DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DANIEL LUÍS SAVOLDI
ESTUDO PARA REALOCAÇÃO DOS RELIGADORES
AUTOMÁTICOS, REGULADORES DE TENSÃO E BANCOS DE
CAPACITORES DO ALIMENTADOR 09214 - AMETISTA II DA
CRELUZ A PARTIR DA IMPLANTAÇÃO DA NOVA SUBESTAÇÃO EM
PINHAL
IJUÍ -RS
2017
ESTUDO
PARA
REALOCAÇÃO
DOS
RELIGADORES
AUTOMÁTICOS, REGULADORES DE TENSÃO E BANCOS DE
CAPACITORES DO ALIMENTADOR 09214 - AMETISTA II DA CRELUZ
A PARTIR DA IMPLANTAÇÃO DA NOVA SUBESTAÇÃO EM PINHAL
Projeto de pesquisa apresentado como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Orientador: Prof. Me Sandro Alberto Bock
IJUÍ -RS 2017
Curso de Engenharia Elétrica
A Comissão Examinadora abaixo assinada, aprova a Dissertação
ESTUDO PARA REALOCAÇÃO DOS RELIGADORES
AUTOMÁTICOS, REGULADORES DE TENSÃO E BANCOS DE
CAPACITORES DO ALIMENTADOR 09214 - AMETISTA II DA
CRELUZ A PARTIR DA IMPLANTAÇÃO DA NOVA SUBESTAÇÃO EM
PINHAL
Elaborada por:
DANIEL LUÍS SAVOLDI
Como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica
Comissão Examinadora:
_____________________________________________ Prof. Me Sandro Alberto Bock
Orientador
______________________________________
Prof. Me Mauro Fonseca Rodrigues Avaliador da Banca IJUÍ -RS
Dedico esta conquista aos meus pais, Luiz e Beatriz, minha esposa Janice e minha filha Bianca, devido ao apoio e compreensão nesta longa e importante etapa de formação profissional pela qual passei.
durante a orientação deste trabalho.
A todos os professores da Unijuí pelos conhecimentos transmitidos, pela amizade e pelo companheirismo neste período de graduação. Com certeza, isso ficará marcado em nossas vidas.
À CRELUZ, na pessoa do Presidente Elemar Battisti, por trazer até nós o Curso de Engenharia Elétrica, permitindo trabalhar e estudar ao mesmo tempo, sempre apoiando e fornecendo a estrutura necessária para o andamento do curso.
Ao meu irmão Maurício, que sempre que precisei, não mediu esforços para ajudar.
Aos meus pais Luiz e Beatriz, pelo exemplo de vida que são e por todo o incentivo que me deram na vida.
A minha esposa Janice que desde o início foi compreensiva e parceira, sempre apoiando, incentivando e compreendendo os momentos em que mesmo tão perto, eu estava ausente.
A minha filha Bianca, que chegou durante a graduação e, mesmo sem saber, contribuiu por trazer a amor e alegria, e por muitas vezes, sendo compreensiva quando mamãe falava que o papai estava estudando e não poderia brincar.
AUTOMÁTICOS, REGULADORES DE TENSÃO E BANCOS DE CAPACITORES DO ALIMENTADOR 09214 - AMETISTA II DA CRELUZ A PARTIR DA IMPLANTAÇÃO DA NOVA SUBESTAÇÃO EM PINHAL. Trabalho de Conclusão de Curso - Bacharelado em Engenharia Elétrica - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias, DCEEng, UNIJUÍ, Ijuí, 2017.
Este trabalho de conclusão de curso tem como principal objetivo apresentar o estudo para realocação dos principais equipamentos especiais para o alimentador de energia da CRELUZ – Cooperativa de Distribuição de Energia, chamado de Ametista II – 09214, a partir da instalação de uma nova subestação de 138 kV/23 kV no município de Pinhal – RS. Será realizado um estudo das características do alimentador e a partir destas, serão definidas metodologias para serem aplicadas na definição dos novos locais para a instalação dos equipamentos de proteção e manobra, bancos de reguladores de tensão e bancos de capacitores. Os equipamentos de proteção serão realocados para suprirem a necessidade de proteção e também para o isolamento de trechos do circuito. Para os reguladores de tensão serão realizados cálculos de queda de tensão e, a partir nos níveis mínimos de queda definidos pelo Módulo 8 do PRODIST, poderão ser localizados os novos pontos para instalação destes equipamentos. Os bancos de capacitores serão realocados no circuito na mesma proporção em que a potência de energia ativa está distribuída no alimentador.
REGULATORS AND TRAINER BANKS OF THE FEEDER 09214 - AMELTISTA II DA CRELUZ FROM THE IMPLEMENTATION OF THE NEW SUBSTATION IN PINHAL. Course Conclusion Work - Bachelor of Electrical Engineering - Department of Exact Sciences and Engineering, DCEEng, UNIJUÍ, Ijuí, 2017.
This work of course completion has as main objective to present the study for reallocation of the main special equipment for the energy feeder of CRELUZ - Cooperative of Energy Distribution, called Amethyst II - 09214, from the installation of a new substation of 138 kV/23 kV in the municipality of Pinhal - RS. A study of the characteristics of the feeder will be carried out and from these will be defined methodologies to be applied in the definition of the new locations for the installation of protection and maneuver equipment, banks of voltage regulators and capacitor banks. The protective equipment will be reallocated to meet the need for protection and also to isolate parts of the circuit. For the voltage regulators, voltage drop calculations will be performed and, from the minimum drop levels defined by the PRODIST Module 8, the new points for the installation of these equipments can be located. The capacitor banks will be reallocated in the circuit in the same proportion as the active power output is distributed in the feeder.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Chave fusível ... 26
Figura 2 - Elo fusível ... 27
Figura 3 - Operação do religador ... 29
Figura 4 - Sequência positiva ... 32
Figura 5 - Sequência negativa ... 33
Figura 6 - Sequência zero ... 33
Figura 7 - Compensador automático ... 36
Figura 8 – Banco de capacitor fixo com acionamento automático ... 37
Figura 9 - Banco de capacitor fixo sem acionamento automático ... 37
Figura 10 - Circuito equivalente do curto-circuito trifásico ... 42
Figura 11 - Modelo em paralelo no curto-circuito bifásico ... 44
Figura 12 - Modelos em série no curto-circuito monofásico ... 45
Figura 13 - Modelo em série curto-circuito monofásico-terra mínimo ... 46
Figura 14 - Setores por seção dos condutores ... 53
Figura 15 - Banco de regulador de tensão ... 55
Figura 16 - Religadores ... 55
Figura 17 - Bancos de capacitores ... 56
Figura 18 - Divisão dos setores ... 57
Figura 19 - Realocação do religador RL 1215 ... 65
Figura 20 - Realocação dos religadores ... 67
Tabela 2 - Faixas de classificação das tensões ... 47
Tabela 3 - Características elétricas de cabos de alumínio nu CAA ... 48
Tabela 4 - Características elétricas de cabos de alumínio coberto... 48
Tabela 5 - Cabos nu - Componentes de sequência... 49
Tabela 6 - Cabos cobertos - Componentes de sequência ... 49
Quadro 2 - Bancos de capacitores ... 56
Quadro 3 – Identificação dos pontos da divisão preliminar dos setores ... 57
Quadro 4 - Distância dos setores ... 58
Quadro 5 - Consumo por setor ... 59
Quadro 6 - Cálculo do fator de carga ... 60
Quadro 7 - Cálculo da demanda máxima ... 61
Quadro 8 - Demanda e distâncias acumuladas por ponto ... 68
Quadro 9 - Valores de queda de tensão ... 69
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Fator de carga ... 34
Gráfico 2 - Distribuição da carga (kW/m) ... 66
Gráfico 3 - Concentração de unidades consumidoras (UC's/m) ... 66
MT Média Tensão BT Baixa Tensão SE Subestação
CRELUZ Cooperativa de Distribuição de Energia RGE Rio Grande Energia
FUNAI Fundação Nacional do Índio
