Efeito do aterramento do sistema de distribuição na mitigação das sobretensões em consumidores de baixa tensão devidas a descargas atmosféricas

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1 Title Efeito do aterramento do sistema de distribuição na mitigação das sobretensões em consumidores de baixa tensão devidas a descargas atmosféricas Registration Nº: (Abstract) 54 Company UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE Authors of the paper Name Country Patricia Oliveira da Silveira Brasil patisilveira@gmail.com Dra.Fabiana Aparecida De Toledo Silva Brasil fabiana.atoledos@mackenzie.br fabiana.atoledos@uol.com.br Profº José Alceu Brasil Falleiros Brasil Key words Descargas atmosféricas; linhas de distribuição; transitórios eletromagnéticos; aterramento; ATP ABSTRACT O estudo dos efeitos das descargas atmosféricas quando estas atingem a rede de distribuição é de grande importância, para que se mantenha a qualidade no fornecimento de energia. Os transitórios provenientes destas descargas são os maiores causadores de danos aos equipamentos instalados na baixa tensão, portanto é necessário um estudo ao longo da linha incluindo todos os equipamentos por onde as ondas se propagam, desde o ponto onde ocorre o fenômeno até o elemento estudado, para que possa ser feita a elaboração dos componentes da rede de distribuição, dentre eles destaca se o aterramento de consumidores e transformadores. Neste trabalho foram realizadas simulações, submetendo a rede de distribuição, construída no Alternative Transient Program (ATP), a uma descarga atmosférica de 45 ka e variando os níveis de aterramento dos transformadores, para avaliar os possíveis danos causados aos consumidores e dessa forma poder afirmar qual a verdadeira relevância do aterramento na rede. Essas variações foram feitas nas seguintes situações: Caso (A) Variação da resistência de aterramento do transformador de 45 kva, com proteção no primário de cada transformador. Caso (B) Variação da resistência de aterramento do transformador 75 kva, com proteção no primário de cada transformador. Caso (C) Variação simultânea das resistências de aterramento dos dois transformadores, com proteção no primário de cada transformador. Caso (D) Variação das resistências de aterramento dos dois transformadores, com proteção no primário de cada transformador e DPS no consumidor. A rede de distribuição apresentada nesse estudo, possui 3 km de comprimento e uma secundária de 710 m, onde 19 consumidores estão distribuídos em dois transformadores, 7 consumidores são atendidos por um transformador de 45 kva e 12 consumidores são atendidos por um transformador de 75 kva. São apresentados apenas resultados referentes a descargas que atingem diretamente a fase A, pois os consumidores mais atingidos são os que estão na própria fase de surto. Os consumidores avaliados nesse estudo, são os atendidos pelo transformador de 45 kva. 1

2 1. INTRODUÇÃO No atual quadro do setor elétrico brasileiro é evidente a importância de se fornecer aos consumidores energia de forma continua, ininterrupta e sem perturbações momentâneas significativas. Os distúrbios causados pelas descargas atmosféricas podem causar o mau funcionamento e até a queima dos equipamentos dos consumidores de baixa tensão, ocasionando muitos problemas entre concessionárias e consumidores. Para que a redução dessas sobretensões seja possível é necessário que seja feita uma coordenação de isolamento, onde se possa verificar a suportabilidade elétrica mais conveniente para os equipamentos que serão submetidos a essas sobretensões. Neste trabalho foi dada uma atenção maior ao aterramento, onde o efeito deste na mitigação das sobretensões que atingem os consumidores e avaliado através da variação das resistências de aterramento dos transformadores de distribuição da rede simulada. 2. TRANSITÓRIOS ELETROMAGNÉTICOS O sistema de distribuição de energia elétrica esta vulnerável aos surtos de origem atmosférica em qualquer parte da rede. As descargas atmosféricas podem atingir a linha diretamente ou causar transitórios eletromagnéticos que se propagam através da linha e podem chegar aos equipamentos. Os transitórios eletromagnéticos são considerados ondas de tensão, ou corrente, que trafegam pela linha, após a ocorrência de um surto nesta, viajando para os dois lados a partir do ponto onde ocorreu o surto. 