XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão a 25 Novembro de 2009 Recfe - PE GRUPO - IV GRUPO DE ESTUDO DE ANÁLISE E TÉCNICAS DE SISTEMAS DE POTÊNCIA - GAT AVALIAÇÃO PROBABILÍSTICA DE RISCOS DE GRANDES ACIDENTES EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA Iony Patrota de Squera CHESF Benemar Alencar de Souza UFCG RESUMO Este artgo apresenta uma metodologa probablístca para avalar rscos de grandes acdentes em nstalações elétrcas de potênca elevada Grandes acdentes são aqueles resultantes da perda total ou mpedmento de qualquer undade de alta tensão, com conseqüênca de danos operaconas e/ou econômcos, ou fermentos humanos para o pessoal operaconal ou clentes Uma abordagem sstemátca, de cma para baxo, é proposta, de tal forma que possa ser aplcada a qualquer nstalação de alta tensão O método fo testado em uma subestação pertencente à CHESF (Companha Hdro Elétrca do São Francsco) Com pequenas mudanças, o método pode ser aplcado a outros processos ndustras PALAVRAS-CHAVE Rsco, Grandes Acdentes, PRA, Probablstc Rsk Assessment 10 - INTRODUÇÃO A avalação de rscos em nstalações elétrcas de grande porte e alta tensão tem sdo uma tarefa dfícl devdo à sua complexdade, e à nadequacdade ou falta de dados estatístcos sobre o comportamento dos prncpas equpamentos elétrcos A falta de dados hstórcos de manutenção força os gerentes de rsco a adotarem métodos ad-hoc tas como ntução e crtéros empírcos, julgamentos pessoas, acordos técncos entre empresas usuáras, recomendações de fabrcantes ou polítcas de companhas de seguro, externas ao setor ndustral sob rsco Embora mutos índces de rsco possam ser regularmente aferdos, poucos são estatstcamente correlaconados com as decsões de gestão de rsco, tornando a adequacdade destes métodos dfícl de ser avalada Além do mas, é mpossível avalar objetvamente, com as prátcas atuas, a nfluênca do rsco na mssão das empresas de energa elétrca, e mas mportante anda, julgar seu custo e benefíco para os clentes das empresas energétcas 20 - METODOLOGIA Mutas abordagens são possíves na nvestgação de rscos ndustras Desde a dentfcação das possbldades de acdentes, às meddas preventvas e corretvas aplcáves, até a mensuração dos custos econômcos, tecnológcos e ambentas assocados A quantfcação de rsco exge o tratamento adequado de eventos estatstcamente raros, com conseqüêncas nvaravelmente elevadas Para tratamento destes eventos, a metodologa proposta neste artgo é composta das seguntes etapas: 1 Defnções de níves de rsco e modos de falhas de subestações elétrcas; 2 Partconamento e zoneamento de grandes nstalações para análse de rsco; 3 Identfcação de sstemas automátcos de proteção; (*) Rua Prof Jose Brandao, n 269, - Ap 902 CEP Boa Vagem - Recfe, PE, Brasl Tel: (+55 81) Fax: (+55 81) Emal: ony@chesfgovbr

2 4 Modelagem probablístca de equpamentos e esquemas de proteção; 5 Estmatva de conseqüêncas para cada modo de falha; 6 Cálculo e dentfcação de áreas de rsco para uma subestação real; 7 Recomendações de melhoras na proteção para reduzr rsco 30 - MODELOS DO PROCESSO 2 Redes elétrcas e outros processos ndustras são formados pela nterlgação de mutos componentes, dstrbuídos por extensas áreas geográfcas, os quas formam subconjuntos que realzam uma ou mas funções nterdependentes, de nteresse da ndústra Além do comportamento ntrínseco dos componentes, as redes elétrcas de alta tensão dependem também de complexos sstemas de proteção e automação, que também formam redes dstrbuídas, as quas possuem comportamentos própros que afetam o desempenho da rede e de todo o processo automatzado A fgura a segur mostra