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Análise de curto-circuito Prof. Felipe Laure Miranda e Profa. Isabela Oliveira Guimarães Descrição Análise de sistemas elétricos de potência voltada para os estudos de curtos-circuitos e suas formulações matemáticas. Modelagem dos equipamentos de um sistema elétrico e equacionamento dos tipos de curto-circuito, com base na teoria de componentes simétricas. Propósito Os equipamentos ligados aos sistemas elétricos de potência estão constantemente suscetíveis a falhas e condições adversas que podem provocar curtos-circuitos, como problemas de isolação elétrica, condições climáticas adversas, entre outras. Por isso, o conhecimento desse tipo de falhas é de suma importância tanto para prevenção quanto para manutenção rápida em caso de acontecimento do curto- circuito. Objetivos Módulo 1 Modelagem da rede elétrica Descrever a modelagem dos equipamentos em redes elétricas. Módulo 2 Curto-circuito simétrico Reconhecer o curto-circuito simétrico. Módulo 3 Componentes simétricas e redes de sequência Definir a teoria de componentes simétricas e redes de sequências. Módulo 4 Curtos-circuitos assimétricos Reconhecer os curtos-circuitos assimétricos. Introdução ao curto-circuito no sistema elétrico de potência Neste vídeo, apresentaremos a estrutura e os objetivos dos módulos, destacando a importância de conhecer este assunto na vida profissional do estudante. 1 - Modelagem da rede elétrica Ao �nal deste módulo, você será capaz de descrever a modelagem dos equipamentos em redes elétricas. Modelos dos equipamentos de rede Neste vídeo, apresentaremos resumidamente como é feita a modelagem dos equipamentos que compõem a rede elétrica. Modelo do gerador síncrono Os sistemas elétricos de potência são compostos basicamente por subsistemas, subdivididos em geração, transmissão e distribuição, operando em diferentes níveis de tensão separados por transformadores. O objetivo fundamental de um sistema elétrico é atender à demanda das cargas em determinada área, respeitando os limites mínimos necessários para uma operação segura e confiável. Entre os requisitos de operação, pode-se citar frequência e tensão constantes. O controle de frequência é feito diretamente nas unidades geradoras, pois depende da admissão de potência mecânica que é entregue aos geradores, estando altamente associado ao fluxo de potência ativa. Já a tensão das barras de um sistema pode variar continuamente devido a variações da carga ou situações de falha, como a ocorrência de um curto-circuito. A figura a seguir ilustra o diagrama unifilar de um sistema elétrico de potência básico dividido em subsistemas (níveis de tensão). Diagrama unifilar para um sistema elétrico de potência. A ocorrência de um curto-circuito prejudica, de forma agressiva, os próprios equipamentos e ainda coloca em risco os usuários do sistema, uma vez que grandes solicitações de corrente elétrica podem levar a danos térmicos e acidentes graves com a eletricidade. Dessa forma, os níveis de curto-circuito devem ser cuidadosamente calculados de modo a permitir um bom dimensionamento de sistemas de proteção. O comportamento do sistema elétrico, tanto em condições normais de operação como em caso de falha, é modelado a partir de características de seus equipamentos, que permitem o equacionamento matemático para o cálculo de correntes de curto-circuito. Exemplo A modelagem dos equipamentos é relativamente simples, uma vez que o conhecimento em circuitos elétricos e máquinas elétricas é essencial para a obtenção dos modelos. Entre os principais equipamentos modelados em um sistema elétrico, têm-se: o gerador síncrono, as cargas (ex.: motores), o transformador de potência e a linha de transmissão. O gerador síncrono é o elemento ativo de um sistema elétrico, ou seja, que é capaz de fornecer potência ativa para as cargas, além de alimentar os curtos-circuitos em caso de falhas. Construtivamente, um gerador síncrono é formado por dois circuitos magneticamente acoplados, uma armadura trifásica localizada no estator e responsável por transferir a potência ao sistema e o circuito de campo, localizado no rotor e responsável por produzir o fluxo magnético constante. A figura a seguir ilustra uma máquina síncrona simplificada e seus campos magnéticos de estator, de rotor e resultante. Máquina síncrona simplificada. A força eletromotriz produzida em cada fase do circuito de armadura a vazio é dada pela Equação 1: Eq. 1 Ef = √2πf1NfΦ2Kw Em que é o número de espiras por fase da armadura, é a frequência da corrente e é o fluxo magnético produzido no circuito de campo. é uma constante conhecida como fator de enrolamento de armadura, normalmente de valores próximos de 1. Em virtude do desacoplamento elétrico entre circuitos de campo e armadura, o gerador síncrono é considerado uma fonte de corrente quase ideal. Na presença de uma carga, a tensão terminal será diferente da tensão gerada devido à presença de uma impedância interna. O circuito equivalente por fase que representa o gerador síncrono é ilustrado a seguir. Circuito equivalente do gerador síncrono. A reatância de magnetização é representada por , a reatância de dispersão da armadura por são as resistências de armadura e de perdas no núcleo, respectivamente. Algumas simplificações podem ser adotadas ao modelo ilustrado, como a supressão das resistências ôhmicas, em que as perdas magnéticas e os enrolamentos são desprezíveis. Dessa forma, o circuito equivalente pode ser representado por um equivalente de Thévenin, ilustrado a seguir. Equivalente de Thévenin para o gerador síncrono. A reatância é denominada reatância síncrona de eixo direto para máquinas de polos lisos. Em caso de geradores com polos salientes, algumas modificações são consideradas. A equação fasorial para o modelo do gerador será: Nf f1 Φ2 Kw jxm jx1, r1erc jxd Eq. 2 Em que é a corrente de armadura por fase. Devido às características