UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA/ELETROTÉCNICA BRUNO CESAR KIKUCHI

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA/ELETROTÉCNICA BRUNO CESAR KIKUCHI NATÁLIA ROBERTA JAEGER DE CARVALHO DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE PARA CÁLCULO DE CURTO- CIRCUITO COM APLICAÇÃO EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2013

2 2 BRUNO CESAR KIKUCHI NATÁLIA ROBERTA JAEGER DE CARVALHO DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE PARA CÁLCULO DE CURTO- CIRCUITO COM APLICAÇÃO EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA Trabalho de Conclusão de Curso, apresentada à disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC do curso de Engenharia Industrial Elétrica ênfase Eletrotécnica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para a obtenção do título de engenheiro eletricista. Orientador: Prof.ª. Dra. Andrea Lucia Costa CURITIBA 2013

3 3 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Consumo de energia elétrica no Brasil entre 1983 e 1998 (GWh)... 8

4 4 LISTA DE TABELAS Tabela 1.1 Cronograma para o segundo semestre letivo de Tabela 1.2 Cronograma para o primeiro semestre letivo de Tabela 1.3 Cronograma para o segundo semestre letivo de

5 5 SIGLAS ANEEL SEP TCC UHE Agência Nacional de Energia Elétrica Sistema(s) Elétrico(s) de Potência Trabalho de Conclusão de Curso Usinas Hidroelétricas

6 6 Sumário 1 INTRODUÇÃO Tema Delimitação do Tema PROBLEMAS E PREMISSAS OBJETIVOS Objetivos Gerais Objetivos Específicos JUSTIFICATIVA PROCEDIMENTO METODOLÓGICO ESTRUTURA DO TRABALHO CRONOGRAMA REFERÊNCIAS... 15

7 7 1 INTRODUÇÃO 1.1 Tema A introdução da energia elétrica no Brasil em no cotidiano causou uma mudança de conduta radical e, com a transição da população para ambientes mais urbanos, gerou-se uma crescente necessidade de geração de energia. Suprir uma demanda crescente do mercado tornou-se um desafio, especialmente porque os sistemas elétricos formam redes complexas, interligando-se e apresentando um comportamento que deve ser constantemente monitorado e analisado. Assim, a prevenção e diagnóstico de falhas são aspectos de muita relevância na tarefa de se entregar energia elétrica ininterruptamente. O estudo e cálculo da corrente de curto-circuito é imprescindível para a proteção desses sistemas. (KINDERMANN, 1992) O curto-circuito é definido pela passagem de corrente elétrica acima do normal em um circuito devido à redução abrupta da impedância da ligação entre dois pontos com potenciais diferentes. Essa ligação pode ser metálica, quando se diz que há um curto-circuito franco, ou por um arco elétrico, que é a situação mais comum. Uma situação intermediária é a dos curtos causados por galhos de árvores ou outros objetos que caem sobre as linhas. Há nesse instante uma rápida elevação da corrente atingindo valores, em geral, muito superiores a corrente nominal do circuito. Os curtos-circuitos podem ser causados por dois motivos: uma falha da isolação que sustenta a tensão entre condutores ou entre esses condutores e o aterramento; ou por uma redução da distância entre os condutores ou entre os condutores e a terra. O conhecimento das solicitações máximas que se manifestam nas condições de curto-circuito é um dado necessário para se poder realizar um dimensionamento econômico e seguro. (ROEPER, 1990). Determinar as correntes de curto-circuito em um sistema elétrico é fundamental na elaboração do projeto de proteção e coordenação dos seus elementos. Os valores destas correntes são determinados baseando-se nas impedâncias existentes no

8 8 circuito, desde o ponto de defeito até a fonte geradora sendo de forma geral, estudadas e calculadas para os seguintes objetivos: Cálculo dos ajustes dos dispositivos de proteção; Dimensionamento do sistema de aterramento; Permitir antever as consequências dos problemas simulados; Previsão dos esforços térmicos e eletrodinâmicos; Este trabalho tem como tema o cálculo das correntes de curto-circuito em sistemas elétricos de potência. Pretende-se elaborar um software capaz de fornecer os valores das correntes transitórias considerando diferentes condições de curto, tais como curto trifásico, curto entre duas fases e curto entre uma fase e a terra. Esse software poderá auxiliar na compreensão dos conceitos envolvidos no estudo de curto-circuito, tais como valores das reatâncias transitórias e subtransitórias das máquinas síncronas e também na modelagem dos sistemas elétricos de potência em componentes simétricas. A linguagem a ser utilizada será o C++, cuja flexibilidade e permite que seu uso seja direcionado para a criação de softwares. Trata-se de uma linguagem de programação completa, lógica e que pode ser usada em qualquer plataforma. 1.2 Delimitação do Tema Um sistema elétrico de potência (SEP) precisamente calculado é imprescindível para o fornecimento de energia elétrica para os consumidores, desde o planejamento até sua efetiva operação. Sua confiabilidade é posta em risco e fatores como variação de demanda podem causar diminuição dessa confiabilidade. As últimas décadas do século XIX significaram a introdução da eletricidade no Brasil, marcando a transição para a república. A primeira usina hidrelétrica brasileira, a Usina Hidrelétrica (UHE) Ribeirão do Inferno tinha 12kW de potência instalada. Já a primeira usina para uso do serviço público urbano foi a UHE Marmelos em 1889, no rio Paraibuna, em Minas Gerais, com potência instalada de 375 kw. (ALMEIDA, 2008)

