Avaliação Computacional da presença de curtos-circuitos na rede elétrica usando o software OpenDSSEngenharia de Energia
Avaliação Computacional da presença de curtos-circuitos na rede elétrica usando o
software OpenDSS
Brasília, DF 2017
Avaliação Computacional da presença de curtos-circuitos na rede elétrica usando o software OpenDSS
Monografia submetida ao curso de graduação em Engenharia de Energia, da Universidade de Brasília, como requisito parcial para ob- tenção do Título de Bacharel em Engenharia de Energia.
Universidade de Brasília - UnB
Faculdade UnB Gama - FGA
Brasília, DF 2017
Lorrane Stephanie da Silva Biângulo Avaliação Computacional da presença de curtos-circuitos na rede elétrica
usando o software OpenDSS/ Lorrane Stephanie da Silva Biângulo. – Brasília, DF, 2017-
70 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.
Orientador: Prof.(Dr.)Jorge Andrés Cormane Angarita
Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade de Brasília - UnB Faculdade UnB Gama - FGA , 2017. 1. Palavra-chave01. 2. Palavra-chave02. I. Prof.(Dr.)Jorge Andrés Cormane
Angarita. II. Universidade de Brasília. III. Faculdade UnB Gama. IV. Avaliação Computacional da presença de curtos-circuitos na rede elétrica usando o software OpenDSS
CDU 02:141:005.6
Avaliação Computacional da presença de curtos-circuitos na rede elétrica usando o software OpenDSS
Monografia submetida ao curso de graduação em Engenharia de Energia, da Universidade de Brasília, como requisito parcial para ob- tenção do Título de Bacharel em Engenharia de Energia.
Trabalho aprovado. Brasília, DF, :
Prof.(Dr.) Rafael Amaral Shayani Convidado 1
Prof.(M.e.) Ronaldo Sérgio Chacon Camargo
Convidado 2
Agradeço primeiramente a Deus, pelas possibilidades e oportunidades.
Agradeço à minha família e ao meu namorado Marco Aurélio, pelo apoio , e especi- almente minha mãe Elza, por sempre me incentivar, auxiliar e acreditar em mim, quando eu mesma não acreditava.
Agradeço aos meus colegas e ao meu amigo Lucas Rodrigues, pelo companherismo e pela ajuda durante a elaboração deste trabalho e durante toda a graduação.
Agradeço à Compahia Energética de Brasília, por fornecer os danos utilizados durante o presente estudo.
E por fim, agradeço ao professor e orientador Jorge Cormane, pela paciência, ajuda, esclarecimentos e disponibilidade.
“Agradeço todas as dificuldades que enfrentei, não fosse por elas, eu não teria saído do lugar.
As facilidades nos impedem de caminhar. Mesmo as críticas nos auxiliam muito.
(Chico Xavier)
Resumo
O crescente consumo de energia elétrica e cargas sensíveis conectadas à rede de distri- buição contribuem para o aumento da preocupação com a qualidade da energia elétrica fornecida aos usuários. A variação de tensão é um dos problemas mais comuns relaciona- dos à qualidade e pode afetar seriamente os consumidores, principalmente os industriais, causando prejuízos técnicos e financeiros. Considerando a relevância destes efeitos, este trabalho de conclusão de curso tem como objetivo analisar os impactos de curtos-circuitos em um sistema de distribuição. Para isto, foi utilizado o software OpenDSS, que além de outras funcionalidades, possibilita o estudo de faltas. Com o objetivo de avaliar os im- pactos destes fenômenos nos níveis de tensão do sistema, foram realizadas simulações, utilizando o modo Snapshot, aplicando uma falta em cada barra do sistema em estudo. Como resultado destas simulações, o software apresenta um relatório com os níveis de tensão para todo o sistema, possibilitando conhecer o funcionamento da rede durante a ocorrência de faltas e servindo de base para providências que devem ser tomadas, de forma a minimizar os problemas da rede de distribuição.
Palavras-chaves: Sistemas de distribuição, curto circuito, níveis de tensão, OpenDSS.
Abstract The increasing consumption of electrical energy and sensitive loads connected to the distribution network contribute to increase the concern with the quality of the electricity supplied to the users. Voltage variation is one of the most common quality problems and can seriously affect consumers, especially industrial consumers, causing technical and financial losses. Considering the relevance of these effects, the purpose of this final paper is to analyze the impacts of short circuits in a distribution system. For this, the software OpenDSS was used, besides other functionalities, this makes possible the study of faults. In order to evaluate the impact of these phenomena on the system voltage levels, simulations were performed using Snapshot mode, applying one fault at each system bus under study. As a result of these simulations, the software presents a report with voltage levels for the entire system, it allows knowing the network operation during a fault occurence and serving as the basis for steps that must be taken in order to minimize the problems of the distribution network.
Key-words: Distribution systems, short circuit, voltage levels,OpenDSS.
Lista de ilustrações
Figura 1 – Crescimento de cargas não lineares no Brasil . . . . . . . . . . . . . . . 23 Figura 2 – Propagação do afundamento de tensão para os tipos de transformadores
com falta fase-terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Figura 3 – Representação da rede elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Figura 4 – Modelo para falta fase-fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Figura 5 – Objeto de falta trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Figura 6 – Objeto de falta fase-terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Figura 7 – Objeto de falta fase-fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Figura 8 – Objeto de falta fase-fase-terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Figura 9 – Objeto de falta trifásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Figura 10 – Sistema de alimentação de Taguatinga . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Figura 11 – Sistema de alimentação de Taguatinga . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Figura 12 – Esquema elétrico alimentador TG01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Figura 13 – Curvas de carga dos diferentes modelos de carga comercial para um dia
útil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Figura 14 – Curvas de carga dos diferentes modelos de carga residencial para um
dia útil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Figura 15 – Curva de carga comercial para dias úteis, sábado e domingo . . . . . . 43 Figura 16 – Curva de carga residencial para dias úteis, sábado e domingo . . . . . 43 Figura 17 – Médias das Curvas de carga de um dia útil para a o alimentador TG01 44 Figura 18 – Aproximação da média da curva de carga para o alimentador TG01 . . 45 Figura 19 – Fluxograma do processo de automatização das simulações . . . . . . . 46 Figura 20 – Exemplo de simulação, para a fase 1 da barra 1 . . . . . . . . . . . . . 47 Figura 21 – Representação da análise no lado de alta devido à faltas nas barras do
lado de alta dos transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Figura 22 – Magnitudes de tensão nas três fases da barra do primário, devido a
falta na fase 1 das barras dos primários . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Figura 23 – Diagrama fasorial das tensões nas três fases da barra do primário, para
faltas na fase 1 das barras dos primários . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Figura 24 – Representação da análise no lado de alta devido à faltas nas barras do
lado de baixa dos transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Figura 25 – Diagrama fasorial das tensões nas três fases da barra de média tensão,
para faltas na fase das barras de baixa tensão . . . . . . . . . . . . . . 56 Figura 26 – Representação da análise no lado de baixa devido à faltas nas barras
do lado de baixa dos transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Figura 27 – Magnitudes de tensão nas três fases da barra do secundário, devido a falta na fase 1 das barras dos secundários . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Figura 28 – Diagrama fasorial das tensões nas três fases da barra de baixa tensão, para faltas na fase 1 das barras de baixa tensão . . . . . . . . . . . . . 59
Figura 29 – Representação da análise no lado de baixa devido à faltas nas barras do lado de alta dos transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Figura 30 – Magnitudes de tensão nas três fases da barra do secundário, devido a faltas na fase 1 das barras dos primários . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Figura 31 – Diagrama fasorial das tensões nas três fases da barra do secundário, para faltas na fase 1 das barras do primário . . . . . . . . . . . . . . . 61
Lista de tabelas
Tabela 1 – Barras em baixa tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Tabela 2 – Faixas de tensão para sistemas com tensão nominal entre 1 kV e 69 kV 50 Tabela 3 – Fasores de tensão na barra do primário, devido a falta na fase 1 do
primário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Tabela 4 – Fasores de tensão na barra do secundário, devido a falta na fase 1 da
barra do primário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Tabela 5 – Porcentagens de barras fora de condição adequada antes da falta . . . 62 Tabela 6 – porcentagem de barras com tensão abaixo de 0,93 pu devido às faltas . 62 Tabela 7 – Diferença da quantidade de barras com tensão abaixo de 0,93 pu antes
e após as faltas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Tabela 8 – Características dos transformadores conectados ao alimentador TG01.
