDs, no entanto, apresentam a característica intrínseca de desequilíbrio de cargas entre fases e linhas de transmissão assimétricas (KERSTING, 2002). A análise adequada do caso desequilibrado carece de formulação matemática que considere a representação trifásica detalhada do sistema, que agrega maior complexidade em sua solução (PIARDI, 2012). Nesse sentido, a análise de operação de GSDs conectados diretamente as redes de distribuição, com seus respectivos equipamentos de proteção ainda não está consolidada Salienta-se ainda que os geradores distribuídos não careçam somente de proteção contra curtos-circuitos, mas também de proteção contra situações anormais de operação, como, sobretensões, subtensões, subfrequências, sobrefrequências, desbalanços de corrente, sobreexcitação, inversão de potência e perdas de excitação. Muitas de tais situações podem ser ocasionadas por distúrbios que ocorrem na rede das concessionárias e, geradores submetidos a tais condições, mesmo que por curto intervalo de tempo, podem sofrer danos irreparáveis (KINDERMANN, 2008). A partir do exposto, o escopo do desenvolvimento deste trabalho é delimitado pela modelagem das principais funções de proteção presentes em GSDs e na rede de distribuição em aplicativo de simulação de sistemas elétricos com capacidade de representação trifásica. Os modelos foram implementados em ATP a partir da linguagem de programação MODELS que permite a representação detalhada de todas as etapas dos relés digitais de proteção. A principal contribuição do trabalho é a verificação do impacto do desequilíbrio sobre a atuação e o comportamento das proteções associadas aos sistemas de distribuição com GSDs. A justificativa, objetivos e estrutura do trabalho são descritos abaixo. 1.1 Justificativa A realização deste trabalho é justificada pela carência de análise do efeito do desequilíbrio sobre o desempenho e atuação das funções de proteção empregadas em sistemas de distribuição na presença de GSDs. 1.2 Objetivo geral Desenvolver e testar uma biblioteca de modelos das principais funções de proteção

14 4 empregadas em sistemas de proteção de redes de distribuição e subtransmissão de energia elétrica na presença de geradores síncronos distribuídos e analisar o efeito do desequilíbrio sobre cada função. Os modelos devem ser desenvolvidos para o uso no ambiente ATP/ATPDraw. 1.3 Objetivos específicos Revisão bibliográfica acerca da teoria de componentes simétricas; Revisão da teoria de faltas simétricas e assimétricas; Compatibilização do sistema-teste em aplicativo trifásico detalhado e em sistema unifilar fasorial para análise de curto-circuitos; Revisão bibliográfica acerca da proteção dos elementos de sistemas de Geração Distribuída; Criação de um guia para ajuste de funções de proteção de sistemas de geração distribuída; Modelagem de bibliotecas de simulação das funções de proteção estabelecidas na revisão em aplicativo com capacidade de representação trifásica detalhada; Condicionamento das proteções de forma a atuar em seus limiares e aplicação do desequilíbrio de forma a verificar seu efeito sobre a atuação da proteção; e Gerar conclusões acerca dos resultados obtidos. 1.4 Estrutura do trabalho Este trabalho está segmentado de acordo com a seguinte estrutura: Capítulo 2: apresenta a revisão bibliográfica acerca de componentes simétricas e sobre faltas em SEE. Neste capítulo é realizado um estudo de curto-circuito em um sistema de distribuição real e compatibilizado tal sistema em aplicativo trifásico detalhado e em aplicativo unifilar fasorial; Capítulo 3: apresenta a revisão bibliográfica acerca da proteção tradicional em sistemas de distribuição de energia elétrica e ilustra os principais dispositivos utilizados, assim como os aspectos fundamentais da coordenação entre os dispositivos presentes nos

15 5 SDs; Capítulo 4: apresenta a revisão bibliográfica sobre a proteção de Sistemas de Geração Distribuída e traz os principais ajustes empregados; Capítulo 5: apresenta a descrição da modelagem das funções de proteção implementadas em aplicativo de simulação de transitórios eletromagnéticos de sistemas de potência; Capítulo 6: apresenta as simulações e os respectivos resultados com o SD operando em condições de desequilíbrio de carga. Neste capítulo é evidenciado o efeito do desequilíbrio sobre a atuação e o comportamento do sistema de proteção associado aos sistemas de distribuição com geração distribuída; Capítulo 7: apresenta as conclusões acerca dos resultados obtidos no trabalho; Anexo A: são apresentados os parâmetros dos modelos que compõem o cenário de estudo.

