UNIVERSIDADE CATÓLICA DE PELOTAS
CENTRO POLITÉCNICO
ENGENHARIA ELÉTRICA
NOTAS DE AULA
PROF. LUCIANO VITORIA BARBOZA
SUMÁRIO
Capítulo 1. Faltas Trifásicas Simétricas ................................................................ 1
1.1....
Sumário Prof. Luciano V. Barboza
3.2.1. Falta entre Fase e Terra ...........................................................
1. FALTAS TRIFÁSICAS SIMÉTRICAS
1.1. Introdução
Quando ocorre uma falta em um sistema de potência, a corrente que circul...
Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza
cos( maxdiRiLVtdtωα+=+ (1.1)
A solução desta equação é
()cos()cos...
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(a)
(b)
Figura 1.2. Corrente como função do tempo no circuito da ...
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Comparando as Figuras 1.2(a) e 1.3, percebe-se a diferença entre a ...
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02GdEEXbI′== ′ (1.4)
O valor eficaz da corrente determinado pela i...
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Figura 1.4. Diagrama unifilar do Exemplo 1.1.
1.4. Tensões Interna...
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nar a corrente através de é Portanto, ,gE′′dX′′.LI
(1.6) gtdEVjXI′...
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apresenta uma reatância de 10% na base dos valores nominais das máq...
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aquelas devido apenas a .fV− Assim, a única corrente que entra em u...
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e o sobrescrito + indica que as tensões são devido apenas a .fV− O ...
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1.6. MVA de Curto-Circuito
As concessionárias de energia elétrica ...
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Exemplo 1.4 : Determine a matriz impedância de barra para a rede da...
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tiplicado pela corrente que o disjuntor deve ser capaz de interromp...
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APG
Figura 1.9. Diagrama unifilar para o Exemplo 1.5. Sistemas de ...
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1.8. Lista de Exercícios
1.1. Uma tensão alternada sinusoidal de 6...
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1.4. Um gerador é conectado através de um transformador a um motor ...
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1.7. Para a rede mostrada na Figura 1.10, calcule a corrente subtra...
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Figura 1.12. Diagrama de reatâncias para o Problema 1.9 (valores em...
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Sistemas de Potência II 20
2. COMPONENTES SIMÉTRICOS
2.1. Introdução
Em 1918, uma das mais poderosas ferramentas para tratar com circuitos polifási...
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Componentes de seqüência positiva
Componentes de seqüência negativa
Com...
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2.3. Operadores
O resultado da multiplicação de dois números complexos é...
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Figura 2.3. Diagrama fasorial com as várias potências do operador a.
2.4...
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portanto,
(2.19) 03N II=
Na ausência de um caminho ao neutro em um sist...
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Figura 2.4. Diagrama esquemático de um transformador monofásico.
Os term...
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Seqüência positiva
Seqüência negativa
Figura 2.6. Diagramas fasoriais d...
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modo que a tensão de seqüência positiva em relação ao neutro está 30° adi...
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o neutro do gerador. Para a rede de seqüência zero, a barra de referência...
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Da Figura 2.10, pode-se deduzir as relações para os componentes de seqüên...
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1aE1aE′
Seqüência positiva 2aE2aE′
Seqüência negativa Ia00aEZ0Barra de ...
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pela rede de seqüência zero devido à ausência do neutro. Se a impedância ...
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O valor da impedância de seqüência zero de transformadores trifásicos tam...
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ta. A corrente de seqüência zero não pode circular nos enrolamentos do tr...
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Exemplo 2.3: Um gerador trifásico de 300 MVA, 20 kV, tem uma reatância su...
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2.12. Lista de Exercícios
2.1. Sendo calcule as tensões em re- lação ao ...
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215160 VanV=∠−° são aplicadas à carga trifásica descrita acima.
a) Const...
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tros dos geradores 1 e 3 são ligados à terra através de reatores de limit...
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Figura 2.20. Diagrama unifilar para o Problema 2.10. Sistemas de Potência...
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Sistemas de Potência II 46
III. FALTAS ASSIMÉTRICAS
3.1. Introdução
A maioria das faltas que ocorre em sistemas elétricos é assimétrica podendo con...
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3.2.1. Falta entre Fase e Terra
O circuito para uma falta fase-terra em um ...
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Figura 3.2. Conexão das redes de seqüência de um gerador em vazio para uma f...
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3.2.2. Falta entre Fase e Fase
O circuito para uma falta fase-fase em um ge...
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o que fornece 020 e .aaII==−
Havendo conexão entre o neutro do gerador e a ...
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3.2.3. Falta entre Duas Fases e Terra
A Figura 3.5 mostra o circuito para u...
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Figura 3.6. Conexão das redes de seqüência...
Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza
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Figura 3.7. Três condutores do sistema trifásico.
As tensões de ...
Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza
3.3.1. Falta entre Fase e Terra
Para uma falta fase-terra, os fios hipotéti...
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acbIaIcIb
Figura 3.9. Diagrama de ligação dos fios hipotéticos para uma fal...
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Figura 3.10. Diagrama de ligação dos fios hipotéticos para uma falta fase-fa...
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seqüência positiva é a única que contém fem que representam as tensões inter...
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carga com fator de potência unitário e tensão nominal. A soma de suas potênc...
Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza
3.5. Análise de Faltas Assimétricas Usando a Matriz Impedância de Barra
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3.6. Lista de Exercícios
3.1. Os valores nominais de um gerador de 60 Hz sã...
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3.6. As reatâncias de um gerador de 100 MVA, 20 kV são O gerador está conect...
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3.10. Dois geradores são conectados através dos transformadores a um barrame...
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Sistemas de Potência II 64
IV. ESTABILIDADE DE SISTEMAS DE POTÊNCIA
4.1. Aspectos Gerais
Quando os geradores CA eram acionados por máquinas a vapor...
Estabilidade de Sistemas de Potência Prof. Luciano V. Barboza
sistema permanecerá em sincronismo após distúrbios signific...
Estabilidade de Sistemas de Potência Prof. Luciano V. Barboza
Em todos os estudos de estabilidade, o objetivo é determina...
Estabilidade de Sistemas de Potência Prof. Luciano V. Barboza
é a posição angular do rotor em relação a um eixo de referê...
Estabilidade de Sistemas de Potência Prof. Luciano V. Barboza
é a potência elétrica de saída do gerador mais as perdas el...
Estabilidade de Sistemas de Potência Prof. Luciano V. Barboza
Substituindo a equação X(4.9)X na equação X(4.7)X, tem-se
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Estabilidade de Sistemas de Potência Prof. Luciano V. Barboza
gráfico é chamado de curva de oscilação da máquina e a anál...
Estabilidade de Sistemas de Potência Prof. Luciano V. Barboza
regime permanente; quando muda deste valor, o rotor desvia-...
sistema de potencia ii
sistema de potencia ii
sistema de potencia ii
sistema de potencia ii
sistema de potencia ii
sistema de potencia ii
sistema de potencia ii
sistema de potencia ii
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NOTAS DE AULA PROF. LUCIANO VITORIA BARBOZA Sistema de potencia ii
Published on: Mar 3, 2016
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Transcripts - sistema de potencia ii

  • 1. UNIVERSIDADE CATÓLICA DE PELOTAS CENTRO POLITÉCNICO ENGENHARIA ELÉTRICA NOTAS DE AULA PROF. LUCIANO VITORIA BARBOZA
  • 2. SUMÁRIO Capítulo 1. Faltas Trifásicas Simétricas ................................................................ 1 1.1. Introdução .............................................................................................................. 1 1.2. Transitórios em Circuitos RL Série ........................................................................ 1 1.3. Correntes de Curto-Circuito e Reatâncias das Máquinas Síncronas ....................... 4 1.4. Tensões Internas de Máquinas com Carga sob Condições Transitórias .................. 6 1.5. Matriz Impedância de Barra para Cálculo de Faltas .............................................. 8 1.6. MVA de Curto-Circuito ....................................................................................... 12 1.7. Seleção de Disjuntores e Tipos de Corrente de Curto-Circuito ............................ 13 1.7.1. Procedimento Simplificado de Cálculo ............................................................ 14 1.8. Lista de Exercícios ............................................................................................... 16 Capítulo 2. Componentes Simétricos ................................................................... 21 2.1. Introdução ............................................................................................................ 21 2.2. Fasores Assimétricos a partir dos Componentes Simétricos ................................. 21 2.3. Operadores ........................................................................................................... 23 2.4. Componentes Simétricos de Fasores Assimétricos ................................................ 24 2.5. Defasagem dos Componentes Simétricos em Bancos de Transformadores Y−Δ ... 26 2.6. Potência em função dos Componentes Simétricos ................................................ 29 2.7. Impedâncias de Seqüência e Circuitos de Seqüência ............................................. 31 2.8. Redes de Seqüência para Geradores em Vazio ..................................................... 32 2.9. Impedâncias de Seqüência para Linhas de Transmissão ....................................... 34 2.10. Impedâncias de Seqüência para Cargas Estáticas ............................................... 35 2.11. Impedâncias de Seqüência para Transformadores Trifásicos .............................. 38 2.12. Lista de Exercícios .............................................................................................. 42 Capítulo 3. Faltas Assimétricas ........................................................................... 47 3.1. Introdução ............................................................................................................ 47 3.2. Faltas em Geradores em Vazio ............................................................................. 47 Sistemas de Potência II iii