Fonte: Vieira, 2016 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
ASD Acionamentos de velocidades variável
EPRI Eletric Power Research Institute
OpenDSS Open Distribution System Simulation
ONS Operador Nacional do Sistema
PLC Controladores lógicos programáveis
QEE Qualidade de Energia Elétrica
19
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1 Qualidade de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2 Faltas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3 Influência da conexão dos transformadores na variação de tensão . 26
3 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1 Materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1.1 OpenDSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1.2 Estudo de faltas no OpenDSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.1.2.1 Modo Faultstudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.2.2 Modo Snapshot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.3 Sistema elétrico CEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.3.1 Alimentador TG01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Métodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.1 Automatização da simulação das faltas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1 Considerações sobre as simulações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2 Influência da resistência de falta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.3 Influência da faltas nos níveis de tensão das barras do primário e
do secundário do transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.3.1 Resultados na barra de média tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.3.2 Resultados na barra de baixa tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4 Níveis de tensão das barras do alimentador TG01 . . . . . . . . . . . 61 4.5 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1 Introdução
A energia elétrica é um bem essencial para a sociedade moderna, proporciona bem- estar, segurança e conforto durante a execução das atividades cotidianas dos usuários. Com o avanço da tecnologia, novas cargas são incorporadas ao sistema elétrico, resultando no aumento do consumo e da dependência de um fornecimento contínuo e eficiente.
Deste modo, a preocupação com a qualidade da energia elétrica (QEE) que chega ao consumidor final aumenta na mesma proporção do consumo, devido ao incremento de cargas sensíveis a distúrbios na rede elétrica. Os problemas relacionados à qualidade de energia podem ocasionar grandes prejuízos, principalmente para consumidores industriais, seja pela interrupção dos processos produtivos, ou por danos em equipamentos.
Dentre os problemas de qualidade de energia elétrica, os mais comuns são as Va- riações de Tensão de Curta Duração (VTCD). Estes fenômenos consistem na redução ou aumento temporário da tensão e podem ocorrer devido à partida de motores, sobrecargas e principalmente curtos-circuitos.
Diante deste cenário, é necessária a realização de estudos a fim de identificar os pontos mais críticos e tomar as devidas providências de modo a garantir o bom funci- onamento do sistema de distribuição. Um meio eficiente de viabilizar estas análises é a utilização de softwares de simulação.
Um dos softwares muito utilizados em estudos de QEE para sistemas de distribui- ção é o Open Distribution System Simulation (OpenDSS). Este pode ser empregado para estudo de harmônicos, aplicação de sistemas de geração distribuída, fontes renováveis e armazenadores. Este é também uma eficiente ferramenta para o estudo de curtos-circuitos na rede elétrica.
Dentre os modos de estudo de curtos-circuitos disponíveis, o Snapshot possibilita a aplicação de falta em qualquer ponto da rede, tendo como um dos resultados as magnitudes das tensões em todo o sistema. Deste modo, é possível conhecer o comportamento dos sistemas de distribuição e agir de modo a diminuir os efeitos da propagação das faltas na variação da tensão e minimizar prejuízos aos consumidores finais e às distribuidoras de energia elétrica.
22 Capítulo 1. Introdução
1.1 Objetivo Geral Avaliar o comportamento de um sistema de distribuição na presença de falta devido
a curtos-circuitos usando o software OpenDSS.
1.2 Objetivos Específicos
Compreender o funcionamento do software OpenDSS e os componentes para o es- tudo de faltas;
Automatizar o processo de simulação das faltas através do software para cálculo numérico;
Realizar simulações de faltas fase-terra, nas três fases das barras dos transformadores para o alimentador TG01 da CEB, utilizando o software OpenDSS;
Analisar os níveis de tensão em barras pré determinadas, durante a falta, compa- rando com os valores antes das falta.
Avaliar a propagação dos efeitos do curto-circuito simulado nos níveis de tensão das barras de todo o sistema.
23
2.1 Qualidade de Energia
Qualidade de energia pode ser definida como ausência de variações de tensão, sobretensões, deformações causadas por harmônicas e interrupções. (CABRAL, 2010) Devido à falta de critérios específicos para a definição de qualidade de energia, o que se faz na prática é fazer um estudo do sistema elétrico e comparar com parâmetros de um sistema ideal. A partir desta referência, é possível obter uma escala e quantificar os desvios apresentados. (DECKMANN, 2017)
A preocupação com qualidade de energia tem se tornado cada vez mais expressiva devido ao aumento de cargas não lineares, que injetam correntes distorcidas na rede, causando problemas de QEE. Por outro lado, estas mesmas cargas são sensíveis a estes distúrbios, podendo ser afetadas e sofrer danos. A figura 1 indica o aumento de cargas não lineares no Brasil, desde a década de 60, onde o número de cargas eletrônicas era muito pequeno, até o ano de 2005, representando mais da metade da potência instalada. (AMASIFEN, 2008).
Figura 1: Crescimento de cargas não lineares no Brasil (RAVAGNANI, 2008)
Na literatura, existem métodos para avaliar áreas vulneráveis, principalmente no nível de distribuição. Para isto, realizam-se medições em vários pontos, com o objetivo de gerar índices para ser analisados posteriormente. Estes métodos mostram-se eficazes, porém, requerem altos investimentos para a compra de equipamentos de medição e neces- sitam de longos períodos para se obter resultados conclusivos. Para resolver este problema, é possível utilizar métodos de simulação computacional, diminuindo assim os custos e o tempo de estudo e possibilitando antecipar problemas ocasionados por intempéries.
24 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica
Os problemas de qualidade de energia representam um alto custo para a indústria e o comércio. Nos Estados Unidos, estes custos são cerca de 20 bilhões de dólares por ano e as despesas em medidas preventivas é inferior a 5% desse valor. No Brasil, estima-se que os prejuízos gerados pelos afundamentos é da ordem de 2 bilhões de dólares por ano, segundo a Wall Street journal e o Newsweek de 2002.
As Variações de tensão podem resultar em sérios problemas para os consumidores conectados à rede de distribuição. Dependendo das características do sistema, como local, topologia da rede, equipamentos e ligação dos transformadores, os sistemas trifásicos podem apresentar elevação ou afundamento de tensão em fases diferentes durante uma perturbação.(AMASIFEN, 2008)
Descrever a sensibilidade e o efeito de variações de tensão em aparelhos eletro- eletrônicos é uma tarefa difícil, uma vez que estes comportam-se de maneira diferente. Porém, com o aumento da utilização de equipamentos eletrônicos no controle de processos, tornou-se fundamental o controle e a limitação destas variações na tensão da rede.
Dentre os equipamentos sensíveis a estas variações pode-se citar controladores ló- gicos programáveis (PLC) e acionamentos de velocidades variável (ASD). Estes distúrbios na rede elétrica também podem causar prejuízos na execução de softwares (AMASIFEN, 2008). Para computadores, a queda de tensão pode causar sérios problemas, como panes e congelamento de sistemas, ocasionando arquivos corrompidos, perdas de dados ou danos em partes do hardware. (IBDA, 2015)
Outros efeitos que podem ser causados pelas variações de tensão são a perda de sincronismo de máquinas síncronas, variação da velocidade de motores e atuação indevida de contatores de relés auxiliares. (AMASIFEN, 2008)
Para melhorar a qualidade da energia torna-se necessário desenvolver e utilizar ferramentas para avaliar as áreas mais críticas e nível de exposição dos consumidores, estimar variações de tensão, bem como descobrir a localização e causa de faltas. Estas análises devem ser incorporadas nas atividades de operação, manutenção e planejamento de expansão do sistema. Definir as causas dos problemas do sistema também é muito importante para estabelecer responsabilidades, entre os agentes geradores, transmissores, distribuidores e consumidores de energia elétrica. (AMASIFEN, 2008)
2.2. Faltas 25
2.2 Faltas As principais causas de afundamento de tensão são as faltas no sistema elétrico.
Este fato deve-se pela extensão de linhas aéreas sujeitas aos fenômenos naturais. As faltas podem ser permanentes ou temporárias. Faltas permanentes são causadas por danos nos equipamentos ou elementos de isolação do sistema, sendo necessária manutenção. As faltas temporárias são decorrentes de descargas atmosféricas, ventos e temporais, onde o sistema é reestabelecido por ligamentos manuais ou automáticos.(CARVALHO, 1997)
Nos sistemas de distribuição, este problema pode ser mais acentuado, uma vez que na maioria dos casos, não há cabos guarda, porém , nem todas as descargas atmosféricas ocasionam curtos-circuitos e consequentemente afundamentos de tensão, uma vez que, os sistemas são projetados para suportar até 95% das sobretensões de descargas atmosféricas. (FONSECA, 1999)
Outros fatores externos também influenciam na ocorrência de faltas no sistema. Pode-se citar a poluição, que deposita-se nos isoladores, diminuindo a isolação e aumen- tando a incidência de faltas fase-terra. Outros fatores, presentes principalmente em sis- temas de distribuição, contribuem para faltas no sistema, como vandalismo, queimadas, queda de árvores e acidentes rodoviários.