16 6 2. ESTUDOS DE CURTOS-CIRCUITOS EM SISTEMAS DE ENERGIA O ajuste dos dispositivos de proteção nos sistemas de energia elétrica é realizado a partir da reprodução ou estudo de condições anormais, geralmente chamadas de faltas. Este método, especialmente quando aplicado aos curtos circuitos, permite antever e avaliar as possíveis consequências dos defeitos previsíveis, de onde se pode verificar a suportabilidade dos equipamentos e propor soluções técnicas para reduzir efeitos indesejados. O estudo de curto-circuito em SEE é realizado aplicando-se diferentes tipos de eventos (que originam curtos-circuitos) em diversos pontos do sistema e analisando as correntes em pontos particulares como, por exemplo, nos locais onde estão instalados os relés de proteção, próximos aos geradores e/ou próximo do ponto de conexão com a concessionária, para SDs. Em Sistemas de Distribuição, principalmente, é necessário atualizar o estudo de curtocircuito sempre que ocorrerem alterações na topologia do sistema, decorrentes de expansões, novas interligações e inserção de novos geradores (como é o caso da GD) e grandes motores (dos SANTOS, 2008). 2.1 Formulação e análise do problema de curtos circuitos (GRAINGER, 1996) define falha em um circuito elétrico como qualquer evento que interfere com o fluxo normal da corrente que flui pelas linhas. Uma falha é considerada um curto-circuito quando reduz, inesperadamente, a impedância do circuito vista a partir de um ponto específico, geralmente induzindo o valor da corrente a se tornar superior ao valor da corrente nominal. As principais causas dos curtos-circuitos são: Falha no isolamento de equipamentos; Rompimento de condutores; Descargas Atmosféricas; Surtos de chaveamentos; e Conexão indireta a terra através de árvores ou outros elementos.

17 7 Os curtos-circuitos podem ser classificados de acordo com sua natureza: trifásicos (também chamados de simétricos); bifásicos, bifásicos-terra e monofásicos (também chamados de assimétricos). Eletricamente, cada tipo de curto-circuito corresponde a uma configuração topológica específica e por isso é abordado separadamente na próxima seção, baseado no equacionamento de faltas nos terminais de um gerador síncrono. Tal abordagem é utilizada porque as conclusões obtidas podem ser estendidas a qualquer circuito elétrico através do Teorema de Thevènin. Curto-circuito Trifásico Os curtos-circuitos trifásicos são originados quando as três fases do circuito se conectam, como ilustrado na Figura 2.1 para um curto circuito franco ao potencial de terra. Figura 2.1 Curto-circuito trifásico nos terminais de um GS. A análise desse tipo de falta pode ser realizada simplesmente através de seu diagrama unifilar, uma vez que sob esta condição o modulo das correntes que circulam pelas fases são iguais e o sistema elétrico permanece equilibrado. É esperado que sob a condição de curto-circuito, as correntes sejam significativamente superiores que as correntes de carga, o que valida à aproximação do sistema elétrico por um circuito linear para solução de tensões e correntes. A corrente de curto-circuito trifásico é apresentada na Equação 2.1. Valendo-se do teorema da superposição, as tensões ao longo do sistema são obtidas da soma da tensão pré-

18 8 falta com a variação da tensão causada pela corrente de curto. onde é a tensão na fase a e a impedância do GS. = (2.1) Equacionamento de curtos-circuitos não simétricos O acoplamento entre as fases em SEEs resulta em circuitos de difícil solução no domínio de fase, para a condição de desbalanço de corrente entre as fases, apresentada durante curtos-circuitos assimétricos. A utilização do método das componentes simétricas elimina tal acoplamento e permite a solução de curtos não simétricos de forma análoga a curtos-circuitos simétricos. Tal método é baseado na decomposição dos n fasores não equilibrados em n sistemas equilibrados de fasores (FORTESCUE, 1918). Aplicado aos SEEs em condição de desequilíbrio, este método origina as seguintes grandezas no domínio de sequência 1 : Componente de sequência positiva: Sistema trifásico equilibrado de grandezas com a mesma sequência de fase (abc) do sistema original; Componente de sequência negativa: Sistema trifásico equilibrado de grandezas com a sequência de fase inversa (acb) àquela do sistema original; Componente de sequência zero: Sistema de três grandezas monofásicas que são iguais em módulo e em fase. A Figura 2.2 ilustra a decomposição de um grupo de grandezas desequilibradas no domínio de fase em um sistema de grandezas equilibradas no domínio de sequência: Figura 2.2 Componentes de sequência da tensão de um sistema trifásico desequilibrado. Tal decomposição pode ser realizada pela operação apresentada na Equação 2.2, 1 Tal transformação é puramente matemática. De fato as grandezas existem no domínio do tempo, e as representações no domínio de fase ou de sequência apenas simplificam os cálculos.

