VI SBQEE. 21 a 24 de agosto de 2005 Belém Pará Brasil

Transcrição

1 VI SBQEE 21 a 24 de agosto de 2005 Belém Pará Brasil Código: BEL Tópico: Modelagem e Simulações ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DAS VARIAÇÕES DE TENSÃO DE CURTA DURAÇÃO (VTCDs) UTILIZANDO COMPARAÇÃO ENTRE OS PROGRAMAS ATP E ANAFAS ANTONIO J B CARVALHO* W CHARONE JUNIOR ELETRONORTE MARCUS V A NUNES JOSÉ M MACHADO GHENDY C JUNIOR JUCILENO S SILVA JURANDYR N GARCEZ SANMY C ALMEIDA RESUMO Este artigo aborda o uso do programa ATP (Alternative Transients Program) em estudos de Variações de Tensão de Curta Duração (VTCD), visando a sua validação por meio de um programa específico para análise de faltas simultâneas, ANAFAS Inicialmente, apresentamse as principais metodologias e normas para caracterização deste fenômeno de qualidade de energia elétrica, com ênfase nos afundamentos de tensão Em seguida, descreve-se as características dos programas utilizados nas simulações e finalmente a apresentação de um estudo de caso real, no qual é demonstrado claramente que a metodologia baseada em análise dinâmica via ATP é plenamente aplicável aos estudos de VTCDs PALAVRAS-CHAVE Qualidade de Energia Elétrica, VTCD, Afundamentos de tensão, ANAFAS e ATP 10 INTRODUÇÃO Atualmente, com os recentes avanços da tecnologia relacionados com a ampla utilização de sistemas automatizados, tem-se observado cada vez mais o aumento da produtividade nos processos industriais Por outro lado, as instalações elétricas industriais ficam muito vulneráveis aos fenômenos de qualidade de energia, como por exemplo, as VTCDs Esse fenômeno causa afundamentos na magnitude da tensão eficaz, durante um pequeno intervalo de tempo, chegando a provocar a parada indesejada da produção em alguns casos, devido ao alto grau de sensibilidade destes equipamentos [1], [2] Dentro deste contexto, este trabalho desenvolve um estudo sobre os afundamentos de tensão (Voltage Sag) que representam, atualmente, o principal desafio a ser enfrentado por empresas de energia, consumidores e fornecedores de equipamentos elétricos de um modo geral As ocorrências de afundamentos de tensão, combinadas com a sensibilidade dos equipamentos modernos, têm resultado em um número expressivo de interrupções de processos industriais levando a prejuízos consideráveis Deste modo, as normas e padronizações em qualidade da energia são, na grande maioria das vezes, voltadas para garantir a manutenção da tensão dentro de certos limites O presente artigo aborda inicialmente, as diversas formas de caracterização do fenômeno de afundamento de tensão encontrada na literatura pertinente a este tema Em seguida, é feita a caracterização dos fenômenos de afundamentos de tensão através de simulações com os programas ANAFAS e ATP, mostrando os seus resultados e realizando comparações numéricas Universidade Federal do Pará / NESC Núcleo de Energia, Sistemas e Comunicação Campus Universitário do Guamá - C Postal: CEP: Belém/PA Fax: (91) / ajbc@ufpabr

2 VARIAÇÃO DE TENSÃO DE CURTA DURAÇÃO (VTCD) As metodologias aplicadas em estudos transitórios para a caracterização de VTCDs, em grande parte limitam-se aos fenômenos de afundamentos de tensão, pelo simples fato dos mesmos provocarem grandes impactos sobre os consumidores industriais Os afundamentos de tensão no sistema elétrico são gerados, na maioria das vezes, pela partida de motores de grande porte, energização de transformadores e ocorrência de curtoscircuitos na rede, defeitos estes mais comuns em um sistema de energia elétrica 21 Métodos de Caracterização Existem vários métodos utilizados para caracterizar as VTCDs, os quais consideram como principais parâmetros: a intensidade e a duração do fenômeno Desta forma, serão apresentados a seguir os principais métodos de caracterização dos afundamentos de tensão [2] a) Método a Dois Parâmetros Este método considera como parâmetros de caracterização a intensidade e a duração do afundamento de tensão Está