  • 3. Sumário Prof. Luciano V. Barboza 3.2.1. Falta entre Fase e Terra ................................................................................. 48 3.2.2. Falta entre Fase e Fase ................................................................................... 50 3.2.3. Falta entre Duas Fases e Terra ....................................................................... 52 3.3. Faltas Assimétricas em Sistemas de Potência ........................................................53 3.3.1. Falta entre Fase e Terra ................................................................................. 55 3.3.2. Falta entre Fase e Fase ................................................................................... 55 3.3.3. Falta entre Duas Fases e Terra ....................................................................... 56 3.4. Interpretação das Redes de Seqüência Interconectadas ........................................ 57 3.5. Análise de Faltas Assimétricas usando a Matriz Impedância de Barra ................ 60 3.6. Lista de Exercícios ............................................................................................... 61 Capítulo 4. Estabilidade de Sistemas de Potência ................................................ 65 4.1. Aspectos Gerais .................................................................................................... 65 4.2. O Problema da Estabilidade ................................................................................ 65 4.3. Dinâmica do Rotor e Equação de Oscilação ......................................................... 67 4.4. Equação Potência-Ângulo .................................................................................... 71 4.5. Critério da Igualdade de Área para a Estabilidade .............................................. 75 4.6. Aplicações Adicionais ao Critério da Igualdade de Áreas ..................................... 81 4.7. Estudos de Estabilidade para Sistemas Multimáquinas: Estudo Clássico ............. 83 4.8. Solução da Curva de Oscilação ............................................................................ 87 4.9. Fatores que Afetam a Estabilidade Transitória .................................................... 89 4.10. Lista de Exercícios .............................................................................................. 92 Bibliografia ......................................................................................................... 95 Sistemas de Potência II iv
  • 4. 1. FALTAS TRIFÁSICAS SIMÉTRICAS 1.1. Introdução Quando ocorre uma falta em um sistema de potência, a corrente que circula é determi- nada pelas forças eletromotrizes internas das máquinas no sistema, por suas impedâncias e pelas impedâncias existentes no sistema entre as máquinas e a falta. As correntes que cir- culam em uma máquina síncrona imediatamente após a ocorrência de uma falta, após alguns ciclos e o valor em regime permanente diferem consideravelmente devido ao efeito da corrente de armadura sobre o fluxo que gera a tensão da máquina. Este capítulo estuda o cálculo da corrente de falta em diferentes instantes de tempo e explica as mudanças na reatância e na tensão interna da máquina síncrona à medida que a corrente varia desde seu valor inicial até o seu valor em regime permanente. 1.2. Transitórios em Circuitos RL Série A seleção de um disjuntor em um sistema elétrico depende não apenas da corrente que ele tem que suportar em regime normal de operação, mas também da corrente máxima momentânea que o percorre durante uma falta e da corrente a interromper sob a tensão da linha na qual se encontra. Para se compreender o cálculo da corrente inicial quando um gerador síncrono é curto- circuitado, considere o que acontece quando uma tensão CA é aplicada a um circuito con- tendo valores constantes de resistência e indutância, conforme a Figura 1.1. Observe que o ângulo determina o módulo da tensão quando o circuito é fechado. α Figura 1.1. Aplicação de uma tensão CA a um circuito RL série. A equação para a rede da Figura 1.1 é Sistemas de Potência II 1
  • 5. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza cos( maxdiRiLVtdtωα+=+ (1.1) A solução desta equação é ()cos()cos() RtLmaxitIteωαθαθ− ⎡⎤ ⎢⎥=+−−−⎢⎥ ⎢⎥⎣⎦ (1.2) onde 22, , () e arctan.maxmaxVLIZRjLZZRLZRωωθωθ==+=∠=+= O primeiro termo na equação X(1.2)X varia sinusoidalmente com o tempo. O segundo ter- mo é não-periódico e decai exponencialmente com uma constante de tempo .LRτ= Este termo não-periódico é chamado componente CC da corrente. O termo sinusoidal é o valor em regime permanente da corrente em um circuito RL. Se o valor do termo em regime permanente não é zero quando a componente CC aparece na solução de modo a sa- tisfazer a condição de corrente nula no instante imediatamente anterior ao fechamento da chave S. Observe que a componente CC não existe se o fechamento ocorrer em um ponto da onda de tensão onde 0,t= 2ou .παθαθ−=−=− Se o fechamento ocorre em um ins- tante de tempo em que a componente CC possui seu valor inicial máximo e igual ao valor máximo da componente sinusoidal. As Figuras 1.2 (a) e (b) mostram a cor- rente em função do tempo para 0,αθ−= 2e ,παθαθπ−=−= respectivamente. A componente CC pode ter qualquer valor entre zero e maxVZ dependendo do valor instantâneo da tensão quando o circuito é fechado e também do fator de potência da rede. No instante da aplica- ção da tensão, as componentes CC e de regime permanente têm a mesma amplitude, po- rém são de sinais opostos de modo a expressar o valor nulo da corrente em 0.t= Sistemas de Potência II 2
  • 6. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza (a) (b) Figura 1.2. Corrente como função do tempo no circuito da Figura 1.1 para: 2(a) e (b) .παθαθπ−=−= A tensão é aplicada em 0.t= Por outro lado, um gerador síncrono consiste basicamente em um campo magnético gi- rante que gera uma tensão no enrolamento de armadura que possui resistência e reatância. A corrente que circula quando um gerador é curto-circuitado é semelhante àquela que cir- cula quando uma tensão alternada é aplicada subitamente à associação série de um resistor e um indutor. Entretanto, existem diferenças importantes porque a corrente na armadura afeta o campo girante. O efeito de um curto-circuito nos terminais de um gerador a vazio pode ser analisado a partir de um oscilograma da corrente em uma das fases quando este curto-circuito ocorre. Como as tensões de fase estão defasadas entre si de 120°, o curto-circuito ocorre em dife- rentes pontos da onda de tensão em cada fase. Por essa razão, a componente CC em cada fase é diferente. Se a componente CC da corrente for eliminada, a curva das correntes de fase será aquela mostrada na Figura 1.3. t0bcai Figura 1.3. Oscilograma da corrente em um gerador síncrono a vazio em curto-circuito. A componente CC da corrente foi desprezada. Sistemas de Potência II 3
  • 7. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza Comparando as Figuras 1.2(a) e 1.3, percebe-se a diferença entre a aplicação de uma tensão alternada a um circuito RL série e a aplicação de um curto-circuito a uma máquina síncrona. Não há componente CC em nenhuma dessas figuras. Numa máquina síncrona, o fluxo no entreferro é muito maior no instante em que ocorre o curto-circuito do que alguns ciclos após. A redução do fluxo é causada pela força magnetomotriz da corrente de arma- dura, que é chamada reação da armadura. Quando ocorre um curto-circuito nos terminais de uma máquina síncrona, é necessário transcorrer um tempo para reduzir o fluxo no entre- ferro. À medida que o fluxo diminui, a corrente da armadura diminui porque a tensão ge- rada pelo fluxo do entreferro determina a corrente que fluirá através da resistência e da reatância de dispersão do enrolamento da armadura. 1.3. Correntes de Curto-Circuito e Reatâncias das Máquinas Síncronas As reatâncias das máquinas síncronas tratadas em estudos de falta são as reatâncias do eixo direto. Como a resistência normalmente é pequena, a corrente durante uma falta está sempre atrasada com um grande ângulo em relação à tensão. Na Figura 1.3, a distância “0a” é o valor máximo da corrente de curto-circuito em regi- me permanente. Este valor de corrente dividido por 2 é o valor eficaz da corrente de cur- to-circuito em regime permanente. A tensão em vazio do gerador dividida pela corrente em regime permanente é chamada de reatância síncrona do gerador ou reatância síncrona do eixo direto, ou seja, 02GdEEXaI== (1.3) Se a envoltória da onda de corrente for retrocedida até o tempo zero e alguns dos pri- meiros ciclos forem desprezados (onde o decréscimo é muito rápido), a intersecção será a distância “0b”. O valor eficaz desta intersecção é conhecido como corrente transitória. Assim, pode-se definir uma outra reatância para a máquina, chamada de reatância transi- tória ou reatância transitória do eixo direto Sistemas de Potência II 4
  • 8. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza 02GdEEXbI′== ′ (1.4) O valor eficaz da corrente determinado pela intersecção da envoltória da corrente com o tempo zero é chamado corrente subtransitória. Na Figura 1.3, a corrente subtransitória equivale à distância “0c” dividida por 2. A corrente subtransitória muitas vezes é deno- minada de corrente eficaz simétrica inicial, que é uma denominação mais adequada por desprezar a componente CC e tomar o valor eficaz da componente CA da corrente imedia- tamente após a ocorrência da falta. 02GdEEXcI′′== ′′ (1.5) A corrente subtransitória é muito maior do que a corrente em regime permanente I porque a diminuição do fluxo no entreferro causada pela corrente da armadura não pode ocorrer imediatamente. I′′ As equações X(1.3)X a X(1.5)X permitem determinar a corrente de falta em um gerador quan- do as suas reatâncias são conhecidas. Se o gerador estiver sem carga quando ocorrer a fal- ta, a máquina é representada pela tensão em vazio em relação ao neutro em série com a reatância apropriada. A resistência pode ser considerada se desejar-se uma precisão maior. Exemplo 1.1: Dois geradores estão ligados em paralelo ao lado de baixa tensão de um transformador trifásico Δ−Y, como está mostrado na Figura 1.4. O gerador 1 tem para va- lores nominais 50 MVA e 13,8 kV. O gerador 2 é de 25 MVA e 13,8 kV. Cada gerador tem uma reatância subtransitória de 25%. O transformador apresenta como valores nominais 75 MVA e 13,8Δ / 69Y kV, com uma reatância de 10%. Antes da falta, a tensão no lado de alta tensão do transformador é 66 kV. O transformador está em vazio e não há corrente circulando entre os geradores. Calcule a corrente subtransitória em cada gerador quando ocorre um curto-circuito trifásico no lado de alta tensão do transformador. Sistemas de Potência II 5
  • 9. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza Figura 1.4. Diagrama unifilar do Exemplo 1.1. 1.4. Tensões Internas de Máquinas com Carga sob Condições Transitórias Considere um gerador com carga quando ocorre uma falta no sistema. A Figura 1.5(a) é o circuito equivalente de um gerador que alimenta uma carga trifásica equilibrada. A im- pedância externa é mostrada entre os terminais do gerador e o ponto P onde a falta ocorre. A corrente que circula antes da ocorrência da falta no ponto P é a tensão no ponto de falta é ,LIfV e a tensão nos terminais do gerador é Sabe-se que o circuito equivalente de um gerador síncrono consiste de sua tensão em vazio em série com a sua reatância síncrona Se ocorrer uma falta trifásica no ponto P do sistema, um curto-circuito do ponto P até a referência não satisfaz as condições para cálculo da corrente subtransitória, uma vez que a reatância do gerador deve ser para a corrente subtransitória ou para a corrente transitória .tV.XsincdX′′,I′′dX′ .I′ (a) Circuito equivalente em regime permanente dX′′ gE′′I′′ (b) Circuito para cálculo da corrente subtransitória Figura 1.5. Circuitos equivalentes para um gerador alimentando uma carga trifásica equilibrada. A ocorrência de uma falta trifásica em P é simulada pelo fechamento da chave S. O circuito mostrado na Figura 1.5(b) corrige este erro. A tensão em série com fornece a corrente em regime permanente quando a chave S está aberta, e fornece a corrente subtransitória no curto-circuito quando a chave S está fechada. Para determi- gE′′dX′′ LII′′ Sistemas de Potência II 6
  • 10. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza nar a corrente através de é Portanto, ,gE′′dX′′.LI (1.6) gtdEVjXI′′′′=+ e esta equação define a tensão interna subtransitória. Analogamente, a corrente transitória pode ser obtida a partir da tensão interna transitória que pode ser determinada como I′gE′ (1.7) gtdEVjXI′=+ As tensões internas são determinadas a partir da corrente em regime perma- nente e ambas são iguais à tensão em vazio apenas quando for nula, isto é, quando são iguais. e gEE′′′ LIgELI e gEV Observe que em série com representa o gerador antes da ocorrência da falta e imediatamente após a falta apenas se a corrente anterior à falta for Por outro lado, em série com a reatância síncrona é o circuito equivalente da máquina em regime permanente para qualquer carga. Para um valor diferente de no circuito da Figura 1.5(a), permaneceria o mesmo, porém seria necessário um novo valor para gE′′dX′′ .LIgEsincXLIgE.gE′′ Os motores síncronos possuem reatâncias semelhantes às dos geradores. Quando um mo- tor é curto-circuitado, ele não recebe mais energia da rede, porém seu campo permanece energizado e a inércia do seu rotor com sua carga conectada conserva sua rotação por um determinado período de tempo. A tensão interna do motor síncrono faz com que ele forneça corrente para o sistema, agindo como se fosse um gerador. Portanto, as tensões internas transitória e subtransitória para um motor síncrono são (1.8) mtdmtdEVjXIEVjXI′′′′=− ′′=− Exemplo 1.2: Um gerador e um motor síncrono possuem valores nominais de 30 MVA e 13,2 kV e ambos têm reatâncias subtransitórias de 20%. A linha de conexão entre eles Sistemas de Potência II 7
