impactos da geração distribuída em um alimentador - DEE

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
IMPACTOS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA EM UM
ALIMENTADOR REAL NA PRESENÇA DE EQUIPAMENTOS
DE PROTEÇÃO
Igor Araújo de Oliveira
Fortaleza
Dezembro de 2010
ii
IGOR ARAÚJO DE OLIVEIRA
IMPACTOS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
EM UM ALIMENTADOR REAL NA PRESENÇA DE
EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO
Monografia submetida à Universidade Federal do Ceará
como parte dos requisitos para obtenção do Diploma de
Graduação em Engenharia Elétrica.
Orientador: Profa. PhD Ruth Pastôra Saraiva Leão
Fortaleza
Dezembro de 2010
iv
“Tudo posso n’Aquele que me fortalece”
(Filipenses 4.13)
v
A Deus,
Aos meus pais, José e Antônia,
Às minhas irmãs Luciana e Mirela,
A todos os familiares e amigos.
vi
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus, pelo dom da vida e pela chance que me foi concedida, e pela
força que Ele me deu todas as vezes que eu precisei, sem ele com certeza não teria chegado
até aqui.
A toda minha família, meus pais, José Costa de Oliveira e Antônia Maria Araújo de
Oliveira, pela criação e carinho que recebi durante toda minha vida, seus ensinamentos que
adquiri, pela força, dedicação e confiança que me depositam em todos os momentos da minha
vida. Minhas irmãs, que serviram de exemplo de dedicação nos estudos e na vida.
À professora PhD Ruth Pastora Saraiva Leão, pela sua orientação, sua disponibilidade
e interesse em ajudar, agradeço a oportunidade de aprender com ela.
Aos meus amigos, pela presença constante em minha vida, em momentos alegres e
tristes, onde sempre estiveram do meu lado. Aos amigos de colégio, que mesmo depois de
tanto tempo ainda estão presentes como se nós ainda estudássemos juntos. Aos colegas de
faculdade, pelos anos de curso que passamos estudando, virando noites no PET, pelas
conversas praticamente sem fim no banco próximo à coordenação, pelos momentos hilários
em festas que só alunos da engenharia elétrica podem proporcionar.
A todas as pessoas que por motivo de esquecimento não foram citadas anteriormente,
vou deixando neste espaço minhas sinceras desculpas.
vii
Oliveira, I. A. de “Impactos da geração distribuída em um alimentador real na presença de
equipamentos de proteção”, Universidade Federal do Ceará – UFC, 2010, 47p.
Esta monografia apresenta uma análise do comportamento da proteção de sistemas de
distribuição na presença de tecnologias de geração distribuída. A proteção de um sistema
elétrico tem como principal função detectar faltas e retirar a parte defeituosa da rede a fim de
garantir a continuidade de suprimento aos demais consumidores. A conexão de geradores no
sistema de distribuição normalmente causa alterações no fluxo de potência podendo ter
influência na capacidade de interrupção dos equipamentos de disjunção, na filosofia de
proteção e no ajuste e coordenação da proteção da rede elétrica. Uma simulação em um
alimentador real de 13,8 kV, potência instalada de 10 MVA, pertencente à concessionária de
distribuição de energia elétrica, Coelce, foi analisada a fim de ser observada a influência da
conexão de um gerador síncrono de 2 MW sobre a proteção do alimentador. Foi avaliado o
sistema de proteção do alimentador com e sem a presença da geração de distribuída. Na
simulação da rede elétrica foi usado o programa computacional EasyPower que dispõe de uma
rica biblioteca de equipamentos elétricos de mercado e uma interface de programação
amigável. Para o caso investigado foi verificado que a conexão do GD resultou em melhoria
no perfil de tensão do alimentador e não houve necessidade de mudança no ajuste da proteção
do alimentador da concessionária.
Palavras chave: Geração Distribuída, Sistemas de Distribuição, Proteção de Sistemas,
Gerador Síncrono.
viii
Oliveira, I. A. “Impacts of distributed generation on a real feeder in presence of protection
equipments” Universidade Federal do Ceará – UFC 2010 47p.
This monograph presents an analysis of the distribution systems protection behavior in the
presence of distributed generation technologies. The electric systems protection has as main
function to detect faults and remove the faulty part of the network to ensure continuity of
supply to other consumers. The generators connection in distribution system often causes
changes in power flow could have influenced the breaking capacity of the disjunction
equipment in the philosophy of protection and adjustment and coordination of power grid
protection. A simulation in a 13,8 kV feeder real, installed capacity of 10 MVA, which
belongs to the concessionaire of electric power distribution, Coelce, was analyzed in order to
observe the influence of the 2 MW synchronous generator connection for the feeder
protection. Was evaluated the feeder protection system with and without the distributed
generation presence. For the simulation of the electric grid was used EasyPower computer
program that has a rich electrical equipment market library and a friendly programming
interface. For the case investigated was found that the connection of the DG resulted in
improvement in voltage profile of feeder and there was no need for change in the setting of
the utility feeder protection
Keywords: Distributed Generation, Distribution Systems, Protection Systems, Synchronous
Generator
ix
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................xi
LISTA DE TABELAS ............................................................................................................xii
SIMBOLOGIA ......................................................................................................................xiii
INTRODUÇÃO .........................................................................................................................1
CAPÍTULO 2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ...........................................................................4
2.1
CONSIDERAÇÕES INICIAIS ..................................................................................4
2.2
CONCEITO DE GERAÇÃO DISTRIBUIDA...........................................................4
2.3
HISTÓRICO...............................................................................................................7
2.4
TECNOLOGIAS DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA .................................................10
2.4.1
COGERAÇÃO OU COMBINED HEAT AND POWER (CHP).......................10
2.4.2
MOTORES ALTERNATIVOS........................................................................12
2.4.3
CÉLULAS COMBUSTÍVEIS..........................................................................13
2.4.4
ENERGIA EÓLICA .........................................................................................15
2.4.5
ENERGIA FOTO VOLTÁICA (PV) ...............................................................16
2.5
PRINCIPAIS APLICAÇÕES DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA .............................17
2.6
VANTAGENS E DESVANTAGENS NA IMPLANTAÇÃO DE TECNOLOGIAS
DE GD .................................................................................................................................17
2.7
QUALIDADE DE ENERGIA E GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ...............................19
2.7.1
INTERRUPÇÕES NA GERAÇÃO PRINCIPAL............................................19
2.7.2
REGULAÇÃO DE TENSÃO ..........................................................................19
2.7.3
HARMÔNICOS ...............................................................................................20
2.7.4
AFUNDAMENTOS DE TENSÃO ..................................................................20
2.8
PROTEÇÃO DA GD ...............................................................................................21
2.9
CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................23
CAPÍTULO 3
ESTUDO DE CASO: ALIMENTADOR JUREMA 4 .............................................................24
3.1
CONSIDERAÇÕES INICIAIS ................................................................................24
3.2
ASPECTOS GERAIS DO ALIMENTADOR..........................................................24
3.3
ESTUDO DA PROTEÇÃO .....................................................................................28
3.3.1
PROTEÇÃO DA CONCESSIONÀRIA ..........................................................28
3.3.2
PROTEÇÃO AO LONGO DO CIRCUITO – RELIGADOR R29W1423
Sumário
x
3.4
...........................................................................................................................29
CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................32
CAPÍTULO 4
DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DA PROTEÇÃO DO GERADOR CONECTADO AO
SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO .............................................................................................33
4.1
CONSIDERAÇÕES INICIAIS ................................................................................33
4.2
MAQUINA SÍNCRONA .........................................................................................33
4.2.1
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................34
4.2.1.1 GERADOR SÍNCRONO...................................................................34
4.2.1.2 MOTOR SÍNCRONO .......................................................................34
4.2.2
DADOS DO GERADOR SÍNCRONO UTILIZADO .....................................35
4.3
DIMENSIONAMENTO DO TC E CÁLCULO DE AJUSTE DA PROTEÇÃO DO
GERADOR
..................................................................................................................36
4.3.1
4.3.2
CÁLCULO DO DIMENSIOMENTO DO TC.................................................36
CÁLCULO DOS AJUSTES DO RELÉ...........................................................37
4.3.2.1 AJUSTE DA CORRENTE DE FASE...............................................37
4.3.2.2
4.3.3
AJUSTE DA CORRENTE DE NEUTRO ........................................38
AJUSTES INSTANTÂNEOS ..........................................................................39
4.3.3.1 AJUSTE INSTANTÂNEO DE FASE...............................................39
4.3.3.2 AJUSTE INSTANTÂNEO DE NEUTRO ........................................40
4.4
CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................................42
CAPÍTULO 5 CONCLUSÃO...............................................................................................43
CAPÍTULO 6 REFERÊNCIAS ............................................................................................45
ANEXO A
DIAGRAMA UNIFILAR DO ALIMENTADOR JMA01M4......................47
Sumário
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Usina Hidrelétrica de Luiz Gonzaga. .....................................................................1
Figura 2.1 – Sistema convencional de distribuição de energia elétrica......................................4
Figura 2.2 – Sistema de geração distribuída...............................................................................5
Figura 2.3 – Previsão de evolução da produção de eletricidade das diferentes fontes...............8
Figura 2.4 – Previsão de evolução das várias tecnologias de GD. .............................................9
Figura 2.5 – Exemplo de CHP em Nossener Brüke, Alemanha...............................................10
Figura 2.6 – Princípio de funcionamento de uma CHP............................................................11
Figura 2.7 – Gerador à diesel....................................................................................................13
Figura 2.8 – Exemplo de sistema a células combustíveis.........................................................14
Figura 2.9 – Influência da GD e transformadores na redução de afundamento de tensão. ......21
Figura 2.10 – Alcance de um relé de proteção para um pequeno sistema de distribuição da
amostra com DGs. ............................................................................................................22
Figura 2.11 – Curvas características dos fusíveis da Figura 2.10.............................................22
Figura 3.1 – Barras onde a tensão difere do regulamento da ANEEL. ....................................27
Figura 3.2 – Gráfico da curva de coordenação de fase.............................................................31
Figura 3.3 – Curva de coordenação de Neutro. ........................................................................32
Figura 4.1 – Coordenação de fase entre GD e Concessionária. ...............................................41
Figura 4.2 – Coordenação de Neutro entre GD e Concessionária............................................42
Lista de Figuras
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Tabela de eficiência das quatro tecnologias mais usadas. ...................................15