indutivas da máquina, o gerador síncrono responde a um regime transitório de corrente até atingir seu valor nominal. Essa característica é essencial para avaliar a capacidade de curto-circuito do gerador em seu regime transitório. Para modelar esse comportamento, a reatância possui três períodos distintos: Período subtransitório: refere-se aos primeiros ciclos após o curto- circuito. A corrente cai rapidamente, caracterizando uma reatância subtransitória. Período transitório: refere-se ao período após o subtransitório. A corrente decai lentamente, caracterizando uma reatância transitória. Período de regime permanente: refere-se ao período de estabilização da corrente, caracterizando uma reatância síncrona. As reatâncias do gerador síncrono são ilustradas em função do decaimento de corrente: Corrente de curto-circuito no gerador síncrono. Modelo de cargas Apesar de o elemento carga poder facilmente ser representado por um elemento resistivo ou associação de características indutivas e Ef = V1 + jxdI1 I1 capacitivas, o parâmetro de carga é bastante complexo de ser modelado no sistema elétrico. Devido a seu comportamento altamente imprevisível com mudanças contínuas ao longo do tempo, um modelo matemático é quase inviável. Esse comportamento é geralmente ilustrado por curvas de carga de um determinado barramento do sistema. Matematicamente, o modelo de carga depende do estudo a ser feito. Por exemplo, em estudos de fluxo de potência, a carga é modelada por uma potência constante. Já para estudos de estabilidade, considera-se a carga como uma impedância constante, enquanto que nos estudos de curto-circuito, sua contribuição é desprezível, sendo assim, desconsiderada (cargas comuns, de pequeno porte). Modelo de carga em potência constante e impedância constante. Há, ainda, uma representação completa da carga, denominado modelo ZIP. Nesse modelo, parte da carga é modelada por impedância constante, outra parte por corrente constante e outra por potência constante, conforme a Equação3: Eq. 3 Modelo de transformadores O transformador é o elemento utilizado para variar o nível de tensão do sistema para permitir a transmissão de energia dos centros de geração até as cargas. Apesar de, para aplicações de potência, serem equipamentos normalmente trifásicos, sua modelagem é feita a partir de circuitos monofásicos equivalentes, uma vez que operam em grande parte do tempo em condições de equilíbrio. Para um transformador de dois enrolamentos, o circuito equivalente por fase é ilustrado do seguinte modo: CARGA = Zcte + Icte + Scte Circuito equivalente de um transformador. Onde: Resistências elétricas dos enrolamentos primários e secundários. Reatâncias dos enrolamentos primários e secundários. Reatância do ramo de magnetização. Resistência elétrica de perdas no núcleo (histerese e correntes de Foucault). Os cálculos envolvendo transformadores tornam-se mais simples quando se faz a reflexão de impedâncias de modo a suprimir o problema de acoplamento magnético entre os enrolamentos de primário e secundário. Além do modelo ilustrado, em sistemas elétricos é comum aplicar uma simplificação, em razão das características de alto rendimento dos transformadores. Normalmente, os modelos desprezam o ramo de magnetização do circuito, visto que a corrente no ramo de excitação torna-se desprezível em comparação com a corrente de carga. É possível desprezar ainda a resistência equivalente dos enrolamentos, uma vez que, em altas tensões, a relação X/R torna-se elevada. Modelo de linhas de transmissão De modo semelhante aos transformadores, linhas de transmissão trifásicas normalmente operam em condições de equilíbrio entre fases, o que permite sua modelagem a partir de circuitos monofásicos equivalentes. Em função do tamanho, as linhas de transmissão podem ser classificadas como curtas, médias e longas. Os modelos de linha curta e média são, na verdade, aproximações com parâmetros concentrados do modelo de linha longa, modelado por parâmetros distribuídos. Linha curta São consideradas linhas curtas aquelas com comprimentos inferiores a 80 Km. Nesse modelo, o circuito equivalente da linha é representado r1, r2 X1,X2 Xm rc apenas por uma impedância série, como ilustrado a seguir: Modelo de uma linha de transmissão curta. A resistência ôhmica representa as perdas por efeito Joule e é a reatância indutiva da linha, ambos especificados em fase. Linha média Linhas de comprimento maior que e menor que são consideradas linhas médias. Nesse modelo, é representado o efeito capacitivo da linha e o circuito equivalente é representado pelo modelo (ou pelo modelo T). O modelo é ilustrado do seguinte modo: Modelo para linha de transmissão média. O ramo em derivação (ou ramo shunt) representa o efeito capacitivo da linha, em que a potência reativa associada é dividida pela metade entre as barras de extremidade. Se a capacitância for desprezível, a susceptância será infinita e o modelo resume-se à linha curta. Linha longa Para comprimentos superiores a , as linhas de transmissão são consideradas longas. Nesses casos, diversos efeitos devem ser representados e um modelo mais completo é aplicado. Em linhas longas, os efeitos de impedância e susceptância shunt são distribuídos ao longo de todo o seu comprimento . O circuito equivalente de uma linha longa é semelhante ao de uma linha média, no entanto, os rLT jxLT Ω/ 80km 240Km π π Bc 240Km I parâmetros são dados por comprimento de linha, conforme ilustrado a seguir. Modelo para linha de transmissão longa. Em que: Falta pouco para atingir seus objetivos. Vamos praticar alguns conceitos? Questão 1 O gerador síncrono pode ser considerado o elemento do sistema que alimenta o curto-circuito. Em sua modelagem, em função das características transitórias, três valores de reatância estão presentes. Em relação à resposta transitória de um gerador síncrono, é possível afirmar que zequivalente = Z senh(γ × l) γ × l