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IX SIMPÓSIO DE ESPECIALISTAS EM PLANEJAMENTO
DA OPERAÇÃO E EXPANSÃO ELÉTRICA
2
IX SYMPOSIUM OF SPECIALISTS IN ELECTRIC
OPERATIONAL AND EXPANSION PLANNING
IX SEPOPE
SP–138
23 a 27 de maio de 2004
th
rd
May, 23 to 27 – 2004
Rio de Janeiro (RJ) – Brasil
Identificação do Sistema de Origem das Variações de Tensão de Curta
Duração Utilizando a Teoria de Área de Vulnerabilidade Através de
Simulação Digital
Ricardo José Correia da Silva1*, Manoel Afonso de Carvalho1, Antonio Samuel Neto 1,
Silvana Cavalcanti de Melo 1, José Júlio Leitão 2
1
Departamento de Engenharia Elétrica e Sistemas de Potência,
Universidade Federal de Pernambuco
2
Companhia Hidrelétrica do São Francisco – CHESF
Recife, PE
Brazil
artigo promove os resultados
suprimento dos consumidores. Principalmente
Resumo - Este
proveniente
do
projeto
realizado
entre
a
Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) e a
Companhia Hidro Elétrica do São Francisco
(Chesf), ao qual teve como objetivo usar a teoria
sobre Área de Vulnerabilidade, para a identificação
do sistema em que ocorreu um curto-circuito,
originando assim uma Variação de Tensão de Curta
Duração (VTCD). A idéia principal consiste em
utilizar um programa computacional para gerar um
banco de dados que forneça a informação sobre
qual provável região se localiza o curto para um
determinado nível de tensão de curto-circuito.
PALAVRAS-CHAVE
Área de Vulnerabilidade, variação de tensão de
curta duração, qualidade de energia elétrica.
1.
INTRODUÇÃO
Com o grande avanço da eletrônica de potência nos
últimos anos, a concepção das cargas utilizadas
começaram a ter um novo enfoque. Através dos
microprocessadores, conversores, fonte chaveadas,
dimmers, reatores eletrônicos, dentre outros; as
cargas atuais se apresentam de forma mais sensível
as VTCD, resultado em sua maioria, por um curtocircuito terminal ou remoto.
Portanto o enfoque na Qualidade de Energia Elétrica
(QEE) torna-se um importante fator com relação ao
*UFPE – CTG – DEESP-LDSP
Av. Acadêmico Hélio Ramos, s/n – Cidade Universitária
CEP: 50740-530 – Recife – PE – Telefone/Fax: (81) 3271.8739
no
que se trata aos prejuízos econômicos. Nesse
sentido, diversos são os estudos com o objetivo de
identificar prováveis processos de melhora da QEE,
tanto por parte de transmissão, como no ponto de
consumo.
Porém no que se diz respeito ao conhecimento
sobre a propagação das Variações de Tensão de
Curta Duração ao longo dos diversos sistemas
elétricos interligados e mais especificamente de
onde ocorreu o curto-circuito causador da VTCD tem
tido poucos estudos. Mesmo com equipamentos
avançados de monitoração, e com a automação da
informação entre as diversas Subestações de um
Sistema Elétrico, as empresas responsáveis pela
Transmissão e Distribuição, em certos casos, se
depara com atuações da proteção cujas as causas
são indeterminadas. Nesse sentido, a Chesf
realizou, em trabalho conjunto com UFPE, um
projeto que viabilizasse a identificação em qual
região tinha se originado uma falta a qual tenha
sensibilizado seu sistema. O objetivo principal foi
desenvolver uma metodologia para conhecimento de
qual sistema a falta teria se originado.
2.