um dagrama unflar da subestação de Recfe II, uma nstalação de transmssão pertencente à Companha Hdro Elétrca do São Francsco (CHESF), localzada na regão metropoltana do Recfe, captal do Estado de Pernambuco Será utlzada para lustrar a metodologa usada neste artgo Uma capacdade de curto-crcuto de 7 GVA em sua barra de 500kV é uma medda da potênca destrutva lberada por esta estação durante uma falta prmára FIGURA 1 Subestação de Recfe II Para avalar o rsco de uma subestação ou planta, é necessáro dentfcar as partes sujetas a falhas ou danos Neste aspecto, é nstrutvo dvdr a planta em zonas possíves de solamento em caso de acdente O solamento é obtdo por dsjuntores, mostrados como pequenos quadrados na Fgura 2 Estas zonas são mostradas na Fgura 3 Note a sobreposção ntenconal de algumas zonas para proteger também os dsjuntores FIGURA 2 Zonas de Proteção de Recfe II

3 3 Cada undade prncpal ou zona de proteção é montorada por um conjunto de relés e transformadores de nstrumentos (corrente e tensão) que atuam sobre seus dsjuntores Idealmente, cada zona devera ser delmtada por seus própros dsjuntores, para permtr o solamento de outras zonas em caso de defeto Lmtações de custo podem determnar uma topologa dferente deste crtéro Conforme mostrado na Fgura 3, é uma prátca recomendada sobrepor partes comuns de zonas adjacentes vsando evtar espaços vazos, ou zonas que não sejam montoradas ao menos por uma proteção prmára A Fgura 3 é um desenho unflar de projeto dos sstemas de proteção da Subestação de Recfe II Cada função de proteção é dentfcada pela numeração padrão NEMA/IEC para relés de proteção Note a localzação dos transformadores de nstrumentos e dspostvos de proteção, e como eles são conectados Observe também como a sobreposção das zonas é obtda pelo cruzamento dos transformadores de corrente de undades adjacentes Embora não mostrado nesta fgura, a maora dos dspostvos de proteção é duplcada nas undades de 500kV, para aumentar sua confabldade O camnho de trp dos relés para cada dsjuntor também fo omtdo para smplfcar a fgura Fgura 3 Sstema de Proteção de Recfe II Duas fontes prncpas de defetos podem orgnar falhas em uma subestação: falhas prmáras nos equpamentos de alta tensão, ou falhas secundáras nos equpamentos de controle, proteção e auxlares Para mnmzar o rsco, é uma prátca corrente na ndústra elétrca proteger cada equpamento com um segundo conjunto de relés, conhecdo como proteção secundára, usado normalmente também como proteção prmára de equpamentos adjacentes ou estações vznhas Para aumentar a segurança, normalmente eles atuam em dsjuntores dferentes daqueles aconados pela proteção prmára Cada undade tem tantas proteções secundáras quantas são as undades ou subestações adjacentes, para as quas exsta um camnho elétrco como fonte de potênca Estes concetos permtem desenhar a árvore de eventos prncpal de uma falha crítca em uma estação (Fgura 4) FIGURA 4 Níves de Falha e Árvore de Eventos Incando pela ocorrênca de uma falha prmára, chamada de prmero nível de falha, é possível lmtar o pergo ou rsco a uma falha de undade, pela ação de sua proteção prmára, solando apenas a undade em falha Caso haja recusa da proteção prmára, as conseqüêncas podem evolur para uma falha da planta ou estação, com desconexão da planta completa ou uma grande parte dela, pela atuação da proteção secundára ou de retaguarda (backup) A falha smultânea das proteções prmáras e secundáras resultará em uma falha crítca, provavelmente com a perda completa do equpamento sob defeto, e nterrupção do servço de suprmento elétrco a uma área regonal maor Uma ntervenção manual ou atuação de proteção remota será necessára para nterromper a fonte de potênca de curto-crcuto para a subestação sob defeto A falta de nterrupção automátca submeterá mutas undades a estresses elevados, durante o tempo necessáro para ações humanas para solar o defeto Usualmente, estes eventos são segudos pelo deslgamento do sstema de potênca ntero, com conseqüêncas econômcas e socas elevadas