dividido em duas categorias: medições monofásicas e medições trifásicas Os principais parâmetros que caracterizam um afundamento de tensão monofásico são a amplitude e a duração, conforme mostrado na Figura 1, os quais, somados à freqüência de ocorrência, fornecem informações satisfatórias sobre o fenômeno No entanto, quando se trata de afundamentos de tensão trifásicos, outros parâmetros também podem ser incorporados, sendo eles a assimetria e o desequilíbrio 1,2 Magnitude e Duração do Voltage Sag Figura 1 Magnitude e duração do afundamento de tensão Adicionalmente, o comportamento dinâmico associado à evolução da forma de onda, também pode ser empregado para caracterizar tanto os afundamentos de tensão monofásicos como os trifásicos Normalmente, visando facilitar a caracterização dos afundamentos de tensão trifásicos, utiliza-se um procedimento chamado de agregação de fases b) Método a Um Parâmetro Este método utiliza apenas um parâmetro para caracterizar um evento Apesar disto proporcionar uma perda de informação, o método a um parâmetro tem a vantagem de simplificar a comparação entre eventos, entre desempenho de locais de medição (barras), e sistemas A principal desvantagem deste método é o fato de que o resultado do mesmo não se relaciona diretamente com o comportamento de equipamentos sensíveis Os principais métodos a um parâmetro são: Perda de Tensão, Perda de Energia, Método Proposto por Thallan e Método Proposto por Heydt 22 Normatização Duas das principais normas aplicáveis aos estudos de VTCDs são descritas a seguir a) Segundo o IEEE O Institute of Electric and Electronics Engineers - IEEE, define através da norma 1159 o afundamento de tensão como sendo uma redução do valor RMS da tensão entre 0,1 e 0,9 pu, durante um período de tempo entre 1/2 ciclo e 60 segundos O IEEE ainda classifica os afundamentos de tensão, segundo a sua duração, nas seguintes categorias: Instantâneos: entre 0,5 ciclo e 30 ciclos; Momentâneos: entre 30 ciclos e 3 segundos; Temporários: entre 3 segundos e 1 minuto Tensão em pu 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Duração Intensidade A menor tensão remanescente durante a ocorrência do distúrbio é definida como a intensidade de um afundamento de tensão, ou seja, a ocorrência de um afundamento de tensão de 0,80 pu significa que a tensão foi reduzida para o patamar de 0,80 pu Um evento cuja intensidade é inferior a 0,10 pu é considerado pelo IEEE como sendo uma interrupção [3] 0, Tempo em ciclos

3 549 b) Segundo o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) De acordo com a definição documentada nos procedimentos de rede do ONS, obtida do Subgrupo de VTCD s, entende-se por Variação de Tensão de Curta Duração um desvio significativo da amplitude da tensão num curto intervalo de tempo A amplitude da VTCD é definida pelo valor extremo do valor eficaz da tensão em relação à tensão de referência (nominal, pré-falta, operativa) do sistema no ponto considerado, enquanto perdura o evento A duração da VTCD é definida pelo intervalo de tempo decorrido entre o instante em que o valor eficaz da tensão em relação à tensão de referência do sistema, no ponto considerado, ultrapassa determinado limite e o instante em que a mesma variável volta a cruzar este limite Assim, as VTCDs foram classificadas pelo Subgrupo a partir da duração e amplitude, como descrito na Tabela 1 [4] Tabela 1 Classificação das VTCDs Classificação Magnitude (m) duração (d) Elevação m > 1,1 pu Momentâneo Afundamento 0,1 m < 0,9 pu 1ciclo < d 3 s Interrupção m < 0,1 pu d 3 s Elevação m > 1,1 pu Temporário Afundamento 0,1 m < 0,9 pu 3 s < d 60 s Interrupção m < 0,1 pu 30 SIMULAÇÃO DE AFUNDAMENTOS DE TENSÃO Em função da aleatoriedade das ocorrências de afundamentos de tensão, os métodos de simulação apresentam-se como uma boa alternativa para se obter estatisticamente os parâmetros destes distúrbios, evitando-se despender grandes recursos financeiros e longos períodos de medição [5] As ferramentas computacionais utilizadas para se determinar os parâmetros e as estatísticas dos afundamentos de tensão são bem conhecidas e podem ser agrupadas em três classes: Simulação da forma de onda; Simulação dinâmica; Simulação de faltas A seguir são apresentados os principais itens a serem considerados quando se emprega uma dessas metodologias: Dados de componentes de seqüência positiva, negativa e zero do sistema (linhas de transmissão, transformadores, geradores, etc); Tensões pré-falta obtidas do estudo de fluxo de potência para os diversos regimes de carga (leve, média e pesada); Dados estatísticos de impedância de falta; Modelagem da carga; Modelos dinâmicos detalhados dos componentes do sistema de energia elétrica 31 Alternative Transients Program - ATP O ATP é um programa desenvolvido originalmente para a simulação de fenômenos transitórios em sistemas elétricos de potência e a sua aplicação em estudos de qualidade de energia, como qualquer outro programa do tipo EMTP, abrange diversas áreas, como [6]: Desenvolvimento de modelos para componentes do sistema de potência e fontes de perturbações; Análises dos efeitos das perturbações relacionadas com a qualidade de energia, mediante simulações no domínio do tempo ou da freqüência; Projeto e análise de técnicas de mineração de dados; Processamento dos resultados da simulação; Apesar do ATP ser a ferramenta computacional mais utilizada para estudos de transitórios eletromagnéticos, a sua formatação de entrada de dados por ser muito rígida, acaba se tornando um grande obstáculo para quem deseja utilizá-la Por isso as simulações apresentadas neste trabalho foram desenvolvidas pelo o seu aplicativo ATPDraw No ATPDraw é possível construir um diagrama unifilar a partir de modelos prédefinidos dos principais componentes de uma rede elétrica, como: as representações de elementos a parâmetros concentrados, elementos distribuídos, chaves, geradores, transformadores, linhas de transmissão, páraraios, reatores, não-linearidades, etc O ATPDraw é um software com interfaces para o Windows 9x/NT/2000/XP com muitos recursos gráficos, que permitem a criação e edição dos arquivos de dados de entrada para o processamento no ATP [7] De uma forma geral, são considerados parâmetros em componentes de fase (monofásico ou trifásico) e em seqüência (zero,

4 550 positiva e negativa), dependendo do estudo a ser desenvolvido Uma outra vantagem está na utilização de programas para processamento das saídas gráficas dos resultados das simulações, que são feitas por meio de programas específicos como o PLOTXY, PCPLOT, GTPPLOT, GNUPLOT, etc, podendo ser executados diretamente na barra de ferramentas do ATPDraw 32 Análise de Faltas Simultâneas - ANAFAS O ANAFAS é um programa de análise estática para solução de faltas de diversos tipos e composições, em sistemas elétricos de grande porte O princípio de cálculo dos afundamentos de tensão está baseado no método das posições de falta ou do curto-circuito deslizante, mostrado na figura 2 Solução orientada a ponto-de-falta ou a pontode-monitoração, onde o usuário define as grandezas a serem observadas; Outros serviços auxiliares como: cálculo de equivalentes de curto-circuito, remoção automática de barras fictícias, diversos tipos de relatórios de dados, comparação de configurações e evolução de nível de curtocircuito; 33 Comparações entre os resultados das Simulações do ATP com o ANAFAS O estudo de caso foi feito utilizando-se o sistema elétrico de transmissão da ELETRONORTE no estado do Pará, restringindose a sua área nordeste, conforme mostra o diagrama unifilar da figura 3, a seguir será feita à análise do perfil dos afundamentos para este sistema Esta área do sistema de transmissão abrange as subestações de Tucuruí - TUC e Vila do Conde - VCD em 500 kv e as demais em 230 kv: Vila do Conde - VCD, Guamá - GUA, Utinga - UTN e Santa Maria - STM Figura 2 - Método de posições de faltas Este método consiste na observação