SIMULAÇÃO DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS DE ENERGIA

GUSTAVO GALEAZZI BACIL

SIMULAÇÃO DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA EM SISTEMAS DE

DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

DISSERTAÇÃO

CURITIBA

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SIMULAÇÃO DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

High Impedance Fault Detection on Electrical Energy Distribution

System

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Sistemas de Energia da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial para a obtenção do título de “Mestre em Engenharia Elétrica” – Área de Concentração: Automação e Sistemas de Energia.

Orientador: Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto

CURITIBA

2020

Esta licença permite que outros façam download dos trabalhos e os compartilhem desde que atribuam crédito aos autores, mas sem que possam alterá-los de nenhuma forma ou utilizá-los para fins comerciais.

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Dados Internacionais de Catalogação na Publicação

Bacil, Gustavo Galeazzi

Simulação de faltas de alta impedância em sistemas de distribuição de energia elétrica [recurso eletrônico / Gustavo Galeazzi Bacil. -- 2020.

1 arquivo eletrônico (149 f.): PDF; 5,93 MB. Modo de acesso: World Wide Web.

Texto em português com resumo em inglês.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-graduação em Sistemas de Energia. Área de Concentração: Automação e Sistemas de Energia. Linha de Pesquisa: Processamento e Análise de Energia, Curitiba, 2020.

Bibliografia: f. 73-76.

1. Sistemas de energia elétrica - Dissertações. 2. Energia elétrica - Distribuição - Manutenção e reparos. 3. Impedância (Eletricidade). 4. Localização de falha elétrica. 5. Curtos-circuitos. 6. Sistemas de energia elétrica - Proteção. 7. Sistemas de energia elétrica - Medidas de segurança. 8. Modelos matemáticos. 9. Simulação (Computadores). I. Chemin Netto, Ulisses, orient. II. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-graduação em Sistemas de Energia. III. Título.

CDD: Ed. 23 -- 621.31

Biblioteca Central do Câmpus Curitiba - UTFPR Bibliotecária: Luiza Aquemi Matsumoto CRB-9/794

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GUSTAVO GALEAZZI BACIL

SIMULAÇÃO DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

Trabalho de pesquisa de mestrado apresentado como requisito para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Área de concentração: Automação e Sistemas de Energia.

Data de aprovação: 31 de Agosto de 2020

Prof. Ulisses Chemin Netto, Doutorado – Universidade Tecnológica Federal do Paraná Prof. Daniel Motter, Doutorado – Universidade Estadual do Oeste do Paraná (Unioste) Prof. Paulo Cícero Fritzen, Doutorado - Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Ministério da Educação

Universidade Tecnológica Federal do Paraná Câmpus Curitiba

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Dedico este trabalho à minha família, que sempre primou pela minha educação, me incentivou, e esteve presente em todos os momentos de dificuldade, desfrutando também dos momentos de vitória.

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AGRADECIMENTOS

Certamente estes parágrafos não irão atender a todas as pessoas que fizeram parte dessa importante fase de minha vida. Portanto, desde já peço desculpas àquelas que não estão presentes entre essas palavras, mas elas podem estar certas que fazem parte do meu pensamento e de minha gratidão.

Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto, pela sabedoria com que me guiou e também pelo companheirismo nesta trajetória.

À Universidade Tecnológica Federal do Paraná, por ceder seus ambientes para o desenvolvimento desta pesquisa.

Gostaria de deixar registrado também, o meu reconhecimento à minha família, pois acredito que sem o apoio deles seria muito difícil vencer esse desafio.

Enfim, a todos os que por algum motivo contribuíram para a realização desta pesquisa.

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RESUMO

BACIL, Gustavo Galeazzi. Simulação de Faltas de Alta Impedância em Sistema de

Distribuição de Energia Elétrica. 2020. 208 f. Dissertação (Mestrado em

Engenharia Elétrica) - Programa de Pós-graduação em Sistemas de Energia - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2020.

Quando um sistema de proteção atua em decorrência de uma falta permanente, diversos consumidores ficam sem o fornecimento de energia elétrica pelo tempo gasto em localizar e recompor o sistema ao seu estado de operação normal e seguro. A confiabilidade do sistema tem proporcionalidade direta com o tempo de atuação das equipes de manutenção, sendo assim, quanto menor o tempo de localização da falta, mais confiável é classificado o sistema. As faltas de alta impedância são caracterizadas por possuírem um valor suficientemente alto de impedância para comprometer o funcionamento adequado de relés de sobrecorrente convencionais, fusíveis e técnicas de localização de faltas, por exemplo. Os valores de corrente de defeito associado são menores do que aqueles que representam o comportamento nominal do circuito protegido, sendo causadas pelo contato de um condutor energizado ao solo, a uma árvore, a uma estrutura ou equipamento qualquer, por exemplo. Ao contrário de curto-circuitos francos, os quais envolvem valores de corrente expressivos e, portanto, são mais fáceis de serem detectados, as faltas de alta impedância representam um desafio para proteção e operação do sistema elétrico de potência. Essas causam poucos danos aos equipamentos do sistema elétrico de potência, contudo, sua não detecção implica em sérios riscos à segurança dos indivíduos bem como pode se tornar a fonte de ignição para incêndios. Esta pesquisa tem como objetivo aprimorar um modelo computacional já existente de falta de alta impedância, utilizando dados de oscilografias levantadas a partir de testes realizados em campo, de modo a se reproduzirem características que se aproximem das reais geradas na ocorrência do tipo de defeito em questão, e além disso, implementar o modelo de falta obtido em um sistema de distribuição de energia elétrica real previamente modelado, de maneira analisar o seu comportamento.

Palavras-chave: Curto-Circuito. Proteção. Detecção. Modelo. Faltas de alta

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ABSTRACT

BACIL, Gustavo Galeazzi. High Impedance Fault Detection on Electrical Energy

Distribution System 2020. 208 f. Dissertation (Master Degree in Electrical

Engeenering) - Postgraduate Program in Energy Systems - Federal Technology University - Paraná. Curitiba, 2020.

When a protection system acts as a result of a permanent fault, several consumers will remain without electricity for the time spent locating and restoring the system to its normal and safe operating state. The reliability of the system has direct proportionality with the time of maintenance of the maintenance teams, thus, the shorter the fault location time, the more reliable the system is classified. High impedance faults are characterized by having a sufficiently high impedance value to compromise the operation of conventional overcurrent relays, fuses, and fault locating techniques, for example. The associated fault current values are smaller than those representing the nominal behavior of the protected circuit and are caused by the contact of an energized conductor to the ground, a tree, a structure or any equipment, for example. Unlike short-circuits, which involve expressive current values and therefore are easier to detect, high impedance faults present a challenge for protection and operation of the power system. These cause very little damage to the electrical power system equipment, however, failure to detect them entails serious risks to the safety of consumers as well as becoming the source of ignition for fires. This research aims to improve an existing computational model of high impedance fault, using data from oscillographs raised from practical testes performed, in order to reproduce characteristics that approximate the real ones generated in the occurrence of the defect type in question , and in addition, to implement model obtained in a real electricity distribution system previously modeled, in order to analyze its behavior.