4 4 Uma vez defndo o conceto de falha crítca, é possível ncar a construção da árvore de falha para a subestação ntera Para sto propõe-se uma abordagem de cma para baxo (top-down), onde o evento prncpal ou raz, dentfcado como a falha catastrófca de toda a nstalação, é defndo como a ocorrênca de qualquer falha crítca em qualquer de suas undades prmáras Esta defnção é coerente com o conceto de uma catástrofe, uma vez que a energa lberada e a nstalação estarão lteralmente fora de controle, por meos automátcos, de acordo com a defnção de falha crítca Para lustrar este método, a Fgura 5 mostra apenas o topo da árvore de falha da Subestação de Recfe II Observe-se que o evento raz, uma falha catastrófca na subestação, é composto, no nível segunte, por todas as possíves falhas crítcas nesta estação Exstem tantos modos de falha crítcos quanto sejam as undades prmáras na estação, sto é, 27 undades de alta tensão neste exemplo Estes eventos são dentfcados pelo códgo operaconal de cada undade, como mostrado nas fguras anterores FIGURA 5 Raz da Árvore de Falha de Recfe II Para detalhar mas anda a árvore de falha da subestação, é necessáro expandr cada falha crítca em seus modos de falha consttuntes Isto sgnfca elctar a sub-árvore para cada falha crítca, sto é, 27 pequenas árvores para o exemplo em estudo De acordo com sua defnção, uma falha crítca em uma undade é caracterzada pela ocorrênca smultânea de um evento de falha nterna na undade, segundo de sua falha (recusa) da proteção prmára, e da falha (recusa) de qualquer das proteções de retaguarda (backup) de qualquer undade adjacente Esta lógca pode ser traduzda em uma árvore de falha típca para cada undade, conforme mostrado na Fgura 6 Note-se que esta árvore terá tantas folhas quanto sejam as proteções de retaguarda em undades adjacentes ou estações vznhas, dependendo da topologa do sstema e dos ajustes dos sstemas de proteção FIGURA 6 Árvore de Falhas Crítcas O ajuste de cada sstema de relés e seu camnho de trp determnam que dspostvo de proteção atua como proteção de retaguarda para cada outra undade Como regra, se possível, cada conjunto de proteção devera agr como retaguarda de suas undades adjacentes, sujetos aos crtéros de coordenação e tecnologa utlzada Este aspecto confgura-se como uma questão complexa que deve ser elctada pelo departamento responsável pelos ajustes da proteção, ou consultando os estudos operatvos de cada empresa, uma vez que depende do tpo de proteção utlzado A Fgura 7 mostra, através de um grafo de dependênca, que undade atua como retaguarda das outras undades, na subestação de Recfe II Nesta fgura, uma seta conectando duas undades (vértces do grafo, mostradas como círculos) representa uma proteção de retaguarda undreconal da undade de orgem (da seta) sobre a undade de destno (apontada pela seta) Uma lnha smples (sem setas) conectando duas undades representa uma proteção de retaguarda b-dreconal, sto é, cada undade conectada atua como proteção de retaguarda e smultaneamente é protegda pela outra undade conectada

