Os estudos são feitos considerando um sistema de distribuição trifásico em média tensão (13,8 kV), equilibrado, sequência de fases positiva, adotando a tensão entre a fase “B” e o neutro como referência. Assume-se que a fase “A” não está presente no ramal monofásico, que a fase “B” chega diretamente ao primário do transformador conversor, enquanto a fase “C” é conectada ao transformador monofásico para fins de inversão de polaridade e, só então, chega ao transformador conversor, já com seu ângulo de fase deslocado de 180°. A figura 5.1 apresenta o sistema elétrico simplificado utilizado nas simulações.
138 Figura 5.1 – Arranjo utilizado nas simulações computacionais.
A figura 5.1 indica um tronco trifásico que supre diretamente a chamada “carga 1”. Deste mesmo ramal trifásico deriva outro ramal, este bifásico, composto apenas pelas fases “B” e “C”. O ramal bifásico alimenta dois transformadores indicados por “trafo tri” e trafo mono”, que compõem o sistema conversor de número de fases proposto.
Na figura 5.1 observa-se a chamada “carga 2”, alvo das verificações de equilíbrio de tensão, já que a mesma é conectada ao secundário do transformador trifásico responsável pela conversão mono-trifásica, identificado por “trafo tri”. Tal carga assume diferentes características em cada um dos casos simulados. Já os demais componentes indicados na figura são mantidos constantes em todas as análises computacionais.
Desta forma, além do ramal de distribuição trifásico, a tabela 5.1 identifica os componentes da figura 5.1.
139 Tabela 5.1 – Componentes do sistema simulado no ATP.
Componente Definição Características
Carga 1
Carga trifásica desequilibrada conectada
diretamente ao ramal trifásico
Conexão estrela de impedância constante. Impedâncias por fase:
𝑍𝐴1= 400 + 𝑗10 𝛺,
𝑍𝐵1= 500 + 𝑗50 𝛺,
𝑍𝐶1 = 100 + 𝑗0,001 𝛺.
Carga 2 Carga trifásica conectada ao ramal bifásico
Características diferentes em cada um dos casos simulados.
Trafo tri Transformador trifásico conversor.
Configuração delta-estrela, Potência nominal: 30 kVA,
Tensões: 7967,4 kV / 220 V (valores fase-fase). Impedância percentual: 3,5%,
Corrente a vazio de 0,4% (7,1 mA), Resistência do primário: 31,7397 , Indutância do primário: 282,3894 mH, Resistência do secundário: 8,1 m, Indutância do secundário: 0,0718 mH, Resistência de magnetização: 2,6449776 M. Resistências ramal trifásico Consiste nas três resistências indicadas no tronco trifásico.
Todas são iguais a 0,01 𝛺, usadas apenas para permitir o uso do splitter (dispositivo do ATP que permite a derivação de um nó trifásico em três nós monofásicos).
Impedância de linha
Impedância do ramal bifásico que conecta a carga
2 ao tronco trifásico.
Adotou-se que este ramal monofásico tem a extensão 250 m e é formado por cabo de alumínio com alma de aço, CAA 1/0. Tal cabo possui como parâmetros elétricos a resistência de 0,969 /condutor/km e a reatância indutiva a 60 Hz de 0,497732 /condutor/km. Estes dados resultaram em linhas do ramal monofásico com resistências de 242,25 m/fase e indutâncias de 0,330069 mH/fase
Trafo mono Transformador monofásico conectado à fase “C”.
Seus dados implementados no ATP são: polaridade aditiva, relação de transformação 1:1; potência de 15 kVA, tensões no primário e no secundário iguais a 7,967 kV; impedância percentual de 3,5%, corrente a vazio de 2% (53,25 mA). Além disso, as resistências e a indutâncias, idênticas no primário e no secundário devido à relação de transformação, são respectivamente iguais a 21,1598 e 188,2596 mH, a resistência de magnetização é de 1,057991046 M e fluxo magnético inicial é igual a 29,908 Wb. Resistência de aterramento Resistência de aterramento do terminal do primário do transformador conversor que não recebe o condutor
fase do ramal bifásico.
Adota-se o valor de 0,01 𝛺, representando um aterramento sólido com resistência desprezível.
Além destes dados, nos dois transformadores foram implementadas as correspondentes curvas de magnetização da chapa de aço silício grão orientado.
140 Como visto no capítulo IV, a conversão mono-trifásica proposta nesta tese exige que a rede de distribuição trifásica forneça dois condutores fase ao consumidor rural. Nos casos em que o transformador de distribuição recebe uma fase e um neutro, será necessária a mudança na conexão na rede trifásica do condutor neutro para uma das outras fases, como mostra a figura 5.2.
Figura 5.2 – Mudança na conexão à rede trifásica de distribuição.
Caso o sistema utilizado no local seja o MRT – Monofilar com Retorno por Terra, a obtenção do sistema trifásico no lado do consumidor exige a passagem de outro condutor fase desde a rede de distribuição trifásica até o transformador.