Keywords: Short-circuit. Protection. Detection. Model. High impedance fault.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Sinal de corrente elétrica para FAI. ... 23

Figura 2 – Sinal de corrente elétrica para chaveamento de banco de capacitores. .. 24

Figura 3 – Intermitência, não-linearidade e buildup das FAI. ... 25

Figura 4 – Shoulder das FAI... 26

Figura 5 – Magnitude das harmônicas para FAI em diferentes tipos de solo. ... 27

Figura 6 – Modelo de FAI com diodos em antiparalelo. ... 28

Figura 7 – Modelo de FAI com resistências não lineares. ... 29

Figura 8 – Modelo de FAI com resistências não lineares. ... 29

Figura 9 – Configuração do sistema para FAI. ... 32

Figura 10 – Forma de onda discretizada. ... 33

Figura 11 – Energia do detalhe de terceira ordem do sinal sem evento. ... 34

Figura 12 – Energia do detalhe de terceira ordem do sinal sem evento. ... 35

Figura 13 – Amplitude dos harmônicos para chaveamento de banco de capacitores. ... 36

Figura 14 – Amplitude dos harmônicos para chaveamento de banco de capacitores. ... 37

Figura 15 – Fluxograma da técnica de detecção proposta. ... 38

Figura 16 – Fluxograma de etapas da pesquisa. ... 39

Figura 17 – Visão geral do SDEE da CPFL. ... 40

Figura 18 – Diagrama unifilar geral do SDEE da CPFL. ... 41

Figura 19 – Modelo da FAI genérico. ... 42

Figura 20 – Código em linguagem MODELS para modelo de FAI. ... 43

Figura 21 – Curva V x I: (a) solo asfalto; (b) solo areia. ... 44

Figura 22 – Curva V x I: (a) solo calçamento; (b) solo grama. ... 44

Figura 23 – Curva R(t): (a) solo asfalto; (b) solo areia. ... 45

Figura 24 – Curva R(t): (a) solo calçamento; (b) solo grama... 45

Figura 25 – Ponto 1 de inserção de defeito. ... 47

Figura 26 – Tensão trifásica no ponto 1, sem inserção da FAI. ... 47

Figura 27 – Corrente trifásica no ponto 1, sem inserção da FAI. ... 48

Figura 28 – Tensão trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. .. 49

Figura 29 – Corrente trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. 50 Figura 30 – Corrente na fase A do ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 51

Figura 31 – Detalhe da corrente na fase A do ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 51

Figura 32 – Tensão trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 90°, solo tipo asfalto. .. 52 Figura 33 – Corrente trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 90°, solo tipo asfalto. 53

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Figura 34 – Corrente na fase A do ponto 1, FAI com ângulo de 90°, solo tipo asfalto.

... 54

Figura 36 – Tensão trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 240°, solo tipo asfalto. 55 Figura 37 – Corrente trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 240°, solo tipo asfalto. ... 56

Figura 38 – Corrente na fase A do ponto 1, FAI com ângulo de 240°, solo tipo asfalto. ... 57

Figura 40 – Detalhe de assimetria e não-linearidade no ponto 1, FAI com ângulo de 90°, solo tipo asfalto. ... 58

Figura 41 – Tensão trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. .... 59

Figura 42 – Corrente trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. .. 59

Figura 43 – Corrente na fase A do ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. 60 Figura 44 – Detalhe da corrente na fase A do ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia... 61

Figura 45 – Detalhe de não-linearidade no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. ... 61

Figura 46 – Tensão trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 62

Figura 47 – Corrente trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 63

Figura 48 – Corrente na fase A do ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 64

Figura 49 – Detalhe da corrente na fase A do ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 64

Figura 50 – Detalhe de assimetria e não-linearidade no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 65

Figura 51 – Tensão trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. .. 65

Figura 52 – Corrente trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. 66 Figura 53 – Corrente na fase A do ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 67

Figura 54 – Detalhe da corrente na fase A do ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 67

Figura 55 – Detalhe de não-linearidade no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 68

Figura 56 – Amplitude das componentes harmônicas no ponto 1, FAI com ângulo de 30°. (a) asfalto; (b) areia; (c) calçamento; (d) grama. ... 70

Figura 57 – Parte 1 do diagrama unifilar do SDEE da CPFL. ... 78

(11)

Figura 66 – Tensão trifásica no ponto 2, sem inserção da FAI. ... 102

Figura 67 – Corrente trifásica no ponto 2, sem inserção da FAI. ... 103

Figura 68 – Tensão trifásica no ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. 104 Figura 69 – Corrente trifásica no ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 104

Figura 72 – Tensão trifásica no ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. .. 106

Figura 73 – Corrente trifásica no ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. 106 Figura 74 – Corrente na fase A do ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. ... 107

Figura 75 – Detalhe da corrente na fase A do ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia... 107

Figura 80 – Tensão trifásica no ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. 110 Figura 81 – Corrente trifásica no ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 110

Figura 82 – Corrente na fase A do ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 111

Figura 84 – Amplitude das componentes harmônicas no ponto 2, FAI com ângulo de 30°. (a) asfalto; (b) areia. ... 112

Figura 85 – Amplitude das componentes harmônicas no ponto 2, FAI com ângulo de 30°. (a) calçamento; (b) grama. ... 113

Figura 87 – Tensão trifásica no ponto 3, sem inserção de FAI. ... 115

Figura 88 – Corrente trifásica no ponto 3, sem inserção de FAI. ... 115 Figura 89 – Tensão trifásica no ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. 116

(12)

Figura 90 – Corrente trifásica no ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto.

... 117

Figura 93 – Tensão trifásica no ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. .. 118

Figura 94 – Corrente trifásica no ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. 119 Figura 95 – Corrente na fase A do ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. ... 119

Figura 96 – Detalhe da corrente na fase A do ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia... 120

Figura 101 – Tensão trifásica no ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 123

Figura 102 – Corrente trifásica no ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 123

Figura 103 – Corrente na fase A do ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 124

Figura 109 – Corrente trifásica no ponto 4, sem inserção de FAI. ... 128

Figura 110 – Tensão trifásica no ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 129

Figura 111 – Corrente trifásica no ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 129

Figura 112 – Corrente na fase B do ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 130

Figura 113 – Detalhe da corrente na fase B do ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 130 Figura 114 – Tensão trifásica no ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. 131

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Figura 115 – Corrente trifásica no ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia.