  • 11. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza apresenta uma reatância de 10% na base dos valores nominais das máquinas. O motor está consumindo 20 MW com fator de potência 0,8cap com uma tensão de 12,8 kV em seus terminais, quando ocorre uma falta trifásica nos seus terminais. Determinar a corrente sub- transitória no gerador, no motor e na falta. Utilize as tensões internas das máquinas. Exemplo 1.3: Resolva o Exemplo 1.2 utilizando o teorema de Thèvenin. 1.5. Matriz Impedância de Barra para Cálculo de Faltas Nesta seção será realizado o estudo de faltas trifásicas em redes generalizadas. O estudo será baseado no sistema elétrico mostrado na Figura 1.6(a) e os resultados podem ser gene- ralizados para qualquer tipo de rede. A Figura 1.6(b) é o diagrama de reatâncias deste sis- tema e para estudar uma falta trifásica na barra 4, pode-se utilizar o mesmo procedimento da seção anterior e designar fV como a tensão na barra 4 antes da falta. (a) Diagrama unifilar 1432XT1XT3XT2X14X24X34X13X23Vf1GE′′ 1GX′′ 2GE′′ 2GX′′ ME′′ MX′′ (b) Diagrama de reatâncias Figura 1.6. Diagramas de um sistema elétrico hipotético. Uma falta trifásica na barra 4 é simulada pela rede mostrada na Figura 1.7 onde as ten- sões e ffV− simulam o curto-circuito. Apenas a tensão fV neste ramo não causa cor- rente no ramo. Com e ffV− em série, o ramo constitui um curto-circuito, e a corrente no ramo é .fI′′ Se forem curto-circuitadas, as tensões e correntes serão 12, , e GGMEEEV′′′′′′ Sistemas de Potência II 8
  • 12. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza aquelas devido apenas a .fV− Assim, a única corrente que entra em um nó vinda de uma fonte é a devido a fV− e igual a fI′′− na barra 4 (fI′′ saindo da barra 4) uma vez que não há corrente neste ramo até a inserção de .fV− 2GE′′ 2GX′′ 1GE′′ 1GX′′ ME′′ MX′′ fI′′ fV− Figura 1.7. Falta na barra 4 da rede da Figura 1.6 simulada por em série. e fV − As equações nodais na forma matricial para a rede com fV− como única fonte são 111131422232423132333434142434400000ffVYYYYYYVYYYYVIYYYYV⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢= ⎢⎥⎢⎥⎢ ⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥′′−⎢⎥−⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ +++ (1.9) onde 11111311()GTY jXXjXjX=+ ′′+ 1331131YYjX==− 1441141YYjX==− 2232311()MTY jXXjXjX=+ ′′+ 2332231YYjX==− 2442241YYjX==− 3322132334111()GTY jXXjXjXjX=++ ′′+ 3443341YYjX==− 44142434111YjXjXjX=++ Sistemas de Potência II 9
  • 13. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza e o sobrescrito + indica que as tensões são devido apenas a .fV− O sinal + foi escolhido para indicar a mudança nas tensões devido à falta. Invertendo a matriz admitância de barra da equação X(1.9)X, obtém-se a matriz impedân- cia de barra e as tensões nodais devido a fV− são dadas por 123000barraffVVVIV⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥′′−⎢⎥−⎢⎥⎣⎦⎣⎦ Z +++ (1.10) Da equação X(1.10)X, tem-se que 44ffVIZ′′= (1.11) 341424114224334444444 fffffZZZVZIVVZIVVZIZZZ′′′′′′=−=−=−=−=−=−+++ (1.12) Quando a tensão é curto-circuitada na rede da Figura 1.7 e es- tão no circuito, as correntes e tensões são as que existiam antes da falta. Pelo princípio da superposição, estas tensões anteriores à falta adicionadas aos valores das tensões da equa- ção X(1.12)X resultam nas tensões existentes após a ocorrência da falta. Normalmente, consi- dera-se a rede sem carga antes da falta. Neste caso, nenhuma corrente circula antes da fal- ta e todas as tensões são iguais a fV−12, , e GGMEEEV′′′′′′ .fV Assim, Sistemas de Potência II 10
  • 14. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza 14141114444424242224444434343334444441110fffff fffff fffffffZZVVVVZIVVVZZZZVVVVZIVVVZZZZVVVVZIVVVZZVVV⎛⎞⎟⎜′′⎟=+=−=−=−⎜⎟⎜⎟⎜⎝⎠ ⎛⎞⎟⎜′′⎟=+=−=−=−⎜⎟⎜⎟⎜⎝⎠ ⎛⎞⎟⎜′′⎟=+=−=−=−⎜⎟⎜⎟⎜⎝⎠ =−= +++ (1.13) Estas tensões existem quando a corrente subtransitória circula e foi formada para uma rede que possui valores subtransitórios para as reatâncias das máquinas síncronas. barraZ Generalizando as relações anteriores, pode-se afirmar que, para uma falta na barra k, tem-se ffkkVIZ= (1.14) e a tensão na barra n após a falta é 1nknkkZVZ⎛⎞⎟⎜⎟=−⎜⎟⎜⎟⎜⎝⎠ (1.15) As correntes em qualquer parte do circuito da Figura 1.7 podem ser determinadas atra- vés das tensões e das impedâncias. Por exemplo, 11313VVIjX−′′= 11111() GGGTEVIjXX′′−′′= ′′+ (1.16) Sistemas de Potência II 11
  • 15. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza 1.6. MVA de Curto-Circuito As concessionárias de energia elétrica fornecem os dados para os usuários que devem de- terminar a corrente de falta de modo a especificar os disjuntores em algum ponto de uma planta industrial ou de um sistema de potência. Normalmente, esses dados incluem os MVA de curto-circuito, onde 3MVA de curto-circuito310SCkVI−=×××nominal (1.17) Desprezando as resistências e capacitâncias em derivação, o circuito equivalente monofá- sico de Thèvenin que representa o sistema consiste em uma fem igual à tensão de linha nominal dividida por 3 em série com uma reatância indutiva de 10003THSCkVXI×= nominal (1.18) Resolvendo a equação X(1.17)X para e substituindo na equação X(1.18)X, tem-se SCI 2() MVA de curto-circuitoTHkVX=nominal (1.19) Transformando a equação X(1.19)X para pu, obtém-se 22() ()puMVA de curto-circuitoMVAbaseTHbasekVkVX= nominal (1.20) Se é igual a convertendo para pu, obtém-se basekV,kVnominal MVA= pMVA de curto-circuitobasebaseTHSCIXI= (1.21) Sistemas de Potência II 12
  • 16. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza Exemplo 1.4 : Determine a matriz impedância de barra para a rede da Figura 1.8. Os ge- radores nas barras 1 e 3 possuem valores nominais de 270 e 225 MVA, respectivamente. As reatâncias subtransitórias dos geradores mais as reatâncias dos transformadores que os co- nectam às barras do sistema são iguais a 0,3 pu cada, usando como base os valores nomi- nais dos geradores. As relações de transformação dos transformadores são tais que a tensão base em cada circuito do gerador é igual à tensão nominal do gerador. Incluir as reatâncias dos geradores e transformadores na matriz. Calcule a corrente subtransitória para uma fal- ta trifásica na barra 4 e as correntes que chegam à barra em falta vindas das barras 3 e 5. A corrente antes da falta pode ser desprezada e todas as tensões são consideradas 1,0 pu antes da ocorrência da falta. A base do sistema é 100 MVA. Figura 1.8. Diagrama unifilar do Exemplo 1.4. 1.7. Seleção de Disjuntores e Tipos de Corrente de Curto-Circuito A corrente subtransitória é a corrente eficaz simétrica inicial e não inclui o componente CC. A inclusão deste componente resulta em um valor eficaz da corrente imediatamente após a falta maior do que a corrente subtransitória. Para disjuntores a óleo acima de 5 kV, a corrente subtransitória multiplicada por 1,6 é considerada como sendo o valor eficaz da corrente cuja força disruptiva o disjuntor deve suportar durante o primeiro ciclo após a ocorrência da falta. Esta corrente é chamada corrente momentânea. A capacidade nominal de interrupção de um disjuntor é especificada em MVA. Os MVA de interrupção são iguais a 3 vezes a tensão da barra à qual o disjuntor está ligado mul- Sistemas de Potência II 13
  • 17. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza tiplicado pela corrente que o disjuntor deve ser capaz de interromper quando os seus con- tatos se separam. Esta corrente é menor do que a corrente momentânea e depende da velo- cidade do disjuntor, tal como 8, 5, 3 ou 1,5 ciclos, que é a medida do tempo que transcorre a partir da ocorrência da falta até a extinção do arco. A corrente que o disjuntor deve interromper é assimétrica, pois contém o componente CC. A corrente nominal de interrupção para disjuntores é chamada corrente simétrica de capacidade de interrupção requerida ou corrente nominal simétrica de curto-circuito. A determinação dessa corrente pode ser realizada utilizando o procedimento simplificado des- crito a seguir. 1.7.1. Procedimento Simplificado de Cálculo Este método conhecido como método E/X despreza todas as resistências, todas as cargas estáticas, todas as correntes anteriores à falta e todos os motores de indução abaixo de 50 HP. No cálculo da corrente nominal simétrica de curto-circuito, para os geradores são utilizadas as reatâncias subtransitórias e para os motores síncronos utilizam-se as reatân- cias subtransitórias multiplicadas por 1,5. Note que, se não houver motores representados no sistema, a corrente nominal simétrica de curto-circuito é igual à corrente subtransitória. Exemplo 1.5: Um gerador de 25 MVA e 13,8 kV com é conectado através de um transformador a uma barra que alimenta quatro motores idênticos, como mostra a Fi- gura 1.9. A reatância subtransitória de cada motor é 20% na base de 5 MVA e 6,9 kV. Os valores nominais do transformador trifásico são 25 MVA e 13,8/6,9 kV, com uma rea- tância de dispersão de 10%. A tensão na barra dos motores é 6,9 kV quando ocorre uma falta trifásica no ponto P. Para a falta especificada, calcule: 15%dX′′= dX′′ a) a corrente subtransitória na falta; b) a corrente subtransitória no disjuntor A; c) a corrente nominal simétrica de curto-circuito na falta e no disjuntor A. Sistemas de Potência II 14
  • 18. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza APG Figura 1.9. Diagrama unifilar para o Exemplo 1.5. Sistemas de Potência II 15
  • 19. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza 1.8. Lista de Exercícios 1.1. Uma tensão alternada sinusoidal de 60 Hz com valor eficaz de 100 V é aplicada a um circuito RL série pelo fechamento de uma chave. A resistência é 15 Ω e a indutância é 0,12 H. a) Determine o valor do componente CC da corrente no fechamento da chave para um valor da tensão neste instante de 50 V. b) Qual é o valor instantâneo da tensão que produz o máximo componente CC da corrente no fechamento da chave? c) Qual é o valor instantâneo da tensão que resulta na ausência de componente CC da corrente no fechamento da chave? d) Se a chave for fechada quando a tensão instantânea for zero, determine os valores da corrente instantânea após transcorridos 0,5, 1,5 e 5,5 ciclos. 1.2. Um gerador conectado a um transformador por um disjuntor apresenta valores nomi- nais de 100 MVA e 18 kV com reatâncias de O transformador trifásico tem valores nominais de 100 MVA e 240Y / 18Δ kV e O gerador está funcionando em vazio e sob tensão nominal quando ocorre um curto-circuito trifásico no lado AT do transformador. Calcule, em Ampères: 19%, 26% e 130%.dddXXX′′′=== 10%.X= a) a corrente eficaz simétrica inicial no disjuntor; b) a corrente de curto-circuito permanente no disjuntor; c) a corrente eficaz simétrica inicial nos enrolamentos do lado AT; d) a corrente eficaz simétrica inicial na linha no lado AT. 1.3. Os valores nominais de um gerador de 60 Hz são 500 MVA e 20 kV, com Ele alimenta uma resistência pura de 400 MW sob 20 kV. Esta carga é ligada diretamente aos terminais do gerador. Curto-circuitando simultaneamente as três fases da carga, calcule a corrente eficaz simétrica inicial no gerador em pu numa base de 500 MVA e 20 kV. 0,2 pu.dX′′= Sistemas de Potência II 16
  • 20. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza 1.4. Um gerador é conectado através de um transformador a um motor síncrono. Reduzi- das a uma mesma base, as reatâncias subtransitórias do gerador e do motor são 0,15 pu e 0,35 pu, respectivamente, e a reatância de dispersão do transformador é 0,10 pu. Ocorre uma falta trifásica nos terminais do motor quando a tensão nos ter- minais do gerador é 0,9 pu e a corrente de saída do gerador é 1,0 pu com um fator de potência 0,8cap. Calcule a corrente subtransitória em pu no ponto de falta, no gera- dor e no motor. Use a tensão nos terminais do gerador como fasor de referência e obtenha a solução: a) calculando as tensões internas das máquinas; b) usando o teorema de Thèvenin. 1.5. Dois motores síncronos com reatâncias subtransitórias de 0,80 e 0,25 pu, respectiva- mente, numa base de 480 V e 2 MVA, estão conectados a uma barra. Esta barra está conectada, através de uma linha de transmissão com reatância de 0,023 Ω, a uma barra de um sistema de potência. Nesta barra, os MVA de curto-circuito do sistema de potência são 9,6 MVA para uma tensão nominal de 480 V. Para uma tensão na barra do motor igual a 440 V, despreze a corrente de carga e calcule a corrente eficaz simétrica inicial numa falta trifásica na barra do motor. 1.6. A matriz impedância de barra para uma rede de 4 barras, com valores em pu, é 0,150,080,040,070,080,150,060,090,040,060,130,050,070,090,050,12barraj⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎥=⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎥ ⎣⎦ Z Os geradores estão conectados às barras 1 e 2 e suas reatâncias subtransitórias foram incluídas na matriz Desprezando a corrente anterior à falta, calcule a corrente subtransitória em pu no ponto de falta para uma falta trifásica na barra 4. Considere a tensão no ponto de falta igual a 1,0 pu antes da ocorrência da falta. Calcule tam- bém a corrente subtransitória em pu no gerador 2, cuja reatância subtransitória é 0,2 pu. .barraZ Sistemas de Potência II 17