5 5 FIGURA 7 Proteção de Retaguarda de Recfe II Este grafo de nfluênca deve ser utlzado para defnção da lógca da Fgura 6, para especalzar a árvore de falhas crítcas de cada undade, até a falha de cada sstema de proteção prmára A árvore de falha expandda para uma falha catastrófca da subestação de Recfe II, nclundo estas sub-árvores, é mostrada na Fgura 8 FIGURA 8 Árvore de Falha de Recfe II Note-se como a parte densa desta fgura fo defnda pela relação de dependênca lógca da proteção de retaguarda (Fgura 8) e como ela afeta a complexdade da árvore resultante Detalhes adconas poderam ser acrescentados, tas como a expansão dos eventos prmáros, representados como pequenos círculos nesta fgura Estes eventos representam as falhas prmáras da undade, ou falhas secundáras na proteção ou equpamentos auxlares 40 - ANÁLISE DE RISCO Um modelo matemátco da planta deve ser defndo para elctar todos os dados estatístcos necessáros para avalação de rsco Este modelo será dervado da árvore de falha desenvolvda no tem anteror O rsco total envolvdo em uma planta ntera pode ser avalado a partr da probabldade do evento topo ou raz A partr da estrutura da Fgura 8, o evento catastrófco é formado pela unão de todos os eventos crítcos, de tal forma que a função estrutural pode ser expressa por: R = U R S, e sua probabldade por:, R = 1 (1 ) onde R é a probabldade do evento raz, R é a probabldade de ocorrênca do evento crítco, e S é o conjunto de todas as undades na planta Nestas e nas expressões seguntes, o mesmo símbolo será usado para representar um evento em uma expressão lógca ou função estrutural em um conjunto de equações, e sua probabldade em expressões algébrcas de rsco O contexto será sufcente para determnar o sgnfcado aplcável De acordo com a S R

6 6 Fgura 7, um evento crítco acontece quando exste uma falha no equpamento E, com a falha smultânea de sua proteção prmára P e qualquer das proteções de retaguarda, ou seja, em termos da função lógca estrutural: R = E I P IU P, ou j R = EP (1 Pj ) B onde protects = { j S j, j }, B S E é a probabldade de uma falha na undade, e P e P j são as probabldades de falhas nas proteções prmáras e de retaguarda, respectvamente Com sto, a função estrutural e probabldade do evento raz reduzem a: U I I U S B, e R = E P P R = 1 j 1 EP (1 P ) j S Agora, seja F a freqüênca méda (taxa) de ocorrênca de eventos catastrófcos na planta, dada por: dp F = = S de E dp +, onde as dervadas totas são taxas de mudanças das varáves bnáras assocadas do estado normal para o estado de falha (de 0 para 1), e as dervadas parcas são probabldades do evento raz, sendo dependente do estado de cada evento prmáro O rsco total pode ser avalado por esta taxa, ou ponderando cada parcela desta expressão pela conseqüênca assocada: dp R = C = S C E E de + C P dp, onde C = custo médo ou conseqüênca de uma catástrofe na planta; C E = custo de uma falha na undade sem falha de proteção; e C P = custo de uma falha de proteção na undade Agora, o custo de uma transção no estado ou falha apenas da proteção pode ser descartado por ser desprezível, quando comparado ao custo de uma falha na undade protegda Assm, o rsco total pode ser avalado por: R = S C E E de onde de F = Nesta expressão, C E e de / são dados prmáros de cada undade, dados, por exemplo, pelo custo de captal As dervadas parcas são expressões probablístcas obtdas da equação de defnção do rsco R acma: R = E E = P (1 P ) Note-se que esta expressão mede a probabldade da undade operando sem proteção prmára e secundára Cada P é também um dado prmáro necessáro para cada sstema de proteção da planta A expressão fnal para o rsco catastrófco será então: R = CE P (1 P ) F S Para avalar esta expressão, o analsta deve ter números para o custo e taxa de falha de todas as