... 131

Figura 116 – Corrente na fase B do ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. ... 132

Figura 117 – Detalhe da corrente na fase B do ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia... 132

Figura 120 – Corrente na fase B do ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 134

Figura 121 – Detalhe da corrente na fase B do ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 134

Figura 122 – Tensão trifásica no ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 135

Figura 123 – Corrente trifásica no ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 135

Figura 124 – Corrente na fase B do ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 136

Figura 125 – Detalhe da corrente na fase B do ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 136

Figura 130 – Corrente trifásica no ponto 5, sem inserção de FAI. ... 140

Figura 131 – Tensão trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 141

Figura 132 – Corrente trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 142

Figura 133 – Corrente na fase C do ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 142

Figura 134 – Detalhe da corrente na fase C do ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 143

Figura 135 – Tensão trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. 143 Figura 136 – Corrente trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. ... 144

Figura 137 – Corrente na fase C do ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. ... 144

Figura 138 – Detalhe da corrente na fase C do ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia... 145

(14)

Figura 139 – Tensão trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo

calçamento. ... 145 Figura 140 – Corrente trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo

calçamento. ... 146 Figura 141 – Corrente na fase C do ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo

calçamento. ... 146 Figura 142 – Detalhe da corrente na fase C do ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 147 Figura 143 – Tensão trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 147 Figura 144 – Corrente trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 148 Figura 145 – Corrente na fase C do ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 148 Figura 146 – Detalhe da corrente na fase C do ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 149 Figura 147 – Amplitude das componentes harmônicas no ponto 5, FAI com ângulo de 30°. (a) asfalto; (b) areia. ... 149 Figura 148 – Amplitude das componentes harmônicas no ponto 5, FAI com ângulo de 30°. (a) calçamento; (b) grama. ... 150

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Valores da tensão trifásica no ponto 1, sem inserção da FAI. ... 48

Tabela 2 – Valores da corrente trifásica no ponto 1, sem inserção da FAI. ... 48

Tabela 3 – Tempos de fechamento da chave “A” no ponto 1 de inserção da FAI. .... 49

Tabela 4 – Valores da tensão trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 49

Tabela 5 – Valores da corrente trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 50

Tabela 10 – Valores da tensão trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. ... 59

Tabela 11 – Valores da corrente trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia... 60

Tabela 12 – Valores da tensão trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 62

Tabela 13 – Valores da corrente trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 63

Tabela 14 – Valores da tensão trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 66

Tabela 15 – Valores da corrente trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 66

Tabela 16 – Características da FAI presentes em cada tipo de solo. ... 68

Tabela 17 – Valores de corrente no ponto 1 de inserção do defeito. ... 69

Tabela 18 – Valores das amplitudes das componentes harmônicas no ponto 1 de inserção do defeito. ... 71

Tabela 20 – Parâmetros dos condutores parte 1. ... 78

Tabela 21 – Parâmetros das cargas parte 1. ... 79

Tabela 24 – Parâmetros da fonte geradora. ... 82

Tabela 25 – Parâmetros do transformador. ... 82

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Tabela 29 – Parâmetros do banco de resistências 5. ... 83

Tabela 30 – Parâmetros do banco de capacitores BC-2. ... 84

Tabela 41 – Valores da curva VxI para solo do tipo asfalto. ... 96

Tabela 42 – Valores da curva VxI para solo do tipo areia. ... 97

Tabela 43 – Valores da curva VxI para solo do tipo calçamento. ... 98

Tabela 44 – Valores da curva VxI para solo do tipo grama. ... 99

Tabela 45 – Valores das curvas R(t). ... 100

Tabela 46 – Valores da tensão trifásica no ponto 2, sem inserção da FAI. ... 103

Tabela 47 – Valores da corrente trifásica no ponto 2, sem inserção da FAI. ... 103

Tabela 50 – Valores da tensão trifásica no ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. ... 106

Tabela 51 – Valores da corrente trifásica no ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia... 107

Tabela 52 – Valores da tensão trifásica no ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 108

Tabela 53 – Valores da corrente trifásica no ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 109

Tabela 54 – Valores da tensão trifásica no ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 110

Tabela 55 – Valores da corrente trifásica no ponto 2, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 111

Tabela 57 – Valores da tensão trifásica no ponto 3, sem inserção de FAI. ... 115

Tabela 58 – Valores da corrente trifásica no ponto 3, sem inserção de FAI. ... 116

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Tabela 60 – Valores da corrente trifásica no ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 117 Tabela 61 – Valores da tensão trifásica no ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. ... 118 Tabela 62 – Valores da corrente trifásica no ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia... 119 Tabela 63 – Valores da tensão trifásica no ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 121 Tabela 64 – Valores da corrente trifásica no ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 121 Tabela 65 – Valores da tensão trifásica no ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 123 Tabela 66 – Valores da corrente trifásica no ponto 3, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 124 Tabela 67 – Valores das amplitudes das componentes harmônicas no ponto 3 de inserção do defeito. ... 126 Tabela 68 – Valores da tensão trifásica no ponto 4, sem inserção de FAI. ... 128 Tabela 69 – Valores da corrente trifásica no ponto 4, sem inserção de FAI. ... 128 Tabela 70 – Valores da tensão trifásica no ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 129 Tabela 71 – Valores da corrente trifásica no ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 130 Tabela 72 – Valores da tensão trifásica no ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. ... 131 Tabela 73 – Valores da corrente trifásica no ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia... 132 Tabela 74 – Valores da tensão trifásica no ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 133 Tabela 75 – Valores da corrente trifásica no ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 134 Tabela 76 – Valores da tensão trifásica no ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 135 Tabela 77 – Valores da corrente trifásica no ponto 4, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 136 Tabela 78 – Valores das amplitudes das componentes harmônicas no ponto 4 de inserção do defeito. ... 138 Tabela 79 – Valores da tensão trifásica no ponto 5, sem inserção de FAI. ... 140 Tabela 80 – Valores da corrente trifásica no ponto 5, sem inserção de FAI. ... 141 Tabela 81 – Valores da tensão trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 141 Tabela 82 – Valores da corrente trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto. ... 142 Tabela 83 – Valores da tensão trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia. ... 143

(18)

Tabela 84 – Valores da corrente trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo areia... 144 Tabela 85 – Valores da tensão trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 145 Tabela 86 – Valores da corrente trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo calçamento. ... 146 Tabela 87 – Valores da tensão trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 147 Tabela 88 – Valores da corrente trifásica no ponto 5, FAI com ângulo de 30°, solo tipo grama. ... 148 Tabela 89 – Valores das amplitudes das componentes harmônicas no ponto 5 de inserção do defeito. ... 150

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LISTA DE SIGLAS E ACRÔNIMOS

ABRACOPEL Associação Brasileira de Conscientização para os Perigos da Eletricidade

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica ATP Alternative Transients Program

CPFL Companhia Paulista de Força e Luz DHT Distorção Harmônica Total

FAI Falta de Alta Impedância

IEEE Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos PMC Perceptron Multi-camadas

PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional

RNA Rede Neural Artificial

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SUMÁRIO 1INTRODUÇÃO ...19 1.1 OBJETIVOS ...20 1.1.1Objetivo geral ...20 1.1.2Objetivos específicos ...21 1.2 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO ...21 2REVISÃO DA LITERATURA ...23