do afundamento de tensão em uma barra de referência, mediante a aplicação de faltas em posições sucessivas ao longo do sistema elétrico [5] O tratamento dessas informações é realizado no programa Anaquali, que possibilita a apresentação dos resultados em forma de relatórios ou gráficos As principais características funcionais do programa ANAFAS são [8]: Uso interativo, com interface amigável; Possibilidade de gerar arquivos de resultados para serem visualizados pelo programa VISUANA; Grande capacidade, permitindo a solução direta de curtos-circuitos em sistemas elétricos de grande porte, resultando em execução rápida; Facilidade e flexibilidade na definição dos casos, permitindo a modelagem de faltas compostas (simultâneas), aplicadas sobre barras e/ou pontos intermediários de linhas de transmissão; Execução de estudos macro (conjunto de casos gerados automaticamente), especificados pelo usuário; G1 G12 G13 G18 TUCURUÍ 500kV VILA DO CONDE 500kV VILA DO CONDE ALBRAS+ALUNORTE GUAMÁ CS CS UTINGA SANTA MARIA CASTANHAL Figura 3 - Diagrama Unifilar da Área Nordeste do Sistema de Transmissão do Pará Dentro deste contexto, as simulações realizadas nos programas ANAFAS e ATP requerem informações sobre os parâmetros do sistema visando a sua correta modelagem dentro do ambiente de cada programa No ANAFAS os modelos foram desenvolvidos por representações simplificadas, ou seja, modelos equivalentes Por outro lado à modelagem via ATP foi concebida por meio do software ATPDraw, utilizando-se modelos mais sofisticados para a representação dos componentes do sistema em estudo, como mostra a figura 4

5 551 Figura 4 Diagrama Unifilar do Sistema modelado no ATPDraw Baseado nas taxas de falhas para este sistema de transmissão (500 kv e 230 kv), por tipo de falta, que são mostradas na tabela 2, foram adotados somente as faltas fase-terra (FT) e fase-fase-fase (FFF) para as simulações de afundamentos de tensão Tabela 2 - Taxas de falhas de linhas de transmissão por tipo de falta Tensão Falhas/100 Falhas/Tipo de Defeito (%) (kv) km/ano FT FF FFT FFF Nestas simulações, tanto no ANAFAS como no ATP, foi escolhida como barra de referência à barra da SE Vila do Conde em 230 kv (VCD 230), a fim de evidenciar os afundamentos de tensão provocados pela aplicação de curtos-circuitos FT e FFF ao longo da linha de transmissão entre as barras VCD 230 kv e GUA 230 kv, com o intervalo de cálculo de 10% em relação à barra de interesse As figuras 5 e 6 mostram o perfil dos afundamentos de tensão, para a fase A, nos programas ANAFAS e ATP, após a aplicação De um curto-circuito FT e FFF, respectivamente, durante 100ms, este intervalo de tempo é considerado um valor padrão para simulações de fenômenos dessa natureza TENSÃO (pu) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Curto FT na linha C1 - VCD-GUA 230 kv Fase A (ANAFAS) Fase A (ATP) 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Figura 5 Perfil dos afundamentos de tensão ao longo da linha C1 VCD-GUA 230 kv para a fase A, curto FT As simulações desenvolvidas no ATP mostram o comportamento do afundamento de tensão por meio de sua amplitude e duração, mostradas nas figuras 7 e 8 a seguir, estes perfis de tensão foram originados por curtos-circuitos FT e FFF, aplicados no meio do circuito C1 da linha de transmissão que interliga as subestações de Vila do Conde e Guamá, em 230 kv TENSÃO (pu) Curto FFF na linha C1 - VCD-GUA 230 kv Fase A (ANAFAS) Fase A (ATP) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Figura 6 Perfil dos afundamentos de tensão ao longo da linha C1 VCD-GUA 230 kv para a fase A, curto FFF Voltage (kv) CURTO FT A 50% DA LINHA VCD-GUA-C1-230 kv Fase A Fase B Fase C Time (ms) Figura 7 Perfil do afundamento de tensão originado por um curto-circuito monofásico a 50% do comprimento da linha VCD-GUA-C1 CURTO FFF A 50% DA LINHA VCD-GUA-C1-230 kv Voltage (kv) Fase A Fase B Fase C Time (ms) Figura 8 Perfil do afundamento de tensão originado por um curto-circuito trifásico a 50% do comprimento da linha VCD- GUA-C1