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica do Sistema Elétrico Nacional
DIC Duração de Interrupção Individual por Unidade Consumidora FIC Frequência de Interrupção Individual por Unidade Consumidora DMIC Duração Máxima de Interrupção Contínua por Unidade Consumidora
DICRI Duração de Interrupção Individual ocorrida em dia crítico por Unidade Consumidora
SDBT Sistema de Distribuição de Baixa Tensão SDMT Sistema de Distribuição de Média Tensão SDAT Sistema de Distribuição de Alta Tensão SED Subestação de Distribuição
CA Condutor de Alumínio sem Alma de Aço AWG American Wire Gauge
VA Volt Ampère A Ampère
𝜔 Frequência angular do sistema 𝑉̇ Componente zero da tensão 𝑉̇ Componente positiva da tensão 𝑉̇ Componente negativa da tensão 𝑉̇ Tensão de linha da fase A
𝑉̇ Tensão de linha da fase B 𝑉̇ Tensão de linha da fase C 𝐼̇ Componente zero da corrente 𝐼̇ Componente positiva da corrente 𝐼̇ Componente negativa da corrente 𝐼̇ Corrente de linha da fase A
𝐼̇ Corrente de linha da fase B 𝐼̇ Corrente de linha da fase C 𝐷 á Demanda máxima do setor
𝐹𝑐 Fator de carga
𝑡 Intervalo de tempo em horas ∆𝑉 Queda de tensão (%)
𝐺 Queda de tensão unitária (kV/MVA/km) 𝑙 Comprimento da linha em (km)
𝑆 Potência aparente acumulada no sistema (MVA) 𝑆 Potência aparente distribuída no sistema (MVA)
𝑅 Resistência do condutor à temperatura de operação (ohm/km) 𝑋 Reatância indutiva em (ohm/km)
𝜑 Ângulo da defasagem angular entre tensão e corrente 𝐼 ∅ Correte de curto-circuito monofásica
𝐼 ∅ í Correte de curto-circuito monofásica mínima 𝐼 ∅ Correte de curto-circuito bifásica
𝐼 ∅ Correte de curto-circuito trifásica
1.1 Justificativa ... 19 1.2 Objetivo ... 22 1.2.1 Objetivo Geral ... 22 1.2.2 Objetivo Específico ... 22 1.3 Estrutura do Trabalho ... 23 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 24 2.1 Conceitos ... 24 2.1.1 Alimentador ... 24 2.1.2 Sistemas de Distribuição ... 24 2.1.3 Subestação (SE) ... 24 2.1.4 Proteção ... 25 2.1.5 Equipamentos de Proteção ... 26 2.1.5.1 Chaves Fusíveis ... 26 2.1.5.2 Elo Fusível ... 27 2.1.6 Religadores Automáticos ... 28 2.1.7 Condutores ... 30 2.1.8 Componentes Simétricas ... 31 2.1.8.1 Sequência Positiva ... 32 2.1.8.2 Sequência Negativa ... 32 2.1.8.3 Sequência Zero ... 33 2.1.9 Fator de Carga ... 33 2.1.10 Bancos de Capacitores ... 35
3 METODOLOGIA PARA ELABORAÇÃO DO ESTUDO ... 39
3.1 Aquisição de Dados do Alimentador ... 39
3.1.1 Características dos Condutores ... 39
3.1.3 Reguladores de Tensão ... 40
3.1.4 Capacitores ... 40
3.2 Estudo da Demanda Distribuída ... 40
3.3 Divisão do Alimentador em Setores ... 41
3.4 Cálculo das Correntes de Curto Circuito (Icc) ... 42
3.4.1 Curto-Circuito Trifásico ... 42
3.4.2 Curto-Circuito Bifásico ... 43
3.4.3 Curto-Circuito Monofásico-Terra ... 45
3.4.4 Curto-Circuito Monofásico-Terra Mínimo ... 45
3.5 Realocação dos Religadores ... 46
3.6 Realocação de Reguladores de Tensão ... 47
3.6.1 Cálculo da Queda de Tensão ... 47
3.7 Realocação de Bancos de Capacitores ... 49
3.7.1 Relação de Correção ... 50
3.7.2 Do Local do Banco ... 50
4 RESULTADO DO ESTUDO ... 53
4.1 Dados Técnicos do Alimentador ... 53
4.1.1 Extensão do Alimentador ... 53
4.1.2 Tipo ou Seção do Condutor ... 53
4.1.3 Equipamentos ... 54
4.1.3.1 Regulador de Tensão ... 54
4.1.3.2 Religador Automático ... 55
4.1.3.3 Capacitores ... 55
4.1.4 Divisão do Alimentador em Setores ... 56
4.1.5 Potência do Circuito ... 58
4.1.6 Cálculo das Correntes de Curto-Circuito ... 61
4.1.8 Realocação dos Reguladores de Tensão ... 67
4.1.9 Realocação de Bancos de Capacitores ... 70
5 CONCLUSÃO ... 77
5.1 Sugestões para Trabalhos Futuros ... 78
1 INTRODUÇÃO
A partir da necessidade da melhoria de seu sistema de distribuição de energia, possibilitando uma maior disponibilidade de carga, energia com melhor qualidade e indicadores de continuidade cada vez menores, a CRELUZ – Cooperativa de Distribuição de Energia elaborou um projeto para a construção de sua primeira subestação (SE) abaixadora de energia elétrica de 138 kV para 23 kV com capacidade de transformação de 30 MVA a ser instalada na Linha Pitol, no município de Pinhal – RS.
A construção desta subestação será um marco na história da CRELUZ e, consequentemente, possibilitará o desenvolvimento econômico da microrregião de Rodeio Bonito.
Atualmente, os consumidores desta região possuem a SE Planalto, da Rio Grande Energia - RGE, localizada no município de Planalto, como o ponto abaixador mais próximo, ficando a cerca de 30 (trinta) quilômetros de distância desta subestação. Essa distância elevada e a pouca disposição de carga, fazem com que estes municípios fiquem limitados quanto ao crescimento, analisando da parte da entrada de novos investimentos que demandem uma quantidade considerada de energia. Este empreendimento da CRELUZ, visa romper este imbróglio para o desenvolvimento.
Com o projeto para construção da SE finalizado e aprovado pela supridora RGE há vários anos, esta obra depende da construção de uma linha de alta tensão de 138 kV da RGE que tem início na SE Planalto com destino ao município de Constantina-RS passando pelo município de Pinhal. A execução desta linha vem sofrendo dificuldades de acontecer porque na região lateral ao seu trajeto existe um território indígena, e para esta linha ser executada, foram necessários vários estudos ambientais exigidos, principalmente, pela FEPAM - Fundação Estadual de Proteção Ambiental Henrique Luis Roessler e pela Fundação Nacional do Índio – FUNAI.
Essa leva enorme de estudos e exigências destas entidades acabaram atrasando a implantação desta linha e, consequentemente, a subestação, porque o
projeto já passou por várias alterações visando contemplar as exigências que a cada análise são impostas pelas entidades avaliadoras do projeto.
A entrada em operação desta subestação afetará diretamente nas características nos circuitos de distribuição de 23 kV da CRELUZ. Dentre estes, o alimentador 09214 - Ametista II (Anexo 1), que fornece energia às áreas dos municípios de Rodeio Bonito-RS e Cristal do Sul-RS, será um que sofrerá uma forte alteração em suas características, já que seu fluxo de corrente sentido Ametista do Sul – Rodeio Bonito – Pinhal, passará a possuir sentido inverso: Pinhal – Rodeio Bonito – Ametista do Sul.
Justificativa
A necessidade de possuir sistemas de distribuição de energia elétrica confiáveis que possibilitem oferecer ao consumidor uma disponibilidade de energia com o mínimo possível de interrupções é o grande desafio das distribuidoras de energia elétrica do mundo. Essas falhas na continuidade podem ocorrer por motivos internos, quando o problema é causado a partir da falha de funcionamento de algum dos equipamentos da própria distribuidora, ou também podem ser gerados por problemas externos, quando a falta é resultado da interferência de agentes externos como raios, tempestades e vegetação.
Como não é possível eliminar totalmente as falhas no sistema elétrico, a proteção consiste basicamente na técnica de identificar o mais rápido possível os pontos falhos e isolá-lo do restante do circuito, possibilitando a continuidade da energia para parte dos consumidores, mantendo a integridade dos demais equipamentos presentes nas redes de distribuição.