yequivalente = Y tanh(γ × l/2) γ × l/2 γ = √z × y, constante de propagação Z = z × l e Y = y × l, impedância e admitância total (em função do comprimento I ). A a reatância subtransitória corresponde ao momento de decaimento lento da corrente de curto-circuito. Parabéns! A alternativa C está correta. Nos instantes iniciais da ocorrência de um curto-circuito, o valor da corrente é alto e cai rapidamente em função da reatância subtransitória. Como nesse caso a corrente tem o maior valor, a reatância corresponde àquela de menor módulo. Questão 2 Os modelos de linha de transmissão são classificados em função do comprimento do equipamento. Em uma linha de transmissão, é correto afirmar que B a reatância síncrona fornece o valor da corrente de curto-circuito no gerador. C a reatância subtransitória é a de menor módulo e, portanto, corresponde ao maior valor da corrente de curto-circuito. D a reatância transitória refere-se à resposta inicial ao regime transiente da máquina. E a reatância síncrona modela apenas geradores de polos lisos. A o modelo curto considera os efeitos capacitivos e indutivos da linha. B o modelo longo refere-se a uma modelagem completa com parâmetros concentrados. C o modelo médio é aplicado para linhas de até 80 Km. Parabéns! A alternativa D está correta. No modelo de linhas longas, os efeitos de impedância e susceptância shunt são distribuídos ao longo de todo o seu comprimento l, sendo a modelagem matemática feita a partir de funções trigonométricas hiperbólicas. 2 - Curto-circuito simétrico Ao �nal deste módulo, você será capaz de reconhecer o curto-circuito simétrico. Curto-circuito simétrico no sistema elétrico D os parâmetros no modelo longo são calculados de forma distribuída, ao longo do comprimento da linha. E o modelo curto é útil para modelar linhas de distribuição, que são naturalmente pequenas. Neste vídeo, faremos uma abordagem integradora das características do curto-circuito simétrico e entenderemos o que é um curto-circuito simétrico e como ele é capaz de afetar um sistema elétrico. Introdução ao curto-circuito Neste vídeo, definiremos o que é curto-circuito, entenderemos como analisá-lo conheceremos seus tipos e quais são suas características. Do ponto de vista de circuito elétrico, um curto-circuito nada mais é que uma conexão de baixa impedância entre pontos com diferentes potenciais elétricos. Para o sistema elétrico, essa conexão pode ser extremamente prejudicial aos equipamentos e aos usuários e envolvidos na instalação. Apesar de serem falhas indesejáveis, os curtos-circuitos ocorrem com bastante frequência no sistema elétrico, sendo de fundamental importância conhecer suas características de ocorrência e modelar seus efeitos matematicamente para que seja possível a viabilização de equipamentos de proteção. A junção dos potenciais elétricos de três fases provoca a ocorrência de um dos tipos de curto mais danosos ao sistema, o curto trifásico ou simétrico. A denominação de curto simétrico é possível uma vez que, no ponto de falta, as correntes que alimentam o curto são de mesmo módulo e diz que o curto é equilibrado (ou simétrico). A figura a seguir ilustra a ocorrência de um curto-circuito trifásico em uma rede elétrica. Curto-circuito trifásico na rede elétrica. Em situações como a ilustrada, os sistemas de proteção devem atuar rapidamente, pois as altas correntes podem provocar danos irreversíveis aos equipamentos. Por esse motivo, modelar e calcular curtos-circuitos, simétricos ou não, torna-se necessário para o dimensionamento da proteção. De modo geral, a análise de curto-circuito permite: Fornecer informações para o ajuste de relés de proteção. Dimensionar linhas de acordo com o limite de capacidade térmica. Dimensionar disjuntores quanto à capacidade de disrupção. Dimensionar transformadores de instrumentos (TC e TP). Analisar variações de tensão de modo a garantir a qualidade de energia elétrica. Apesar dos esforços para prevenira ocorrência de curtos, tais fenômenos podem ocorrer nos mais diferentes pontos de um sistema elétrico devido a problemas como: Falhas de isolação. Ação de ventos, contaminação, árvores. Descargas atmosféricas e surtos de chaveamento. Sobrecarga em condutores. Vandalismos, queimadas, inundações etc. Tipos de curto-circuito Os curtos-circuitos podem ser divididos em relação ao número de fases envolvidas e à sua gravidade de ocorrência. Para um sistema trifásico, tem-se os seguintes tipos: Curto-circuito trifásico. Curto-circuito bifásico. Curto-circuito bifásico à terra. Curto-circuito monofásico à terra. Dos quatro tipos citados, apenas o curto-circuito trifásico é equilibrado ou simétrico. Por solicitar correntes de mesmo módulo das três fases, é possível que os cálculos possam ser elaborados a partir de equivalentes monofásicos, o que torna a análise extremamente simples. Os curtos- circuitos assimétricos necessitam de uma análise via teoria de componentes simétricas que será demonstrada adiante. O contato simultâneo de três fases em um curto trifásico é bastante raro, uma vez que uma falta que envolva todos os condutores da rede é difícil de acontecer. Por outro lado, curtos envolvendo uma única fase, ou curtos-circuitos monofásicos, são os mais comuns, principalmente em sistemas de distribuição. A imagem a seguir apresenta os percentuais de ocorrência para cada tipo de curto no sistema elétrico. Percentuais de ocorrência dos curtos-circuitos. Os curtos-circuitos podem ainda ser classificados quanto ao tempo de permanência da falha no sistema: Permanente Tipo de curto que não se extingue de forma espontânea, necessitando de uma unidade de manutenção para extinguir a falha. Ex: rompimento de uma fase. Temporário Tipo de curto cujo defeito se extingue por conta própria após a atuação da proteção. Ex: falha de isoladores, chuvas, galhos de árvore, ventos. As linhas de transmissão são os elementos mais vulneráveis de um sistema