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MEDIDAS PARA REDUÇÃO DE NÍVEIS DE CURTO-CIRCUITO: ESTUDO DE CASO DA ÁREA RIO Pedro Guimarães Trindade Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientadoras: Tatiana Mariano Lessa de Assis Marianna Nogueira Bacelar Rio de Janeiro Fevereiro de 2019

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MEDIDAS PARA REDUÇÃO DE NÍVEIS DE CURTO-CIRCUITO: ESTUDODE CASO DA ÁREA RIO

Pedro Guimarães Trindade

Projeto de Graduação apresentado ao Cursode Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,Universidade Federal do Rio de Janeiro, comoparte dos requisitos necessários à obtenção dotítulo de Engenheiro.

Orientadoras: Tatiana Mariano Lessa de AssisMarianna Nogueira Bacelar

Rio de JaneiroFevereiro de 2019

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MEDIDAS PARA REDUÇÃO DE NÍVEIS DE CURTO-CIRCUITO: ESTUDODE CASO DA ÁREA RIO

Pedro Guimarães Trindade

PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DOCURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICADA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTEDOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DEENGENHEIRO ELETRICISTA.

Examinado por:

Prof. Tatiana Mariano Lessa de Assis, D.Sc.

Marianna Nogueira Bacelar, M.Sc.

Prof. Robson Francisco da Silva Dias, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASILFEVEREIRO DE 2019

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Guimarães Trindade, PedroMedidas para redução de níveis de curto-circuito: estudo

de caso da área Rio /Pedro Guimarães Trindade. – Rio deJaneiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2019.

XIII, 66 p.: il.; 29, 7cm.Orientadoras: Tatiana Mariano Lessa de Assis

Marianna Nogueira BacelarProjeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/

Curso de Engenharia Elétrica, 2019.Referências Bibliográficas: p. 64 – 66.1. Dispositivo limitadores de curto-circuito. 2.

Superação de disjuntores. 3. Área Rio. I. Lessa deAssis, Tatiana Mariano et al. II. Universidade Federal doRio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de EngenhariaElétrica. III. Título.

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Agradecimentos

Primeiramente, agradeço aos meus pais, Antônio e Aparecida, por sempre me apoi-arem e incentivarem ao longo da minha vida. Também agradeço à minha irmã,Gabriela, por sempre estar torcendo por mim.

À minha namorada, Laís, por todo apoio desde antes do início da faculdade epela compreensão quando a prioridade foi a realização deste trabalho.

Aos amigos da UFRJ, Douglas de Luna, Gabriel dos Santos, Felipe Farage, JoãoPedro Costa, Larissa Verlaine, Maisa Kashima, Maria de Fátima e Robson Elias.Por toda ajuda durante a graduação e pelos momentos de descontração fora dafaculdade.

Às minhas orientadoras Tatiana e Marianna, pela orientação.A todos os professores da UFRJ pelos ensinamentos passados durante a gradu-

ação e em especial aos professores do DEE, que serviram de motivação para seguira carreira de engenheiro eletricista.

Ao ONS, em especial aos colegas da GET-II e EGP, por todo conhecimentoadquirido nestes dois anos de estágio. À minha supervisora Marianna Bacelar, porsempre estar disposta a sanar minhas dúvidas e por propor o tema deste trabalho.

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoas de Nível Superior (CAPES) pelaoportunidade de realizar meu intercâmbio por meio do programa ciências sem fron-teiras.

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Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ comoparte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.

MEDIDAS PARA REDUÇÃO DE NÍVEIS DE CURTO-CIRCUITO: ESTUDODE CASO DA ÁREA RIO

Pedro Guimarães Trindade

Fevereiro/2019

Orientadoras: Tatiana Mariano Lessa de AssisMarianna Nogueira Bacelar

Curso: Engenharia Elétrica

Este trabalho apresenta estudos de curto-circuito com o objetivo de identificare propôr soluções para o problema de superação de disjuntores nas subestações daárea do Rio de Janeiro. É descrita a metodologia utilizada pelo Operador Nacionaldo Sistema Elétrico e pelos agentes de transmissão, geração e distribuição do SistemaElétrico Brasileiro nas análises de superação de disjuntores por corrente de curto-circuito simétrica. Além disso, apresentam-se medidas para reduzir níveis de curto-circuito, que são aplicadas em um caso real do Sistema Elétrico Brasileiro com oobjetivo de avaliar sua eficácia. Por fim, é feita uma proposta de aplicação dediversas medidas mitigadoras para solucionar o problema de elevados níveis de curto-circuito e a própria superação de disjuntores.

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Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillmentof the requirements for the degree of Engineer.

METHODS TO REDUCE SHORT-CIRCUIT LEVELS: CASE STUDY OF RIOAREA

Pedro Guimarães Trindade

February/2019

Advisors: Tatiana Mariano Lessa de AssisMarianna Nogueira Bacelar

Course: Electrical Engineering

This work shows a short-circuit study with the purpose of identifying and sug-gesting solutions to the problem of overstress of circuit breakers and describes themethodology used by The Brazilian National Power Grid Operator (ONS) and by thetransmission, generation and distribution utilities of the Brazilian Electrical Systemin the overstress’ analysis caused by symmetrical short-circuit current. Moreover, itpresents ways to reduce levels of short-circuit that are applied in a real case of theBrazilian Electrical System which aims to evaluate its efficiency. Finally, it’s madea suggestion of applying various mitigating measuares to solve the high short-circuitlevel problem.

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Sumário

Lista de Figuras ix

Lista de Tabelas xi

Lista de Abreviaturas xii

1 Introdução 11.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Organização do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Curto-Circuito 32.1 Importância dos estudos de curto-circuito . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Correntes de curto-circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Cálculo de correntes de curto-circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3.1 Componentes simétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3.2 Representação do sistema elétrico em componentes simétricas 92.3.3 Curto-circuito trifásico-terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3.4 Curto-circuito monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.5 Curto-circuito bifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3.6 Curto-circuito bifásico-terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.3.7 Cálculo computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3 Superação de Disjuntores 213.1 Superação por corrente de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2 Superação por corrente de curto-circuito simétrica . . . . . . . . . . . 24

4 Medidas Mitigadoras para Redução de Níveis de Curto-Circuito 284.1 Medidas Sistêmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.1.1 Restrições Operativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.1.2 Alterações na rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.2 Recapacitação de instalações e substituição de equipamentos superados 32

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4.3 Dispositivos limitadores de curto-circuito (DLCCs) . . . . . . . . . . 334.3.1 Reatores limitadores de curto-circuito (RLCCs) . . . . . . . . 344.3.2 Dispositivos Pirotécnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.4 Medidas não usuais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.4.1 Elos de corrente contínua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.4.2 TCSC - Capacitor série controlado por tiristor . . . . . . . . . 424.4.3 Disjuntores eletrônicos de abertura rápida . . . . . . . . . . . 43

5 Caso de Estudo 445.1 Descrição do caso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445.2 Simulações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.2.1 Reatores Limitadores nas linhas de 500 kV . . . . . . . . . . . 495.2.2 Reatores Limitadores nas linhas de 138 kV . . . . . . . . . . . 505.2.3 By-pass da SE Eletrobolt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.2.4 Seccionamento do barramento de São José 500 kV . . . . . . . 535.2.5 Seccionamento do barramento da SE Eletrobolt 138 kV . . . . 555.2.6 Seccionamento do barramento da SE Nova Iguaçu 138 kV . . . 565.2.7 Alteração dos subsistemas da Light . . . . . . . . . . . . . . . 575.2.8 Separação do sistema da Light em três subsistemas . . . . . . 585.2.9 Proposta final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6 Conclusões 63

Referências Bibliográficas 64

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Lista de Figuras

2.1 Circuito equivalente de um curto-circuito. . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Corrente curto-circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Diagrama fasorial de sequência zero, positiva e negativa. . . . . . . . 72.4 Gerador trifásico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.5 Diagrama de sequências de um gerador síncrono trifásico. . . . . . . . 92.6 Linha de transmissão trifásica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.7 Diagrama de sequência de uma linha trifásica idealmente transposta. 102.8 Linhas de transmissão paralelas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.9 Circuito equivalente para linhas de transmissão com acoplamento mú-

tuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.10 Circuito equivalente de sequência positiva de transformadores de dois

enrolamentos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.11 Circuito equivalente de sequência zero de transformadores de dois

enrolamentos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.12 Diagrama de um curto-circuito trifásico. . . . . . . . . . . . . . . . . 132.13 Redes de sequência de um curto-circuito trifásico. . . . . . . . . . . . 142.14 Diagrama de um curto-circuito monofásico. . . . . . . . . . . . . . . . 152.15 Redes de sequência de um curto-circuito monofásico. . . . . . . . . . 152.16 Diagrama de um curto-circuito bifásico. . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.17 Diagrama de de sequência de um curto-circuito bifásico. . . . . . . . . 172.18 Diagrama de um curto-circuito bifásico-terra. . . . . . . . . . . . . . . 182.19 Diagrama de de sequência de um curto-circuito bifásico-terra. . . . . 19

3.1 Número de disjuntores superados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.2 Causas das superações de disjuntores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3 Correntes passantes para um curto-circuito na barra. . . . . . . . . . 243.4 Correntes passantes para um curto-circuito na saída da linha. . . . . 253.5 Correntes passantes para um curto-circuito na saída da linha com o

outro terminal aberto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.6 Metodologia para análise de superação de disjuntores por corrente de

curto-circuito simétrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

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4.1 Seccionamento de barramento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2 By-pass de linha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.3 Aumento da corrente passante pelo disjuntor. . . . . . . . . . . . . . 304.4 Desligamento sequencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.5 Atuação de diferentes DLCCs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.6 RLCCs instalados em série com os circuitos alimentadores. . . . . . . 354.7 RLCCs instalados em série com os circuitos de saída. . . . . . . . . . 364.8 Efeito do RLCC instalado na LT 345 kV Mogi das Cruzes - Itapeti. . 364.9 RLCC seccionando barramento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.10 RLCC na usina de Tucuruí. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.11 Curto-circuito trifásico em Tucuruí sem reator limitador. . . . . . . . 384.12 Curto-circuito trifásico em Tucuruí com reator limitador. . . . . . . . 394.13 Dispositivo pirotécnico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.14 Dispositivo pirotécnico em paralelo com um reator limitador. . . . . . 414.15 Efeito do dispositivo pirotécnico: (a) sem reator; e (b) com reator. . . 414.16 Diagrama TCSC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.1 Diagrama unifilar simplificado da área Rio. . . . . . . . . . . . . . . . 455.2 Sistema da Light antes da SE Nova Iguaçu. . . . . . . . . . . . . . . . 465.3 Sistema da Light divido em dois subsistemas. . . . . . . . . . . . . . 475.4 Localização dos RLCCs no setor de 500 kV. . . . . . . . . . . . . . . 505.5 Localização dos RLCCs no setor de 138 kV. . . . . . . . . . . . . . . 515.6 By-pass da SE Eletrobolt 138 kV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.7 Seccionamento do barramento de São José 500 kV. . . . . . . . . . . . 545.8 Abertura do barramento da SE Eletrobolt 138 kV. . . . . . . . . . . . 555.9 Seccionamento do barramento da SE Nova Iguaçu 138 kV. . . . . . . 565.10 Subsistemas da Light alterados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.11 Sistema da Light dividido em três subsistemas. . . . . . . . . . . . . . 59

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Lista de Tabelas

2.1 Principais origens das perturbações na rede básica. . . . . . . . . . . 32.2 Principais causas perturbações na rede básica. . . . . . . . . . . . . . 42.3 Curtos-circuitos mais severos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3.1 Classificação do estado do disjuntor em relação ao nível de curto-circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.1 Nível de curto-circuito nas subestações da área Rio. . . . . . . . . . . 485.2 Casos analisados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505.3 Nível de curto-circuito após a instalação de RLCCs no setor de 500 kV. 505.4 Casos analisados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.5 Nível de curto-circuito após a instalação de RLCCs no setor de 138 kV. 525.6 Níveis de curto-circuito após By-pass na SE Eletrobolt. . . . . . . . . 535.7 Casos analisados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.8 Nível de curto-circuito após o seccionamento de São José 500 kV. . . 545.9 Nível de curto-circuito após o seccionamento do barramento da SE

Eletrobolt 138 kV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.10 Nível de curto-circuito após o seccionamento do barramento da SE

Nova Iguaçu 138 kV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.11 Níveis de curto-circuito após alteração no subsistema da Light. . . . . 585.12 Níveis de curto-circuito com o sistema da Light dividido em três. . . . 595.13 Níveis de curto-circuito da proposta final. . . . . . . . . . . . . . . . . 61

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Lista de Abreviaturas

Ω Ohms, p. 37

ANAFAS Análise de Faltas Simultâneas, p. 4

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica, p. 48

CEPEL Centro de Pesquisas de Energia Elétrica, p. 4

DLCC Dispositivo Limitador d Curto-circuito, p. 34

EPE Empresa de Pesquisa Energética, p. 2

GT Grupo de trabalho, p. 2

LT Linha de Transmissão, p. 10

NCC Níveis de curto-circuito, p. 1

ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico, p. 2

PAR Plano de Ampliações e Reforços, p. 4

REA Resolução Autorizativa, p. 49

RLCC Reator Limitador de Curto-circuito, p. 35

SEB Sistema Elétrico Brasileiro, p. 1

SE Subestação, p. 24

SIN Sistema Interligado Nacional, p. 2

TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor, p. 35

TRT Tensão de Restabelecimento Transitória, p. 22

UHE Usina Hidrelétrica, p. 34

UTE Usina Térmica, p. 52

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kA Kiloampere, p. 38

kV Kilovolt, p. 3

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Capítulo 1

Introdução

Devido ao aumento da demanda de energia elétrica, o Sistema Elétrico Brasileiro(SEB) passa por um constante processo de expansão. Com este aumento da de-manda, torna-se necessário o aumento da geração de energia elétrica e, consequen-temente, o sistema de transmissão também necessita crescer para que seja possívelescoar esse novo montante de geração.