2.1 FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA ...23

2.1.1Principais características das faltas de alta impedância ...24

2.2 PRINCIPAIS MODELOS DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA ...27

2.2.1Modelo de diodos em antiparalelo ...27

2.2.2Modelo de resistências não lineares ...28

2.3 ATPDRAW ...30

2.4 MÉTODOS DE DETECÇÃO DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA ...31

3DESENVOLVIMENTO ...39

3.1 ETAPAS PARA A CONDUÇÃO DA PESQUISA ...39

3.2 MODELAGEM DO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ..40

3.2.1Sistema de distribuição CPFL ...40

3.3 MODELAGEM DA FALTA DE ALTA IMPEDÂNCIA ...42

3.3.1Modelagem das características de assimetria e não linearidade ...43

3.3.2Modelagem das características de shoulder e buildup ...45

4RESULTADOS ...46

4.1 IMPLEMENTAÇÃO DO MODELO DE FALTA DE ALTA IMPEDÂNCIA ...46

4.1.1Ponto 1 de inserção de defeito ...47

5CONCLUSÃO ...72

REFERÊNCIAS ...73

APÊNDICE A -Partes do SDEE da CPFL e respectivos parâmetros ...77

APÊNDICE B -Valores extraídos das curvas V x I e R(t) das resistências do modelo de FAI proposto ...95 APÊNDICE C -Resultados das simulações para pontos 2 a 5 de inserção de

(21)

1 INTRODUÇÃO

Nos sistemas de distribuição de energia elétrica, as FAI (faltas de alta impedância) ocorrem com maior frequência do que nos sistemas de geração e transmissão, por esses estarem situados em áreas urbanas com condutores nus e aéreos suscetíveis ao contato com árvores, objetos estranhos, rompimento ou vandalismo (MORETO, 2005). Estima-se que 90% das faltas em um sistema de distribuição são faltas de alta impedância, sendo que deste total, 96% são faltas temporárias e 4% faltas permanentes (KINDERMANN, 1992).

As faltas de alta impedância podem ser classificadas como ativas e passivas. Ambas as faltas ocorrem quando o condutor energizado se aproxima ou encosta em outro objeto com elevado valor resistivo, porém as faltas ativas geram arco elétrico enquanto as faltas passivas não apresentam a ocorrência deste fenômeno (SAMANTARAY; DASH; UPADHYAY, 2009).

Dada a alta impedância do caminho para a circulação da corrente de falta, os valores medidos pelos relés de proteção de sobrecorrente, comumente utilizados no sistema de distribuição de energia elétrica, serão menores do que o valor nominal da corrente do circuito protegido. Além disso, as características da forma de onda das faltas de alta impedância se assemelham às manobras de rotina do sistema de distribuição, como, por exemplo, a conexão e desconexão de algumas cargas (MORETO, 2005). Com isto, a detecção daquele tipo de falta só será realizada por dispositivos de proteção de sobrecorrente que possuam implementada a função específica capaz de reconhecer as características intrínsecas do defeito em questão. A utilização de relés que não possuem a capacidade de detecção de faltas de alta impedância, ou então que possuem e por algum motivo apresentam falhas na detecção, irá implicar em elevado tempo para o reestabelecimento do fornecimento de energia elétrica, com consequentes prejuízos financeiros. Além desses, tanto para os consumidores quanto para as concessionárias de energia elétrica, a segurança da operação e, portanto, de seus usuários será comprometida. Conforme apontado por W. dos Santos et al. (2017), nos anos de 2013 e 2014 as FAI representaram a terceira maior causa para acidentes nos sistemas de distribuição, resultando em 30 e 53 óbitos. Segundo estudo realizado pela ABRACOPEL (Associação Brasileira de Conscientização para os Perigos da Eletricidade), no ano de 2017 foram registrados

(22)

69 óbitos em função do contato de usuários com condutores da rede de distribuição que se romperam e entraram em contato com o solo.

O tempo de atendimento às ocorrências de emergência é avaliado em função de indicadores contidos no módulo 8 do PRODIST (Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional - ANEEL). O principal indicador aplicado é o Tempo Médio de Atendimento de Emergência, composto pelo tempo médio de preparo da equipe, tempo médio de deslocamento da equipe e o tempo médio de execução do serviço. Estes definem os padrões mínimos da qualidade dos serviços prestados pelas concessionárias de energia elétrica, e quando não cumpridos, são aplicadas penalidades determinadas através da resolução normativa n° 63 da ANEEL (ANEEL, 2004).

Uma das maneiras mais seguras e eficientes de caracterizar e analisar as FAI é através da simulação computacional de um sistema de distribuição e a utilização de um modelo de falta de alta impedância. Porém, as literaturas disponíveis atualmente não apresentam a modelagem de um sistema de distribuição real de maneira clara e que seja totalmente replicável, assim como os modelos de falta de alta impedância disponíveis não trazem todas as informações suficientes para que se possa realizar uma modelagem que englobe características que se aproximem ao máximo das obtidas em ocorrências reais do defeito em questão.

Considerando o exposto, esta pesquisa busca realizar a modelagem de um sistema de distribuição de energia elétrica existente e da proposição de um modelo de FAI, apresentados de maneira que ambos sejam totalmente replicáveis e com características que se aproximem ao máximo da realidade.

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo geral

Aprimorar um modelo computacional já existente de falta de alta impedância, utilizando dados de oscilografias levantadas a partir de testes realizados em campo, de modo a se reproduzirem características que se aproximem das reais geradas na ocorrência do tipo de defeito em questão, e além disso, implementar o modelo de falta obtido em um sistema de distribuição de energia elétrica real previamente modelado.

(23)

Como resultado desta pesquisa busca-se apresentar um modelo de FAI com características que se aproximem ao máximo das ocorrências reais do defeito em questão, para que possam sem utilizados posteriormente como base de outras pesquisas e simulações que envolvam detecções e localizações de faltas de alta impedância.

1.1.2 Objetivos específicos

• Realizar a revisão bibliográfica referente às faltas de alta impedância; • Proposição do aprimoramento de um modelo de FAI com características

que se aproximem das obtidas na ocorrência de defeitos reais;

• Representar computacionalmente o comportamento das FAI sobre um sistema de distribuição previamente modelado;

• Elaborar e coletar um conjunto de situações de falta e operação sobre o sistema de distribuição simulado.

1.2 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO

• Capítulo 1: Introdução, contendo a delimitação do tema exposto, os objetivos gerais e específicos, justificativa e estrutura do trabalho.

• Capítulo 2: Revisão bibliográfica. Faltas de alta impedância, considerando suas causas, principais características, modelos matemáticos existentes e mais utilizados. Métodos de detecção e localização de FAI. Modelagem de componentes de um sistema de distribuição de energia elétrica, onde serão apresentados seus modelos matemáticos e método de implementação de cada um deles. Software de simulação ATPDraw, contendo o histórico de seu desenvolvimento, suas principais características e funcionalidades. • Capítulo 3: Metodologia da pesquisa, onde serão abordados o método e o

procedimento para modelagem de um sistema de distribuição real e de falta de alta impedância, os dados adquiridos através das simulações computacionais e os parâmetros que serão utilizados para realizar a análise dos resultados obtidos.