O curto circuito, também nomeado de falta é um fenômeno que ocorre quando há uma queda brusca no valor da impedância de um ponto do sistema, ocasionando sérios problemas na rede elétrica. A intensidade deste fenômeno depende de alguns fatores, como impedância e tipo de falta, topologia da rede, conexão de transformadores, entre outros. O curto circuito pode ser metálico, quando há curto-circuito direto ou por arco elétrico; ou causado por uma situação intermediária, quando é causado por galhos de árvores e outros objetos que caem nas linhas. (SCHNEIDER, 2014)
As correntes de curto circuito atingem altos valores em um curto espaço de tempo, geralmente alcançando valores acima de 10 vezes a corrente nominal do sistema. Esta elevação súbita da corrente pode ocasionar acidentes, como para o caso de curto circuito através de arco elétrico, podendo ocorrer explosões e incêndios. (SCHNEIDER, 2014)
Os principais objetivos do estudo de Curtos-Circuitos é obter correntes e tensões durante um defeito em um ponto do sistema elétrico. Os resultados destes estudos são importantes para dimensionar os equipamentos de proteção do sistema, para a segurança de pessoas e para as análises de sobretensões. (KAGAN, 2005)
26 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica
O estudo de curto circuito baseia-se na análise de um transitório eletromagné- tico.Na prática, este é realizado de uma forma simplificada. No começo do curto circuito há uma componente transitória (componente de corrente contínua), que decresce com o tempo, até que o sistema apresente apenas a componente de regime permanente.
O fator mais determinante para a magnitude da tensão é o tipo de falta. Em ordem crescente, os tipos de curto circuito que causam afundamentos de tensão mais significantes: fase-terra, fase-fase-terra, fase-fase, trifásico-terra e trifásico. Apesar de o último causar as piores condições, representa apenas 5% das ocorrências. O tipo de falta mais frequente é o fase-terra, representando até 70% do total. (SANTOS; SILVA, 2003)
Para a impedância de falta, considera-se a resistência de terra, de arco ou de contato entre os condutores. A impedância de falta é dificilmente igual a zero, neste caso, resultaria em efeitos mais severos. O arco elétrico ocorre devido ao aquecimento do ar ao redor da falta, decorrente da dissipação de correntes altas, que ionizam o ar.
Durante um curto circuito, há alterações não só na magnitude, mas também a fase da tensão. Estas alterações no ângulo de fase durante faltas podem ocorrer devido à diferença na relação de X/R entre a fonte e o sistema. Outra possível causa destas alterações no ângulo é a transformação dos afundamentos para níveis de tensão mais baixos.(BOLLEN, 1999)
2.3 Influência da conexão dos transformadores na variação de ten- são Os transformadores são equipamentos fundamentais para sistemas elétricos, ga-
rantindo níveis de tensão seguros e economicamente viáveis, na geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Estes equipamentos podem ser ligados ao sistema de di- versas maneiras, destacando-se as conexões Y-Y, Δ-Y, Δ-Δ e Y-Δ. (NOVAES, 2005)
O tipo de conexão entre os transformadores localizados entre o ponto de falta e a barra do consumidor influencia as características do afundamento de tensão na carga. Quanto ao tipo de conexão, estes podem ser divididos em três tipos:(PESQUER, 2006)
Tipo 1: não filtram componentes de sequência zero e não introduzem defasamento angular. Este tipo compreende as ligações Yaterrado-Yaterrado e Yaterrado-Δ- Yaterrado.
Tipo 2: filtram componentes de sequência zero, somente da tensão de frequência fun- damental, e também não introduzem defasamento angular. Transformadores deste tipo tem conexões Y-Y, Δ-Δ, Yaterrado-Y e Y-Yaterrado.
2.3. Influência da conexão dos transformadores na variação de tensão 27
Tipo 3: filtram componentes de sequência zero, somente da tensão de frequência fundamental, e introduzem defasamento angular entre as tensões do primário e secundário. Transformadores deste tipo apresentam conexão Y-Δ, Δ-Y, Yaterrado- Δ ou Δ-Yaterrado.
A figura 2 apresenta a propagação do afundamento de tensão, causado por um curto fase-terra, para transformadores dos três tipos. Para o caso da conexão delta-estrela aterrado, a conexão em delta não permite que a corrente de sequência zero circule nas linhas, ficando apenas dentro do delta.
Figura 2: Propagação do afundamento de tensão para os tipos de transformadores, após falta fase-terra (MENDES, 2008)
29
3 Metodologia
Este capítulo tem como objetivo principal apresentar os materiais e os métodos utilizados no presente estudo, apresentando os seguintes pontos:
Apresentação das características do funcionamento de estudos de faltas no OpenDSS, dividido em três modos:Fault Study, Snapshot e Monte Carlo;
Apresentação do sistema de distribuição em estudo;
Metodologia utilizada para realizar as simulações das faltas fase-terra nas barras dos transformadores.
3.1 Materiais
Para o presente estudo, utilizou-se o software OpenDSS, que conta com várias funções para a simulação de sistemas de distribuição de energia elétrica, inclusive o estudo de faltas. O sitema utilizado foi o alimentador TG01, localizado em Taguatinga Norte, área de concessão da CEB Distribuição.
3.1.1 OpenDSS
O OpenDSS (Open Distribution System Simulator) é um software livre, desenvol- vido para análises e simulações de sistemas de distribuição de energia elétrica. O desen- volvimento deste iniciou-se em 1997 na Eletrotek Conceps,Inc., por Thomas McDermott e Roger Dungan e foi vendido para a empresa norte americana Eletric Power Research Institute (EPRI) em 2004. No ano de 2008 tornou-se open source, sendo disponível gra- tuitamente para os usuários, sem obrigações ou ônus para a EPRI.
Os sistemas simulados no OpenDSS podem ser implementados e executados inde- pendentemente no próprio programa ou operar a partir de outras plataformas de softwares , como por exemplo o Matlab e o Excel. O software opera em regime permanente, ou seja, no domínio da frequência. Além disso, o OpenDSS foi concebido para ser expansível, adi- cionando análises à medida que novas tecnologias são incorporadas, suportando também novas análises desenvolvidas para necessidades futuras nos sistemas de distribuição.
30 Capítulo 3. Metodologia
As funcionalidades do software são múltiplas, entre elas pode-se citar a adição de geração distribuída, a análise de harmônicos para monitorar a qualidade de energia e o estudo de faltas.
3.1.2 Estudo de faltas no OpenDSS
O OpenDSS constrói uma admitância nodal para descrever o sistema. Os cálculos de corrente de falta são executados de duas maneiras: simulando uma falta específica, determinada pela localização e definição de um ou mais objetos de falta no alimentador, ou através de um modo de solução genérico de falta.
Para o estudo de faltas existem três modos: Faultstudy, Monte Carlo e Snapshot. O modo Faultstudy é um estudo convencional que pode ser realizado através do comando “Set mode = Faultstudy”, para todas as barras do sistema, retornando o parâmetro X/R, tensões e correntes para todos os tipos de falta, este modo é utilizado principalmente para parametrizar relés de proteção. Para o estudo do comportamento da tensão em geradores distribuídos, devido a várias faltas no sistema é utilizado o modo “Monte Carlo”.
3.1.2.1 Modo Faultstudy
Através deste modo, o programa realiza o estudo completo de faltas e determina o equivalente de Thevenin para cada barra do circuito. Além disso, prepara todos os dados necessários para fazer o relatório de estudo de faltas quando o comando Show Fault é solicitado pelo usuário.
O modo Faultstudy funciona de acordo com os seguintes passos:
A matriz de admitâncias é construída, considerando todas as cargas;
Os geradores são convertidos para o modo dinâmico (ou equivalente de Thevenin);
Todos os objetos de falta são desabilitados;
Realiza-se a solução das equações da matriz de admitâncias, incluindo a injeção de fontes e geradores, o resultado da tensão de curto circuito é armazenado;
Calcula-se a solução da matriz de impedância de curto circuito de Thevenin para cada barra e o também o inverso do resultado. Os dois resultados passam a fazer parte do objeto de barra;
As correntes de curto circuito para todos os tipos de curto são calculadas para cada barra. Para a falta em todas as fases, a corrente é calculada no momento em que o comando Solve é emitido. Para os outros tipos de curto circuito, as correntes são calculadas depois do comando Show.