Essa essencialidade em detectar as falhas e a partir de então, realizar uma ação, é fundamental para a eficiência das distribuidoras de energia por que além do consumidor, que hoje possui uma grande dependência e necessidade da energia elétrica, o tempo sem fornecimento de energia elétrica é um tempo sem faturamento. Esta energia cessante pode significar muito quando a falta atingir uma grande quantidade de consumidores. Além disso, a Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL, através do Módulo 8 dos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional - PRODIST, define à todas as distribuidoras de energia
do Brasil, indicadores de continuidade do serviço de distribuição de energia elétrica, onde são definidas metas de Duração de Interrupção Individual por Unidade Consumidora ou por Ponto de Conexão (DIC), Frequência de Interrupção Individual por Unidade Consumidora ou por Ponto de Conexão (FIC), Duração Máxima de Interrupção Contínua por Unidade Consumidora ou por Ponto de Conexão (DMIC), Duração da Interrupção Individual ocorrida em Dia Crítico por unidade consumidora ou ponto de conexão (DICRI). Ultrapassadas essas metas, as distribuidoras devem compensar financeiramente seus consumidores pela deficiência no fornecimento da energia elétrica.
Atualmente, a apuração destes indicadores passa a ser considerada a partir da comunicação da falta do consumidor aos canais de atendimento da distribuidora e só será finalizada após o reestabelecimento do circuito. Com a evolução tecnológica dos equipamentos de controle e medição, é possível que dentro de pouco tempo não seja necessária a comunicação do consumidor para que a falta de energia que ocorrer em sua unidade consumidora já passe a fazer parte dos indicadores de continuidade. A tendência é que este tempo e número de falta seja apurado automaticamente através de informações dos próprios equipamentos instalados na rede de distribuição. O PRODIST também define que faltas até 3 (três) minutos podem ser desconsideradas para apuração dos indicadores, este período é fundamental para a atuação dos equipamentos de proteções e este seria, em tese, o período máximo para que o equipamento faça a identificação do local onde o problema esteja ocorrendo e ainda faça a separação deste trecho defeituoso dos demais que permanecerão com energia.
Para que o circuito de distribuição seja confiável e apresente resultados positivos para o faturamento de energia, é necessário que os dispositivos responsáveis pela proteção do sistema funcionem em sintonia entre eles. Cada um deve ter o seu momento para entrar em funcionamento e quando cada um operar, este não deve afetar os demais.
Outra questão fundamental da distribuição de energia, é a qualidade do produto entregue pelas distribuidoras. O mesmo Módulo 8 do PRODIST define valores de referência ou limites mínimos de tensão em regime permanente, fator de potência,
harmônicos, desequilíbrios de tensão, flutuação de tensão, variação da frequência, variação de tensão de curta duração – VTCD. O não cumprimento pelas distribuidoras destes limites determinados pela ANEEL, acarreta indenização financeira aos consumidores atingidos pela anormalidade e, consequentemente, redução na receita das empresas.
Manter um fornecimento de energia com qualidade depende de vários fatores como: dimensionamento correto dos transformadores, condutores adequados, distâncias dos circuitos, etc. Quando o problema ocorre em casos isolados, os níveis de tensão são melhorados através de obras específicas para o caso interessado, porém a dificuldade ocorre quando a anormalidade acontece em um circuito que atinge vários consumidores, como em um alimentador.
Para solucionar esta deficiência no fornecimento é que são instalados reguladores de tensão com a finalidade de ajustar o módulo da tensão ou ainda, evitar que ocorram oscilações no sistema. Possuir estes equipamentos em pontos estratégicos é fundamental para dispor de um sistema com qualidade e um equipamento fornecendo o máximo de suas características técnicas ao circuito. Portanto, não basta ter equipamentos reguladores de tensão instalados se os mesmos não estiverem em pontos realmente necessários.
Além de cumprir uma série de obrigações como distribuidora, as empresas também devem seguir algumas normas como consumidoras de energia junto às suas supridoras. Dentre várias exigências, pode-se destacar a manutenção do fator de potência de seu sistema de distribuição em valores acima do determinado pelas resoluções a ser medido no ponto de suprimento de energia. A solução utilizada pelas distribuidoras é a utilização de bancos de capacitores conectados em seus alimentadores onde o fator de potência mínimo não está sendo atingido.
Com a descaracterização do sentido tradicional da corrente elétrica do alimentador 09214 - Ametista II a partir da entrada em operação da subestação em Pinhal, deverá ser realizado um novo estudo para melhor localizar os religadores automáticos, reguladores de tensão e bancos de capacitores no eixo deste alimentador desde o município de Pinhal, até o município de Ametista do Sul.
Vendo a importância de cada um destes equipamentos para o sistema de distribuição e para a CRELUZ, surgiu a necessidade de realizar-se um estudo para antecipar as modificações que deverão ser realizadas, possibilitando prever o local onde deverão estar instalados cada um destes equipamentos necessários para tornar este circuito confiável e também servir como parâmetro, já que muitas informações somente serão obtidas após a implantação da subestação.
A análise do sistema de distribuição deve ser feita para condições normais de operação e contingências (ELETROBRÁS, 1982). Diante desta situação, este trabalho estará sendo subsidiado por informações reais do alimentador da CRELUZ e a partir destas fontes, serão realocados os equipamentos existentes para a proteção, manutenção da qualidade da energia, neste caso específico, reguladores de tensão e bancos de capacitores, que possibilitam cumprir a maioria das exigências de qualidade da ANEEL.
1.2 Objetivo
1.2.1 Objetivo Geral
Realizar o estudo para realocação dos equipamentos de proteção e manobras assim como dos reguladores de tensão e bancos de capacitores em uma rede de distribuição de média tensão com tensão de 23 kV a partir de uma alteração no fluxo de corrente.
1.2.2 Objetivo Específico
Realizar um estudo para verificar a necessidade de realocar os principais equipamentos (religadores, reguladores de tensão e capacitores) existentes e a característica física do alimentador 09214 - Ametista II através de informações extraídas do sistema de controle da CRELUZ; Considerar a subestação em Pinhal como a nova fonte para este
alimentador e a partir desta situação desenvolver o estudo de realocação destes equipamentos.
1.3 Estrutura do Trabalho
O trabalho será dividido em 6 capítulos, conforme descrito abaixo:
O primeiro capítulo é utilizado para apresentar o tema, as justificativas e qual é o objetivo a ser alcançado no trabalho.
No segundo, inicia o processo de fundamentação teórica a partir das referências bibliográficas onde são detalhados os conceitos do sistema, bem como dos equipamentos que serão trabalhados.
No terceiro capítulo será apresentada toda a metodologia utilizada na realocação dos equipamentos propostos.
No quarto capítulo estarão sendo apresentados todos os resultados dos estudos realizados com base na metodologia.
No quinto capítulo, são apresentadas as considerações finais e sugestões para a realização de trabalhos futuros.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Conceitos
2.1.1 Alimentador
Rede de energia elétrica e demais equipamentos, cuja finalidade é transportar energia elétrica em média tensão (ANEEL, 2016).
2.1.2 Sistemas de Distribuição
Baixa tensão (SDBT): redes elétricas e conjunto de equipamentos onde o nível de tensão eficaz entre fases é menor ou igual a 1000 V (ANEEL, 2016).
Média tensão (SDMT): redes elétricas e conjunto de equipamentos onde o nível de tensão eficaz entre fases é superior a 1 kV e inferior a 69 kV (ANEEL, 2016). Alta tensão (SDAT): redes elétricas e conjunto de equipamentos onde o nível de tensão eficaz entre fases é superior a 69 kV e menor ou igual a 230 kV. Em alguns casos específicos podem ser com tensão superior a 230 kV (ANEEL, 2016).
2.1.3 Subestação (SE)
Conjunto de equipamentos interligados ou não, com a finalidade de modificar níveis de tensão, proteger o sistema ou ainda, controlar a potência (ANEEL, 2016).
Podem ser classificadas de acordo com sua função.
Subestação consumidora: instalação destinada ao atendimento de unidades consumidoras de média ou alta tensão de distribuição (ANEEL, 2016).
Subestação de distribuição (SED): instalação destinada à conexão, através de transformador de força, dos sistemas de alta tensão com o de média tensão (ANEEL, 2016).
Subestação elevadora: instalação destinada a elevação do nível de tensão. Geralmente é utilizada para fazer a conexão entre usinas e linhas de média ou alta tensão (ANEEL, 2016).
2.1.4 Proteção
A necessidade de proteção em um sistema elétrico surgiu logo no princípio do surgimento da corrente alternada por George Westinghouse e Nicolau Tesla em 1886. Com o funcionamento deste sistema, um dos primeiros problemas que surgiu foi a queima de equipamentos gerados por tensões transitórias que oscilavam cerca de 5 a 8 vezes à tensão nominal. Para solucionar este problema é que surge a necessidade de proteger estes a partir do uso de aterramento (MARDEGAN, 2010).