3. CONFIGURAÇÃO DA REDE SIMULADA Para observar os efeitos que estas sobretensões causam nos consumidores de baixa tensão foi criada uma rede de distribuição no Alternative Transient Program (ATP) que possui 3 km de comprimento e possui também uma rede secundária de 710 m, onde 19 consumidores estão distribuídos em dois transformadores, sendo que 7 consumidores são atendidos pelo transformador de 45 kva e 12 são atendidos pelo transformador de 75 kva. O Esquema 1 mostra o diagrama unifilar da rede de distribuição simulada no ATP. Esquema 1. Diagrama Unifilar da Rede de Distribuição simulada. A seguir são apresentados os dados utilizados na configuração de cada elemento do sistema: a) Configuração dos cabos: A Tabela 1 mostra os dados dos cabos das redes primária e secundária. TABELA 1. Dados dos cabos das redes primária e secundária Tipo Rede Rede Primária Secundária Cabo 477 MCM 336,4 MCM Resistência DC (20 C) 0,1197 Ω/km 0,1692 Ω/km Diâmetro externo (DE) 2,240 cm 1,831 cm Comprimento 3 km 710 m Altura do cabo 10 m 7.8, 7.6 e 7.4 m Distância entre fases 0,75 m 0,2 m A Tabela 2 apresenta os dados utilizados para o cabo de neutro e para os ramais. O cabo de neutro foi colocado a 8 m de altura. TABELA 2. Dados dos cabos das redes primária e secundária Tipo Neutro Ramais Cabo 1/0 AWG 02 AWG Resistência DC (20 C) 0,5349 Ω/km 1,022 Ω/km Diâmetro externo (DE) 0,936 cm - Comprimento 710 m 40 m Foi considerado 0,5 m de flecha entre os vãos. Na Ilustração 1 observa se a configuração utilizada para o aterramento do condutor de neutro. Ilustração 1. Aterramento dos postes b) Transformadores: A Tabela 3 mostra os dados dos transformadores de 45 e 75 kva. 2

3 TABELA 3. Dados dos transformadores Potência Nominal S1=S2=45 kva S1=S2=75 kva Freqüência 60 Hz 60 Hz Conexão delta - estrela(aterrado) delta - estrela(aterrado) Resistência de Aterramento 0,0001 0,0001 Indutância de Aterramento 7 µh 7 µh Tensão 13,8 kv/220/127 13,8 kv/220/127 O aterramento adotado para os transformadores foi o mesmo utilizado para o condutor neutro, mas a resistência de aterramento dos mesmos é variada durante o estudo. A configuração do aterramento pode ser observada na Ilustração 1. A construção do modelo utilizado nesse estudo foi feita no programa ATPDraw, que exige uma especificação rigorosa de cada componente a ser utilizado. A seguir são apresentados os dados utilizados na modelagem feita no ATP de cada elemento do sistema: c) Impulso Atmosférico: A representação do impulso atmosférico no ATP foi feita por uma fonte de corrente do tipo slope_ra.sup, um componente do ATPDraw, que representa uma onda triangular. A amplitude considerada foi de 45 kva, com duração do tempo de frente de 1,5 µs e uma duração total de 150 µs. d) Equivalente do sistema: Para a determinação do equivalente de Thevenin do sistema, utilizou se a impedância de curto circuito e a corrente de curto circuito adotada foi de 8 ka, conforme mostrado nos cálculos a seguir. I CC = 8000 A S = 3 V I = 313,8 kv 8000 A = 191, MVA CC CC 22 2 (13,8 kv ) Z CC = = 0, 9959 Ω 191,22 MVA e) Modelagem das linhas: Na simulação das linhas da rede primária, secundária e de neutro foi utilizado o Line Constants (LCC), aplicativo do ATP que serve para determinar os parâmetros de linhas. Na modelagem dessa linha foi utilizado o modelo proposto por Jmarti. Os ramais de ligação de 02AWG foram considerados como resistências, a impedância de cada que é de 0, j0,3420 Ω/km, foi aproximada para uma resistência de 1,022 Ω/km. Os ramais possuem 40 m de comprimento, independentes entre si, com condutividade do solo de 20 Ω. m. A Ilustração 2 (a) mostra o número de fases, condutividade e modelo da linha utilizada e na Ilustração 2 (b) são mostrados os dados dos condutores utilizados na linha simulada, dados que 3 foram apresentados anteriormente nas Tabelas 1 e 2. (a) Dados de entrada Jmarti (b) Dados de Entrada dos Condutores Ilustração 2. Aplicativo LCC f) Modelagem dos transformadores: Os transformadores utilizados nas simulações desse estudo, são de 45 e 75 kva, o modelo utilizado para a representação dos transformadores foi baseado no modelo desenvolvido por Kanashiro (2001), que foi apresentado por Obase (2004) em sua tese de mestrado e que também foi utilizado por Souza (2008), em seu trabalho de graduação. O que difere o modelo utilizado nesse estudo do modelo de Kanashiro é o tipo de aterramento, no modelo desenvolvido por ele o aterramento é ideal e no presente estudo foi considerada uma resistência e uma impedância de aterramento. Nos Esquemas 2 e 3 são apresentados os modelos dos transformadores, de 45 e 75 kva e seus respectivos parâmetros. Esquema 2. Modelo do transformador de 45 kva. Esquema 3. Modelo do transformador de 75 kva g) Representação das cargas dos consumidores: Para os cálculos dos parâmetros dos consumidores adotou se um modelo de impedância constante com uma carga correspondente a um carregamento de 100 % da carga nominal da cada transformador. A tensão nominal de cada consumidor é de 127 V e o fator de potencia global e de cada consumidor é de 0,95 indutivo.