  • 21. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza 1.7. Para a rede mostrada na Figura 1.10, calcule a corrente subtransitória em pu no ge- rador 1, na linha 1−2 e a tensão nas barras 1 e 3 para uma falta trifásica na barra 2. Considere que nenhuma corrente circula anteriormente à falta e que a tensão na bar- ra 2 antes da falta era 1,0 pu. Resolva usando a matriz impedância de barra. 123G1G2j0,5j0,2j0,40,2X′′=0,25X′′= Figura 1.10. Rede para o Problema 1.7 (valores em pu). 1.8. Para uma falta trifásica na barra 1 da rede sem carga da Figura 1.11 (todas as ten- sões nodais são iguais a 1,0 pu), calcule a corrente subtransitória na falta, as tensões nas barras 2, 3 e 4 e a corrente no gerador ligado à barra 3. 1GE′′ 2GE′′ ME′′ Figura 1.11. Rede para o Problema 1.8 (valores em pu). 1.9. Calcule a corrente subtransitória em pu numa falta trifásica na barra 5 na rede da Figura 1.12. Despreze a corrente anterior à falta e considere todas as tensões nodais iguais a 1,0 pu antes da ocorrência da falta. Calcule também a corrente nas linhas 1−5 e 3−5. Sistemas de Potência II 18
  • 22. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza Figura 1.12. Diagrama de reatâncias para o Problema 1.9 (valores em pu). 1.10. Um gerador de 625 kVA e 2,4 kV com é ligado a uma barra através de um disjuntor, como mostrado na Figura 1.13. À mesma barra, através de disjuntores, estão ligados três motores síncronos com valores nominais de 250 HP e 2,4 kV, com fator de potência unitário, 90% de rendimento e Os motores estão fun- cionando a plena carga, com fator de potência unitário e tensão nominal, com a carga igualmente dividida entre as máquinas. Utilize como base para o sistema 625 kVA e 2,4 kV. 0,2 pudX′′= 0,2 pu.dX′′= a) Calcule a corrente nominal simétrica de curto-circuito em Ampères que deve ser interrompida pelo disjuntor A e B para uma falta trifásica no ponto P. Despreze a corrente anterior à falta. b) Repita o item (a) para uma falta trifásica no ponto Q e para uma falta trifásica no ponto R. Figura 1.13. Diagrama unifilar para o Problema 1.10. Sistemas de Potência II 19
  • 23. Faltas Trifásicas Simétricas Prof. Luciano V. Barboza Sistemas de Potência II 20
  • 24. 2. COMPONENTES SIMÉTRICOS 2.1. Introdução Em 1918, uma das mais poderosas ferramentas para tratar com circuitos polifásicos de- sequilibrados foi apresentada por C. O. Fortescue. Desde então, o método de componentes simétricos tornou-se de grande importância e as faltas assimétricas são todas estudadas por esta abordagem. 2.2. Fasores Assimétricos a partir dos Componentes Simétricos De acordo com a teoria de Fortescue, três fasores desequilibrados de um sistema trifásico podem ser decompostos em três sistemas equilibrados de fasores denominados componentes simétricos dos fasores originais. Estes conjuntos equilibrados são conhecidos como: • Componentes de seqüência positiva: consistem de três fasores iguais em módulo, 120° defasados entre si e tendo seqüência de fases idêntica à dos fasores originais. Utiliza-se o subíndice “1” para designar este conjunto de fasores. • Componentes de seqüência negativa: consistem de três fasores iguais em módulo, 120° defasados entre si e tendo seqüência de fases oposta à dos fasores originais. Utiliza-se o subíndice “2” para designar este conjunto de fasores. • Componentes de seqüência zero: consistem em três fasores iguais em módulo e com o mesmo ângulo de fase. Utiliza-se o subíndice “0” para designar este conjunto de faso- res. A Figura 2.1 mostra os conjuntos de componentes simétricos para um conjunto genérico de três correntes desequilibradas. Sistemas de Potência II 21
  • 25. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza Componentes de seqüência positiva Componentes de seqüência negativa Componentes de seqüência zero Figura 2.1. Três conjuntos de fasores equilibrados que são componentes de três fasores desequilibrados. Cada um dos fasores desequilibrados originais corresponde à soma de seus componentes simétricos, ou seja, (2.1) 12AAAAIIII=++ (2.2) 12BBBBIIII=++ (2.3) 12CCCCIIII=++ A síntese de um conjunto de três fasores desequilibrados a partir de três conjuntos de componentes simétricos (Figura 2.1) é mostrada na Figura 2.2. Figura 2.2. Adição gráfica dos componentes simétricos da Figura 2.1. Sistemas de Potência II 22
  • 26. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza 2.3. Operadores O resultado da multiplicação de dois números complexos é o produto de seus módulos e a soma de seus ângulos. Se o número complexo que expressa um fasor for multiplicado por um número complexo de módulo unitário e ângulo o número complexo resultante repre- senta um fasor igual ao fasor original defasado de um ângulo ,θ.θ O número complexo de módulo unitário e ângulo é chamado operador e faz com que o fasor, sobre o qual atua, gire de um ângulo θ.θ Um operador conhecido é o operador j, que causa uma rotação de 90° no sentido anti- horário. Duas aplicações sucessivas do operador j causam uma rotação de 180° no sentido anti-horário. Assim, o operador j pode matematicamente ser expresso como 1,090j=∠ (2.4) Um outro operador útil é o operador a, que causa uma rotação de 120° no sentido anti- horário sobre o fasor no qual é aplicado. Dessa forma, tem-se que (2.5) 1,0120a=∠ Se o operador a for aplicado duas vezes sucessivas a um fasor, este irá girar de 240° no sentido anti-horário. Três aplicações sucessivas de a causam uma rotação de 360° no senti- do anti-horário. Matematicamente, tem-se (2.6) 2231,01201,01201,01201,01201,01201,00aaaaaa×==∠°×∠°=∠− ×==∠−°×∠°=∠° A Figura 2.3 mostra os fasores representando as várias potências do operador a. Sistemas de Potência II 23
  • 27. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza Figura 2.3. Diagrama fasorial com as várias potências do operador a. 2.4. Componentes Simétricos de Fasores Assimétricos Cada componente simétrico das correntes pode ser expresso em termos do ope- rador a e um componente simétrico da corrente De acordo com a Figura 2.1, pode-se escrever e BII.AI (2.7) 211122220000BACABACBACAIaIIaIIaIIaIIIII== = == Substituindo as equações X(2.7)X nas equações X(2.1)X, X(2.2)X e X(2.3)X, obtêm-se (2.8) 12AAAAIIII=++ (2.9) 212BAAIaIaII=++ (2.10) 212CAAIaIaII=++ ou na forma matricial 0212211111AABCAIIIaaIIaa⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ (2.11) Sistemas de Potência II 24
  • 28. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza Definindo 2211111aaaa⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥=⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎥⎣⎦ A (2.12) tem-se que 121111131aaaa− ⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥=⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎥⎣⎦ A (2.13) e pré-multiplicando ambos os lados da equação X(2.11)X por obtém-se 1,−A 021221111131AAAACIIIaaIIaa⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ (2.14) ou na forma de equações 01( 3AABIII=++ (2.15) 211( 3AABIIaIa=++ (2.16) 221( 3AABIIaIa=++ (2.17) A partir dos componentes simétricos da corrente pode-se obter, através da equação X(2.7)X, os componentes simétricos das correntes ,AIe .BCII Em um sistema trifásico, tem-se (2.18) ABCIIII++= Sistemas de Potência II 25
  • 29. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza portanto, (2.19) 03N II= Na ausência de um caminho ao neutro em um sistema trifásico, é zero e as correntes de linha não contêm componentes de seqüência zero. Assim, uma carga ligada em Δ não contém componentes de seqüência zero. NI A equação X(2.15)X mostra que não existem componentes de seqüência zero se a soma dos fasores desequilibrados for zero. A soma dos fasores tensão de linha em um sistema trifásico é sempre zero, portanto, os componentes de seqüência zero nunca estão presentes nas ten- sões de linha, não importando a dimensão do desbalanceamento. Exemplo 2.1: Um condutor de uma linha trifásica está aberto. A corrente que circula para uma carga ligada em Δ através da linha a é 10 A. Usando a corrente da linha a como refe- rência e considerando que a linha c esteja aberta, calcular os componentes simétricos das correntes de linha. 2.5. Defasagem dos Componentes Simétricos em Bancos de Transformadores Y−Δ No curso de Circuitos III, estudou-se a utilização da regra do ponto para transformado- res. Para que as correntes do lado de alta e do lado de baixa tensão estejam em fase é ne- cessário que o sentido da corrente em um enrolamento entre pelo ponto e no outro, saia. A marcação padrão para transformadores monofásicos utiliza nos lados AT e BT, respectivamente, ao invés dos pontos. As outras extremidades dos enrolamentos são marcadas por A Figura 2.4 mostra a equivalência entre as duas regras. No trans- formador mostrado, as correntes estão em fase. Assim, os terminais são positivos no mesmo instante em relação a 1 e HX2 e .HXe pII1e HX22e .HX Sistemas de Potência II 26
  • 30. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza Figura 2.4. Diagrama esquemático de um transformador monofásico. Os terminais de AT dos transformadores trifásicos são marcados com e os de BT, com Em transformadores Y−Y e as marcações são tais que as tensões e correntes nos terminais estão em fase com as tensões e correntes nos terminais respectivamente. Entretanto, em transformadores sempre há defasagem entre as grandezas do lado de AT e de BT. 12, e HHH 123, e .XXX,Δ−Δ12, e HHH123, e ,XXXY e Y−ΔΔ− A Figura 2.5 é o diagrama de ligação de um transformador A seqüência de fases é direta (ABC). Os enrolamentos colocados em paralelo estão acoplados magneticamente, pois estão montados sobre o mesmo núcleo. As fases do lado de AT são designadas por le- tras maiúsculas e as do lado de BT, por letras minúsculas. Y−Δ Figura 2.5. Diagrama de ligações de um transformador trifásico. As normas americanas para designar os terminais em um transformador exigem que as grandezas de seqüência positiva do lado de AT este- jam 30° adiantadas em relação às grandezas de seqüência positiva do lado de BT, indepen- dentemente de estarem os enrolamentos de alta tensão em Y ou em Para as grandezas de seqüência negativa, a defasagem deve ser de 30° em atraso. A Figura 2.6 mostra os dia- gramas fasoriais para os componentes de seqüência das tensões nos dois lados do transfor- mador. 11223e , e e e ,HXHXHX Y,−Δ.Δ Sistemas de Potência II 27
  • 31. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza Seqüência positiva Seqüência negativa Figura 2.6. Diagramas fasoriais dos componentes simétricos das tensões. Observando os diagramas fasoriais da Figura 2.6, verifica-se que está 90° atrasada em relação a e que está 90° adiantada em relação a Assim, as relações entre os componentes simétricos das tensões nos dois lados do transformador é 1AV1aV2AV2.aV (2.20) 112AaAVjVVj=−= A Figura 2.7 mostra os diagramas fasoriais para os componentes de seqüência das cor- rentes nos dois lados do transformador. Seqüência positiva Seqüência negativa Figura 2.7. Diagramas fasoriais dos componentes simétricos das correntes. Da Figura 2.7, verifica-se que está 90° atrasada em relação a e que está 90° adiantada em relação a Assim, as relações entre os componentes simétricos das corren- tes nos dois lados do transformador é 1AI1aI2AI2.aI (2.21) 112AaAIjIIj=−= A Figura 2.8(a) mostra as conexões das fases para os terminais de um transformador de Sistemas de Potência II 28
  • 32. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza modo que a tensão de seqüência positiva em relação ao neutro está 30° adiantada em relação à tensão de seqüência positiva em relação ao neutro Por outro lado, a Figura 2.8(b) mostra as conexões das fases para os terminais de um transformador de modo que a tensão de seqüência positiva em relação ao neutro está 30° adiantada em relação à tensão de seqüência positiva em relação ao neutro 1AV1.bV1AV1.aV (a) AcbaCBH1X3X2X1H3H2 (b) Figura 2.8. Designações das linhas ligadas a um transformador trifásico Y ou Y−ΔΔ− Exemplo 2.2: Três resistores idênticos, com valor 1,0 pu cada, estão conectados em Y ao lado Y de baixa tensão de um transformador As tensões na carga de resistores são Y.Δ− 0,8 pu 1,2 pu 1,0 puabbccaVVV== Suponha que não haja ligação do neutro da carga com o neutro do secundário do transfor- mador e que a ligação do transformador seja a da Figura 2.8(a). Calcular as tensões e cor- rentes de linha, em pu, no lado Δ do transformador. 2.6. Potência em Função dos Componentes Simétricos Se os componentes simétricos das tensões e das correntes são conhecidos, a potência em um sistema trifásico pode ser calculada diretamente destas componentes. A potência total em um sistema trifásico é (2.22) AABBCCSPjQEIEIEI∗∗=+=++ onde são as tensões de fase e são as correntes de fase. Pode ou não haver conexão ao neutro. Em notação matricial , e ABCEEE, e ABCIII Sistemas de Potência II 29