19 9 ilustrada para o conjunto de tensões desequilibradas,, e. onde =. Equação 2.3: =1 (2.2) 1 As grandezas no domínio de sequência podem ser obtidas pela operação inversa, = 3 1 (2.3) 1 A aplicação do método das componentes simétricas às relações de grandezas em equipamentos dos SEE resulta em modelos de impedâncias no domínio de sequência para cada classe de equipamento, que permite construir redes de sequência aplicáveis à solução de curtos circuitos não simétricos. As representações de todos os elementos podem ser encontradas em (GRAINGER, 1996). Enfatiza-se especialmente que as características de conexão de transformadores alteram significativamente a distribuição das correntes durante curtos assimétricos, de modo que devem ser cuidadosamente analisadas. Curtos-circuitos Monofásicos Estatisticamente, curtos-circuitos monofásicos são os mais frequentes em sistemas de energia elétrica (GRAINGER, 1996). A Figura 2.3 apresenta a característica das conexões elétricas para um curto-circuito monofásico nos terminais do GS.

20 10 Figura 2.3 Curto-circuito monofásico nos terminais de um GS. As condições de contorno para tal classe de curto-circuito são: V a = 0; e I b =I c =0. Decompondo essas grandezas no domínio de sequência resulta na Equação = (2.4) 1 0 Os circuitos de sequência se conectam em série, assim como ilustrado na Figura 2.4. Figura 2.4 Circuito equivalente para uma falta monofásica. A partir do circuito da Figura 2.3 e da Equação 2.4, verifica-se que a corrente de falta, pode ser determinada pela Equação 2.5: 3 = " (2.5) Como os três circuitos de sequência se conectam em série, as correntes, e são iguais, no entanto a corrente de falta é a soma dessas três correntes no ponto de falta, motivo pelo qual é incluído o fator multiplicativo 3 no numerador da Equação 2.5.

21 11 Curtos-circuitos Bifásicos Os curtos-circuitos bifásicos ocorrem quando duas fases se conectam, de forma exclusiva, de modo que não há correntes de sequência zero na corrente de falta. A Figura 2.5 ilustra as conexões de tal classe de falta: Figura 2.5 Curto-circuito bifásico nos terminais do GS. O curto-circuito bifásico nos terminais do GS possui como condições de contorno: I a = 0, V b = V c e I b = - I c e apresenta as formulações matriciais das Equações 2.6 e = 3 1 (2.6) = 3 1 (2.7) 1 Por decomposição de tais grandezas no domínio de sequência resulta que =, de maneira que os circuitos de sequência positiva e negativa se conectam em anti-paralelo como ilustrado na Figura 2.6.:

22 12 Figura 2.6 Circuito equivalente de sequência para falta bifásica nos terminais do GS. Curtos-circuitos bifásicos a terra O curto-circuito bifásico corresponde à condição onde duas fases se conectam ao potencial de terra, Figura 2.7. Figura 2.7 Curto-circuito bifásico a terra nos terminais do GS. As condições de contorno do curto bifásico à terra no terminal do GS são: I a =0 e V b =V c =0, e a relação matricial correspondente a da Equação = (2.8) 1 0 Decompondo essas grandezas no domínio de sequência resulta que = = = V a /3 e + + = 0, de onde se verifica que para essa classe de curto-circuito a rede de sequência positiva se conecta em série com o paralelo das redes de sequência zero e

23 13 negativa, tal como ilustrado na Figura 2.8. Figura 2.8 Circuito equivalente para uma falta bifásica a terra nos terminais do GS. No contexto da realização deste trabalho é providencial analisar o efeito da proximidade da falha de geradores síncronos, como segue. Efeito da proximidade da falha ao gerador síncrono Em máquinas síncronas, o fluxo através de seu entreferro varia desde o instante em que ocorre o curto-circuito até o regime permanente, devido ao decaimento das correntes nos enrolamentos amortecedores e do acoplamento entre o circuito de campo e os circuitos do seu estator. Esse fenômeno é modelado por considerar reatâncias diferentes para cada período, definidos cronologicamente como, subtransitório, transitório e de regime permanente, e são representados em análises de sistemas elétricos respectivamente por. X d, X d e X d, tal que X d < X d < X d (GRAINGER, 1996). Para faltas trifásicas nos terminais do GS a excursão temporal da corrente de falta é completamente descrita pela Equação 2.9. Onde: = $% &'()*++,-. $% &'(+,-/ : tensão interna máxima do gerador, ou tensão pré-falta na barra de falta; : impedância entre a tensão interna do gerador e a falta; 5: componente resistiva da impedância; L: indutância do circuito; + : ângulo da tensão interna com relação à referência; e (2.9)

