I Seminário da Pós-graduação em Engenharia Elétrica

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1 DESENVOLVIMENTO DE FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS PARA ESTUDOS EM LINHAS SUBTERRÂNEAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Danilo Sinkiti Gastaldello Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Unesp Bauru Prof. Dr. André Nunes de Souza Orientador Depto de Engenharia Elétrica Unesp Bauru RESUMO Com a modernização da sociedade e o grande crescimento tecnológico visto nos últimos anos, é difícil de se imaginar a ausência da energia elétrica nos dias atuais, pois tudo depende da energia para funcionar. A energia elétrica é fundamental para todos os setores da sociedade: residencial, comercial e industrial. A qualidade de seu fornecimento também é muito importante, pois é a qualidade que garante o correto funcionamento de todos os processos realizados no dia-a-dia. No entanto, nenhum sistema por mais perfeito que seja é imune à ocorrências de faltas, assim sendo, uma boa monitoração destas faltas é necessária para realização de manobras de correção mais eficientes. Além disso, a crescente preocupação ambiental fez com que as concessionárias buscassem melhores formas de levar a energia à população, e os sistemas subterrâneos tem demonstrado ser uma boa solução, porém este sistema não é imune à defeitos. A correta localização da falta (defeito) em cabos subterrâneos de distribuição de energia elétrica não é uma tarefa trivial, pois além da dificuldade de acesso ao sistema, existe o alto custo das medições dos parâmetros e também os métodos existentes hoje em dia ainda dependem de uma análise de um especialista dos sinais medidos, ocasionando erros de precisão que têm se mostrado custoso. A proposta deste trabalho consiste em estudar os sistemas subterrâneos através de ferramentas computacionais e desenvolver um sistema inteligente que auxilie na precisão de localização de faltas em cabos subterrâneos de distribuição de energia elétrica. PALAVRAS-CHAVE: Linhas Subterrâneas, Distribuição de Energia e Ferramentas Computacionais. 1 INTRODUÇÃO Cabos subterrâneos têm sido amplamente empregados devido à confiabilidade e às preocupações ambientais. Para melhorar a confiabilidade do sistema de distribuição, a correta identificação da falta em um trecho do circuito é necessária de forma a reduzir o tempo de interrupção necessário à manutenção e correção do fator causador da falta. A forma convencional de detectar a falta exige uma pesquisa exaustiva em grande escala, consumindo muito tempo e recursos humanos. Assim, o tempo de restauração pode variar dependendo da confiabilidade da informação da interrupção no fornecimento de energia. Desta forma, desenvolver uma técnica eficiente para localizar a falta pode melhorar a confiabilidade do sistema (BASCOM, 1994). A localização da falta em um segmento de um sistema de cabos subterrâneos exige aspectos mais amplos de reflexão e análise. Ao contrário das linhas aéreas, os cabos

2 subterrâneos têm como características: indutâncias menores e capacitâncias maiores. A análise torna-se complicada quando vários tipos de cabos subterrâneos são usados. Um exemplo poderia ser um sistema de cabos que consiste em vários condutores tais como núcleo, blindagem e armadura. Para analisar tal sistema de cabos, impedâncias e admitâncias mútuas entre estes condutores devem ser consideradas no circuito analisado. Isto complica o aspecto analítico de identificação da falta no segmento (XIA YANG, 2008). Em geral, as técnicas de localização da falta no segmento para rede de cabos subterrâneos podem ser divididas em dois grupos: 1) Traçadores e 2) Terminais. O método traçador é uma forma exaustiva de localizar a falta no segmento percorrendo os circuitos de cabos. A falta pode ser determinada por áudio ou sinais eletromagnéticos e exige o envio de trabalhadores para a área de interrupção. Várias técnicas têm sido largamente utilizadas nas indústrias, incluindo o rastreio por meio da abordagem acústica, eletromagnética ou corrente. Em contraste, o método terminal é um método usado para determinar a localização da falta de uma rede de distribuição de cabos a partir de uma ou ambas as extremidades sem o rastreamento exaustivo. A técnica da ponte é uma das mais populares entre os métodos terminais que consiste em conectar um resistor para determinar a localização da falta. Outros métodos terminais, incluindo laço Murry e radar de pulsação, têm sido também utilizados. A abordagem de onda viajante é outra forma para detectar a falta injetando sinais de pulso no cabo defeituoso. Isto produz uma forma de onda refletida que detecta a falha. Similarmente, ondas geradas por faltas têm sido usadas para executar tanto em tempo real como após a localização da falta para um sistema de distribuição de cabos residenciais em configuração de fase simples. Para melhorar a confiabilidade do sistema de distribuição, a correta identificação da falta em um trecho do circuito é necessária de forma a reduzir o tempo de interrupção necessário à manutenção e correção do fator causador da falta. A forma convencional de detectar a falta exige uma pesquisa exaustiva realizada em grande escala, consumindo muito tempo e recursos humanos. Assim, o tempo de restauração pode variar dependendo da confiabilidade da informação da interrupção no fornecimento de energia. Desta forma, desenvolver uma técnica eficiente para localizar a falta pode melhorar a confiabilidade do sistema (MYEON-SONG, 2004). A Figura. 1 apresenta de maneira ilustrativa um circuito subterrâneo, onde constata-se as dificuldades em se localizar e reparar defeitos nos cabos, bem como sua instalação inicial. Figura 1 - Manutenção em Sistemas Subterrâneos A princípio este trabalho propõe um estudo mediante simulações com o software PSCAD, que é um software de interface gráfica que permite simular respostas transitórias e a