ÁREA DE VULNERABILIDADE
Qualidade de Energia Elétrica pode ser definida
como a ausência relativa de variações de tensão,
particularmente a ausência de desligamentos,
flutuação de tensão, surtos e harmônicos, medidos
no ponto de entrega de energia. Porém quando
olhamos o problema sob o ponto de vista do
consumidor, energia elétrica de boa qualidade, é
aquela que garante o funcionamento contínuo,
seguro e adequado dos equipamentos elétricos e
processos associados, sem afetar o meio ambiente
e o bem estar das pessoas [2].
referência, abaixo do patamar considerado [1]. Para
cada tipo de defeito pode ser obtida uma Área de
Vulnerabilidade. Assim, quando tratamos de uma
AV, estamos nos referindo a um certo barramento, a
um certo patamar de tensão e a um determinado
tipo de defeito..
As variações de tensão de curta duração são
provenientes de distúrbios com causas as mais
variáveis possíveis: curtos-circuitos na rede elétrica
das concessionárias ou do próprio consumidor,
partida
de
grandes
cargas,
transitórios
eletromecânicos associados a oscilações entre
geradores
e
transitórios
eletromagnéticos
associados
a
descargas
atmosféricas
ou
chaveamentos (energização / desenergização) de
equipamentos da rede elétrica. Porém, os curtoscircuitos são a causa mais freqüente e importante
das variações.
Em um sistema elétrico trifásico, as tensões em
qualquer
ponto
deveriam
ser,
em
regime
permanente, perfeitamente senoidais, equilibradas,
e com amplitudes e freqüência constantes. Qualquer
desvio, acima de certos limites, na característica
desses parâmetros pode ser considerado como uma
perda da qualidade de energia. Em outras palavras,
existe um problema de QEE sempre que ocorre um
desvio na forma de onda da tensão de alimentação.
Os curtos-circuitos resultam, de forma geral, em
afundamentos de tensão nas fases envolvidas e em
algumas situações, dependendo do grau de
aterramento do sistema envolvido, em elevação de
tensão nas fases não envolvidas. A duração do
fenômeno depende do tempo de atuação da
proteção encarregados de isolar o trecho em falta.
A forma mais simples de se caracterizar uma
variação momentânea é através da magnitude e
duração do evento, segundo definições já bem
conhecidas que já foram incorporadas nos
procedimentos de rede [3]. Existe, entretanto, um
reconhecimento de que esta forma simples deve ser
aperfeiçoada para acomodar situações onde os
valores RMS de tensão apresentam formas bastante
distintas das usuais em formato de “U”, para as
quais a duração e a magnitude da VTCD é bem
definida.
Neste
sentido
podemos
definir
Área
de
Vulnerabilidade (AV) [1], [4] e [5] como a área
associada a um barramento de referência e a um
certo patamar de tensão que representa a área
geográfica do sistema elétrico dentro da qual, a
ocorrência de defeitos resulta em valores de tensão
(em qualquer das fases) no barramento de
Figura 1 - Exemplo de Área de Vulnerabilidade
Com o resultado das simulações é possível
estabelecer uma estimação do estado do sistema
elétrico (níveis de tensão residuais) relativos a todos
os tipos de curto-circuito ao longo de todo o sistema
elétrico. Desta forma é possível mapear toda a rede
elétrica em função do tipo e local do curto,
calculando-se a VTCD vista de um ponto de
monitoração.
A superposição das áreas de vulnerabilidade, como
mostrado na figura 1, para diversos pontos de
monitoração permite uma estimação do local da
rede em que o curto-circuito deve ter ocorrido. Ou
seja, tomando-se uma área decorrente da
intercessão de dois sistemas que apresentam o
mesmo nível de tensão residual, para uma VTCD de
mesma característica (tipo de curto-circuito:
monofásico, bifásico e trifásico), pode-se perceber
quais são os pontos do sistema elétrico em que a
ocorrência
de
curtos-circuitos,
de
mesma
característica, faz com que a tensão na barra de
referência, situe-se dentro dos limites estabelecidos
pelo estudo. Generalizando-se este método, para
uma quantidade de áreas maiores, levando-se em
consideração todos os tipos de falta, podemos
estimar a região em que ocorreu o curto-circuito.