Tabela 3.1 – Relação e características dos cabos utilizados no alimentador............................25
Tabela 3.2 – Tabela de fatores de modelagem de carga...........................................................25
Tabela 3.3 – Níveis de curto circuito nos dois momentos de geração......................................26
Tabela 3.4 – Dimensionamento dos relés da COELCE............................................................29
Tabela 3.5 – Dimensionamento do religador............................................................................30
Tabela 4.1 – Parâmetros do gerador síncrono de 2MVA. ........................................................35
Tabela 4.2 – Valores de curto-circuito do alimentador. ...........................................................36
Lista de Tabelas
xiii
SIMBOLOGIA
Acrôminos e Abreviaturas:
Simbologia
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
A geração centralizada (GC) de energia elétrica caracteriza-se pela existência de
usinas de grande porte, instaladas próximas às fontes energéticas. Esse tipo de configuração é
típico dos grandes sistemas termoelétricos e hidrelétricos convencionais, com potências da
ordem de centenas e milhares de megawatts, normalmente instalados longe dos centros de
carga. A Figura 1.1 mostra uma vista panorâmica da usina hidrelétrica de Luiz Gonzaga,
pertencente ao complexo Paulo Afonso da Chesf - Companhia Hidrelétrica do São Francisco.
Figura 1.1 – Usina Hidrelétrica de Luiz Gonzaga.
As grandes plantas de geração são ligadas aos centros consumidores por linhas de
transmissão utilizadas para o transporte da energia gerada. Para que as perdas elétricas nas
linhas de transmissão sejam reduzidas, as tensões das linhas são elevadas na ordem de
centenas de milhares de volts.
A vantagem do modelo de grandes usinas é a economia de escala obtida com grande
quantidade de energia produzida, possibilitando que a energia produzida possa ser mais barata
do que se fosse gerada por pequenas centrais elétricas.
A geração distribuída (GD), por sua vez, caracteriza-se por pequenas usinas instaladas
próximas às cargas. Quando são utilizadas fontes renováveis de energia, a GD apresenta
ganhos ambientais importantes quando comparada com a queima de recursos fósseis da
geração centralizada nas usinas termelétricas, ou a construção de grandes reservatórios nas
hidrelétricas.
Capítulo 1 – Introdução
2
A GD, por ser de pequeno porte, não apresenta o mesmo ganho de escala de uma
grande usina, fazendo com que o preço da energia produzida seja maior. À medida que a
utilização da GD aumenta, o domínio sobre suas características técnicas é aprimorado e os
custos são reduzidos. A utilização em larga escala da GD permite que a humanidade possa
usufruir dos confortos disponibilizados pela energia elétrica de forma sustentável, com menor
agressão ao meio-ambiente.
Uma questão a ser discutida é o fato de se poder afirmar que GD só traz contribuições
para a melhoria da qualidade de energia e da operação dos sistemas integrados de transmissão
e distribuição. Sem uma análise detalhada do que significa o termo GD, qual a tecnologia a
ser empregada, de que forma é conectada e sem o conhecimento de qual o ponto de conexão
na rede elétrica e topologia do sistema, não se torna possível padronizar uma resposta. Desta
forma, esta monografia procura esclarecer alguns conceitos, os incentivos atuais, benefícios
para a rede e adverte para os cuidados que devem ser tomados ao introduzir-se Geração
Distribuída à rede.
Um sistema de proteção para sistemas elétricos desempenha um papel vital na
preservação da continuidade do fornecimento aos clientes, garantindo de elevados níveis de
segurança do sistema de fornecimento pelo isolamento das partes afetadas do sistema durante
curtos-circuitos e condições anormais de funcionamento. Tradicionalmente, a proteção das
redes de distribuição tem sido conseguida, sobretudo através do uso de relés de sobrecorrente
coordenada e falha de terra. Essa abordagem, embora adequado para redes radiais com um
ponto de prestação única, será desafiada pelo aumento dos níveis de penetração da GD em
sistemas de distribuição.
O objetivo principal desta monografia é expor uma análise do comportamento da
proteção de um circuito elétrico na presença de uma tecnologia GD. Será visto quais os
pontos que precisam ser modificados e se uma GD realmente interfere em um sistema de
proteção já especificado.
No capítulo 2, é mostrado uma abordagem a respeito do tema geração distribuída, um
conceito, um pequeno histórico, algumas de suas tecnologias e questões a respeito de sua
implementação, proteção e continuidade no serviço.
No capítulo 3 é apresentado o circuito que será estudado, suas características
principais, sua constituição, estudo da proteção desse circuito e uma análise de qual ponto
será necessário para a instalação de uma tecnologia GD.
Capítulo 1 – Introdução
3
No capítulo 4 uma análise é realizada sobre a GD que será instalada, um gerador
síncrono de 2 MVA foi escolhida para suprir a deficiência encontrada e regular o sistema de
fornecimento.
Ao final da monografia são apresentadas as conclusões e algumas sugestões para
trabalhos futuros, presentes no capítulo 5.
Capítulo 1 – Introdução
4
CAPÍTULO 2
GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
2.1
CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Este Capítulo aborda aspectos gerais a respeito da geração distribuída, sua definição,
seu surgimento e evolução no sistema elétrico ao longo do tempo. São também mencionadas,
as principais fontes utilizadas nessa geração, bem como as vantagens e desvantagens em sua
implementação, utilização e manutenção, tanto para o consumidor quanto para o sistema
elétrico em si.
Esses aspectos essenciais servirão de base para o entendimento da análise que será
realizada nos capítulos seguintes.
2.2
CONCEITO DE GERAÇÃO DISTRIBUIDA
O conceito de geração distribuída (GD) envolve uma gama de tecnologias, aplicações
e efeitos sobre a gestão da rede elétrica [1]. Essas tecnologias são desenvolvidas para a
produção de eletricidade em pequena escala, assim instalando-se próximas aos consumidores,
em contraste com as grandes centrais de energia, que se encontram distantes dos
consumidores finais, necessitando de grandes linhas de transmissão para que a potência flua
para seu destino, como mostra a Figura 2.1.
Figura 2.1 – Sistema convencional de distribuição de energia elétrica.
Capítulo 2 – Geração Distribuída
5
Sua instalação direciona a novos desafios para o funcionamento das redes de
distribuição radial. Sua implementação não muda a topologia radial destas redes, mas o fluxo
de energia não será mais em uma única direção, mostrado na Figura 2.2. Isso tem um impacto
sobre a proteção das redes de distribuição, e este impacto depende do tamanho, tipo e sua
localização [2].
Figura 2.2 – Sistema de geração distribuída.
As fontes de GD podem ser definidas como um complemento para as infra-estruturas
elétricas existentes, a fim de aliviar o congestionamento da rede, fornecer serviços auxiliares e
melhorar a confiabilidade. Além disso, o manuseio correto pode oferecer maior flexibilidade
no planejamento do sistema elétrico, através do possível gerenciamento de investimentos
irregulares na geração centralizada, bem como as melhorias nas redes de transmissão e a
distribuição [1]. Os adeptos da GD apontam que a geração distribuída pode melhorar a
eficiência do fornecimento de energia elétrica. Eles costumam destacar que a transmissão de
eletricidade de uma usina para um usuário típico desperdiça cerca de 4 a 9 por cento da
eletricidade, em consequência do envelhecimento dos equipamentos de transmissão. Ao
mesmo tempo, os clientes sofrem frequentemente de má qualidade de energia, que tem como
origem uma variedade de fatores, incluindo manobras indevidas na rede, quedas de tensão,
interrupções, transientes e distúrbios da rede resultando em variações de tensão elétrica ou de
fluxo de potência. Em geral, os defensores da GD destacam a ineficácia da transmissão em
grande escala existentes para atender a rede elétrica de distribuição, pois, mesmo com a
elevação da tensão para a transmissão, ocorrem perdas suficientes para comprometer a
qualidade dos sistemas de distribuição. Além disso, consumidores e empresas que geram
energia a nível local têm potencial para vender a energia excedente para a rede, o que pode
gerar retornos significativos durante os horários de pico.
Capítulo 2 – Geração Distribuída
6
Gerentes industriais e empreiteiras começaram também a enfatizar as vantagens de
geração de energia próxima as unidades consumidoras. Tecnologias de co-geração permitem
às empresas um reaproveitamento de energia térmica que normalmente seria desperdiçada. As
GD´s tornaram-se, portanto, valorizadas em indústrias que utilizam grandes quantidades de
calor, tais como o ferro e aço, química, refino, fabricação de celulose e papel, e as indústrias
de processamento de alimentos [3].
Alguns estudos realizados em cima das tecnologias de GD permitiram uma diminuição
no efeito do impacto ambiental. Um dos motivos que contribui como fator impulsionador para
o desenvolvimento da geração distribuída é a proteção do meio ambiente, em que cada vez
mais o desenvolvimento sustentado passa a ser uma realidade. Um conjunto significativo de
novas tecnologias de geração distribuída assenta nesta filosofia de geração sustentada e novos
combustíveis. Hoje em dia, a exigência ambiental e a eficiência energética são os pilares desta
nova tecnologia de geração, para aplicação distribuída. Outro fator que tem ajudado ao
crescimento da geração GD é o aumento de consumidores que, em muitas zonas do planeta,
faz com que os níveis de qualidade da energia tenham vindo a diminuir, ficando inadequados
às necessidades das cargas dos consumidores. Surgem assim condições para que a GD seja
uma opção dando uma resposta rápida para a satisfação destas necessidades [4].
Por outro lado, a integração com cargas intermitentes, como a energia eólica, energia
solar e, em alguns casos energia térmica, conhecida como combined heat and power(CHP),
podem colocar um desafio adicional para o equilíbrio do sistema.
Dentre outras barreiras para a disseminação de fontes renováveis alternativas na
geração de energia elétrica do Brasil podemos citar o seu custo tecnológico mais elevado,
quando comparado ao das fontes convencionais, assim como a dificuldade de financiamento.
O estágio de desenvolvimento em que ainda se encontram algumas tecnologias de
aproveitamento das fontes renováveis alternativas e as produções em escala não industrial
ainda não as tornam atrativas sob o ponto de vista estritamente econômico.
Capítulo 2 – Geração Distribuída
7
2.3
HISTÓRICO
A evolução dos sistemas de potência se deu há séculos atrás, mais precisamente no
final do século XIX. Thomas Edison, inventor e homem de negócios estadunidense, iniciou
esse processo em 1882, com a implementação do primeiro sistema de distribuição de energia
elétrica do mundo com fins comerciais. O sistema gerava em corrente contínua, com seis
unidades geradoras com potência total de 700 kW, para alimentar 7200 lâmpadas em 110 V.
Pouco tempo depois, a partir de um trabalho com campos elétricos rotacionais, Nikola Tesla,
inventor Sérvio, físico e engenheiro eletro-mecânico, desenvolveu um sistema de geração,
transmissão e uso de energia elétrica proveniente de corrente alternada. Esse sistema se tornou
mais vantajoso que o sistema de Thomas pelo fato deste proporcionar bem menos perdas na
transmissão em alta tensão, e um custo menor em sua implementação. O engenheiro e
empresário estadunidense George Westinghouse fez um acordo com Tesla em que comprou
os direitos e as patentes desse sistema e, em 1886, fundou a Westinghouse Electric &
Manufacturing Company, renomeada para Westinghouse Electric em 1889.
Esse período ficou conhecido como “guerra das correntes” onde a corrente alternada
saiu vitoriosa, pois o sistema de Westinghouse ganhava cada vez mais aceitação,
especialmente depois de ganhar o contrato para a construção de uma nova central elétrica de
corrente alternada na fronteira entre os Estados Unidos e o Canadá, ligando as Cataratas do
Niágara a Buffalo, por um preço mais baixo e numa distância impossível de ser alcançada
através de corrente contínua [5], [6] e [7].
A produção de energia elétrica no local de consumo, pela falta de redes de transporte e
tecnologia, quer fosse destinada à indústria, ao comércio, às residências ou à agricultura, foi
posta em prática na primeira metade do século XX.
Com as melhorias técnicas nos transformadores e nas linhas de transmissão, com
tensões cada vez maiores, passou a ser possível transportar mais potência, proporcionando o
desenvolvimento de geradores com uma potência cada vez mais elevada e fazendo com que o
rendimento de certos processos de produção de energia fosse melhorado.
