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Prof. Dr. Elder G. Domingues 2014 INSTITUTO FEDERAL DE GOIÁS Engenharia de Controle e Automação Sistemas Elétricos Equilibrados. Premissas assumidas: - As tensões geradas são perfeitamente equilibradas; - As três fases do sistema são idênticas. Isto quer dizer que as Linhas de Transmissão são transpostas e os transformadores são simétricos; - As cargas nas três fases são idênticas; - No diagrama unifilar, a impedância de retorno AB é considerada nula. Transposição de Fases: Em uma linha de transmissão trifásica, com espaçamento assimétrico, a indutância e capacitância das fases são diferentes, implicando impedâncias diferentes por fase, provocando quedas de tensão diferentes e causando, consequentemente, desequilíbrio de tensões no suprimento da carga. Exemplos de tipos de estruturas de linhas de transmissão - Por intermédio da transposição de fases, é possível restaurar o equilíbrio de impedâncias das fases, do ponto de vista dos terminais da linha. -A transposição consiste em fazer com que cada fase ocupe cada uma das posições nas torres por igual distância. - Para uma linha trifásica, três são as posições possíveis e deve-se fazer com que cada fase ocupe 1/3 do comprimento da linha em cada uma das três posições. Linha trifásica com um ciclo de transposição Esquema da transposição bem como a perspectiva da mesma, mostrando as posições ocupadas fisicamente pelos cabos ao longo de cada 1/3 da linha No sentido de simplificar os diagramas, os sistemas trifásicos são representados por seus diagramas unifilares: Sistema trifásico: - Circuito equivalente monofásico: - Diagrama Unifilar: Para sistemas conectados em Δ, a representação unifilar pode ser feita bastando fazer a transformação Δ-Y. b accbba a Z ZZZZZZ ZY ZZZ ZZ ZY 1 321 31 Exemplo de Diagrama trifilar e unifilar de um Sistema Elétrico um pouco mais complexo. Diagrama trifilar Exemplo de Diagrama trifilar e unifilar de um Sistema Elétrico um pouco mais complexo. Diagrama Unifilar Exemplo 1: O diagrama unifilar abaixo representado corresponde a um circuito trifásico (3φ). A tensão de linha é igual a . Usar sequência de fases ABC. 00220 Pede-se: a) As tensões de linha da fonte b) As tensões de linha na carga de 500Ω c) Correntes de linha fornecidas pela fonte d) FP visto pela fonte e) Potência trifásica fornecida pela fonte Exemplo 2: Um circuito trifásico equilibrado é mostrado na figura abaixo. Pede-se determinar a tensão fornecida pela fonte para que a tensão na carga seja 13,8 kV. Análise Técnica e Econômica do Transporte da Energia Elétrica - Geralmente a energia elétrica é gerada a longas distâncias dos centros de consumo, resultando em perdas ao longo do processo de transporte da energia. Perdas nas LTs: - Perdas jáulicas - Perdas por efeito corona - Perdas por efeito pelicular - A escolha do nível adequando de tensão para a linha de transmissão elétrica, deverá englobar tanto os aspectos técnicos como os econômicos. Análise Técnica e Econômica do Transporte da Energia Elétrica - O custo global do transporte da energia está relacionado, portanto, ao custo das perdas e ao custo total de instalação da LT. Custo do Transporte da Energia Elétrica ↑tensão, ↓corrente, ↓Perdas → Menores custos das perdas. ↑tensão → Maior custo das instalações ( estrutura das torres, isoladores, cabos , equipamentos terminais, etc.) Classificação das LT quanto à tensão Nominal: o Transmissão: Padronizadas: 138; 230; 345 e 500 kV Existentes: 440 e 750 kV o Sub-Transmissão: Padronizadas: 34,5; 69 kV Existentes: 88 kV o Distribuição Primária: Padronizadas: 13,8 e 34,5 kV Existentes: 11,9 e 22,5 kV o Distribuição Secundária: Padronizadas: 127/220 V e 220/380 V Existentes: 110 V e 115/230V - Nível de Tensão nos terminais dos Geradores: • Usual: 13,8 kV • Existentes: 2,2 a 22 kV Análise Técnica e Econômica do Transporte da Energia Elétrica O custo total é a soma das duas componentes de custo. O ponto de mínimo na curva representa o ponto onde