(24)

• Capítulo 4: Resultados, onde serão apresentados os resultados e a interpretação destes, além de analisá-los em relação às situações propostas em trabalhos já realizados, de maneira a avaliar a técnica utilizada nesta pesquisa.

• Capítulo 5: Conclusão, contendo as considerações finais e sugestões para futuros estudos e implementações relacionadas ao tema abordado.

(25)

2 REVISÃO DA LITERATURA

Neste capítulo será realizada a revisão bibliográfica referente às faltas de alta impedância e suas características, bem como apresentados os principais modelos de FAI utilizados em pesquisas relacionadas. Além disso será apresentado o software ATP e sua interface gráfica ATPDraw, e serão discutidos alguns dos métodos de detecção de FAI propostos em outros trabalhos correlacionados à esta pesquisa.

2.1 FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA

As FAI são originadas quando há o contato de um condutor da rede do SDEE (sistema de distribuição de energia elétrica) com uma superfície de elevado valor resistivo, como por exemplo o solo e/ou árvores. Em função deste tipo de contato, a corrente elétrica gerada no defeito em questão apresenta valores de baixa amplitude se comparados aos defeitos francos de baixa impedância (KOTLINSKI, 2013).

Em determinadas situações, considerando a característica citada no parágrafo anterior, as FAI podem ser interpretadas como alterações de sinal típicas originadas por manobras de cargas no SDEE (MORETO, 2005). Para ilustrar, as figuras 1 e 2 apresentam os sinais obtidos através de simulação computacional para situações de FAI e chaveamento de um banco de capacitores em um SDEE, respectivamente. A ferramenta computacional utilizada foi o ATPDraw, software este que será apresentado adiante neste capítulo.

Figura 1 – Sinal de corrente elétrica para FAI.

(26)

Figura 2 – Sinal de corrente elétrica para chaveamento de banco de capacitores.

Fonte: Contribuição do autor.

As correntes de pico no instante da ocorrência da FAI e no chaveamento do banco de capacitores foram respectivamente de 205,5 A e 1112,3 A. A corrente de pico nominal do sistema no ponto de incidência da falta é de 139,68 A.

Conforme exposto, é possível verificar que a baixa magnitude da corrente de defeito não será suficiente para sensibilizar os relés de proteção de sobrecorrente convencionais utilizados nos SDEE (ZUANAZZI; DOS SANTOS E. M., 2016), e caso efetue-se o ajuste da sensibilidade dos relés em questão para os níveis de corrente gerados pelas FAI, as situações de manobra de carga podem ser interpretadas como um possível defeito, ocasionando o desligamento indevido do sistema.

2.1.1 Principais características das faltas de alta impedância

Segundo Russel et al. (1988), as faltas de alta impedância geralmente são acompanhadas da formação de arco elétrico, resultando em algumas particularidades, dentre elas:

• Assimetria – a corrente de falta apresenta valores de pico distintos para os semiciclos positivo e negativo;

• Não-linearidade – a curva da tensão em função da corrente é não-linear; • Buildup – a amplitude da corrente de falta cresce gradativamente até atingir

(27)

• Shoulder – em alguns períodos a falta permanece constante antes de voltar a se elevar (NAM et al., 2001).

A figura 3 apresenta as características de não-linearidade, buildup e intermitência, e a figura 4 apresenta a característica de shoulder.

Figura 3 – Intermitência, não-linearidade e buildup das FAI.

(28)

Figura 4 – Shoulder das FAI.

Fonte: Nam et al. (2001).

Além das características relacionadas à forma de onda do sinal de corrente no domínio do tempo, de acordo com Russel et al. (1988) e Wei et al. (2020), a ocorrência do arco elétrico durante a falta provoca o surgimento de componentes harmônicos com magnitudes dependentes da resistência do solo. De acordo com dados apontados nas pesquisas de Russel et. Al (1988) e Wei et al. (2020), a magnitude das componentes harmônicas é inversamente proporcional à resistência do tipo solo em que o condutor entrar em contato, ou seja, quanto menor foi a resistência do solo maior serão as magnitudes das componentes harmônicas geradas pelo arco elétrico presente na FAI e vice e versa. A figura 5 apresenta a variação da magnitude das harmônicas para cada tipo de solo, de acordo com Wei e al. (2020). Além das amplitudes para ocorrência de FAI, a figura também apresenta amplitudes das harmônicas para chaveamento de capacitores e partida de motores no sistema estudado pelo autor.

(29)

Figura 5 – Magnitude das harmônicas para FAI em diferentes tipos de solo.

Fonte: Wei et al. (2020).

2.2 PRINCIPAIS MODELOS DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA

Considerando que esta pesquisa é fundamentada em dados obtidos através de simulações computacionais, serão descritos na sequência os principais modelos de FAI propostos na literatura. Estas simulações buscam reproduzir fielmente as características do defeito em questão (ARIAS, 2015), descritas no item anterior desta pesquisa.

2.2.1 Modelo de diodos em antiparalelo

Este modelo foi proposto por Emanuel et al. (1990), sendo representado pela figura 6.

Na configuração apresentada, a corrente de falta circula através da fonte de tensão VP durante seu semiciclo positivo, e através de VN durante o semiciclo

(30)

Este modelo permite representar as características de assimetria e não-linearidade das FAI (MORETO, 2015), apresentadas anteriormente nesta pesquisa. A principal limitação deste modelo está relacionada a não representação das características de buildup e shoulder.

Figura 6 – Modelo de FAI com diodos em antiparalelo.

Fonte: Emanuel et al. (1990).

2.2.2 Modelo de resistências não lineares

O modelo apresentado na sequência foi proposto por Nam et al. (2001), sendo representado pela figura 7, e implementado pelo autor no EMTP (Electromagnetic

Transients Program).

Nesta configuração proposta, são utilizadas duas resistências não-lineares que variam seu valor através de uma função programável dependente do tempo. R1(t)

é responsável por representar as características de não-linearidade e assimetria da corrente de falta, e R2(t) representa os efeitos de buildup e shoulder (MORETO, 2015).

A conexão em série das resistências R1(t) e R2(t) permite com que sejam

representadas todas as características das FAI apresentadas anteriormente neste trabalho através de um único modelo para o defeito em questão.

(31)

Figura 7 – Modelo de FAI com resistências não lineares.

Fonte: Nam et al. (2001).

Algumas adaptações e melhorias foram realizadas neste modelo, como o objetivo de aproximar ainda mais as simulações dos casos reais de FAI. Farias (2017) propôs o modelo apresentado na figura 8.

Figura 8 – Modelo de FAI com resistências não lineares.