A conexão desses novos empreendimentos de geração no sistema elétrico aumentaos níveis de curto-circuito (NCC) e os fluxos de corrente na rede. Com isso, equi-pamentos existentes nessas subestações podem ter seus limites de suportabilidadeviolados, causando a chamada “superação” do equipamento.

Após a identificação da superação de um equipamento, a solução natural é asubstituição por outro de maior suportabilidade, visto que manter um equipamentosuperado em operação traz riscos para a equipe que trabalha no local e para aprópria instalação devido a eventuais explosões.

A substituição de um equipamento pode não ser uma tarefa simples, pois podeenvolver custos elevados e exigir intervenções no sistema que levem à diminuição daconfiabilidade do mesmo. Daí vem a importância de se estudar medidas mitigado-ras para reduzir os níveis de curto-circuito. Essas medidas podem trazer soluçõestemporárias ou definitivas para o problema de superação.

1.1 Objetivos

O principal objetivo deste trabalho é apresentar soluções para reduzir os níveis decurto-circuito em subestações, visando evitar a substituição de equipamentos devidoà superação por corrente de interrupção simétrica. Para isso, serão apresentadasmedidas mitigadoras como aplicações de dispositivos limitadores de curto-circuitoe medidas operativas. Essas medidas serão aplicadas em um caso real do SistemaElétrico Brasileiro em que diversas subestações da área do Rio de Janeiro apresentamaltos níveis de curto-circuito, inclusive, acima da capacidade dos equipamentos com

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maior suportabilidade disponível no mercado nacional. Dessa forma, apresentar umasolução para os problemas detectados nesse caso de estudo também é um objetivodeste trabalho.

1.2 Motivação

Os elevados níveis de curto-circuito nas subestações da área Rio de Janeiro trouxe-ram a necessidade da criação de um grupo de trabalho (GT) denominado GT "So-luções para a redução dos níveis de curto-circuito no Rio de Janeiro". Este grupoé composto pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), pela Empresa dePesquisa Energética (EPE) e por agentes proprietários de instalações da área Rio,como Light e Furnas. O objetivo desse grupo é encontrar medidas para reduzir osníveis de curto-circuito na área Rio. Com as obras já planejadas para esta área,muitas subestações passam a apresentar problemas de superação de equipamentos,comprometendo a evolução do sistema.

A participação nas atividades deste GT e a oportunidade de poder estudar sobreum caso real envolvendo o Sistema Interligado Nacional (SIN) foram as grandesmotivações para a elaboração do presente trabalho.

1.3 Organização do trabalho

O presente trabalho se encontra dividido em 6 capítulos. No capítulo 1, é feita a in-trodução do trabalho, evidenciando seus objetivos, suas motivações e sua estrutura.

No capítulo 2, são apresentados dados estatísticos sobre a ocorrência de curtos-circuitos no SIN, como é feita a modelagem dos componentes da rede para cálculosde corrente curto-circuito e são destacadas algumas aplicações e a importância dosestudos de curto-circuito. Por fim, é feita uma revisão sobre os conceitos de cálculodas correntes de defeito.

O capítulo 3 apresenta as metodologias utilizadas pelo ONS e pelos agentes dosetor para análise de superação de disjuntores por corrente de interrupção simétricae por corrente de carga, com foco na superação por corrente de curto-circuito.

No capítulo 4, são apresentadas medidas utilizadas para reduzir as correntes decurto-circuito, evidenciando as vantagens e desvantagens de cada uma e mostrandoaplicações no Sistema Elétrico Brasileiro.

Em seguida, no capítulo 5, é apresentado o estudo de caso em que é ilustradoo problema nas subestações da área Rio e os resultados das aplicações das medidasapresentadas no capítulo anterior.

Por fim, no capítulo 6, serão apresentadas as conclusões e sugestões para traba-lhos futuros.

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Capítulo 2

Curto-Circuito

Em um sistema elétrico, ocorrem diversos fenômenos que podem causar um curto-circuito. Estes defeitos podem ocorrer devido a problemas de isolação dos conduto-res, problemas mecânicos, problemas de natureza térmica, problemas de manuten-ção, etc [1].

De acordo com o relatório de análise de perturbações ocorridas na rede básica1

referente ao ano de 2017 [3], emitido pelo ONS, as linhas de transmissão são oscomponentes nos quais se originam a maioria das perturbações do SIN. Isto acon-tece devido ao fato de as linhas de transmissão percorrerem todo o país, sempreestando sujeitas aos fenômenos naturais (descargas atmosféricas, temporais e ven-tos) e condições ambientais adversas (queimadas, poluição e vegetação). Na Tabela2.1 encontram-se os percentuais de ocorrências de perturbações em diferentes com-ponentes do SIN [3].

Tabela 2.1: Principais origens das perturbações na rede básica.Componente (%)

Linhas de transmissão 74,92Controle de reativos 10,99

Transformador 8,03Outros 6,06

Em 2017, as duas principais causas de perturbações foram condições meteoro-lógicas adversas e queimadas, correspondendo a cerca de 30% das ocorrências. ATabela 2.2 apresenta as principais causas dos desligamentos na Rede Básica [3].

1A Rede Básica do Sistema Interligado Nacional é constituída por linhas de transmissão, bar-ramentos, transformadores de potência e equipamentos de tensão maior ou igual 230 kV. Caso otensão do primário do transformador seja maior ou igual a 230 kV e o secundário seja de tensõesmenores, os equipamentos ligados aos enrolamentos de tensões inferiores também compõem a RedeBásica [2].

3

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Tabela 2.2: Principais causas perturbações na rede básica.Causa (%)

Condições metereológicas adversas 24Queimada 16,2

Falhas em equipamentos e acessórios 12,6Falha humana 8,4

Dispositivos de proteção/teleproteção 5,2Vegetação 5,6Fiação 2,4Outros 25,6

Segundo o relatório de análise estatística de desligamentos forçados de linhasde transmissão de 2017 [4], emitido pelo ONS, cerca de 79% dos desligamentos delinhas de transmissão são devidos aos curtos-circuitos monofásicos, 10% aos curtos-circuitos bifásicos, 1% aos curtos-circuitos trifásicos e 9% aos defeitos sem naturezaelétrica [4].

Utilizando o caso de referência de curto-circuito do ONS2 referente ao ano de2017, foi gerado um relatório de níveis de curto-circuito pelo programa Análisede Faltas Simultâneas (ANAFAS), software desenvolvido pelo Centro de Pesquisasde Energia Elétrica (CEPEL). Considerando apenas as barras de tensão maior ouigual 230kV, foi verificado qual tipo de defeito apresentava maior corrente de curto-circuito. Os resultados obtidos para as 968 barras avaliadas se encontram na Tabela2.3.

Tabela 2.3: Curtos-circuitos mais severos.Tipo de defeito (%)

Trifásico 46,6Monofásico 39,6

Bifásico-Terra 13,8

2.1 Importância dos estudos de curto-circuito

O curto-circuito não é um fenômeno desejado, porém, não há como evitá-lo. Seos curto-circuitos não forem eliminados rapidamente, eles podem ocasionar danosirreparáveis aos equipamentos do sistema elétrico. Por esta razão, é importanteconhecer as correntes de curto-circuito para cada tipo de defeito [1].

2Os casos de referência de curto-circuito são uma base de dados elaborada anualmente, mantidapelo ONS e disponível em seu site, contendo a configuração do Sistema Elétrico Brasileiro nohorizonte de planejamento do Plano de Ampliações e Reforços (PAR).

4

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Os estudos de curto-circuito têm diversas aplicações em um sistema de potência.Dentre elas, podemos destacar:

1. Estudos de proteção, em que os valores das correntes de curto-circuito são im-prescindíveis para ajustes dos dispositivos de proteção como relés, religadorese fusíveis [5];

2. Dimensionamento de linhas de transmissão em relação ao limite suportável deelevação da temperatura durante um curto-circuito;

3. Dimensionamento de transformadores de corrente em relação ao nível de sa-turação;

4. Dimensionamento e estudos de superação de disjuntores em relação à capaci-dade de interrupção de correntes de curto-circuito [1].

2.2 Correntes de curto-circuito

O chaveamento do circuito R-L série apresentado na Figura 2.1 representa umaaproximação de um curto-circuito na rede elétrica.

Figura 2.1: Circuito equivalente de um curto-circuito.

Pela lei de Kirchoff:

VL + VR = v(t) (2.1)

Ldi(t)

dt+Ri(t) =

√2V sen(ωt+ α) (2.2)

A solução da equação 2.2 é:

5

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i(t) =

√2V√

R2 + (ωL)2(sen(ωt+ α− θ)− sen(α− θ)e−t/τ ) (2.3)

Em que:

θ = tan−1ωL

R(2.4)

τ =L

R(2.5)

A corrente i(t), dada pela equação 2.3, é chamada de corrente de curto-circuitoassimétrica e pode ser dividida em duas componentes. A primeira componente,que varia senoidalmente com o tempo, é chamada de componente simétrica e asegunda componente, que varia com uma exponencial decrescente, é chamada decomponente contínua [6]. A Figura 2.2 ilustra graficamente a evolução da correntede curto-circuito assimétrica ao longo do tempo, evidenciando cada uma das duascomponentes.

Figura 2.2: Corrente curto-circuito.

Pela equação 2.3, vemos que a componente contínua é máxima quando (α−θ) =

90 e é zero caso (α − θ) = 0, ou seja, o grau de assimetria da corrente de curto-circuito está diretamente relacionado com α, que representa o instante de ocorrênciado curto-circuito.

Os valores de θ são muito próximos de 90 devido às redes de alta tensão serempredominantemente indutivas. Dessa forma, a assimetria máxima ocorre quandoα = 0.

6

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2.3 Cálculo de correntes de curto-circuito

2.3.1 Componentes simétricas

Em 1918, C.L. Fortescue desenvolveu o método das componentes simétricas. Estemétodo é utilizado para representar um sistema desequilibrado de N fases em Nsistemas equilibrados, denominados componentes simétricas.

Para o caso dos sistemas elétricos de potência trifásicos, haverá três componentes:

1. Componente de sequência zero: representado por três fasores de mesma am-plitude e fase.

2. Componente de sequência positiva: representado por 3 fasores de mesma am-plitude e defesados de 120, com a mesma sequência de fases do sistema origi-nal.

3. Componente de sequência negativa: representado por 3 fasores de mesma am-plitude e defasados de 120, com sequência de fases oposta à do sistema origi-nal.

A Figura 2.3 exemplifica, respectivamente, o diagrama fasorial de sequência po-sitiva, negativa e zero das tensões de fase Va, Vb e Vc.

Figura 2.3: Diagrama fasorial de sequência zero, positiva e negativa.