ter-se-á menor custo global, o qual corresponde ao nível de tensão mais econômica para o transporte da energia, dado pela equação empírica abaixo: ][ 100 62,05,5 KV P LVeconômica onde: L → comprimento da LT em [km]; P → potencia a ser transmitida na LT em [kW]. Exemplo: Qual deverá ser a tensão mais econômica para o transmitir: a) 1.000 MW à distância de 225 km. b) 10 MW à distância de 100 km. Sistema Elétrico em Anel x Radial • Sistema Elétrico Radial → Energia flui num único sentido, sai da fonte e flui para as cargas. São geralmente utilizados na distribuição e subtransmissão. Sistema Elétrico em Anel - Energia pode fluir em ambos os sentidos. Muito utilizados a nível de Transmissão. Sistema Elétrico em Anel Vantagens: - Intercâmbio Sazonal; - Maiores Unidades Geradoras (economia de escala); - Mais eficiente. Desvantagens: - Maior complexidade na operação e planejamento; - Problemas locais podem se transformar em problema de rede → globalização dos problemas locais. Modelagem dos Elementos que compõem um Sistema Elétrico para Estudos de Curto Circuito Gerador Síncrono O modelo por fase do gerador síncrono para estudos de Curto Circuito pode ser representado por: Como, via de regra, a resistência é muito menor do que a reatância indutiva (R << jX), tem-se: Quando da ocorrência de um curto-circuito trifásico nos terminais de um gerador, a corrente de curto que aparece tem a forma de onda semelhante às das figuras abaixo: Formas de onda típicas de correntes de curto circuito trifásicas nos terminais de uma unidade geradora jX E Icc Corrente variável, pois, a reatância da máquina varia. Os transformadores podem ser classificados em: • Monofásicos: transformadores de 2 enrolamentos, autotransformadores. • Transformadores trifásicos convencionais: YY, YΔ, ΔY, ΔΔ → provocam defasamentos angulares de 0º (YY, ΔΔ) ou 30º (YΔ, ΔY). • Transformadores especiais (YΔ-Estendido). Modelagem do transformador monofásico Ideal: Modelagem do transformador monofásico ideal: Modelagem do transformador monofásico ideal: ação transformde relação 2 1 2 1 N N V V 1 2 1 I I • Relação entre as tensões do primário e secundário: • Relação entre as correntes do primário e secundário: • Potências: Não há perdas, potência de entrada é igual à potência de saída. Exemplo: Dado o circuito abaixo, obter I1: -1º modo: Análise utilizando a relação de transformação - 2º modo: Análise utilizando o conceito de impedância refletida 1º modo: Análise utilizando a relação de transformação: • Tensão e corrente no secundário (carga): V V V V V VV º0110 2 2 110 220 º0220 1 2 2 1 1 mA V I 022 067,366 300 • Corrente no primário: mAI mA I I I I º033,183 2 º067,366 2 11 1 2 1 2 1 2º modo: Análise utilizando o conceito de impedância refletida : ) sec(Imº01200º03004 I 1 2 2 1 2 1 1 2 1 2 22 1 21 2 1 2 2 1 1 1 refletidaimpedânciadeconceito primáriopelovistaundáriodopedânciaZ ZZ I I I I V Z VV V V I V I V Z 2º modo: Análise utilizando o conceito de impedância refletida : mA Z V I º033,183 º01200 º0220 1 1 1 Assim: Modelagem do transformador monofásico real: Considera-se as perdas nos enrolamentos e no núcleo. Modelagem de um transformador Real – Impedâncias refletidas ao enrolamento primário 2' 1 I I 2' 1 2 1 2 / 21 2 1 1 2 I I I I VV VE E E Modelagem do transformador monofásico real: Circuito equivalente referido ao primário. 2' 1 I I Modelagem do transformador monofásico real: - Geralmente, em transformadores de distribuição de pequeno porte, a corrente de excitação (I) é de aproximadamente 3% a 5% da corrente nominal do equipamento. - Em transformadores de médio e grande porte, o percentual é, usualmente, menor do que isso, chegando a valores menores do que 1%. O modelo por fase de transformadores, para estudos de curto-circuito, pode ser dado por: Modelagem de um transformador Real referido ao enrolamento primário, desconsiderando o ramo magnetizante Para transformadores de potência (algumas centenas de kVA), tem-se: Assim: eqeq XR Modelagem de um transformador real de potência