Visando agregar os desequilíbrios estruturais e operacionais dos sistemas elétricos de distribuição às condições operacionais em regime permanente, se faz necessário estruturar as diretrizes que definem os pontos de interesse quanto à caracterização do sistema elétrico de distribuição em análise. Vide figura (2.14).
Tais diretrizes abrangerão os sistemas trifásicos, bifásicos e MRT, e implicarão decisivamente na formulação e modelagem estrutural dos sistemas de média tensão de distribuição a serem utilizados pelos engenheiros de planejamento da operação e expansão.
Fig. 2.14 - Pontos notáveis em sistemas elétricos de média tensão de distribuição.
Serão pontos notáveis:
o nó raiz situado na subestação de distribuição (SED);
os nós que delimitam mudanças na configuração dos circuitos. Ou seja, pontos em que haja alteração das estruturas, e/ou condutores, e/ou
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os nós de derivação que estabelecem a ramificação do sistema elétrico de distribuição;
os nós das subestações consumidoras dos clientes A4 e grupo B optante; os nós em que se localizam clientes com cargas especiais (fornos de
indução, fornos a arco, retificadores, inversores, etc);
os nós que demarcam as áreas urbanas, rurais e industriais;
os nós vinculados à operações de contingenciamento e remanejamento de cargas;
os nós em que se localizem componentes de proteção; e os nós em que se localizem componentes de operação.
De forma a esclarecer quais são os componentes de proteção e operação, têm-se:
Componentes de Proteção
O religador é um dispositivo de retaguarda destinado a interromper e efetuar religamentos nos circuitos de distribuição de média tensão. Figura (2.15).
Fig. 2.15 - Religador.
Já o seccionalizador, figura (2.16), é um dispositivo projetado para operar de forma coordenada e em conjunto com o religador, ou então diretamente com disjuntores com relé de religamento. Desta forma, o seccionalizador é um equipamento projetado para ser ligado em série, no lado da carga, e após o religador automático ou após o disjuntor com relé de
religamento. Destaca-se a inexistência de contato elétrico ou mecânico entre o seccionalizador e o
religador ou disjuntor. Fig. 2.16 - Seccionalizador.
Ocorrendo um defeito na zona de proteção do seccionalizador, o religador deverá sentir tal ocorrência. Isto é, o religador deverá interromper a corrente de defeito, o seccionalizador conta a interrupção, e após um pré- determinado número de interrupções do religador (uma, duas ou três), o seccionalizador abre seus contatos, sempre com o circuito desenergizado e antes da abertura definitiva do religador.
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Assim sendo, observa-se que um defeito permanente na zona de proteção do seccionalizador pode ser isolado sem que o religador, ou disjuntor com relé de religamento, abra seus contatos definitivamente. Tal artifício garante a operação do restante do sistema.
A chave-fusível, figura (2.17), é um equipamento utilizado para proteção da linha contra sobrecorrente. Tal proteção é realizada pela fusão do seu elo fusível. A mesma é instalada prevendo-se a coordenação da proteção, sendo o elo fusível dimensionado em função da carga instalada.
Fig. 2.17 - Chave-fusível.
Portanto, os componentes de proteção são pontos notáveis, pois em manobras e/ou transferência de cargas é necessário conhecer as novas correntes nos trechos, que juntamente com os níveis de curto-circuito, estabelecerão reprogramação dos parâmetros dos equipamentos, e, eventualmente, o “by-pass” de alguns para obtenção de coordenação de seletividade da proteção.
Componentes de Operação
As chaves a vácuo e a óleo são equipamentos de operação em carga usualmente instalados em interligações dos sistemas elétricos de média tensão. A finalidade é viabilizar contingenciamentos e transferências de blocos de cargas prioritários. Vide figura (2.18).
Fig. 2.18 - Chave a vácuo ou a óleo.
Já a chave-faca, figura (2.19), é um equipamento de operação manual, sendo usado no seccionamento da linha a fim de facilitar a sua operação. A chave-faca é instalada ao longo do alimentador para restabelecimento do atendimento dos clientes, devendo ficar em pontos estratégicos que permitam a agilidade da operação.
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Os bancos de capacitores, figura (2.20), são instalados em postes visando desempenho operacional e qualidade de energia conforme aplicação. Ou seja, compensação dos reativos, correção do fator de potência
de consumidores industriais, regulação de tensão, redução de perdas, e aumento da capacidade de transmissão de potência ativa.
Fig. 2.20 - Capacitor.
Os reguladores de tensão monofásicos são equipamentos projetados para medir e corrigir a tensão das linhas de distribuição de energia elétrica de média tensão conforme ajustes e parametrização definidos. Figura (2.21).
Fig. 2.21 - Regulador de tensão monofásico.
Os transformadores 3 e 1 são os componentes de operação do sistema elétrico responsáveis por estabelecer o elo de ligação entre os diversos níveis de tensão. Pela característica de interligação dos níveis de tensão do sistema elétrico, os transformadores estão presentes tanto
nas subestações das centrais de geração, como nas subestações de distribuição (SED), e subestações consumidoras atendidas em média ou alta tensão de distribuição; assim como, pulverizados ao longo dos alimentadores nos sistemas elétricos de distribuição de forma a atender aos clientes. Vide figura (2.22).