Cada tensão é representada pela soma das três componentes de sequência. Aexpressão das tensões de um sistema de três fases em termos de componentes simé-tricas são:

Va = Va0 + Va+ + Va− (2.6)

Vb = Vb0 + Vb+ + Vb− (2.7)

7

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Vc = Vc0 + Vc+ + Vc− (2.8)

Tomando Va+ como referência, pode-se reescrever as equações 2.6, 2.7 e 2.8 daseguinte forma:

Va = Va0 + Va+ + Va− (2.9)

Vb = Va0 + a2Va+ + aVa− (2.10)

Vc = Va0 + aVa+ + a2Va− (2.11)

Em que a = 1∠120.Como a fase “a” estará sempre em evidência, o índice “a” será ocultado para

simplificar, tornando Va+ , Va− , e Va0 em V1, V2, e V0. Dessa forma, as tensões Va,Vb e Vc podem ser escritas em função das componentes simétricas da fase “a” daseguinte maneira: VaVb

Vc

= A

V0V1V2

(2.12)

Em que a matriz A é dada por:

A =

1 1 1

1 a2 a

1 a a2

(2.13)

E para obter as componentes de sequência, basta manipular a equação 2.12,multiplicando os dois lados da equação por A−1, obtendo:V0V1

V2

= A−1

VaVbVc

(2.14)

Em que:

A−1 =1

3

1 1 1

1 a a2

1 a2 a

(2.15)

O conceito de componentes simétricas se torna fundamental no estudo dos curtos-circuitos desbalanceados, que serão abordados nas próximas seções [7].

8

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2.3.2 Representação do sistema elétrico em componentes si-

métricas

A modelagem dos elementos do sistema elétrico torna-se necessária para o cálculode curtos-circuitos. Nesta seção serão abordadas as representações dos principaiselementos de um sistema de potência por suas sequências zero, positiva e negativa.

Representação de máquinas síncronas

A Figura 2.4 mostra um gerador trifásico conectado em Y, aterrado por meio deuma impedância Zn.

Figura 2.4: Gerador trifásico.

A Figura 2.5 apresenta a modelagem de cada sequência de um gerador síncronotrifásico.

Figura 2.5: Diagrama de sequências de um gerador síncrono trifásico.

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Em que Zg0 , Zg1 e Zg2 são, respectivamente, as impedâncias de sequência zero,positiva e negativa do gerador e Eg1 é a tensão interna do gerador [7].

Representação de linhas de transmissão

A Figura 2.6, adaptada de [6], mostra a seção de uma linha de transmissão (LT)trifásica.

Figura 2.6: Linha de transmissão trifásica.

Em que Zaa′ , Zbb′ e Zcc′ são, respectivamente, as impedâncias próprias das fases“a”, “b” e “c” e Zab, Zbc e Zac são as impedâncias mútuas entre fases.

Considerando que a impedância própria de cada fase tem o mesmo valor (Zaa′)e que a linha de transmissão é idealmente transposta, pode-se assumir que as im-pedâncias mútuas também tem o mesmo valor (Zab). Com isso, a representaçãode uma LT trifásica é feita por três diagramas de sequências desacoplados, comomostra a Figura 2.7 [6].

Figura 2.7: Diagrama de sequência de uma linha trifásica idealmente transposta.

10

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As impedâncias mútuas entre linhas de transmissão devem ser consideradas, poisse tornam relevantes no cálculo dos curtos-circuitos desbalanceados. As impedânciasmútuas de sequência positiva e negativa têm um valor menor que 7% da impedânciaprópria da linha [8]. Por isso, o acoplamento mútuo de sequência positiva e negativanormalmente é desconsiderado. Já a impedância mútua de sequência zero possuium valor significativo, entre 50% e 70% da impedância própria [8].

A Figura 2.8, adaptada de [8], apresenta um caso genérico de duas linhas detransmissão paralelas com acoplamento mútuo.

Figura 2.8: Linhas de transmissão paralelas.

As quedas de tensão nessas linhas são [8]:

VAB = IABZAB + ICDZM (2.16)

VCD = ICDZCD + IABZM (2.17)

O circuito equivalente de sequência zero para este caso é mostrado na Figura 2.9,adaptada de [8].

Figura 2.9: Circuito equivalente para linhas de transmissão com acoplamento mútuo.

Em que Z0AB e Z0CD são as impedâncias de sequência zero das linhas, Z0M éa impedância mútua de sequência zero e I0AB e I0CD são as correntes de sequênciazero.

11

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Também há os casos em que as linhas possuem uma ou duas extremidades emcomum. Além disso, pode ocorrer a situação em que apenas um trecho das linhastêm acoplamento mútuo. O circuito equivalente de sequência zero de cada umadessas situações pode ser visto em detalhes em [9].

Representação de transformadores

Desprezando as correntes de magnetização, a impedância de sequência positiva dotransformador é a mesma obtida nos ensaios de curto-circuito do transformador. Porser um elemento elemento passivo do sistema, a impedância de sequência negativado transformador tem o mesmo valor da impedância de sequência positiva [1]. AFigura 2.10 mostra o circuito equivalente de sequência positiva e negativa de umtransformador.

Figura 2.10: Circuito equivalente de sequência positiva de transformadores de doisenrolamentos.

No caso da modelagem dos transformadores, é importante saber o tipo de ligaçãodo transformador, pois o circuito de sequência zero é característico para cada umadelas. A Figura 2.11 apresenta o circuito equivalente de sequência zero de umtransformador para cada tipo de ligação [1].

12

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Figura 2.11: Circuito equivalente de sequência zero de transformadores de dois en-rolamentos.

2.3.3 Curto-circuito trifásico-terra

O curto-circuito trifásico-terra ocorre quando as três fases do sistema se conectampor meio de uma impedância Zf e fecham contato com a terra. Em sistemas equi-librados, o curto-circuito trifásico e o curto-circuito trifásico-terra não apresentamdiferenças. A Figura 2.12 mostra o diagrama de um curto-circuito trifásico em umarede genérica.

Figura 2.12: Diagrama de um curto-circuito trifásico.

As condições de contorno para este tipo de defeito são:

13

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VaVbVc

=

IaZfIbZf

IcZf

(2.18)

IaIbIc

= Ia

1

a2

a

(2.19)

Utilizando estes valores na equação 2.14, têm-se:V0V1V2

=

0

I1Zf

0

(2.20)

Estes resultados mostram que as componentes simétricas de sequência zero esequência negativa das tensões são nulas. Com isso, o curto-circuito trifásico podeser representado como mostra a Figura 2.13.

Figura 2.13: Redes de sequência de um curto-circuito trifásico.

Pela Figura 2.13, verifica-se que o circuito de sequência positiva é o único ativo,portanto, ele é o único que é considerado no cálculo de curtos-circuitos trifásicos.

A corrente de sequência positiva da fase “a” é dada pela seguinte expressão: [1]

I1 =Eg1

Z1 + Zf(2.21)

2.3.4 Curto-circuito monofásico

O curto-circuito monofásico acontece no caso em que uma fase da linha de transmis-são fecha contato com a terra por meio de uma impedância de falta Zf . A Figura2.14 apresenta o digrama de um curto-circuito monofásico em uma rede genérica.

14

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Figura 2.14: Diagrama de um curto-circuito monofásico.

As condições de contorno para este tipo de defeito são:

Va = Zf · Ia (2.22)

Ib = Ic = 0 (2.23)

Substituindo a equação 2.23 na equação 2.14,obtêm-se:

I1 = I2 = I0 =Ia3

(2.24)

Em seguida, utilizando as equações 2.24 e 2.6 na equação 2.22, têm-se:

(V1 + V2 + V0) = 3Zf · I1 (2.25)

Para que as equações 2.23 e 2.25 sejam satisfeitas, é necessário que os três cir-cuitos de sequência sejam conectados em série, como mostra a Figura 2.15 [1].

Figura 2.15: Redes de sequência de um curto-circuito monofásico.

Assim, as componentes simétricas da corrente para um curto-circuito monofásicosão dadas pela expressão:

15

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I0 = I1 = I2 =Eg1

Z0 + Z1 + Z2 + 3Zf(2.26)

E a corrente que passa efetivamente na fase “a”, que é a corrente que o disjuntordeve interromper, é obtida utilizando a equação 2.26 na equação 2.12:

Ia =3Eg1

Z0 + Z1 + Z2 + 3Zf(2.27)

2.3.5 Curto-circuito bifásico

O curto-circuito bifásico ocorre quando duas fases do sistema fecham contato entresi por meio de uma impedância Zf . A Figura 2.16 apresenta o diagrama de umcurto-circuito bifásico entre as fases b e c em uma rede genérica.

Figura 2.16: Diagrama de um curto-circuito bifásico.

Este tipo de defeito apresenta as seguintes condições de contorno:

Ia = 0 (2.28)

Ib = −Ic (2.29)

Vb − Vc = Zf · Ib (2.30)

Substituindo as equações 2.29 e 2.30 na equação 2.12, obtêm-se:

I0 = 0 (2.31)

I1 =1

3(a− a2)Ib (2.32)

I2 =1

3(a2 − a)Ib = −I1 (2.33)

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E utilizando as equações 2.10 e 2.11 na equação 2.30:

V1 − V2 = Zf · Ib (2.34)

Para que as equações 2.33 e 2.34 sejam satisfeitas, conclui-se que, para represen-tar o curto-circuito bifásico, os circuitos de sequência positiva e negativa devem serconectados em paralelo, como mostra a Figura 2.17.

Figura 2.17: Diagrama de de sequência de um curto-circuito bifásico.

Pelo circuito apresentado na Figura 2.17, as componentes simétricas das correntesão dadas por:

I1 = −I2 =Eg1

Z1 + Z2 + Z0

(2.35)

E utilizando as equações 2.31 e 2.35 na equação 2.12, obtém-se as correntes nasfases “b” e “c” [7].

Ib = −Ic =−j√

3Eg1Z1 + Z2 + Zf

(2.36)

2.3.6 Curto-circuito bifásico-terra

O curto-circuito bifásico-terra ocorre quando duas fases do sistema se conectame fecham contato com a terra por meio de uma impedância Zf . A Figura 2.18apresenta o diagrama de um curto-circuito bifásico-terra entre as fases b e c em umarede genérica.

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Figura 2.18: Diagrama de um curto-circuito bifásico-terra.

O curto-circuito bifásico-terra tem como condições de contorno:

Ia = 0 (2.37)

Vb = Vc (2.38)

Vb = Zf (Ib + Ic) (2.39)

Transformando as tensões e correntes de fase das equações 2.37, 2.38 e 2.39 emcomponentes simétricas, obtêm-se:

I0 + I1 + I2 = 0 (2.40)

V2 = V1 (2.41)

V0 − V1 = 3ZfI0 (2.42)

Para que estas condições sejam satisfeitas, os circuitos de sequência devem serconectados da forma que é mostrada na Figura 2.19.

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Figura 2.19: Diagrama de de sequência de um curto-circuito bifásico-terra.

Pela análise do circuito apresentado na Figura 2.19, as componentes simétricasdas correntes são dadas pelas expressões:

I1 =Eg1

Z1 + [Z2//(Z0 + 3Zf )](2.43)

I2 = −I1Z0 + 3Zf

Z0 + 3Zf + Z2

(2.44)

I0 = −I1Z2

Z0 + 3Zf + Z2

(2.45)

E utilizando as equações 2.43, 2.44 e 2.45 na equação 2.14, têm-se as correntesde fase [7].

2.3.7 Cálculo computacional

Nas análises de sistemas de grande porte, com um grande número de barras, o cál-culo manual das correntes de curto-circuito se torna inviável, sendo então necessáriofazer o uso de ferramentos computacionais. Nos métodos computacionais, o sis-tema é representado matricialmente, através de suas admitâncias (YBarra) ou suasimpedâncias (ZBarra) [10].

A matriz YBarra é a matriz de admitância nodal da rede. Tem como caracterís-ticas ser uma matriz quadrada, simétrica e esparsa. Os elementos da diagonal (Ykk)dessa matriz são obtidos por meio da soma das admitâncias conectadas à barra ke os elementos fora da diagonal (Ykm) são obtidas pela soma das admitâncias queconectam as barras k e m, com sinal invertido [11].

A matriz ZBarra é a matriz de impedância nodal e a maneira mais simples deobtê-la é por meio da inversão da matriz YBarra. No entanto, em sistemas de grandeporte, esta inversão não é recomendada devido ao elevado número de operaçõesmatemáticas necessárias para realizar tal inversão, cujas aproximações podem levara resultados totalmente incorretos [11]. Os elementos da diagonal (Zkk) da matrizZBarra fornecem a impedância de Thévenin vista pela barra k, que é uma informaçãoimportante nos cálculos de curto-circuito [10].

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Para os cálculos de curto-circuito, não é necessário que se conheça todos oselementos da matriz ZBarra, apenas os elementos referentes às colunas relativas asbarras envolvidas no curto-circuito. Como os métodos para obtenção da matrizZBarra são mais complexos quando comparados aos métodos para construção daYBarra, é comum a utilização da representação do sistema pela matriz de admitânciase a partir da fatoração da matriz YBarra obtém-se facilmente os elementos de interesseda matriz ZBarra [6].