3 representação e a resolução de equações diferenciais no domínio do tempo. Este software permite aos usuários construir de forma eficiente circuitos esquemáticos, executar a simulação e analisar os resultados da mesma, permitindo economia de tempo, eliminação de etapas, particularmente aquelas que normalmente demandam mais tempo e recursos financeiros quando da realização de ensaios experimentais ou construção de protótipos (PIROUTI, 2008). Para a aplicação da simulação, uma tarefa importante a ser realizada é a validação do modelo de simulação, que se refere ao grau de confiabilidade com que o modelo representa o sistema em estudo, sob o enfoque considerado. A validação deve ser feita pelo usuário do sistema, no momento da sua implementação de forma a garantir que os resultados encontrados no processo de simulação estejam corretos e possam ser utilizados para os estudos em questão (MOSHTAGH, 2006). 2 METODOLOGIA Inicialmente foi realizado o levantamento dos principais trabalhos relacionados aos sistemas de distribuição subterrâneos, visando identificar as principais técnicas existentes para a localização e identificação do tipo de falta, evidenciando suas vantagens e desvantagens do ponto de vista técnico e econômico. Por ser uma ferramenta robusta de simulação de transitórios eletromagnéticos, o software PSCAD/EMTDC foi utilizado para simular um modelo de circuito monofásico com falta da linha para a terra. O modelo do circuito equivalente é mostrado na Figura 2 e apresenta duas seções, sendo a seção p do terminal de envio ao ponto da falta e a seção q do ponto da falta até o terminal de recebimento. A Figura 3 apresenta o cabo estudado. O interior e exterior do condutor consiste em núcleo e isolamento, respectivamente. Os parâmetros de configuração do cabo utilizados no estudo são apresentados na Tabela I. Nesta configuração, a impedância do cabo extraída da simulação é igual à ( x j x 10-3) Ω e a admitância igual à (j x 10-6) S. Figura 2 - Modelo de um circuito equivalente de um cabo subterrâneo de seção simples

4 Figura 3 - Cabo coaxial núcleo-blindagem Tabela 1 - Parâmetros de configuração do cabo Parâmetros do cabo Valores Resistividade do núcleo 1.68 x 10-8 Ω. m Permeabilidade para o núcleo e isolamento 1.0 Permissividade para o isolamento 4.1 A estimativa da distância da falta é baseada nas medições de tensão e corrente no terminal de envio, geradas pelo software PSCAD/EMTDC. Com esses dados extraídos da simulação é possível criar um algoritmo em MATLAB eficiente para a localização da falta. No caso estudado, a falta ocorre no instante 0.1 s e tem duração de 0.1 s. Foram realizados três tipos de ensaios de localização de faltas, para verificar a influência de alguns parâmetros, como: a resistência de falta Rf; o local da falta; e o tamanho total do cabo. 2.1 Variação da Resistência de Falta A distância da falta simulada a partir do terminal de envio, para este caso, é de 0.6 km. E o tamanho total do cabo é de 2.4 km. A corrente de falta flui por meio da resistência de falta para a terra. Primeiramente, foi realizada a simulação do circuito para uma resistência de falta igual a 0.1 Ω. Em seguida, o circuito foi simulado para o caso em que a resistência de falta vale 1 Ω. Por fim, o circuito foi simulado para o caso em que a resistência de falta vale 10 Ω. Mediu-se as tensões e correntes nos terminais de envio e recebimento e mediante algumas contas algébricas realizadas no MATLAB, foi possível determinar de forma aproximada o local da falta. 2.2 Variação do Local da Falta