9 9 Nas três últimas décadas, o consumo de energia elétrica cresceu 7,5% a.a., ao passo que a população brasileira cresceu 2% a.a. (ANEEL, 2002). Em 1998, o consumo ultrapassava o nível de 300 GWh, como é possível observar na figura abaixo: Figura 1 Consumo de energia elétrica no Brasil entre 1983 e 1998 (GWh). Fonte: Atlas de Energia Elétrica do Brasil (2012) A Figura 1 destaca a relevante participação do setor industrial no consumo de energia elétrica (45%), embora essa participação esteja gradualmente diminuindo em termos percentuais. O desenvolvimento econômico de uma população e sua qualidade de vida pode ser indicado pelo consumo de energia elétrica nessa sociedade. Reflete-se o ritmo de atividade dos setores industrial, comercial e de serviços, além da capacidade da população de adquirir bens e serviços tecnologicamente avançados, como automóveis, eletrodomésticos e eletroeletrônicos (ANEEL). Essa mudança de comportamento caracteriza uma tendência de aumento de demanda no país, fazendo-se necessário um estudo mais complexo e interligado do fornecimento de energia ao consumidor. O estudo de corrente de curto-circuito determina uma etapa importante no planejamento de sistemas elétricos de potência, e a elaboração de um software que possa realizar o cálculo desses dados a partir das características

10 10 técnicas do sistemas é uma solução prática e útil para facilitar tanto o estudo acadêmico em SEP quanto o planejamento de tais sistemas. A continuidade do fornecimento de energia elétrica é um fator importante que assegura confiabilidade no sistema. Esses aspectos ressaltam a necessidade da criação de um software acessível para a realização de cálculo de corrente de curto-circuito, auxiliando no planejamento de sistemas elétricos e sua expansão no Brasil. O software proposto neste trabalho levará em conta apenas os valores das reatâncias transitórias e subtransitórias das máquinas síncronas presentes nos sistemas elétricos analisados. Não serão modelados os sistemas de controle dos geradores, tais como o regulador de tensão e controle do sistema de excitação. As resistências de armadura das máquinas síncronas e os enrolamentos amortecedores também não serão considerados. Os transformadores serão modelados apenas por sua reatância de dispersão. A resistência dos enrolamentos não será incluída e os TAPs, quando existirem, também serão desprezados. As linhas de transmissão serão modeladas pelos valores dos parâmetros de reatância indutiva das componentes de sequência positiva, negativa e zero. As resistências das linhas e os elementos shunt não serão representados. 1.3 PROBLEMAS E PREMISSAS Um dos grandes problemas causados por um curto-circuito em um sistema elétrico de potência é o blecaute, que podem ser decorrentes de diversos fatores. Como o ocorrido em 2009, em que houve o desligamento das linhas de transmissão, entre o Paraná e São Paulo, por más condições meteorológicas, essa interrupção na transmissão de energia, pode gerar um efeito cascata desligando as subestações conectadas às linhas, causando um colapso no sistema como todo, uma vez que o sistema é fortemente interligado. Com isso, existe uma maior preocupação com a continuidade de energia elétrica entregue aos consumidores, tanto na geração, como na transmissão e distribuição. Para ter essa confiabilidade, é essencial ter um sistema elétrico

11 11 que possa suportar um eventual curto-circuito mantendo o sistema operante, sem grandes danos. Para isso, é necessário um planejamento acurado das linhas de transmissão e o dimensionamento correto dos dispositivos de proteção. É, portanto, de grande importância o conhecimento dos valores dessa corrente de curto-circuito, sendo essa corrente também necessária para a realização de um estudo de estabilidade, assim como para fazer a coordenação dos dispositivos de proteção entre si e fazer uma análise do comportamento do sistema mediante a uma possível falta. A elaboração de um software para o cálculo da corrente de curto-circuito para sistemas elétricos de potência é altamente relevante para a proteção desses sistemas e garantia de confiabilidade deste. A utilização da linguagem de programação C++ possibilita a geração de um programa executável que pode ser instalado em computadores pessoas e nos laboratórios da instituição. Dessa forma, os professores e alunos poderão utilizar essa ferramenta de cálculo de corrente de falta, auxiliando na compreensão conceitos envolvidos no estudo do problema de curto-circuito em SEP. 1.4 OBJETIVOS Objetivos Gerais Desenvolver um programa computacional para cálculo de curto-circuito em um sistema elétrico Objetivos Específicos Estudar os conceitos da linguagem de programação C++. Estudar problemas de curto-circuito trifásico. Estudar a modelagem dos sistemas elétricos em componentes simétricas.