elétrico, principalmente devido a suas grandes extensões e presença em diversos pontos geográficos. Pela grande exposição, nas linhas de transmissão ocorrem a maior quantidade de curtos-circuitos, cerca de 89%. Redes de distribuição também sofrem com curtos-circuitos, principalmente monofásicos à terra, mas não colocam em risco a integridade do sistema, uma vez que as amplitudes de corrente são menores que na transmissão e há uma maior quantidade de elementos de proteção e religação automática em caso de falhas temporárias. Em torno de 5% das ocorrências são em subestações e 6% nas centrais de geração. Vamos conhecer o curto-circuito simétrico? Neste vídeo, será modelado, matematicamente, o curto simétrico. Apresentaremos também como fazer os cálculos do curto-circuito simétrico. Sabe-se que os curtos-circuitos trifásicos são o único tipo de curto simétrico em um sistema elétrico. Além das características básicas anteriormente apresentadas, é importante modelar o sistema de modo a calcular a potência da falha no local de ocorrência. Para tal entendimento, seja um sistema elétrico de 3 barras, conforme ilustrado na imagem a seguir, a parte do sistema em foco é composta por 2 linhas de transmissão que interligam as barras 1-3 e 2-3, com seus respectivos disjuntores (Circuit breaker – CB). Exemplo de um curto-trifásico. Caso um curto-circuito trifásico ocorra na barra 3, a tensão nessa barra antes da falta, denominada tensão pré-falta, poderá cair de seu valor nominal (cerca de 1 pu) a zero. O curto será alimentado pelas linhas de transmissão 1-3 e 2-3 e a dimensão das correntes dependerá diretamente da capacidade de fornecimento de potência das barras 1 e 2. Essa capacidade é denominada capacidade de curto-circuito (Scc). Capacidade de curto-circuito Do exemplo ilustrado na imagem anterior, sabe-se que a ocorrência de um curto na barra 3 fará com que as tensões de barra diminuam. Essa queda de tensão está diretamente relacionada à capacidade da rede elétrica de alimentar a falta. Quanto mais “força” as barras tiverem, maior será sua contribuição para a corrente de curto-circuito e menor será a queda de tensão. Essa relação é denominada capacidade de curto-circuito de uma barra. A capacidade de curto-circuito é definida como a potência de curto- circuito, determinada pelo produto entre a tensão pré-falta e a corrente de falta. Em sistemas trifásicos, pode ser definida conforme a Equação 4: Eq. 4 Em que: é a tensão pré-falta. é a corrente de falta. |Scc| = √3 V 0 × I f∣ ∣ ∣ ∣V 0 I f Para uma representação em pu, a capacidade de curto-circuito é aproximadamente igual à corrente de falta, uma vez que a tensão pré- falta é próxima de 1 pu. Teorema de Thévenin na análise de curto-circuito O cálculo de curto-circuito pode ser feito obtendo-se um circuito equivalente de Thévenin no ponto de ocorrência da falta. A imagem ilustra a aplicação do teorema de Thévenin no cálculo de uma corrente de curto-circuito. Aplicação do teorema de Thévenin no cálculo de curto-circuito. A corrente pode ser obtida do circuito e determinada pela Equação 5: Em que: é a impedância de Thévenin no ponto de falta. é a impedância de falta. Caso o curto-circuito seja franco (ou sólido), a impedância de falta terá valor nulo. Quanto menor a impedância de Thévenin no ponto de falta, maior será a capacidade de curto-circuito e menor será a variação da tensão em relação ao valor nominal das barras. Por conter características essencialmente indutivas, a potência dos curtos-circuitos nos sistemas de transmissão é inteiramente reativa. Em algumas situações admite-se simplificações supondo barras de capacidade infinita, de modo que a impedância de Thévenin seja nula. Essa aproximação é conhecida como barramento infinito, que mantém a tensão constante, exceto se o curto for na própria barra. If If = V0 ZTh + Zf ZTh Zf Cálculo de curto-circuito simétrico Neste vídeo, equacionaremos o curto-circuito simétrico e veremos como é possível fazer uma análise quantitativa de um curto-circuito simétrico. A aplicação da Equação 5 para o cálculo de curto-circuito trifásico é bastante útil em sistemas de pequeno porte ou que tenham poucas barras. Para sistemas maiores, é necessário o desenvolvimento de procedimentos baseados em análise nodal da teoria de circuitos elétricos. Inicialmente, é prudente considerar que antes da ocorrência de uma falta, o sistema opera em condições normais em regime permanente. Além disso, são conhecidas as condições de geração e carga e as correntes de regime permanente podem ser previamente obtidas a partir de um estudo comum de fluxo de potência. Veja a seguir quais são etapas de cálculo do curto-circuito trifásico em um sistema qualquer: Obter o circuito monofásico em pu. Obter as condições pré-falta (tensão e corrente por meio do fluxo de potência). Determinar os incrementos de tensão e corrente em cada barra devido ao curto-circuito. Aplicar superposição de modo a somar a condição anterior à falha e a contribuição do curto nas variáveis de barra. Por exemplo, para a tensão em uma barra q qualquer, a tensão após o curto será dada pela Equação 6. Eq. 6 Em que: é a tensão na barra q após a ocorrência do curto. V f = V 0 barra + ΔV V f é a tensão na barra q com o sistema operando normalmente em regime permanente. é a variação na tensão em razão da ocorrência do curto. Em alguns casos, é possível considerar as tensões pré-falta como 1 pu, evitando a necessidade de uma análise prévia de fluxo de potência. Isso é possível, pois os sistemas normalmente operam com tensões de barra muito próximas de 1 pu. Generalizando para um sistema com qualquer quantidade de barras, a formulação matricial para o cálculo do curto- circuito será: Eq. 7 Sistematicamente: Eq. 8 Da matriz acima, a linha da barra é: A corrente é obtida considerando a linha referente à barra q da matriz: Eq. 9 Como a tensão pós-falta também se relaciona com a correntepor , tem-se: Eq. 10 