referido ao enrolamento primário, desconsiderando o ramo magnetizante, utilizada em estudos de Curto Circuito. Exemplo: Um transformador de 220/110V, 1kVA, alimenta uma carga resistiva de 110V nas condições nominais. Os parâmetros do circuito são: )( 2 5,0;125,0 núcleo) no perdas às associada ia(condutânc1 2 ;5,0 núcleo do ãomagnetizaç a conta em leva que iasusceptânc1 22 1 11 mb Xr mg Xr m n Pede-se calcular: 1) Tensão e corrente fornecida pela fonte 2) Potência complexa fornecida pela fonte 3) Fator de potência visto pela fonte 4) Eficiência do Transformador 5) Perdas ôhmicas nos enrolamentos 6) Perdas no núcleo Modelagem do Autotransformador monofásico: Há conexão elétrica entre os enrolamentos Transformador monofásico de 2 enrolamentos Transformador monofásico de 2 enrolamentos conectado como auto transformador elevador V1 + V2 Análise como Transformador: * 22 * 11 IVIV SS se Análise como Autotransformador: )(saída de potência )(entrada de potência * 221 * 2 * 11 BIVVS AIIVS S e - De (A): )(*11 * 21 * 21 * 11 CIVSIVIVIVS ee - De (B): potência toda transfereautotrafo O * 22 * 11 * 22 * 11 * 22 * 21 eS eS eS S SS IVIVSS IVIVSS IVIVS V1 + V2 Análise da potência transmitida: elétrico oacoplament pelo atransmitid pot. da parcela 2 1 trafo)magnético( toacomplamen pelo atransmitid pot. da parcela 2 1* 22 * 222 21 2 1* 221 11 TTAUTO TAUTO S S S S S N N SS S N N SIVS IVVS VV V V IVVS T AUTO AUTO AUTO V1 + V2 Análise da potência transmitida: • Relação de transformação: 122 2 21 1' VV V VV V • Rendimento: (Perdas nos enrolamentos e no núcleo são as mesmas). ee e e S P Perdas P PerdasP P P 1100 Nota: A potência do auto transformador é maior, assim, sendo as perdas as mesmas, o rendimento do autotransformador é maior! V1 + V2 Autotransformador x Transformador (ambos de mesma potência): 1) O autotrasformador terá dimensões menores que o transformador (peso, volume e menos material); 2) O núcleo do autotransformador será menor, portanto, menores serão a corrente a vazio e as perdas no núcleo; 3) Autotransformador tem maior rendimento que o transformador; 4) Auto transformador terá menor custo; 5) Auto transformador apresenta conexão elétrica. Por isto, não se usa autotransformadores de potências elevadas e altas tensões Exemplo. Dispõe-se dos seguintes equipamentos: Transformadores Trifásicos: Exercício: Seja 3 transformadores monofásicos idênticos com S = 10 kVA, 1330/230 V. Monte bancos de transformadores trifásicos usando as várias ligações possíveis. Para cada tipo de ligação, obter as relações de transformação e defasagens entre as tensões do primário e secundário. Considere a sequência de fases ABC. Exercício 2: Transformadores de 3 enrolamentos Transformadores de 3 enrolamentos Modelagem de Linhas de Transmissão - Não será apresentado um estudo pormenorizado da linha de transmissão, nem como se calculam os parâmetros R, L, C e G da mesma. - Será apresentado uma visão geral objetivando a familiarização e o uso de modelos de circuitos representativos das linhas, indicações de aplicações e limitações. As Linhas de Transmissão (LT) podem ser modeladas em função de seu comprimento, do seu nível de tensão e da capacidade de transmissão. Dentro deste enfoque, as LTs se classificam em: •LTs curtas; •LTs médias; •LTs longas. Classe de Tensão: Tipos de condutores: Tipos de condutores: = 25,4 mm AWG - American Wire Gauge (escala americana normalizada) é o nome da unidade de medida usada para padronização de fios e cabos elétricos. , AWG 1 in − 25,4 mm 0,001 in − X → X = 0,254 mm de diâmetro A = π × (D/2)2 = 0,000506707 mm2 = 1 CM 250 MCM = 250.000 CM = 250.000 × 0,000506707 = 126,7 mm2 400 MCM = 400.000 CM = 400.000 × 0,000506707 = 202,7 mm2 Tipos de condutores: Liga de alumínio: Alumínio + Magnésio/Silício, por exemplo. - A utilização de condutores multifilares torna-os mais flexíveis, logo mais fáceis de manipular. O cabo de alumínio-aço comparado com o cabo homogêneo de cobre com a mesma resistência tem ... - Maior diâmetro (40 % superior) - Menor peso – vantagem - Maior resistência mecânica – vantagem: permite reduzir as flechas e aumentar os vãos. - A utilização de condutores multifilares (encordoados) torna-os mais flexíveis, logo mais fáceis de manipular. O cabo de alumínio-aço comparado com o cabo homogêneo de cobre com a mesma resistência tem ... -Maior diâmetro (40 % superior) - Menor peso – vantagem - Maior resistência mecânica – vantagem: permite reduzir as flechas e aumentar os vãos. Modelagem de Linhas de Transmissão a partir de Parâmetros Concentrados •LT Curta: Caracterizam-se como LT curtas aquelas cuja capacitâncias equivalente em paralelo (shunt), tanto para terra como entre condutores (também conhecida como line charging), é pequena pode ser desprezada sem perda apreciável de precisão. - Assim, consideram-se comoparâmetros concentrados apenas a resistência em série R e a indutância em série L para todo o comprimento da linha. VS . VR . IS . IR . Z= R +j L . Representação como QUADRIPOLOS RRS RRS IDVCI IBVAV Constantes generalizadas da LT.: A = 1 B = ZLT [Ω] C = 0 D = 1 O comprimento que caracteriza uma LT curta, em função do seu nível de tensão é dado por: Tensão Fase Fase (kV) Comprimento Maximo (km) V < 150 80 150 V 400 40 V > 400 20 Exemplo: LT 13,8 kV; L = 80 km; Bitola do cabo: 4 AWG KmX KmX KmR C LT 343,287 /519,0 /598,1 •LT Média: Podem ser representadas pelos modelos π ou T VS . VR . IS . Z . IR . Y/2 . Y/2 . VS . VR . IS . Z/2 . IR . Z/2 . Y . modelos π Modelos T Tensão Fase Fase (kV) Comprimento Maximo (km) V < 150 80 L 200 150 V 400 40 L 200 V > 400 20 L 100 Comprimento máximo em função Nível de tensão – LT média. • Modelo π VS . VR . IS . Z . IR . Y/2 . Y/2 . (A) (B) Representação como QUADRIPOLOS RRS RRS IDVCI IBVAV Constantes generalizadas da LT.: ladmensiona 2 1 4 1 ladmensiona 2 1 ZY D S ZY YC ZB ZY A LT em aberto: LT em curto circuito: R S RS R S RS R V I CCVI V V AAVV I 0 R S R S RSR I I D I V B BIVV 0 Perdas de Potência e Rendimento: Onde: LT na potência de Perdas P receptora barra da terminalno entregue ativa Pot. P ora transmissbarra na LT pela absorvida ativa Pot. 2 1 P 100 1 2 P P 100-1η 1 P ΔP • Modelo T VS . VR . IS . Z/2 . IR . Z/2 . Y . RRS RRS IDVCI IBVAV SYC ZY A ladmensiona 2 1 ladmensiona 2 1 ][ 4 1 ZY D ZY ZB Provar que: Exemplo: Caso o comprimento da linha do exemplo anterior seja L = 150 km, obter os modelos T e π . •LT Longa: A representação torna-se mais complexa. Para que a linha longa seja representada adequadamente, essas grandezas devem conter os fatores de correção expressos nas equações a seguir. VS . VR . IS . Z’ . IR . Y’/2 Y’/2 YZ YZsenh ZZ 2/ 2/ YZ YZtgh YY S Y = Admitância shunt por unidade de comprimento; Z = impedância série por unidade de comprimento. VS . VR . IS . Z’ . IR . Y’/2 Y’/2 RRS IZV YZ V 1 2 RRS I YZYZ YVI 1 24 1 •Exemplo: A figura abaixo representa um diagrama unifilar de um sistema trifásico. Pede-se obter: a) A tensão de linha na barra 1 b) A corrente fornecida pelo gerador c) Perdas ôhmicas na LT d) Montar o diagrama fasorial. 1,2 MVA 13,8 kV fp = 0,92 ind 397,5 MCM 138 kV 100 km Regulação de Tensão de uma LT (Reg): grandeza que retrata o aumento da tensão na barra receptora, dado em percentagem da tensão de plena carga, quando toda a carga, a um determinado fator de potência, é retirada da linha, mantendo constante a tensão na barra transmissora %100 Reg )arg( )arg_()( aPlenaCR aCPlenaRVazioR V VV - VR(Vazio) = módulo da tensão na barra receptora da LT sem carga (a vazio) com VS constante, (IR = 0); - VR(PlenaCarga) = módulo da tensão a plena carga na barra receptora com VS constante. Regulação de Tensão de uma LT (Reg): De forma mais geral, define-se a regulação de tensão de uma linha, em um determinado regime de carga, como a variação percentual entre os módulos das tensões entre transmissor e receptor, com relação ao receptor. %100 Reg R RS V VV O valor da regulação depende dos parâmetros elétricos da linha, do regime de carga, principalmente da potência reativa