Assim podemos verificar quais foram os possíveis
pontos que causaram uma falta, em determinada
barra de referência, e que se encontram abaixo do
patamar de tensão considerado dentre os pontos do
sistema Chesf. Além do mais, para uma dada
pesquisa pode-se utilizar a rede de qualimetria da
2
própria companhia, reconhecida pela sua dimensão
e automatização, para concretizar as informações
fornecidas pela analise teórica. Comprovando se
dentre as opções, quais foram as que realmente
sensibilizaram os equipamentos do sistema e assim
saber se a falta ocorreu dentro do sistema da Chesf.
Este procedimento representa uma estimativa
conservadora, pois não considera os efeitos de
decaimento lento da tensão, nem as tolerâncias de
tempo da carga sensível, como indicado, por
exemplo, nas curvas CBEMA ou ITIC. Por outro
lado, a não consideração das falhas em
equipamentos de subestações, pode levar a
resultados falsamente otimistas. Apesar disto, esta é
uma prática comum uma vez que as falhas em
equipamentos são bem menos freqüentes do que
em linhas.
3.
que o curto realizado era sempre franco. De modo
que estas características devem ser levadas em
consideração ao se interpretar o resultado de uma
busca. Entretanto, na prática esta características
não tiram qualquer precisão de análise, do contrário,
estabelece um limite máximo de referência para
comparação com o valor registrado em campo.
TRABALHO REALIZADO
No trabalho realizado pela UFPE, foi desenvolvido
um conjunto de procedimentos adotados a fazer o
monitoramento nas barras de interesse, para se ter
conhecimento de como elas são afetada pelos
curtos-circuitos nas demais linhas e barras do
sistema Chesf e de determinadas Concessionárias,
que neste estudo, são constituídas principalmente
pela rede da região metropolitana das capitais que
fazem parte da Chesf.
Um dos principais motivos deste estudo e da
elaboração do banco de dados deve-se a uma série
de ocorrências nas barras em análise, as quais não
se estava identificado em qual sistema tinha
ocorrido. Pode-se considerar como principais
motivos desse fato, em quase sua totalidade, por
conta de faltas ocorridas fora do sistema da
companhia, ou por conta de curtos rápidos. Este
estudo torna possível obter a região onde se
originou o defeito, o qual pode ocorrer no sistema
CHESF ou na rede da Concessionária. Esta
situação surge com maior freqüência nas
subestações que alimentam as concessionárias na
região metropolitana, por este motivo é que foram
escolhidas as seguintes subestações do sistema da
Chesf para análise: Matatu, Rio Largo II, Fortaleza,
Teresina, Bongi, Natal II, Mussuré II e Jardim.
Foi elaborado um banco de dados para auxiliar na
busca da origem do defeito ocorrido através do
cruzamento de informações retiradas do sistema no
instante do defeito, por exemplo, a hora da
ocorrência e o nível de tensão residual na barra.
Vale a pena salientar que nas simulações
realizadas, levou-se sempre em consideração o
caso mais severo, seja para o curto-circuito
monofásico, bifásico, bifásico-terra ou trifásico, e
Figura 2 - Fluxograma do processo realizado
Foram feitas as simulações dos casos de curtocircuito monofásico, bifásico, bifásico-terra e trifásico
nas barras de 230kV e 69kV nas subestações
citadas acima, e para cada curto-circuito no sistema
foi verificada a influência em cada barra de
interesse. Os curtos foram simulados em dez
segmentos de cada linha de transmissão do
sistema, inclusive nas barras, usando o programa
Anaquali, desenvolvido pelo CEPEL, que utiliza para
execução dos cálculos o programa Anafas.
Neste processo foi usado um arquivo com os dados
do
sistema
Chesf
que
posteriormente
foi
incrementado com os dados típicos do sistema de
69 kV, levando-se em consideração a topologia do
sistema das Concessionárias, localizadas na região
metropolitana e alimentadas pelas barras de 69kV
das subestações citadas. Basicamente estes
arquivos são constituídos de “cartões” que se
destinam a conter seqüências, sejam elas dos
números, ou códigos de cada barra , origem e
destino de cada barra, impedâncias de seqüência
das linhas e defasamentos dos transformadores.
