QE -AULA 2

Universidade Tecnológica Federal do Paraná
ET55B – Aplicações de Qualidade de Energia - 2012
Segunda aula prática
Prof. Walter D. Cruz Sanchez
EXERCÍCIO 2 – ANÁLISE DE AFUNDAMENTOS DE
TENSÃO PARTE 1
1. Objetivo
- Demonstrar um entendimento sobre os vários tipos de distúrbios da tensão
nas redes elétricas de distribuição que podem afetar a operação de um
equipamento elétrico sensível.
- Determinar porque os afundamentos têm a mais alta freqüência de ocorrência
que os surtos, interrupções e sobre tensões.
- Calcular os afundamentos de tensão devido a uma falha em um alimentador
em diferentes pontos de localização de uma falha.
1.1 Generalidades
Conforme leitura do capítulo 4, seções de 4.4 a 4.5, IEEE Std 1100-1999
[4], existe 04 níveis de distúrbios de tensão que podem causar o mau
funcionamento de um equipamento eletrônico sensível. Existe na literatura
artigos para os dados monitorados em alimentadores elétricos que alimentam
redes de computadores, ver [1,2]. Esses procedimentos identificaram os
afundamentos de tensão conforme a freqüência de ocorrência, ver a tabela 1.
TABELA 1 – PORCENTAJE DE DISTURBIOS NOS SISTEMAS
ELÉTRICOS
Categoria
Afundamentos
de tensão
Surtos
Interrupções
Sobretensões
Porcentagem de distúrbios
62%
21%
14%
2%
Os resultados de outro programa de monitoramento [3] revelaram que
somente os afundamentos de tensão e interrupções poderiam estar
relacionados com as paradas de computadores, os distúrbios foram
comparados com a tensão de alimentação da concessionária. O informe de
paradas fue como segue, ver a tabela 2:
TABELA 2 – PORCENTAGEM DE PARADAS
Devido a afundamentos de
tensão
Devido a Interrupções
Parada de computadores
80%
20%
É interessante observar que o 100% das paradas de computadores
poderia desencadear em um evento de surto ou afundamento de tensão. Uma
explicação é que os eventos associados com as paradas de computadores não
necessariamente ocorreram no momento do evento a ser gravado. Outra
explicação é que o equipamento pode ter sido adequadamente protegido de
surtos e que afundamentos de tensão de longa duração ocorreram de forma
esporádica, evento que não conduziria a una parada. Podem surgir outras
explicações como a dos fabricantes de computadores, que dizem que esses
equipamentos operam de forma segura já que possuem elementos de proteção
contra surtos.
-
Os afundamentos de tensão podem ser causados por curto-circuitos e
correntes de partida (correntes inrush) de motores grandes, filtros de
línea e fontes de alimentação de potencia. Em todos os casos o
afundamento de tensão é causado pelo incremento da queda de tensão
como resultado do incremento da corrente.
-
Os surtos se produzem devido ao chaveamento de interruptores de
capacitores, descargas elétricas a terra associados com a perda em
conexões o falhas a terra, descargas atmosféricas e descarga estática.
-
Os circuitos transportando sinais são susceptíveis a interferência de
surtos por condução, acoplamento indutivo ou capacitivo y radiação
eletromagnética.
-
A operação de computadores com perturbações de afundamentos de
tensão é quatro vezes mais freqüente que as interrupções.
-
Conforme a referência [2] os problemas com redes de computadores
são freqüentes no caso de:
Surtos maiores que 200 V;
Afundamento de tensão maior que -20% do valor nominal
Sobre tensões maiores que o +10% do valor nominal
2. Cálculo dos afundamentos de tensão nos alimentadores das
concessionárias
Desde que os afundamentos de tensão contribuem de forma
significativa na parada de equipamento sensível (computadores, conversores
de freqüência, etc.). Assim, se deve dar um enfoque de análise de técnicas que
permitem quantificar a magnitude do afundamento resultante como
conseqüência de una falha trifásica ao longo de um alimentador de distribuição
e em alimentadores adjacentes. Na figura é mostrado um esquema de uma
subestação de 13.8 kV com 4 alimentadores com uma falha trifásicos no
alimentador 1 a una falha de x km da subestação. Cada alimentador alimenta
2000 consumidores, assim a subestação alimenta 8000 consumidores (7 são
mostrados na figura 1).
Figura 1. Curto-circuito trifásico no alimentador 1 a uma falha de x km da barra
de 13.8 kV da subestação.