(32)

Neste modelo são utilizadas três resistências, sendo as resistências “up” e “down” responsáveis por representar os efeitos de não-linearidade e intermitência da FAI, e a resistência “R(t)” responsável pelas características de build up e shoulder. São utilizadas também três chaves controladas, sendo a chave A responsável por determinar o instante da ocorrência da FAI, a chave B selecionar a resistência variável no momento do ciclo de subida da tensão e da corrente elétrica de defeito, e a chave C a resistência variável no ciclo de descida da tensão e corrente de defeito.

Todo o controle das chaves e das resistências é realizado através da função

MODELS disponível no ATP e acessível através da interface gráfica do software

denominada ATPDraw, através da programação deste bloco, que está representada nos apêndices deste trabalho.

Realizando uma análise comparativa entre os dois modelos de FAI apresentados, verifica-se que o modelo composto pelas resistências variáveis em função do tempo permite a representação mais aproximada das características reais do tipo de falta em questão, pois, conforme citado anteriormente, representa a assimetria, não-linearidade, shoulder e buildup. Já com a utilização do modelo de diodos conectados em anti-paralelo, é possível representar somente as características de assimetria e não-linearidade das FAI.

2.3 ATPDRAW

O ATP (Alternative Transients Program) é um software utilizado para estudos de transitórios eletromagnéticos relacionados à sistemas de energia elétrica, contendo ferramentas que permitem a implementação e simulação de diversos modelos como por exemplo transmissão e distribuição, conforme a necessidade do usuário.

A inserção dos parâmetros do sistema a ser simulado e dos seus respectivos componentes é realizada através de um arquivo de dados editável em formato texto do próprio ATP. Após a simulação ser realizada, os resultados também são apresentados em formato de texto.

O ATPDraw é uma interface do software supracitado nos parágrafos anteriores, que permite a implementação gráfica dos modelos de sistemas elétricos, facilitando assim sua utilização e interpretação dos dados apresentados através das simulações realizadas.

(33)

2.4 MÉTODOS DE DETECÇÃO DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA

Na última década, diferentes técnicas para detecção das faltas de alta impedância em SDEE foram estudadas e discutidas. O objetivo deste item é apresentar os métodos utilizados em pesquisas relevantes relacionadas ao tema em questão.

Zamora et al. (2007) utilizou em sua pesquisa uma metodologia baseada na injeção de um sinal de tensão de neutro sobreposto no SDEE, com valores de frequência entre 100 Hz e 300 Hz. Em função da variação da tensão sobreposta aplicada e da corrente residual circulante no neutro, é calculada a resistência de falta para cada fase do sistema, conforme indicado na equação 1, dada em função da configuração do sistema indicado na figura 9.

𝑅

_𝑓𝑝𝑖

=

𝑉𝑝𝐺 (𝐼𝑟𝑒𝑠−𝐼_{𝑟𝑒𝑠𝑖}(𝑎) )−( 𝐼 𝑟𝑒𝑠𝑖 (𝑏) −𝐼 𝑟𝑒𝑠𝑖 (𝑎) 𝑉_𝑁𝐺(𝑏)−𝑉_𝑁𝐺(𝑎)).(𝑉𝑁𝐺−𝑉𝑁𝐺 (𝑎) )

(1)

Onde: Rfpi – Resistência de falta da fase “p”, alimentador “i”;

Vpg – Tensão na fase “p”;

Ires – Corrente residual no alimentador “i”;

VNG – Tensão de neutro;

(a) – Índice para valores pré-falta;

(b) – Índice para valores de sobreposição de sinal.

O cálculo da resistência de falta é realizado em dois momentos distintos na ausência de uma FAI, sendo eles o instante pré-falta e de sobreposição de sinal, com o objetivo de se obter um valor de referência para a resistência de falta.

Segundo os autores do referido trabalho, para a operação do sistema sem a ocorrência de defeito, a resistência calculada deve apresentar um valor elevado, enquanto para uma situação de falta, este valor apresenta-se reduzido, e pode ser utilizado com um indicativo seguro para a detecção de FAI em um sistema de distribuição de energia elétrica.

(34)

Figura 9 – Configuração do sistema para FAI.

Fonte: Zamora et al. (2007).

Toda a pesquisa desenvolvida por Zamora et al. (2007) foi testada computacionalmente, e conforme indicado pelos autores, foi obtido êxito na detecção das faltas de alta impedância em 100% dos casos.

Barros (2009) baseou-se na utilização da lógica fuzzy na proposição de um método para detecção de FAI. Este utiliza a extração da amplitude da corrente elétrica de maneira discreta, conforme indicado na figura 10.

Conforme indicado na figura 10, a amplitude máxima da forma de onda da corrente elétrica é indicada por Xmáx, dado através da equação 2.

𝑋

_𝑚á𝑥

= |

𝑥𝑘

𝑠𝑒𝑛[𝑡𝑔−1_(𝜃)]

|

(2)

Onde θ é dado através da equação 3.

𝜃 = |

𝑥𝑘𝑠𝑒𝑛(𝑤∆𝑡)

(35)

Figura 10 – Forma de onda discretizada.

Fonte: Barros (2009).

Para cada ciclo o valor máximo Xmáxi, é calculada determinada quantidade de

vezes, com i = 0, 1, 2..., L, resultando em um valor de amplitude médio dado pela equação 4.

𝑋

_𝑚é𝑑

=

∑𝐿𝑖=1𝑋𝑚á𝑥𝑖

√2×𝐿 (4)

Em seguida atribui-se um índice comparativo entre um valor referencial de amplitude, denominado Xreferencial e o valor médio obtido através da equação 5.

𝛤 = |𝑋

_{𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙}

− 𝑋

_𝑚é𝑑

|

(5)

Após isto, é determinado o índice de anormalidade da forma de onda em função das três fases do sistema estudado (a, b e c), dado através da equação 6.

𝜌 =

𝛤𝑎+𝛤𝑏+𝛤𝑐

(36)

Por fim, é proposto o seguinte critério para detecção das faltas: 1. Se ρ ≥ ΔImáx, então d = 1 (existência de anomalia no sistema);

2. Se ρ < ΔImáx, então d = 0 (não é constatada anomalia no sistema).

Onde “d” é um dos índices utilizados na inferência fuzzy responsável pela detecção das FAI em um SDEE.

Segundo a autora do trabalho, foram simuladas 220 situações de FAI em um SDEE modelado computacionalmente, havendo êxito em 100% dos casos.

Fanucchi (2014) propôs um método de detecção através da utilização de transformadas Wavelet em conjunto com uma RNA (rede neural artificial). Em um primeiro módulo é detectada a descontinuidade do sinal de corrente que pode estar relacionado à uma FAI ou à um efeito transitório característico do sistema, como por exemplo, em uma situação de manobra de carga. Os sinais característicos, originados no caso da ocorrência ou não de um evento, são decompostos utilizando a transformada Wavelet Daubechies 14, até a obtenção da energia do detalhe de terceira ordem.

Conforme apresentado pelo autor através das figuras 11 e 12, é possível verificar que para os sinais decorrentes de uma FAI, existe uma variação considerável da componente extraída quando comparado à uma situação de operação normal do sistema.