Para calcular as correntes de curto-circuito utilizando a matriz ZBarra, utilizam-seas mesmas equações apresentadas nesse capítulo, porém, as impedâncias de sequên-cia positiva, negativa e zero são calculadas a partir do elemento da diagonal dasmatrizes ZBarra. Por exemplo, a corrente para um defeito monofásico na barra kfica da seguinte forma [6]:

I1ϕ =3Eg1

Z0kk + Z1kk + Z2kk + 3Zf(2.46)

Em que Z0kk , Z1kk e Z2kk são, respectivamente, os elementos da diagonal dasmatrizes ZBarra de sequência zero, positiva e negativa.

Pode-se ainda calcular a tensão em qualquer barra do sistema durante a falta.Para isso, basta utilizar a equação 2.47 para calcular a variação da tensão e depoissomar com a tensão antes do defeito [6].

∆V = ZBarra · I (2.47)

Em que ∆V é um vetor contendo a variação da tensão em cada barra e I é umvetor com os valores de corrente em cada barra durante o defeito.

Com as variações de tensão já calculadas, utiliza-se a equação 2.48 para obter astensões nas barras durante o defeito [6].

Vk = Vprek + ∆Vk (2.48)

Em que Vprek é a tensão imediatamente antes da falta na barra k.Conhecendo as tensões de todas as barras durante o defeito, pode-se calcular as

correntes em cada ramo do sistema pela equação 2.49 [6].

Ikm =Vk − VmZkm

(2.49)

No capítulo 3 serão apresentadas as metodologias utilizadas pelo ONS e pelosagentes de transmissão, geração e distribuição para análise de superação de equi-pamentos. Para os estudos de superação por correntes de curto-circuito, uma dasetapas é o cálculo das correntes de curto-circuito, conforme descrito aqui.

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Capítulo 3

Superação de Disjuntores

O aumento da demanda de energia elétrica traz a necessidade do crescimento dapotência instalada e da rede de transmissão do sistema elétrico. Como consequênciadesta expansão, há uma elevação dos níveis de curto-circuito e da correntes quefluem na rede, que podem ter seus valores aumentados a ponto de ultrapassaremos limites de suportabilidade nominal dos disjuntores existentes. A violação desteslimites é chamada de “superação” de disjuntores.

O documento "Critérios para Análise de Superação de Equipamentos e Instala-ções de Alta Tensão"[12], emitido pelo ONS, estabelece as diretrizes para a análise desuperação de equipamentos como disjuntores, chaves secionadoras, bobinas de blo-queio e transformadores de corrente. Essas diretrizes foram acordadas entre o ONS eos agentes do Setor Elétrico Brasileiro e elas consideram que as seguintes grandezasdevem ser monitoradas e comparadas à suportabilidade nominal dos equipamentos,sendo elas assumidas como indicadores de superação:

• Corrente de Carga;

• Corrente de Curto-Circuito (Simétrica e Assimétrica);

• Tensão de Restabelecimento Transitória (TRT);

• Constante de tempo da rede (X/R).

É de responsabilidade do ONS a elaboração do Plano de Ampliações e Reforços,que inclui a análise de superação das capacidades nominais de disjuntores.

O estudo de curto-circuito é insumo fundamental na análise de superação. Norelatório de estudos de curto-circuito, elaborado pelo ONS e descrito no submódulo11.3 dos Procedimentos de Rede3, são fornecidas as informações necessárias paraidentificação dos disjuntores superados por corrente de curto-circuito simétrica [14].

3Os Procedimentos de Rede são documentos elaborados pelo ONS com a participação dos agen-tes e aprovados pela ANEEL, que estabelecem os procedimentos e requisitos técnicos necessáriosao planejamento, implantação, uso e operação do SIN; e as responsabilidades do ONS e dos agentes[13].

21

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A partir dos últimos relatórios do PAR, foram levantados os dados relativosà quantidade de disjuntores indicados para troca nos últimos anos. A Figura 3.1mostra o número de disjuntores superados indicados para troca nos últimos cincociclos do PAR4.

Figura 3.1: Número de disjuntores superados.

Pela Figura 3.1 vê-se que a quantidade de disjuntores indicados em cada ciclo éaleatória, podendo aumentar ou diminuir a cada ciclo e que nos últimos cinco ciclosdo PAR foram indicados 348 disjuntores para substituição.

Também foram verificadas as causas das superações desses disjuntores, conformemostra a Figura 3.2.

Figura 3.2: Causas das superações de disjuntores.

A Figura 3.2 mostra que dos 348 disjuntores indicados nos últimos ciclos doPAR, 307 foram devido à superação por corrente de curto-circuito simétrica, 17 porcorrente nominal e 24 por outros motivos.

4O ciclo do PAR é o horizonte de análise nos estudos do PAR, que compreende o período entreo primeiro e o quinto ano subsequente ao ano de elaboração do plano.

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Como a maior parte das superações de disjuntores do SIN acontecem por cor-rente de curto-circuito simétrica e corrente de carga, somente serão abordadas nestecapítulo as metodologias para análise de superação por estas duas grandezas. Ametodologia para análise de superação por corrente de curto-circuito simétrica serámais detalhada por ser o foco do presente trabalho. As metodologias para análisede superação por outras causas podem ser vistas em detalhe em [15] e [12].

A seguir, serão apresentadas as metodologias utilizadas pelo ONS e pelos agentesde transmissão, geração e distribuição do setor elétrico para identificar disjuntoressuperados por corrente de carga ou corrente de curto-circuito. Essas metodologiasestão descritas em detalhes em [16] e [17] .

3.1 Superação por corrente de carga

A superação por corrente de carga ocorre quando o equipamento é submetido a umacorrente superior à sua corrente nominal, para as condições de rede íntegra e derede alterada [12]. A condição de rede íntegra é a condição normal de operação,ou seja, quando todos os equipamento estão disponíveis. Já a condição de redealterada é o caso em que algum equipamento está fora de operação, seja por defeitoou manutenção.

Nos estudos de fluxo de potência são analisadas as condições mais severas, ouseja, as situações que determinam o maior carregamento de cada vão da subestação(SE) em análise. Dessa forma, deve ser analisado o maior carregamento em cadavão da subestação nas seguintes situações [12].

1. Com todos os vãos em operação;

2. Com um disjuntor em manutenção;

3. Com uma barra em manutenção (para os arranjos Disjuntor e Meio e BarraDupla Disjuntor Duplo [18]);

4. Quando o disjuntor interligador5 estiver sendo utilizado deve ser analisado omaior carregamento do mesmo (para os arranjos Barra Dupla com Disjuntorsimples a 4 ou 5 chaves e Barra Principal e Transferência [18]).

A referência [16] descreve detalhadamente a metodologia empregada na análisede superação por corrente de carga.

5Disjuntor utilizado para unir duas seções de barramento.

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3.2 Superação por corrente de curto-circuito simé-

trica

A superação por corrente de curto-circuito simétrica ocorre quando são identifica-das correntes de curto-circuito simétricas superiores às capacidades de interrupçãosimétrica do disjuntor.

A análise de superação de disjuntores começa com a escolha do caso de estudoque será utilizado no programa de cálculo de curto-circuito. Este caso deve contertoda a modelagem da rede a ser analisada e, para que sejam obtidas as maiorescorrentes de curto-circuito, todos os componentes da rede são considerados ligados[19].

Em seguida, é utilizado o programa de cálculo de curto-circuito para a obtençãodas correntes de defeito monofásico, trifásico e bifásico-terra nas barras do sistemaanalisado.

A próxima etapa consiste em comparar os níveis de curto-circuito na barra como menor valor da capacidade de interrupção simétrica dos disjuntores instalados nobarramento.

Caso a relação entre a maior corrente de defeito e o menor valor de capacidade deinterrupção simétrica dos disjuntores instalados no barramento seja maior que 100%,a subestação apresentará indícios de superação e então deverá ser feita uma análisemais detalhada para comprovar a superação de algum disjuntor da subestação. Estaanálise mais detalhada consiste em verificar a corrente passante por cada vão dasubestação e compará-la com o valor da capacidade de interrupção simétrica dodisjuntor deste vão [20].

Para obter a corrente mais severa que efetivamente passa por cada disjuntor,são simuladas três situações. A seguir serão ilustradas cada uma dessas situações,exemplificando o estudo de corrente passante para o disjuntor 4 (DJ4).

1. Na primeira situação aplica-se um curto-circuito na barra, como mostra aFigura 3.3, adaptada de [21].

Figura 3.3: Correntes passantes para um curto-circuito na barra.

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Nesta situação, ocorre um curto na barra e a corrente que passa pelo disjuntoré a própria corrente do vão que ele está instalado.

2. Na segunda situação aplica-se um curto-circuito na saída da linha, como mos-tra a Figura 3.4, adaptada de [21].

Figura 3.4: Correntes passantes para um curto-circuito na saída da linha.

Nesta situação, o curto-circuito ocorre na saída da linha e a corrente de quepassa pelo disjuntor é a soma das correntes de todos os vãos conectados à barra,com exceção da corrente que vem do terminal adjacente ao que o disjuntor estáinstalado.

3. Na terceira situação aplica-se um curto-circuito na saída da linha com o outroterminal da linha aberto, como mostra a Figura 3.5, adaptada de [21].

Figura 3.5: Correntes passantes para um curto-circuito na saída da linha com ooutro terminal aberto.

Nessa situação é simulado um curto-circuito na saída da linha e considera-seque, por uma falha da proteção primária, o disjuntor da outra extremidadeda linha abre antes do disjuntor em análise. Esta condição é chamada de“line-out” e normalmente é a condição mais severa [22].

Em cada uma das três situações, são feitas simulações para um curto-circuitomonofásico, trifásico e bifásico-terra, totalizando nove simulações por vão. Então,

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compara-se o valor de capacidade de interrupção simétrica do disjuntor instalado novão com a maior corrente calculada nessas nove simulações [21].

De acordo com o resultado da comparação entre a corrente de curto-circuito e acapacidade de interrupção simétrica, um disjuntor pode apresentar três estados. ATabela 3.1 apresenta as condições necessárias para um disjuntor ser classificado emcada estado.

Tabela 3.1: Classificação do estado do disjuntor em relação ao nível de curto-circuito.Condição Estado

IccCalculada ≥ IccNominal Superado0,9 · IccNominal ≤ IccCalculada <IccNominal Alerta

IccCalculada < 0, 9 · IccNominal Não Superado

A metodologia para análise de superação por corrente de curto-circuito simétricase encontra sumarizada no fluxograma apresentado na Figura 3.6, reproduzido de[16].

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Figura 3.6: Metodologia para análise de superação de disjuntores por corrente decurto-circuito simétrica.

Caso sejam detectadas superações de disjuntores devido à correntes de curto-circuito, deve-se efetuar a troca destes equipamentos ou pode-se utilizar medidasmitigadoras para reduzir os níveis de curto-circuito, fazendo com que o disjuntordeixe de estar superado. Algumas dessas medidas serão apresentadas no capítulo 4.

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Capítulo 4

Medidas Mitigadoras para Reduçãode Níveis de Curto-Circuito

Com a detecção da superação de equipamentos devido à elevação dos níveis de curto-circuito, é imprescindível adotar soluções para eliminar essas superações. A medidanatural e, em geral, mais simples, é a troca dos equipamentos superados por outroscom uma maior capacidade. Porém, quando o número de equipamentos superadosé elevado ou a substituição deles seja de difícil implementação por limitações ope-rativas, esta medida torna-se uma opção pouco viável por não apresentar um bomcusto-benefício. Além da substituição de equipamentos, é possível aplicar medidaspara reduzir os níveis de curto-circuito, limitando-os a um valor que o equipamentoseja capaz de suportar.

A seguir serão apresentadas diversas medidas, provisórias e definitivas, para so-lucionar o problema de superação de disjuntores.

4.1 Medidas Sistêmicas

As medidas sistêmicas geralmente são soluções de menor custo e de caráter emergen-cial. Elas devem ser provisórias, pois normalmente causam perda de confiabilidadee flexibilidade operativa. Estas medidas são utilizadas quando é necessária a im-plantação de soluções em um curto período de tempo, até que sejam desenvolvidasalternativas definitivas. As medidas sistêmicas podem ser divididas em dois grupos:

1. Restrições operativas;

2. Modificações na rede.

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4.1.1 Restrições Operativas

• Seccionamento de barramento

Esta medida acarreta a diminuição dos níveis de curto-circuito monofásico,trifásico e bifásico. Ela consiste na divisão do barramento em dois e estáilustrada na Figura 4.1, adaptada de [16].

Figura 4.1: Seccionamento de barramento.

Pela Figura 4.1 vê-se que, sem o seccionamento, o barramento recebe a contri-buição de quatro circuitos e, após a separação, cada uma das barras recebe acontribuição de apenas dois. A diminuição do nível de curto-circuito acontecedevido ao fato de os circuitos conectados a uma das barras não contribuírempara um defeito na outra.