24 14,: ângulo da impedância Z. Percebe-se da Equação 2.9 que a corrente de falta possui duas componentes: a primeira exponencial e a segunda senoidal, que resulta na característica assimétrica com relação ao eixo das abscissas, ilustrada na Figura 2.9. Figura 2.9 Resposta no tempo da corrente de falta em um circuito. Este fenômeno é relevante ao passo que corresponde à elevação da corrente de falta nos primeiros ciclos de sua ocorrência. Tal efeito é avaliado a partir da modelagem detalhada do GS ou o representado por possuir a impedância do período de interesse. 2.2 Estudo de curto-circuito para um Sistema de Distribuição com Geração Distribuída Esta seção apresenta os resultados do estudo de curto-circuito do Sistema de Distribuição adotado neste trabalho, e é fundamentado na compatibilização entre a solução do método clássico, onde é empregada a representação fasorial unifilar de grandezas e a modelagem linear da rede, e a simulação com representação trifásica detalhada. Descrição da rede de distribuição O sistema utilizado para estudo de curto-circuito é apresentado em (ABREU, 2005). Tal sistema consiste em parte da rede de distribuição instalada no interior do Estado de São Paulo, ilustrada Figura 2.9.

25 Sistema de Distribuição Teste para cálculo de curtos-circuitos. Os dados de rede de tal sistema estão apresentados no Anexo A. Salienta-se que a conexão do transformador ligado à Barra de conexão da subestação de subtransmissão com a rede de distribuição ( :; 6) não permite a passagem de correntes de sequência zero, e reduz a corrente de falta para as faltas monofásicas e bifásicas à terra. Estudo de Curto-Circuito pelo Método Clássico O método tradicional na solução de curtos-circuitos emprega numerosas simplificações na representação da rede (dos SANTOS, 2008): Todas as barras com tensão pré-falta igual a 1 pu; Desconsideração de cargas passivas do sistema; Desconsideração de capacitâncias das linhas de transmissão; Desconsideração de bancos de capacitores e reatores em derivação; Transformadores operando com derivação nominal; e Impedância da rede de sequência negativa idêntica à da rede de sequência positiva.

26 16 O estudo de curtos-circuitos no método clássico foi realizado no aplicativo Matlab. Estudo de Curto-Circuito pelo Método Trifásico Detalhado Neste caso não são realizadas simplificações significativas na rede, considerando que todas as dinâmicas de relevância, eletromecânicas ou eletromagnéticas são representadas por modelos trifásicos detalhados, e resolvidos pela integração das equações diferenciais correspondentes. Desta forma, foi empregado o aplicativo Alternative Transients Program (ATP) na realização do estudo. Salienta-se que o ATP apresenta como solução as excursões temporais instantâneas, de forma que o valor comparado deste método com o método clássico é o valor eficaz de regime permanente. Resultados obtidos As Tabelas 2.1, 2.2, 2.3 e 2.4 apresentam os resultados obtidos para faltas aplicadas nos pontos do sistema de distribuição considerados de maior importância. A solução apresentada pelo método clássico é chamada de caso-base e os valores percentuais entre parênteses obtidos dos demais métodos de solução correspondem à variação percentual com relação ao caso base. Nó Tabela 2.1 Comparação das correntes de curto-circuito I f para faltas monofásicas. I f Matlab TM com condições iniciais flat [A] Faltas Monofásicas I f Matlab TM com condições iniciais do fluxo de potência [A] I f ATP[A] (0,8 %) 2616 (2,8 %) (0,7 %) 2568 (6,6 %) (-0,75 %) 1030 (29 %) (1,3 %) 3502 (-4,6 %) (0,52 %) 1469 (10,8 %) (1,8 %) 4567 (16 %) Verifica-se da Tabela 2.1 que a máxima diferença percentual de correntes desde a aproximação da tensão em todas as barras por 1 p.u. até a utilização das tensões obtidas da solução do fluxo de potência é da ordem de 2 %, considerada, portanto, não significativa. Esse