3.1. Materiais 31
Para realizar as simulações de faltas, o OpenDSS converte as fontes de tensão em equivalente de Norton, e as admitâncias resultantes são adicionadas na matriz de admitância ( Y ), considerando que estas estão conectadas ao terra. Esta transformação esta representada na figura 3. O programa resolve a equação 3.1, para tensões fase terra. O vetor de I corresponde ao vetor injeção de correntes no sistema.
Figura 3: Representação da rede elétrica (DUGAN, 2009)
= (3.1)
O modo Fault Study é baseado no equivalente de Thevenin polifásico, para cada barra. Primeiramente calcula-se o vetor de tensão de curto-circuito em cada barra, depois, calcula-se a matriz de impedância de curto circuito para cada barra e o inverso (admitân- cia), construindo assim a matriz Y. Todos estes dados são armazenados para a realização do cálculo do equivalente de Norton.
As correntes de curto circuito são calculadas, considerando falta em todas as fases para o terra. Para a falta fase terra, estas correntes são calculadas diretamente, uma vez que não há fluxo de corrente das outras fases para a barra. Outros dados importantes são as tensões nas fases que não fazem parte do curto circuito, estas também são calculadas e armazenadas. Se as tensões de base forem definidas, os valores são dados em pu.
Para a falta fase-fase, utiliza-se o equivalente de Norton em cada barra, ao invés do equivalente de Thevenin. Este método está representado na figura 4. A admitância de falta (YF) é conectada entre as fases que participam do curto. Esta é adicionada na matriz Y e o software resolve as equações lineares para as tensões. Apenas as tensões entre fases adjacentes são calculadas, ou seja, entre as fases A e B e B e C, não apresentado resultado entre as fases A e C, por exemplo.
Para a simulação do Fault Study, utiliza-se o código a seguir:
Set mode= faultstudy
Calc voltag bases
Solve
Show fault
Os resultados no modo Fault Study são apresentados para Curtos-circuitos em cada barra, ou seja, as tensões e correntes do relatório apresentam os resultados das barras em curto, não mostrando os valores para as demais barras do sistema devido à falta em apenas uma das barras. Através do comando Show Fault, são apresentados os seguintes fatores como resultado:
Fator X/R em todas as fases de cada barra do sistema;
Tensões e correntes em cada fase de cada barra durante a ocorrência de falta fase terra;
Tensões e corrente em cada fase de cada barra durante a ocorrência de falta fase-fase.
É possível também obter as tensões e ângulos em cada fase de cada barra e as componentes simétricas de cada barra para os curtos circuitos trifásico e fase-fase.
3.1.2.2 Modo Snapshot
No modo “Snapshot” é possível criar e analisar faltas, estas são consideradas como elementos do circuito e desta maneira, podem ser manipuladas. Para isto, o usuário deve informar o tipo de falta, em qual barra ocorre e o valor de resistência de falta.
O objeto de falta é um resistor polifásico de dois terminais, no caso mais simples é representado por um ramo com um resistor em cada fase especificada. O valor padrão, no caso de não ser representado, é de 0,1 mΩ, não sendo possível especificar uma falta de resistência zero. A figura 5 ilustra este tipo de objeto de falta.
O objeto de falta também pode ser mais complexo, onde a rede resistiva é especifi- cada como uma matriz de condutância nodal, representando qualquer rede resistiva entre os dois terminais.
3.1. Materiais 33
Figura 5: Objeto de falta (DUGAN, 2009)
Como o objeto de falta é simplesmente uma rede resistiva, não é utilizado ape- nas para representar uma resistência de curto-circuito, mas também para modelar uma resistência em série entre duas barras e ser modelado como uma carga resistiva.
Para a conexão dos objetos de falha, o processo é o mesmo de capacitores e reatores. O padrão do estudo é a falha fase-terra, ou seja, quando o usuário define as características da conexão do terminal 1, o segundo terminal é preenchido automaticamente no nó zero deste mesmo barramento. Para simular outros tipos de curto circuito, especifica-se a conexão do segundo terminal.
Para criar o objeto de falta, utiliza-se o comando New Fault, seguido do nome da falta, depois, declara-se quantas fases estão envolvidas no curto-circuito e as conexões do primeiro terminal e do segundo, no caso de não ser com o terra.
O modo Snapshot apresenta os resultados de uma falta nas tensões de todo o sistema, possibilitando o estudo do impacto da falta no restante no sistema.
Falta Fase-terra
Este é o caso padrão, onde uma das fases é conectada ao terra. O exemplo a seguir é um caso de curto-circuito fase-terra, onde o terra é conectado à fase 3. A figura 6 ilustra este tipo de. A seguir, o código para a implementação deste tipo de curto circuito, para a barra do sistema denominada MyBus.
New Fault.MySLGFault phases=1 Bus1=MyBus.3
Falta Fase-fase
Apesar de parecer lógico declarar uma falta bifásica para este caso, pois envolve duas fases, este é simplesmente um curto-circuito conectado entre duas fases da mesma barra. O exemplo a seguir representa uma falta entre as fases 2 e 3 (figura 7). A repre- sentação deste curto circuito é implementada no OpenDSS da seguinte maneira:
34 Capítulo 3. Metodologia
3.1. Materiais 35
Falta Fase-fase-terra
A maneira mais fácil de declarar o curto-circuito fase-fase-terra é declarar um objeto de falta como um elemento bifásico. Uma resistência com magnitude pequena é conectada entre cada fase e o terra. A figura 8 representa este tipo de falta. A seguir, a maneira como é implementado no software.
New Fault.MyLLGFault phases=2 Bus1=MyBus.2.3
Figura 8: Objeto de falta fase-fase-terra
(DUGAN, 2009)
Falta trifásica
Para o curto-circuito trifásico, declara-se um objeto de falta como um elemento trifásico. Uma resistência com magnitude pequena é conectada entre cada fase e o terra. A figura 9 representa este tipo de falta. A seguir,o código para aplicar este curto circuito.
New Fault.MyLLGFault phases=3 Bus1=MyBus.1.2.3
Figura 9: Objeto de falta trifásica (DUGAN, 2009)
36 Capítulo 3. Metodologia
3.1.2.3 Modo Monte Carlo
O modo de falta Monte Carlo foi projetado para estudos do comportamento do sistema, através de faltas aplicadas aleatoriamente. Primeiramente, o usuário define um ou mais objetos de falta, na maioria dos casos, define-se muitas faltas para o sistema. Este modo é muito utilizado para analisar quais tensões são resultantes de um local com Geração distribuída, com muitas faltas no sistema, calculando entre outros parâmetros, índices de afundamento de tensão.
Deste modo, o OpenDss seleciona uma falta de cada vez, desabilitando os outros tipos e resolve o circuito, utilizando um valor de resistência para o objeto de falta aleatório. Executa-se uma solução direta, ou seja, não iterativa, e as cargas são tratadas como impedâncias constantes.
O algoritmo interno realiza os seguintes passos:
Realiza a solução sem faltas;
Mudando para o modo Monte Carlo Fault Study, força os geradores a mudar para a tensão relacionada à reatância e reinicia os monitores;
O modelo de carga é fixado para a admitância;
O tempo é fixado em zero, pois a hora é utilizada como contador;
Para um número específico de vezes:
O algoritmo incrementa o contador de horas;
Uma falta é escolhida aleatoriamente;
A resistência da falta também é escolhida aleatoriamente;
Calcula-se a solução direta da corrente como produto da admitância e tensão. A matriz Y então é recalculada e obtem-se as injeções de todas as fontes e máquinas.
Um exemplo da aplicação do método de estudo de faltas Monte Carlo, com 500 faltas diferentes, é representado a seguir:
Compile circuitfile.txt
solve
//Resultado
3.1.3 Sistema elétrico CEB
A concessão da CEB-Distribuição abrange uma área de 5783 2, compreendendo todo o Distrito Federal, dividida em 31 regiões administrativas. O sistema é suprido principalmente por Furnas Centrais Elétricas S. A., por meio das subestações Samambaia (345/138 kV), Brasília Sul (345/138 kV) e Brasília Geral (230/34,5 kV), com capacidade de 675 MVA, 900 MVA e 240 MVA, respectivamente. A CEB também recebe energia de Corumbá III e IV, com potência instalada de 93 MW e 127 MW.