  • 33. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza [] TAAABCBBBCCIEISEEEIEIIEI∗∗ ⎡⎤⎡⎤⎡⎤ ⎢⎥⎢⎥⎢⎥ ⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥ ⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ (2.23) onde o conjugado de um vetor é o conjugado de cada um de seus componentes. Recordando as equações X(2.11)X e X(2.12)X, pode-se escrever a equação X(2.23)X como (2.24) [][]TSEI∗=AA onde 00122 e AAAAAEIEEIIEI ⎡⎤⎡ ⎢⎥⎢ ⎢⎥= ⎢⎥ ⎢⎥⎢ ⎣⎦⎣ (2.25) Da álgebra matricial, sabe-se que (2.26) []TTTEE=A e, então, (2.27) []TTTTSEIEI∗∗∗==AAAA Lembrando que e que são conjugados, tem-se que T=A2e aa [] 020122221111111111AAAAAAISEEEaaaaIaaaaI∗ ∗ ∗ ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ (2.28) e observando que Sistemas de Potência II 30
  • 34. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza 222211111110011301000111Taaaaaaaa∗ ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ AA (2.29) obtém-se [ 001223AAAAAAISEEEII∗ ∗ ∗ ⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥=⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎥⎣⎦ (2.30) Assim, finalmente, tem-se que (2.31) 001122333AABBCCAAAAAASPjQEIEIEIEIEIEI∗∗∗∗∗=+=++=++ que é a potência trifásica calculada em função dos componentes simétricos das tensões e das correntes. 2.7. Impedâncias de Seqüência e Circuitos de Seqüência Em qualquer parte de um circuito, a queda de tensão causada pela corrente de uma de- terminada seqüência depende da impedância do circuito para a corrente dessa seqüência. A impedância de uma rede equilibrada para a corrente de uma seqüência pode ser diferente da impedância para a corrente de outra seqüência. A impedância de um circuito, quando estão circulando apenas correntes de seqüência positiva, é chamada impedância de seqüência positiva. Analogamente, quando apenas correntes de seqüência negativa estão presentes, a impedância é chamada impedância de seqüência negativa. Quando estão presentes apenas correntes de seqüência zero, a impedância é chamada impedância de seqüência zero. A análise de uma falta assimétrica em um sistema simétrico consiste em determinar os componentes simétricos das correntes desequilibradas que estão circulando. Uma vez que as correntes componentes de uma seqüência causam queda de tensão somente da mesma se- Sistemas de Potência II 31
  • 35. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza qüência e são independentes das correntes de outras seqüências, em um sistema equilibra- do, consideram-se as correntes de qualquer seqüência circulando em um circuito indepen- dente composto por impedâncias para as correntes apenas daquela seqüência. O circuito monofásico equivalente, composto somente das impedâncias para a corrente daquela se- qüência, é chamado circuito de seqüência para aquela seqüência. 2.8. Redes de Seqüência para Geradores em Vazio Um gerador em vazio, aterrado através de uma impedância é mostrado na Figura 2.9. Quando ocorre uma falta nos terminais do gerador, as correntes circulam nas linhas. Se a falta envolve a terra, a corrente que circula pelo neutro do gerador é ,nZ, e abcIII.nI Figura 2.9. Diagrama de um gerador em vazio aterrado através de uma impedância. As tensões geradas são somente de seqüência positiva, pois os geradores são projetados para fornecer tensões trifásicas equilibradas. Portanto, a rede de seqüência positiva é com- posta por uma fem em série com a impedância de seqüência positiva do gerador. As redes de seqüência negativa e zero não contêm forças eletromotrizes, incluindo somente as impe- dâncias do gerador para as correntes de seqüência negativa e zero, respectivamente. Os cir- cuitos de seqüência para os geradores são mostrados na Figura 2.10. A fem gerada na rede de seqüência positiva é a tensão nos terminais do gerador em vazio em relação ao neutro, que é também igual às tensões atrás das reatâncias transitória ou subtransitória, pois o ge- rador está em vazio. A barra de referência para as redes de seqüência positiva e negativa é Sistemas de Potência II 32
  • 36. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza o neutro do gerador. Para a rede de seqüência zero, a barra de referência é o terra do sis- tema. Seqüência positiva Seqüência negativa Seqüência zero Figura 2.10. Circuitos de seqüência para geradores em vazio A corrente que circula na impedância entre o neutro do gerador e a terra é Pe- la Figura 2.10, nota-se que a queda de tensão de seqüência zero é onde é a impedância de seqüência zero por fase do gerador. A rede de seqüência zero que é um circuito monofásico no qual se supõe que circule apenas a corrente de seqüência zero deve, portanto, ter uma impedância de A impedância total de seqüência zero, pela qual circula é, portanto, nZ03a I 003,anagIZIZ−− 0gZ03 ngZZ+ 0aI (2.32) 03nZZZ=+ Sistemas de Potência II 33
  • 37. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza Da Figura 2.10, pode-se deduzir as relações para os componentes de seqüência das tensões na fase a (2.33) 1aaVEZI=− (2.34) 22aVZI=− (2.35) 00aVZI=− onde é a tensão em vazio de seqüência positiva em relação ao neutro, são as impedâncias de seqüência positiva e negativa do gerador e é definida pela equação X(2.32)X. aE1 e ZZ0Z 2.9. Impedâncias de Seqüência para Linhas de Transmissão As impedâncias de seqüência positiva e negativa de circuitos lineares, simétricos e está- ticos são idênticas porque a impedância de tais circuitos é independente da seqüência de fa- ses, desde que as tensões aplicadas sejam equilibradas. Portanto, as impedâncias de se- qüência positiva e negativa de uma linha de transmissão transposta são iguais. Quando apenas a corrente de seqüência zero circula por uma linha de transmissão, ela é a mesma em todas as fases. A corrente retorna pela terra, por cabos de cobertura ou por ambos. Como as correntes de seqüência zero são iguais (módulo e ângulo) nas três fases, o campo magnético devido a estas correntes é muito diferente daqueles produzidos pelas cor- rentes de seqüência positiva e negativa. Esta diferença resulta em reatâncias indutivas de seqüência zero para linhas de transmissão aéreas de 2 a 3,5 vezes maiores que as reatâncias de seqüência positiva. A Figura 2.11 apresenta as impedâncias de seqüência para linhas de transmissão trans- postas. Sistemas de Potência II 34
  • 38. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza 1aE1aE′ Seqüência positiva 2aE2aE′ Seqüência negativa Ia00aEZ0Barra de referência0aE′ Seqüência zero Figura 2.11. Impedâncias de seqüência para linhas de transmissão transpostas. 2.10. Impedâncias de Seqüência para Cargas Estáticas A Figura 2.12 mostra uma carga estática conectada em Y. A impedância de cada fase é fZ e a impedância de neutro é Da figura 2.12, têm-se que .nZ ()()afannfanabcfnanbnVZIZIZIZIIIZZIZIZI=+=+++=+++ (2.36) Figura 2.12. Carga estática conectada em Y. Equações análogas podem ser determinadas para Assim, e .bVV ()bnafnbnVZIZZIZI=+++ (2.37) ( cnanbfnVZIZIZZI=+++ (2.38) Escrevendo na forma matricial, tem-se Sistemas de Potência II 35
  • 39. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza (2.39) afnnnbnfnncnnfnVZZZZIVZZZZVZZZZ⎡⎤⎡⎤⎡⎤+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥=+⎢⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ Escrevendo a equação X(2.39)X em função dos componentes simétricos das tensões e das correntes, obtém-se (2.40) 00122afnnnanfnnannfnVZZZZIVZZZZVZZZZ⎡⎤⎡⎤⎡+⎢⎥⎢⎥⎢⎢⎢⎥⎢=+⎢⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥⎢+⎢⎥⎣⎦⎣⎣⎦ A onde 2211111aaaa⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥=⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎥⎣⎦ A Pré-multiplicando a equação X(2.40)X por obtém-se 1,−A 0011122afnnnanfnnannfnVZZZZVZZZZVZZZZ− ⎡⎤⎡⎤⎡+⎢⎥⎢⎥⎢⎢⎢⎥⎢=+⎢⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥⎢+⎢⎥⎣⎦⎣⎣⎦ A (2.41) ou 00122aaaSaaVIVVI⎡⎤⎡ ⎢⎥⎢ ⎢⎥⎢= ⎢⎥⎢ ⎢⎥⎢ ⎣⎦⎣ Z (2.42) onde 1fnnnSnfnnnnfZZZZZZZZZZZZ− ⎡⎤+⎢⎥ ⎢⎥=+⎢⎥ ⎢⎥+⎢⎥⎣⎦ ZA (2.43) A matriz impedância definida na equação X(2.43)X é chamada matriz de impedâncias SZ Sistemas de Potência II 36
  • 40. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza de seqüência. Ela pode ser obtida por 0221222111111111311fnnnSnfnnnnfnZZZZZZaaZZZZaZZZZZaaaa⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥==+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ Z 300000fnSfZZZZ⎡⎤+⎢⎥ ⎢⎥=⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎥⎣⎦ Z (2.44) A partir das equações X(2.42)X e X(2.44)X, pode-se escrever que 001122(3)afnafaafaVZZIVZIVZI=+ = = (2.45) De onde se conclui que 013 fnfZZZZZZZ=+== (2.46) A Figura 2.13 mostra as impedâncias de seqüência para uma carga passiva conectada em Y. Seqüência positiva Seqüência negativa Seqüência zero Figura 2.13. Impedâncias de seqüência para uma carga passiva conectada em Y. Se a carga estiver conectada em não haverá correntes de seqüência zero circulando ,Δ Sistemas de Potência II 37
  • 41. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza pela rede de seqüência zero devido à ausência do neutro. Se a impedância por fase for transformando a carga para uma conexão equivalente em Y, tem-se ,ZΔ 3fZZΔ= (2.47) A Figura 2.14 mostra as impedâncias de seqüência de uma carga passiva ligada em .Δ 13fZZZΔ== Seqüência positiva 23fZZZΔ== Seqüência negativa 03fZZZΔ== Seqüência zero Figura 2.14. Impedâncias de seqüência para uma carga passiva conectada em .Δ 2.11. Impedâncias de Seqüência para Transformadores Trifásicos Quando apenas correntes de seqüência positiva ou negativa circulam por um transfor- mador, o seu comportamento é idêntico ao estudado no curso de Sistemas de Potência I, ou seja, a oposição à circulação destas correntes é a própria impedância do transformador. A Figura 2.15 mostra as redes de seqüência positiva e negativa para um transformador tri- fásico. TZ Seqüência positiva Seqüência negativa Figura 2.15. Redes de seqüência para um transformador trifásico. Sistemas de Potência II 38
  • 42. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza O valor da impedância de seqüência zero de transformadores trifásicos também é a im- pedância de dispersão do transformador Porém, os circuitos de seqüência zero de transformadores trifásicos requerem um estudo mais detalhado em função dos enrolamentos do primário e do secundário poderem estar conectados em Cinco possibilidades serão analisadas a seguir. .TXY ou .Δ Banco Y−Y com apenas um neutro aterrado: se qualquer um dos neutros de um banco Y−Y não estiver aterrado, a corrente de seqüência zero não pode circular em nenhum dos enrolamentos. A ausência de caminho em um enrolamento impede a passagem da corrente no outro. Assim, existe um circuito aberto para a corrente de seqüência zero entre as duas partes do sistema ligadas pelo transformador. Banco Y−Y ambos os neutro aterrados: neste caso, existe um caminho, através do trans- formador, para as correntes de seqüência zero em ambos os enrolamentos. Como a corrente de seqüência zero pode seguir um caminho completo por fora do transformador em ambos os lados, ela também poderá circular em ambos os enrolamentos do transformador. Assim, os dois lados do transformador são interligados pela impedância de seqüência zero do trans- formador. Banco Y aterrado: se o neutro de um banco estiver aterrado, as corren- tes de seqüência zero possuem um caminho para a terra através da ligação Y porque as correspondentes correntes induzidas podem circular no A corrente de seqüência zero, que circula no Δ para equilibrar a corrente de seqüência zero no Y, não pode circular nas linhas ligadas ao O circuito equivalente oferece um caminho a partir do Y, através da impedância de dispersão do transformador, até a barra de referência. Deve existir um cir- cuito aberto entre a linha e a barra de referência no lado Se a ligação do neutro à terra apresenta uma impedância o circuito equivalente de seqüência zero deve ter uma im- pedância de em série com a impedância de dispersão do transformador para ligar a li- nha no lado Y até a terra. ,YΔ−Y−Δ.Δ.Δ.Δ,nZ3nZ Banco Y não-aterrado: um Y não-aterrado é o caso onde a impedância en- tre o neutro e a terra, é infinita. Assim, a impedância 3 do caso anterior torna-se infini- ,YΔ−,nZnZ Sistemas de Potência II 39
  • 43. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza ta. A corrente de seqüência zero não pode circular nos enrolamentos do transformador. Banco como o circuito Δ não oferece caminho de retorno para as correntes de seqüência zero, essas correntes não podem circular em bancos embora ela possa cir- cular nos enrolamentos :ΔΔ− ,Δ−Δ.Δ A Figura 2.16 mostra os circuitos de seqüência zero para as diferentes conexões de trans- formadores trifásicos. Ligação Seqüência zero − − − − − Figura 2.16. Circuitos de seqüência zero para transformadores trifásicos. Sistemas de Potência II 40