Proteção pode ser definida como a arte de coordenar, selecionar ajustar e aplicar os equipamentos e dispositivos corretos para proteger um sistema elétrico de maneira que exista uma coordenação entre todos os integrantes deste sistema com a finalidade de identificar alguma anormalidade e isolar o trecho defeituoso o mais breve possível a fim de evitar que ocorra danos ao restante do circuito (GIGUER, 1988).
Os equipamentos possuem basicamente duas funções.
Função principal: abrir o circuito de energia elétrica assim que ocorra um desvio de medidas em relação à característica a qual a proteção foi dimensionada, evitando assim, que o problema danifique outras partes do alimentador.
Função secundária: localizar o defeito e identificar o que ocasionou o mesmo, através da leitura das grandezas obtidas antes da falta, possibilitando uma rápida reparação ou restabelecimento imediato, quando possível (CAMINHA, 1977).
Inicialmente, os sistemas de proteção tinham por objetivo apenas a proteção dos circuitos. Com o passar do anos, a engenharia visualizou que não bastava apenas proteger o sistema, também viram a necessidade de pensar em seletividade, tornando o sistema de proteção “inteligente”, fazendo com que cada equipamento tenha sua função e atue para proteger o espaço o qual está atendendo. Atualmente, o foco ficou
mais abrangente, além dos citados, foca-se principalmente na proteção do ser humano.
Um circuito de distribuição geralmente é composto por várias proteções ligadas em série. O quanto mais equipamentos em série tem instalados em um circuito, mais lenta será a proteção necessária para operar neste alimentador. No caso estudado, existe no formato atual, dois tipos de dispositivos de proteção ligados em série ou paralelo: chave fusível e religador automático. As chaves fusíveis utilizam como elemento atuante um elo fusível, enquanto que o religador atua através da atuação de um relé que faz a leitura das grandezas e envia o comando para um dispositivo de manobra abrir ou fechar o circuito.
2.1.5 Equipamentos de Proteção 2.1.5.1 Chaves Fusíveis
As chaves-fusíveis, apresentadas na Figura 1, são dispositivos eletromecânicos que têm como função básica, interromper o circuito elétrico quando ocorrer a fusão do elo-fusível.
Figura 1 - Chave fusível
(MAURIZIO, 2016)
São dispositivos constituídos de uma base isolante, geralmente porcelana ou material polimérico, e um porta fusível que tem a finalidade de acomodar o elemento fusível, parte ativa do equipamento. São os equipamentos de proteção mais comuns nas redes de distribuição devido ao baixo custo decorrente da sua simplicidade construtiva, já que seu funcionamento é somente mecânico.
Possuem as seguintes características para especificação: Tensão nominal;
Nível básico de isolamento para impulso (NBI); Escoamento;
Corrente nominal (MAURIZIO). 2.1.5.2 Elo Fusível
O elo fusível, ilustrado na Figura 2, é a parte ativa da chave fusível e não necessita de equipamentos auxiliares para operação. Sua proteção se restringe à apenas uma das fases. É um dispositivo de interrupção imediata que após romper, necessita a substituição manual. Seu funcionamento é a partir da fusão do elemento metálico que ocorre devido às perdas 𝑖 𝑅 no material (GIGUER, 1988).
Figura 2 - Elo fusível
(BAURU, 2016)
O tempo necessário para que o elemento fusível chegue a fusão, vai depender dos seguintes fatores:
Densidade da corrente elétrica; Propriedades físicas do material;
Material que está envolvendo o elemento; Temperatura;
Grau de envelhecimento (GIGUER, 1988).
Conforme Giguer (1988), os elos fusíveis são identificados pela capacidade de interrupção e pelo seu tipo. A corrente nominal é informada através do número formador do fusível. O tipo é apresentado a partir da letra. Os fusíveis mais usuais na distribuição são os de tipo H e tipo K.
Os de tipo H são recomendados para proteção de transformadores porque possuem ação mais lenta conforme demonstrado nas curvas do Anexo 2. Geralmente são encontrados para baixas capacidades de corrente: 0,5H, 1H, 2H, 3H, 5H (GIGUER, 1988).
Segundo Giguer (1988) os fusíveis tipo K são indicados para proteção de redes de distribuição por possuírem ação rápida. Seu tempo de atuação pode ser encontrado a partir da análise das curvas do Anexo 3 e do Anexo 4. Estes fusíveis do tipo K, admitem uma sobrecarga de até 1,5 vezes os seus valores nominais sem danificar o elemento fusão e, consequentemente, prejudicar o funcionamento do mesmo.
Estes fusíveis são classificados em dois grupos:
Preferenciais (Grupo A): 6K, 10K, 15K, 25K, 40K, 65K, 100K, 140K, 200K. Não preferenciais (Grupo B): 8K, 12K, 20K, 30K, 50K, 80K.
Essa classificação indica quais fusíveis podem ser coordenados. Não é possível realizar a coordenação de fusíveis de grupos diferentes já que as curvas características de fusão tempo X corrente se conflitam (GIGUER, 1988).
As curvas dos elos preferenciais são apresentadas no Anexo 3 e as curvas dos elos não preferenciais no Anexo 4.
2.1.6 Religadores Automáticos
São dispositivos de abertura/fechamento que possuem a característica de atuação definida a partir da programação de seu relé que é o responsável por mandar sinais para que a parte ativa feche ou abra os contatos. Todos possuem dispositivo para abertura ou fechamento manual e alguns mais modernos podem ser operados remotamente pelo centro de operação do sistema das distribuidoras.
Os religadores possuem capacidade para: 1. Detectar condições de sobrecorrente;
2. Interromper o circuito se a corrente persiste por um tempo pré-determinado, segundo a curva tempo (t) X corrente (I);
3. Religar automaticamente para restabelecer a energia na linha;
4. Bloquear o religamento depois de completada a sequência de operação para o qual foi programado (LEÃO, 2010).
Os religadores podem ser programados de diversas formas. Em alguns casos são utilizados apenas como elemento de manobra, mas geralmente são configurados para terem uma sequência de operações de religamento que varia de uma a quatro e, persistindo a anormalidade, o mesmo fica bloqueado até receber um comando manual local ou remoto para mudar de situação.
As atuações para abertura do religador, ficam entre 0,03 a 0,04 segundos. Essa característica possibilita evitar a queima dos fusíveis entre o trecho do defeito até o equipamento religador por atuar antes do tempo necessário para a queima do elemento fusível do elo.
As operações das aberturas podem ser ajustadas no relé de duas formas: Operação instantânea (rápida): tem atuação entre 18 a 30 ciclos. A falta é
eliminada em tempo definido pela curva tempo (s) X corrente (A) de operação instantânea conforme ilustrado na Figura 3. É utilizada para proteger os fusíveis do circuito (LEÃO, 2010).
Figura 3 - Operação do religador
Operação temporizada (lenta): possui o tempo de atuação maior. A falta é eliminada em tempo definido pela curva tempo (s) X corrente (A) de operação instantânea conforme ilustrado na Figura 3. Utilizada quando é preferível que o fusível atue antes do religador (LEÃO, 2010).
2.1.7 Condutores
Parte responsável pela condução da corrente elétrica nos circuitos de energia. São fabricados utilizando como matéria-prima o cobre ou alumínio, sendo este último o mais comum em redes aéreas de distribuição de energia elétrica devido a suas características mecânicas (2.700 kg/m³ do alumínio e 8.890 kg/m³ do cobre), elétricas e o menor custo em relação ao cobre.
Os condutores de alumínio podem ser isolados ou não. Esta característica vai depender da necessidade existente no local onde será instalado. Esta também vai ser determinante para a informação da seção do condutor. Para condutores isolados a seção é expressa em mm². Para condutores nus, a seção é informada em AWG ou MCM.
As seções mais comuns para condutores de alumínio utilizadas em redes de distribuição aérea são:
Tabela 1 - Seções usuais de condutores de alumínio
Condutores Nus (CAA) Condutores Isolados
4 AWG 35 mm² 2 AWG 50 mm² 1/0 AWG 70 mm² 2/0 AWG 95 mm² 3/0 AWG 120 mm² 4/0 AWG 150 mm² 336,4 MCM 185 mm² (FECOERGS, 2010)
Como o alumínio apresenta uma baixa resistência à tração, geralmente são fabricados com um condutor de aço no seu interior, recebendo a identificação CAA após a seção. Condutores de alumínio sem alma são utilizados apenas em redes urbanas onde os vãos entre postes são menores e não exigem muita resistência mecânica do cabo. Cabos sem alma de aço, são especificados com a identificação CA após a seção.
