Tensão(p.u.) Determinação do Deslocamento Angular Asso

Determinação do Deslocamento Angular Associado a Variações de Tensão de Curta Duração
L.F.W. de Souza, CEPEL, R.P. Ross, CEPEL, M.B. de Medeiros, FPLF, e L.G.V. Dallora, CMS
ENERGY
Palavras-chave— Qualidade de energia elétrica, Variação de
Tensão de Curta Duração.
I. INTRODUÇÃO
A qualidade de energia elétrica vem ganhando importância cada vez maior nos sistemas elétricos modernos. As cargas elétricas, que no passado eram predominantemente eletromecânicas, passaram a ser predominantemente eletroeletrônicas. Esta mudança de natureza das cargas tem duas características distintas. Por um lado, a produção industrial se
tornou mais eficiente, os estabelecimentos comerciais se
modernizaram e o conforto dos cidadãos aumentou. Por outro lado, os equipamentos eletroeletrônicos poluem mais as
redes elétricas e são mais sensíveis a distúrbios elétricos.
Dentre os fenômenos de qualidade de energia, as variações de tensão de curta duração (VTCD) são usualmente o
de maior importância para consumidores industriais [1].
Processos industriais, especialmente os mais modernos e
sofisticados, eventualmente sofrem paradas de produção
causadas por VTCD, gerando elevados prejuízos.
É importante o desenvolvimento de ferramentas que permitam avaliar o grau de exposição de um consumidor industrial a VTCD. Uma forma usual de se fazer isso é através de
programas de análise de curto-circuito, utilizando-se a técnica dos curtos-circuitos deslizantes [2]. A identificação da
localização e causa de curtos-circuitos também tem uma
grande importância para a operação do sistema de distribuição. A partir desta identificação, é possível definir estratégias para mitigação das causas e planejar mais adequadamente a expansão da rede.
No presente trabalho, discute-se a importância do parâmeL.F.W. de Souza trabalha no Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
([email protected]).
R.P. Ross trabalha no Centro de Pesquisas de Energia Elétrica ([email protected]).
M.B. de Medeiros trabalha na Fundação Padre Leonel Franca
([email protected]).
L.G.V. Dallora trabalha na CMS Energy ([email protected])
tro deslocamento angular em uma VTCD. Em seguida, apresentam-se métodos de cálculo e resultados obtidos em
uma campanha de monitoração. Conclui-se o trabalho avaliando-se as possibilidades de utilização deste parâmetro na
identificação e caracterização de VTCD.
II. CARACTERÍSTICAS DE UMA VARIAÇÃO DE TENSÃO DE
CURTA DURAÇÃO
Variações de tensão de curta duração (VTCD) são tipicamente causadas por curtos-circuitos nas redes elétricas. Uma
outra causa de VTCD, ainda que menos freqüente e severa, é
a partida de motores elétricos. Um consumidor industrial
pode ser submetido a uma VTCD devida a curtos-circuitos
ou partidas de motores que ocorram dentro de sua fábrica ou
em qualquer outro lugar da rede elétrica externa.
A Figura 1 mostra uma VTCD típica e os seus três parâmetros característicos usuais: tensão pré-falta, tensão durante
a falta e duração. A tensão durante a falta está associada à
localização do defeito e à topologia da rede elétrica. A duração do evento está associada ao tempo de eliminação da
falta pela proteção [3].
Vpré-falta
Vfalta
1
0.5
Tensão(p.u.)
Resumo- Este trabalho discute a importância do deslocamento
angular associado a variações de tensão de curta duração VTCD. Apresenta os conceitos básicos associados a uma VTCD
e quais os mecanismos que causam o deslocamento angular.
Analisa uma metodologia de cálculo do deslocamento e destaca
a importância da medição precisa de freqüência para este cálculo, através de resultados de simulações e medições. Conclui
mostrando as possíveis aplicações do método para determinação
da localização do defeito que originou a VTCD.
0
0.5
1
0
0.05
0.1
0.15∆t
Tempo (s)
0.2
Figura 1 – Variação de Tensão de Curta Duração Típica
A severidade da VTCD geralmente é mensurada pelos parâmetros amplitude e duração. Há diferentes formas de se
definir estes parâmetros. Neste trabalho utilizam-se as seguintes definições:
V falta
amplitude 
100 (%)
(1)
Vno min al
duração  t final  tinício (s)
(2)
onde Vfalta é a tensão eficaz mínima durante a VTCD, Vnominal
é a tensão eficaz nominal do sistema, tinício é o instante onde
a tensão eficaz ficou abaixo de 0,85 pu ou acima de 1,15 pu
e tfinal é o instante em que a tensão eficaz voltou a ficar entre
0,85 pu e 1,15 pu.