A produção de energia centralizada a partir das grandes centrais produtoras passa a ser
a prática dominante face à GD, permitindo grandes economias de escala.
Capítulo 2 – Geração Distribuída
8
Este tipo de produção resulta em grandes investimentos, com instalações de enormes
dimensões e com pouca flexibilidade, que logicamente irá interferir com o modelo de
exploração do setor elétrico. Em muitos países opera com o regime de monopólio resultante
da necessidade de expandir a rede ao maior número de clientes possível. Neste tipo de
ambiente monopolista interessa que a produção centralizada se mantenha, sob o pretexto das
economias de escala, sendo a geração distribuída confinada a situações onde o consumidor
está isolado da rede.
Mas, este panorama começou a mudar com as crises petrolíferas que começaram nos
anos 70, ajudando fortemente ao aparecimento da co-geração e, mais timidamente, de outras
formas de produção de energia local e consequentemente distribuída.
Nos anos 90, passou a existir competição no serviço de energia elétrica estimulando
todos os participantes a apresentarem custos competitivos. Como resultado da transformação
deste mercado, passa a ser produzidos novos equipamentos, sendo aumentada a atratividade
em geração distribuída. Em alguns países, como Finlândia e Holanda, este tipo de produção
ultrapassa 40% das necessidades elétricas nacionais. [4]
Por vezes, a introdução desta produção, em boa parte dos países, é bastante lenta, pois
a transformação do mercado dá-se a taxas reduzidas e, porque a produção centralizada exigiu
fortes investimentos e estes têm de ser pagos, o que dificulta a liberalização do setor, logo a
competição.
Na Figura 2.3 mostra-se a previsão, expressa em bilhões de kilowatthora, constante no
“Anual Energy Outlook 2008”, para a evolução da procura de eletricidade, num horizonte
temporal até 2030. [4]
Figura 2.3 – Previsão de evolução da produção de eletricidade das diferentes fontes.[4]
Capítulo 2 – Geração Distribuída
9
Para a geração distribuída, tendo ainda como referência o “Annual Energy Outlook
2000” (AEO2000), podem ser vistas projeções de evolução das tecnologias de geração
distribuídas num horizonte temporal de previsão até 2020. Embora as tecnologias de geração
distribuídas emergentes (Ex: Fotovoltaicas (PV), pilhas de células de combustível,
microturbinas, etc...) mostrem declínios de custo ao longo do período de projeção, estes não
são muito grandes de forma a se obterem ganhos significativos, com a entrada destas formas
de GD durante os próximos 20 anos. A Figura 2.4 mostra a previsão da construção de centrais
das várias tecnologias de geração distribuídas até 2020. [4]
Figura 2.4 – Previsão de evolução das várias tecnologias de GD. [4]
Como é visível na figura, a tecnologia de turbina de gás natural tende a ter a liderança
da geração distribuída até mesmo ao fim do período, com uma pequena variação dos níveis do
presente. As pilhas de células de combustível vão ganhar cada vez mais uma percentagem
maior do mercado, devido, em boa parte, à descida dos custos de instalação, pois esta
tecnologia está atualmente em fase de demonstração, e em curto prazo vai entrar na era da sua
produção em massa. A PV terá uma dimensão pequena relativamente às outras tecnologias,
embora vá aumentado com o tempo devido à redução dos seus custos e a políticas de
incentivo que possam promover a sua instalação [4].
Capítulo 2 – Geração Distribuída
10
2.4
TECNOLOGIAS DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
2.4.1 COGERAÇÃO OU COMBINED HEAT AND POWER (CHP)
Através de uma produção combinada entre calor e energia ou CHP, será mais fácil
entender o processo térmico de produção de energia elétrica, onde o calor resultante é
reutilizado no processo ou aquecimento urbano, em vez de ser rejeitado para o ambiente. Uma
unidade de co-geração (mostrada na Figura 2.5) é, portanto, capaz de atingir uma eficiência de
conversão de energia de 85% ou mais. Este tipo de fornecimento de energia é especialmente
útil para os consumidores que necessitam uma demanda de calor contínua, ou seja, em países
com temperaturas baixas. [8]
Figura 2.5 – Exemplo de CHP em Nossener Brüke, Alemanha.
O princípio básico por trás de uma unidade de cogeração com turbina a vapor é dada
na Figura 2.6. Na caldeira a água de entrada é transformada em vapor seco de alta pressão. O
vapor é transmitido para a turbina, onde se expande e, como resultado, a energia elétrica é
produzida. O vapor úmido deixa a turbina e passa por dois condensadores de calor, onde
Capítulo 2 – Geração Distribuída
11
ocorrem as trocas de calor e água no condensador. A água obtida como resultado da
condensação do vapor é transferida ao seu respectivo tanque. Com a ajuda de uma bomba de
água é forçada para a caldeira a uma pressão adequada e o processo recomeça.
Figura 2.6 – Princípio de funcionamento de uma Cogeração. [8]
A eficiência elétrica média dessa tecnologia se encontra em torno de 20 a 30%, caso
seja utilizada a tecnologia de condensação-extração, mas o rendimento total pode chegar num
patamar variando entre 80 e 85% quando é utilizada a tecnologia de contra-pressão, também
contribuem para essa variação no rendimento a capacidade da caldeira, do tamanho da
unidade e das perdas nos aquecedores e condensadores. [8]
A potência ativa é linear e depende da produção térmica. O controle pode de certa
forma, ser alcançado através do uso de armazenamento de temperatura. A potência reativa,
por sua vez, pode ser controlada dentro dos limites operacionais do gerador síncrono. Por esta
razão, unidades de CHP estão equipadas com um controle de fator de potência.
Existem diferentes tipos de caldeiras a vapor e quase todos os tipos de combustível
podem ser utilizados. Portanto, existem caldeiras que utilizam gás natural, óleos combustíveis
e bio-combustíveis, como bagaço de cana, restos de madeira e em alguns casos, cascas de
arroz. No entanto, a preocupação com resíduos desses combustíveis é muito grande, eles
devem estar preparados para a combustão (transformada em uma massa homogênea), caso
Capítulo 2 – Geração Distribuída
12
contrário, correm o risco de perder suas propriedades, particularmente umidade, o que irá
influenciar consideravelmente o valor térmico de cada combustível.
2.4.2
MOTORES ALTERNATIVOS
Os motores alternativos, desenvolvidos mais de 100 anos atrás, foram os primeiros
usados em GD. Máquinas de Otto e motores do ciclo diesel (Figura 2.7) ganharam aceitação
em quase todos os setores da economia. Eles são usados em muitas escalas, desde pequenas
unidades de 1kVA a grande dezenas de usinas MW. Os motores menores são principalmente
concebidos para transporte e geralmente podem ser convertidos para a geração de energia com
pouca modificação. Já os grandes motores são freqüentemente projetados para geração de
energia, acionamento mecânico, ou de propulsão marítima.
Os motores alternativos são geralmente alimentados a gás natural ou diesel, com
emissões de potências variadas. Quase todos os motores utilizados para a geração de energia
elétrica operam no regime de quatro tempos (admissão, compressão, combustão e exaustão)
semelhante ao motor de automóveis. O processo inicia com a mistura entre o combustível e
ar. A mistura resultante é introduzida no cilindro (admissão), depois ocorre a compressão da
mistura dentro do cilindro, para que, próxima de uma vela, aconteça o processo de combustão
onde ocorre a ignição através de uma faísca (ciclo de Otto) ou por pressão (ciclo diesel),
fazendo o pistão girar, o processo termina com a nova subida do pistão, dessa vez liberando
os gases queimados na combustão. Esse pistão que está ligado a um cilindro que se conecta a
um gerador síncrono, que produz a eletricidade.
Para as unidades de funcionamento a diesel, o ar e o combustível são introduzidos
separadamente com o combustível sendo injetado após o ar ser comprimido.
Capítulo 2 – Geração Distribuída
13
Figura 2.7 – Gerador a diesel. [8]
A eficiência elétrica dessa tecnologia varia entre 30 a 50% para motores a diesel e 24 a
45% para motores a gás natural. Em aplicações de co-geração, uma eficiência total de 80 a
85% pode ser alcançada. [8]
A potência ativa é controlada ajustando o torque produzido pelo motor. Isto significa,
na prática, que há uma alteração da relação ar/combustível da mistura para ser queimada no
motor para haver esse controle. Outro controle é necessário para manter a tensão terminal
desejada no gerador. Ao ajustar a corrente de magnetização do gerador síncrono de potência
reativa também será controlada.
O controle moderno e sistemas de filtragem estão diminuindo as concentrações de
óxidos de nitrogênio (NOx) e monóxido de carbono (CO) dos gases para abaixo dos limites
permitidos, mas, para os motores diesel esses níveis ainda são relativamente altos. Entretanto,
os motores que a gás natural têm níveis muito baixos de produção de NOx.
2.4.3
CÉLULAS COMBUSTÍVEIS
As células combustíveis são capazes de converter combustível e oxigênio em energia
elétrica de calor e água. Seu funcionamento é similar às pilhas em que ambas usam um
processo eletroquímico para a produção de corrente contínua. Essa tecnologia não é tão nova,
a teoria de células de combustível nasceu há mais de 100 anos e seu desenvolvimento foi
projetado a mais de 40 anos atrás. São muito versáteis e podem potencialmente ser usados em
várias aplicações para atender demanda de energia, desde telefones celulares até grandes MW
em usinas. [8]
Capítulo 2 – Geração Distribuída
14
A conversão ocorre por meio de duas reações químicas parciais em dois eletrodos
separados por um eletrólito apropriado: a oxidação de um combustível no ânodo e a redução
de um oxidante no cátodo.
Uma simples célula combustível é capaz de produzir uma tensão de apenas 1 volt. Por
conta disso, é necessário conectar um grande número de células em série com a tensão
desejada. A esse bloco de células dá-se o nome de pilha (stack). Os diferentes tipos de células
a combustível são usualmente nomeados de acordo com seus eletrólitos.
Figura 2.8 – Exemplo de sistema a células combustíveis. [8]
Todas as células combustíveis, como representada na Figura 2.8, geram corrente
contínua. A tensão gerada é função da tensão da pilha e do número de células em série, como
dito anteriormente. Além disso, a tensão varia com a carga e também com tempo de vida útil
das células. Ao suprir uma carga em corrente alternada, um sistema com células combustíveis
possui um equipamento de conversão de CC em CA (inversor) e um controle de corrente,
tensão e frequência.
Existem quatro principais tecnologias de células combustíveis, porém, poucas
características as diferem entre si. A principal diferença aparente está no eletrólito, que
também têm efeitos de longo alcance sobre a concepção e funcionamento da célula
Capítulo 2 – Geração Distribuída
15
combustível. Na Tabela 2.1 essas quatro tecnologias estão listadas com suas características
chave.
Tabela 2.1 – Tabela de eficiência das quatro tecnologias mais usadas. [8]
O controle de fluxo de carga do lado CC funciona de maneira similar a uma bateria
(com grande resistência interna). Em modo de operação conectada à rede a célula combustível
alimenta de forma contrária a carga total da rede, o que significa que há exigências especiais
sobre o inversor para controlar a carga [8].
2.4.4
ENERGIA EÓLICA
Energia eólica caracteriza-se por grandes turbinas que convertem a energia
proveniente dos ventos em energia elétrica, com geração avaliada no mercado de até 2 MW.
Geralmente, grandes turbinas chegam a 80 metros de altura e suas pás, que geram o
movimento do rotor, têm o diâmetro de até 65 metros. [8]
Seu funcionamento consiste em pás que ficam dispostas em forma de hélice que
recebem rajadas de vento. Essas hélices se encontram acopladas a um sistema de engrenagens
que fazem uma mudança da frequência da hélice para uma frequência adequada para o
funcionamento de um gerador síncrono ligado a essas engrenagens. Geradores síncronos
geralmente são equipados com conversores de modulação de largura de pulso. O controle
adequado desses conversores é essencial para a regular o comportamento do moinho de vento
na rede elétrica.
Capítulo 2 – Geração Distribuída
16
Para evitar o stress mecânico que a unidade é submetida, turbinas que produzem acima
de 1 MW são equipadas com um sistema de controle da variação da velocidade de giro das
pás através de dispositivos eletrônicos. Esses dispositivos controlam a potencia transmitida
para o motor para manter a extração de potencia máxima vinda da geração eólica.
2.4.5
ENERGIA FOTO VOLTÁICA (PV)
Embora a conversão de energia solar em energia elétrica tem sido uma técnica
possível desde o final da década de 30, as primeiras aplicações práticas vieram as ser
implementadas no início dos anos 70, onde células PV foram adotadas pelo programa espacial
dos Estados Unidos. [8]
Sistemas foto voltaicos são classificados em três tipos:

Sistemas autônomos;

Sistemas híbridos;

Sistemas conectados a rede.
O sistema autônomo geralmente envolve baterias e é usado em locais remotos que não
tem acesso a rede publica.
O sistema hibrido é aquele em que se trabalha várias outras tecnologias, como eólica e
geradores a diesel junto com a geração PV, no sentido de suprir uma carga continuamente.
O sistema conectado a rede normalmente não inclui baterias. E sim uma rede publica
que atua como um sistema extremamente forte no qual aceita toda a energia disponível do
sistema PV. A conexão com a rede é feita a partir de dispositivos conversores de energia.
A eficiência dos sistemas PV esta diretamente ligada com a superfície onde estão
instalados os módulos fotovoltaicos, a eficiência desses módulos e a radiação solar do local.
Na prática, a potencia de saída depende da latitude, na qual determina a trajetória da radiação
solar na atmosfera.
Capítulo 2 – Geração Distribuída
17
2.5
PRINCIPAIS APLICAÇÕES DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
Determinar qual tecnologia de GD é melhor para uma dada aplicação requer
objetividade no projeto, uma compreensão clara das prioridades em questão e uma análise
detalhada do local em que se julga necessário sua implantação.
Geralmente aplica-se GD nas seguintes situações:

Em zonas rurais e isoladas, onde existem dificuldades na implantação de sistemas
de transmissão e distribuição de energia e os investimentos iniciais em sistemas
desse porte são muitos caros.

Em zonas urbanas desenvolvidas, onde a rede tem dificuldade para responder a
novas solicitações de carga e o custo para projetar uma nova rede é muito
elevado, podendo a GD ser um investimento mais rentável.

Para consumidores que precisam de níveis altos de qualidade no fornecimento de
energia, relacionada com a ausência de interrupções no fornecimento ou
confiabilidade (“power reliability”) e/ou na qualidade da energia (“power
quality”), onde os parâmetros característicos devem estar muito próximos dos
valores nominais (frequência, tensões polifásico equilibrado e simétrico e formas
de onda sinusoidais). Os consumidores com este tipo de necessidades de
qualidade estão dispostos a pagar pela GD que geralmente faz parte da solução
mais econômica para responder a essas necessidades específicas.
2.6
VANTAGENS
E
DESVANTAGENS
NA
IMPLANTAÇÃO
DE
TECNOLOGIAS DE GD
A proximidade do local de consumo ao de produção faz com que a GD tenha algumas
vantagens, trazendo benefícios tanto para os consumidores quanto para as empresas do setor,
dentre elas, destacam-se:

Diminuição das perdas na rede de transmissão e distribuição, logo redução dos
custos de exploração, bem como menor investimento para reprojetar o sistema.
Capítulo 2 – Geração Distribuída
18

Diminuição dos riscos de planejamento, devido ao menor tamanho das unidades
de produção e flexibilidade das soluções.

Melhoria da qualidade de serviço aos consumidores próximos à produção local

As necessidades energéticas particulares dos clientes podem ser satisfeitas de
forma personalizada.

A diminuição dos impactos ambientais da produção de energia elétrica, resultante
da utilização de combustíveis menos poluentes, do melhor uso dos combustíveis
tradicionais. Isso permite, com a utilização da co-geração, a eliminação de
resíduos industriais poluidores.

São abertas maiores oportunidades de comercialização, na medida em que locais
que eram remotos e não tinham viabilidade de disporem de energia elétrica,
poderão passar a ser alimentados, melhorando as condições locais da atividade
econômica dessas zonas. Para a competitividade no mercado de energia elétrica
também surgem maiores oportunidades. Na medida em que a GD diminui o valor
do capital investido, surgem outras empresas que não sejam necessariamente de
capital intensivo, abrindo um leque de prestadores de serviço. Com isso, a
possibilidade de se poder optar pelo fornecedor com melhores condições de
mercado aumenta, reduzindo a fatura energética do setor industrial do país.
As desvantagens da geração distribuída devem ser levadas em consideração, e têm,
principalmente, como causas o aumento do número de entidades envolvidas e a separação das
funções de distribuição e comercial. Assim, são relevantes as seguintes desvantagens:

O planejamento e a operação do sistema elétrico ficam mais complexos.

Haverá um aumento da complexidade nos procedimentos, na realização de ações
de manutenção e nas medidas de segurança a serem tomadas.

Por vezes, existe uma diminuição do fator de utilização das instalações das
concessionárias de transporte e distribuição, bem como de centrais produtoras, o
que vai fazer com que exista uma tendência para aumentar o preço médio de
fornecimento das mesmas.

As entidades responsáveis pelas redes de transporte e distribuição necessitam de
se equipar com ferramentas de análise para avaliação do impacto das fontes de
GD, ligadas à rede, quer sob o ponto de vista de confiabilidade de fornecimento,
quer estabilidade de operação e qualidade da tensão [4].
Capítulo 2 – Geração Distribuída
19
2.7
QUALIDADE DE ENERGIA E GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
A GD exerce uma influência na qualidade de energia elétrica, principalmente devido a
quatro fatores:
1. Interrupções na geração principal.
2. Regulação de tensão.
3. Harmônicos.
4. Afundamentos de tensão.
2.7.1
INTERRUPÇÕES NA GERAÇÃO PRINCIPAL
Muitas das tecnologias de GD existentes eram instaladas como uma fonte de energia
auxiliar a geração principal. Uma das tecnologias mais utilizadas para esse fim eram os
motores a diesel. A grande capacidade dessa forma de GD pode ser notada pela transferência
de carga para o sistema auxiliar. Nesse caso, existe um acréscimo de energia gerada que pode
ser adquirida pela instalação em paralelo com o sistema principal.
Muitas tecnologias em GD operam com melhor qualidade de energia quando ligadas
em paralelo com a rede principal ou rede concessionária por conta da sua grande capacidade.
Entretanto, não são todas as tecnologias adotadas que se pode implantar o paralelismo sem um
investimento pesado.
Concessionárias de energia podem alcançar uma maior confiabilidade empregando
GD para cobrir contingências quando parte do sistema de entrega está fora de serviço. Neste
caso, a GD não iria suprir toda a carga, mas apenas o suficiente para cobrir a parte que está
fora de serviço. Isso pode resultar numa melhor gestão das despesas futuras para a construção.
A desvantagem é que o sistema, ao longo dos anos possa perder sua confiabilidade. Pois o
acréscimo da carga pode ultrapassar a capacidade do sistema inicialmente projetado, exigindo
uma nova ampliação.
2.7.2
REGULAÇÃO DE TENSÃO
Pode parecer inicialmente que a GD deve ser capaz de melhorar a regulação de tensão
em um alimentador. Um controle adequado na geração pode apresentar resultados mais
Capítulo 2 – Geração Distribuída
20
satisfatórios do que transformadores com mudança de tape e inclusão de bancos capacitores
ao longo do circuito. No entanto, existem muitos problemas associados com a regulação de
tensão como, por exemplo, os casos em que a GD é de pequeno porte e está localizada longe
da subestação em relação a sua robustez por exemplo. Questões de regulação de tensão são
freqüentemente as mais limitadoras para acomodar a GD sem alterações no sistema principal.
Isso ocorre por que primeiro, nem todas as tecnologias têm a capacidade de regular
tensão. É o caso de máquinas de indução. Em segundo lugar, concessionárias fornecedoras de
energia não querem que a GD opere com a função de regulação de tensão, pois ela pode
interferir no funcionamento dos equipamentos reguladores tensão da própria concessionária,
aumentando o risco de problemas na rede. Finalmente, pequenas GD não possuem capacidade
suficiente para regular a tensões e ficam a mercê das mudanças diárias de tensão no sistema
da concessionária.
Grandes GD que suprem em até 30% da capacidade de um alimentador, que são
capazes de regular tensão, necessitam de um controle de comunicação especial para operar
corretamente com os equipamentos de regulação de tensão da rede concessionária.
2.7.3
HARMÔNICOS
Um problema que ocorre com certa freqüência é a produção de harmônicos quando a
tecnologia da GD faz uso de conversor eletrônico.
Harmônicas geradas por máquinas rotativas nem sempre podem ser desprezadas,
sobretudo quando estão funcionando em paralelo com a rede. Para transformadores do tipo
estrela-estrela aterrados, apenas máquinas síncronas com enrolamentos construídos com
largura de bobina igual a 2/3 do passo polar para eliminação das harmônicas de 3ª ordem
podem operar em paralelo com a rede sem estudos especiais para limitação da corrente de
neutro. [9]
2.7.4
AFUNDAMENTOS DE TENSÃO
O problema de qualidade de energia mais comum é o afundamento de tensão. A
Figura 2.9 ilustra um caso em que a GD está interligado no lado da carga do transformador.
Durante um afundamento de tensão, as GD podem contribuir para mitigar a severidade do
afundamento de tensão na barra a que está conectada.
Capítulo 2 – Geração Distribuída
21
Figura 2.9 – Influência da GD e transformadores na redução de afundamento de tensão.
A influência da GD em afundamentos na sua barra de carga é auxiliada pela
impedância do transformador, que representa o isolamento da fonte do afundamento do
sistema da concessionária. No entanto, esta impedância dificulta a capacidade da GD de
fornecer algum alívio para as outras cargas no alimentador mesmo. GD maior que 10 kW são
obrigadas a ter o seu próprio transformador de serviço [9].
2.8
PROTEÇÃO DA GD
Um projeto de proteção é uma parte indispensável de um sistema elétrico. Análise de
faltas, condições pré e pós-falta são necessários para a escolha dos dispositivos de
interrupção, relés de proteção e suas coordenações. Os sistemas elétricos devem ter a
capacidade de suportar certos limites de distúrbios na rede que afetam seus índices de
confiabilidade.
Em geral, a implantação de uma nova geração implica na necessidade de estudos para
avaliação das condições de operação da rede e da coordenação da proteção em estado
permanente e sob condição de falta. A resposta da rede depende de muitos fatores incluindo a
magnitude da perturbação, impedância e localização da GD, o uso de dispositivos reguladores
de tensão, configuração do sistema de energia, etc.
A Figura 2.10 mostra um pequeno sistema de distribuição, constituído por uma
geração principal e outras três gerações servindo de auxílio em diferentes alimentadores do
Capítulo 2 – Geração Distribuída
22
sistema. Na configuração descrita, o sistema de proteção pode perder a coordenação após a
instalação de uma GD. De acordo com a figura, antes da instalação da DG1, se ocorrer uma
falta no ponto 1, o fusível FA deve operar antes do fusível FB. Quando a DG1 é instalada, a
corrente de falta segue de DG1 para o ponto 1 fazendo FB abrir antes que FA se a diferenças
entre as correntes que passam pelos fusíveis forem menor que a margem de coordenação
mostrada na Figura 2.11.
Figura 2.10 –Alcance de um relé de proteção para um pequeno sistema de distribuição da com GD.
Figura 2.11 – Curvas características dos fusíveis da Figura 2.10
Um aumento da corrente de falta na rede muda a maneira que o sistema de proteção
gerencia falhas (ajustes dos relés, religadores, capacidade de interrupção dos disjuntores e
fusíveis). A Figura 2.10 mostra a DG3 instalada próxima da subestação. No caso da falta
Capítulo 2 – Geração Distribuída
23
ocorrer no alimentador vizinho onde a DG3 está localizada, o disjuntor BB abrirá devido a
corrente resultante no sentido da DG3 para o ponto de falha. Esse sistema pode ser
aprimorado implementando no relé de proteção a função direcional (67) ao invés de somente
a função de sobrecorrente(51).
A instalação de uma GD no alimentador normalmente requer da concessionária um
reajuste das suas configurações do religador, quando esse se encontra no sistema. Isso ocorre
por dois motivos básicos:

Religamentos em GD, particularmente aqueles sistemas que utilizam tecnologias
de máquinas rotativas, pode causar danos ao gerador ou motor principal.