4 O resultado dos cálculos pode ser visto na Tabela 4. Os 7 consumidores ligados ao transformador de 45 kva possuem as mesmas características, assim como os 12 consumidores ligados ao transformador de 75 kva são iguais entre si. TABELA 4. Dados finais dos consumidores Transformador 45 kva 75 kva Potência Ativa Total 42,75 kw 71,25 kw Potência Reativa Total 14,051 kvar 23,4187 kvar Tensão Nominal 127 V 127 V Resistência Equivalente 0,3405 Ω 0,2044 Ω Indutância Equivalente 0,2968 mh 0,1781 mh Número de Consumidores 7 12 Resistência de cada Consumidor 2,3835 Ω 2,4528 Ω Indutância de cada Consumidor 2,0776 mh 2,1372 mh Potência Ativa de cada Consumidor 6107,44 kw 5935,32 kw Potência Reativa de cada Consumidor 2006,95 kvar 1949,66 kvar Resistência de Aterramento de cada Consumidor 10 Ω 10 Ω Indutância de Aterramento de cada Consumidor 7 µh 7 µh 4. METODOLOGIA DAS SIMULAÇÕES As simulações foram realizadas no ATP utilizando a rede mostrada no Esquema 1 e as configurações e parâmetros descritos anteriormente. São apresentados os efeitos causados apenas nos 7 consumidores ligados ao transformador de 45 kva, que estão conectados a fase A, assim como os outros 12 consumidores atendidos pelo transformador de 75 kva. Consumidores conectados a fase A, costumam ser os mais prejudicados, quando a linha é atingida por uma descarga atmosférica. Considerando que o surto de origem atmosférica atinge a rede de distribuição a 1 km do transformador de 45 kva e a 3 km do transformador de 75 kva, foram feitas simulações variando as resistências de aterramento dos transformadores, afim de mostrar diferentes condições de solo, desde um solo considerado real com R = 10 Ω, até um solo considerado ruim para aterramento do transformador com R = 200 Ω, o que poderia aumentar os danos causados aos consumidores. Inicialmente foram feitas simulações variando a resistência de aterramento do transformador de 45 kva e mantendo a resistência de aterramento do transformador de 75 kva em 10 Ω. Em seguida foram feitas simulações variando a resistência de aterramento do transformador de 75 kva, mantendo a resistência 4 de aterramento do transformador de 45 kva em 10 Ω. Na terceira etapa de simulações, foram variadas as resistências de aterramento dos dois transformadores simultaneamente. Na quarta etapa de simulações, foram variadas as resistências de aterramento dos transformadores simultaneamente utilizando DPS nos consumidores nas seguintes posições: primeiro DPS no consumidor 7 (CONSU7), no segundo teste, DPS só no consumidor 2 (CONSU2), depois, DPS nos consumidores 2 e 7 e por último DPS nos consumidores 1, 2 e 7. Em todas as etapas de simulações foi utilizado um pára raios no primário de cada transformador, cujas especificações podem ser observadas na Tabela 5. TABELA 5. Valores de Tensão x Corrente do Pára - raios Tensão de Operação 13,8 kv Corrente [ka] Tensão [kv] 0,1 26,5 0, As especificações do DPS utilizado na quarta etapa de simulações, estão descritas na Tabela 6. TABELA 6. Valores de Tensão x Corrente do DPS Tensão de Operação 127 kv Corrente [ka] Tensão [kv] 0,001 0,7 0, ,0 0,85 2,0 0,9 5,0 1,0 10,0 1,1 20,0 1,3 5. CONCLUSÃO Os resultados das simulações apenas com o pára raios, demonstram que as sobretensões mesmo para as menores resistências de aterramento são muito superiores ao limite especificado pela norma NBR 5410 [4], que é de 1,5 kv para aparelhos instalados em consumidores de baixa tensão. Foi possível perceber que o aterramento tem grande influencia no valor de pico de tensão, quanto maior for à resistência de aterramento nos transformadores, maior será a tensão resultante no cliente. No consumidor mais atingido nesse caso, a amplitude varia de 470 kv a 1239 kv, tensão