2.1 Curto-circuito trifásico no alimentador 1
Supondo que o local da falha é a 3 km da subestação (operando a 13.8 kV,
todas as tensões em cada fase são idênticas).
Cálculo da tensão:
-
No ponto de falha
-
Entre o ponto de falha e o extremo do alimentador
-
Entre a subestação e o ponto de falha
-
Em qualquer ponto ao longo dos alimentadores 2, 3 e 4.
Com:
Z  l.z
Onde:
l- é o comprimento do alimentador em km
z--- é a impedância em  / km
A corrente de curto-circuito na barra de 13.8 kV da subestação é
I sc
em A.
A corrente da carga não é tomada em conta na análise.
Desde que o circuito e a falha são balanceados, é somente necessário analisar
uma fase. Em circuitos trifásicos balanceados, as tensões e correntes numa
fase têm as mesmas magnitudes como nas outras duas fases, apenas é
diferente nos ângulos de fase, mas é fixado em 120° o ângulo entre as fases.
Selecionado a fase “a”, ver a figura 2.
Figura 2. Circuito monofásico do alimentador 1 com uma falha trifásica
localizada a x km do barramento da subestação.
No circuito temos:
E
X s  z. x
Onde:
E é a tensão fase-neutro = 13.8/ 3
zx  é a impedância total do alimentador no ponto de falha.
X s  é a impedância de curto-circuito do sistema no barramento de 13.8 kV,
I cc 
X s  X s 90
Se o curto-circuito fosse no barramento de 13.8 kV, o circuito seria como
mostrado na figura 3. .
Figura 3 Circuito monofásico do alimentador 1 com uma falha trifásica
localizada no barramento da subestação.
No circuito temos:
E
Xs
A tensão no ponto de falha é Vf = 0.0 V
La tensão desde o ponto de falha até o extremo do alimentador é também
zero.
I cc 
A una falha de y km da subestação, ver a figura 4, a tensão Vy é:
Figura 4 Circuito monofásico do alimentador 1 com uma falha trifásica
localizada a uma falha de x km da barra da subestação. Vy é a tensão fase
neutro a y km do barramento da subestação.
O perfil da tensão é mostrado na figura 5.
Figura 5 Perfil da tensão para uma falha trifásica a x km do barramento da
subestação.
A tensão para todos os consumidores nos alimentadores 2, 3 e 4 é a mesma
como na barra da subestação (y = 0.0). Esta afirmação é correta já que não
conduzem a corrente de falha. A tensão na barra da subestação é:
Vbarra  I cc ( z )( x)
3. Questionário
1 Da tabela 4-2 [4], para um sistema de três condutores de 120/240 V e para a
faixa de tensão A:
a) Qual é a máxima tensão permitida de utilização e serviço?
b) O valor mínimo da tensão de serviço?
c) O valor mínimo da tensão de utilização?
2 Da tabela 4-3 [4], para a sobre tensão e sub tensão:
a) Qual é a faixa típica das fontes de potencia?
b) Qual é a imunidade típica das cargas eletrônicas?
3 Quais são os níveis de surtos, afundamentos de tensão e sobre tensões que
são esperados para causar problemas em redes de computadores?
4 Quais são os níveis de surtos, afundamentos de tensão e sobre tensões que
são esperados para causar problemas em redes industriais?
5 Qual é a causa do maior número de perturbações por sub tensão?
6 Com os parâmetros da figura 1.
z = 0.279 + j.0.633 Ω/km
x = 2 km
Icc = 24 kA
Determinar (supondo um sistema trifásico com um curto-circuito a 2 km da
subestação):
a)
b)
c)
d)
A tensão no ponto de falha.
A tensão desde o ponto de falha ao extremo final do alimentador.
A tensão a um km da subestação
Quão perto da subestação deve estar una falha para que resulte em um
30% de afundamento de tensão na barra?
e) Para a falha determinada en d), qual é o nível de tensão nos outros três
alimentadores.
6 Da tabela 9 [4], qual é o valor da amplitude da tensão (eficaz) em relação à
tensão de referência para: a variação momentânea de tensão e a variação
temporária da tensão:
a) A variação momentânea de tensão
c) variação temporária da tensão
d) O valor mínimo da tensão de utilização?
7 Da tabela 1 do Anexo I [13], faixas de classificação de tensões de regime
permanente:
a) Qual é a faixa da tensão de atendimento adequada para valores
nominais de tensão de 220/127 V?
b) Qual é a faixa da tensão de atendimento precária para valores nominais
de tensão de 254/127 V?
c) Qual é a faixa da tensão de atendimento crítica para valores nominais de
tensão de 220/127 V?