O sistema apresenta tensões entre 15 e 138 kV e apresenta 34 subestações e 15 alimentadores em 138 kV, 5 em 69 kV e 14 em 34,5 kV, totalizando a capacidade de transformação de 2232 MVA. (CEB, 2017)
A alimentação de parte de Brasília é realizada por meio de sistema primário sub- terrâneo, em topologia de malhas. Porém, para a maioria dos locais utiliza-se a topologia radial. Neste caso, o circuito tem início na subestação e ramifica-se para alimentar a região. A cidade de Taguatinga apresenta esta tipologia, apresentando 12 alimentadores em ten- são primária de distribuição (13,8 kV). Para o presente estudo, utilizou-se o alimentador TG01.
3.1.3.1 Alimentador TG01
O alimentador TG01 fornece energia elétrica para a região de Taguatinga Norte, atendendo parte da carga residencial e comercial, além de iluminação pública nos trechos de baixa tensão e algumas cargas em média tensão. O sistema utilizado para o presente estudo de caso foi modelado pela CEB, no software OpenDSS. A figura 10 apresenta o sistema de alimentação de Taguatinga, com destaque para o alimentador TG01.
38 Capítulo 3. Metodologia
Figura 10: Sistema de alimentação de Taguatinga. Fonte: CEB (modificado)
Com base nos dados fornecidos pela CEB, foi possível identificar que este alimen- tador atende 4 cargas em média tensão e 7941 cargas em baixa tensão, sendo destas:
5309 cargas residenciais.
1738 cargas comerciais.
7 cargas industriais.
887 cargas de iluminação pública.
A localização das unidades consumidoras foi planejada, de modo que os transforma- dores alimentem somente um tipo de carga (residencial ou comercial). Os transformadores localizados na avenida comercial atendem cargas comerciais e os instalados no interior das quadras atendem exclusivamente cargas residenciais.(SHAYANI, 2010)
3.1. Materiais 39
O sistema apresenta um transformador de três enrolamentos e potência de 5 kVA e oitenta e cinco transformadores trifásicos (13,8 kV/380V), com dois enrolamentos, co- nectados em delta estrela aterrado, com potências variando entre 30 e 1000 kVA, sendo:
2 transformadores de 30 kVA;
2 transformadores de 45 kVA;
31 transformadores de 75 kVA;
30 transformadores de 112,5 kVA;
16 transformadores de 150 kVA;
2 transformadores de 225 kVA;
2 transformadores de 1000 kVA.
O sistema analisado foi mapeado (Shayani 2010) e apresentou desde o ano de 2010 a expansão de treze transformadores de distribuição, sendo:
1 transformador de 75 kVA;
7 transformadores de 112,5 kVA;
3 transformadores de 150 kVA;
2 transformadores de 1000 kVA
A figura 11 apresenta o percurso da rede de média tensão (13,8kV) do alimentador TG01, indicando a sua topologia radial e os transformadores de distribuição e a figura 12 representa o esquema elétrico equivalente do alimentador, incluindo a numeração das barras.
40 Capítulo 3. Metodologia
3.1. Materiais 41
Figura 12: Esquema elétrico alimentador TG01 (SHAYANI, 2010)
O sistema apresenta 8192 barras, sendo 453 em média tensão e 7739 em baixa tensão. Todas as barras em média tensão são trifásicas, e as barras em baixa tensão apresentam barras monofásicas, bifásicas e trifásicas. A tabela 1 apresenta as barras em baixa tensão. De acordo com as fases conectadas.
Tabela 1: Barras em baixa tensão Barras monofásicas Barras Bifásicas Barras trifásicas
Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fases 1 e 2 Fases 2 e 3 Fases 3 e 1 4339686 183 710 87 1709 25
A demanda máxima do sistema é de 7264 kW (8206 kVA com FP de 0,88 indutivo). As cargas residenciais e comerciais do sistema modelado apresentam 10 modelos diferentes. As figuras 13 e 14 apresentam as curvas de carga dos dez modelos e a média, para as cargas comerciais e residenciais de um dia útil, respectivamente.
42 Capítulo 3. Metodologia
Figura 13: curvas de carga dos diferentes modelos de carga comercial para um dia útil
As cargas comerciais apresentam pico de demanda entre 11 horas da manhã e 16 horas da tarde, apresentando o menor valor no período da madrugada, entre as zero horas e as 6 horas da manhã. Já as cargas residenciais apresentam maior demanda entre as 19 e 21 horas.
Figura 14: curvas de carga dos diferentes modelos de carga residencial para um dia útil
3.1. Materiais 43
A partir da médias dos modelos de carga, plotou-se os os gráficos das figuras 16 e 15 das figuras, com as médias das curvas de carga, para os dias úteis, sábados e domingos, das cargas comerciais e residenciais.
Figura 15: Curva de carga comercial para dias úteis, sábado e domingo
Figura 16: Curva de carga residencial para dias úteis, sábado e domingo
44 Capítulo 3. Metodologia
Para o presente estudo foi utilizada uma curva de carga de um dia útil, por repre- sentar mais dias da semana, contemplando assim, as características da carga durante o maior tempo de operação. O gráfico da figura 17 apresenta as médias das curvas de carga residencial, comercial e iluminação pública.
Figura 17: Médias das Curvas de carga de um dia útil para a o alimentador TG01
A fim de se obter uma curva de carga aproximada do alimentador, plotou-se tam- bém a média das curvas residencial,comercial e iluminação pública, ilustrado na figura 18
3.2. Métodos 45
Figura 18: Aproximação da média da curva de carga para o alimentador TG01
3.2 Métodos
3.2.1 Automatização da simulação das faltas
Para analisar a propagação no sistema, foram aplicadas faltas fase-terra nas barras dos oitenta e cinco transformadores, tanto na barra do primário (13,8 kV), quanto do secundário (380 V), em cada uma das fases, para cada hora do dia, de acordo com a curva de carga. Considerou-se a impedância de falta de 30 Ω.
Para as simulações das faltas, utilizou-se um software para cálculo numérico para automatizar as simulações que são realizadas pelo OpenDSS.
A figura 19 apresenta o diagrama do processo de automatização das simulações.
O primeiro passo para automatizar as simulações é identificar as barras dos pri- mários e dos secundários dos transformadores e escrever um arquivo de texto com um nome de barra por linha, na forma padrão de aplicação de falta fase-terra, especificada na subseção anterior (modo snapshot, falta fase-terra). O arquivo com o nome das barras é que define o tipo de falta e as fases envolvidas
46 Capítulo 3. Metodologia
Figura 19: Fluxograma do processo de automatização das simulações
O software para cálculo numérico lê uma linha com o nome da barra por vez e realiza um loop para as 24 horas do dia. Devido à necessidade de resolver o fluxo de potência antes da falta, com dois comandos para resolver o sistema, o índice da estrutura de repetição deve começar com o valor de -1. Dentro do loop, o software insere no OpenDSS os dados da hora, nome da barra que deve ser aplicada a falta e a fase, bem como o tipo de
3.2. Métodos 47
falta e dos comandos necessários para a simulação e para exportar os resultados. Depois disto, o OpenDSS realiza a simulação e salva os arquivos com os resultados. A figura 20 mostra um exemplo de simulação, para faltas na fase 1 da barra 1.
Figura 20: Exemplo de simulação, para a fase 1 da barra 1
As simulações para cada lado dos transformadores resultaram em 85 arquivos .CSV para cada hora do dia, para cada fase, ou seja, 2040 arquivos para falta em cada umas das fases, gerando 6120 arquivos. Assim, totalizou-se 12240 arquivos para faltas nas barras do primário e secundário dos transformadores. Estes apresentam dados da tensão em todas as barras do sistema para as três fases (Base kV, magnitude, ângulo e tensão em pu).
Os arquivos .CSV foram salvos identificando o nome da barra que foi aplicada o curto, a fase e a hora, de modo a serem identificados pelo software para cálculo numérico durante a organização dos dados das simulações. Não foi necessário identificar nos nomes dos arquivos em qual lado do transformador foi aplicado a falta, pois os próprios nomes das barras permitem esta identificação.
Utilizando o mesmo procedimento, foram realizadas simulações para cada hora, para o sistema sem a ocorrência de falta, estabelecendo assim, parâmetros para comparar os níveis de tensão antes da falta e verificar o efeito da mesma na tensão das barras do sistema.
49
4 Resultados e discussões
Esta seção apresenta os resultados obtidos através das simulações, para as faltas aplicadas nas barras dos transformadores e armazenados nos vetores, em comparação com as condições do sistema sem falta.
Um dos transformadores foi selecionado para o estudo da influência nos níveis de tensão devido à variação da resistência de falta e devido a faltas em diferentes barras do sistema. Para isto, selecionou-se o transformador mais distante do alimentador.
Primeiramente, comparou-se o impacto do curto nas barras do primário e do se- cundário deste transformador, variando-se a impedância de falta, entre valores de 0,0001 Ω (resistência de falta default para o OpenDSS), até 30 Ω (considerada falta de alta impedância).