  • 44. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza Exemplo 2.3: Um gerador trifásico de 300 MVA, 20 kV, tem uma reatância subtransitória de 20%. O gerador alimenta um certo número de motores síncronos através de uma linha de transmissão de 64 km, tendo transformadores em ambas as extremidades, como mostra o diagrama unifilar da Figura 2.17. Os motores, todos de 13,2 kV, estão representados por dois motores equivalentes. O neutro do motor está aterrado através de uma reatância de 0,4 Ω. O neutro do motor não está aterrado. As entradas nominais para os motores são 200 MVA para e 100 MVA para Para ambos os motores O transformador trifásico de 350 MVA, 230/20 kV, apresenta reatância de 10%. O transformador é composto de três transformadores monofásicos, cada um de 100 MVA, 127/13,2 kV, com reatância de 10%. A reatância em série da linha de transmissão é 0,5 Ω/km. Considere a reatância de seqüência negativa de cada máquina igual à sua reatância subtransitória. Para o gerador e os motores, considere a reatância de seqüência zero igual a 5%. No neutro do gerador está presente um reator de limitação de corrente de 0,4 Ω. A reatância de seqüência zero da linha de transmissão é 1,5 Ω/km. Trace os diagramas de seqüências positiva, negativa e zero com todas as reatâncias em pu. Escolha os valores nominais do gerador como base no circuito deste. 1M2M1M2.M20%.X′′= 1,T2T Figura 2.17. Diagrama unifilar para o Exemplo 2.3. Sistemas de Potência II 41
  • 45. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza 2.12. Lista de Exercícios 2.1. Sendo calcule as tensões em re- lação ao neutro Apresente também o resultado na forma de um diagra- ma. 120500 V, 2090 V e 10180 V,aaaVVV=∠°=∠°=∠° , e .abcVVV 2.2. Quando um gerador tem o terminal a aberto e os outros dois terminais estão ligados entre si com um curto-circuito desta conexão com a terra, os valores típicos para os componentes simétricos da corrente na fase a são Calcule as correntes para a terra e a corrente em cada fase do gerador. 160090 A,aI=∠−° 2225090 A e 35090 A.aaII=∠°=∠° 2.3. Calcule os componentes simétricos das três correntes 100 A,aI=∠° 10130 A e 10130 A.bcII=∠−°=∠° 2.4. As correntes que circulam nas linhas para uma carga equilibrada, ligada em são Determine as defasagens en- ter ,Δ1000 A, 141,4135 A e 10090 A.abcIII=∠°=∠−°=∠° e , e e e .aabbbcccaIIIIII 2.5. As tensões nos terminais de uma carga equilibrada consistindo em três resistores de 10 Ω, ligados em Y, são Determine as defasagens entre Suponha que o neutro da carga não está aterrado. Calcule também a potência consumida nos três resistores usando os componentes simétricos das correntes e tensões. Verifique a resposta. 1000 V, 80,8121,44 V e 90130 V.abbccaVVV=∠°=∠−°=∠° e , e e e .ababcbcacVVVVVV 2.6. Uma carga trifásica consiste de uma carga equilibrada conectada em Δ em paralelo com uma outra ligada em Y. A impedância por fase da carga em Δ é (66) ZjΔ=+Ω e a impedância por fase da carga em Y vale Y( .Z O neutro da carga conectada em Y está aterrado através de uma impedância Um conjunto de tensões de fase desequilibradas com com- ponentes simétricos de seqüência iguais a 1 .nZj=Ω, e anbncnVVV011060 V, 1000 V eananVV=∠°=∠° Sistemas de Potência II 42
  • 46. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza 215160 VanV=∠−° são aplicadas à carga trifásica descrita acima. a) Construa os diagramas de seqüência positiva, negativa e zero. b) Calcule a potência complexa por seqüência fornecida às cargas em Δ e em Y. c) Calcule a potência complexa total fornecida à carga trifásica. 2.7. Suponha que as correntes especificadas no Exercício 2.4 estejam circulando por uma linha de transmissão conectada ao lado Y de um transformador com valores nominais 10 MVA e 66 Y/13,2 Δ kV. A carga está conectada ao lado Δ do transfor- mador. Calcule as correntes que circulam nas linhas da carga convertendo em pu os componentes simétricos das correntes na base dos valores nominais do transformador e defasando os componentes de acordo com a equação X(2.21)X. Verifique os resultados calculando as correntes em cada fase dos enrolamentos Δ, em A, diretamente a partir das correntes no lado Y multiplicando pela relação de espiras dos enrolamentos. Complete a verificação calculando as correntes de linha em função das correntes de fase no lado Δ. Y−Δ 2.8. São aplicadas tensões de linha trifásicas equilibradas de 100 V a uma carga ligada em Y consistindo de três resistores. O neutro da carga não está aterrado. A resistência na fase a é 10 Ω, na fase b é 20 Ω e na fase c é 30 Ω. Escolhendo como referência, calcule a corrente na fase a e a tensão abV.aV 2.9. O diagrama unifilar de um sistema sem carga está apresentado na Figura 2.19. Os ge- radores e transformadores apresentam as seguintes características: Gerador 1: 20 MVA, 13,8 kV, 2020%, 20% e 5%XXX′′=== Gerador 2: 30 MVA, 18 kV, 2020%, 20% e 5%XXX′′=== Gerador 3: 30 MVA, 20 kV, 2020%, 20% e 5%XXX′′=== Transformador 1: 25 MVA, 220Y / 13,8Δ kV, 10%X= Transformador 2: unidades monofásicas, cada uma de 10 MVA, 127/18 kV, 10%X= Transformador 3: 35 MVA, 220Y / 22Y kV, 10%X= Construa as redes de seqüência positiva, negativa e zero para o sistema. Coloque to- dos os valores em pu na base de 50 MVA e 13,8 kV no circuito do gerador 1. Os neu- Sistemas de Potência II 43
  • 47. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza tros dos geradores 1 e 3 são ligados à terra através de reatores de limitação de corren- te, cada um com uma reatância de 5% na base da máquina a qual é conectado. A rea- tância de seqüência zero da linha de transmissão é 210 Ω de A até B e 250 Ω de B até C. Figura 2.19. Diagrama unifilar para o Problema 2.9. 2.10. Construa as redes de seqüência positiva, negativa e zero do sistema elétrico apresen- tado na Figura 2.20. Represente as reatâncias em pu em uma base de 50 MVA e 138 kV na linha de 40 Ω. As características dos geradores, motores e transformadores são: Gerador 1: 20 MVA, 18 kV, 2020%, 20% e 8%XXX′′=== Gerador 2: 20 MVA, 18 kV, 2020%, 20% e 8%XXX′′=== Motor síncrono: 30 MVA, 13,8 kV, 2020%, 20% e 8%XXX′′=== Transformadores Y−Y: 20 MVA, 138Y / 20Y kV, 10%X= Transformadores Y−Δ: 15 MVA, 138Y / 13,8Δ kV, 10%X= Os neutros das máquinas estão aterrados através de reatores de limitação de corrente, tendo reatâncias de 5% na base da máquina a qual estão conectados. As reatâncias de seqüência zero das linhas de transmissão valem três vezes as suas reatâncias de se- qüência positiva. Sistemas de Potência II 44
  • 48. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza Figura 2.20. Diagrama unifilar para o Problema 2.10. Sistemas de Potência II 45
  • 49. Componentes Simétricos Prof. Luciano V. Barboza Sistemas de Potência II 46
  • 50. III. FALTAS ASSIMÉTRICAS 3.1. Introdução A maioria das faltas que ocorre em sistemas elétricos é assimétrica podendo constituir-se em curto-circuitos fase-terra, fase-fase ou fase-fase-terra. O caminho para a corrente de fal- ta pode ou não conter uma impedância. Como qualquer falta assimétrica provoca o fluxo de correntes desequilibradas no siste- ma, o método dos componentes simétricos é muito útil na determinação das correntes e tensões no sistema após a ocorrência de uma falta assimétrica. 3.2. Faltas em Geradores em Vazio Do capítulo 2, seção 2.8, equações (2.33), (2.34) e (2.35), pode-se escrever, em notação matricial, a relação para os componentes simétricos das tensões na fase a em um gerador em vazio como (3.1) 00112200000000aaaaaaVZVEZIVZ⎡⎤⎡⎡⎤⎡⎤ ⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥ ⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥=−⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥ ⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣ onde são os componentes simétricos de seqüência zero, positiva e negativa, respectivamente, da tensão da fase a, é a tensão em vazio da fase a, são as impedâncias de seqüência zero, positiva e negativa, respectivamente, do gerador, são os componentes simétricos de seqüência zero, positiva e negativa, respectivamente, da corrente da fase a. 01, e aaaVVVaE01, e ZZZ01, eaaII2aI Sistemas de Potência II 47
  • 51. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza 3.2.1. Falta entre Fase e Terra O circuito para uma falta fase-terra em um gerador em vazio ligado em Y, com seu neu- tro aterrado através de uma reatância, é mostrado na Figura 3.1, onde a falta ocorre na fa- se a. Figura 3.1. Diagrama para uma falta fase-terra em um gerador em vazio. As condições na falta são (3.2) 0 0 0bcIIV== Os componentes simétricos da corrente na fase a são 0212211111301aaaacIIIaaIIIaa⎡⎤⎡⎤⎡⎢⎥⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥⎢=⎢⎥⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥⎢=⎢⎥⎣⎦⎣ ⎣⎦ (3.3) o que resulta em 12013 aaaIII=== (3.4) Para que os três componentes simétricos da corrente na fase a sejam iguais, os circuitos de seqüência do gerador devem ser conectados em série, como mostra a Figura 3.2. Sistemas de Potência II 48
  • 52. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza Figura 3.2. Conexão das redes de seqüência de um gerador em vazio para uma falta fase-terra. Da Figura 3.2, tem-se que 12012aaaaEIIIZZZ=== ++ (3.5) Se o neutro do gerador não estiver aterrado, a rede de seqüência zero estará aberta e será infinita. Assim, as correntes serão nulas e, portanto, a corrente na fase a será zero. Esta mesma conclusão pode ser obtida analisando o circuito da Figura 3.1. Note que se não há ligação entre a terra e o neutro do gerador, não existe caminho para a cor- rente na falta. 0Z12, e aaaIII Exemplo 3.1: Um gerador tem valores nominais de 20 MVA, 13,8 kV e uma reatância sub- transitória de eixo direto de 0,25 pu. As reatâncias de seqüência negativa e zero são, res- pectivamente, 0,35 e 0,10 pu. O neutro do gerador está solidamente aterrado. Calcule a corrente subtransitória no gerador e as tensões de linha em condições subtransitórias quan- do ocorre uma falta fase-terra nos terminais do gerador, quando este está operando sem carga com tensão nominal. Sistemas de Potência II 49
  • 53. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza 3.2.2. Falta entre Fase e Fase O circuito para uma falta fase-fase em um gerador ligado em Y, com aterramento, sem carga é mostrado na Figura 3.3. As fases em falta são b e c. Figura 3.3. Diagrama para uma falta fase-fase em um gerador em vazio. As condições para a falta são (3.6) 0 bcacVVIII== Os componentes simétricos da tensão na fase a são 021221111131aaaacVVVaaVVVaa⎡⎤⎡⎤⎡⎢⎥⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥⎢=⎢⎥⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥⎢=⎢⎥⎣⎦⎣ ⎣⎦ (3.7) resultando em 12.aaVV= Para os componentes simétricos da corrente na fase a, tem-se 0212211101131aaaacIIIaaIIIaa⎡⎤⎡⎤⎡=⎢⎥⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥⎢=⎢⎥⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥⎢=−⎢⎥⎣⎦⎣ ⎣⎦ (3.8) Sistemas de Potência II 50
  • 54. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza o que fornece 020 e .aaII==− Havendo conexão entre o neutro do gerador e a terra, será finito, e assim 0Z (3.9) 0000 aaVZI=−= Com igual à zero, a rede de seqüência zero está em curto-circuito e, portanto, não influi na falta, não sendo usada. Com iguais e com igual a deve-se co- nectar as redes de seqüência positiva e negativa em paralelo, conforme mostra a Figura 3.4. 0aV1e aVV1aI2,aI− Figura 3.4. Conexão das redes de seqüência de um gerador em vazio para uma falta fase-fase. Da figura 3.4, tem-se que 112aaEIZZ= + (3.10) Como a falta não envolve a terra, não existe corrente para a terra. Na dedução das equações, encontrou-se Este resultado confirma o fato de não haver corrente no neutro, pois a corrente é igual a 00.aI= nI03.aI Exemplo 3.2: Calcule as correntes e as tensões de linha subtransitórias na falta quando ocorre uma falta fase-fase os terminais do gerador do Exemplo 3.1. O gerador está em va- zio e operando com tensão nominal quando a falta ocorre. Sistemas de Potência II 51
  • 55. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza 3.2.3. Falta entre Duas Fases e Terra A Figura 3.5 mostra o circuito para uma falta entre duas fases e terra em um gerador li- gado em Y e em vazio, com o neutro aterrado. As fases em falta são b e c. Figura 3.5. Diagrama para uma falta fase-fase-terra em um gerador em vazio. As condições na falta são (3.11) 0 0 0bcVVI== Os componentes simétricos da tensão na fase a são 0212211111301aaaacVVVaaVVVaa⎡⎤⎡⎤⎡⎢⎥⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥⎢=⎢⎥⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥⎢=⎢⎥⎣⎦⎣ ⎣⎦ (3.12) o que fornece 12013 aaaVVVV=== (3.13) Para que os três componentes simétricos da tensão na fase a sejam iguais, os circuitos de seqüência do gerador devem ser conectados em paralelo, como mostra a Figura 3.6. Sistemas de Potência II 52