undades de alta tensão, e probabldades de cada falha na proteção Estes dados podem ser dervados de modelos markovanos de cada undade e sua proteção Opconalmente, pode-se adotar o custo untáro C = 1 para todos os eventos de rsco, gerando a probabldade de eventos catastrófcos na nstalação De acordo com este modelo, apenas a probabldade do estado de falha da proteção e a freqüênca de falha da undade serão necessáros A Tabela 1 mostra os dados hstórcos da Chesf, aplcáves à subestação de Recfe II Tabela 1 Taxas de Falha e Probabldade de Falha da Proteção Undade Taxa de Falha (1/h) Probabldade de Falha da Proteção Síncronos 4,9044e-4 0, Lnhas 1,0825e-3 0, Barramentos 4,4915e-5 0, Transformadores 1,4977e-4 0, Reatores 1,8701e-5 0,660874

7 7 Utlzando os dados da Tabela 1, e a fórmula geral de rsco, obtém-se a dstrbução de rsco catastrófco na Subestação de Recfe II, para cada componente: R = P (1 P ) F O gráfco da Fgura 9 lustra a dstrbução do rsco catastrófco entre os equpamentos da Subestação de Recfe II, expresso em probabldade de snstro por hora, utlzando esta fórmula e os dados da Tabela 1 4,00E-05 3,50E-05 3,00E-05 2,50E-05 2,00E-05 1,50E-05 1,00E-05 5,00E-06 0,00E+00 Rscos Catastrófcos 01K1 01K2 04B1 04B2 04C1 04C2 04C4 04C5 04C6 04C8 04C9 04M1 04M2 04M3 04T5 04V1 04V2 04V3 05B1 05B2 05E1 05E2 05L8 05L9 05T1 05T2 05T3 FIGURA 9 Dstrbução Horára de Rsco Catastrófco da SE Recfe II Note-se, neste gráfco, a elevada concentração relatva do rsco assocado aos compensadores síncronos 01K1 e 01K2, em comparação aos demas equpamentos Este cálculo confrma o hstórco de snstros envolvendo este tpo de equpamento, nas dversas subestações da Chesf, tas como Campna Grande II, Natal II, Bong, Curras Novos, Matatu Em compensação, é bastante reduzdo o rsco catastrófco de defetos nos barramentos de 230kV (04B1 e 04B2) e 500kV (05B1 e 05B2), bem como nos reatores de 500kV (05E1 e 05E2) Estes dados também confrmam o hstórco de snstros da empresa neste tpo de equpamento A dentfcação dos equpamentos cuja melhora na taxa de falha tem maor mpacto no rsco da subestação pode ser determnada por um índce de rsco relatvo, dado por: F R RE = = CP R F (1 Pj ) F k S Ck Pk (1 P ) Fk A dstrbução percentual desta métrca entre os dversos equpamentos da subestação de Recfe II pode ser observada no gráfco da Fgura 10 a segur, usando esta fórmula Áreas de Rsco 01K1 01K2 04B1 04B2 04C1 04C2 04C4 04C5 04C6 04C8 04C9 04M1 04M2 04M3 04T5 04V1 04V2 04V3 05B1 05B2 05E1 05E2 05L8 05L9 05T1 05T2 05T3 FIGURA 10 Dstrbução Percentual de Áreas de Rsco da SE Recfe II Observe-se, novamente, que a melhora na taxa de falha dos compensadores síncronos 01K1 e 01K2 produzra o maor mpacto percentual no rsco da nstalação, em comparação aos demas equpamentos Os baxos percentuas de melhora nos rscos assocados aos barramentos (04B1, 04B2, 05B1 e 05B2) e reatores (05E1 e 05E2), confrmam o resultado anteror, ou seja, não são ndcados para melhora do rsco da nstalação Um índce smlar pode ser defndo para medr a contrbução relatva da varação na confabldade dos sstemas de proteção no rsco catastrófco da planta: P R RP = = C P R (1 Pj ) F + P C jpj Fj k S Ck Pk k (1 Pj ) Fk Estes índces ajudam na dentfcação de melhoras necessáras nos sstemas de proteção em uma planta ndustral, e para solar qualquer sstema que necesste de mas proteção A Fgura 11 mostra estes índces para a planta de Recfe II, avalados com a expressão acma e a Tabela 1

