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6º Seminário de Iniciação Científica
Goiânia, de 29 de agosto a 01 de setembro de 2012
ESTUDO DE UMA REDE PARCIAL DO SISTEMA DE
DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA: ANÁLISE DE CURTOCIRCUITO, PROTEÇÃO E ALOCAÇÃO DE BANCO DE
CAPACITORES
Resumo: O setor elétrico é um dos pilares do desenvolvimento e esta
responsabilidade exige do mesmo o fornecimento de energia dentro dos padrões de
continuidade, qualidade e economicidade. Com vistas a estes padrões, se fez
importante o estudo dos critérios de dimensionamento das redes de distribuição com
a alocação dos dispositivos de proteção e correção da energia reativa da rede. Com
base nos dados de um circuito de rede de distribuição do município de Jataí
processados através do cálculo do fluxo de potência, foi possível rever o
dimensionamento de toda a rede, incluindo dispositivos de proteção e alocação de
banco de capacitores. Todo o processamento dos cálculos de fluxo de potência foi
realizado utilizando um script no software MatLab. Através dos dados processados
foi possível verificar se os condutores utilizados no circuito estão adequados ao
respectivo fluxo de potência, se a proteção está alocada e dimensionada de forma
seletiva e coordenada e se é necessária à instalação de banco de capacitores para
correção da energia reativa da rede. Através dos resultados obtidos é possível uma
discussão junto à concessionária sobre as divergências constatadas com relação ao
dimensionamento dos condutores da rede e as mudanças na proteção que trariam
melhores índices de continuidade e por consequência melhoras na operação da
rede. Além de abrir uma discussão sobre a necessidade de instalação de banco de
capacitores no circuito em questão, visto que a atual configuração não contempla
nenhum desses dispositivos em operação.
Palavras-chave: Redes de Distribuição de Energia Elétrica. Cálculo do Fluxo de
Potência. Cálculo de Curto-Circuito. Coordenação da Proteção. Alocação de Banco
de Capacitores.
Introdução
O setor elétrico é um propulsor do desenvolvimento. O fornecimento de
energia elétrica é um ponto fundamental a qualidade de vida das pessoas. Dentro do
contexto do setor elétrico o sistema de distribuição é responsável pela conexão da
grande maioria dos consumidores ao fornecimento de energia elétrica.
Devido a sua importância o sistema de distribuição deve garantir elevados
índices de qualidade. De forma a distribuir energia de qualidade, ininterrupta e
barata aos consumidores, e de forma viável a distribuidora.
Dentre os principais problemas encontrados na distribuição estão as perdas
nas redes de distribuição e a falta de seletividade e coordenação nos dispositivos de
proteção. As perdas nas redes geralmente são causadas pelo errôneo
dimensionamento dos condutores que geralmente é pensado apenas na
implantação da rede, e com o acréscimo de cargas atendidas pela rede ou ainda
pela potência reativa que circula na rede passa a ser subdimensionado. Esses
problemas acabam por diminuir a qualidade de energia distribuída, fornecendo
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assim energia com péssimo fator de potência e elevados índices de queda de
tensão. Várias são as medidas corretivas a estes efeitos, como a alteração do TAP
dos transformadores, a troca de alguns alimentadores entre outras medidas, porém
essas medidas são ineficientes ou muito onerosas a distribuidora. Outras soluções
podem ser encontradas realizando cálculos de fluxo de potência com mais precisão
para se encontrar o real fluxo de potência dos condutores e a quantidade de energia
reativa circulante. Assim é possível redimensionar os condutores e corrigir a energia
reativa em pontos estratégicos da rede.
O trabalho buscou desenvolver um algoritmo no software de cálculo MatLab
com os dados do circuito da cidade, de forma a verificar o fluxo de potência da rede,
suas respectivas correntes de curto-circuito e a quantidade de enérgica reativa
presente na rede. De forma a rever o dimensionamento dos materiais utilizados,
para melhorar as condições de operação, tornando-a mais eficaz e confiável, além
de buscar meios de melhorar a continuidade e a qualidade do fornecimento de
energia.
Para o fluxo de potência foi desenvolvido um algoritmo baseado no método
da soma das potências desenvolvido por Cespedes, onde é considerado um circuito
elétrico equivalente e trabalhando apenas com magnitudes de tensão. Se mostrou
um método simples para sistemas radiais e com ótima convergência. Para um
sistema de distribuição radial trifásico o circuito equivalente apresenta as
impedâncias da rede e as cargas conectadas a ela, podendo ser transformadores ou
banco de capacitores.
Para o cálculo do fluxo de carga é necessário resolver a seguinte equação
básica para cada ramo:
Vr^4 + [ 2 * (PR + QX) * Vs^2 ] * Vr^2 + (P^2 + Q^2) * (R^2 + X^2) = 0 (1)
Onde:
r: lado da carga
s: lado da fonte
Vs: fonte de magnitude de tensão do lado da fonte
Vr: fonte de magnitude de tensão do lado da carga
P, Q: carga ativa e reativa, respectivamente, calculado de acordo as
seguintes equações:
P = P0 * V (2)
Q = Q0 * V (3)
R, X: resistência e reatância do ramo, respectivamente.