27 17 resultado pode ser estendido aos obtidos para outras classes de curtos-circuitos. A máxima diferença entre as correntes do caso base com relação às correntes obtidas a partir da representação detalhada é da ordem de 29%, considerada significativa. Tal diferença é originada da representação das cargas e dos reatores, aspecto que evidencia que em sistemas de distribuição, tal como o avaliado, sua modelagem pode alterar significativamente os resultados do estudo. A Tabela 2.2 apresenta a comparação das diferentes soluções para curtos-circuitos bifásicos a terra no sistema avaliado, onde se verifica que a máxima diferença entre a representação da tensão obtida a partir da solução do fluxo de potência é da ordem de 1,5% e da solução considerando a representação detalhada é da ordem de 17%. Tabela 2.2 Comparação das correntes de curto-circuito para faltas bifásicas a terra. Nó I f Matlab TM com condições iniciais flat [A] Faltas Bifásicas a terra I f Matlab TM com condições iniciais do fluxo de potência [A] I f ATP[A] (0,8 %) 1628 (6,8 %) (0,8 %) 1572 (8 %) (-1,02 %) 692 (17 %) (1,5 %) 4178 (8,8 %) (0,6 %) 950 (10 %) (0,2 %) 6378 (2,8 %) A Tabela 2.3 apresenta a comparação das diferentes soluções para curtos-circuitos bifásicos no sistema avaliado, onde se verifica que a máxima diferença entre a representação da tensão obtida a partir da solução do fluxo de potência é da ordem de 1,7 % e da solução considerando a representação detalhada é da ordem de 35 %. Verifica-se que para faltas bifásicas próximas ao Nó 292 apresentam correntes de curto-circuito maiores que as faltas monofásicas e bifásicas a terra. Isto decorre porque as faltas bifásicas não apresentam ligação à terra, e, portanto, não apresentam correntes de sequência zero que são limitas pelo transformador. A maior diferença percentual de correntes de falta acontece para as faltas aplicadas no Nó 910 (35 %) e decorre de seu afastamento dos geradores, que resulta em correntes de curtocircuito menores onde, as correntes de carga constituem parcela considerável da corrente de falta.

28 18 Nó Tabela 2.3 Comparação das correntes de curto-circuito para faltas bifásicas. I f Matlab TM com condições iniciais flat [A] Faltas Bifásicas I f Matlab TM com condições iniciais do fluxo de potência [A] I f ATP[A] (0,8 %) 7110 (10 %) (0,7 %) 6682 (13 %) (-0,6 %) 1400 (35 %) (1,23 %) 3773 (24 %) (0,6 %) 2877 (17 %) (1,7 %) 2772 (12 %) A Tabela 2.4 apresenta a comparação das diferentes soluções para curtos-circuitos trifásicos no sistema avaliado, onde se verifica que a máxima diferença entre a representação da tensão obtida a partir da solução do fluxo de potência é da ordem de 2 % e da solução considerando a representação detalhada é da ordem de 21 %. Nó Tabela 2.4 Comparação das correntes de curto-circuito para faltas trifásicas. I f Matlab TM com condições iniciais flat [A] Faltas Trifásicas I f Matlab TM com condições iniciais do fluxo de potência [A] I f ATP[A] (0.4%) 7413 (9%) (1.6%) 6641 (6.7%) (-2%) 1474 (21%) (0.4%) 6500 (10%) (0.76%) 3331(15%) (0.8%) 8566 (7%) Por fim, a partir da comparação direta entre as Tabelas, se verifica que as faltas trifásicas resultaram nas maiores correntes de curto-circuito. 2.3 Considerações Finais Foram apresentadas nesse capítulo a fundamentação para estudos de curtos-circuitos em sistemas de energia elétrica e as aplicações de tais conceitos sobre o sistema de distribuição sob análise. O estudo realizado é baseado na comparação da solução apresentada pelo método clássico, onde a rede é aproximada pelo modelo linear de rede e são desconsiderados todos os

29 19 elementos em derivação (carga, capacitores e reatores), derivações de transformadores, e aspectos da dinâmica eletromagnética de geradores. Foi verificada diferença máxima na solução de todos os curtos-circuitos de 35% entre as correntes obtidas dos diferentes métodos de modelagem e solução, de forma que conclui-se que a modelagem clássica pode resultar em aproximações não válidas na solução da corrente de curto-circuito em sistemas de distribuição, corroborando para a afirmação de que a modelagem trifásica detalhada é relevante para avaliação de faltas em sistemas de distribuição contendo geradores. No capítulo posterior são apresentados os principais dispositivos utilizados nos sistemas de proteção de SDs e descritos, de forma sucinta, os principais conceitos aplicados ao ajuste e coordenação entre tais dispositivos.