• By-pass de linha

O by-pass é utilizado para que circuitos que estejam conectados à barra deixemde contribuir para o defeito, reduzindo o nível de curto-circuito. A Figura 4.2,adaptada de [16], mostra os efeitos do by-pass de linha.

Figura 4.2: By-pass de linha.

A Figura 4.2, adaptada de [16], mostra que, sem o by-pass de linha a barra re-cebe a contribuição de quatro circuitos e, após o by-pass, apenas dois circuitoscontribuem para o defeito.

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• Desligamentos sequenciais

Por meio desta medida o disjuntor superado só irá operar após a aberturade outros disjuntores de terminais remotos. Dessa forma, no momento daabertura do disjuntor a corrente passante por ele é menor, fazendo com queele possa operar normalmente [22]. As Figura 4.3 e 4.4 ilustram o uso destamedida.

A Figura 4.3 mostra o caso em que a conexão de uma nova unidade geradoraacarreta a superação de um disjuntor da subestação (DJ1). Antes da conexãodessa nova geração, a corrente passante pelo disjuntor DJ1, no momento desua abertura, era I1+I2 e após a conexão, passa a ser I1+I2+I3, violando acapacidade de interrupção do disjuntor.

Figura 4.3: Aumento da corrente passante pelo disjuntor.

Com o desligamento sequencial, ilustrado na Figura 4.4, o disjuntor da novaunidade geradora (DJ2) opera antes do disjuntor superado (DJ1). Com isso, acorrente que o disjuntor DJ1 interrompe uma corrente menor, dentro do seuslimites de suportabilidade.

Figura 4.4: Desligamento sequencial.

• Desligamentos de geradores e compensadores síncronos

Os geradores e compensadores síncronos são fontes de contribuição para osdefeitos. Com o desligamentos desses componentes, a contribuição deles passaa ser nula e, consequentemente, o nível de curto-circuito diminui [23].

Utilizar o desligamento de geradores e compensadores como medida mitigadorapara redução de correntes de curto-circuito tem como consequência uma maior

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dificuldade para os operadores do sistema fazerem o controle de tensão, vistoque estes equipamentos são utilizados para controle de tensão.

4.1.2 Alterações na rede

• Alteração do aterramento do neutro de transformadores

Esta medida altera a rede de sequência zero, ou seja, não é eficaz para re-dução de curtos-circuitos trifásicos. Já o defeito monofásico é diretamenteinfluenciado por uma mudança na rede sequência zero.

Na seção 2.3 foi visto que, para um curto-circuito monofásico, a corrente dedefeito é dada por:

I1ϕ =3Eg1

Z0 + Z1 + Z2 + 3Zf(4.1)

Desconsiderando a impedância de falta Zf e utilizando a aproximação queZ2 = Z1, a equação 4.1 fica da seguinte forma:

I1ϕ =3Eg1

Z0 + 2Z1

(4.2)

E para um circuito trifásico:

I3ϕ =Eg1Z1

(4.3)

Comparando as duas equações acima, percebe-se que o curto-circuito mono-fásico é mais severo quando Z1 > Z0, ou seja, para os casos em que se develimitar o curto-circuito monofásico basta aumentar a impedância de sequênciazero. Uma forma de se fazer isso é através da conexão de uma impedância noneutro do transformador.

Um sistema aterrado através de altas impedâncias tem como vantagem umabaixa corrente de defeito monofásico. No entanto, as tensões nas fases sãspodem atingir valores muito elevados. Já os sistemas solidamente aterradosou aterrados através de baixa impedância apresentam correntes de defeitomonofásicas mais elevadas e tensões nas fases sãs reduzidas [5].

O aterramento através de alta impedância traz a vantagem das baixas corren-tes de defeito monofásico, porém, do ponto de vista da proteção, isso pode serconsiderado uma desvantagem, visto que os relés de neutro perdem a sensibi-lidade [5].

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• Especificação de novos equipamentos de geração e transformação

Ao se instalar um novo transformador ou uma nova unidade geradora, pode-seoptar pela utilização de equipamentos com uma impedância maior que a usual,aumentando a impedância do sistema e consequentemente diminuindo o nívelde curto-circuito [22].

Esta medida não é comummente utilizada, principalmente devido ao seu custoelevado, quando comparado com a substituição dos disjuntores superados poroutros de maior capacidade. No entanto, recentemente foi recomendada pelaEmpresa de Pesquisa Energética a troca de um grupo de transformadores de230/13,8 kV e 230/23 kV das subestações da região metropolitana de PortoAlegre para limitar os níveis de curto-circuito na rede de distribuição quefaz fronteira com a rede de transmissão em nível de tensão de 230 kV. Aimpedância recomendada para estes novos transformadores é de no mínimo29% na base do equipamento [24], sendo que de acordo com o submódulo 2.3dos Procedimentos de Rede do ONS, a impedância dos transformadores deveser de no máximo 14% na base do equipamento [25].

Neste caso, dois fatores foram considerados para escolha dessa medida. Oprimeiro é a restrição de espaço físico nas subestações, impossibilitando ainstalação de equipamentos com a finalidade de limitar as correntes de curto-circuito, e por estarem localizadas dentro do perímetro urbano, a expansão dasubestação por meio da compra de terrenos adjacentes não é viável ou apre-senta um custo elevado. O segundo fator é a abrangência da superação, queafeta um grande número de equipamentos da rede de distribuição, cujos limi-tes de curto-circuito são naturalmente inferiores aos da rede de transmissão.Especificamente no caso citado, os limites de curto-circuito dos equipamentosexistentes de 13,8 kV são de 10,6 kA e de 23 kV são de 8 kA, enquanto que osda rede de 230 kV variam entre 23,6 kA e 40 kA.

4.2 Recapacitação de instalações e substituição de

equipamentos superados

Esta medida consiste na troca ou recapacitação dos equipamentos superados da su-bestação, como disjuntores, chaves secionadoras, transformadores de corrente, bar-ramentos, entre outros. Por ter um alto custo, essas medidas muitas vezes tornam-seinviáveis. Além disso, deve ser levado em consideração o impacto sistêmico causadopelas intervenções necessárias para a execução das obras, que, por serem de grandeporte, podem levar um longo período de tempo.

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Também deve ser levado em consideração o estágio de envelhecimento dos equipa-mentos da subestação, desempenho, disponibilidade e custos com peças de reposiçãoe serviços de manutenção

Um aspecto muito importante que também deve ser analisado é a disponibili-dade de espaço físico nas subestações. Pode ser inviável a utilização de dispositivoslimitadores de curto-circuito, por não haver espaço para sua instalação, sendo entãonecessário optar pela troca do equipamento superado. Este caso ocorreu com assubestações elevadoras das Usinas Hidrelétricas (UHE) Jupiá e Ilha Solteira.

Há também casos específicos em que a subestação se encontra em áreas valoriza-das, sendo então viável fazer a substituição de SEs convencionais por SEs isoladas agás SF6, que ocupam um espaço menor e possibilitam uma ampliação da subesta-ção sem a necessidade da compra de terrenos adjacentes ou até mesmo a venda doterreno que não está mais sendo utilizado [26].

4.3 Dispositivos limitadores de curto-circuito

(DLCCs)

Os DLCCs são utilizados com o intuito de limitar as correntes de curto-circuito eevitar que equipamentos existentes na rede tenham seus limites de suportabilidadeviolados. A utilização de DLCCs torna-se uma alternativa atrativa para resolverproblemas de superação de equipamentos, pois com apenas a instalação de um DLCCpode-se evitar a troca de diversos equipamentos superados.

Para um DLCC ser efetivo, ele deve ter algumas características. Uma delas éapresentar baixa impedância durante a operação normal, mas apresentar uma altaimpedância durante o curto-circuito. Também é importante que a transição entre omodo de operação normal e o modo limitador seja rápida, tenha baixo custo, baixanecessidade de manutenção, uma longa vida útil e dimensões reduzidas [26].

Os DLCCs podem operar de duas formas: limitando ou interrompendo a correntede curto-circuito. No primeiro caso, a interrupção da corrente é feita em tempos ex-tremamente curtos, não permitindo que o valor assimétrico máximo da corrente decurto-circuito seja alcançado. No outro caso, é inserida uma alta impedância no sis-tema no momento do defeito, diminuindo a amplitude da corrente de curto-circuitoe permitindo que o disjuntor possa interromper esta corrente com segurança. A Fi-gura 4.5, adaptada de [27], mostra como os diferentes tipos de DLCCs se comportamna ocorrência de um defeito.

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Figura 4.5: Atuação de diferentes DLCCs.

Na Figura 4.5, a curva (a) mostra como atuam os dispositivos que limitam acorrente de curto-circuito. No instante t = 0, acontece o curto-circuito e a correntecomeça a crescer, até que no instante t1 o DLCC atua limitando a corrente de defeito,que passa a apresentar uma amplitude relativamente pequena até que a corrente sejainterrompida pelo disjuntor no instante t2.

A curva (b) mostra o comportamento dos dispositivos que interrompem as cor-rentes de defeito. Para um curto-circuito em t = 0, o DLCC atua em t3, levando acorrente a zero até que o sistema seja recomposto.

No presente trabalho, serão abordados os DLCCs que atuam das duas maneiras.Dentre os que atuam limitando as correntes de curto-circuito estão os reatores limita-dores de curto-circuito (RLCCs) e o capacitor série controlado por tiristor (TCSC).Os dispositivos pirotécnicos e disjuntores de abertura rápida atuam interrompendoas correntes de defeito.

4.3.1 Reatores limitadores de curto-circuito (RLCCs)

Os RLCCs têm sido empregados com sucesso no Brasil há muitos anos. Eles sãoa tecnologia mais antiga em termos de redução de nível de curto-circuito e os quenormalmente apresentam menor custo.

Estes DLCCs limitam a corrente de curto-circuito devido à queda de tensão emseus terminais, que se eleva durante um defeito. No entanto, têm como desvantagemapresentar uma queda de tensão permanente em regime normal, o que resulta emperdas constantes [28].

A análise do espaço físico na subestação é muito importante antes de se optarpela instalação de um RLCC, pois, devido ao campo magnético produzido pelosreatores, deve-se respeitar uma distância mínima entre as fases e pode ser necessário

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até mesmo a instalação de telas, visando restringir a circulação de trabalhadores aoredor do equipamento. Em instalações já existentes, e que não possuem um grandeespaço físico disponível, este pode ser um fator de restrição para a instalação de umRLCC.

Como já foi mencionado, o RLCC introduz perdas ao sistema. Por isso, é im-portante fazer uma análise dessas perdas do ponto de vista econômico para garantirque a instalação do RLCC seja mais benéfica do que a substituição de equipamentossuperados.

Para calcular o valor da impedância do RLCC são realizados estudos de curto-circuito para definir qual valor é necessário para limitar a corrente de defeito, estudosde fluxo de potência para determinar os valores de queda de tensão e perdas queo RLCC irá introduzir e estudos de transitórios eletromagnéticos para reavaliarrequisitos de TRT no disjuntor do vão onde o RLCC será instalado [26].

Os RLCCs podem ser instalados de três formas diferentes:

1. Em série com os circuitos alimentadores

Esta forma de instalar os RLCCs é ilustrada na Figura 4.6, adaptada de [22].Tem como vantagem limitar a contribuição de cada um dos circuitos alimenta-dores, porém, provoca perdas elevadas quando comparadas às perdas obtidascom a instalação do RLCC de outras formas.

Figura 4.6: RLCCs instalados em série com os circuitos alimentadores.

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Na Figura 4.6 são mostrados os casos em que o DLCC está conectado em sériecom os transformadores e com o geradores.

2. Em série com os circuitos de saída

Nesse caso, os circuitos em que os RLCCs são instalados passam a receber umacontribuição menor quando ocorre um curto-circuito. A Figura 4.7, adaptadade [22], mostra como é feita este tipo de instalação.

Figura 4.7: RLCCs instalados em série com os circuitos de saída.

Como exemplo de aplicação no Brasil, há os reatores instalados nos dois cir-cuitos da LT 345 kV Mogi das Cruzes - Itapeti. Estes RLCCs tem 9 Ω cada eestão localizados na subestação Mogi das Cruzes.

Utilizando o caso de referência de curto-circuito do ONS referente ao ano de2018, foi simulado, um curto-circuito trifásico nas barras de Mogi das Cruzese Itapeti 345 kV para os casos sem e com o reator limitador respectivamente.Os resultados são apresentados na Figura 4.8.

Figura 4.8: Efeito do RLCC instalado na LT 345 kV Mogi das Cruzes - Itapeti.