Figura 11 – Energia do detalhe de terceira ordem do sinal sem evento.

(37)

Figura 12 – Energia do detalhe de terceira ordem do sinal sem evento.

Fonte: Fanucchi (2014).

Sendo constatada a descontinuidade do sinal, um segundo módulo de detecção de FAI é utilizado, calculando-se a DHT (distorção harmônica total) percentual das componentes de ordem par e ímpar do sinal de corrente conforme as equações 7 e 8.

𝐷𝐻𝑇

_𝑝𝑎𝑟

(%) = √

∑𝑚𝑛=1(𝐼(2𝑛))²

𝐼1² (7)

𝐷𝐻𝑇

_{í𝑚𝑝𝑎𝑟}

(%) = √

∑𝑚𝑛=1(𝐼(2𝑛+1))²

𝐼1² (8)

Após o cálculo dos parâmetros citados, os resultados são inseridos na entrada de uma RNA do tipo PMC (Perceptron multi-camadas), cuja responsabilidade é a determinação da ocorrência ou não de uma FAI.

Segundo o autor da pesquisa, o módulo responsável por avaliar a descontinuidade do sinal de corrente teve 100% de acerto em 247 casos simulados, sendo 7 destes sem a presença de FAI e 240 com a presença do defeito em questão no sistema. Para o módulo de detecção das FAI, foram considerados apenas os 240

(38)

casos em que a falta de alta impedância se fez presente no sistema, sendo que do total, 168 eventos foram utilizados para o treinamento da RNA e 72 para os testes realizados. Neste caso, segundo o autor, foi obtido acerto médio de 98,66% para os 72 casos testados.

Em 2016, Soheili et al. desenvolveram um método para detecção de FAI utilizando transformada de Fourier combinada, utilizando o software Matlab. De acordo com os autores da pesquisa, esta transformada fornece um espectro mais detalhado de um sinal a ser lido, porém, exige uma carga computacional elevada.

O algoritmo desenvolvido utiliza a leitura das amplitudes dos harmônicos da corrente elétrica gerados nas situações de desequilíbrios na rede de distribuição de energia elétrica. Segundo os autores, em uma situação de manobra realizada no sistema, o espectro do harmônico de segunda ordem tem amplitude mais elevada comprando-se ao harmônico de terceira ordem.

A figura 13 apresenta os harmônicos gerados na situação de chaveamento de um banco de capacitores para ilustrar a situação comentada no parágrafo anterior.

Figura 13 – Amplitude dos harmônicos para chaveamento de banco de capacitores.

Fonte: Soheili et al. (2017).

Na ocorrência de uma FAI, ao contrário da situação de manobra corriqueira do sistema, o harmônico de terceira apresenta amplitude maior que o de segunda ordem, conforme ilustra a figura 14.

(39)

Figura 14 – Amplitude dos harmônicos para chaveamento de banco de capacitores.

Fonte: Soheili et al. (2017).

Considerando o exposto, para a detecção da ocorrência de uma FAI foi desenvolvido um módulo responsável por inicialmente determinar a transformada de Fourier do sinal de corrente recebido. Após isto, dois submódulos, estes ativados através de um limiar predefinido, são responsáveis pela interpretação do tipo de sinal e determinam se existe ou não a presença da FAI no sistema.

Para a verificação do método desenvolvido foi utilizado um sistema teste de 13 barras disponibilizado pelo IEEE simulado computacionalmente, e conforme os autores da referida pesquisa, foi obtido êxito de 100% na interpretação dos sinais gerados no sistema de distribuição simulado.

Na pesquisa desenvolvida por Moloi, Jordaan e Hamam (2017), a metodologia para detecção das FAI baseia-se na utilização de transformada Wavelet Daubechies 14 em conjunto com Máquinas de Vetores de Suporte (SVM’s, do inglês Support

Vector Machines). As SVM’s utilizam aprendizado estatístico para a classificação de

dados, sendo que estes não necessitam de sua inserção em grande quantidade para o treinamento da SVM.

Os dados analisados neste trabalho correspondem aos sinais de corrente gerados em 4 situações distintas em uma rede de distribuição de energia elétrica simulada computacionalmente, sendo elas:

a) Nenhuma ocorrência de falta ou manobra de cargas; b) Faltas de alta impedância;

c) Chaveamentos de cargas; d) Chaveamentos de capacitores.

(40)

Cada sinal é decomposto pela transformada Wavelet, e sua aquisição é realizada através de 4 SVM’s, sendo cada uma delas específica pela avaliação de cada um dos quatro tipos de ocorrências possíveis supracitadas anteriormente nos itens a, b, c e d, conforme indicado na figura 15.

Segundo os autores da referida pesquisa, foram simulados 20 casos para cada situação, totalizando 80 casos no total. O resultado obtido foi de 99% de acerto na detecção de cada tipo de ocorrência simulada.

Figura 15 – Fluxograma da técnica de detecção proposta.

(41)

3 DESENVOLVIMENTO

3.1 ETAPAS PARA A CONDUÇÃO DA PESQUISA

A figura 16 apresenta as etapas a serem desenvolvidas para a condução desta pesquisa.

Figura 16 – Fluxograma de etapas da pesquisa.

Revisão bibliográfica sobre FAI s (faltas de alta impedância), métodos de

detecção e localização

Pesquisa de SDEE (sistema de distribuição de energia elétrica) real modelado, para

utilização nesta pesquisa

Verificação do SDEE modelado, utilizando o

software ATPDraw

SDEE apto a ser utilizado? Implementação de ajustes na modelagem do SDEE NÃO

Modelagem da FAI, implementação e testes

SIM

Modelo de FAI reproduz as características similares a do defeito real? Implementação de ajustes na modelagem da FAI NÃO Elaboração e coleta de conjunto de situações de falta

sobre o SDEE simulado SIM

(42)

3.2 MODELAGEM DO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

Para desenvolvimento desta pesquisa, foi utilizado o sistema de distribuição de energia elétrica (SDEE) da Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL), implementado em pesquisa desenvolvida por Bottura (2010), e modelado nesse utilizando o software ATPDraw.

Na figura 17 e 18 é apresentada a visão geral e o diagrama unifilar geral do SDEE respectivamente.

3.2.1 Sistema de distribuição CPFL

Figura 17 – Visão geral do SDEE da CPFL.

(43)

Figura 18 – Diagrama unifilar geral do SDEE da CPFL.

Fonte: Bottura (2010).

No apêndice A é detalhada cada parte individual do SDEE conforme indicado na figura 18 bem como os devidos parâmetros inseridos para cada componente do sistema obtidos do modelo apresentado por Bottura (2010). Os dados são apresentados conforme opção original da entrada de dados do ATPDraw, objetivando facilitar a reprodução integral da modelagem.

(44)

3.3 MODELAGEM DA FALTA DE ALTA IMPEDÂNCIA

O modelo utilizado como base para modelar a falta de alta impedância é o desenvolvido por Nam et al. (2001) e aprimorado por Farias (2017), composto por duas resistências variáveis controladas em função do tempo.