Para cálculo das perdas ativas (Lp) e perdas reativas (Lq), temos as
seguintes equações:
Lp = R * (P^2 + Q^2) / Vr ^2 (4)
Lq = X * (P^2 + Q^2) / Vr ^2 (5)
Todas as grandezas são representadas em p.u. visando a simplificação dos
cálculos.
Neste método a tensão é recalculada até o momento em a diferença entre a
tensão calculada e a tensão calculada na iteração anterior seja inferior ao erro
estipulado no programa. Por fim o programa apresenta as tensões em cada ramo,
de forma a possibilitar o cálculo de corrente e o fator de potência.
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Para o cálculo das correntes de curto-circuito foi utilizado o método das
componentes simétricas descritas pela bibliografia do professor Robba, onde as
componentes podem ser decompostas em de sequência zero, positiva e negativa.
Para o cálculo da corrente de curto circuito são utilizadas as seguintes
equações:
Para falta fase-terra:
I = ( 3 * V) / (Z (sequência zero)+(2 * Z ( sequência positiva e negativa))) (6)
Para falta bifásica:
I = (-√3 * i * V) / (2 * Z( sequência positiva e negativa)) (7)
Para falta trifásica:
I = V / Z (sequência positiva e negativa) (8)
Tendo estes dados processados foi possível alocar os dispositivos de
proteção de forma que a atuação seja coordenada e seletiva. Também foi possível
saber a quantidade de energia reativa na rede de forma a dimensionar os bancos de
capacitores para a respectiva compensação.
Objetivos
Estudar o dimensionamento dos condutores da rede de distribuição e a
alocação dos dispositivos de proteção e de correção de energia reativa com a
finalidade de, através dos dados processados, verificar as possibilidade de
aperfeiçoar ou não a estrutura física da rede de distribuição tornando-a mais
confiável e econômica.
Metodologia
Para o desenvolvimento do trabalho se fez necessário um estudo
bibliográfico sobre redes de distribuição de energia elétrica, método do cálculo do
fluxo de potência e método do cálculo de correntes de curto-circuito. Os estudos
tiveram como base material já elaborado, constituído principalmente de livros e
artigos científicos.
Após os estudos bibliográficos foi elaborado um programa no MatLab que é
capaz de calcular o fluxo de potência, as correntes de curto-circuito e a quantidade
de energia reativa na rede. Sendo que após os testes no software foram
processados dados reais fornecidos pela concessionária local.
Durante a implementação do algoritmo, foram encontradas dificuldades
quanto aos dados da concessionária visto que determinadas grandezas, como as
impedâncias da rede, tiveram que ser calculadas através de valores tabelados pela
própria concessionaria.
Com base nos valores obtidos, pelo processamento dos dados pelo
programa desenvolvido, foi possível realizar o dimensionamento dos materiais
utilizados na rede. E com este dimensionamento é possível definir estratégias de
melhorias na rede de distribuição, com vistas a melhorias na qualidade de
fornecimento.
Este software poderá ser incrementado de forma a acrescentar cálculo de
injeção de correntes harmônicas na rede, para estudo dos seus efeitos na rede, e
ainda cálculos de outras grandezas não contempladas neste projeto.
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Resultados e discussão
O desenvolvimento do projeto permitiu o desenvolvimento de um programa
eficaz para o cálculo do fluxo de potência da rede, para as correntes de curtocircuito, e para cálculo de energia reativa circulante na rede. E através de software
foi possível trabalhar com os dados de um circuito de distribuição do município de
Jataí.
Com base nos dados processados foi possível confrontar as características
da rede dimensionadas pela concessionária e as características da rede
dimensionada através dos resultados de processamento do software. De forma a
poder apresentar a concessionaria o resultado para melhorar o fornecimento de
energia.
Este trabalho abre discussão para os padrões de dimensionamento dos
materiais da rede de distribuição, visto que atualmente os materiais são
dimensionados conforme valores tabelados obtidos em condições de ensaio e não
através de cálculos da situação a ser atendida.
Conclusões
Após a realização dos estudos envolvidos para o desenvolvimento do
trabalho é possível identificar medidas na construção das redes de distribuição que
melhorem as condições da qualidade de energia, da continuidade do fornecimento e
da eficiência da operação. Assim sendo, é possível chegar a um sistema de
distribuição mais confiável e economicamente mais viável.
Agradecimentos
Ao professor orientador, que desempenhou seu papel com toda a paciência
e sempre se preocupou em buscar melhores fontes de pesquisa para adequado
andamento do projeto.
Ao servidor da CELG, pelo repasse de dados de um circuito da rede de
distribuição do município para processamento dos mesmos.
Ao IFG pela oportunidade do desenvolvimento do projeto.
Referências
CESPEDES G., Renato. New method for the analysis of distribution networks.
Systems Control – Division of Power Automation, Cra. 4 No. 69-45. No prelo.
ROBBA, Ernesto João et.al. Introdução a sistemas elétricos de potência:
componentes simétricas. 2º edição revisada e ampliada. São Paulo: Editora Blucher,
2000.
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