Avaliou-se também o efeito dos curtos nos níveis de tensão nas barras do primário e do secundário do transformador selecionado, para todas as horas do dia, em comparação com os níveis para o sistema sem falta. Através dos resultados obtidos com a simulação, foi possível também analisar os ângulos dos vetores de tensão e as variações causadas pela presença das faltas.Para análise mais global do sistema, levantou-se a porcentagem de bar- ras fora dos limites de operação considerados adequados pelo PRODIST (Procedimentos de distribuição estabelecido pela ANEEL).
O módulo 8 do PRODIST estabelece procedimentos relativos à qualidade da ener- gia elétrica, tanto do ponto de vista de qualidade do produto, quanto da qualidade do serviço.
4.1 Considerações sobre as simulações O sistema utilizado no estudo foi previamente modelado no OpenDSS pela distri-
buidora CEB. Não foi possível identificar padrões e justificativas utilizadas para as barras e elementos implementados no OpenDSS para que se tivesse um maior conhecimento das características do alimentador. Sendo assim, não foi possível verificar quantas cargas estavam ligadas em cada um dos 86 transformadores, nem georreferenciar o sistema.
Para simplificar a simulação de faltas nos transformadores, não utilizou-se um dos transformadores, que apresentava três enrolamentos e potência de apenas 5 kVA, sem prejuízos para os resultados das simulações, pois a potência deste transformador é muito pequena, se comparado com as potências dos demais transformadores do sistema.
50 Capítulo 4. Resultados e discussões
Devido ao grande volume de simulações, realizou-se simulações de apenas um tipo de falta. Assim, optou-se pela falta fase terra, por este tipo apresentar maior ocorrência em sistemas de distribuição. A resistência de falta utilizada foi de 30 Ω, escolhida por ser um valor razoável, nem tão pequena, que poderia acarretar grandes diferenças nas magnitudes das tensões, também não muito alto, para não caracterizar faltas de alta impedância.
Dentre as curvas de carga disponíveis, optou-se por simular utilizando a curva de carga para um dia útil, configurando assim, o maior período de operação.
A fim de verificar os níveis de tensão resultantes de faltas no sistema, comparou-se os resultados obtidos com as faixas de valores considerados como tensão de atendimento adequada pelo PRODIST.
Um dos parâmetros estabelecidos pelo PRODIST é a tensão em regime perma- nente. No anexo 1 deste documento da ANEEL, apresenta-se a faixa de classificação de tensão. De acordo com a magnitude da tensão de atendimento, esta é classificada como adequada, precária ou crítica. A tabela 2 apresenta essas faixas de tensão para sistemas com tensão nominal entre 1 kV e 69 kV.
Tabela 2: Faixas de tensão para sistemas com tensão nominal entre 1 kV e 69 kV
Tensão de Atendimento (TA) Faixa de Variação da Tensão de Leitura
(TL) em Relação à Tensão de Referência (TR)
Adequada 0,93TR <= TL<= 1,05TR Precária 0,90<= TL <0,93TR Crítica TL<0,90TR ou TL >1,05TR
4.2 Influência da resistência de falta Para verificar a influência da variação da resistência de falta nos níveis de tensão,
realizou-se simulações variando este parâmetro, com valores entre 0,0001 Ω (default no OpenDSS) e 300 Ω.
Neste documento, foram apresentados os resultados dos fasores de tensão para as barras do primário e secundário do transformador 76 do esquema elétrico apresentado anteriormente (figura 12), devido à falta aplicada na fase 1 da barra do primário deste transformador.
Considerando os valores de tensão na barra onde foi aplicado o curto circuito, é possível observar as maiores quedas nos níveis de tensão, uma vez que o curto circuito é um fenômeno que se propaga no sistema elétrico, diminuindo seus efeitos à medida que se afasta da fonte.
4.2. Influência da resistência de falta 51
Para esta barra, impedâncias menores que 0,1 Ω resultaram em tensões na ordem de 10−5 na magnitude e distorções de mais de 63 na fase em que ocorreu o curto circuito (fase 1). Para as demais fases da barra, ocorreu um aumento no nível de tensão, apresen- tando aumento nas magnitudes de 0,37 e 0,23 pu e distorções nos ângulos de 16, 2 e 22 , para as fases 2 e 3, respectivamente.
A medida que aumentaram-se os valores de resistência, os resultados das tensões se aproximavam da referência (sem falta). Para o caso de impedância de 30 Ω (utilizada neste estudo), a fase em que foi aplicado o curto apresentou tensão com magnitude de 0,91 pu (queda de 0,05 pu em relação à referência) e distorção no ângulo de 6 . Para a fase 2, resultou-se em um aumento da magnitude da tensão, permanecendo dentro dos limites de operação, e uma pequena distorção no ângulo. Já a fase 3, apresentou queda na tensão, apresentando queda na magnitude e distorção de 3 .
Os resultados para o caso sem falta e para os demais valores de resistência de falta para falta aplicada na fase 1 do primário do transformador e para a barra do secundá- rio, estão apresentados nas tabelas 3 e 4, onde as barras M5836578-TG01 e B5836579- TR1055_30T são as barras de média e baixa tensão, respectivamente.
Tabela 3: Fasores de tensão na barra do primário, devido a falta na fase 1 do primário Barra M5836578-TG01
Fase 1 Fase 2 Fase 3 Resistência de falta [Ω]
Magnitude [pu]
Ângulo [o]
Magnitude [pu]
Ângulo [o]
Magnitude [pu]
Ângulo [o]
Sem falta 0,96 -1,6 0,9535 -120,8 0,97 119,5 0,0001 2,54 10−5 -65,1 1,33 -136,2 1.20 141,5
0,1 2,54 10−5 -65,1 1,33 -136,2 1.20 141,5 1 0,222 -53,3 1,32 -131,5 1,09 141,7 15 0,8529 -13,1 1,06 -120,3 0,918 125 30 0,91 -7,7 1,014 -120,2 0,93923 122,2 100 0,952 -3,4 0,97 120,5 0,96 120,2 300 0,96 -2,1 0,96 -120,6 0,97 119,7
52 Capítulo 4. Resultados e discussões
Tabela 4: Fasores de tensão na barra do secundário, devido a falta na fase 1 da barra do primário
Barra B5836579-TR1055_30T Fase 1 Fase 2 Fase 3
Resistência de falta [Ω]
Magnitude [pu]
Ângulo [o]
Magnitude [pu]
Ângulo [o]
Magnitude [pu]
Ângulo [o]
Sem falta 0,94 -35,5 0,98 -151,6 0,98 89,2 0,0001 0,6859 -41,3 0,79 -136,3 0,992 89,3
0,1 0,6859 -41,3 0,79 -136,3 0,992 89,3 1 0,7463 -43,7 0,769 -141,3 0,99 89,4 15 0,94 -37,8 0,919 -152,1 0,99 88,5 30 0,93 -36 0,95 -152 0,99 89,5 100 0,96 -34,6 0,97 -151,7 0,992 89,5 300 0,961 -34,2 0,983 -151,5 0,992 89,5
Como é possível observar com as tabelas 3 e 4, a impedância de falta interfere além da magnitude, no ângulo da tensão. Quanto menor a resistência de falta, maior será a diferença entre os valores de magnitude e ângulo entre as barras do sistema, resultante da falta e do sistema sem falta.
Através das tabelas é possível observar que para resistências de falta maiores (100 e 300 Ω), os efeitos na tensão, em comparação com o estado anterior à falta, são pequenos, tanto na magnitude quanto para o ângulo. Para o caso de resistências de falta de 0,1 Ω, para esta barra alcançou-se grandes diferenças nos fasores de tensão, porém, ao diminuir a resistência de falta para valores menores que este, não foram observadas mudanças significativas na queda de tensão.
4.3 Influência da faltas nos níveis de tensão das barras do primário e do secundário do transformador A fim de observar o comportamento da tensão nas barras de um transformador
devido às faltas, selecionou-se duas barras mais longe do alimentador, onde os efeitos da queda de tensão são maiores devido à distância. As barras selecionadas correspondem ao primário e ao secundário do transformador número 76 do esquema elétrico apresentado anteriormente.
Para analisar estes valores graficamente, carregou-se no software para cálculo nu- mérico os dezoito vetores com os resultados das faltas e o vetor com as tensões antes da falta, considerada neste caso como a referência. Dentro do loop, com índice de 1 a 24, representando as 24 horas do dia, criou-se vetores para serem plotados nos gráficos, de tamanho 24x85, com os resultados das tensões na barra desejada devido à falta nas 85 barras, para cada hora.