  • 56. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza EaZ1Ia1Va1Z2Ia2Va23ZnIa0Va0Zg0Z0 Figura 3.6. Conexão das redes de seqüência de um gerador em vazio para uma falta fase-fase e terra. Da Figura 3.6, pode-se escrever que 120120aaEIZZZZZ= ⋅ + + (3.14) O esquema de conexão das redes de seqüência mostra que a corrente de seqüência posi- tiva é determinada pela tensão aplicada em em série com a combinação em pa- ralelo de 1aIaE1Z20 e .ZZ Na ausência de uma conexão com a terra no gerador, nenhuma corrente flui para a terra na falta. Neste caso, é infinita e é nula. Do ponto de vista da corrente, o resultado é o mesmo de uma falta fase-fase. A equação X(3.14)X, para uma falta fase-fase e terra, tende à equação X(3.10)X, para uma falta fase-fase, quando tende para o infinito. 0Z0aI0Z Exemplo 3.3: Calcule as correntes e tensões de linha subtransitória na falta quando ocorre um curto-circuito entre duas fases e terra nos terminais do gerador do Exemplo 3.1. O ge- rador estava operando em vazio e com tensão nominal quando a falta ocorre. 3.3. Faltas Assimétricas em Sistemas de Potência A Figura 3.7 mostra os três condutores do sistema trifásico na parte da rede onde ocorre a falta. As correntes são as correntes que saem do sistema originalmente equili- brado para a falta, através de fios hipotéticos. , e abIII Sistemas de Potência II 53
  • 57. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza acbIaIcIb Figura 3.7. Três condutores do sistema trifásico. As tensões de fase no local da falta serão designadas por A tensão de fase da fase a antes da ocorrência da falta, no local da falta, será chamada , e .abcVVV,fV que é uma ten- são de seqüência positiva porque o sistema está equilibrado antes da ocorrência da falta. Como as redes de seqüência são circuitos lineares, cada uma delas pode ser substituída pelo seu equivalente Thèvenin entre a barra de referência e o ponto de falta. A fem do úni- co gerador no circuito equivalente de Thèvenin de seqüência positiva é ,fV a tensão de fase pré-falta no ponto de falta. A impedância do circuito equivalente é a impedância entre o ponto de falta e a barra de referência na rede de seqüência positiva, com todas as fem curto-circuitadas. Analogamente, as impedâncias são as impedâncias entre o ponto de falta e a barra de referência nas redes de seqüência negativa e zero, respectivamente. 1Z2e ZZ Dessa forma, a equação matricial para os componentes simétricos da tensão de falta na fase a é semelhante àquela para geradores em vazio, equação X(3.1)X, exceto com a substitui- ção de por aE.fV (3.15) 00112200000000aaafaaVZVVZIVZ⎡⎤⎡⎡⎤⎡⎤ ⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥ ⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥=−⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥ ⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣ onde correspondem às impedâncias de Thèvenin entre o ponto de falta e a barra de referência. 12, e ZZZ Sistemas de Potência II 54
  • 58. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza 3.3.1. Falta entre Fase e Terra Para uma falta fase-terra, os fios hipotéticos do sistema elétrico são conectados como mostra a Figura 3.8. acbIaIcIb Figura 3.8. Diagrama de ligação dos fios hipotéticos para uma falta fase-terra. As relações existentes nesta falta são (3.16) 0 0 0bcIIV== Estas relações são as mesmas que se aplicaram à falta fase-terra em um gerador em va- zio. Assim, as relações para os componentes simétricos da corrente na fase a devem ser os mesmos, exceto pela troca de por aEfV e os equivalentes Thèvenin de seqüência positiva, negativa e zero também devem ser interligados em série. 120112aaafaIIIVIZZZ== = ++ (3.17) 3.3.2. Falta entre Fase e Fase Para uma falta entre fase e fase, os fios hipotéticos das três linhas na falta são conecta- dos como é mostrado na Figura 3.9. Sistemas de Potência II 55
  • 59. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza acbIaIcIb Figura 3.9. Diagrama de ligação dos fios hipotéticos para uma falta fase-fase. As relações existentes neste tipo de falta são (3.18) 0 bcacVVIII== As relações anteriores são idênticas, em forma, àquelas que se aplicam a uma falta fase- fase em um gerador em vazio. Dessa forma, os equivalentes Thèvenin das redes de seqüên- cia positiva e negativa devem ser conectados em paralelo e a rede de seqüência zero não participa da falta. As relações matemáticas para a falta são 12112aafaVVVIZZ= = + (3.19) 3.3.3. Falta entre Duas Fases e Terra Para uma falta entre duas fases e terra, os fios são conectados como mostra a Figura 3.10. Sistemas de Potência II 56
  • 60. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza Figura 3.10. Diagrama de ligação dos fios hipotéticos para uma falta fase-fase e terra. As relações na falta são (3.20) 0 0 0bcVVI== Por comparação com a dedução realizada na Seção 3.2.3, tem-se 120120120aaafaVVVVIZZZZZ== = ⋅ + + (3.21) As equações X(3.20)X e X(3.21)X indicam que os equivalentes Thèvenin das redes de seqüên- cia positiva, negativa e zero devem ser conectados em paralelo no ponto de falta para si- mular uma falta entre duas fases e terra. 3.4. Interpretação das Redes de Seqüência Interconectadas Nas seções anteriores, viu-se que as redes de seqüência de um sistema elétrico podem ser interconectadas de modo que a solução da rede resultante forneça os componentes simétri- cos das correntes e tensões na falta. Na Figura 3.11 são mostradas as conexões das redes de seqüência para simular os diferentes tipos de falta, inclusive a falta trifásica simétrica. As redes de seqüência estão indicadas por um retângulo em cujo interior há uma linha grossa que representa a barra de referência e um ponto P que indica o ponto de falta. A rede de Sistemas de Potência II 57
  • 61. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza seqüência positiva é a única que contém fem que representam as tensões internas das má- quinas. Falta trifásica Falta fase-fase Falta fase-terra Falta fase-fase e terra Figura 3.11. Conexões das redes de seqüência para simular os diferentes tipos de falta. O circuito de Thèvenin entre a barra de referência e o ponto de falta para a rede de se- qüência positiva é equivalente somente em efeito à rede original de seqüência positiva. No circuito equivalente não há correntes circulando anteriormente a ocorrência da falta. Entre- tanto, na rede original de seqüência positiva, se houver diferença de fase ou de amplitude entre as fem, haverá corrente circulando antes da falta. Esta corrente é a corrente de carga pré-falta. Dessa forma, para uma determinação mais correta das correntes de seqüência po- sitiva no sistema original, deve-se incluir a componente de corrente pré-falta à corrente du- rante a falta. Exemplo 3.4: Um grupo de motores síncronos idênticos é conectado através de um trans- formador a uma barra de 4,16 kV em local afastado das usinas geradoras de um sistema de potência. Os motores são de 600 V e operam com rendimento de 89,5% quando em plena Sistemas de Potência II 58
  • 62. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza carga com fator de potência unitário e tensão nominal. A soma de suas potências de saída é de 4.476 kW (6.000 HP). As reatâncias em pu do motor equivalente, com base em seus próprios kVA nominais de entrada, são e está aterrado através de uma reatância de 0,02 pu. Os motores estão conectados ao barramento de 4,16 kV através de um banco de transformadores composto de três unidades monofási- cas, cada uma com 2.400 / 600 V, 2.500 kVA. Os enrolamentos de 600 V são ligados em Δ e os enrolamentos de 2.400 V são conectados em Y. A reatância de dispersão de cada transformador é de 10%. 200,2 pu, 0,2 pu e 0,04 puXXX′′=== O sistema de potência que fornece os 4,16 kV para o barramento é representado por um gerador equivalente de Thèvenin de 7.500 kVA, 4,16 kV, com reatâncias de entre neutro e terra igual à 0,05 pu. 200,1 pu, 0,05 pu e nXXXX′′=== Cada um dos motores idênticos está alimentando uma parcela igual de uma carga total de 3.730 kW (5.000 HP) e está operando com tensão nominal, com fator de potência de 85% atrasado e com rendimento de 88%, quando ocorre uma falta fase-terra no lado de baixa tensão do banco de transformadores. Considere o grupo de motores como um único motor equivalente. Calcule as correntes subtransitórias de linha em todas as partes do sis- tema de energia. O diagrama unifilar do sistema elétrico está mostrado na Figura 3.12 e o esquema de ligação do transformador, na Figura 3.13. Figura 3.12. Diagrama unifilar para o Exemplo 3.4. Figura 3.13. Ligação do banco de transformadores do Exemplo 3.4. Sistemas de Potência II 59
  • 63. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza 3.5. Análise de Faltas Assimétricas Usando a Matriz Impedância de Barra No Capítulo 1, usamos a matriz impedância de barras para determinar as correntes e tensões na ocorrência de uma falta trifásica. O método pode facilmente ser estendido a fal- tas assimétricas, notando que as redes de seqüência positiva, negativa e zero podem ser re- presentadas por redes equivalentes de impedâncias de barras. Assim, para uma falta fase-terra na barra 3 de um sistema hipotético tem-se 121333333faVIZZZ= ++ (3.22) onde são as impedâncias próprias da barra 3 de seqüência positiva, nega- tiva e zero, respectivamente. As admitâncias de transferência permitem calcular as tensões nas outras barras do sistema elétrico, com as quais se podem determinar as correntes de li- nha. 12333333, e ZZZ Exemplo 3.5: Calcule as correntes subtransitórias para uma falta fase-terra, primeiro na barra 1 e depois na barra 2, no sistema elétrico do Exemplo 3.4. Use a matriz impedância de barra e calcule também a tensão na barra 2 com a barra 1 em falta. Sistemas de Potência II 60
  • 64. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza 3.6. Lista de Exercícios 3.1. Os valores nominais de um gerador de 60 Hz são 500 MVA, 22 kV. Ele é conectado em Y, solidamente aterrado e está operando em vazio com tensão nominal. Ele está isolado do restante do sistema. Suas reatâncias são Calcule: 20,15 pu eXX′′== 00,05 pu.X= a) a corrente subtransitória de linha para uma falta trifásica; b) a corrente subtransitória de linha para uma falta fase-terra; c) a corrente subtransitória de linha para uma falta entre duas fases; d) a corrente subtransitória de linha para uma falta entre duas fases e terra. 3.2. Calcule o valor da reatância indutiva em Ω que deve ser inserida no aterramento do neutro do gerador do Exercício 3.1 para limitar a corrente subtransitória de linha pa- ra uma falta fase-terra ao valor da corrente para uma falta trifásica. 3.3. Com a reatância indutiva obtida no Exercício 3.2 inserida no neutro do gerador do Problema 3.1, calcule as correntes subtransitórias de linha para: a) uma falta fase-terra; b) uma falta entre duas fases; c) uma falta fase-fase e terra. 3.4. Qual o valor da resistência em Ω que conectada o neutro do gerador do Exercício 3.1 limita a corrente subtransitória de linha para uma falta fase-terra ao valor obtido pa- ra a falta trifásica? 3.5. Um gerador de 100 MVA, 18 kV, tendo está para ser conectado a um sistema de potência. O gerador possui um reator limitante de corren- te de 0,162 Ω no neutro. Antes de ser conectado ao sistema, sua tensão é ajustada pa- ra 16 kV quando ocorre uma falta fase-fase-terra nos terminais b e c. Calcule o valor eficaz da corrente simétrica inicial para a terra na linha b. 2020% e 5%,XXX′′=== Sistemas de Potência II 61
  • 65. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza 3.6. As reatâncias de um gerador de 100 MVA, 20 kV são O gerador está conectado a um transformador Δ−Y de 100 MVA, 20Δ − 230Y kV, com uma reatância de 10%. O neutro do transformador está solidamente aterrado. Quan- do a tensão terminal do gerador é de 20 kV, ocorre no transformador uma falta fase- terra no lado de alta tensão que estava aberto. Determine o valor eficaz inicial das correntes simétricas em todas as fases do gerador. A conexão do transformador está apresentada na Figura 3.14. 2020% e 5%.XXX′′=== Figura 3.14. Ligação do trafo do Problema 3.6. Figura 3.15. Ligação do trafo do Problema 3.7. 3.7. Um gerador alimenta um motor através de um transformador Y−Δ. O gerador está conectado ao lado Y do transformador. Ocorre uma falta entre os terminais do motor e do transformador. Os componentes simétricos da corrente subtransitória do motor para a falta são Os compo- nentes simétricos da corrente do transformador para a falta são Suponha para o motor e para o gerador. Descreva o tipo de falta. A ligação do transformador está mostrada na Figura 3.15. Calcule: 120(0,82,6) pu, 2,0 pu e 3,0 pu.aaaIjIjIj=−−=−=− 12(0,80,4) pu, 1,0 pu e 0.aaIjIjI=−−=−= 2XX′′= a) a corrente antes da falta, se existe, na linha a; b) a corrente subtransitória, em pu, na falta; c) a corrente subtransitória, em pu, em cada fase do gerador. 3.8. Calcule as correntes subtransitórias em todas as partes do sistema do Exemplo 3.4, desprezando a corrente antes da falta e supondo uma falta fase-fase no lado de baixa tensão do transformador. 3.9. Repita o Exercício 3.8 para uma falta fase-fase-terra. Sistemas de Potência II 62