8 8 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Rscos da Proteção 01K1 01K2 04B1 04B2 04C1 04C2 04C4 04C5 04C6 04C8 04C9 04M1 04M2 04M3 04T5 04V1 04V2 04V3 05B1 05B2 05E1 05E2 05L8 05L9 05T1 05T2 05T3 FIGURA 11 Dstrbução de Rsco da Proteção da SE Recfe II É evdente que as proteções da Barra 04B2 e do transformador 04T5 que almentam os compensadores síncronos são aquelas com maor sensbldade sobre o rsco catastrófco da subestação Um aumento na confabldade destes sstemas de proteção tera o maor mpacto benéfco no rsco da planta No extremo oposto, as proteções de lnha são as de menor sensbldade sobre o rsco catastrófco da nstalação, não sendo recomendadas para melhora do rsco catastrófco 50 - CONCLUSÕES Este artgo teve como objetvo analsar os modelos de redes elétrcas e ndustras necessáros à avalação de rscos de grandes acdentes Os modelos estudados podem ser usados para analsar decsões tomadas em nível de cada componente, com relação aos resultados e rscos empresaras decorrentes A smulação destes modelos vablza a quantfcação dos mpactos provocados nos rscos pelo desempenho de cada componente da rede, e, prncpalmente, permte otmzar as decsões e maxmzar os resultados de nteresse da empresa, clentes e socedade As smulações realzadas demonstram a capacdade do método em dentfcar as áreas de rsco da nstalação, bem como os locas onde se deve melhorar o sstema de proteção ou os equpamentos protegdos A análse de rsco em sstemas elétrcos de potênca e plantas ndustras pode ser de nteresse para mutos profssonas de planejamento, manutenção e operação, em empresas de energa, seguros, segurança; agêncas reguladoras, fnancadoras e lgadas ao meo ambente, nteressados na segurança legal e/ou socal de empreendmentos de grande porte Além do seu valor ntrínseco como ferramenta de decsão, a análse de rsco possu um efeto ddátco defntvo, na medda em que força o analsta a tornar explíctos o comportamento do processo, e seus pergos Ao apresentar uma metodologa e um caso real, espera-se que o método venha a contrbur para a dssemnação dos benefícos da análse de rscos no setor elétrco e ndustral em geral 60 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Jones, R B, "Rsk-Based Management A Relablty-Centered Approach, Gulf Publshng Company, 1995 [2] Squera, IP, Manutenção Centrada na Confabldade: Manual de Implementação, Eora QualtyMark, 2005 [3] Squera, I P, Processos de Decsão Markovanos em Sstemas de Segurança e Proteção, Tese de Mestrado em Engenhara de Produção, UFPE, Recfe, 1999 [4] Squera, I P, Modelagem de Componentes para Avalação de Desempenho de Redes Elétrcas, Projeto de Pesqusa, Unversdade Federal de Campna Grande, Campna Grande, 2007 [5] LI, W, Rsk Assessment of Power Systems: Models, Methods, and Applcatons, Wley-Interscence, New York, 2005 [6] Squera, I P, Optmum Relablty-Centered Mantenance Task Frequences for Power System Equpments, 8th PMAPS, IEEE, 2004 [7] Squera, I P, Measurng the Impact of an RCM Program on Power System Performance, IEEE PES General Meetng, IEEE, 2005 [8] L, W, Rsk Assessment of Power Systems Models, Methods, and Applcatons, Wley, 2005 [9] SIQUEIRA, IP, Processos de Decsão Markovanos em Sstemas de Segurança e Proteção, Tese de Mestrado em Engenhara de Produção, UFPE, Recfe, DADOS BIOGRÁFICOS Iony Patrota de Squera é engenhero eletrcsta, com mestrado em Engenhara de Produção, e especalzação em Sstemas de Informação Atualmente é gerente do Departamento de Sstemas de Proteção e Automação da CHESF, Vce Dretor Regonal da Abraman e Secretáro Internaconal do Comtê de Estudos B5 do Cgré Benemar Alencar de Souza é engenhero eletrcsta, com mestrado e doutorado em Engenhara Elétrca Atualmente é coordenador dos cursos de pós-graduação em Engenhara Elétrca da Unversdade Federal de Campna Grande