V 0 barra ΔV [V f] = [V 0 barra ] + [ΔV ] → [V f] = [V 0 barra ] + [Zbarra ] [If ] = + ⋅ ⎡⎢⎣V f 1 ⋮ V f q ⋮ V f n ⎤⎥⎦ ⎡⎢⎣V 0 1 ⋮ V 0 q ⋮ V 0 n ⎤⎥⎦ ⎡⎢⎣z11 ⋯ z1q ⋯ z1n ⋮ ⋱ ⋮ zq1 ⋯ zqq ⋯ zqn ⋮ ⋱ ⋮ zn1 ⋯ znq ⋯ znn ⎤⎥⎦ ⎡⎢⎣ 0 ⋮ −If ⋮ 0 ⎤⎥⎦q [V f q ] = [V 0 q ] + [zq1 ⋯ + zqq + ⋯ zqn] ⋅ [−If ] If V f q = V 0 q − zqqIf V f q = Z fIf V f q = V 0 q Z f + zqq Se o curto-circuito for sólido, o valor de será nulo. Falta pouco para atingir seus objetivos. Vamos praticar alguns conceitos? Questão 1 Os curtos-circuitos podem ser extremamente danosos aos sistemas elétricos. Entre os tipos de curto que ocorrem no sistema, pode ser considerado um curto simétrico do tipo Parabéns! A alternativa B está correta. Em razão das solicitações de corrente de mesmo módulo nas três fases, apenas o curto trifásico pode ser considerado simétrico ou equilibrado. Questão 2 Em um sistema elétrico, ocorre um curto-circuito trifásico sólido em determinada barra. A impedância equivalente de Thévenin vista pela Z f A monofásico à terra. B trifásico. C bifásico. D bifásico à terra. E monofásico com impedância de aterramento. barra de defeito vale 0,5 pu. Considerando que as tensões pré-falta se mantiveram em 1 pu, a corrente de curto é: Parabéns! A alternativa C está correta. Para um curto-circuito trifásico sólido, tem-se que . Para a impedância equivalente de Thévenin de 0,5 pu, a corrente de falta será: A 0,5 pu B 1,0 pu C 2,0 pu D 5,0 pu E 10,0 pu Zf = 0 If = V0 Zth = 1 0, 5 = 2, 0pu 3 - Componentes simétricas e redes de sequência Ao �nal deste módulo, você será capaz de de�nir a teoria de componentes simétricas e redes de sequências. Teoria de componentes simétricas e redes de sequência Neste vídeo, abordaremos, de modo integrado, as teorias importantes acerca das componentes simétricas e suas aplicações. Teorema de Fortescue Neste vídeo, apresentaremos como podemos analisar componentes simétricas pelo teorema de Fortescue e como utilizá-lo. Dos tipos de curto-circuito apresentados anteriormente, somente o curto trifásico pode ser considerado equilibrado ou simétrico. Qualquer outro curto-circuito é considerado desbalanceado ou assimétrico, uma vez que as solicitações de corrente nas fases são diferentes. Em virtude das dificuldades de cálculo para os curtos assimétricos, em 1915 uma poderosa ferramenta analítica foi desenvolvida por C. L. Fortescue que permitia a decomposição de sistemas assimétricos em componentes equilibradas, facilitando expressivamente as análises. Tal ferramenta, denominada componentes simétricas, é bastante valiosa na modelagem de curtos-circuitos assimétricos. O teorema de Fortescue proposto em 1915, denominado método de componentes simétricas, define que um sistema polifásico de fasores assimétricos pode ser decomposto em sistemas de fasores simétricos, denominados componentes simétricos do sistema original. De modo geral, um sistema assimétrico com fases é dado por: Eq. 11 O sistema assimétrico original possui sequência de fases e é representado pelos seus fasores girando em velocidade síncrona na frequência da rede de fases. Cada fasor é decomposto em outros fasores, denominados por componentes de sequência zero, . Dessa forma, obtém-se um conjunto de sistemas equilibrados, simetricamente defasados entre si. A defasagem entre dois fasores decompostos e consecutivos do sistema de sequência será dada pela Equação 12: Va = Va0 + Va1 + Va2 + ⋯ + Va(n−1) Vb = Vb0 + Vb1 + Vb2 + ⋯ + Vb(n−1) Vc = Vc0 + Vc1 + Vc2 + ⋯ + Vc(n−1) ⋮ Vn = Vn0 + Vn1 + Vn2 + ⋯ + Vn(n−1) a, b, c… ,n n Va,Vb,Vc, … ,Vn n n 1, 2, 3, … ,n − 1 k Portanto, as sequências serão: É importante ressaltar que, pelas defasagens, o sentido da sequência 2, ou de todas as sequências pares, tem os conjuntos de fasores girando em sentido oposto aos da sequência 1, ou todas as sequências ímpares. θk = k 2π n Sequência zero Conjunto de fasores de mesmo módulo e fase, que giram no mesmo sentido e velocidade síncrona do sistema original. n Va0,Vb0,Vc0, … ,Vn0 Sequência 1 Conjunto de fasores de mesmo módulo, defasados de , girando no mesmo sentido e velocidade síncrona do sistema original. n Va1,Vb1,Vc1, … ,Vn1 2π n Sequência 2 Conjunto de fasores de mesmo módulo, defasados de , girando no mesmo sentido e velocidade do sistema original. n Va2,Vb2,Vc2, … ,Vn2 2 2π n Sequência k-ésima Conjunto de fasores de mesmo módulo, defasados de , girando no mesmo sentido e velocidade do sistema original. n k 2π n De fato, isso é o que ocorre nos sistemas, pois sequências pares geram campos girantes contrários aos do sistema original. A denominação de sequência é válida para qualquer conjunto de fasores simétricos em que dois fasores consecutivos têm a mesma defasagem angular, mas o conjunto de fasores não precisa necessariamente formar um sistema simétrico. A seguir, apresentaremos a especificidade do teorema de Fortescue para sistemas trifásicos desbalanceados, utilizado em sistemas elétricos de potência. Componentes simétricas em redes trifásicas Neste vídeo, mostraremos como utilizar as componentes simétricas em sistemas trifásicos e como podemos analisar a simetria nestes sistemas. O teorema de Fortescue para componentes simétricas aplicado a sistemas trifásicos é definido da seguinte forma: um sistema de três fasores assimétricos pode ser decomposto em três sistemas de três fasores simétricos denominados componentes de sequência positiva, negativa e zero. Sequência positiva Conjunto de 3 fasores simétricos de mesmo módulo, defasados de 120°, com sequência de fases igual à do sistema trifásico original assimétrico. O índice 1 é utilizado para representar a sequência positiva. A imagem a seguir ilustra o diagrama fasorial de um sistema trifásico de sequência positiva. É convencionado que o sistema priginal possui seus fasores girando na velocidade síncrona indicada pelo sentido anti- horário da imagem. Diagrama fasorial de sequência positiva. Para uma sequência de 3 fasores de