5 obtida quando o solo atinge sua pior condição, como pode ser observado no Gráfico Tensão de pico (kv) Com pára - raios e DPS no CONSU2 e no CONSU7 Com pára - raios e DPS no CONSU1, CONSU2 E CONSU7 Gráfico 1 Tensão de pico (kv) por consumidor do transformador de 45 kva, variando com a resistência de aterramento dos dois transformadores. Nos casos onde além do pára raios no primário dos transformadores, foram colocados DPS s em alguns pontos do sistema, o estudo mostrou que a instalação de DPS s nas posições indicadas embora diminuam significantemente as sobretensões nos consumidores conectados na rede secundária, não foram suficientes para manter as amplitudes de sobretensão abaixo do limite estipulado pela norma. Nestes casos analisados, com a instalação de DPS s junto aos consumidores, observou se que as sobretensões só ficaram realmente abaixo do limite estipulado pela norma, nos consumidores onde o DPS foi instalado, mas observou se também que a instalação do DPS em alguns consumidores colabora para a diminuição da amplitude da sobretensão nos demais consumidores da rede que não possuem DPS, essas variações podem ser observadas no comparativo mostrado na Tabela 7 e no Gráfico 2, onde são mostrados os valores de sobretensão quando a rede possui dois consumidores com DPS e quando a rede possui três consumidores com DPS instalado. TABELA 7 Comparativo das Tensões de pico (kv) por consumidor do transformador de 45 KVA. Tensão de pico (kv) Resistência de aterramento dos transformadores em 10 Ω Consumidores Com pára - raios e DPS nos consumidores 2 (CONSU2) e no 7 (CONSU7) Com pára - raios e DPS nos consumidores 1 (CONSU1), 2 (CONSU2) e 7 (CONSU7) CONSU1 98 0,278 CONSU2 0,278 0,276 CONSU CONSU CONSU CONSU CONSU7 0,27 0, CONSU1 CONSU2 CONSU3 CONSU4 CONSU5 CONSU6 CONSU7 Consumidores do Transformador de 45 kva Gráfico 2 Comparativo das Tensões de pico (kv) por consumidor do transformador de 45 kva, com 10 Ω de resistência de aterramento. Os transitórios de origem atmosférica tem uma duração muito curta, alguns microsegundos, apesar disso podem queimar aparelhos que estejam ligados na rede. Sendo assim um detalhe que causa bastante preocupação é que a Resolução da ANEEL nº 505, diz que não se pode obrigar a concessionária a indenizar qualquer consumidor por surtos que durem menos de um minuto no sistema, não incluindo assim qualquer caso de surto atmosférico. Visto isso é preciso estimular o uso de pára raios e DPS s, sua conservação, além de sua correta instalação é de grande importância, levando em consideração que para o caso da rede estudada recomenda se o uso de mais do que três DPS s, além disso é importante que se mantenha a resistência de aterramento com o menor valor possível. 6. BIBLIOGRAFIA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5410: Instalações Elétricas de Baixa Tensão. Rio de Janeiro, BRETAS, N.G., ALBERTO, L.F.C. Estabilidade Transitória em Sistemas Eletroenergéticos. São Carlos-SP. Editora EESC USP, CARVALHO, A. J. B. et al. Análise do Comportamento das Variações de Tensão de Curta Duração (VTCDs) utilizando comparação entre os Programas ATP e ANAFAS. Seminário Brasileiro sobre Qualidade de Energia Elétrica (VI SBQEE). Belém, agosto, CIPOLI, JOSÉ ADOLFO. Engenharia de distribuição. Rio de Janeiro- RJ. Editora Qualitymark, D`AJUZ, ARY;FONSECA, CLAUDIO S.;FILHO, JORGE AMON, Transitórios Eletromagnéticos e Coordenação de