As simulações são coerentes com os princípios estabelecidos para efetivação da proposta deste trabalho: o transformador que atende o consumidor é um trifásico na configuração delta-estrela aterrada (transformador conversor), uma das duas fases do ramal monofásico é diretamente conectada ao transformador conversor e, a segunda fase do ramal monofásico, somente é conectada ao transformador conversor após ser intercalada por um transformador monofásico, de polaridade aditiva, com relação de transformação 1:1, para fins de inversão de polaridade.
Quanto à chamada “carga 2” da figura 5.1, foi dito que esta assume diferentes características em cada um dos casos simulados. Trata-se da própria carga trifásica conectada ao secundário do transformador trifásico conversor, sendo suprida pelo sistema a dois condutores proposto neste estudo. As simulações contemplam a análise de três casos. No primeiro caso, a carga 2 consiste em uma carga trifásica equilibrada de impedância constante. Na segunda simulação, a carga 2 é uma carga desequilibrada. No terceiro caso, a carga 2 consiste em um motor de indução. Os parâmetros elétricos das cargas utilizadas em cada simulação são mostrados na tabela 5.2.
141 Tabela 5.2 – Casos do processo de conversão proposto analisados computacionalmente.
Carga suprida pelo
sistema proposto Descrição
Caso 1 Carga trifásica RL equilibrada Impedância constante; conexão estrela; resistência de 5,22667 e indutância de 4,1453 mH em cada fase.
Caso 2 Carga trifásica RL desequilibrada
Impedância constante; conexão estrela; com os seguintes parâmetros:
Fase “A”: carga puramente resistiva de 1,536 , Fase “B”: carga de resistência igual a 1,431 em
série com uma indutância de 3,969 mH,
Fase “C”: carga de resistência igual a 3,523 em série com uma indutância de 1,029 mH.
Caso 3 Motor de indução trifásico
Potência nominal de 3 cv; 4 pólos; velocidade de rotação 1720 rpm; 127/220 V; rendimento de 93%; fator de potência de 0,73; Ip/In = 6,6; momento de inércia de 8.10- 3 kg.m2.
As análises feitas neste capítulo consideraram tanto as quedas de tensão quanto as perdas nos dispositivos do sistema, uma vez que foram implementadas no ATP as impedâncias dos condutores do ramal bifásico, assim como os parâmetros internos dos transformadores.
Um ramal monofásico, geralmente composto por cabo de alumínio com alma de aço, CAA 1/0 ou CAA 4/0, pode ter até alguns quilômetros de extensão, o que determinará os parâmetros dos condutores do ramal e as correspondentes perdas e quedas de tensão. Como os dois condutores do ramal monofásico são iguais, mesmo havendo quedas de tensão nas duas fases que fazem parte do ramal, verificam-se potenciais elétricos de mesmo módulo, embora diferentes de 1,0 pu, e defasados de 60° em dois terminais do primário do transformador conversor. Isso garante o equilíbrio de tensões no secundário, mesmo que com amplitudes diferentes da tensão nominal esperada.
Nos cálculos efetuados no capítulo IV, foram desprezadas as quedas de tensão nos condutores do ramal bifásico, bem como qualquer perda nos condutores e nos transformadores. Já nas simulações computacionais, como visto, tais características são implementadas. Portanto, são esperadas relativas divergências ao comparar-se valores calculados no capítulo IV com os correspondentes resultados obtidos em simulações computacionais.
Sabe-se que tais perdas e quedas de tensões, implementadas na simulação, resultam em algumas alterações dos padrões trifásicos. Tais alterações são quantificadas através da determinação do fenômeno chamado de desequilíbrio de tensão, associado às magnitudes das tensões trifásicas de linha eficazes registradas: Vab, Vbc e Vca.
142 Existem atualmente quatro métodos amplamente empregados para a quantificação do desequilíbrio de tensão: o método NEMA, o método IEEE, o método das componentes simétricas e o método CIGRÉ (Congress Internationale des Grand Réseaux Électriques a
Haute Tension) [20]. O método CIGRÉ calcula o desequilíbrio utilizando somente os
módulos das tensões de linha do sistema. Tal forma de cálculo é citada no PRODIST – Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional, Módulo 8, da ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica [67]. Segundo a nomenclatura adotada no PRODIST, Módulo 8, o chamado fator de desequilíbrio, FD% tem seu método de cálculo determinado por: 𝐹𝐷% = 100. √1 − √3 − 6. 𝛽 1 + √3 − 6. 𝛽 (5.1) Onde: 𝛽 =(𝑉𝑉𝑎𝑏4 +𝑉𝑏𝑐4 + 𝑉𝑐𝑎4 𝑎𝑏2 +𝑉𝑏𝑐2 + 𝑉𝑐𝑎2)2 (5.2)
Na equação (5.2), os termos V𝑎𝑏, V𝑏𝑐, V𝑐𝑎 são, respectivamente, os módulos das tensões de linha entre as fases “A” e “B”, “B” e “C”, “C” e “A”. O fator de desequilíbrio, FD%, verificado nas simulações é apresentado nas respectivas figuras referentes às tensões de linha. O mesmo documento da ANEEL [67] determina que o valor do desequilíbrio nos barramentos do sistema de distribuição, com exceção da baixa tensão (BT), deve ser igual ou inferior a 2%.