tensão, por exemplo, as componentes de sequência positiva são dadas pela Equação 13: Eq. 13 A Equação 13 pode ser reescrita utilizando um operador matemático fasorial denominado : Eq. 14 O operador representa a operação de giro de um fasor no mesmo sentido indicado pela velocidade síncrona, sem alterar seu módulo. Dessa forma, tem-se: Eq. 15 (ωS) Va1 Vb1 = 1∠ − 120∘ ⋅ Va1 Vc1 = 1∠120∘ ⋅ Va1 a a = 1∠120∘ /a2 = 1∠ − 120∘ a 120∘em Sequência negativa Conjunto de 3 fasores simétricos de mesmo módulo, defasados de 120°, com sequência de fases contrária à do sistema trifásico original assimétrico. O índice 2 é utilizado para representar a sequência negativa. A figura ilustra o diagrama fasorial de um sistema trifásico de sequência negativa. Diagrama fasorial de sequência negativa. É possível observar que, do ponto de vista do observador, não há qualquer mudança. A alteração encontra-se na alternância de duas fases, que é o que de fato ocorre em um sistema trifásico que represente uma sequência oposta. Para uma sequência de 3 fasores de tensão, por exemplo, as componentes de sequência negativas são dadas em função do operador pela Equação 16: Eq. 16 Va1 Vb1 = a2 ⋅ Va1 Vc1 = a ⋅ Va1 a Sequência zero Conjunto de 3 fasores simétricos de mesmo módulo, em fase, com sequência de fases igual à do sistema trifásico original assimétrico. O índice 0 é utilizado para representar a sequência negativa. A imagem ilustra o diagrama fasorial de um sistema trifásico de sequência zero. Diagrama fasorial de sequência zero. Para uma sequência de 3 fasores de tensão, por exemplo, as componentes de sequência zero são dadas pela Equação17: Eq. 17 Apesar de os fasores acima serem descritos em função de sequências de tensão, a análise é igualmente válida para fasores de corrente. De forma analítica, as expressões para as componentes simétricas podemser apresentadas como na Equação 18, em sua forma matricial. Eq. 18 Va2 Vb2 = a2 ⋅ Va2 Vc2 = a ⋅ Va2 Va0 = Vb0 = Vc0 = ⋅ ⎡⎢⎣Va Vb Vc ⎤⎥⎦ ⎡⎢⎣1 1 1 1 a2 a 1 a a2 ⎤⎥⎦ ⎡⎢⎣Va0 Va1 Va2 ⎤⎥⎦ Em que a decomposição é feita em função das componentes da fase a do sistema assimétrico. A matriz que relaciona os vetores de fasores assimétricos com suas componentes simétricas é denominada matriz de transformação T, representada na Equação 19. Eq. 19 É possível ainda obter o vetor de componentes simétricas a partir do vetor de fasores assimétricos fazendo o inverso da Equação 18. Manipulando as expressões, tem-se: Eq. 20 Define-se assim a matriz de transformação inversa que permite encontrar os fasores assimétricos do sistema a partir dos fasores de componentes simétricas. Eq. 21 Componente de sequência zero para a corrente Aplicando a forma matricial de decomposição em componentes simétricas para a corrente, tem-se a Equação 22: Eq. 22 Da relação acima, pode-se expressar a componente de sequência zero das correntes como: T = ⎡⎢⎣1 1 1 1 a2 a 1 a a2 ⎤⎥⎦= 1 3 ⋅ ⎡⎢⎣Va0 Va1 Va2 ⎤⎥⎦ ⎡⎢⎣1 1 1 1 a a2 1 a2 a ⎤⎥⎦ ⎡⎢⎣Va Vb Vc ⎤⎥⎦T −1 T −1 = 1 3 ⎡⎢⎣1 1 1 1 a a2 1 a2 a ⎤⎥⎦= 1 3 ⋅ ⎡⎢⎣Ia0 Ia1 Ia2 ⎤⎥⎦ ⎡⎢⎣1 1 1 1 a a2 1 a2 a ⎤⎥⎦ ⎡⎢⎣IaIbIc⎤⎥⎦ Eq. 23 Sabe-se da análise de circuitos trifásicos que a soma das correntes nas três fases corresponde à corrente de neutro em um circuito ligado em estrela, conforme a Equação 24: Eq. 24 Portanto, relacionando a Equação 23 com a Equação 24, tem-se: Eq. 25 Ou seja, é fácil afirmar que só é possível existir componente de sequência zero para a corrente se houver um caminho de retorno pela terra. Dessa forma, equipamentos ligados em delta ou em estrela isolada, por exemplo, não apresentarão componentes de sequência zero para corrente. Veja o exemplo a seguir: Ia0 = 1 3 (Ia + Ib + Ic) In = (Ia + Ib + Ic) Ia0 = 1 3 (Ia + Ib + Ic) = In 3 Calcule as correntes de sequência para um sistema assimétrico cujas correntes de fase são: Resposta Ia = 8∠0∘, Ib = 6∠ − 90∘ e I Redes de sequência Neste vídeo veremos as possíveis redes de sequencia par aos equipamentos do sistema. Utilizando a matriz de transformação inversa, tem-se: Considerando : Resolvendo a expressão matricial, tem-se: Para as fases b e c: = 1 3 ⋅ ⎡⎢⎣Ia0 Ia1 Ia2 ⎤⎥⎦ ⎡⎢⎣1 1 1 1 a a2 1 a2 a ⎤⎥⎦ ⎡⎢⎣ 8∠0∘ 6∠ − 90∘ 16∠143∘ ⎤⎥⎦a = 1∠120∘ = 1 3 ⋅ ⎡⎢⎣Ia0 Ia1 Ia2 ⎤⎥⎦ ⎡⎢⎣1 1 1 1 1∠120∘ 1∠ − 120∘ 1 1∠ − 120∘ 1∠120∘ ⎤⎥⎦ ⎡⎢⎣ 8∠0 6∠ − 9 16∠14 = A ⎡⎢⎣Ia0 Ia1 Ia2 ⎤⎥⎦ ⎡⎢⎣ 2∠143, 05∘ 9, 81∠18, 38∘ 4, 3∠ − 86, 08∘ ⎤⎥⎦[ ] = [ ] [ ] = [ ] Ib1 Ic1 9, 81∠258, 38∘ 9, 81∠138, 38∘ Ib2 Ic2 4, 3∠33, 92∘ 4, 3∠153, 92∘ Se um sistema elétrico opera de forma equilibrada, diz-se que apenas correntes de sequência positiva circulam por ele. Dessa forma, as impedâncias de sequência positiva correspondem às impedâncias conhecidas dos próprios equipamentos que se opõem à passagem dessas correntes. No entanto, ao se decompor um sistema assimétrico, correntes de sequência negativa e zero também são consideradas, de modo que impedâncias equivalentes que se opõem a essas correntes devem ser representadas. A essas impedâncias dos equipamentos dá-se o nome de redes de sequência positiva, negativa e zero. A seguir, apresentamos os modelos de rede de sequência positiva, negativa e zero para os principais componentes do sistema, geradores, linhas de transmissão e transformadores. Geradores As reatâncias de sequência positiva do gerador já foram apresentadas anteriormente e são denominadas reatâncias subtransitória , transitória e de regime permanente . A escolha da reatância depende do período em que se deseja calcular o curto-circuito. A reatância de sequência negativa é aproximadamente igual à reatância subtransitória do gerador, enquanto a reatância de sequência zero é aproximadamente igual à reatância transitória. Portanto: Eq. 26 As redes de sequência para o gerador síncrono são assim ilustradas: Rede de sequência positiva, negativa e zero para o gerador síncrono. Linhas de transmissão x′′ x′ x x1 g ≈ xd x2 g ≈ x′′ d x0 g ≈ x′ d As impedâncias de sequência positiva, negativa de uma