12 12 Aprender a utilizar o programa computacional ANAREDE, o qual é utilizado nas concessionárias de energia elétrica. Desenvolver e implementar o software para cálculo de curto circuito em C++. Validar os resultados obtidos pelo software através da comparação de valores com o ANAREDE. 1.5 JUSTIFICATIVA Com o desenvolvimento desse programa, será possível obter os valores das correntes de curto-circuito de um determinado sistema elétrico, por meio de simulação computacionais. Esses resultados permitem fazer estudos e análises do sistema elétrico. Em termos gerais, o objetivo deste trabalho é a criação em uma rotina de programa em linguagem C++ considerando os aspectos mais importantes do cálculo do curto circuito com uma interface didática, fácil acesso e não menos importante, de baixo custo. Sendo um programa com uma interface didática, este programa poderá ser utilizado nas aulas de sistemas elétricos de potencia para auxiliar a compreensão dos conceitos envolvidos nas análises de curto-circuito. 1.6 PROCEDIMENTO METODOLÓGICO Em um primeiro momento será feito um levantamento bibliográfico em artigos técnicos e livros que foram dedicados ao mesmo tema de estudo desse TCC. Será também realizado pesquisas e estudos sobre a linguagem selecionada para implementar o modelo proposto. Após isso, com o conhecimento adquirido nas disciplinas já cursadas do curso de Engenharia Elétrica e os estudos anteriores, o equacionamento matemático é iniciado o processo de programação em C++ para o cálculo de curto-circuito em sistemas elétricos de potência.

13 13 Por fim, finalizado o programa computacional, serão realizados testes para a comprovação da eficácia do programa, comparando seus resultados a programas já conhecidos, como o ANAREDE. 1.7 ESTRUTURA DO TRABALHO A estrutura desse trabalho de conclusão de curso deve seguir as seguintes características, sendo os capítulos divididos de acordo com as 3 disciplinas propostas na grade do curso de Engenharia Elétrica. Capítulo 1 Metodologia aplicada ao TCC: contém introdução com apresentação e delimitação do tema, problemas e premissas, objetivo geral, objetivos específicos, justificativa e procedimentos metodológicos. Capítulo 2 Embasamento teórico sobre Curtos-Circuitos em Sistemas Elétricos de Potência, apresentando conceitos gerais sobre correntes de falta em SEP, modelagem em SEP. Capítulo 3 Descrição do desenvolvimento do programa de cálculo de curtocircuito. A partir da linguagem de programação em C++, será desenvolvido o algoritmo que calcula correntes de curto-circuito em sistemas elétricos de potência. Após a finalização do programa, serão realizados testes para conferir a eficácia deste em comparação a outros pré-existentes. Capítulo 4 Considerações finais e sugestões de trabalhos futuros. 1.8 CRONOGRAMA TABELA 1 - Cronograma para o segundo semestre de Atividades JUN JUL AGO Fundamentação teórica Reuniões Redação da proposta

14 14 Desenvolvimento do algoritmo Simulação e validação do algoritmo Conclusão das atividades TABELA 2 Cronograma para o segundo semestre de 2013 e primeiro semestre de /2014 Atividades AGO SET OUT NOV DEZ JAN FEV Fundamentação teórica Reuniões Redação do TCC1 Desenvolvimento do algoritmo Simulação e validação do algoritmo Conclusão das atividades TABELA 3 Cronograma para o primeiro semestre de /2014 Atividades MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV Fundamentação teórica Reuniões Redação do TCC2 Desenvolvimento do algoritmo Simulação e validação do algoritmo Conclusão das atividades

15 15 REFERÊNCIAS Abradee. Disponível em: < Acesso em: DEZEMBRO, ALMEIDA, J. A. J. P&D no Setor Elétrico Brasileiro: um Estudo de Caso na Companhia Hidro Elétrica de São Paulo Disponível em: < o.pdf>. Acesso em: DEZEMBRO, Agência Nacional de Energia Elétrica. Atlas de Energia Elétrica do Brasil. 1ª Edição, Disponível em: < Acesso em: DEZEMBRO, DAS, J.C. Power Systems Analysis: Short-Circuit Load Flow and Harmonics. Marcel Dekker, Inc Empresa de Pesquisa Energética. Disponível em < Acesso em: NOVEMBRO, KINDERMANN, G. Curto-circuito. Porto Alegre: Sagra-DC Luzzato, ROEPER, R. Correntes de curto-circuito em redes trifásicas. 2. ed. São Paulo: Nobel, 1990.