3
Após a geração de um arquivo de dados com
correntes de curto-circuito e tensões pós-falta nos
barramentos e ao longo das linhas de transmissão,
foi realizado o processamento desses dados com a
finalidade de reduzir a quantidade de dados apenas
ao que era de interesse do estudo (tensões pós-falta
abaixo de 0,9 pu, correspondentes a afundamentos
maiores que 10%, e sem considerar elevação de
tensão). O processo consistia em converter os
arquivo de dados a uma planilha de dados para uso
no programa Excel, da Microsoft. O cronograma
desse processo é detalhado na figura 2.
Para um melhor detalhamento das informações
fornecidas, o resultado era apresentado em forma
de um gráfico, ao qual continha as principais
informações para a analise. Os gráficos têm a
função de dar uma idéia visual dos efeitos de cada
curto em determinada barra de interesse. Para a
elaboração
dos
gráficos
foram
adotadas
características que são bem visíveis na figura 3,
onde temos um exemplo de um dos gráficos obtidos.
Para que fosse facilitada a leitura dos efeitos na
barra de interesse os gráficos foram elaborados com
um padrão de cores para cada faixa de tensão
residual que será descrito à seguir:
§
90% a 100% - Azul
§
80% a 90% - Azul-Céu
§
60% a 80% - Verde
§
40% a 60% - Amarelo
§
20% a 40% - Vermelho
4.
§
10% a 20% - Violeta
§
0% a 10% - Preto
PROGRAMA DESENVOLVIDO
Com a realização dos curtos-circuitos no sistema da
Chesf juntamente com as primeiras subestações das
Concessionárias ligadas a mesma, foi elaborado um
banco de dados, ao qual foi agrupado em M.S.
Access. Sendo assim, foi desenvolvido um programa
em M.S. Access denominado “A.I.VTCD”, cuja
finalidade é localizar defeitos independentes de sua
origem em todo o sistema Chesf e nos barramentos
de 69kV das subestações das áreas metropolitanas
de Salvador, Aracaju, Maceió, Recife, João Pessoa,
Natal, Fortaleza e Teresina e as regionais das
Concessionárias derivadas destes barramentos, a
partir de uma faixa de tensões, para as fases A, B e
C, na barra de interesse.
O programa é constituindo basicamente de três
formulários. O formulário de abertura apresenta as
seguintes opções: “Analisar Subestação”, na qual
todo o estudo é realizado, e “Cadastrar Subestação”,
possibilitando a inserção de uma nova subestação
para a analise.
O segundo formulário (Localizador de Faltas), que é
acessado através da opção “Analisar Subestação”, é
a parte mais importante do programa, no qual será
feita toda a análise, baseada em intervalos de
tensões, para as três fases, na barra de interesse.
Figura 3 - Gráfico do perfil de tensão
4
Na figura 4 é apresentado a tela do formulário do
Localizador de Faltas. Os seus principais tópicos,
de acordo com a figura 4, são:
1- Seleciona a barra de interesse.
11- Seleciona-se o número de pesquisas para a
interseção.
12- Fornece o resultado da interseção de dados.
13- Mostra as barra armazenadas.
2- Selecionar o nível de tensão da barra de
interesse.
3- Insere o intervalo de tensões em estudo, fases
A, B e C, da barra de interesse.
4- Este ícone nos dá o resultado da pesquisa, a
qual pode ser vista no tópico em 5. O resultado
será todos os possíveis curtos-circuitos que
levariam a barra de interesse para as tensões
informadas no item 3.
5- Neste espaço é mostrado o resultado da
pesquisa.
6- Informa a quantidade de ocorrências.
7- Mostra a tensão na barra de interesse, nas
fases A, B e C, para o defeito mostrado no
tópico 5.
8- Com este ícone é possível selecionarmos, para
a impressão, apenas alguns resultados da
pesquisa.
14- Visualização da impressão
15- Imprime apenas os casos selecionados em 8.
16- Salva em arquivo (tipo documento)
17- Sai do banco de dados.
18- Informa
o
percentual
de
possibilidade
pertencente a Chesf e a Concessionária.