Como o principal efeito de uma VTCD é a parada de e-
quipamentos elétricos ou processos automatizados, é comumde acordo com as amplitudes e os deslocamentos angulares
traçar gráficos de amplitude vs. duração, como o da Figura
das tensões durante a falta. Os diagramas fasoriais dos qua2. Cada ponto no gráfico corresponde a uma VTCD detectatro tipos de VTCD são mostrados na Figura 3.
da no ponto de monitoração. Também é comum mostrar no
Tensões
gráfico os limites de tolerância do equipamento ou processo
pré-falta
submetido à VTCD. Na Figura 2, utilizou-se a curva da
Tensões
ITIC, típica para computadores, mas qualquer outra curva
de falta
fornecida por fabricantes ou determinada experimentalmente
poderia ser utilizada. A interpretação dos limites é que qualTipo A
Tipo B
quer VTCD localizada no interior das curvas não causa parada do equipamento ou processo. No entanto, caso uma
VTCD se localize acima do limite superior ou abaixo do
limite inferior, ocorrerá parada.
250
200
Amplitude(%)
150
100
50
VTCD
Limites da ITIC
Tipo C
Tipo D
Figura 3 – Tipos de VTCD
A associação do tipo de VTCD à natureza do curtocircuito que lhe originou não é trivial e direta. Um mesmo
curto-circuito pode gerar VTCD de tipos diferentes em locais distintos do sistema. Vários aspectos contribuem para
isto:
 caso o curto-circuito ocorra em um local do sistema
com nível de tensão diferente do ponto de interesse,
a presença de transformadores do tipo Yy, Dd, Dy ou
0
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
100
Duração (s)
Figura 2 – Amplitude vs. Duração de VTCD em uma Subestação
III. DESLOCAMENTO ANGULAR EM UMA VARIAÇÃO DE TENSÃO DE CURTA DURAÇÃO
Quando ocorre uma VTCD, além da variação na amplitude da tensão eficaz, também ocorre muitas vezes uma defasagem ou deslocamento angular. Na Figura 1 a curva pontilhada indica qual seria a tensão se não houvesse uma VTCD.
Percebe-se claramente que além da tensão ter afundado, ela
também se deslocou, ficando atrasada em relação à tensão
original.
O deslocamento angular em uma VTCD dependerá do tipo e localização do curto-circuito que lhe originou. Basicamente dois fenômenos distintos estão associados a este deslocamento:
 a corrente que percorre o trecho do circuito entre as
fontes e o ponto do curto-circuito terá um novo ângulo de fase dependente da relação X/R dos cabos e
da resistência de falta. Conseqüentemente, as tensões
no sistema terão novos ângulos de fase durante o
curto-circuito;
 os transformadores, dependendo de sua ligação, podem filtrar componentes de seqüência zero de curtos
o
desequilibrados [4] e inserir uma defasagem de 30 ,
causando deslocamento angular entre as tensões nos
lados primário e secundário.
Bollen [5][6] sistematizou o estudo de VTCD considerando
não só a variação dos valores eficazes das tensões envolvidas, mas também os deslocamentos angulares que ocorrem.
Em seu estudo, ele define quatro tipos diferentes de VTCD,
Yd mudará o tipo de VTCD;
 em um mesmo ponto do sistema, uma carga conectada entre fase e neutro experimentará uma VTCD de
tipo diferente de uma carga conectada entre fase e
fase;
 por motivo igual ao do item anterior, um sistema de
monitoração alimentado por TP’s ligados entre fase e
neutro detectará uma VTCD de tipo diferente de sistemas de monitoração alimentados por TP’s ligados
em V.
A exceção é um curto-circuito trifásico, que sempre gerará VTCD do tipo A para qualquer das situações aqui descritas. Apenas a título de exemplo, uma carga ligada entre fase
e neutro em um sistema sem transformadores, sofrerá uma
VTCD do tipo A para curtos trifásicos, do tipo B para curtos
monofásicos e do tipo C para curtos fase-fase.
Tal como acontece para a amplitude, o valor do deslocamento angular também pode variar em função da localização
da falta [5].
IV. ANÁLISE DE DADOS DE MEDIÇÃO
A. Campanha de monitoração de qualidade de energia
Com o objetivo principal de obter dados práticos de
VTCD, foi realizada uma campanha de monitoração da qualidade da energia elétrica no sistema de distribuição da
Companhia Paulista de Energia Elétrica – CPEE. A CPEE é
responsável por fornecer energia elétrica para as cidades de
São José do Rio Pardo, Casa Branca e mais cinco municípios adjacentes, localizados no estado de São Paulo.
A rede elétrica da CPEE opera em níveis de tensão primária de distribuição de 11,4 kV e de subtransmissão de
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