2.1.8 Componentes Simétricas
Um curto-circuito entre fase e terra ou entre duas fases gera um desequilíbrio em um circuito elétrico de distribuição, dificultando a determinação dos valores naquele momento. Nos primeiros tempos, esta característica era analisada a partir de simulações realizadas em réplicas de menor tamanho montadas na própria empresa. Como o sistema elétrico sofre constantes alterações nas suas características, este método tornou-se inviável pois exigia constantes adequações para reproduzir a real situação do circuito original (KINDERMANN, 1977).
Visando encontrar uma ferramenta analítica para facilitar este estudo, em 1915, Leblanc imaginou decompor as correntes trifásicas desequilibradas em três grupos que seriam produzidos por campos magnéticos:
Um campo magnético girando em uma direção; Um campo magnético girando em direção oposta;
Um campo magnético estático, pulsatório (KINDERMANN, 1977). Segundo Kindermann (1977), ainda em 1915 estas ideias criaram corpo com o Dr. Charles LeGeyt Fortescue. Conforme registrado por Stevenson Jr (1955) no ano de 1918, uma das ferramentas mais poderosas para lidar com circuitos polifásicos não equilibrados foi apresentada pelo Dr. Fortescue em uma reunião do “American Institue of Eletrical Engineers” onde apresentou um artigo intitulado "Método de Coordenadas Simétricas Aplicadas à Solução de Redes Polifásicas".
O trabalho de Fortescue, conforme relatado por Stevenson Jr, et al., (1994), prova que um sistema desbalanceado de 𝑛 fasores correlacionados pode ser decomposto em 𝑛 sistema de fasores equilibrados chamados componentes
simétricos dos fasores originais. Os 𝑛 fasores de cada conjunto de componentes são iguais em tamanho, e os ângulos entre os fasores adjacentes do conjunto são iguais.
2.1.8.1 Sequência Positiva
As componentes de sequência positiva representam a parte equilibrada do sistema trifásico, ou seja, 3 (três) fasores de mesmo módulo, defasados 120º, girando a uma velocidade síncrona ω na sequência abc partindo da posição do observador conforme demonstrado na Figura 4 (KINDERMANN, 1977).
Figura 4 - Sequência positiva
(KINDERMANN, 1977)
2.1.8.2 Sequência Negativa
As componentes de sequência negativa representam uma parte desequilibrada do sistema trifásico, ou seja, 3 (três) fasores equilibrados, girando a uma velocidade síncrona contrária (acb) a da sequência positiva conforme mostra a Figura 5 (KINDERMANN, 1977).
Figura 5 - Sequência negativa
(KINDERMANN, 1977)
2.1.8.3 Sequência Zero
Retrata uma parte desequilibrada do sistema. É o conjunto de três fasores iguais, em fase, como apresentado na Figura 6, girando no mesmo sentido (abc) da sequência original desbalanceada (KINDERMANN, 1977).
Figura 6 - Sequência zero
(KINDERMANN, 1977)
2.1.9 Fator de Carga
Razão entre a demanda média e a demanda máxima da unidade consumidora ocorrida no mesmo intervalo de tempo (ANEEL, 2016). Entende-se como demanda média o consumo de energia (kWh). O fator de carga nunca será maior que 1 (um). Observa-se que o fator de carga unitário corresponde um sistema operando com demanda constante em um intervalo de tempo (KAGAN, et al., 2005).
Conforme Kagan, et al.(2005), o cálculo do fator de carga é realizado através da Equação (1).
𝐹𝑐 = 𝑘𝑊ℎ
𝑘𝑊 𝑥 𝑡 (1)
Onde,
𝐹𝑐= Fator de carga
𝑘𝑊ℎ= Consumo de energia ativa medido em um intervalo de tempo 𝑡 𝑘𝑊= Demanda máxima medida no intervalo de tempo 𝑡
𝑡= Intervalo de tempo em horas
No Gráfico 1 está sendo apresentada a curva de carga extraída de um dia de consumo da memória de massa do medidor de energia elétrica no ponto de suprimento do alimentador 09214 - Ametista II. Neste está representado o quanto a demanda média (consumo) representa sobre a demanda máxima.
Gráfico 1 - Fator de carga
(Autor)
Aplicando os montantes apresentados pelo medidor de energia na Equação (1), foi obtido um fator de carga de 0,7. Isso significa que a potência neste dia foi variada, sendo sua média, 70% do valor máximo verificado.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 00 :1 5 01 :0 0 01 :4 5 02 :3 0 03 :1 5 04 :0 0 04 :4 5 05 :3 0 06 :1 5 07 :0 0 07 :4 5 08 :3 0 09 :1 5 10 :0 0 10 :4 5 11 :3 0 12 :1 5 13 :0 0 13 :4 5 14 :3 0 15 :1 5 16 :0 0 16 :4 5 17 :3 0 18 :1 5 19 :0 0 19 :4 5 20 :3 0 21 :1 5 22 :0 0 22 :4 5 23 :3 0
Demanda (15min) Demanda Máxima Demanda Média
2.1.10 Bancos de Capacitores
Bancos de capacitores são instalados nas redes de distribuição com o objetivo de ajustar o fator de potência da carga a valores próximos de 1 (um). Esta correção se faz necessária por apresentar vantagens às distribuidoras tanto de ordem técnica quanto de ordem econômica.
Tecnicamente esta redução da componente reativa permite minimizar as perdas técnicas resultantes do efeito Joule em seu sistema (COSTA, 2008). Isto também resulta em alívio do sistema em condição de sobrecarga além de melhorar a qualidade da tensão em virtude da redução da corrente elétrica.
Do ponto de vista econômico, corrigir o fator de potência resulta em pelo menos duas vantagens financeiras às distribuidoras, que são a redução dos custos com energia reativa a diminuição das perdas de energia, o que permite reduzir a necessidade de compra de energia.
Para obter resultados satisfatórios a partir da correção do fator de potência com bancos de capacitores e evitar cobranças adicionais, é necessário manter este índice a valores acima do mínimo estabelecido pela Resolução Normativa da Aneel Nº 414, que é 0,92.
A apuração do excedente reativo é verificada em cada intervalo de 1 (uma) hora. Fica definido que as distribuidoras devem estabelecer um período de 6 (seis) horas consecutivas, entre as 23h 30min às 06hs 30 min para cobrança dos excedentes reativos capacitivos. No restante do horário, deve ser faturado dos consumidores os excedentes indutivos (ANEEL, 2010).
Visando atender estes parâmetros, existem 3 (três) formas para introduzir energia reativa capacitiva nas redes de distribuição que são através de:
a) Banco dinâmico com acionamento automático: compensador que permite a entrada de capacitores no sistema conforme a necessidade verificada por seu controlador para cada fase do alimentador. O equipamento verifica a necessidade de correção e vai liberando capacitores na média tensão em potências menores até que seja atingido o fator de potência programado. É um equipamento muito eficiente, porém seu custo pode ser
considerado alto quando aplicado em redes com potências baixas. Sua instalação, conforme ilustrado na Figura 7, demanda de uma estrutura complexa, quando comparado a outros sistemas.
Figura 7 - Compensador automático
(Autor)
b) Banco fixo com acionamento automático: é um banco de capacitores com potência fixa que possui dispositivo para abertura e fechamento dos capacitores acionados a partir da programação de seu controlador. Sua operação poderá ser controlada por fator de potência, por tensão, corrente e ainda por horário. É um equipamento bastante utilizado por ter a possibilidade de controle e não ter um custo muito elevado.
Através da Figura 8 pode ser observado que sua instalação é bastante simples e não demanda muito espaço físico.
Figura 8 – Banco de capacitor fixo com acionamento automático
(Autor)
c) Banco de capacitor fixo sem acionamento automático: equipamento simples, composto por chaves fusíveis (operação e proteção) e capacitores, conforme ilustrado na Figura 9.
Figura 9 - Banco de capacitor fixo sem acionamento automático
Possui potência fixa e sua operação só pode ser realizada manualmente com a rede desenergizada ou através de equipamento apropriado para abertura de chaves fusíveis de capacitores.