30 20 3. PROTEÇÃO CLÁSSICA DE SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Neste capítulo o trabalho é contextualizado dentro da filosofia atual de proteção de SDEE. São apresentados os principais equipamentos utilizados na proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica, tais como os elos fusíveis, seccionalizadores, religadores e os disjuntores. Em complemento, estão apresentados os principais aspectos da coordenação destes elementos. 3.1 Introdução a proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica As empresas de distribuição de energia elétrica têm como objetivo principal fornecer energia elétrica de qualidade para os consumidores e buscar o mínimo custo operacional. No intuito de quantificar e monitorar o desempenho das concessionárias e de suas respectivas redes de distribuição, a ANEEL adota indicadores de continuidade de serviço, estabelecidos na Resolução no. 24, de 27 de janeiro de A ANEEL é responsável, adicionalmente, por regular, fiscalizar e sancionar quanto necessário, a atuação das concessionárias. Baseado nesses indicadores, interrupções no fornecimento de energia elétrica podem originar multas para as concessionárias. Tais sanções são necessárias, pois descontinuidades de fornecimento causam impacto direto sobre os consumidores, em especial indústrias, que podem apresentar significativos lucros cessantes nessas condições, e processos críticos como respiradores de hospitais. As interrupções de energia elétrica podem ser causadas por numerosos fatores, como tempestades, curtos-circuitos provocados por árvores ou animais e mau funcionamento de equipamentos. É obrigação da empresa concessionária desligar linhas ou equipamentos tão logo aconteçam distúrbios, assim como realizar a imediata recomposição das instalações após a extinção da anormalidade. Além das medidas preventivas empregadas pelas concessionárias no intuito de diminuir a ocorrência de falhas, as redes de distribuição dispõem de sistemas de proteção que são constituídos de dispositivos responsáveis por isolar falhas e impedir sua propagação. Conhecidamente, o sistema de proteção é projetado de forma a atender propriedades básicas de confiabilidade, seletividade, velocidade e sensibilidade (CONCEIÇÃO, 2012).

31 21 A seletividade consiste de o dispositivo de proteção mais próximo do defeito desconectar a parte defeituosa do sistema. Nesse intuito, o sistema de proteção deverá ser capaz de distinguir se a ocorrência é interna ou externa à sua zona de proteção. A velocidade pode ser definida como o tempo mínimo de operação para o dispositivo de proteção atuar, a fim de reduzir ou eliminar as perturbações do sistema. A confiabilidade é a propriedade do elemento de proteção de atender com segurança e exatidão as funções que lhe foram atribuídas. Por fim, a sensibilidade é a qualidade que o dispositivo deve possuir para reconhecer com precisão a faixa de valores indicados para operação ou não operação. O dimensionamento correto dos dispositivos de proteção de determinado SDEE implica no seguinte conjunto de benefícios (CONCEIÇÃO, 2012): - Redução de danos aos materiais e equipamentos, diretamente associados à redução de custos de manutenção e gastos com transportes e mão de obra; - Aumento da capacidade de realizar manobra, reduções do número de desligamentos e do tempo de interrupção, que, sob o contexto geral da performance dos SEE, corresponde ao aumento da sua segurança operativa. - Concomitante aumento de renda, por simultânea redução da perda de faturamento durante interrupções, maior qualidade de energia, e redução de multas; e - Melhoria da imagem social da empresa. Nas subseções subsequentes, os dispositivos de proteção empregados em SDEE são detalhados, assim como apresentado os ajustes recomendáveis. 3.2 Dispositivos empregados na Proteção de SDEE Chave e elo fusível A proteção dos sistemas de SDEE é baseada na sensibilização por sobrecorrente, por ser suficiente em sistemas radiais e incomparavelmente mais barata que dispositivos como a proteção de distância. Este é o motivo pelo qual a chave fusível é amplamente utilizada na proteção contra sobrecorrentes. Sua operação consiste basicamente na fusão do elo de conexão entre seus terminais ou elo fusível, quando percorrido por corrente de magnitude superior a nominal, por