Pela Figura 4.8 verifica-se que o RLCC reduz significativamente o curto-circuito na SE Mogi das Cruzes 345 kV. A redução é de cerca de 11 kA ecorresponde a uma diminuição de 27% no nível de curto-circuito trifásico.

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3. Seccionando um barramento.

A utilização de um reator limitador seccionando o barramento de uma subes-tação, como mostra a Figura 4.9, adaptada de [22], traz a grande vantagemde viabilizar a operação de barramentos que foram seccionados operarem fe-chados, aumentando a confiabilidade e a flexibilidade operativas.

Figura 4.9: RLCC seccionando barramento.

A realização de estudos para verificar a possibilidade de equilibrar as cargasem cada uma das barras é importante para evitar altas correntes circulandopelo equipamento, diminuindo as perdas.

Um exemplo da utilização de um RLCC seccionando um barramento no SINé o da usina de Tucuruí. A construção dessa usina ocorreu em duas etapase foi verificado que, com a conclusão da segunda etapa, os disjuntores daprimeira etapa, com capacidade de interrupção simétrica de 40 kA, seriamsuperados. Após diversos estudos, optou-se pela instalação de um RLCC de20 Ω conectando os barramentos associados às duas etapas da usina, comomostra a Figura 4.10.

Figura 4.10: RLCC na usina de Tucuruí.

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Novamente, utilizando o caso de referência de curto-circuito do ONS para o anode 2018, foi simulado um curto-circuito trifásico na barra de 500 kV da usinade Tucuruí em duas situações: com o reator limitador desligado e com reatorlimitador ligado. Ressalta-se que, neste caso, todas as 23 unidades geradorasda usina de Tucuruí estão em operação. Os resultados são apresentados nasFiguras 4.11 e 4.12.

Figura 4.11: Curto-circuito trifásico em Tucuruí sem reator limitador.

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Figura 4.12: Curto-circuito trifásico em Tucuruí com reator limitador.

Com o RLCC instalado, os barramentos da usina passam a apresentar diferen-tes níveis de curto-circuito. Os barramentos da primeira e da segunda etapasofrem uma redução de 18 kA e 11 kA, respectivamente.

Como os disjuntores de Tucuruí só ficam superados quando um determinadonúmero de máquinas da usina é despachada, não é necessário que o RLCCesteja sempre em operação. Então, para evitar as perdas causadas pelo reator,existe o recurso de by-pass do RLCC nos momentos em que ele não é necessário.

4.3.2 Dispositivos Pirotécnicos

Os dispositivos pirotécnicos são DLCCs que atuam interrompendo a corrente decurto-circuito do vão em que estão instalados e normalmente são utilizados em sériecom geradores.

A Figura 4.13, reproduzida de [22], mostra um dispositivo pirotécnico e seu fun-cionamento acontece da seguinte maneira: em operação normal a corrente passa porum câmara que contem cargas explosivas e por sensores, alimentados por transfor-madores de corrente, que monitoram a corrente nesta câmara. Quando é detectadauma elevação na corrente, estes sensores atuam e acionam as cargas explosivas, queinterrompem a passagem de corrente pela câmara principal. Em paralelo à estacâmara, há uma outra com um elemento fusível, que recebe esta corrente de defeitoe a extingue [27].

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Figura 4.13: Dispositivo pirotécnico.

Os dispositivos pirotécnicos somente atuam para grandes correntes de curto-circuito (maiores que a capacidade de interrupção dos disjuntores). Para defeitoscom correntes de curto-circuito pequenas, os disjuntores são utilizados para interrup-ção, ou seja, os dispositivos pirotécnicos não eliminam a necessidade do uso de outrosequipamentos de manobra convencionais como disjuntores e chaves seccionadoras.

As vantagens da utilização destes dispositivos são a baixa necessidade de manu-tenção, dimensões reduzidas e rápida eliminação da corrente de defeito. A desvanta-gem é que, após sua atuação, a unidade geradora fica indisponível até a substituiçãodo equipamento.

O uso de um RLCC em paralelo com o dispositivo pirotécnico, como mostra aFigura 4.14, adaptada de [23], evita a separação entre a unidade geradora e o sistemaapós atuação do dispositivo pirotécnico. Neste tipo de instalação, acontece o by-pass do reator durante a operação normal, evitando perdas. Quando o dispositivopirotécnico atua, o reator é inserido no sistema, limitando a corrente de curto-circuitoem um valor suportável pelo disjuntor [26].

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Figura 4.14: Dispositivo pirotécnico em paralelo com um reator limitador.

O RLCC continuará em operação até que os elementos do dispositivo pirotécnicosejam substituídos. A Figura 4.15 mostra a diferença da evolução da corrente decurto-circuito quando há um reator limitador em paralelo com o dispositivo pirotéc-nico.

Figura 4.15: Efeito do dispositivo pirotécnico: (a) sem reator; e (b) com reator.

Pela Figura 4.15, verifica-se que, sem o dispositivo pirotécnico, a corrente atingi-ria valores acima da capacidade de interrupção do disjuntor. No entanto, quando háo dispositivo pirotécnico, ele interrompe a corrente rapidamente antes de ela atingirum valor muito elevado. Quando há um reator em paralelo, a corrente é limitadaem um valor abaixo da capacidade do disjuntor, fazendo com que ele possa operarcom segurança.

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4.4 Medidas não usuais

Nas seções anteriores foram abordadas as medidas mais utilizadas na redução deníveis de curto-circuito. A seguir serão apresentados dispositivos ainda em fase dedesenvolvimento ou que já estão disponíveis no mercado, mas que ainda não sãoamplamente utilizados.

Como o uso desses dispositivos como limitadores de correntes de curto-circuitoé limitado ou são apenas funções secundárias, não serão abordados em detalhes.

4.4.1 Elos de corrente contínua

Como os sistemas de corrente contínua não elevam os níveis de curto-circuito, estamedida é uma ótima opção para se utilizar em interligações de sistemas elétricos,pois com a aplicação desta tecnologia, as contribuições de um sistema não têminfluência nos outros. O custo elevado e a necessidade de estudos complexos tornama implementação desta medida não viável [23].

4.4.2 TCSC - Capacitor série controlado por tiristor

O TCSC pode ser aplicado para diferentes funções no sistema elétrico, sendo umadelas a limitação de correntes de curto-circuito [22]. Este equipamento combinacapacitores com reatores controlados por tiristores, o que permite um controle dovalor da impedância. O TCSC também conta um limitador de tensão (MOV - MetalOxide Varistor) conectado em paralelo com o capacitor, protegendo o capacitor desobretensões. A Figura 4.16 apresenta o modelo simplificado de um TCSC [29].

Figura 4.16: Diagrama TCSC.

Para que o TCSC possa ser utilizado para reduzir níveis de curto-circuito, eledeve ser dimensionado para suportar altas correntes e apresentar uma reatânciaindutiva elevada [22].

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Como este equipamento apresenta um custo elevado, utilizá-lo exclusivamentecomo limitador de corrente de curto-circuito não é viável. No Brasil, existem quatroTCSCs em operação, instalados no setor de 500 kV das subestações Imperatrize Serra da Mesa. Estes equipamentos têm o objetivo principal de amortecer asoscilações de potência nas interligações Norte-Sul I e II, porém, entre as funções doTCSC de Imperatriz está a limitação de correntes de curto-circuito [23].

4.4.3 Disjuntores eletrônicos de abertura rápida

Por possuírem um tempo de abertura muito curto [23], estes disjuntores podem serutilizados para atuarem antes dos disjuntores superados, limitando a corrente nestesdispositivos e garantindo uma atuação segura dos mesmos. Estes dispositivos nãosubstituem o uso dos disjuntores convencionais [23].

No capítulo 5 será estudado um caso real do sistema elétrico brasileiro, em queserão analisadas as implantações das medidas para redução de nível de curto-circuitoaqui apresentados.

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Capítulo 5

Caso de Estudo

Neste capítulo será apresentado o problema identificado nas subestações do Riode Janeiro (área Rio), onde diversos casos de superação surgem no horizonte de2023. Também serão estudadas medidas mitigadoras para reduzir os níveis de curto-circuito destas subestações. Todas as análises foram feitas utilizando o programaANAFAS.

5.1 Descrição do caso

A área Rio é um grande centro de carga do Brasil e, por isso, seu sistema de atendi-mento contém muitas subestações de fronteira com elevadas capacidades de transfor-mação. Esta área apresenta uma rede extremamente malhada, com transformaçõesde 500/345 kV, 345/138 kV e 500/138 kV. A potência instalada nessa região tambémé muito grande, cerca de 7,5 GW, com usinas conectadas nos setores de 138 kV eprincipalmente no 500 kV.

Pelos motivos expostos acima, a área Rio apresenta elevados níveis de curto-circuito nas subestações de fronteira (138 kV), com valores próximos aos da capa-cidade de interrupção do disjuntores instalados. A Figura 5.1 mostra o diagramaunifilar simplificado da área do Rio de Janeiro.

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Figura 5.1: Diagrama unifilar simplificado da área Rio.

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Atualmente, já é necessário o uso de recursos operativos para a redução dos níveisde curto-circuito da área Rio, como o desligamento de compensadores síncronos ea separação de barramentos. No entanto, quando são feitos estudos considerandonovos empreendimentos já previstos para a expansão do sistema no horizonte de2023, essas medidas passam a não ser mais efetivas. Com isso, os elevados níveis decurto-circuito passam a ser fatores limitantes para o crescimento do sistema.

A implantação da SE Nova Iguaçu 500/138 kV – 900 MVA em 2018 teve umgrande impacto nos níveis de curto-circuito das subestações da área Rio, inclusiveacarretando problemas de superação. Destaca-se o aumento no setor de 138 kVda subestação de Grajaú, que já possui todos os seus disjuntores com capacidadede interrupção de 63 kA (maior capacidade disponível no mercado), e passou aapresentar problemas de superação.

A solução encontrada para resolver este problema foi a separação do sistemada concessionária de distribuição Light em dois subsistemas. Esta solução evitoua superação de diversas subestações da área Rio, como as SE’s São José 138 kV eGrajaú 138 kV. A Figura 5.2 mostra como era o sistema da Light antes da entradaem operação da SE Nova Iguaçu e a 5.3 mostra como ele está hoje.

Figura 5.2: Sistema da Light antes da SE Nova Iguaçu.

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Figura 5.3: Sistema da Light divido em dois subsistemas.

A expansão da SE Nova Iguaçu 500/138 kV está prevista para 2020, com aentrada em operação do segundo banco de transformadores de 900 MVA, que jáfoi autorizado pela Agência Nacional de Energia Elétrca (ANEEL) e, nos estudosdo PAR 2019-2023, foi indicada a necessidade de um terceiro banco de 900 MVA.A entrada em operação desses dois empreendimentos no SIN acarreta a superaçãode diversas subestações da área Rio, inclusive da própria SE Nova Iguaçu, comníveis acima de 63 kA no setor de 138 kV. Além disso, há outros empreendimentosplanejados na área Rio, como o quinto transformador 500/138 kV de 600 MVA naSE São José, o segundo transformador 500/138 kV de 900 MVA na SE Zona Oestee a SE Terminal Rio 500 kV, que causam significativo impacto na região.

A Tabela 5.1 mostra os níveis de curto-circuito de algumas subestações de in-teresse da área Rio nos horizontes de 2018 e 2023. O critério de escolha para omonitoramento destas subestações foi o nível de curto-circuito ser mais elevado(apresentando disjuntores superados ou em estado de alerta), ter sofrido um au-mento significativo no horizonte analisado, acima de 3 kA, ou ser uma subestaçãoimportante para o sistema. Adicionalmente, é comparado o nível de curto-circuitocom o valor da capacidade do menor disjuntor instalado na subestação. As célulasem vermelho representam uma subestação superada e as células em azul representamque a subestação está em estado de alerta.