linha de transmissão dependem unicamente de sua geometria, de modo que podem ser consideradas iguais. A rede de sequência é basicamente um elemento de impedância em série com o circuito, de modo que, para a sequência zero, admite-se um valor de 2 a 6 vezes o valor da impedância de sequência positiva. A imagem seguinte ilustra a rede de sequência positiva para uma linha de transmissão. Rede de sequência positiva para linha de transmissão. Transformadores Os transformadores foram anteriormente modelados e simplificados para serem representados por uma impedância série. Essa análise é igualmente válida para as redes de sequência positiva, negativa e zero do transformador. Como esse equipamento é um elemento passivo no sistema, as correntes de sequência negativa são iguais às correntes de sequência positiva, de modo que é possível descrever as impedâncias de sequência negativa iguais às de sequência positiva: Eq. 27 No entanto, devido às possibilidades de conexão trifásica com a terra existentes nos transformadores, as redes de sequência zero são diversas. A imagem a seguir apresenta as diferentes redes de sequência zero para os transformadores de dois enrolamentos e núcleo envolvente. Z1 = Z2 Redes de sequência zero para transformador de dois enrolamentos e núcleo envolvente. É importante observar que, em conexões que não envolvem a terra, a rede de sequência zero é apresentada como um circuito aberto, uma vez que, nesses casos, não haverá circulação de componentes de sequência zero. Falta pouco para atingir seus objetivos. Vamos praticar alguns conceitos? Questão 1 Um sistema elétrico trifásico e desequilibrando apresenta as seguintes tensões: O valor da componente de sequência zero para as tensões acima será de, aproximadamente: Parabéns! A alternativa D está correta. Aplicando a matriz transformação inversa de componentes simétricas, tem-se. O módulo dessa tensão será Questão 2 A respeito das redes de sequência em componentes de um sistema elétrico, é correto afirmar que VA = 100∠0∘V VB = 50∠90∘V VC = 50∠ − 90∘V A 15,5 V B 75,25 V C 66,66 V D 33,33 V E 45,75 V Va0 = 1 3 (100∠0∘ + 50∠90∘ + 50∠ − 90∘) 33, 33V . Parabéns! A alternativa E está correta. Qualquer ligação do transformador que não apresente retorno à terra, como a ligação estrela-isolado, não apresentará corrente de sequência zero. Dessa forma, o elemento de impedância que se opõe a essa corrente não existirá. A geradores possuem apenas a representação em rede de sequência positiva, uma vez que são elementos ativos do sistema. B os transformadores são representados pelas redes de sequência positiva, negativa e zero, independentemente do tipo de conexão. C linhas de transmissão apresentam o mesmo valor de impedância de sequência nas três redes, uma vez que são elementos passivos do sistema. D geradores ligados em delta não possuem corrente de sequência zero. E transformadores com algum dos enrolamentos ligados em estrela-isolado não possuem representação de rede de sequência zero. 4 - Curtos-circuitos assimétricos Ao �nal deste módulo, você será capaz de reconhecer os curtos-circuitos assimétricos. Análise de curtos-circuitos assimétricos Neste vídeo, avaliaremos os curtos-circuitos assimétricos, como ocorrem e qual o seu impacto na rede elétrica. Curto-circuito monofásico à terra Neste vídeo, apresentaremos uma análise do curto monofásico, o curto- circuito assimétrico em uma rede elétrica monofásica e como resolvê- lo. Os cálculos para curto-circuito simétricos apresentados anteriormente tornam-se extremamente simples ao abordar o sistema a partir de seu equivalente monofásico, uma vez que as correntes solicitadas pela falta são equilibradas nas três fases de um curto trifásico.Já os curtos-circuitos assimétricos como o monofásico à terra, bifásico e bifásico à terra necessitam da teoria de componentes simétricas para serem calculados. Os passos de solução de curtos-circuitos assimétricos são ilustrados no diagrama: Passos para solução de curtos-circuitos assimétricos. Portanto, para calcular um curto-circuito assimétrico em qualquer ponto do sistema, basta encontrar as redes de sequência positiva, negativa e zero equivalentes no ponto de defeito. Para calcular as tensões de fase no ponto, basta utilizar as matrizes de transformação para os vetores de tensão apresentados na teoria de componentes simétricas. Para simples exemplificação, a imagem a seguir ilustra a representação para o circuito de Thévenin equivalente de uma rede de sequência positiva. Equivalente de Thévenin para sequência positiva. A partir do circuito equivalente de Thévenin para cada sequência, são apresentados a seguir os equacionamentos para cada tipo de curto- circuito assimétrico. É importante ressaltar que, nesses estudos, a contribuição das cargas para o defeito é muito pequena e seus efeitos podem ser desprezados. Seja um curto-circuito monofásico à terra em determinado ponto do sistema elétrico, conforme ilustrado: Curto-circuito monofásico à terra. Na condição apresentada, as correntes nas fases b e c são nulas e, como o defeito ocorre na fase a, tem-se que a tensão nesse ponto também é nula: Eq. 28 Com base nas condições de contorno na Equação 27 e aplicação da matriz de transformação inversa de componentes simétricas, a corrente de curto-circuito monofásica é dada pela Equação 29. Eq. 29 Pela forma apresentada da Equação 29, percebe-se que as redes equivalentes de sequência são ligadas em série, conforme ilustrado: Ib = Ic = 0 Va = 0 Ia = 3Ea1 Z1 + Z2 + Z0 Ia1 = Ia2 = Ia0 = Ia 3 Associação de redes de sequência para curto-circuito monofásico à terra. Curto-circuito bifásico Neste vídeo, apresentaremos uma análise do curto bifásico e como um curto-circuito afeta uma rede bifásica, suas consequências e como resolvê-lo. Seja agora um curto-circuito bifásico entre as fases b e c em determinado ponto do sistema elétrico, conforme ilustrado: Curto-circuito bifásico. Na condição