32 22 tempo igual ou superior que respeite sua característica tempo-corrente (PARADELO JR., 2006). Os fusíveis são construídos sob as seguintes classes (CONCEIÇÃO, 2012): - Tipo H, denominados fusíveis de alto surto, e seu tempo de atuação permite suportar correntes elevadas por tempo suficiente de forma a acomodar correntes de in rush. Assim, são empregados na proteção de transformadores de distribuição, e possuem correntes nominais típicas de 0,5, 1, 2, 3, e 5 A; - Tipo K, que apresentam rápida atuação e são empregados principalmente na proteção de alimentadores de distribuição. É comum subclassificá-los em elos preferenciais, que possuem corrente nominal de 6, 10, 15, 25, 30, 40, 65, 100, 140 e 200 A, e elos não preferenciais que possuem correntes nominais de 8, 12, 20, 30, 50 e 80 A; e - Tipo T, que apresentam atuação lenta e são utilizados na proteção de alimentadores, de forma coordenada com os de tipo K. Possuem as mesmas correntes nominais que elos tipo K. Enfoque especial é dado à proteção de transformadores por elos fusíveis. Em tal ocasião, o fusível deve satisfazer simultaneamente os seguintes requisitos: 1. Atuar para curtos-circuitos no transformador ou na rede secundária; 2. Não atuar para sobrecargas do transformador em até duas vezes a potência nominal do transformador em regime permanente; 3. Fundir em tempo inferior a 17 segundos para correntes de 2,5 a 3 vezes a corrente nominal do transformador; 4. Não fundir para correntes de magnetização dos transformadores, considerada desde 8 a 12 vezes sua corrente nominal; e 5. Devem estar coordenados com as proteções a montantes e a jusante do transformador. O dimensionamento de elos fusíveis para proteção de alimentadores considera a corrente de atuação, coordenação e seletividade. Em SDEEs radiais, o elo fusível eletricamente mais próximo da falha e de retaguarda são denominados elo protetor (proteção principal, que deve atuar primeiro), e elo protegido (proteção de retaguarda), respectivamente. De acordo com (CONCEIÇÃO, 2012), o dimensionamento de elos fusíveis deve considerar:

33 23 - O crescimento anual da carga na determinação do fator de segurança k apropriado. Na ausência da taxa de crescimento da carga, adota-se k=1,5; - corrente nominal do elo fusível igual ou superior a 150% da corrente de carga máxima prevista no seu ponto de instalação da chave fusível. Concomitantemente, a corrente nominal da chave fusível deve ser igual à no mínimo 150% da corrente nominal do elo fusível; - a corrente nominal do elo fusível igual ou inferior a 25% da corrente de curtocircuito monofásico mínimo no final do trecho protegido; e - determinações de correntes de curto-circuito fase-terra devem considerar resistência de falta igual a 40 Ω (MAMEDE, 2011) Religadores O religador é amplamente empregado para proteção de sistemas aéreos de distribuição primária, e pode realizar tanto a abertura do alimentador por ajuste de corrente a partir de características tempo-corrente, quanto seu fechamento automático, considerando certa sequência de operações, também ajustáveis. O religador permite a eliminação de defeitos temporários, que, segundo (GIGUER, 1988) correspondem desde 70% a 86% das falhas em SDEE. Tal aspecto evita o deslocamento da equipe de manutenção e a verificação do perímetro do alimentador em falta e reduz significativamente os períodos de interrupção de fornecimento. O princípio de eliminação de falta do religador associa uma curva de tempo inverso proporcional a amplitude da corrente como sensor de falta, ajustável para cada atuação. É comum adotar curvas mais inversas nas primeiras atuações de forma a evitar a fusão do elo em tais atuações. O religamento do circuito ocorre após temporização ajustável de forma independente, onde é comum adotar duas primeiras longas e uma ou as duas últimas curtas Seccionalizadores O seccionalizador é o dispositivo que tem a função de seccionar o trecho da rede de