6 552 A tabela 3, mostra a comparação entre os resultados (em pu) provenientes das simulações realizadas com os programas ANAFAS e o ATP para curtos-circuitos FT e FFF aplicados sucessivamente a cada 10% da linha VCD-GUA-C1 em 230 kv Tabela 3 Comparação entre os resultados das simulações entre ANAFAS e ATP Trecho da Linha VCD-GUA 230 kv - Falta FT Programas 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% ANAFAS 0,295 0,425 0,515 0,565 0,590 0,605 0,615 0,615 0,605 0,590 ATP 0,343 0,455 0,542 0,597 0,633 0,657 0,671 0,679 0,662 0,650 ERRO % 4,80% 3,01% 2,69% 3,18% 4,29% 5,16% 5,64% 6,39% 5,70% 5,98% Trecho da Linha VCD-GUA 230 kv - Falta FFF ANAFAS 0,125 0,210 0,275 0,320 0,360 0,385 0,395 0,405 0,410 0,410 ATP 0,156 0,231 0,299 0,349 0,385 0,411 0,427 0,437 0,440 0,440 ERRO % 3,10% 2,08% 2,41% 2,90% 2,55% 2,59% 3,23% 3,21% 2,98% 2,95% Estes resultados mostram que a diferença existente entre os estudos realizados com os dois programas não chega a 6,5% em relação à tensão nominal (1 pu), demonstrando a plena adequação do ATP para estudos de VTCDs 40 CONCLUSÕES Ainda não existe hoje um consenso mundial sobre qual o limite de tempo que melhor caracteriza um fenômeno como sendo de longa ou curta duração Para tanto, torna-se necessário o acompanhamento dos indicadores da qualidade de energia e a identificação de responsabilidades por eventuais violações dos padrões estabelecidos e normatizados Dentro deste contexto, encontra-se a necessidade de se evidenciar os registros de possíveis ocorrências de VTCDs, com o intuito de proporcionar aos consumidores de energia elétrica, que possuem equipamentos sensíveis, a delimitação de uma área de vulnerabilidade aos afundamentos de tensão Neste trabalho, procurou-se apresentar as performances dos programas ANAFAS e ATP em análises de afundamentos de tensão, mostrando as facilidades de modelamento do sistema elétrico de potência, a partir dos parâmetros de seus componentes, além dos recursos gráficos para a apresentação dos seus resultados Fica evidente que a precisão alcançada em cada um dos programas está diretamente relacionada com o grau de sofisticação empregado na representação dos modelos para o sistema elétrico, além das condições iniciais consideradas Os resultados obtidos destacam a importância de se usar o ATP em estudos de qualidade de energia, pois, como às vezes não se tem disponibilidade de equipamentos e nem tempo suficiente para se registrar esses fenômenos nos sistemas elétricos, um programa que descreve o comportamento dinâmico e transitório do sistema de forma detalhada e precisa se torna fundamental para as análises de tais fenômenos 50 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Dugan, R C; McGranaghan, M F; Beaty, H W; Electrical Power Systems Quality ; Ed McGraw-Hill; 1996, New York [2] ONS Operador Nacional do Sistema; Estado da Arte de Indicadores para Afundamentos de Tensão ; Julho 2001 [3] IEEE, IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality, IEEE Standard [4] ONS - Operador Nacional do Sistema; Padrões de Desempenho da Rede Básica - Submódulo 22 ; Versão aprovada pelo conselho administrativo; Outubro 2000 [5] ONS Operador Nacional do Sistema; Cálculo de Afundamentos de Tensão-Projeto- Minas ; Julho 2001 [6] J A Martinez and J Martin-Arnedo, Aplicación del Paquete ATP en el Análisis de Huecos detensión, Revista Iberoamericana del ATP, vol 1, no 3, Septiembre 1999 [7] L Prikler, HK Høidalen, ATPDraw version 35 for Windows 9x/NT/2000/XP User s Manual, 2002 [8] Programa de Análise de Faltas Simultâneas - ANAFAS Versão 30, Manual do Usuário, CEPEL, Dez 1998 Agradecimentos: Agradecemos às Centrais Elétricas do Norte do Brasil SA - ELETRONORTE pelo incentivo através do projeto de pesquisa e desenvolvimento (P&D) e o seu corpo técnico pela colaboração na obtenção dos dados do seu sistema de transmissão, que subsidiaram a execução deste trabalho