6 Isolamento:Aplicação em sistemas de potencia de Alta Tensão.Universidade Federal Fluminense. Editora Universitária, DE CONTI, ALBERTO R.; DUARTE, JOSÉ V.P.;PEREIRA, CLEVER; VISACRO, SILVÉRIO F. et al. A Influência das Descargas Atmosféricas na Qualidade da Energia Oferecida aos Consumidores. Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica (XVI SNPTEE). São Paulo, outubro, GOMES, DAISY SPOLIDORO FERREIRA; MACEDO, FERNANDO FERRO. Aterramento e proteção contra sobretensões em sistemas aéreos de distribuição. Niterói RJ. Editora EDUFF, JUCÁ, Anderson da S. Avaliação do Relacionamento entre Consumidores e Concessionárias. na Solução de Conflitos por Danos Elétricos: Proposta de Adequação. Tese (Doutorado em Engenharia) Escola Politécnica. Universidade de São Paulo. São Paulo KAGAN, NELSON, OLIVEIRA, CARLOS CÉSAR BARIONI DE; ROBBA, ERNESTO JOÃO. Introdução aos sistemas de distribuição de energia elétrica. Rio de Janeiro RJ. Editora: Edgard Blücher, KANASHIRO, A. G. Modelagem de Transformadores de Distribuição para Altas Freqüências. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) Escola Politécnica. Universidade de São Paulo. São Paulo LEITE, DUÍLIO MOREIRA; LEITE, CARLOS MOREIRA. Proteção contra descargas atmosféricas: edificações, baixa tensão e linhas de dados. 5. ed. atual. São Paulo SP. Editora: Officina de Mydia, NETO, Acácio S. Tensões Induzidas por Descargas Atmosféricas em Redes de Distribuição. de Baixa Tensão. Tese (Mestrado em Engenharia Elétrica) Escola Politécnica. Universidade de São Paulo. São Paulo OBASE, Paulo F. Surtos Atmosféricos transferidos a Rede Secundária Via Transformador. Tese (Mestrado em Engenharia Elétrica) Escola Politécnica. Universidade de São Paulo. São Paulo OLESKOVICZ, Mário. Qualidade da Energia Elétrica. Universidade de São Paulo. Escola de Engenharia de São Carlos. São Carlos PEREIRA FILHO, Clever S.; ALMEIDA, Fuad de S.; DE CONTI, Alberto R. Análise de Redes Elétricas no Domínio do Tempo. Cálculo de Parâmetros de Linhas LCC. CESEP Curso de Especialização em Sistemas Elétricos de Potência UFMG. Disponível em: nalisederedestempo/apresentacaoaula5.pdf. PIANTINI, A.; JANIZEWSKI, J. M. Influência de Ramais e Edificações nas Tensões Induzidas em Linhas de Distribuição Urbanas Devido a Descargas Atmosféricas. XV Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI PTC/EPUSP, SILVA, M. da. 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 Paulo. São Carlos, Disponível em: < /tde />. SOUZA, Nataly A. de. Riscos ocasionados pelos transitórios eletromagnéticos nos consumidores de baixa tensão. Trabalho de Graduação Interdisciplinar Escola de Engenharia. Universidade Presbiteriana Mackenzie.São Paulo VISACRO FILHO, SILVÉRIO. Descargas atmosféricas: uma abordagem de engenharia. São Paulo SP. Editora: Artliber, ZANETTA JÚNIOR, LUIZ CERA. Transitórios eletromagnéticos em sistemas de potência. São Paulo SP. Editora: EDUSP, ZANETTA Jr., L.C; PEREIRA, C.E.M; SOARES, R.M.; ARRUDA, A.A.C.Desenvolvimento de Ferramenta Computacional para Estudos Transitórios de Alta Freqüência em Transformadores. PEA-USP, CTEEP. São Paulo, Disponível em: < senvolvimento_ferramentas_acionamento.pdf>. 6