GD deve desligar logo no início do intervalo de religamento para dar tempo para
o arco elétrico dissipar, de forma que o religamento será bem sucedido.
Normalmente, esse processo de detecção e desconexão deve ser simples. No entanto,
algumas ligações de transformadores tornam difícil detectar certas faltas, o que poderia atrasar
a desconexão da GD.
A GD pode também reduzir a zona de proteção ou área de atuação dos relés de
proteção. Considerando agora uma falta resistiva devido a um pico de demanda no ponto 2, de
acordo com a Figura 2.10, a presença da GD2 entre o ponto de falha e um relé pode causar
uma baixa corrente de falta para ser vista pelo relé de proteção. A GD reduz efetivamente o
alcance (isto é, zona) do relé. Isso aumenta o risco de detectar faltas de alta resistência a
falhas detectadas. Nesse caso, uma proteção de retaguarda pode intervir para interromper uma
falha.
2.9
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A produção descentralizada permite, em certas aplicações, reduzir o investimento
necessário e aumentar a eficiência global do sistema, bem como as perdas na transmissão.
Estatisticamente é provado que a utilização de várias pequenas unidades, do ponto de vista da
confiabilidade, é mais favorável pelo fato de existir uma maior diversidade no fornecimento
de energia. No entanto, estudos para avaliar a adequação do sistema de proteção após conexão
de GD à rede são necessários.
Capítulo 2 – Geração Distribuída
24
CAPÍTULO 3
ESTUDO DE CASO: ALIMENTADOR JUREMA 4
3.1
CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Este capítulo tem a finalidade de representar o circuito que servirá para o estudo sobre
a influencia da geração distribuída no ajuste da proteção de sistema de proteção de um
alimentador de distribuição de energia elétrica. O circuito escolhido para investigação foi o
alimentador da subestação de Jurema em Fortaleza (CE), denominado Jurema 4, da
concessionária do estado do Ceará, Coelce – Companhia Energética do Ceará. No software
EasyPower foram representados os parâmetros de carga, cabeamento, transformadores e
equipamentos de proteção do alimentador de 13,8 kV.
Será analisado o comportamento do fluxo de potencia no alimentador para se observar
o nível de tensão nas barras e o carregamento dos vãos do alimentador bem como avaliar a
coordenação da proteção do circuito. A partir desses parâmetros, será possível analisar o
comportamento do circuito após a instalação da GD.
3.2
ASPECTOS GERAIS DO ALIMENTADOR
O alimentador do circuito 4 da subestação de Jurema, JMA01M4, nomenclatura
adotada pela COELCE para designar seus circuitos de distribuição possui uma extensão total
de 24,66 km, sendo 5,239 km sua extensão principal e o restante derivações do circuito
principal. Tal extensão abrange uma área correspondente ao bairro Conjunto Ceará e o início
do bairro Bom Jardim. O circuito possui 108 transformadores de distribuição, dentre esses 89
são pertencentes à COELCE e o restante sendo de proprietários particulares. A potência
instalada no alimentador JMA01M4 é de 10,068 MVA para atender aproximadamente 17.000
clientes.
Basicamente, o alimentador JMA01M4 possui em sua extensão cabos de Cobre de
95mm², porém, nas derivações que surgem do circuito principal, existem outros tipos de
cabos, dos quais os principais estão listados na Tabela 3.1.
Capítulo 3 – Estudo de caso: Alimentador Jurema 4
25
Tabela 3.1 – Relação e características dos cabos utilizados no alimentador.
Os transformadores ao longo do alimentador possuem suas potências nominais
especificadas. Nesses transformadores, existem vários tipos de cargas que sofrem variações
próprias da natureza dinâmica de cargas elétricas, como liga-desliga, ocorrências de corte de
energia, solicitações de religação de clientes, migração de clientes entre grupos. A COELCE
trabalha com dois grandes grupos: grupo A, clientes que utilizam a alta tensão, geralmente
indústrias ou grandes complexos comerciais, e grupo B, correspondente aos clientes
residenciais que utilizam a baixa tensão, dentre outras situações que resultam em grandes
variações na carga.
Por conta dessas variações de carga, para se fazer um estudo ou um planejamento em
um alimentador, a COELCE adota uma tabela com uma relação aproximada do fator de
potência e do fator de utilização de cada tipo de transformador. Por exemplo, um
transformador de 150 kVA obviamente não está o tempo todo trabalhando em sua potência
nominal, portanto, é preferível utilizar de um fator que justifica seu uso nos momentos de
carga leve, carga intermediária e carga pesada.
Tabela 3.2 – Tabela de fatores de modelagem de carga.
De acordo com a Tabela 3.2 acima, nota-se os fatores variam de acordo com o tipo de
transformador, onde o fator de utilização (FU) mostra o carregamento médio do
transformador, e o fator de potência (FP) mostra quanto de potência ativa é suprida pelo
transformador.
O software Easypower 9.0 é uma ferramenta computacional utilizada na engenharia
como auxílio ao desenvolvimento de projetos e análises de sistemas de potência industriais,
Capítulo 3 – Estudo de caso: Alimentador Jurema 4
26
comerciais e de serviços públicos. Esse software possui uma enorme interatividade de
análises. A partir de uma única base de dados de um dado sistema podem ser realizadas
análises de curto-circuito, fluxo de potência, coordenação da proteção do sistema, estudo de
harmônicos e de partida de motores. O programa possui também uma variada biblioteca de
equipamentos com cabeamento de linhas, transformadores, relés de proteção, religadores,
disjuntores, etc., é, portanto, uma grande ferramenta para o engenheiro quando se deseja
resultados rápidos e precisos de um circuito de potência.
Com o propósito de reduzir o número de barras do circuito Jurema 4 original, algumas
derivações foram representadas por uma única carga situada no final da derivação.
Salientando que se levou em conta a extensão até o fim do cabo que deriva do circuito
principal, reduzindo assim o número de barras e concentrando toda a derivação em uma única
barra.
A representação do circuito no programa Easypower se inicia com as especificações para
representação do sistema equivalente do restante do sistema da concessionária, para o que são
necessárias as correntes de curto-circuito trifásico e monofásico e suas relações de X/R nos
momentos de geração mínima e máxima. Os valores se encontram na Tabela 3.3.
Tabela 3.3 – Níveis de curto circuito nos dois momentos de geração
Com a representação geral do circuito, com seu cabeamento, transformadores e cargas,
foi simulado o fluxo de potência para cada uma das três situações de carregamento, a fim de
ser observado o perfil da tensão nos terminais dos transformadores e nas barras do
alimentador. O ANEXO A mostra a configuração do alimentador estudado.
De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), no módulo 8 do
Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST),
que trata sobre qualidade de energia, a tensão a ser contratada nos pontos de conexão pelos
clientes atendidos em valor nominal superior a 1 kV deve situar-se entre 95% e 105% da
Capítulo 3 – Estudo de caso: Alimentador Jurema 4
27
tensão nominal do sistema [10]. Dessa forma, foi observado que das variações de carga,
somente a de carga pesada e geração máxima houve violação nas restrições de tensão como
mostra a Figura 3.1 com destaque para as barras violadas em cor vermelha.
Figura 3.1 – Barras onde a tensão difere do regulamento da ANEEL.
A figura acima mostra que a partir das barras 58 até o final do circuito a tensão de
fornecimento está abaixo de 0,95 p.u. ou abaixo de 95% de seu valor nominal. Isso sinaliza
como um ponto provável de se instalar uma geração.
Capítulo 3 – Estudo de caso: Alimentador Jurema 4
28
3.3
ESTUDO DA PROTEÇÃO
A proteção do alimentador JMA01M4 foi basicamente representada no programa por
uma coordenação de suas funções de sobrecorrente. Essas funções, assim como o restante das
funções de proteção, funcionam da seguinte forma: Os relés de proteção atuam a partir da
comparação dos dados medidos no sistema elétrico com valores pré-ajustados no próprio relé.
Os relés recebem sinais de tensão e/ou sinais de corrente através de transformadores
de instrumentos, transformadores de potencial (TP) e os transformadores de corrente (TC),
respectivamente. Os valores de tensão e/ou correntes medidos são comparados com valores
pré-definidos, e caso as grandezas medidas pelo relé na zona de proteção sob a sua
responsabilidade estejam acima ou abaixo dos valores pré-definidos, os relés enviam
comandos de abertura (trip) para o(s) disjuntor(es) para que seja isolada do restante do
sistema a parte do sistema elétrico em falta.
A coordenação da proteção foi feita entre os relés COELCE e o religador R29W1413
que se encontra no meio do circuito. O Easypower não possui em sua biblioteca o
equipamento religador, mas e possível através do ajuste apropriado do rele representar a
atuação do religador fazendo uso de curvas tempo x corrente rápidas e lentas, a fim de
observar se há coordenação entre os dispositivos.
3.3.1
PROTEÇÃO DA CONCESSIONÀRIA
No ponto de entrega de energia, ou seja, na saída do alimentador da subestação, os
dispositivos de proteção foram dimensionados de acordo com a Ordem de Ajuste da Proteção
(OAP) [11], documento existente na COELCE, que especifica todo o dimensionamento das
proteções da média tensão em alimentadores e subestações. Essa especificação foi adotada
para que seja obtida uma melhor representação do alimentador, tendo assim uma aproximação
da realidade de um sistema distribuição de energia.
Essas programações são obtidas pelas correntes de curto-circuito trifásico, bifásico e
monofásico do alimentador, além dos dados da relação de transformação do TC (RTC) de fase
e de neutro, TAPE de fase e de neutro, tipo de temporização (se a curva é normalmente
inversa, muito inversa ou extremamente inversa) e o dial de tempo. Essas informações se
encontram na OAP.
Capítulo 3 – Estudo de caso: Alimentador Jurema 4
29
O relé utilizado na proteção desse alimentador é o modelo P142 do fabricante
AREVA, voltado para o gerenciamento de alimentadores, para níveis de tensão de
transmissão e distribuição, realizando a proteção, o controle e o monitoramento das linhas
aéreas e cabos subterrâneos.
A faixa de operação do relé é adequada para todas as aplicações em que é requerida a
proteção de sobrecorrente. Além disso, é apropriado para vários tipos de aterramentos de
sistema: sistemas solidamente aterrados, aterrados por impedância, aterrados por bobina de
Petersen e para sistemas isolados.
A lógica programável interna permite ao usuário customizar as funções de controle e
proteção, além de realizar a programação das funcionalidades das entradas opticamente
isoladas, relés de saída e indicações de LED. O esquema lógico programável é composto por
portas lógicas e temporizadores de uso geral. As portas lógicas incluem "OU", "E" com suas
principais funções, com a capacidade de inverter entradas e saídas e fornecer realimentação
[12].
Na Tabela 3.4, tem-se a programação das proteções de sobrecorrente instantâneas e
temporizadas de fase (50/51) e de neutro (50N/51N). A partir da programação, é possível
traçar a curva de atuação das funções programadas nos relés. Com as curvas dos relés
definidas e a curva do religador, será possível ver realizar a coordenação dos dispositivos e
simular a proteção do sistema em questão.
Tabela 3.4 – Dimensionamento dos relés da COELCE.
3.3.2
PROTEÇÃO AO LONGO DO CIRCUITO – RELIGADOR R29W1423
Como o nome sugere, um religador automaticamente religa após a abertura,
restaurando a continuidade do circuito mediante faltas de natureza temporária ou
interrompendo o circuito mediante falta permanente. O princípio de funcionamento pode ser
descrito da seguinte forma: Ao detectar um curto-circuito no sistema, desliga e religa
automaticamente os circuitos um número pré-determinado de vezes. Os contatos são abertos
durante certo tempo, chamado tempo de religamento, a fim de constatar se a falta é transitória
ou permanente. Se, com o fechamento dos contatos, a corrente de falta persistir, a seqüência
Capítulo 3 – Estudo de caso: Alimentador Jurema 4
30
abertura/fechamento é repetida até três vezes consecutivas e, após a quarta abertura, os
contatos ficam abertos e travados, sendo o novo fechamento somente manual.
A prática comum de uso de religadores automáticos pelas concessionárias de energia
elétrica tem reduzido a duração das interrupções de patamares de 1h para menos de 1 min,
acarretando em benefícios para as concessionárias e clientes quanto a qualidade no serviço de
suprimento.
Normalmente os religadores são projetados para ter uma seqüência de religamento de
até quatro operações abre-fecha e após isso uma operação de abertura final bloqueará a
seqüência. Se ajustado para quatro operações, com seqüência típica de quatro disparos e três
religamentos, a seqüência de operação varia entre disparos instantâneos e temporizados, que
variam de acordo com a programação.
No estudo em questão, a configuração do religador R29W1413 está no ajuste de 1
operação instantânea e 3 temporizadas. É possível ser ajustado no relé de proteção qual
função será a responsável pela ativação dos ciclos de religamento. Ou seja, é possível definir,
por exemplo, que o primeiro ciclo de religamento será ativado pela unidade de sobrecorrente
instantânea de fase e que os demais ciclos serão ativados pela unidade de sobrecorrente
temporizada de fase. Analogamente o mesmo comentário pode ser estendido às unidades de
neutro, ou de terra de alta sensibilidade.
Para o religador, o dimensionamento da proteção é feito em quatro etapas. O primeiro
desligamento, em caso de falta, é rápido, pois a falta pode ser transitória. Já os outros
desligamentos são lentos, para que haja tempo hábil para queima de fusível nas derivações do
alimentador. Por conta disso, obtêm-se quatro curvas de proteção do sistema, duas para os
acionamentos lentos e rápidos de fase e duas para os acionamentos rápidos e lentos de neutro.
Como mostrados na Tabela 3.5.
Tabela 3.5 – Dimensionamento do religador.
Ao determinar os ajustes dos relés de sobrecorrente e demais dispositivos de proteção
em série, deve-se manter uma margem de tempo adequada entre suas curvas características a
fim de se obter uma operação coordenada.
Capítulo 3 – Estudo de caso: Alimentador Jurema 4
31
A curva de coordenação resultante se encontra na Figura 3.2.
Figura 3.2 – Gráfico da curva de coordenação de fase.
De acordo com o gráfico, pode-se observar as curvas de atuação de sobrecorrente de
fase da Coelce, em cor verde, e as curvas rápidas e lentas do religador. Nota-se que a função
sobrecorrente de fase do religador atua muito antes do que o relé da concessionária, tanto as
curvas 112 e 117. Isso mostra a coordenação perfeita entre os dispositivos de proteção do
alimentador, onde caso haja uma falta, o religador atuará primeiro que os relés da COELCE,
garantindo assim, o fornecimento. O mesmo se aplica observando o gráfico de sobrecorrente
de neutro, mostrado na Figura 3.3.
Capítulo 3 – Estudo de caso: Alimentador Jurema 4
32
Figura 3.3 – Curva de coordenação de Neutro.
3.4
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O programa Easypower é uma ferramenta grande auxilio na simulação de circuitos de
transmissão e distribuição. Sua interface é simples, de fácil manuseio e um banco de dados
com vários tipos de equipamentos que permite uma representação bem aproximada de um
circuito real.
O alimentador JMA01M4 foi bem representado no programa citado, suas proteções se
encontram coordenadas e suportam as correntes de curto que possam existir, sendo elas de
natureza transitória ou permanente, ficando a cabo do religador do alimentador atuar antes de
qualquer atuação da proteção da barra a que se conecta o alimentador.
Capítulo 3 – Estudo de caso: Alimentador Jurema 4
33
CAPÍTULO 4
DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DA PROTEÇÃO DO GERADOR
CONECTADO AO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO
4.1
CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Este capítulo irá abordar as análises dos resultados de simulação da operação de um
alimentador de sistema de distribuição após a instalação da GD no alimentador. Uma vez
escolhido em qual momento e onde a GD deve ser instalada, necessita-se agora de um tipo de
geração, no caso, foi escolhido um motor a diesel ligado a um gerador síncrono, depois será
visto como o equipamento se comporta no circuito, bem como suas proteções em relação à
subestação e suas proteções já existentes.
4.2
MAQUINA SÍNCRONA
As máquinas síncronas estão entre os três tipos mais comuns de máquinas elétricas.
São chamadas
síncronas por que operam com uma velocidade de rotação constante e
velocidade do campo do rotor sincronizada com velocidade do campo girante – sincronismo
entre campo do estator e rotor. Como a maioria das máquinas girantes, a máquina síncrona é
capaz de operar tanto como um motor, quanto como um gerador [13].
As duas partes principais de uma máquina síncrona são estruturas ferromagnéticas. A
parte estacionária é chamada de estator ou armadura, nela possui ranhuras onde ficam as
bobinas dos enrolamentos da armadura. A parte girante da máquina é chamada de rotor. Os
enrolamentos do rotor são chamados de enrolamentos de campo [14].
O princípio de funcionamento de uma máquina se dá dependendo de como ela irá
operar. Como gerador síncrono ou como motor síncrono.
Capítulo 4 – Obtenção e Análise de Resultados
34
4.2.1
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
4.2.1.1 GERADOR SÍNCRONO
Ao operar como gerador, a energia mecânica é fornecida à máquina pela aplicação de
um torque e pela rotação do eixo da mesma. A fonte de energia mecânica pode ser, por
exemplo, uma turbina hidráulica, a gás ou a vapor. A tensão aos seus terminais é ditada pela
frequência de rotação e pelo número de pólos: a frequência da tensão trifásica gerada depende
diretamente da velocidade da máquina.
Para que a máquina síncrona seja capaz de converter a energia mecânica aplicada no
seu eixo, é necessário que o enrolamento de campo localizado no rotor da máquina seja
alimentado por uma fonte de tensão contínua. Dessa forma, ao girar o campo magnético
gerado pelos pólos do rotor, há um movimento relativo aos condutores dos enrolamentos do
estator.
Devido a esse movimento relativo entre o campo magnético dos pólos do rotor, a
intensidade do campo magnético que atravessa os enrolamentos do estator irá variar no
tempo, e assim teremos pela lei de Faraday, uma indução de tensões aos terminais dos
enrolamentos do estator. Devido à distribuição e disposição espacial do conjunto de
enrolamentos do estator, as tensões induzidas aos seus terminais serão alternadas.
A corrente utilizada para alimentar o campo (enrolamento do rotor) é denominada
corrente de excitação. Quando o gerador funcionar de forma isolada de um sistema elétrico, a
excitação do campo irá controlar a tensão elétrica gerada. Quando o gerador está conectado a
uma rede elétrica que possui diversos geradores interligados, a excitação do campo irá
controlar a potência reativa.
4.2.1.2 MOTOR SÍNCRONO
Ao operar como motor síncrono, a energia elétrica é fornecida à máquina pela
aplicação de tensões alternadas trifásicas aos terminais dos enrolamentos do estator. Além
disso, os enrolamentos de campo do rotor são alimentados por uma fonte de tensão contínua.
As tensões aplicadas aos enrolamentos do estator, como são alternadas e trifásicas,
induzirão uma corrente alternada de mesma frequência que a tensão aplicada. A corrente
induzida produzirá campos magnéticos também alternados que variam no tempo.
Capítulo 4 – Obtenção e Análise de Resultados
35
Além disso, devido à disposição espacial dos enrolamentos no estator, esses campos
magnéticos variantes no tempo também irão circular pelo estator, de forma que o campo
magnético resultante irá girar no entreferro da máquina com velocidade angular proporcional
à frequência da tensão alternada aplicada nos enrolamentos.
Assim, quando um dos pólos do campo magnético gerado pelo enrolamento do rotor
interagir com o campo resultante do estator, haverá uma tentativa de alinhamento desses
campos, com isso, surgirá no rotor um binário de forças que gera um torque de forma que o
rotor gire e mantenha os campos do rotor e do estator alinhados e na mesma velocidade [15].
Apesar de uma tecnologia antiga, máquinas síncronas ainda são bastante comuns em
sistemas de potência.
4.2.2
DADOS DO GERADOR SÍNCRONO UTILIZADO
O gerador síncrono utilizado na simulação possui uma potência de 2MVA, tensão
nominal de 13,8 kV. Os demais parâmetros como de impedância são mostrados na
Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Parâmetros do gerador síncrono de 2MVA.
As reatâncias sub-transitória e transitória definem a intensidade da corrente na partida
do gerador e sob condição de falta.
O gerador síncrono que representa uma unidade de geração distribuída conectada ao
alimentador da concessionária é protegido por relé com a função de sobrecorrente de fase e
neutro, ambas do tipo instantâneas e temporizadas. Os enrolamentos de estator do gerador
trifásico são ligados em estrela aterrada.
Capítulo 4 – Obtenção e Análise de Resultados
36
Devido a presença da GD, o religador deverá ser removido do sistema, pois, caso haja
um problema de falta, a seqüência de operação do religador (ligar e desligar) poderá causar
danos eletromecânicos ao gerador [9]. Para isso, necessita-se de um projeto de proteção da
GD.
4.3
DIMENSIONAMENTO DO TC E CÁLCULO DE AJUSTE DA PROTEÇÃO DO
GERADOR
Para dimensionamento do transformador de corrente que alimenta o relé de proteção
do gerador, foi obtido no programa Easypower, através da opção short-circuit, as correntes de
curto-circuito trifásico (Icc3F), bifásico (Icc2F), monofásico (Icc1F) e monofásico mínimo
(Icc1F-MIN) para uma série de formulações encontradas em [16]. Os valores de corrente de
curto circuito são apresentados na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 – Valores de curto-circuito do alimentador.
4.3.1
CÁLCULO DO DIMENSIOMENTO DO TC
A partir dos valores de corrente de curto circuito e com a corrente nominal do gerador,
calcula-se o dimensionamento do TC. Para isso, a corrente do primário do TC deverá ser
maior que a máxima corrente de curto circuito dividida por 20, para que os TC´s não entrem
em saturação. A corrente de primário do TC ( I PTC ) é calculada por:
I PTC 
I CCMÁX
20
(4.1)
Substituindo o valor de corrente máxima da Tabela 4.2 em (4.1) tem-se:
I PTC 
I CCMÁX
20