A figura 19 apresenta o modelo implementado.

Figura 19 – Modelo da FAI genérico.

No modelo implementado neste trabalho, diferentemente do utilizado como base desenvolvido por Farias (2017), a chave “A”, que determina o tempo da queda do condutor energizado até o contato com o solo, terá seu parâmetro de tempo inserido manualmente. Entende-se que, na simulação de um defeito, esse é um parâmetro determinado pelo usuário onde não há necessidade de programação específica para controle desta ocorrência.

As chaves “B” e “C” serão acionadas nos ciclos de subida e descida da tensão e corrente elétrica da falta respectivamente, conectando as resistências de up e down responsáveis pela assimetria e não linearidade da FAI. O código utilizado para controle das resistências em linguagem MODELS segue indicado na figura 20.

(45)

Figura 20 – Código em linguagem MODELS para modelo de FAI.

Para cada tipo de solo será utilizado um modelo de FAI próprio, no que diz respeito aos valores das suas resistências, uma vez que para diferentes solos a falta irá se comportar de determinada maneira. Para tanto serão implementados modelos para solos do tipo asfalto, areia, calçamento e grama.

3.3.1 Modelagem das características de assimetria e não linearidade

Para composição dos valores das resistências “up” e “down”, responsáveis por simular as características de assimetria e não linearidade da FAI, foram utilizadas curvas de tensão versus corrente, sendo as mesmas levantadas através de experimentos realizados em campo por W. dos Santos (2011)., conforme segue nas figuras 21 e 22.

(46)

Figura 21 – Curva V x I: (a) solo asfalto; (b) solo areia.

(a) (b)

Fonte: W. dos Santos (2011).

Figura 22 – Curva V x I: (a) solo calçamento; (b) solo grama.

(a) (b)

Os valores extraídos das curvas de tensão e corrente apresentadas nas figuras 21 e 22 seguem indicados nas tabelas apresentadas no apêndice B.

(47)

3.3.2 Modelagem das características de shoulder e buildup

Para composição dos valores da resistência “R(t)”, responsável por simular as características de shoulder e buildup da FAI, foram utilizadas curvas que representam o comportamento da resistência de falta em função do tempo de contato do condutor energizado com o solo, sendo as mesmas levantadas através de experimentos realizados em campo por W. dos Santos (2011), conforme indicado nas figuras 23 e 24.

Figura 23 – Curva R(t): (a) solo asfalto; (b) solo areia.

(a) (b)

Figura 24 – Curva R(t): (a) solo calçamento; (b) solo grama.

(a) (b)

(48)

Os valores extraídos das curvas de resistência em função do tempo apresentadas nas figuras 23 e 24 seguem indicados na tabela apresentada no apêndice B.

4 RESULTADOS

4.1 IMPLEMENTAÇÃO DO MODELO DE FALTA DE ALTA IMPEDÂNCIA

Com o intuito de verificar o desempenho do modelo de FAI proposto nesta pesquisa, realizou-se sua implementação no sistema de distribuição da CPFL modelado por Bottura (2010), conforme apresentado no item 3.2 deste trabalho.

Para tanto, foram definidos cinco pontos aleatórios de inserção do defeito, sendo que para cada um destes pontos a falta foi simulada com a queda dos condutores em um tempo pré-definido, determinado através da equação 9, de maneira com que os ângulos de disparo da corrente de defeito fossem de 30°, 90° e 240°. Além disso, utilizou-se para cada ponto de defeito os quatro tipos de solos citados anteriormente no item 3.3 desta pesquisa.

𝑡 = 𝑘 +

𝜃

2𝜋𝑓

(9)

Onde: k – ciclos pré-falta;

ϴ - ângulo de incidência da falta;

f – frequência nominal do sistema.

Os resultados obtidos estão apresentados na sequência através dos gráficos de oscilografia extraídos do ATPDraw com suas respectivas indicações de valores.

(49)

4.1.1 Ponto 1 de inserção de defeito

Figura 25 – Ponto 1 de inserção de defeito.

As curvas de tensão e corrente no ponto 1 sem a inserção da FAI estão representadas nas figuras 26 e 27 respectivamente, bem como seus valores indicados nas tabelas 1 e 2.

Figura 26 – Tensão trifásica no ponto 1, sem inserção da FAI.

(50)

Tabela 1 – Valores da tensão trifásica no ponto 1, sem inserção da FAI.

Valores da tensão de pico [V]

Fase A Fase B Fase C

17.234 17.234 17.236 Fonte: Contribuição do autor.

Figura 27 – Corrente trifásica no ponto 1, sem inserção da FAI.

Tabela 2 – Valores da corrente trifásica no ponto 1, sem inserção da FAI.

Valores da corrente de pico [V]

296,08 296,11 296,14 Fonte: Contribuição do autor.

Utilizando a equação 9 determinou-se o tempo de fechamento da chave “A” indicada na figura 20, de acordo com os ângulos de incidência desejados para a FAI no ponto 1 de inserção de defeito. Este valor representa o intervalo entre o rompimento do condutor e o seu contato com o solo. Os valores seguem indicados na tabela 3.

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Tabela 3 – Tempos de fechamento da chave “A” no ponto 1 de inserção da FAI.

Tempo de fechamento [s] da chave "A" em função do ângulo de incidência

30° 90° 240°

0,3134 0,3162 0,3232

Para o ponto 1 foi escolhida a fase A para a inserção da FAI. As figuras 28 e 29 apresentam as curvas de tensão e corrente trifásica para inserção de defeito com ângulo de incidência de 30° em solo do tipo asfalto. As tabelas 4 e 5 apresentam os valores medidos.

Figura 28 – Tensão trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto.

Tabela 4 – Valores da tensão trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto.

Valores da tensão de pico [V]

9.880 19.420 15.822 Fonte: Contribuição do autor.

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Figura 29 – Corrente trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto.

Tabela 5 – Valores da corrente trifásica no ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto.

Valores da corrente de pico [V]

10,6 256,54 256,37 Fonte: Contribuição do autor.

Conforme é possível verificar na figura 29, o rompimento do condutor, representado pela abertura do circuito, ocorreu em 0,1 segundos. Dessa maneira, entre o intervalo de 0,1 segundos até o tempo de contato do condutor com o solo, indicado na tabela 3, a corrente de defeito será igual a zero. A premissa de rompimento do condutor em 0,1 segundos foi adotada para todas as demais simulações representadas na sequência.

Analisando a figura 28 verifica-se o afundamento da tensão na fase de incidência do defeito (fase A), característica pertinente do curto-circuito monofásico que contém um valor de impedância presente no caminho de circulação de corrente entre a fase e a terra.

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As figuras 30 e 31 apresentam a forma de onda da corrente somente na fase A, bem como seu detalhe, com ângulo de incidência da FAI em 30° em solo do tipo asfalto.

Figura 30 – Corrente na fase A do ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto.

Figura 31 – Detalhe da corrente na fase A do ponto 1, FAI com ângulo de 30°, solo tipo asfalto.