No segundo formulário o usuário indica qual a barra
de referência que se deseja estudar a Área de
Vulnerabilidade, indicando qual a subestação e o
seu respectivo nível de tensão. Além do mais é de
fundamental importância que o usuário ao cadastrar
os limites de tensão, para o estudo, forneça um
intervalo confiável, porém em uma faixa restrita,
com um pequeno desvio com relação a um valor
desejado. Isso irá fazer com que o número de
informação seja reduzido, consequentemente a
analise é facilitada e o processo se torna mais
eficiente.
9- Percorrer todos os resultados da pesquisa.
10- Armazena o resultado da pesquisa para futura
interseção de dados.
Figura 4 - Programa A.I.VTCD
5
Além do mais, o segundo formulário também
fornece a possibilidade de uma consulta estatística,
onde pode-se verificar dentre todas as opções
encontradas em uma dada busca, qual o percentual
das alternativas que corresponde ao sistema da
CHESF e qual o percentual que se originou fora do
mesmo.
O terceiro formulário (Interseção), é acessado
através da opção “Interseção dos Dados” do
segundo formulário. Esse formulário é resultado da
possibilidade de verificar a interseção das AV de
duas até quatro barras de referência.
A tela apresenta todos os possíveis pontos que
causam
uma
VTCD,
dentro
dos
limites
considerados no formulário dois, e que atingiu as
barras de referência selecionadas. Isso nos dá um
estudo mais completo, no qual podemos visualizar
o reflexo de um determinado curto-circuito em duas
ou mais barras ao mesmo tempo.
5.
CONCLUSÃO
6.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] A.lvaro J. P. Ramos – “Avaliação da Qualidade
da Energia Elétrica – Estado da Arte e Proposição
de Indicadores” – Relatório Final 3 para a ANEEL –
Set. 2000;
[2] Bronzeado H.S., Á. J. P. Ramos, J. C. de
Oliveira, J. P. G. de Abreu, A. A. C. Arruda, A. C.
Brandão– “Uma Proposta de Nomeclatura Nacional
de Termos e Definições” –– II SBQEE – 1997-1;
[3] Procedimentos de Rede, submódulo 2.8
“Gerência dos Indicadores de Desempenho da
Rede Básica”, ONS, Fev. 2003;
[4] Ricardo Penido Ross, Tatiana M. L. Assis, Raul
B. Sollero, Antonio G. G. Lima – “Análise de
Afundamentos de Tensão” – III SBQEE – Outubro
1999;
[5] Ricardo Penido Ross, Antonio G. G. Lima, Raul
B. Sollero, Luiz Felipe W. de Souza –
“Afundamentos de Tensão de Curta Duração –
Análise Através da Área de Vulnerabilidade” – III
CONLADIS – Setembro 1998;
O projeto desenvolvido teve como resultado
possibilitar
a Chesf a identificar as possíveis
regiões onde uma determinada falta tenha ocorrido
e que tenha de alguma forma sensibilizado seu
sistema. Para isso foi feito a monitoração de
determinadas barra de interesse, através da
simulação de curtos-circuitos no sistema Chesf e na
regional de certas distribuidoras.
Tendo em mãos o resultado destes curtos, foi
possível obtermos gráficos que indicam a tensão
residual nas barras de interesse, ao qual
juntamente com a rede de qualimetria da empresa,
é possível verificar as informações e chegar a
conclusão de qual região se originou a falta. Além
do mais, foi elaborado um banco de dados, que
posteriormente foi transformado em programa, que
tornou mais rápida e precisa a localização de curtos
não identificados pelo sistema Chesf.
Esperamos que num futuro próximo possamos
expandir o estudo, incluindo todos os barramentos
Chesf que têm cargas diretamente conectadas com
instrumentos de monitoração de afundamentos de
tensão, juntamente com a atualização dos dados
reais do sistema das Concessionárias. Além de ter
um sistema de automatização de captação dos
níveis de tensão e, com isto, obter a localização e o
tipo do curto-circuito de maneira rápida e precisa
em tempo real.
6