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Tabela 5.1: Nível de curto-circuito nas subestações da área Rio.Nível de curto-circuito (kA)

Nome Tensão (kV)Caso 2018 Caso 2023

Capacidade do menordisjuntor (kA)

ADRIANÓPOLIS 500 24,8 35,5 31,5

ADRIANÓPOLIS 138 27,6 30,3 37

BERNADINO MELO 138 31,0 42,8 40

CACHOEIRA PAULISTA 500 26,8 34,6 31,5

CACHOEIRA PAULISTA 138 17,3 17,8 40

CASCADURA 138 38,2 44,0 40

COMENDADOR SOARES 138 35,0 49,8 40

ELETROBOLT 138 37,1 46,2 40

FONTES NOVA 138 36,0 40,5 40

GRAJAÚ 500 18,3 21,4 31,5

GRAJAÚ 138 47,5 51,5 63

JACAREPAGUÁ 138 41,1 45,2 40

LEOPOLDO 138 37,6 40,1 40

MADUREIRA 138 36,8 42,2 40

NOVA IGUACU 500 24,2 37,0 63

NOVA IGUAÇU (LIGHT) 138 30,4 42,1 40

NOVA IGUACU (LTTE) 138 46,1 72,4 63

QUEIMADOS 138 30,8 40,1 40

SÃO JOSÉ 500 22,6 27,8 40

SÃO JOSÉ A 138 41,3 40,7 50

SÃO JOSÉ B 138 42,3 52,3 50

TERMORIO A 138 23,7 23,6 50

TERMORIO B 138 25,4 26,8 50

ZIN 138 33,2 40,6 40

ZONA OESTE 500 18,3 22,3 63

ZONA OESTE 138 36,2 48,1 63

Pela Tabela 5.1 verifica-se que no horizonte de 2018 há subestações com níveisde curto-circuito elevados e até mesmo em estado de alerta, porém, nenhuma delasapresenta problemas de superação. Já para o horizonte de 2023, 15 subestaçõesencontram-se superadas.

O setor de 138 kV da subestação de Jacarepaguá já teve seus disjuntores indicadospara troca nos estudos PAR 2015-2017 e autorizados pela resolução autorizativa(REA) da ANEEL 5.710/2016 [30]. Por isso, esta subestação não será objeto deanálise no presente estudo.

O submódulo 2.3 dos Procedimentos de Rede do ONS estabelece que as subesta-

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ções de tensão maior ou igual 345 kV devem ter seus equipamentos com capacidadede interrupção de, no mínimo, 50 kA [31]. Por esta razão, a troca dos equipamentosde 31,5 kA das subestações de Adrianópolis 500 kV e Cachoeira Paulista 500 kV émais indicada em vez de buscar soluções para a redução dos níveis de curto-circuito.

As outras subestações com problemas de superação são tratadas a seguir, pormeio da implantação de medidas mitigadoras apresentadas no capítulo 4. Os setoresde 138 kV das subestações Nova Iguaçu e São José serão o principal foco das análises,pois os reforços planejados nessas subestações são a maior causa da elevação dosníveis de curto-circuito na área Rio.

5.2 Simulações

Nesta seção serão apresentadas propostas para reduzir os níveis de curto-circuitonas subestações com problema de superação da área Rio. As análises foram feitasutilizando o programa ANAFAS.

O horizonte de estudo foi o de 2023. Para isso, foi elaborado um caso de análisea partir do caso de referência de curto-circuito do ONS referente ao ano de 2020, emque foram acrescentadas as obras com entrada em operação previstas para o ano de2023. Todas as análises que serão apresentadas a seguir foram feitas a partir destecaso e, por isso, ele será chamado de "Caso Base".

Para cada caso simulado, será apresentada uma tabela com o nível de curto-circuito mais severo nas barras de interesse. No entanto, estas tabelas só irão conteras barras que tiveram uma mudança maior ou igual a 1% nos níveis de curto-circuitoapós a implantação da medida em análise.

5.2.1 Reatores Limitadores nas linhas de 500 kV

Primeiramente, foi analisado o uso de reatores limitadores de curto-circuito no setorde 500 kV em série com as saídas de linha.

Como as linhas de 500 kV são um dos principais caminhos de injeção de potênciana área Rio, foi testado o uso de RLCCs nesse nível de tensão. A Tabela 5.2 descreveos casos analisados e a Figura 5.4 mostra a localização de cada um dos reatores numdiagrama unifilar.

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Tabela 5.2: Casos analisados.Caso No Descrição

1 Reator limitador de 5Ω na LT 500 kV Adrianópolis - São José

2 Reator limitador de 5Ω na LT 500 kV Nova Iguaçu - São José

3 Reator limitador de 10Ω na LT 500 kV Adrianópolis - São José

4 Reator limitador de 10Ω na LT 500 kV Nova Iguaçu - São José

Figura 5.4: Localização dos RLCCs no setor de 500 kV.

A Tabela 5.3 apresenta o nível de curto-circuito mais severo nas barras de inte-resse para cada um dos casos descritos na Tabela 5.2.

Tabela 5.3: Nível de curto-circuito após a instalação de RLCCs no setor de 500 kV.Nível de Curto-circuito (kA)

Subestação Tensão (kV)Caso Base Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4

Capacidade do menordisjuntor (kA)

ADRIANÓPOLIS 500 35,5 35,1 35,4 34,9 35,4 31,5

NOVA IGUACU 500 37,0 36,9 36,6 36,9 36,4 63

SÃO JOSÉ 500 27,8 26,4 25,6 25,6 24,6 40

SÃO JOSÉ A 138 40,7 40,2 40,1 40,0 39,8 50

SÃO JOSÉ B 138 52,3 51,6 51,2 51,1 50,6 50

Os resultados da aplicação de RLCCs no setor de 500 kV não foram satisfatórios,pois o maior impacto destas medidas foi na subestação São José 500 kV, que nãoé uma das subestações que apresentam problemas de superação. Das subestaçõescom níveis de curto-circuito críticos, a maior redução ocorreu no setor de 138 kV daSE São José, com apenas 3%.

5.2.2 Reatores Limitadores nas linhas de 138 kV

A segunda proposta analisada também foi a do uso de RLCCs, porém, no setor de138 kV.

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As usinas térmicas (UTE) Termorio e Eletrobolt têm grande contribuição paradefeitos no setor de 138 kV das subestações Nova Iguaçu, São José e Eletrobolt.Por essa razão, tomar ações nos circuitos de saída destas usinas se mostra uma boaopção para a redução dos níveis de curto-circuito nestas subestações. O diagramaapresentado na Figura 5.5 mostra a localização dos reatores e a Tabela 5.4 descrevecada uma das propostas.

Tabela 5.4: Casos analisados.Caso No Descrição

5 Reator limitador de 5Ω nas LTs 138 kV UTE Termorio - São José

6 Reator limitador de 10Ω nas LTs 138 kV UTE Termorio - São José

7 Reator limitador de 15Ω nas LTs 138 kV UTE Termorio - São José

8 Reator limitador de 5Ω nas LTs 138 kV Eletrobolt - Nova Iguaçu

9 Reator limitador de 10Ω nas LTs 138 kV Eletrobolt - Nova Iguaçu

Figura 5.5: Localização dos RLCCs no setor de 138 kV.

Os resultados obtidos com a implantação das medidas descritas na Tabela 5.4 seencontram na Tabela 5.5.

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Tabela 5.5: Nível de curto-circuito após a instalação de RLCCs no setor de 138 kV.Nível de curto-circuito (kA)

Subestação Tensão (kV)Caso Base Caso 5 Caso 6 Caso 7 Caso 8 Caso 9

Capacidade do menordisjuntor (kA)

ADRIANÓPOLIS 500 35,5 34,9 34,6 34,3 35,3 35,2 31,5

BERNADINO MELO 138 42,8 42,4 42,2 42,1 42,2 41,9 40

CASCADURA 138 44,0 43,2 42,8 42,5 43,5 43,3 40

COMENDADOR SOARES 138 49,8 49,3 49,0 48,8 49,0 48,6 40

ELETROBOLT 138 46,2 45,9 45,8 45,7 36,8 32,7 40

FONTES NOVA 138 40,5 40,4 40,3 40,3 38,9 37,9 40

GRAJAÚ 500 21,4 21,2 21,0 21,0 21,3 21,2 31,5

GRAJAÚ 138 51,5 51,2 51,1 51,0 51,4 51,4 40

MADUREIRA 138 42,2 41,5 41,1 40,8 41,8 41,6 63

NOVA IGUACU 500 37,0 36,3 35,9 35,6 36,7 36,5 40

NOVA IGUAÇU (LIGHT) 138 42,1 41,8 41,5 41,4 41,6 41,3 63

NOVA IGUACU (LTTE) 138 72,4 71,5 70,9 70,5 70,8 69,7 40

QUEIMADOS 138 40,1 39,8 39,7 39,6 39,8 39,5 40

SÃO JOSÉ 500 27,8 27,0 26,6 26,3 27,7 27,6 50

SÃO JOSÉ A 138 40,7 38,4 37,1 36,4 40,5 40,5 50

SÃO JOSÉ B 138 52,3 49,5 48,1 47,2 52,2 52,1 50

TERMORIO A 138 23,6 17,2 14,8 13,6 23,6 23,6 50

TERMORIO B 138 26,8 19,2 16,7 15,4 26,7 26,7 63

ZONA OESTE 500 22,3 22,1 22,0 22,0 22,3 22,2 63

O uso de reatores limitadores nas LTs 138 kV UTE Termorio - São José semostrou eficaz, já que, para todos os valores de impedância simulados, a SE SãoJosé 138 kV deixa de apresentar problemas de superação. No entanto, no caso 5, onível de curto-circuito ainda é muito elevado (49,5 kA), apresentando uma relaçãode 99% entre o nível de curto-circuito e capacidade do menor disjuntor. O mesmoacontece com o uso de RLCCs nas LTs 138 kV Eletrobolt - Nova Iguaçu, resolvendoo problema das subestações Eletrobolt e Nova Iguaçu.

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5.2.3 By-pass da SE Eletrobolt

Neste caso (Caso 10), o by-pass da SE Eletrobolt é utilizada para eliminar a con-tribuição dos dois circuitos que saem da SE Fontes Nova, como mostra a Figura5.6.

Figura 5.6: By-pass da SE Eletrobolt 138 kV.

O by-pass da SE Eletrobolt tem impacto somente na própria Eletrobolt. ATabela 5.6 apresenta os resultados obtidos com esta medida.

Tabela 5.6: Níveis de curto-circuito após By-pass na SE Eletrobolt.Nível de curto-circuito (kA)

Subestação Tensão (kV)Caso Base Caso 10

Capacidade do menordisjuntor (kA)

ELETROBOLT 138 46,2 33,1 40

Pela Tabela 5.6 verifica-se que o by-pass da SE Eletrobolt apresenta um resultadosatisfatório, reduzindo o nível de curto-circuito da SE Eletrobolt em 13 kA. Estadiminuição ocorre devido ao fato de que após o by-pass dois circuitos saindo daSE Fontes Nova e dois circuitos saindo da SE Nova Iguaçu não contribuírem naocorrência de um defeito.

5.2.4 Seccionamento do barramento de São José 500 kV

Foram analisados os casos em que o seccionamento do barramento de 500 kV da SESão José é feito com e sem o uso de um reator limitador entre as barras. Para queseja implantado o seccionamento de um barramento, deve-se escolher quais circuitosserão conectados em cada uma das barras. Pela Figura 5.1, observa-se que existemduas linhas chegando na SE São José 500 kV, logo, há duas opções em relação àdisposição dos circuitos. A Figura 5.7 mostra cada uma destas opções.

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Figura 5.7: Seccionamento do barramento de São José 500 kV.

Tabela 5.7: Casos analisados.Caso No Descrição

11 Seccionamento de São José 500 kV com o circuito para Adrianópolis na barra A

12 Seccionamento de São José 500 kV com o circuito para Adrianópolis na barra B

13 Caso número 11 com um reator limitador de 10Ω entre as barras

14 Caso número 12 com um reator limitador de 10Ω entre as barras

Os resultados obtidos para cada caso descrito na Tabela 5.7 encontram-se naTabela 5.8.

Tabela 5.8: Nível de curto-circuito após o seccionamento de São José 500 kV.Nível de curto-circuito (kA)

Subestação Tensão (kV)Caso Base Caso 11 Caso 12 Caso 13 Caso 14

Capacidade do menordisjuntor (kA)

ADRIANÓPOLIS 500 35,5 34,5 34,8 35,1 35,3 31,5

BERNADINO MELO 138 42,8 42,7 42,5 33,8 33,8 40

COMENDADOR SOARES 138 49,8 49,7 49,4 37,5 37,5 40

NOVA IGUACU 500 37,0 36,4 36,0 36,7 36,6 63

NOVA IGUAÇU (LIGHT) 138 42,1 42,0 41,9 38,4 38,4 40

NOVA IGUACU (LTTE) 138 72,4 72,2 71,7 47,3 47,2 63

QUEIMADOS 138 40,1 40,1 39,9 36,3 36,3 40

SÃO JOSÉ 500 27,8 17,6 19,4 23,2 24,3 40

SÃO JOSÉ A 138 40,7 37,8 38,1 39,5 39,7 50

SÃO JOSÉ B 138 52,3 48,1 46,8 50,8 50,3 50

SÃO JOSÉ B 500 20,3 18,4 24,7 23,7 40

TERMORIO A 138 28,3 26,5 26,5 27,8 27,9 50

TERMORIO B 138 31,7 30,0 29,8 31,3 31,2 50

O seccionamento do barramento de 500 kV da SE São José trouxe uma quedasignificativa nos níveis de curto-circuito do barramento de 138 kV, sendo o caso 12

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o mais eficaz, com uma redução de 5,5 kA. Já os casos utilizando o reator limitadorse mostraram ineficazes, pois, mesmo havendo uma redução nos níveis de curto-circuito no setor de 138 kV da SE São José, cerca de 2 kA, os disjuntores da mesmacontinuam superados.