5606
 280.3 A
20
Logo, o primário do TC será I PTC  300 A e a corrente de secundário ( I STC ) do TC
será: I STC  5 A , pois é o padrão de secundários de TC´s.
Capítulo 4 – Obtenção e Análise de Resultados
37
4.3.2
CÁLCULO DOS TAPES DO RELÉ
4.3.2.1 AJUSTE DA CORRENTE DE FASE
Para o ajuste da corrente de fase do relé do gerador, deve-se escolher o fator que
representará a sobrecarga admissível na sua instalação. Normalmente, escolhe-se fator de
segurança (FS) com valor entre 1,2 e 1,5. A corrente nominal deve ser multiplicada por este
valor, para determinar a corrente máxima de sobrecarga entre as fases. Considerando que o
relé irá enxergar a corrente que passa pelo secundário dos TC´s, o valor será:
TAPE( F ) 
FSxI N
RTC
(4.2)
RTC é a relação do transformador de corrente, que segundo os valores obtidos na
seção 4.3.1 tem-se que:
RTC  300  60 .
5
Assim, substituindo os valores em (4.3) e adotando o fator de segurança igual a 1,3 e a
corrente nominal retirada da Tabela 4.1 tem-se que:
TAPE( F ) 
FSxI N 1.3x83.67