Fig. 2.22 - Transformadores.
2.6. Conclusão
Almejando resultados que agregam os desequilíbrios estruturais e operacionais dos sistemas elétricos de distribuição às condições de operação em regime permanente, no presente capítulo apresentaram-se inicialmente as nomenclaturas e conceitos básicos dos sistemas elétricos. Na sequência desenrolou-se a formulação e modelo estrutural considerando as particularidades dos sistemas trifásicos, bifásicos e monofásicos (MRT). E também foram apresentadas as tipologias dos sistemas de distribuição de média tensão e diretrizes quanto aos pontos notáveis.
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Tais tópicos trazem a visão estrutural dos sistemas de distribuição de média tensão de forma a contextualizar o direcionamento da modelagem à abordagem trifásica.
Apenas através da abordagem trifásica se torna possível explorar e analisar:
desequilíbrios estruturais inerentes à disposição espacial entre condutores, e ao solo;
reatâncias própria e mútuas, sem a simplificação de transposição;
representação dos desequilíbrios estruturais do sequenciamento de fases, e dos sistemas monofilares, bifásicos e trifásicos;
desbalanceamento natural do sistema MRT, confiabilidade e estabilidade da proteção; como por exemplo, na limitação da corrente residual;
desbalanceamento das cargas, caracterizadas através de curvas de cargas típicas de cada unidade consumidora, e agregadas para a composição da curva de carga do transformador de distribuição;
regulação de tensão em sistemas de eletrificação rural como fator determinante para avaliar sua capacidade de carga; regulação de tensão decorrente dos desequilíbrios estruturais e operacionais;
impactos e desequilíbrios operacionais decorrentes de um banco de capacitores com um elo fusível queimado; e
desequilíbrios operacionais decorrentes da conexão dos bancos de reguladores de tensão, assim como, da operação independente de cada equipamento monofásico.
Nos próximos capítulos ter-se-á a oportunidade de dissertar sobre cada um destes motivadores à abordagem trifásica, enquanto são desenvolvidos os modelos dos circuitos, cargas, bancos de capacitores, transformadores e bancos de reguladores de tensão.
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O modelo do circuito trifásico dos sistemas elétricos de distribuição visa a determinação dos parâmetros concentrados de resistência, indutância e capacitância por segmentos de redes de distribuição aéreos. Tal modelo então estabelecerá os meios para a análise dos desequilíbrios estruturais inerentes à disposição espacial entre condutores e ao solo.
A determinação destes parâmetros concentrados é derivada das resistências, indutâncias e capacitâncias distribuídas ao longo dos sistemas elétricos de distribuição. Definindo-se, decorrentes da diferença de potencial entre condutores, as capacitâncias. E, inerente à resistência dos condutores, e às reatâncias indutivas próprias e mútuas resultantes do campo magnético, a impedância série.
Devido aos sistemas elétricos de distribuição de média e baixa tensão serem formados por sistemas trifásicos, bifásicos, e monofilares, sem aplicação de transposição intencional, não haverá simplificação das reatâncias própria e mútuas. A determinação das mesmas considerará o terra como caminho de retorno das correntes de desequilíbrio, e também considerará transposições estruturais decorrentes de necessidades mecânicas e operacionais (travessias e interligações, por exemplo).
O desenvolvimento deste capítulo se utiliza das teorias eletromagnéticas para a definição das impedâncias própria e mútuas. Verifica-se que a tentativa de estruturação do modelo através de circuitos elétricos se mostra inviável, uma vez que a inclusão do efeito do solo não possibilita o cálculo dos parâmetros desejados. Desta forma, se faz necessário seguir a abordagem eletromagnética considerando-se o efeito do solo através da teoria das imagens e das equações de Carson [12].
Dado que um alimentador de distribuição é inerentemente desbalanceado, uma abordagem mais apurada para análise dos sistemas de distribuição não deve ser baseada em hipóteses simplificadoras no que tange o espaçamento dos condutores, a bitola, suas formações e transposições. No artigo de 1926 de Carson [12] é apresentado o desenvolvimento de uma técnica onde podem ser determinadas as impedâncias primitivas série, próprias e mútuas, para um número arbitrário de condutores aéreos.
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Neste artigo, as equações de John R. Carson partem da hipótese de que os condutores são paralelos à terra; e que a mesma pode ser considerada infinita, uniformemente sólida, com superfície superior plana, e resistividade constante. Adicionalmente, são desconsiderados os efeitos eletromagnéticos introduzidos por terminações nos pontos de aterramento. Isto porque não são significativos nas frequências de operação de sistemas elétricos de energia (50 e 60 Hz).
Conforme Kersting [01], a partir das equações de Carson modificadas para sistemas de distribuição aéreos são determinadas as impedâncias primitivas série e admitâncias shunt primitivas. Estruturando-se assim, conforme evidenciado na figura (3.1), o modelo completo do circuito com parâmetros concentrados por segmentos de rede.
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