apresentada, a corrente na fase é nula e, como o defeito ocorre entre as fases b e c, tem-se que . A tensão é igual à tensão . Eq. 30 a Ib = −Ic Vb Vc Ia = 0 Ib = −Ic Vb = Vc Com base nas condições de contorno na Equação 30 e aplicação da matriz de transformação inversa de componentes simétricas, têm-se as seguintes equações. Eq. 31 Com base na Equação 30, pode-se afirmar que as redes equivalentes de sequência são ligadas em paralelo, uma vez que . Além disso, a equação para a corrente não faz qualquer referência a elementos de sequência zero, o que reforça a afirmação anterior que só existem correntes de sequência zero em associações de redes que possuem retorno pela terra. A associação das redes equivalentes para o curto- circuito bifásico é ilustrada do seguinte modo: Associação de redes de sequência para curto-circuito bifásico. Curto-circuito bifásico à terra Neste vídeo, apresentaremos uma análise do curto bifásico à terra e como resolvê-lo. Veja como é possível haver um curto-circuito bifásico à terra e quais são os danos causados à essa rede. Ib = −j√3Ea1 Z1 + Z2 Va1 = Va2 Ia1 = −Ia2 Ia0 = 0 Va0 = 0 Va1 = Va2 Ib Para análise do último tipo de curto-circuito assimétrico, curto-circuito bifásico à terra, seja um defeito entre as fases e e a referência em determinado ponto do sistema elétrico, conforme ilustrado: Curto-circuito bifásico à terra. Na condição apresentada, a corrente na fase é nula e, como o defeito ocorre entre as fases b e c e a referência, tem-se que a corrente de defeito será . A tensão é igual à tensão e vale zero. Eq. 32 Com base nas condições de contorno na Equação 32 e aplicação da matriz de transformação inversa de componentes simétricas, têm-se as seguintes equações. Eq. 33 b c α–– Ib + Ic Vb Vc Ia = 0 Idefeito = Ib + Ic Vb = Vc = 0 As redes de sequência equivalentes apresentam os três circuitos ligados em paralelo, conforme ilustrado: Associação de redes de sequência para curto-circuito bifásico à terra. Falta pouco para atingir seus objetivos. Vamos praticar alguns conceitos? Questão 1 Um gerador síncrono sofre um defeito monofásico envolvendo a fase A de seus enrolamentos. Com base na teoria de componentes simétricas, o valor da corrente de curto-circuito, considerando que a tensão terminal na máquina seja 1 pu, será: Dados: Va1 = Va2 = Va0 = Va 3 Ia1 = (Z0 + Z2)Ea1 Z1Z2 + Z0 (Z1 + Z2) Ia2 = −Z0Ea1 Z1Z2 + Z0 (Z1 + Z2) Ia0 = −Z0Ea1 Z1Z2 + Z0 (Z1 + Z2) Idefeito = Ib + Ic = 3Ia0 Z1 = Z2 = 0, 3pu Z0 = 0, 6pu Parabéns! A alternativa B está correta. Considerando a tensão terminal , a corrente de curto-circuito monofásica será, em módulo: Questão 2 A respeito dos curtos-circuitos assimétricos no sistema elétrico, é correto afirmar que A 4,8 pu B 2,5 pu C 3,6 pu D 0,83 pu E 0,66 pu Ia = 3Ea1 Z1 + Z2 + Z0 = 3 1 0, 3 + 0, 3 + 0, 6 = 2, 5pu A em um curto-circuito bifásico, a corrente nas fases em curto são fasorialmente iguais. B curtos-circuitos monofásicos não possuem componentes de sequência zero. C os curtos-circuitos bifásicos são modelados pelas redes de sequência positiva, negativa e zero ligadas em paralelo. Parabéns! A alternativa D está correta. Com base na teoria de cálculo de curto-circuito, é necessário encontrar o circuito equivalente de Thévenin no ponto de defeito. Caso o curto seja assimétrico, tem-se que calcular as redes de sequência positiva, negativa e zero equivalentes para o ponto de defeito. Considerações �nais Os sistemas elétricos de potência operam sob condições normais e em regime permanente na maior parte do tempo. No entanto, a ocorrência de defeitos é inerente ao seu funcionamento, de modo que a modelagem e o equacionamento das condições de falha tornam-se essenciais para o planejamento de dispositivos de proteção. A ocorrência de defeitos como os curtos-circuitos pode ser extremamente danosa ao próprio sistema e aos que estão diretamente envolvidos com ele. Neste conteúdo, apresentamos as modelagens dos equipamentos do sistema elétrico que servem de base para o equacionamento e cálculo dos curtos-circuitos na rede. Para a análise de curtos simétricos (ou trifásicos), uma simples modelagem a partir de equivalentes é necessária. Para o cálculo de curtos assimétricos, apresentamos a teoria de componentes simétricas e redes de sequência que permitem a modelagem das faltas desequilibradas do sistema. D o cálculo de qualquer tipo de curto assimétrico envolve a impedância equivalente de sequências no ponto de defeito. E as redes de sequência para um curto-circuito bifásico à terra são ligadas em série. Podcast Você sabe por que são necessárias modelagens de equipamentos para o cálculo de curto-circuito e como utilizar simplificações de modelos em equipamentos como transformadores e linhas de transmissão? Esse e outros conteúdos serão abordados aqui. Explore + Para complementar seus estudos a respeito de curto-circuito, leia mais sobre os princípios de proteção em sistemas elétricos de potência em: KINDERMANN, Geraldo. Proteção de sistemas elétricos de potência, Vol. 1, Florianópolis, UFSC, 2005a. 283p, 2005. Referências ANDERSON, P. M. Analysis of faulted power systems. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 1995. CHAPMAN, S. J. Fundamentos de máquinas elétricas. Porto Alegre: AMGH, 2013. KINDERMANN, G. Curto-circuito. 1. ed. Porto Alegre: Sagra-DC Luzzato, 1992. SATO, F.; FREITAS, W. Análise de curto-circuito e princípios de proteção em sistemas de energia elétrica. Rio de Janeiro: Elsevier, 2015. STEVENSON, W. D. Elementos de análise de sistemas de potência. Porto Alegre: McGraw-Hill do Brasil, 1974. ZANETTA JÚNIOR, L. C. Fundamentos de sistemas elétricos de potência.São Paulo: Livraria da Física, 2006. Material para download Clique no botão abaixo para fazer o download do conteúdo completo em formato PDF. Download material O que você achou do conteúdo? Relatar problema javascript:CriaPDF()
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