4.3. Influência da faltas nos níveis de tensão das barras do primário e do secundário do transformador53
Deste modo, para a barra em estudo, foram plotados os 85 valores da magnitude da tensão, para cada hora do dia. No caso do vetor de referência para a barra em estudo, há apenas um valor de magnitude de tensão para cada hora do dia, resultando em um vetor 24x1.
Para comparar os resultados das tensões, foram então plotados os resultados da tensão devido às faltas, a tensão de referência e os limites de operação do Prodist (entre 0,93 e 1,05 pu).
A fim de analisar o comportamento do sistema, dividiu-se as análises em duas partes, apresentando os resultados na barra de média tensão e na barra de baixa tensão, para faltas nas barras dos primários e dos secundários dos transformadores.
4.3.1 Resultados na barra de média tensão
Para a barra de média tensão, avaliou-se o comportamento das tensões, devido às faltas nas barras do primário e do secundário dos transformadores para as três fases. A primeira análise foi para falta nas barras do lado de alta do sistema. A figura 21 representa um esquema ilustrativo para esta análise.
Figura 21: Representação da análise no lado de alta devido à faltas nas barras do lado de alta dos transformadores
Faltas na fase 1 da barra dos primários dos transformadores fazem com que esta fase da barra em estudo apresente magnitudes de tensão abaixo do limite considerado como adequada durante todo o dia para esta fase, sendo este efeito na queda de tensão pior entre as 19 e 21 horas (horário de ponta), onde quase todas as faltas resultam em níveis de tensão abaixo do limite e o menor efeito ocorre 6 da manhã. As faltas nesta fase também geram quedas de tensão na fase 3, porém, em menor proporção, fazendo com que apresente magnitudes abaixo de 0,93 pu nos horários de pico. Para a fase 2 ocorreu aumento da tensão, porém, continua dentro da faixa de tensão adequada.
54 Capítulo 4. Resultados e discussões
Os resultados das faltas nas 85 barras dos primários dos transformadores podem ser observados na figura 22.
Figura 22: Resultados das magnitudes de tensão nas três fases da barra do primário, devido a faltas na fase 1 das barras dos primários
4.3. Influência da faltas nos níveis de tensão das barras do primário e do secundário do transformador55
Faltas na fase 2 da barra dos primários dos transformadores apresentam resultados semelhantes ao anterior, porém, com menores níveis de tensão, uma vez que esta fase apresentava magnitudes de tensão próximos ao limite de 0,93 pu antes da falta. Na fase onde ocorre o curto (fase 2), os níveis de tensão ficam na faixa de operação precária na maioria das horas do dia. A fase 1 também apresenta queda nos níveis de tensão, ficando abaixo de 0,93 pu nos horários de ponta. Há aumento nas tensões para a fase 3, porém, sem sair da faixa de operação adequada.
Para falta na fase 3 das barras de média tensão, além da queda nos níveis de tensão nesta fase, ocorreu queda na fase 2, encontrando-se na faixa de operação precária durante a maioria de horas do dia. Para a fase 1, as magnitudes aumentaram, porém, mantendo-se dentro da faixa de operação adequada.
Os resultados obtidos estão de acordo com o esperado, uma vez que as faltas diminuiram as tensões na fase em que ocorreu o curto e aumentaram em outra fase.
A figura 23 apresenta o diagrama fasorial das tensões nas três fases da barra de média tensão, para faltas na fase 1 das barras de média tensão. A partir deste, é possível visualizar o aumento na magnitude da fase 2, maior que 1 pu durante a falta na fase 1.
Figura 23: Diagrama fasorial das tensões nas três fases da barra do primário, para faltas na fase 1 das barras dos primários. Vermelho: fase 1, preto: fase 2, azul: fase 3
Avaliou-se também os níveis de tensão na barra de média tensão, para faltas nas barras no lado de baixa, como ilustrado no esquema da figura 24.
56 Capítulo 4. Resultados e discussões
Figura 24: Representação da análise no lado de alta devido à faltas nas barras do lado de baixa dos transformadores
Faltas nas barras dos secundários dos transformadores surtiram efeitos que podem ser considerados desprezíveis nos níveis de tensão para a barra em estudo, que manteve as magnitudes e ângulos muito próximos aos registrados antes das faltas. Este compor- tamento pode ser observado na figura 25, que representa o efeito das faltas na fase 2 das barras de baixa tensão, para as três fases da barra em estudo. Um comportamento semelhante ocorreu para faltas nas fases 1 e 2.
Figura 25: Diagrama fasorial das tensões nas três fases da barra do primário, para faltas na fase 1 das barras dos secundários. Vermelho: fase 1, preto: fase 2, azul: fase 3
4.3. Influência da faltas nos níveis de tensão das barras do primário e do secundário do transformador57
4.3.2 Resultados na barra de baixa tensão
Para análises dos efeitos dos curto circuitos na barra de baixa tensão, consideram- se os resultados para faltas nas barras dos secundários deste transformador e também para as barras dos primários.
Para a fase 1, antes mesmo de aplicar-se as faltas, os níveis de tensão para a barra do secundário do transformador 76 já encontravam-se em nível precário, entre as 8 horas da manhã e as 22 horas.
O esquema da figura 26 representa a avaliação dos níveis de tensão no lado de baixa, devido às faltas no lado de baixa.
Figura 26: Representação da análise no lado de baixa devido à faltas nas barras do lado de baixa dos transformadores
Através das simulações, foi possível observar que faltas do lado do secundário dos transformadores surtiram pouco efeito na queda dos níveis de tensão, como é possível observar na figura 27. Neste gráfico, para faltas na fase 1 dos secundários dos transfor- madores, as tensões nesta fase, tiveram uma pequena queda. Os efeitos nas demais fases foram ainda menores, se aproximando muito dos valores obtidos antes da falta. Faltas nas fases 2 e 3 tiveram efeitos semelhantes, ou seja, queda pequena no nível de tensão na mesma fase da falta e praticamente insignificante para as demais fases.
Para os ângulos dos fasores de tensão, observou-se um comportamento parecido, onde a fase 1 apresenta maior variação angular, uma vez que já apresentava este compor- tamento antes da faltas. O diagrama fasorial com o resultado das tensão nas três fases da barra de baixa tensão, para faltas na fase 1 das barras de baixa tensão esta representado na figura 28.
58 Capítulo 4. Resultados e discussões
Figura 27: Magnitudes de tensão nas três fases da barra do secundário, devido a falta na fase 1 das barras dos secundários
Devido às conexões dos transformadores (delta-estrela aterrado), as tensões de fase do secundário estão 30o atrasadas em relação às tensões do primário, como pode ser observado na figura 28.
4.3. Influência da faltas nos níveis de tensão das barras do primário e do secundário do transformador59
Figura 28: Diagrama fasorial das tensões nas três fases da barra de baixa tensão, para faltas na fase 1 das barras de baixa tensão. Vermelho: fase 1, preto: fase 2, azul: fase 3
Para este estudo, analisou-se também os efeitos de faltas nas barras de média tensão nas magnitudes de tensão da barra do lado de baixa. O esquema da figura 29 ilustra esta análise
Figura 29: Representação da análise no lado de baixa devido à faltas nas barras do lado de alta dos transformadores
As figuras 30 e 31 a seguir apresentam os resultados nas três fases do lado de baixa, para curtos na fase 1 das barras do lado de alta.
60 Capítulo 4. Resultados e discussões
Figura 30: Magnitudes de tensão nas três fases da barra do secundário, devido a faltas na fase 1 das barras dos primários
Como pode ser observado na figura 30, faltas na fase 1 do primário causaram quedas nas tensões nas fases 1 e 2, sendo que o maior módulo desta queda ocorre na fase 2. Os níveis de tensão para a fase 3 permanecem próximos à condição pré falta. Este resultado está de acordo com o esperado. Devido à ligação dos transformadores, a falta se propaga no secundário ocasionando queda de tensão em duas fases e mantendo os níveis de tensão na terceira.
4.4. Níveis de tensão das barras do alimentador TG01 61
Para faltas na fase 2 dos primários, ocorreu queda de tensão nas fases 2 e 3, sendo a maior queda para a fase 3. Neste caso, os níveis de tensão para a fase 1 permanecem próximos à condição pré falta.
Para faltas na fase 3 dos primários, ocorreu queda de tensão nas fases 1 e 3, sendo a maior queda para a fase 1. Neste caso, os níveis de tensão para a fase 2 permanecem próximos à condição pré falta.