34 24 distribuição sob falha, automaticamente, sem sofrer rompimento permanente. Substitui o elo fusível, e atua quando houver defeito situado a sua jusante, previamente interrompido pelo religador N-1 vezes, onde N é a quantidade permitida ao religador interromper o defeito. Após sua operação, o seccionalizador permanece aberto e pode ser fechado manualmente (PARADELO JR., 2006). O ajuste indicado para seccionalizadores é igual a 80% do ajuste mínimo do dispositivo de proteção de retaguarda (CONCEIÇÃO, 2012). Devido o seu alto custo, não são comumente empregados em SDEE do Brasil. Na sua ausência, as empresas adotam estratégias baseadas em chaves que são operadas manualmente, de modo que alimentadores vizinhos possam alimentar cargas do alimentador defeituoso Disjuntores O disjuntor é o dispositivo cuja finalidade é interromper a corrente de determinado circuito elétrico, assim como, desenergizá-lo ou restabelecer sua carga. Disjuntores devem ser capazes de seccionar circuitos tanto sob carga nominal quanto em curtos-circuitos e sobrecargas (GIGUER, 1988). Seu acionamento pode ser automático a partir de elementos de proteção e controle, ou manual em manobras coordenadas. 3.3 Coordenação e Seletividade dos Dispositivos de Proteção O princípio fundamental dos estudos de coordenação e seletividade em redes de distribuição é a superposição das curvas características tempo-corrente dos elementos de proteção, a partir de onde se define as temporizações e ajustes mais adequados para cada equipamento. As subseções seguintes descrevem, de forma simplificada, o ajuste para coordenação de determinados elementos Coordenação entre Elos Fusíveis Inicialmente, o elo protetor, que interrompe a falta, deve possuir capacidade suficiente para suportar a corrente de curto circuito à que será submetido. Em seguida, o elo fusível

35 25 protegido, à montante do protetor, deve coordenar com o elo fusível protetor para o maior valor da corrente de curto-circuito no ponto de instalação do elo protetor (PARADELO JR., 2006). A seletividade entre tais elos em série é garantida se o tempo de interrupção do elo fusível protetor for no máximo 75% do tempo mínimo de fusão do elo protegido (GIGUER, 1988). Os fabricantes de elos fusíveis fornecem arranjos informando o máximo valor de corrente de falta, para a qual haverá coordenação entre elos protegido e protetor. A Tabela 3.1 apresenta o arranjo de elos fusíveis do tipo K. A título de exemplo, de acordo coma Tabela 3.1, a máxima corrente de falta para o qual o elo protetor de 6K está coordenado com o elo protegido de 10K é igual a 190A (GIGUER, 1988). Tabela 3.1 Coordenação entre elos fusíveis do tipo K. I nominal do Elo protetor [A] Corrente nominal do Elo fusível protegido [A] 10K 15K 20K 25K 40K 65K 6K 190,0 510,0 650,0 840, K - 300,0 540,0 840, K , K K , K Coordenação entre religador, seccionalizador e elo fusível A hierarquia da proteção em SDEE é tal que na ocorrência de falhas temporárias no trecho onde o elo fusível é proteção primária, o religador irá operar nos ciclos rápidos sem que ocorra a fusão do elo. Contudo, se a falta persistir durante os ciclos rápidos, o elo fusível deverá fundir para isolar o trecho sob defeito, de modo que o alimentador mantenha a continuidade de serviço nos demais alimentadores. A garantia da coordenação entre religador, seccionalizador e elo fusível é garantida se forem observados os seguintes critérios (PARADELO JR., 2006): - corrente mínima de atuação das unidades de fase terra do seccionalizador deve ser igual a 80% da corrente mínima de ajuste do religador;

36 26 - religador deve ser ajustado para detectar a corrente de curto-circuito entre fases mínimas e entre fase e terra mínima no final do trecho em que o seccionalizador atua como equipamento de proteção primária; - corrente de ajuste do seccionalizador deve ser menor ou igual a corrente de curto circuito mínimo em sua zona de proteção primária; - ajuste de contagens do seccionalizador igual ao ciclos de religamentos ajustado no religador (que se encontra a montante) menos um; - é recomendável que o religador seja ajustado com 2 operações lentas e 1 ou 2 rápidas, e o seccionalizador para registrar até 2 ou 3 contagens; - ajuste da unidade de sobrecorrente de fase do religador menor que a corrente de curtocircuito bifásica, dividida por fator de segurança entre 1,5 e 2; - ajuste da unidade de sobrecorrente de neutro menor que a corrente de curto-circuito monofásica mínima no qual o religador é proteção primária, e maior que a corrente de retorno para o neutro, no caso do sistema operar de maneira desequilibrada (corrente em regime permanente no neutro não nula); - tempo de interrupção do elo fusível - para todos os valores possíveis da corrente de curto-circuito - menor que o tempo mínimo de abertura do religador na curva lenta, que garante que o elo possa fundir e desligue o trecho defeituoso. A Figura 3.1 ilustra a coordenação entre religador e fusível. Evidencia-se, da Figura 3.1, que a coordenação é garantida no intervalo de corrente a.