transmitida. Poderá ser positivo ou negativo, como, por exemplo, nas LTs médias ou longas que operam à vazio ou com carga baixa. Pode ser controlado atuando-se sobre o fator de potência da carga, ou sobre os parâmetros das linhas, o que tem inclusive implicações econômicas. Modelagem de Cargas: A modelagem das cargas é mais complexa, pois são compostas de agregados de consumidores. Características: - grande diversidade de tipos na sua composição - podem ser R, L e C ou combinações destes tipos - cargas não lineares (geradores de harmônicos) Exemplo de uma curva de carga típica de um transformador de distribuição: 1) Modelo de Potência constante (usados em estudos de fluxo de carga): 2) Modelo de Impedâcia ou admintância constante: 3) Impedância em série com força eletromotriz: Barra, Disjuntor e Chave -As barras são condutores elétricos com resistência desprezível, quando comparada com a impedância de linhas e transformadores. Isto justifica sua representação circuital na forma de nós elétricos. - Disjuntores e chaves são dispositivos que permitem conectar ou desconectar condutores de uma rede elétrica. - disjuntor está ligado ao sistema de proteção e opera automaticamente quando algum evento é detectado pelo relé a ele associado; - as chaves, manuais ou mecânicas, são usadas para reconfigurar o sistema e atender às necessidades de desenergização para manutenção. Exemplo de um barramento tipo simples: Conceito de Barramento Infinito Uma barra infinita representa um grande sistema de potência de tal forma que a tensão e a freqüência nesta barra são constantes. Em termos de circuitos elétricos é modelada por uma fonte de tensão ideal (sem impedância interna) Simbologia usual em Sistemas de Potência Simbologia usual em Sistemas de Potência Exercícios Propostos: 1) Um transformador monofásico real de 110 kVA, 2200/110 V, opera a plena carga alimentando com tensão nominal uma carga indutiva de fator de potência de 80 % em seu lado de baixa tensão. Os parâmetros do circuito equivalente são: R1 = 0,22 ; R2 = 0,5 m; X1 = 2 ; X2 = 5 m; Rm = 5494,5 , e Xm = 1099 Usando o circuito referido ao primário, e adotando-a tensão na carga como referência, calcular: a) A tensão aplicada na AT b) A potência fornecida pela fonte c) As perdas ôhmicas nos enrolamentos d) As perdas no núcleo e) O rendimento do transformador 2) Responda as questões: Um transformador monofásico foi conectado como um autotransformador. Baseado nesta informação, responda: a) Qual terá uma maior eficiência, o transformador ou o autotransformador? Por que? b) Qual terá maior capacidade? 3) Uma linha de transmissão de comprimento igual a 100 km possui os seguintes parâmetros: - Resistência ôhmica: 0,697 [/Km] por fase; - Reatância indutiva: 0,519 [/Km] por fase; - Reatância capacitiva: 266.274,0 [.Km] por fase. Pede-se representar a linha pelos seus modelos Pi e T, sabendo-se que a linha de transmissão com as características acima é considerada uma linha média. 4) As constantesde uma Linha de Transmissão são: A = D = ( 0,993 + j 0,00151 ); B = ( 9,823 + j 47,31 ) ; C = j 0,305 mS. A carga na barra receptora é de 55 MVA a 132 KV com fator de potência atrasado de 0,9. Com base nos dados acima, pede-se calcular: a) A tensão fase-fase e corrente de linha no barramento transmissor. b) A potência trifásica em MVA entregue à L.T. c) Rendimento e regulação da L.T. d) O reativo consumido pela linha. e) Perdas de potência na linha. f) Estando a linha operando a vazio, pede-se calcular a tensão no barramento receptor quando a tensão no barramento alimentador for igual a 135 kV. Calcular o Efeito Ferranti. 5 ) Explicar, de forma sucinta, qual é o efeito da variação do fator de potência da carga sobre a regulação de tensão de uma linha de transmissão. 6) O que vem a ser as perdas por efeito corona e efeito pelicular que ocorrem em uma linha de transmissão? 7) O que vem a ser sistema elétrico em anel e radial? Qual é mais eficiente? Por quê?
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