5 Neste segundo caso a distância total do cabo foi mantida em 2.4 km, fixou-se também a resistência de falta em 0.1 Ω e a corrente de falta continua fluindo por meio da resistência de falta para a terra. Variou-se a distância de falta para: 300 m a partir do terminal de envio; 1200 m a partir do terminal de envio; e 2000 m a partir do terminal de envio. Verificou-se a influência desta variação para o problema proposto de localização de falta. Novamente foi medido tensões e correntes e mediante contas estipulou-se o local da falta. 2.3 Variação do Comprimento Total do Cabo Por fim, no terceiro caso a distância da falta ficou fixa em 0.6 km e a resistência de falta em 0.1 Ω e a corrente de falta continua fluindo por meio da resistência de falta para a terra. Variou-se o comprimento total do cabo para: 3000 m; 3500 m; e 4000 m. Novamente foi medido tensões e correntes e mediante contas estipulou-se o local da falta, verificando as diferenças para a variação de comprimento de cabo. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Variação de Resistência de Falta caso. a) Resistência de falta igual à 0.1 Ω A Figura 5 apresenta os gráficos das tensões e correntes medidas no circuito para este

6 Figura 5 - Tensões e correntes para uma resistência de falta igual à 0,1 Ω A resistência de falta Rf, para este caso, vale 0.1 Ω. E a partir da simulação obteve-se a corrente na fonte igual à ( j )a. Mediante os cálculos descritos no item D anterior, a estimativa da distância da falta encontrada foi de m, apresentando um erro de 0.23 % em relação distância utilizada na simulação. E a estimativa de resistência de falta foi de Ω e o erro obtido foi de 0.2%. caso. b) Resistência de falta igual à 1 Ω A Figura 6 apresenta os gráficos das tensões e correntes medidas no circuito para este Figura 6 - Tensões e correntes para uma resistência de falta igual à 1 Ω A resistência de falta Rf, para este caso, vale 1 Ω. E a partir da simulação obteve-se a corrente na fonte igual à ( j )a. Por meio dos cálculos anteriormente descritos, a estimativa da distância da falta encontrada foi de m, apresentando um erro de 0.48 % em relação distância utilizada na simulação. E a estimativa de resistência de falta foi de Ω e o erro obtido foi de 0.03%. caso. c) Resistência de Falta igual à 10 Ω A Figura 7 apresenta os gráficos das tensões e correntes medidas no circuito para este

7 Figura 7 - Tensões e correntes para uma resistência de falta igual à 10 Ω A resistência de falta Rf, para este caso, vale 10 Ω. E a partir da simulação obteve-se a corrente na fonte igual à ( j135.43)a. Mediante os cálculos descritos, a estimativa da distância da falta encontrada foi de m, apresentando um erro de 4.36 % em relação distância utilizada na simulação. E a estimativa de resistência de falta foi de Ω e o erro obtido foi de 0.03%. 3.2 Variação do Local da Falta caso. a) Falta a 300 m do terminal de envio A Figura 8 apresenta os gráficos das tensões e correntes medidas no circuito para este Figura 8 - Tensões e correntes para uma falta localizada a 300m Com a distância de falta em 300 m, a estimativa da distância da falta simulada encontrada foi de m com um erro de 0.023% e a resistência de falta foi de 0.1 Ω, ou seja, sem erros. b) Falta a 1200 m do terminal de envio Como pode ser observado, os gráficos mostrados até agora são semelhantes, e portanto, só serão mostrados os resultados. Com a distância de falta em 1200 m, a estimativa

8 da distância da falta simulada encontrada foi de m com um erro de 0.26% e a resistência de falta foi de Ω, com um erro de 1%. c) Falta a 2000 m do terminal de envio Com a distância de falta em 2000 m, a estimativa da distância da falta simulada encontrada foi de m com um erro de 0.29% e a resistência de falta foi de Ω, com um erro de 13%. 3.3 Variação do Comprimento Total do Cabo caso. a) Comprimento de 3000 m A Figura 9 apresenta os gráficos das tensões e correntes medidas no circuito para este Figura 9 - Tensões e correntes para um cabo de 3000m. Com o comprimento do cabo igual 3000 m, a estimativa da distância da falta simulada encontrada foi de m com um erro de 0.24% e a resistência de falta foi de Ω, com um erro de 0.2%. b) Comprimento de 3500 m Como pode ser observado, os gráficos mostrados até agora são semelhantes, e portanto, só serão mostrados os resultados. Com o comprimento do cabo igual 3500 m, a estimativa da distância da falta simulada encontrada foi de m com um erro de 0.22% e a resistência de falta foi de Ω, com um erro de 0.2%. c) Comprimento de 4000 m Com o comprimento do cabo igual 4000 m, a estimativa da distância da falta simulada encontrada foi de m com um erro de 0.223% e a resistência de falta foi de Ω, com um erro de 0.2%.