Figura 31: Diagrama fasorial das tensões nas três fases da barra do secundário, para faltas na fase 1 das barras dos primários. Vermelho: fase 1, preto: fase 2, azul: fase 3
4.4 Níveis de tensão das barras do alimentador TG01 Antes da aplicação das faltas, o sistema do alimentador TG01 já apresentava mui-
tas barras com o nível de tensão abaixo de 0,93 pu, principalmente nos horários de maior demanda de energia elétrica (horário de ponta), chegando a 63,49% das barras na fase 1, às 19 horas. A menor porcentagem de barras que apresentaram tensão abaixo de 0,93 pu (4,68%) foi às 6 horas da manhã, na fase 3. Para esta condição de operação, o sistema não apresentou barras operando com tensão acima de 1,05 pu.
A tabela 5 apresenta as porcentagens das três fases das barras do alimentador TG01 que apresentaram tensão com magnitude abaixo de 0,93 pu, antes da falta, para todas as horas do dia.
62 Capítulo 4. Resultados e discussões
Tabela 5: Porcentagens de barras fora de condição adequada antes da falta
Hora Fase 1 Fase 2 Fase 3 Hora Fase 1 Fase 2 Fase 3 0 30,29% 25,94% 12,60% 12 39,92% 34,33% 17,10 1 24,41% 21,63% 10,17% 13 39,75% 33,19% 16,68 2 23,19% 20,09% 9,09% 14 39,65% 31,77% 17,07764 3 20,91% 18,27% 7,34% 15 41,87% 33,37% 18,07861 4 20,35% 18,60% 7,71% 16 40,77% 32,98% 17,55371 5 23,86% 19,95% 8,95% 17 42,93% 37,22% 19,36035 6 17,66% 14,36% 4,68% 18 63,57% 57,25% 36,59668 7 25,31% 14,86% 5,13% 19 67,49% 58,98% 37,92725 8 35,80% 25,11% 10,94% 20 62,74% 54,11% 33,70361 9 33,96% 23,16% 10,12% 21 53,13% 47,73% 28,36914 10 36,90% 29,96% 13,85% 22 47,42% 43,16% 23,92578 11 42,72% 37,32% 19,54% 23 38,59% 36,57% 18,82324
É possível notar a relação entre as barras fora do nível de tensão desejável e a curva de carga. Quanto maior a demanda do horário, maior será o número de barras fora do limite, enquanto para o período de menor demanda, apresenta-se valores menores. Através da tabela, também percebe-se que a fase 1 apresenta uma maior porcentagem, chegando a 67,49% do total das barras abaixo de 0,93 pu, às 19 horas, seguido pela fase 2. Já a fase 3 apresenta a menor porcentagem, destacando-se às 6 horas da manhã, onde 4,68% das barras encontravam-se nesta situação.
Após a ocorrência das faltas, nas três fases, nas barras do primário e do secundário dos transformadores, levantou-se as porcentagens de barras fora dos níveis desejados para cada fase, gerando vetores de 85x24. Destes resultados, foram selecionados, para cada hora, as maiores e as menores porcentagens. Estes resultados são apresentados na tabela 6.
Tabela 6: porcentagem de barras com tensão abaixo de 0,93 pu devido às faltas Primário Secundário
Falta 1 Falta 2 Falta 3 Falta 1 Falta 2 Falta 3 Máx Fase 1 79,55% 71,70% 83,38% 67,81% 67,62% 67,54%
Fase 2 69,66% 67,79% 64,46% 58,98% 59,14% 59,03% Fase 3 49,71% 50,32% 51,98% 45,88% 45,88% 45,90%
Min Fase 1 22,58% 19,16% 22,68% 17,66% 17,65% 17,66% Fase 2 17,94% 17,39% 14,83% 14,34% 14,34% 14,34% Fase 3 14,97% 21,19% 15,88% 14,96% 14,96% 14,96%
A partir da tabela é possível notar que ocorreram aumentos na quantidade de barras com nível de tensão abaixo de 0,93 pu após as falta, principalmente para faltas nas barras do lado de média tensão, chegando a ter um aumento de 16,52% na fase 3, devido à falta na fase 2. Para faltas nas barras do lado de baixa tensão, os aumentos da porcentagem foram pequenos, chegando a ser zero na fase 2, devido à falta na fase 1.
4.5. Considerações finais 63
As demais diferenças entre a porcentagem de barras fora do nível de tensão antes e depois das faltas estão apresentadas na tabela 7.
Tabela 7: Diferença da quantidade de barras com tensão abaixo de 0,93 pu antes e após as faltas
Primário Secundário Falta 1 Falta 2 Falta 3 Falta 1 Falta 2 Falta 3
Máx Fase 1 12,06% 4,21% 15,89% 0,32% 0,13% 0,05% Fase 2 10,68% 8,81% 5,48% 0,00% 0,16% 0,05% Fase 3 11,79% 12,40% 14,06% 7,96% 7,96% 7,96%
Min Fase 1 4,92% 1,50% 5,02% 0,00% 0,00% 0,00% Fase 2 3,59% 3,04% 0,48% 0,00% 0,00% 0,00% Fase 3 10,30% 16,52% 11,21% 10,29% 10,29% 10,29%
4.5 Considerações finais Para as condições de estudo, em um dia útil, com faltas fase terra, resistência
de 30 Ω e transformadores conectados em delta estrela aterrado, foram apresentados os resultados dos níveis de tensão, para as barras dos primário e secundários.
As variações de tensão nas barras do sistema dependem de muitos fatores, entre estes os níveis de tensão antes das faltas, o tipo e resistência das faltas e a conexão dos transformadores.
O sistema em estudo já apresentava barras com níveis de tensão abaixo de 0,93 pu antes da aplicação das faltas fase terra, principalmente no horário de ponta (entre 19 e 21 horas) e através do estudo de faltas foi possível observar a porcentagem de barras fora do padrão antes e após a aplicação das faltas.
Através deste estudo foi possível observar o comportamento do sistema, com isto, observou-se que curtos circuitos no lado de baixa dos transformadores não surtiram muito efeito nos níveis de tensão do sistema, nem na magnitude e nem no ângulo da tensão, por 30 Ω ser uma impedância alta para este nível de tensão.
65
5 Conclusão
Este trabalho teve por objetivo avaliar o comportamento do sistema de distribuição TG01 da distribuidora CEB na presença de falta devido a curtos-circuitos através do software OpenDSS. Para isto, automatizou-se o processo de simulação através de um software para cálculo numérico.
Para avaliar o comportamento do sistema em falta, optou-se por utilizar a falta fase terra, por ser o tipo de falta mais frequente em sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica, realizando simulações nas três fases das barras dos primários e secundários dos transformadores do sistema.
As simulações foram feitas para cada hora do dia, de acordo com a curva de carga do sistema, em cada fase dos primários e dos secundários dos transformadores e salvas em arquivos de texto, totalizando 12.240 arquivos.
Devido ao grande volume de simulações, automatizou-se o processo através de um software para cálculo numérico. A partir deste procedimento, é possível realizar diversas simulações apenas mudando alguns parâmetros, como o tipo e a resistência de faltas, podendo ampliar o cenário de estudo, comparando os resultados e aproximando cada vez mais as simulações dos sistemas reais.
Vários fatores influenciam nos resultados das faltas, entre estes a tensão pré falta, a conexão dos transformadores e o tipo e resistência de falta. Entre estes, o último parâmetro é muito significante, como foi apresentado no presente trabalho, onde foi observado o peso da resistência de falta para os resultados de níveis de tensão do sistema.
As simulações resultaram em arquivos com os dados de tensão resultantes da falta, sendo possível, assim, comparar os valores antes da falta e observar o comportamento do sistema. Utilizando uma resistência de falta de 30 Ω, notou-se que a falta não contribuiu para grandes quedas de tensão no sistema, principalmente quando se tratava de faltas nas barras dos secundários.
O presente estudo mostra-se relevante para o estudo de sistemas reais, tornando possível o mapeamento do sistema de acordo com as faltas.
Para trabalhos futuros, primeiramente poderia ser realizado um estudo mais apro- fundado do software OpenDSS e das possibilidades de estudos de faltas e dos modos não aprofundados neste trabalho (Monte Carlo e FaultStudy). Outro ponto que enriqueceria o trabalho,se fosse possível, seria a obtenção de mais informações sobre o sistema, como a identificação dos transformadores e a geolocalização.
Como continuação deste trabalho, propõe-se também novas simulações, mudando
66 Capítulo 5. Conclusão
os valores da resistência e o tipo de falta, ampliando o estudo para as curtos circuitos fase-fase, fase-fase-terra e trifásico, uma vez que a metodologia para a automatização das simulações foi realizada para este estudo.
67
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