Estes são os equipamentos mais comuns e trabalham em conjunto com bancos de acionamento automático ou ainda, sozinhos, quando instalados em alimentadores com pequena variação na carga.
3 METODOLOGIA PARA ELABORAÇÃO DO ESTUDO O estudo será realizado com base na metodologia apresentada. Aquisição de Dados do Alimentador
Como subsídio para diversos cálculos e análises, será necessário a realização de um tombamento, com a utilização do software SGD, utilizado pela CRELUZ para o georefenciamento de suas redes de distribuição, do circuito troncal do alimentador 09214 - Ametista II onde será representado através de diagrama unifilar da rede de distribuição a partir do ponto atual de suprimento junto à RGE, CH 1215, localizada no município de Ametista do Sul, até o local da SE, no município de Pinhal.
3.1.1 Características dos Condutores
Serão levantadas as características dos condutores instalados no trecho estudado, assim como no trecho que será necessário construir para realizar a interligação do sistema existente com a futura SE.
Aqui serão identificadas algumas características básicas dos condutores como:
Número de fases;
Tipo do material (alumínio ou cobre) e se possui alma de aço ou não (CAA ou CA);
Seção; Distância.
3.1.2 Religadores
Deverão ser verificados os locais em que se encontram os religadores automáticos e se operam como dispositivos de proteção ou de manobra.
3.1.3 Reguladores de Tensão
Deverão ser relacionados, além da localização, dados técnicos como: potência, tensão nominal e tipo de ligação.
3.1.4 Capacitores
Relacionar-se-ão os bancos de capacitores existentes contendo sua posição no circuito, seu tipo de acionamento e sua potência.
3.2 Estudo da Demanda Distribuída
Como pode ser observado no Gráfico 1, a carga diária do alimentador 09214 – Ametista II é sazonal. Segundo Kagan, et al. (2005), para esta condição deve ser utilizada a demanda máxima como a que representará as condições mais severas de queda de tensão e de aquecimento.
A potência ativa máxima do alimentador 09214 – Ametista II é conhecida a partir da demanda ativa registrada pelo medidor de energia elétrica da supridora. O problema é identificar qual seria a demanda máxima de um determinado trecho ao longo do alimentador sem a utilização de equipamentos de medição.
Conforme Kagan, et al. (2005), também não é possivel considerar a soma das demandas máximas individuais de um determinado conjunto de consumidores como sendo a demanda máxima deste conjunto pois existe uma diversidade entre os consumidores resultando para a demanda máxima valor, geralmente, menor que a soma das demanda máximas individuais.
Diante desta dificuldade, optou-se pela utilização de uma metodologia onde a demanda máxima de um conjunto de consumidores será obtiva através da Equação (2), a partir do consumo de energia elétrica ativa destes consumidores e do fator de carga do próprio alimentador, por este simbolizar a relação entre a demanda máxima e a demanda média do circuito. O tempo a ser considerado será quantidade de horas do período de tempo em que foi medido o consumo de energia elétrica de cada consumidor.
𝐷 á =
𝑘𝑊ℎ
𝐹𝑐 𝑥 𝑡 (2)
Onde,
𝐷 á = Demanda máxima do setor 𝐹𝑐= Fator de carga
𝑘𝑊ℎ= Consumo de energia ativa medido em um mês de faturamento 𝑡= Intervalo de tempo em horas
O fator de carga a ser utilizado será o mínimo calculado em um ciclo de leitura dentro de um período de 12 (doze) meses. Utilizar-se-á o fator de carga mínimo porque este representará a pior condição de demanda máxima, já que representa a maior diferença entre a demanda máxima e a demanda média do mesmo período.
O consumo de energia ativa a ser considerado será o faturado pela CRELUZ em um mesmo ciclo de faturamento para cada uma das unidades consumidoras ligadas em cada um dos setores a serem analisados
Entende-se como intervalo de tempo o período em que foi registrado o consumo de energia ativa de cada unidade consumidora. O intervalo de leituras para apurar o consumo, deve ser de aproximadamente 30 (trinta) dias, observados o mínimo de 27 (vinte e sete) e o máximo de 33 (trinta e três) dias (ANEEL, 2010). Para fins de cálculos, será utilizado o período médio de 30 (trinta) dias para determinar o tempo(𝑡) a ser informado na Equação (2).
3.3 Divisão do Alimentador em Setores
O alimentador 09214 - Ametista II possui características físicas e elétricas variáveis ao longo de sua extensão.
Como características físicas podem ser citadas as variações nos tipos e seções dos condutores que alternam ao longo do circuito em função das manutenções e extensões realizadas ao longo do tempo.
Característica elétrica pode ser definida como a distribuição da carga instalada no decorrer do alimentador.
Os setores serão frações do alimentador e os objetivos principais para criá-los serão a facilidade na realização dos cálcucriá-los e uma melhor simulação das condições reais do sistema. Os setores serão definidos seguindo 2 (dois) critérios:
I. Mudança na característica dos condutores; II. Existência de religadores.
3.4 Cálculo das Correntes de Curto Circuito (Icc)
Através do método das componentes simétricas serão calculados os valores da corrente de curto-circuito trifásico equilibradas (sequência positiva), de desequilíbrio trifásico (sequência negativa) e as monofásicas envolvendo a terra (sequência zero).
Em sistemas de distribuição, Kindermann (1977) define a metodologia a seguir para calcular as componentes de sequência.
3.4.1 Curto-Circuito Trifásico
No curto-circuito trifásico, as correntes são equilibradas, isso permite considerar apenas o modelo de sequência positiva que é obtido através da aplicação do método de Thévenin para calcular a impedância e, a partir desta, o módulo da corrente de curto-circuito.
Está representado na Figura 10 o circuito equivalente a um curto-circuito trifásico.
Figura 10 - Circuito equivalente do curto-circuito trifásico
(KINDERMANN, 1977)
𝐼̇ 𝐼̇ 𝐼̇ = 1 1 1 1 𝑎² 𝑎 1 𝑎 𝑎² 𝑥 𝐼̇ 𝐼̇ 𝐼̇ Assim 𝐼̇ = 𝐼̇ + 𝐼̇ + 𝐼̇ Como 𝐼̇ = 0 𝐼̇ = 0 Tem-se 𝐼̇ = 𝐼̇ = 1 𝑍̇ Em módulo 𝐼 = 1 𝑍̇ [𝑝𝑢]
Portanto, a corrente em módulo de qualquer fase no curto-circuito trifásico será calculada através da Equação (3).
𝐼 ∅=
1
𝑍̇ 𝑥 𝐼 (3)
3.4.2 Curto-Circuito Bifásico
Como o sistema de distribuição geralmente está distante do gerador, pode-se considerar que as impedâncias de sequências positiva e negativa sejam iguais, portanto, para o curto-circuito bifásico, os modelos são conectados em paralelo conforme demonstrado na Figura 11.
Figura 11 - Modelo em paralelo no curto-circuito bifásico (KINDERMANN, 1977) 𝑍̇ = 𝑍̇ 𝐼̇ = 1 𝑍̇ + 𝑍̇ = 1 2𝑍̇ → 𝐼̇ = 1 2𝑍̇ 𝐼̇ = − 𝐼̇ 𝐼̇ 𝐼̇ 𝐼̇ = 1 1 1 1 𝑎² 𝑎 1 𝑎 𝑎² 𝑥 𝐼̇ 𝐼̇ 𝐼̇ ∴ 𝐼̇ 𝐼̇ 𝐼̇ = 1 1 1 1 𝑎² 𝑎 1 𝑎 𝑎² 𝑥 0 𝐼̇ −𝐼̇ 𝐼̇ = 0 𝐼̇ = 1𝑥0 + 𝑎 𝐼̇ − 𝑎𝐼̇ ∴ 𝐼̇ = 𝐼̇ (𝑎 − 𝑎) 𝑎 − 𝑎 = √3 ∡ − 90° 𝐼̇ = 𝐼̇ √3 ∡ − 90° 𝐼̇ = √3 2𝑍̇ ∡ − 90° Em módulo, tem-se: 𝐼̇ = √3 2 𝑥 1 𝑍̇
Portanto, a corrente em módulo de qualquer fase no curto-circuito bifásico será calculada através da Equação (4).
𝐼 ∅=
√3
3.4.3 Curto-Circuito Monofásico-Terra
Nesta situação, conforme representado na Figura 12, os modelos são conectados em série.