9 3.4 Resumo dos Resultados A seguir na Tabela 2 é apresentados os valores das localizações de falta e os erros encontrados a partir das simulações de acordo com os casos estudados. Tabela 2 - Valores de localização de falta e erros obtidos. Resistência de Local da Falta Comprimento do Local da Falta Erro (%) Falta (Ω) Real (m) Cabo (m) Calculado (m) Pode-se concluir mediante a análise da Tabela 2 que a estimativa de localização da falta sofre maiores influências da variação da resistência de falta. A variação de localização de falta influencia um pouco na estimativa de localização da falta, enquanto o comprimento do cabo praticamente não influencia para esta análise de estimativa de localização de falta. 4 CONCLUSÃO A melhora de confiabilidade do sistema de distribuição subterrâneo depende da correta identificação da falta em um trecho do circuito, pois desta forma haverá redução no tempo de interrupção necessário à manutenção e correção do fator causador da falta. A forma convencional de detectar a falta exige uma pesquisa exaustiva realizada em grande escala, consumindo muito tempo e recursos humanos. Assim, o tempo de restauração pode variar dependendo da confiabilidade da informação da interrupção no fornecimento de energia. Desta forma, a utilização de ferramentas computacionais para auxiliar na localização de faltas é muito importante e está sendo estuda em âmbito mundial. Inicialmente, optou-se por estudar e analisar um circuito monofásico para mais adiante aumentar a complexidade dos circuitos e obter resultados mais próximos de condições reais de operação. O método escolhido apresentou resultados satisfatórios, a variação de resistência de falta afetou o erro de estimativa de localização da falta, onde para uma resistência de 0,1 Ω obteve-se um erro de 0.23% e para uma resistência de falta de 10 Ω o erro foi de 4.36%. Já para a variação do local da falta observou-se que na menor distância o erro é menor, 300m erro de 0.023% e 2000m erro de 0.29%. Na variação de comprimento do cabo não houve influência na estimativa de localização da falta. Esta pesquisa está em franco desenvolvimento com o aprimoramento do método e um aumento na complexidade das simulações. Uma vez que os resultados apresentados pelas simulações foram satisfatórios para um circuito monofásico, pretende-se realizar simulações

10 considerando a blindagem no cabo e novamente observar o efeito da variação da distância ao ponto de falta, resistência de falta, comprimento total do cabo e condições pré-falta. Pretendese aplicar o método também para circuitos trifásicos contendo ramificações, como é usual em um sistema de distribuição subterrâneo. Além de considerar circuitos reais com diferentes configurações (radial, reticulado e anel). 5 AGRADECIMENTOS Agradecimentos especiais ao CNPq pelo apoio e incentivo para a realização desta pesquisa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BASCOM, E.; VON DOLLEN, D.; NG, H. Computerized underground cable fault location expertise. In: Transmission and Distribution Conference, 1994., Proceedings of the 1994 IEEE Power Engineering Society. Anais.... p doi: /TDC , MOSHTAGH, J.; AGGARWAL, R. A new approach to underground fault location in a three-phase underground distribution system using combined neural networks and wavelet analysis. IEEE CCECE/CCGEI, MYEON-SONG CHOI; SEUNG-JAE LEE; DUCK-SU LEE; BO-GUN JIN. A new fault location algorithm using direct circuit analysis for distribution systems. Power Delivery, IEEE Transactions on, v. 19, n. 1, p doi: /TPWRD , PIROUTI, M; FATIH, A; SADIK, I. Fault Identification and Classification for Short Medium Voltage Underground Cable Based on Artificial Neural Networks. Journal of Electrical Engineering, v. 59, n. 5, p , SILVA, M. Localização de Faltas em Linhas de Transmissão Utilizando a Teoria de Ondas Viajantes e Transformada Wavelet. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Carlos, XIA YANG; MYEON-SONG CHOI; SEUNG-JAE LEE; CHEE-WOOI TEN; SEONG-IL LIM. Fault Location for Underground Power Cable Using Distributed Parameter Approach. Power Systems, IEEE Transactions on, v. 23, n. 4, p doi: /TPWRS , 2008.