5.2.5 Seccionamento do barramento da SE Eletrobolt 138 kV

Com o seccionamento do barramento da SE Eletrobolt 138 kV, os circuitos e asunidades geradoras são divididos igualmente entre as barras, como mostra a Figura5.8.

Figura 5.8: Abertura do barramento da SE Eletrobolt 138 kV.

A Tabela 5.9 mostra o resultado da abertura do seccionamento da SE Eletrobolt138 kV (Caso 15).

Tabela 5.9: Nível de curto-circuito após o seccionamento do barramento da SEEletrobolt 138 kV.

Nível de curto-circuito (kA)Subestação Tensão (kV)

Caso Base Caso 15Capacidade do menor

disjuntor (kA)ELETROBOLT A 138 46,2 30,7 40

ELETROBOLT B 138 31,0 40

Com o seccionamento do barramento de 138 kV da SE Eletrobolt, ocorre umaredução de 15,5 kA, cerca de 33%, na mesma, fazendo com que a subestação nãoapresente mais problemas de superação.

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5.2.6 Seccionamento do barramento da SE Nova Iguaçu 138

kV

Com a entrada em operação do terceiro banco de transformadores na Se Nova Iguaçu,os níveis de curto-circuito da própria subestação ficam em uma situação inoperável,acima de 63 kA. Com isso, o seccionamento do barramento de 138 kV torna-seessencial. Esta proposta já foi feita pelo ONS e a Light se encarregou de fazeros estudos necessários, sugerindo a distribuição dos circuitos como é mostrado naFigura 5.9.

Figura 5.9: Seccionamento do barramento da SE Nova Iguaçu 138 kV.

O impacto do seccionamento do barramento da SE Nova Iguaçu 138 kV (Caso16) é mostrado na Tabela 5.10.

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Tabela 5.10: Nível de curto-circuito após o seccionamento do barramento da SENova Iguaçu 138 kV.

Nível de curto-circuito (kA)Subestação Tensão (kV)

Caso Base Caso 16Capacidade do menor

disjuntor (kA)

BERNADINO MELO 138 42,8 33,8 40

COMENDADOR SOARES 138 49,8 37,5 40

NOVA IGUAÇU (LIGHT) 138 42,1 38,5 40

NOVA IGUACU A (LTTE) 138 72,4 47,3 63

NOVA IGUACU B (LTTE) 138 72,5 59,5 63

QUEIMADOS 138 40,1 36,3 40

A Tabela 5.10 mostra que o seccionamento do barramento da SE Nova Iguaçu138 kV é muito benéfica para o sistema, solucionando o problema de superação emdiversas subestações.

5.2.7 Alteração dos subsistemas da Light

A Figura 5.3 mostra como o sistema da Light opera atualmente. Como a SE NovaIguaçu 500/138 kV causa um grande impacto no sistema, foi simulado o caso em queo sistema da Light continua dividido em dois subsistemas, porém, com a SE NovaIguaçu isolada no subsistema 1 (Caso 17). A alteração dos subsistemas da Light éilustrada na Figura 5.10.

Figura 5.10: Subsistemas da Light alterados.

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A Tabela 5.11 mostra o resultado desta proposta.

Tabela 5.11: Níveis de curto-circuito após alteração no subsistema da Light.Nível de curto-circuito (kA)

Subestação Tensão (kV)Caso Base Caso 17

Capacidade do menordisjuntor (kA)

ADRIANÓPOLIS 500 35,5 35,5 31,5

ADRIANÓPOLIS 138 32,8 32,8 37

BERNADINO MELO 138 42,8 38,7 40

CASCADURA 138 44,0 55,6 40

COMENDADOR SOARES 138 49,8 45,2 40

ELETROBOLT 138 46,2 44,3 40

FONTES NOVA 138 40,5 39,8 40

GRAJAÚ 500 21,4 22,4 31,5

GRAJAÚ 138 52,0 64,3 63

JACAREPAGUÁ 138 45,3 50,9 42

LEOPOLDO 138 40,1 47,4 40

MADUREIRA 138 42,2 7,9 40

NOVA IGUAÇU (LIGHT) 138 42,1 37,7 40

NOVA IGUACU (LTTE) 138 72,4 65,5 63

QUEIMADOS 138 40,1 38,0 40

SÃO JOSÉ 500 27,8 28,0 40

SÃO JOSÉ A 138 40,7 47,7 50

SÃO JOSÉ B 138 52,3 52,6 50

TERMORIO A 138 28,3 29,5 50

TERMORIO B 138 31,7 31,8 50

ZIN 138 40,6 41,3 40

ZONA OESTE 500 22,3 22,4 63

ZONA OESTE 138 48,1 48,9 63

Verifica-se pela Tabela 5.11 que esta alternativa é inviável, já que os níveis decurto-circuito de diversas subestações aumentaram consideravelmente, com destaquepara a SE Grajaú 138 kV, que apresenta níveis de curto-circuito maiores que 63 kA.

5.2.8 Separação do sistema da Light em três subsistemas

Nesta proposta o sistema da Light é dividido em três subsistemas, conforme mostraa Figura 5.11. O objetivo principal desta medida (caso 18) é isolar a SE São Josépara que os outros dois subsistemas não contribuam na ocorrência de um defeito. ATabela 5.12 apresenta os resultados obtidos para esta configuração.

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Figura 5.11: Sistema da Light dividido em três subsistemas.

Tabela 5.12: Níveis de curto-circuito com o sistema da Light dividido em três.Nível de curto-circuito (kA)

Subestação Tensão (kV)Caso Base Caso 18

Capacidade do menordisjuntor (kA)

BERNADINO MELO 138 42,8 39,6 40

CASCADURA 138 44,0 29,7 40

COMENDADOR SOARES 138 49,8 45,8 40

ELETROBOLT 138 46,2 44,3 40

FONTES NOVA 138 40,5 39,8 40

MADUREIRA 138 42,2 28,9 40

NOVA IGUAÇU (LIGHT) 138 42,1 38,9 40

NOVA IGUACU (LTTE) 138 72,4 65,5 63

QUEIMADOS 138 40,1 38,0 40

SÃO JOSÉ 500 27,8 27,6 40

SÃO JOSÉ A 138 40,7 32,6 50

SÃO JOSÉ B 138 52,3 47,4 50

TERMORIO A 138 28,3 26,4 50

TERMORIO B 138 31,7 30,9 50

Observa-se pela Tabela 5.12 que esta medida reduz drasticamente os níveis decurto-circuito em diversas subestações. Destaca-se a redução no setor de 138 kVdas SEs Cascadura, Nova Iguaçu e São José, que apresentaram uma redução derespectivamente 14,3 kA, 6,9 kA e 4,9 kA.

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5.2.9 Proposta final

No decorrer deste capítulo foram apresentadas diversas propostas para a reduçãodos níveis de curto-circuito e o impacto de cada uma delas foi visto individualmente.Muitas destas ações se mostraram ineficazes e até mesmo inviáveis. No entanto, mui-tas delas se mostraram efetivas, embora não resolvam o problema quando aplicadasindividualmente.

A partir da seleção das propostas mais eficazes, pode-se propor uma alternativaque engloba algumas das alternativas anteriores. Esta última consiste em agruparquatro ações já citadas anteriormente, que são:

• Divisão do sistema da Light em três subsistemas;

• Seccionamento do barramento da SE Nova Iguaçu 138 kV;

• Seccionamento do barramento da SE Eletrobolt 138 kV;

• Reator limitador de 5Ω nas LTs 138 kV UTE Termorio - São José 138 kV.

A Tabela 5.13 mostra os resultados obtidos com esta proposta.

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Tabela 5.13: Níveis de curto-circuito da proposta final.Nível de curto-circuito

Subestação Tensão (kV)Caso Base Caso Final

Capacidade do menordisjuntor (kA)

ADRIANÓPOLIS 500 35,5 34,9 31,5

ADRIANÓPOLIS 138 32,8 32,7 37

BERNADINO MELO 138 42,8 29,7 40

CACHOEIRA PAULISTA 500 34,6 34,5 31,5

CACHOEIRA PAULISTA 138 19,4 19,4 40

CASCADURA 138 44,0 29,2 40

COMENDADOR SOARES 138 49,8 32,6 40

ELETROBOLT 138 46,2 26,3 40

ELETROBOLT B 138 29,0 40

FONTES NOVA 138 40,5 39,5 40

GRAJAÚ 500 21,4 21,1 31,5

GRAJAÚ 138 52,0 51,8 63

JACAREPAGUÁ 138 45,3 45,1 42

LEOPOLDO 138 40,1 39,9 40

MADUREIRA 138 42,2 28,5 40

NOVA IGUACU 500 37,0 36,2 63

NOVA IGUAÇU (LIGHT) 138 42,1 35,4 40

NOVA IGUACU A (LTTE) 138 72,4 39,9 63

NOVA IGUACU B (LTTE) 138 72,5 53,3 63

QUEIMADOS 138 40,1 34,1 40

SÃO JOSÉ 500 27,8 26,7 40

SÃO JOSÉ A 138 40,7 30,5 50

SÃO JOSÉ B 138 52,3 44,7 50

TERMORIO A 138 28,3 19,8 50

TERMORIO B 138 31,7 22,7 50

ZIN 138 40,6 40,4 40

ZONA OESTE 500 22,3 22,1 63

ZONA OESTE 138 48,1 47,9 63

Verifica-se pela Tabela 5.13 que os resultados são satisfatórios. Muitas das su-bestações que se encontravam superadas já não apresentam mais este problema eagora permitem uma expansão do sistema sem que os níveis de curto-circuito se-jam impeditivos. As subestações ZIN 138 kV, Jacarepaguá 138 kV, Adrianópolis500 kV e Cachoeira Paulista 500 kV, continuam apresentando problemas de supera-

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ção. Ressalta-se que as SEs Jacarepaguá 138 kV, Adrianópolis 500 kV e CachoeiraPaulista 500 kV não eram objetos de análise.

As medidas propostas não foram efetivas na redução dos níveis de curto-circuitoda SE ZIN 138 kV, que continua superada. Além disso, as SEs Fontes Nova 138 kVe Leopoldo 138 kV também não têm seus níveis de curto-circuito reduzidos signifi-cativamente, apresentando disjuntores em estado de alerta, porém, muito próximasda superação. A medida proposta para estas três subestações é a substituição dosequipamentos superados, sendo então necessário indicar a substituição destes equi-pamentos no próximo ciclo do PAR.

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Capítulo 6

Conclusões

O constante crescimento do Sistema Elétrico Brasileiro eleva os níveis de curto-circuito nas subestações, podendo acarretar a superação de equipamentos instaladosna rede.

O presente trabalho apresentou as medidas mais usuais com intuito de reduzirníveis de curto-circuito evidenciando vantagens e desvantagens de suas aplicações,assim como sua utilização nas instalações do SEB.

No estudo de caso, utilizou-se a metodologia para análise de superação de dis-juntores por corrente de interrupção simétrica apresentada no capítulo 3. Assim,foram identificadas diversas subestações com problemas de superação no horizontede estudo, mostrando que é necessário um estudo detalhado desta área para en-contrar uma solução. As medidas apresentadas no capítulo 5 foram aplicadas nestecaso para que pudesse ser feita uma análise individual quanto à eficácia de cada umadelas.

Após as análises individuais foi feita uma proposta que consistiu em aplicaruma série de medidas para redução de níveis de curto-circuito em conjunto. Oobjetivo de encontrar uma solução para o problema da área Rio foi cumprido com aimplementação desta alternativa, já que, por meio de simulações, verificou-se umaredução significativa em diversas subestações da área Rio, acabando com o problemade superação em muitas delas.

Por fim, como sugestão para trabalhos futuros, indica-se a realização de estudosde superação de disjuntores por outras causas além da corrente de interrupção desimétrica, como TRT e corrente de carga. Também pode ser feito um estudo de fluxode potência para verificar o impacto das medidas adotadas para redução de correntesde curto-circuito no atendimento às cargas, perdas e sobrecarga de equipamentos.

Pode-se ainda realizar uma análise tecno-econômica, levando em consideraçãoos custos associados à implantação de cada medida mitigadora e também o estudode novas tecnologias para a limitação de curto-circuito, como supercondutores edispositivos FACTS.

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