 1.81A
60
RTC
Adotando um tape de 2,0 A ( TAPE( F ) ADOTADO  2.00 A ), de forma que o relé não opere
para a corrente de segurança, como a corrente de segurança que é dada por:
I S ( F )  FSxI N
(4.3)
E a corrente de disparo do relé é obtida pela fórmula:
ITRIP ( F )  RTCxTAPE( F ) ADOTADO
Substituindo os valores nas equações (4.3) e (4.4):
Capítulo 4 – Obtenção e Análise de Resultados
(4.4)
38
I S ( F )  1.3x83.67  108.77 A
I ( F )TRIP  RTCxTAPE( F ) ADOTADO  60 x 2  120 A
O que satisfaz a condição de segurança:
ITRIP  Is
(4.5)
4.3.2.2 TAPE DE NEUTRO
Para o ajuste da corrente de neutro do relé de sobrecorrente do gerador, deve-se
escolher o fator que representará a segurança na sua instalação, em relação à corrente que
passa pelo condutor neutro, que num circuito equilibrado deveria ser nula. Porém,
dificilmente uma instalação terá circuitos perfeitamente equilibrados. Normalmente, escolhese um fator de desequilíbrio (FD) com valor entre 0,1 e 0,3.
A corrente nominal do cliente deve ser multiplicada por este valor, para determinar a
corrente máxima de desequilíbrio entre as fases. Considerando que o relé irá enxergar a
corrente que passa pelo secundário dos TC´s, o valor deste Tape será:
TAPE( N ) 
FDxI N
RTC
(4.6)
Adotando um fator de desequilíbrio igual a 0,2, o valor do TAPE de neutro é igual a:
TAPE( N ) 
FDxI N 0.2 x83.67

 0.28 A
60
RTC
Análogo ao teste feito para o Tape de fase, foi adotado para o Tape de neutro valor
igual a 0,4. A corrente de segurança é obtida por:
I S ( N )  FDxI N  0, 2 x83.67  16.73 A
Capítulo 4 – Obtenção e Análise de Resultados
39
A corrente de disparo (trip) de neutro é dado por:
ITRIP ( N )  RTCxTAPE( N ) ADOTADO  60 x0.4  24 A
Novamente, observa-se que o critério de segurança foi obedecido.
4.3.3
AJUSTES INSTANTÂNEOS
4.3.3.1 AJUSTE INSTANTÂNEO DE FASE
Os ajustes instantâneos recebem esse nome porque não obedecem às curvas inversas
de múltiplo-tempo, mas atuam instantaneamente, a partir dos valores de suas respectivas
correntes de trip. São utilizadas, principalmente, para interromper imediatamente correntes de
valores elevados, de forma que não provoquem danos às instalações elétricas ou ao sistema de
distribuição.
Para o cálculo da corrente de ajuste da unidade instantânea de fase, são levados em
conta dois valores de correntes: a corrente de curto-circuito bifásico ( I CC 2 F ) e a corrente de
partida do gerador( I P ).
A corrente de partida circula durante a energização da máquina. Portanto, apesar de
ser bem maior que a corrente nominal, não caracteriza sobrecarga ou curto-circuito. Logo, o
relé não deve atuar para este valor de corrente, e sim, para os valores de corrente de curtocircuito bifásico e trifásico. Como o curto-circuito bifásico é sempre menor que o trifásico, ele
será usado para o cálculo da corrente de ajuste instantânea, pois se o relé atua para o curtocircuito bifásico, certamente atuará também para o curto-circuito trifásico. Nessas condições:
I P ( N )  ITRIP  INST ( F )  I CC 2 F
(4.7)
I P ( N ) é cerca de 6 a 8 vezes a corrente nominal I ( N ) .
Considerando a corrente no secundário dos TC´s:
I P( N )
RTC
 I AJUSTE  INST ( F ) 
I CC 2 F
RTC
Dessa forma, desenvolvendo as fórmulas (4.14) e (4.15) tem-se:
Capítulo 4 – Obtenção e Análise de Resultados
(4.8)
40
11,156 
8  83, 67
4855
 I AJUSTE  INST ( F ) 
 80,92 A
60
60
Assim, para I AJUSTE  INST ( F )  15 A , e:
ITRIP  INST ( F )  RTCxI AJUSTE  INST ( F )  60 x15  900 A
4.3.3.2 AJUSTE INSTANTÂNEO DE NEUTRO
Para o cálculo da corrente de ajuste da unidade instantânea de neutro, é levado em
conta apenas o valor da corrente de curto-circuito monofásico mínimo, já que este é sempre
menor que o valor da corrente de curto-circuito monofásico franco. Logo, se o relé atua para a
corrente de curto-circuito monofásico mínimo, atuará também para o curto - circuito
monofásico franco. Desta forma:
I AJUSTE  INST ( N ) 
I CC1F  MIN
RTC
(4.9)
Substituindo os valores de corrente de curto-circuito e RTC em (4.18) tem-se:
I AJUSTE  INST ( N ) 
I CC1F  MIN 102