Figura 12 - Modelos em série no curto-circuito monofásico
(KINDERMANN, 1977)
Para este modelo, tem-se a seguinte metodologia:
𝑍̇ = 𝑍̇
𝐼̇ = 𝐼̇ = 𝐼̇ = 1
𝑍̇ + 𝑍̇ + 𝑍̇ =
1 2𝑍̇ + 𝑍̇
Pelo Teorema de Fortescue, tem-se
𝐼̇ = 𝐼̇ + 𝐼̇ + 𝐼̇
𝐼̇ = 3𝐼̇ ∴ 𝐼̇ = 3
2 𝑍̇ + 𝑍̇
Para qualquer fase, o módulo da corrente de curto-circuito monofásico e calculado pela Equação (5).
𝐼 ∅ =
3
2 𝑍̇ + 𝑍̇ 𝑥 𝐼 (5)
3.4.4 Curto-Circuito Monofásico-Terra Mínimo
No modelo de curto-circuito monofásico entre fase e terra mínimo, a impedância fica em série no circuito de sequência zero, representada no modelo da Figura 13.
Figura 13 - Modelo em série curto-circuito monofásico-terra mínimo
(KINDERMANN, 1977)
O módulo da corrente de curto-circuito monofásico terra mínimo será calculado pela Equação (6).
𝐼 ∅ í =
3 2 𝑍̇ + 𝑍̇ +𝑍3𝑍̇
𝑥 𝐼
(6)
Conforme recomentado por Kindermann (1977), será utilizado, para esta aplicação 𝑍̇ = Ω.
3.5 Realocação dos Religadores
Como visto no item 2.1.6, os religadores automáticos são dispositivos que possuem capacidade de proteger o sistema a partir dos parâmetros definidos em seu controlador.
Na CRELUZ, além de serem utilizados para a proteção, estes equipamentos são alocados em locais estratégicos das principais redes de distribuição, considerando aspectos técnicos e econômicos dos circuitos, para o isolamento de trechos e para a realização de manobras entre alimentadores.
Conforme mencionado por Ferreira (2009), de modo geral, não existe um procedimento exato quanto ao local a ser instalado o dispositivo de proteção e manobras. As decisões são heurísticas e baseadas no conhecimento das características de consumo, número de consumidores e de consumidores especiais quanto ao ponto de vista econômico e regulatório.
3.6 Realocação de Reguladores de Tensão
A necessidade de realocar o banco de regulador de tensão será determinada a partir do cumprimento dos níveis de tensão mínimos exigidos e que serão obtidos no cálculo da queda de tensão.
3.6.1 Cálculo da Queda de Tensão
A queda de tensão máxima para redes primárias deve seguir os padrões adequados definidos pelo Módulo 8 do PRODIST. Para a tensão nominal de 23 kV, os limites estão definidos na Tabela 2.
Tabela 2 - Faixas de classificação das tensões
Tensão de Atendimento (TA) Faixa de Variação da Tensão de Leitura (TL) em Relação à Tensão de Referência (TR)
Adequada 0,93TR ≤ TL ≤ 1,05TR
Precária 0,90TR ≤ TL < 0,93TR
Crítica TL < 0,90TR ou TL > 1,05TR
(ANEEL, 2008)
No presente trabalho, a queda de tensão não poderá ultrapassar este limite em qualquer ponto desde a saída da subestação até o ponto final do tronco do alimentador.
Neste caso estudado, estará sendo considerado a demanda de cada setor como sendo uma carga distribuída uniformemente ao longo do trecho. A partir desta característica, segundo Bock (2017), a melhor será aplicar a Equação (7) para calcular a queda de tensão em cada setor e, a Equação (8) para o cálculo da queda de tensão unitária. ∆𝑉 = ∆𝑉 + 𝐺 𝑥 𝑙 1 2𝑆 + 𝑆 (7) 𝐺 =(𝑅 𝑥 cos ( 𝜑)) + (𝑋 𝑥 sen ( 𝜑)) (𝑉 )² (8) (BOCK, 2017)
Onde,
∆𝑉= Queda de tensão (%)
𝐺 = Queda de tensão unitária (kV/MVA/km) 𝑙= Comprimento da linha em (km)
𝑆 = Potência aparente acumulada no sistema (MVA) 𝑆 = Potência aparente distribuída no sistema (MVA)
𝑅= Resistência do condutor à temperatura de operação (ohm/km) 𝑋= Reatância indutiva em (ohm/km)
𝜑 = Ânulo da defasagem angular entre tensão e corrente 𝑉 = Tensão nominal da linha em (kV)
Os valores de resistência e reatância para condutores de alumínio com alma de aço serão utilizados com base nas referências da Tabela 3.
Tabela 3 - Características elétricas de cabos de alumínio nu CAA
Seção Resistência Elétrica CA (70°C) Reatância Indutiva Condução de Corrente Capacidade de
(AWG ou MCM) (ohm/km) (ohm/km) (A)
2/0 0,5962 0,5088 267
3/0 0,4816 0,4967 309
4/0 0,3944 0,4734 358
(ENERGISA, 2017)
Para condutores de alumínio com cobertura serão utilizadas as características elétricas da Tabela 4.
Tabela 4 - Características elétricas de cabos de alumínio coberto
Seção Nominal Tensão Resistência Reatância Condução de Corrente Capacidade de
90°C
mm² kV (ohm/km) (ohm/km) (A)
150 25 0,264 0,2952 450
Para o calcular as correntes de curto-circuito em setores com condutores nu, deverão ser considerados os dados da Tabela 5.
Tabela 5 - Cabos nu - Componentes de sequência
Seção Componente de Impedância de Sequência Positiva e Negativa Componente de Impedância de Sequência Zero
AWG R1=R2 X1=X2 R0 X0
2/0 0,556 0,510 0,733 1,967
3/0 0,449 0,498 0,629 1,955
4/0 0,368 0,475 0,545 1,932
(KINDERMANN, 1977)
Para condutores cobertos, deverão ser utilizadas as grandezas da Tabela 6.
Tabela 6 - Cabos cobertos - Componentes de sequência
Seção Componente de Impedância de Sequência Positiva e Negativa Componente de Impedância de Sequência Zero
mm² R1=R2 X1=X2 R0 X0
150 0,264 0,295 0,442 2,397
(CELESC, 2012)
O fator de potência para ser utilizado nos cálculos para rede existente será o indicado para reforma e extensão de rede apresentado na Tabela 7.
Tabela 7 - Fator de potência para projetos
Característica do Projeto FP
Rede Nova 1,0
Reforma e Extensão de Rede 0,8
(FECOERGS, 2010)
3.7 Realocação de Bancos de Capacitores
Os bancos de capacitores utilizados no alimentador 09214 – Ametista II, assim como no restante das redes de distribuição da CRELUZ, têm por objetivo principal a correção do fator de potência. O alimentador possui os equipamentos distribuídos ao longo do circuito e sua distribuição da potência reativa espelha-se na distribuição da
potência ativa. Os bancos de maior potência estão localizados anteriormente aos pontos de maior concentração de carga.
Como o sistema de correção da energia reativa está atendendo as expectativas da CRELUZ, que é evitar a cobrança por este tipo de energia junto a sua supridora, o objetivo neste momento será manter este procedimento para localização dos bancos de capacitores. Apenas ocorrerá o reposicionamento em função do critério de concentração de carga.
O estudo para este equipamento, terá como objetivo encontrar o ponto ideal para instalação do equipamento a partir da seguinte metodologia:
3.7.1 Relação de Correção
Esse valor vai indicar quanto de potência ativa está sendo corrigido para cada kVAr instalado no sistema, considerando que o banco automático esteja atuando em plena carga. Esta relação será obtida através da Equação (9).
𝑅𝑒𝑙𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒çã𝑜 = 𝑘𝑊
∑ 𝑘𝑉𝐴𝑟 [𝑘𝑊/𝑘𝑉𝐴𝑟] (9)
3.7.2 Do Local do Banco
O local de cada banco será definido a partir da potência de cada setor e, dentro do setor, será com base na informação da distribuição de carga, fornecida pelo Gráfico 2.
Inicialmente deverá ser encontrado qual será o ponto central para localização do banco, em relação à demanda máxima que cada banco abrange na correção, sempre considerando que o banco estará localizado no centro da carga que o mesmo está corrigindo a energia reativa.
A partir da potência reativa de cada banco e da relação de correção, será possível definir com a utilização da Equação (10), o ponto central de potência ativa indicada para cada banco abranger.
𝐶𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑜 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 = 𝑅𝑒𝑙𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒çã𝑜 𝑥 𝑘𝑉𝐴𝑟
2 [𝑘𝑊] (10)
Após obter esta referência de localização em relação à demanda de potência ativa, deverá ser definido dentro de qual setor deverá ser realocado o banco. Isso será definido com base na seguinte lógica:
𝐿𝑜𝑐𝑎𝑙 = 𝐶𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑜 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 − 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑀á𝑥. 𝑠𝑒𝑡𝑜𝑟 [𝑘𝑊] (11)
Se
𝐿𝑜𝑐𝑎𝑙 > 0
𝐿𝑜𝑐𝑎𝑙 = 𝐶𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑜 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 − 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑀á𝑥. 𝑠𝑒𝑡𝑜𝑟 [𝑘𝑊] (12)
Se o valor encontrado na Equação (11) for superior a 0 (zero), indica que o local do banco será nos setores à montante daquele que está sendo analisado, sendo necessário prosseguir os cálculos com a Equação (12) até que o valor encontrado seja menor ou igual a 0 (zero).
Quando isso ocorrer, significa que o ponto de instalação do banco se dará neste setor e ainda, deverá ser utilizada a Equação (13) para calcular a distância em que será o ponto limite para atuação do banco de capacitor.
𝐴𝑏𝑟𝑎𝑛𝑔ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 = 𝐿𝑜𝑐𝑎𝑙
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖çã𝑜 𝑑𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 [𝑚] (13)
Para definir o limite de atuação deste banco e o início do próximo, deverá ser calculado através da rotina abaixo onde será o ponto de divisão entre as duas áreas de atuação dos bancos.
Primeiro deverá ser calculado quanto de demanda de potência sobrou no setor de instalação do último banco através da Equação (14).
𝑆𝑎𝑙𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 = 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑀á𝑥. 𝑠𝑒𝑡𝑜𝑟 − 𝐿𝑜𝑐𝑎𝑙 (14)
Com esta informação, deverá ser utilizada a demanda calculada na Equação (10) para chegar ao local limite de atuação dos dois bancos vizinhos. Com estas duas informações é possível utilizar a mesma lógica aplicando as Equações (11), (12) e
(13) para chegar ao ponto limite do final de atuação do banco à jusante com o banco seguinte.
4 RESULTADO DO ESTUDO
Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos a partir da proposta descrita na Metodologia.
Dados Técnicos do Alimentador
Junto ao Sistema de Georeferenciamento das redes elétricas da CRELUZ, SGD, foram extraídas as seguintes informações.
4.1.1 Extensão do Alimentador
É a distância, dada em metros, do circuito elétrico principal do alimentador 09214 - Ametista II desde Ametista do Sul até o município de Rodeio Bonito, e, posteriormente, deste até o município de Pinhal, já através do circuito do alimentador 00002 – Palmeira, que estão se encontrando na religador RL 0114. Esta informação será utilizada para cálculos das correntes de curto-circuito e queda de tensão.
4.1.2 Tipo ou Seção do Condutor
Identificado que no trecho estudado, existem 2 (dois) tipos e 3 (três) seções de condutores de alumínio distribuídos em trechos diferentes. Para cada trecho que possui mudança de tipo ou seção do condutor foi atribuída uma letra, conforme apresentado na Figura 14, com a finalidade de melhor apresentar as informações e facilitar na apresentação dos cálculos posteriores.
Figura 14 - Setores por seção dos condutores
Os tipos, seções e distâncias de cada trecho, são apresentadas no Quadro 1.
Quadro 1 - Características dos condutores
Setor Seção do Condutor Tipo de Condutor Distância (m)
A 150 mm² CA 520 B 4/0 AWG CAA 6.688 C 2/0 AWG CAA 1.059 D 3/0 AWG CAA 290 E 2/0 AWG CAA 8.198 F 150 mm² CA 488 G 2/0 AWG CAA 6.332 (Autor)
Vale ressaltar que o setor A é o trecho que vai interligar a subestação a ser construída com o atual circuito. Como ainda não existe uma confirmação formal sobre a construção da linha de 138 kV, a CRELUZ não realizou projeto desta rede, porém, como as atuais orientações do Setor de Engenharia da Cooperativa é utilização de rede compacta para esta situação, considerou-se que neste trecho o cabo seria o protegido com seção 150 mm², diferente do condutor atual da rede nu existente.
4.1.3 Equipamentos
São os equipamentos especiais existentes na rede. 4.1.3.1 Regulador de Tensão
Identificada a existência de um banco de regulador de tensão automático (RT 9703) entre os municípios de Rodeio Bonito e Ametista do Sul com o objetivo de melhorar a qualidade de tensão a jusante, contemplando o centro de carga atual, que é o município de Rodeio Bonito, conforme demonstrado na Figura 15.
Figura 15 - Banco de regulador de tensão
(Autor)
O banco é composto por três equipamentos ligados em estrela com as seguintes características:
Potência Nominal: 216 kVA; Tensão nominal: 14,4 kV; Corrente de linha: 150 A. 4.1.3.2 Religador Automático
O circuito possui três dispositivos instalados conforme representado na Figura 16.
Figura 16 - Religadores
(Autor)
O primeiro (RL 1215), está localizado no município de Ametista do Sul, logo após o ponto de entrega com a RGE. Este tem a função de proteção geral do alimentador. O segundo (RL 0414), está localizado antes da área urbana de Rodeio Bonito, e está ajustado para não atuar na proteção. É apenas utilizado para manobras e/ou isolamento do circuito. O último equipamento (RL 0114) está instalado depois da área urbana de Rodeio Bonito, em direção ao município de Pinhal, e também é utilizado para manobras e/ou isolamento do circuito. Neste equipamento ocorre o encontro entre os alimentadores 09214 - Ametista II e o 00002 - Palmeira.
4.1.3.3 Capacitores
Localizada no levantamento, a existência de 4 (quatro) bancos de capacitores no tronco do alimentador conforme apresentado na Figura 17. Estes equipamentos estão localizados nas proximidades do centro de carga do circuito.
Figura 17 - Bancos de capacitores
(Autor)
Dentre os equipamentos, destaca-se o banco BC 8003 por ser um banco dinâmico. Este possui instalado três equipamentos monofásicos (um por fase) automatizados, os quais realizam a comutação automática para a entrada ou saída gradativa de sua potência. Isso permite a manutenção de um fator de potência sempre próximo do valor configurado pela CRELUZ no dispositivo, que atualmente é 0,96.
Com exceção do banco BC 8002, que fica aberto para ser utilizado no caso de falha do banco automático BC 8003, todos os demais ficam em linha permanentemente e fornecem as potências relacionadas no Quadro 2.
Quadro 2 - Bancos de capacitores
Banco Potência Acionamento Tipo de ligação Situação
BC 8047 300 kVAr Manual Estrela aterrada Fechado
BC 8000 600 kVAr Manual Estrela aterrada Fechado
BC 8002 1200 kVAr Manual Estrela aterrada Aberto
BC 8003 Máxima de 900 kVAr Automático Estrela aterrada Fechado
(Autor)
Os equipamentos manuais estão dimensionados para manter o fator de potência acima de 0,92 em situações de menor carga no alimentador, ficando o banco automático responsável pela correção da energia reativa da carga variável.
4.1.4 Divisão do Alimentador em Setores
Seguindo os dois critérios apresentados no item 3.3, realizou-se a setorização do alimentador considerando como determinante a mudança das características dos condutores e a existência de religadores ficando setorizado conforme demonstrado na Figura 18.
Figura 18 - Divisão dos setores
(Autor)
Com base no banco de dados do sistema da CRELUZ, identificou-se que, com exceção de um trecho de rede compacta que não possui nenhuma unidade consumidora ligada (trecho J-K), todas as outras mudanças de seções dos condutores se dão em alguma estrutura que possui equipamentos seccionadores.
A descrição do equipamento de cada um dos pontos está apresentada no Quadro 3.
Quadro 3 – Identificação dos pontos da divisão preliminar dos setores
Ponto Equipamento A SE B CH 500 C RL 0114 D CH 1252 E CH 1085 F CH 1230 G RL 0414 H CH 0353 I CH 0222 J NA* K NA* L RL 1215
* Início/final da rede compacta (Autor)
A partir da informação dos pontos, outra informação necessária será a distância entre cada um dos pontos que formarão cada setor. Estas distâncias informadas no Quadro 4 também foram extraídas do software de georeferenciamento.