 1.7 A
RTC
60
O valor de ajuste adotado é igual a 1,5. Assim tem-se como ITRIP  INST ( N ) :
ITRIP  INST ( N )  RTCxI AJUSTE  INST ( N )  60 x1.5  90 A
Após esses cálculos, os valores encontrados foram inseridos nos relés de proteção no
programa EasyPower para obter as curvas de coordenação das funções de sobrecorrente de
fase e neutro.
O resultado da coordenação de fase é mostrado na Figura 4.1 e Figura 4.2. É possível
ver que as funções de sobrecorrente dos relés, tanto o do gerador, quando da concessionária,
estão devidamente coordenadas. Com o acréscimo da GD no sistema, além de uma melhoria
Capítulo 4 – Obtenção e Análise de Resultados
41
nas tensões de distribuição nos pontos que estavam abaixo de 0,95p.u., não houve necessidade
de uma novo projeto de dimensionamento nos relés da concessionária, pois, apesar das
correntes de curto-circuito terem aumentado, a antiga proteção ainda suporta esse aumento.
Figura 4.1 – Coordenação de fase entre GD e Concessionária.
Na Tabela 4.2 é mostrado o coordenograma de neutro. Pode se observar que os valores
de projeto se encontraram muito próximos. Isso ocorre por conta da limitação do relé em
relação aos tapes. O valor da corrente de neutro da GD poderia ser menor que 24 A, porém,
era o mínimo de tape que poderia ser ajustado dentro do TC que foi dimensionado.
Capítulo 4 – Obtenção e Análise de Resultados
42
Figura 4.2 – Coordenação de Neutro entre GD e Concessionária
4.4
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com a instalação da GD, foi visto que o sistema não foi tão afetado em relação ao
dimensionamento de sua proteção, mesmo com a retirada do religador do alimentador. Com
isso, foi possível utilizar uma GD com uma potência para suprir uma demanda de carga, sem
que ela afete o sistema de uma forma negativa.
Capítulo 4 – Obtenção e Análise de Resultados
43
CAPÍTULO 5
CONCLUSÃO
A produção descentralizada permite, em certas aplicações, reduzir o investimento
necessário e aumentar a eficiência global do sistema, bem como diminuir as perdas na
transmissão. Estatisticamente é provado que a utilização de várias pequenas unidades, do
ponto de vista da confiabilidade, é mais favorável pelo fato de existir uma maior diversidade
no fornecimento de energia.
Um alimentador em 13,8 kV com quase 25 km de extensão, 108 transformadores de
distribuição e potencia instalada de 10 MVA foi representado no programa de simulação
Easypower. Para as condições de carregamento de carga leve, media e pesada foi obtido o
fluxo de potência no alimentador para avaliar o nível de tensão nas barras. Foi detectada, sob
condição de carregamento máximo, subtensão em seis barras do alimentador.
Foi apresentado o coordenograma para as funções de proteção de sobrecorrente da
barra da subestação Jurema e do religador do alimentador Jurema 4. A proteção se mostrou
coordenada, com tempo de atuação menor para as curvas do religador, instantânea e
temporizada, que a proteção da barra da subestação.
Por meio de simulação, foi conectado na barra 61 do alimentador um gerador síncrono
de 2 MVA ligado diretamente ao circuito, que antes da conexão do gerador apresentou
subtensão, passou a operar com tensão na faixa de operação adequada quando a ela foi
conectada a GD. Devido a conexão da GD ao alimentador, o religador foi ajustado para
somente uma atuação instantânea.
A proteção do gerador foi projetada e avaliada a coordenação da proteção do gerador e
do alimentador. O coordenograma traçado mostrou que as proteções do gerador se encontram
coordenadas com a proteção do alimentador, sem necessidade de qualquer adequação, a
menos da exclusão da seqüência de operação do religador.
Com a consolidação da GD no mercado de energia elétrica, um novo modelo de
geração deverá surgir em que haverá a coexistência com a geração centralizada. Um grande
número de pequenos e médios produtores de energia elétrica com tecnologia baseada em
fontes renováveis de energia deverá ser integrado à rede elétrica. Milhares de usuários terão
geração própria tornando-se ambos, produtores e consumidores de energia elétrica. O
Capítulo 5 – Conclusão
44
mercado de energia elétrica deverá fazer uso pleno de ambos, grandes produtores
centralizados e pequenos produtores distribuídos. Porém, tendo em vista que a qualidade do
serviço tem que ser garantida, através da proteção adequada dos sistemas de distribuição, no
caso estudado, uma pequena geração foi utilizada, mas caso algum proprietário desejar
produzir energia elétrica em larga escala, deverá ter em vista que a proteção do sistema deve
ser algo a ser levado em consideração.
Como desenvolvimento futuro, sugere-se um maior investimento na busca de novas
tecnologias de geração, uma vez que as formas convencionais de geração de energia no Brasil
se encontram no limite máximo de produção, pois os níveis das hidrelétricas baixando devido
ao aquecimento global, um investimento adequado em GD´s favoreceriam a qualidade da
energia para os consumidores finais, e um alivio maior para as usinas geradoras, que
trabalhariam sem sobrecarga.
Capítulo 5 – Conclusão
45
CAPÍTULO 6
REFERÊNCIAS
[1] E.J.W. van Sambeek, M.J.J Scheepers.:“REGULATION OF DISTRIBUTED
GENERATION” A European Policy Paper on the Integration of Distributed
Generation in the Internal Eletricity Market, Sustelnet, June 2004.
[2] Velasco, Juan A. Martinez, Arnedo, J. Martin.: “Distributed Generation Impact on
Voltage Sags in Distribution Networks”, Barcelona Outubro de 2007.
[3] http://www.dg.history.vt.edu “Distributed Generation: Education Modules” acessado
às 22h35min do dia 16 de Setembro de 2010.
[4] Santos, Fernando Antônio Castilho dos, Santos, Fernando Miguel Soares Mamede
dos, “Geração Distribuída Versus Centralizada”, Matéria do site Millenium, Revista
do ISPV, nº35, Novembro de 2008.
[5] http://pt.wikipedia.org/wiki/Nikola_Tesla “Nikola Tesla” acessado às 15h48min do
dia 19 de Setembro de 2010.
[6] http://pt.wikipedia.org/wiki/Thomas_Edison “Thomas Edison” acessado às 16h12min
do dia 19 de Setembro de 2010.
[7] http://pt.wikipedia.org/wiki/Guerra_das_Correntes “Guerra das correntes” acessado
as 16h33min do dia 19 de Setembro de 2010.
[8] John Eli Nielsen, Christian, Gaardestrup, Soren Varming, SUSTELNET, Policy and
regulatory roadmap for the integration of Distributed Generation and the development
of sustainable electricity networks “Review of Technical options and constraints of
integration of Distributed Generation in electricity netwoks” ELTRA.
Capítulo 6 – Referências
46
[9] Roger C. Durgan, Mark F. McGranahan, Surya Santoso, H Wayne Beaty, “Electrical
Power Systems Quality” 2nd Edition Copyright Material.
[10] Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional –
PRODIST. Módulo 8 Qualidade da Energia Elétrica.
[11] Ordem de Ajuste De Proteção – Subestação: Jurema (JMA) OAP nº101 / 2009
COELCE.
[12] AREVA. MiCOM P14X Feeder Management Relay – Technical Manual. 2006.
[13] NASAR, Syed A. “Máquinas elétricas”, tradução de Heloi José Fernandes Moreira.
São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1984 (Coleção Schaum).
[14] J. Grainger and W. Stevenson Jr. “Power System Analysis”, Mcgraw Hill Inc, 1994.
[15] “Máquina Síncrona” http://pt.wikipedia.org/wiki/Máquina_síncrona acessado ás
20:00 do dia 04 de Novembro de 2010.
[16] Júnior, Carlos Alberto de Oliveira, “Estudo de Proteção e Metodologia de Cálculo –
Subestações de 15kV”, 2006.
Capítulo 6 – Referências
ANEXO A
DIAGRAMA UNIFILAR DO ALIMENTADOR JMA01M4
29m
JMA01M4
TT 150
42m
1:5000
42W1003
TT 45
18P0946
108m
TT 75
44W0034
FJ44W0034
1m
4m
16m
142m
CAA 4AWG
TT 112,5
9m
TT 112,5
TT 112,5
FR63W0067
TT 150
FU88I1022
14m
55P1076
175m
41W0078
79m
78m
CCN 25MM2
63W0067
52W0076
TT 75
FH88P1067
1m
70m
92m
73m
FR23W0153
23W0040
22m
CAA 4AWG
23m
CCN 4AWG
36m
FR26W0113
FS03W0375
57m
107m
29m
CAA 4AWG
TT 150
TT 45
03W0342
TT 112,5
03W0127
133m
19W0039
199m
52m
51m
SR26W0410
26m
139m
TT 75
65m
70m
96m
23W0382
14m
CAA 4AWG
CAA 4AWG
TT 45
FS03W0358
5m
19m
18m
03W0432
1m
54m
147m
20m
TT 112,5
FR23W0309
TT 150
FR23W0113
23W0434
20m
82m
88P1087
28m
36W0118
101m
TT 75
48m
40m
TT 75
23W0206
CAA 1/0AWG
TT 75
20m
54m
CAA 1/0AWG
39W0123
TT 45
08O1099
27m
30W0078
77m
FR23W0591
81W0039
36m
TT 75
22W0455
111m
TT 75
157m
TT 112,5
FR23W0152
1m
1m
112m
39m
TT 75
45m
111m
CAA 4AWG
FR26W0784
66P1153
56m
33m
FR23W0746
1m
52W0325
67P1073
FG66P1118
38m
71W1198
26m
TT 75
74m
1m
TT 45
FS71W1170
21W1570
TT 75
SR26W0811
26W0653
23m
TT 75
66P1118
10m
15m
66P1118
10m
TT 150
22W0710
TT 75
23W1066
27m
18m
TT 112,5
151m
134m
CAA 4AWG
SR26W0607
71W1170
46m
CAA 4AWG
1m
TT 150
FR23W0879
1m
TT 225
FG66P1153
112m
CCN 25MM2
67m
1m
CCN 25MM2
30m
CCN 25MM2
27W0103
102m
FR22W0632
52W0298
192m
603m
TT 75
FR42W1000
68m
3m
1m
CAA 4AWG
SX50W1063
TT 112,5
FR23W0263
23W0666
178m
TT 45
42W1000
76m
TT 112,5
111m
73m
CAA 4AWG
55W1264
146m
FR23W0967
48m
SR22W0995
77P0069
123m
21m
103m
104m
TT 112,5
34W0120
40m
74m
34m
77m
64m
21W0146
22W2157
422m
66W2228
32m
144m
23m
73m
94m
TT 75
FW66W2259
25P1022
72m
CAA 4AWG
F69667
TT 112,5
226m
TT 75
64m
TT 75
24m
125m
1m
TT 30
245m
CAA 4AWG
1m
TT 225
21W0845
62m
17m
26m
29m
112m
TT 75
22P1395
62W1485
210m
folha: L.1 C.5
FV33W0068
38P0085
21m
CAA 4AWG
6m
CAA 4AWG
1m
CCN 25MM2
1m
30m
CAA 4AWG
82m
FR27W0361
27W0249
35m
TT 112,5
22W1216
17m
CAA 4AWG
TT 112,5
23W1342
TT 150
29W0184
82m
CCN 4AWG
FV21W0146
CAA 4AWG
195m
TT 112,5
110m
1m
FV29W0134
30W0532
27m
FR21W0845
FV21W0319
21W0235
110m
55m
TT 150
21W1470
17m
SU92W0006
203m
239m
23m
CCN 4AWG
37m
29m
27W0069
33m
40m
TT 225
TT 112,5
147m
CAA 4AWG
CAA 4AWG
204m
TT 150
SR21W0693
137m
17m
FU99W0016
168m
CAA 1/0AWG
FR21W1470
SR21W1169
86m
77m
21W0042
250m
TT 75
216m
42m
39m
164m
134m
8m
81m
CAA 1/0AWG
120m
21m
14m
CAA 4AWG
55m
TT 112,5
30W0033
39m
5m
21W1534
CAA 4AWG
1m
CCN 25MM2
223m
1m
TT 150
268m
FR23W1166
1m
CAA 4AWG
98m
TT 150
45m
folha: L.1 C.4
23W1250
TT 45
51m
CAA 4AWG
141m
92m
34m
TT 112,5
36m
SR21W1661
folha: L.1 C.3
folha: L.1 C.2
100m
22m
32m
SR21W1619
43m
1m
CCN 25MM2
22W0969
113m
7m
TT 112,5
SR29W1692
41m
96m
folha: L.1 C.6
121m
29W1233
74m
151m
TT 75
SR15W0097
8m
FR29W1233
111m
72m
23m
1m
CCN 95MM2
CAA 4AWG
29m
SR22W0923
39m
CAA 1/0AWG
CAA 4AWG
16m
6m
SR29W1453
A
CAA 4AWG
102m
1m
CCN 25MM2
28m
CAA 1/0AWG
SR23W1044
23W1154
28m
74m
TT 45
18m
FR21W0726
TT 112,5
33W0166
25m
CCN 4AWG
11W0067
5m
CAA 1/0AWG
3m
TT 75
SR23W0957
R
FS77W1943
TT 45
23P1107
105m
17W0078
127m
23m
TT 75
107m
FS71W0004
124m
07W0040
R.R29W1413
187m
5m
TT 75
FR29W0853
63m
FR21W1570
FR29W1806
72W0248
23m
22W0084
FR29W0721
2m
20m
TT 75
FJ55W0170
92m
CAA 1/0AWG
86m
FI52W1549
134m
1m
CAA 4AWG
1m
56m
CAA 1/0AWG
SR29W0936
155m
TT 150
F69724
1m
CCN 25MM2
CAA 1/0AWG
50W0830
1m
200m
TT 150
SR29W0501
63m
FX50W0830
74m
1m
SI52W1589
44m
CAA 4AWG
72m
52W1469
CAA 4AWG
TT 45
94m
6m
TT 45
52W1379
67m
1m
1m
28m
52W1282
28m
47W2477
TT 45
93m
52W1187
96m
TT 150
TT 45
42m
FX47W2476
93m
CAA 4AWG
1m
252m
CCN 25MM2
153m
52W1065
43m
35m
85P1963
11m
34m
TT 75
TT 112,5
SX47W2581
85m
4m
FD85P1963
104m
CCN 25MM2
33m
10m
194m
48m
CCN 25MM2
47W2476
152m
75m
CCN 25MM2
70m
27m
35m
7m
TT 90
SX44W1305
11m
CCN 95MM2
33m
FR22W0780
1m
CAA 4AWG
SR23W0864
71m
73m
87m
122m
CAA 4AWG
SI52W1664
FI52W1311
CAA 4AWG
SGE0010
folha: L.1 C.1
TT 112,5
50W1036
10m
JMA01M4
SGE1334
174m
26m
CAA 4AWG
FV12W0011
19m
19m
68m
154m
106m
CCN 25MM2
FR27W0087
TT 45
34m
8m
CCN 25MM2
CCN 70MM2
CAA 4AWG
28W0984
23m
CCN 25MM2
56m
12W0081
129m
TT 75
FR28W0984
FR29W2425
29W2461
31m
1m
31m
1m
23W1882
TT 112,5
110m
377m
28W1783
95W0283
FR27W0620
SN61W1247
1m
153m
24W0030
65m
25m
FR24W0001
10m
CCN 25MM2
TT 112,5
24W0001
97m
211m
32m
1m
CAA 4AWG
TT 75
29W1096
17m
CCN 25MM2
109m
77m
TT 75
73W0093
TT 112,5
32m
TT 112,5
TT 75
FR28W0768
1m
CAA 4AWG
112m
TT 150
FR27W0565
82m
43m
38m
23W1689
27W0556
55m
47m
CAA 4AWG
325m
72m
71m
TT 45
TT 75
219m
CAA 4AWG
CCN 25MM2
40m
CCN 25MM2
TT 75
28W1140
67m
225
27W0534
23m
TT 75
FN09W1573
75m
69W1573
TT 112,5
TT 75
81W0071
84m
21W0761
114m
CCN 25MM2
CAA 4AWG
TT 112,5
SR27W0424
27W0277
143m
TT 75
20m
29W0356
32m
43m
46m
TT 75
80W0072
CAA 4AWG
TT 75
114m
191m
CCN 25MM2
TT 30
63W0109
10W0087
29m
46m
FR27W0769
50m
14/12/2010 - JMA01M4
60m
23W1820
TT 112,5
39W0135
1m
42m
42m
TT 30
21W1212
TT 75
10W0133
19m
FN78W1697
23W2037
7m
77m
1m
CCN 25MM2
FV10W0133
104m
TT 75
38m
209m
34m
FV21W1212
67m
8m
TT 112,5
40W0098
15m
CAA 2AWG
179m
CCN 25MM2
TT 75
176m
CCN 1/0AWG
1m
CCN 25MM2
FR27W0728
23W2152
82m
110m
TT 112,5
1m
18m
FR23W1798
CAA 4AWG
136m
43m
FI61W0014
21m
22m
267m
75
61W0014
114m
CAA 4AWG
TT 45
78W1697
5m
44m
SI42W0445
folha: L.2 C.1
folha: L.2 C.2
folha: L.2 C.3
folha: L.2 C.4
folha: L.2 C.5
folha: L.2 C.6
42m