  • 66. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza 3.10. Dois geradores são conectados através dos transformadores a um barramento de alta tensão que alimenta uma linha de transmissão. A linha está em aberto no extremo distante dos transformadores, no qual ocorre uma falta. A tensão pré-falta no ponto de falta é de 515 kV. Os valores nominais e as reatâncias dos equi- pamentos são: 1 e GG 1 e TT GB 1B: 1.000 MVA, 20 kV, XB SB = 100%, 2010% e 5%XXX′′=== GB 2B: 800 MVA, 22 kV, XB SB = 120%, 2015% e 8%XXX′′=== TB 1B: 1.000 MVA, 500Y / 20Δ kV, 17,5%X= TB 2B: 800 MVA, 500Y / 22Y kV, 16%X= Linha: na base de 1.500 MVA, 500 kV 12215%, 40%XXX=== O neutro do gerador 1 está aterrado através de uma reatância de 0,04 Ω. O neutro de não está aterrado. Os neutros de todos os transformadores estão solidamente ater- rados. Usando uma base de 1.000 MVA, 500 kV na linha de transmissão e desprezan- do a corrente pré-falta, determine a corrente subtransitória no gerador 2G1:G a) na fase c para uma falta trifásica; b) na fase b uma falta fase-fase nas linhas B e C; c) na fase a para uma falta fase-fase-terra nas linhas B e C; d) na fase c para uma falta fase-terra na linha A. O esquema de ligação do transformador 1 está mostrado na Figura 3.16. Figura 3.16. Conexão do transformador 1 para o Exercício 3.10. Sistemas de Potência II 63
  • 67. Faltas Assimétricas Prof. Luciano V. Barboza Sistemas de Potência II 64
  • 68. IV. ESTABILIDADE DE SISTEMAS DE POTÊNCIA 4.1. Aspectos Gerais Quando os geradores CA eram acionados por máquinas a vapor, um dos principais pro- blemas na operação do sistema era o das oscilações. As variações periódicas no conjugado aplicado ao gerador causavam variações periódicas na velocidade. As variações resultantes de tensão e freqüência eram transmitidas aos motores conectados ao sistema. As oscilações nos motores, causadas pelas variações de tensão e freqüência, algumas vezes causavam a inteira perda de sincronismo dos motores se as suas freqüências naturais de oscilação coin- cidissem com a freqüência de oscilação causada pelas máquinas que acionavam os gerado- res. O uso de turbinas reduziu o problema das oscilações, embora ainda esteja presente quando a máquina primária é uma máquina diesel. A conservação do sincronismo das vá- rias partes de um sistema de potência torna-se cada vez mais difícil à medida que os siste- mas e interligações entre sistemas crescem. Em estudos de estabilidade, um conceito importante é o de barra infinita. Um bar- ramento infinito, para fins de estudo de estabilidade, pode ser considerado como uma barra na qual está localizada uma máquina de tensão interna constante, tendo impedância zero e inércia infinita. O ponto de conexão de um gerador a um sistema de grande porte pode ser considerado como tal barra. 4.2. O Problema da Estabilidade A estabilidade de um sistema de potência pode ser definida como a propriedade do sis- tema que permite as máquinas síncronas desse sistema responder a um distúrbio, a partir de uma condição normal de operação, de modo a retornarem a uma condição de operação novamente normal. Os estudos de estabilidade são classificados em três tipos, dependendo da natureza e ordem de grandeza do distúrbio: estabilidade transitória, estabilidade dinâ- mica e estabilidade em regime permanente. Os estudos de estabilidade transitória constituem a principal metodologia analítica para estudos do comportamento dinâmico-eletromecânico do sistema. Estes estudos indicam se o Sistemas de Potência II 65
  • 69. Estabilidade de Sistemas de Potência Prof. Luciano V. Barboza sistema permanecerá em sincronismo após distúrbios significativos, tais como faltas no sis- tema de transmissão, variações rápidas de demanda ou perdas de unidades geradoras. Uma analogia mecânica para o problema da estabilidade transitória pode ser visto na Figura 4.1. Um determinado número de massas representando as máquinas síncronas é interconectado por fios de elástico representando as linhas de transmissão. Estando o sistema em repouso em uma determinada posição, suponha que um dos elásticos seja cortado representando a perda de uma linha de transmissão. Como resultado, as massas ficarão sujeitas a oscilações transitórias e as forças atuantes no sistema variam em intensidade. O sistema então se des- locará para uma outra posição de repouso ou, devido à nova configuração de forças, mais alguns elásticos podem se romper representado um colapso na rede. Assim, para uma de- terminada perturbação, deseja-se saber se o sistema possui estabilidade transitória ou se ele fica instável. Figura 4.1. Análogo mecânico da estabilidade transitória em sistemas de potência. Os estudos de estabilidade dinâmica e em regime permanente são menos extensivos e envolvem uma ou algumas poucas máquinas que sofrem variações lentas ou graduais nas condições de operação. A distinção entre os estudos de estabilidade dinâmica e em regime permanente é, na realidade, artificial visto que os problemas são os mesmos em natureza, diferem somente no grau de detalhamento das máquinas. Em estudos dinâmicos, o sistema de excitação e o sistema turbina-regulador são representados em conjunto com modelos de máquinas síncronas que provêm às variações de enlace de fluxo no entreferro da máquina. Problemas de estabilidade em regime permanente usam um modelo simples do gerador que é modelado como uma fonte de tensão constante. Estudos de estabilidade transitória são mais comumente empregados por refletirem a sua grande importância na prática. Estes problemas envolvem grandes perturbações que não permitem procedimentos de linearização e as equações algébrico-diferenciais devem ser re- solvidas por métodos diretos ou procedimentos numéricos. Sistemas de Potência II 66
  • 70. Estabilidade de Sistemas de Potência Prof. Luciano V. Barboza Em todos os estudos de estabilidade, o objetivo é determinar se os rotores das máquinas, sendo perturbados, retornam ou não à operação com velocidade constante. Isto, portanto, significa que as velocidades dos rotores se desviam temporariamente da velocidade síncro- na. 4.3. Dinâmica do Rotor e Equação de Oscilação A equação que descreve o movimento do rotor de um gerador síncrono está baseada no princípio da dinâmica (2ª lei de Newton): o torque de aceleração é igual ao produto do momento de inércia do rotor pela sua aceleração angular. Matematicamente, tem-se 22mamdJTTdtθ==− (4.1) onde J é o momento de inércia total das massas do rotor, em kg.mP 2P; é a posição angular do rotor em relação a um eixo estacionário, em rad; mθ t é o tempo, em segundos; é o torque mecânico aplicado ao gerador pela máquina primária, em N.m; mT é o torque elétrico resultante, em N.m; eT é o torque de aceleração resultante, em N.m. aT O ângulo é uma medida absoluta do ângulo do rotor visto que é medido em relação a um eixo de referência estacionário sobre o rotor. Conseqüentemente, cresce continuamen- te com o tempo e com velocidade síncrona constante. Dessa forma, pode-se medir a posição angular do rotor em relação a um eixo de referência que gira em velocidade síncrona. Por- tanto, mθ (4.2) sincmmtθωδ=+ onde é a velocidade síncrona da máquina, em rad/s; sincmω Sistemas de Potência II 67
  • 71. Estabilidade de Sistemas de Potência Prof. Luciano V. Barboza é a posição angular do rotor em relação a um eixo de referência girando na velo- cidade síncrona, em rad. mδ As derivadas da equação X(4.2)X em relação ao tempo fornecem sincmmddtdtθω=+ (4.3) 222mdddtdtθ= (4.4) A equação X(4.3)X indica que a velocidade angular do rotor é constante e igual à velocidade síncrona somente quando é zero. Portanto, o termo representa o desvio de sincronismo da velocidade do rotor. Por outro lado, a equação X(4.4)X representa a aceleração do rotor. /mddθ/mddδ/mddδ Substituindo a equação X(4.4)X na equação X(4.1)X, obtém-se 22mamdJTTdtδ==− (4.5) Multiplicando a equação X(4.5)X por obtém-se ,mω 22mmammmdJTTdtδωωω==− (4.6) Recordando que o termo é o momento angular do rotor (M) e que potência é igual ao produto do torque pela velocidade angular, a equação X(4.6)X transforma-se em mJω 22mamdMPPdtδ==− (4.7) onde é a potência mecânica de entrada no eixo da máquina menos as perdas rotacio- nais; mP Sistemas de Potência II 68
  • 72. Estabilidade de Sistemas de Potência Prof. Luciano V. Barboza é a potência elétrica de saída do gerador mais as perdas elétricas; eP é a potência de aceleração do rotor que leva em conta a diferença entre aPe .mePP Normalmente, desprezam-se as perdas rotacionais e perdas por efeito Joule na armadu- ra, de modo que se considera como a potência mecânica suprida pela máquina primária e como a potência elétrica de saída. mPeP Em dados de geradores síncronos, um parâmetro relacionado à estabilidade é a constan- te H, que é definida como 1energia cinética armazenada na velocidade síncrona2potência nominal da máquinasincmnomMHSω== (4.8) onde é a potência nominal da máquina, em MVA; nomS H é expresso em MJ/MVA ou pu-s. A Tabela 4.1 apresenta valores típicos para a constante H. Tabela 4.1. Constantes H típicas de máquinas síncronas. Tipo de máquina Constante H (MJ/MVA) Gerador turbinado: Condensado 1800 rpm 1300 rpm Não condensado 3600 rpm Gerador roda d’água: Baixa velocidade Alta velocidade Condensador síncrono: Grande Pequeno Motor síncrono com carga 6 – 9 4 – 7 3 – 4 2 – 3 2 – 4 1,25 1,00 1 – 5 Resolvendo para M a equação X(4.8)X, obtém-se 2sincnommHSMω= (4.9) Sistemas de Potência II 69
  • 73. Estabilidade de Sistemas de Potência Prof. Luciano V. Barboza Substituindo a equação X(4.9)X na equação X(4.7)X, tem-se 222222 ou sincsincnommmameamemmHSddPPPHPPPSSSdtdtδδωω==−==− (4.10) ou simplesmente 222sincmammdHPPPdtδω==− (4.11) observando que na equação X(4.11)X, os valores de estão expressos em pu. , e amPPP Para um gerador com P pólos, a relação entre as grandezas elétricas e mecânicas é e 22sincmsincPδδωω= (4.12) Substituindo as equações X(4.12)X na equação X(4.11)X, tem-se 222amsincHdPPPdtδω==− (4.13) A equação X(4.13)X, equação de oscilação da máquina, é a equação que descreve as dinâ- micas rotacionais das máquinas síncronas em estudos de estabilidade transitória. É uma equação diferencial de segunda ordem, que pode ser escrita como duas equações diferenciais de primeira ordem () 2sincmesincdPPdtHddtωωδωω⎧⎪⎪ =−⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪ =−⎪⎪ ⎩ (4.14) Quando a equação de oscilação é resolvida, obtém-se δ como uma função do tempo. Este Sistemas de Potência II 70
  • 74. Estabilidade de Sistemas de Potência Prof. Luciano V. Barboza gráfico é chamado de curva de oscilação da máquina e a análise das curvas de oscilação de todas as máquinas do sistema indicam se as mesmas permanecem em sincronismo após a ocorrência de um distúrbio. Os MVA usados na equação X(4.8)X correspondem ao valor nominal da máquina. Em um estudo de estabilidade de um sistema de potência com muitas máquinas síncronas, somente um MVA é escolhido como base para todo o sistema. Como o lado direito da equação de oscilação está expresso em pu, o lado esquerdo desta equação também deve estar em pu na base correta. Para corrigir o valor de H para a base correta de potência, utiliza-se a relação sistmaqcorrigmaqbaseSHHS= (4.15) onde o subíndice maq indica os dados nominais da máquina e é a potência base es- colhida para o sistema. sistbaseS Exemplo 4.1: Duas unidades geradoras de 60 Hz operam em paralelo em uma usina e pos- suem os seguintes valores nominais: Unidade 1: 500 MVA, 0,85,fpa= 20 kV, 3.600 rpm, 14,8 MJ/MVAH= Unidade 2: 1.000 MVA, 0,9,fpa= 22 kV, 1.800 rpm, 23,2 MJ/MVA.H= Determine a equação de oscilação da usina considerando que as duas unidades oscilem jun- tas e em uma base de 100 MVA. 4.4. Equação Potência-Ângulo Na equação de oscilação para o gerador, a potência mecânica de entrada fornecida pela máquina primária é considerada constante. Esta consideração é razoável, pois aguar- dam-se modificações nas condições da rede elétrica antes que as ações de controle possam causar reação da turbina. Como na equação X(4.13)X é constante, a potência elétrica de saída determina as condições para que o rotor acelere, desacelere ou permaneça na velo- cidade síncrona. Quando iguala-se a a máquina opera na velocidade síncrona em mPmPePeP,mP Sistemas de Potência II 71
  • 75. Estabilidade de Sistemas de Potência Prof. Luciano V. Barboza regime permanente; quando muda deste valor, o rotor desvia-se da velocidade síncrona. Mudanças em são determinadas por modificações na rede de transmissão e cargas do sistema para o qual o gerador fornece potência. Distúrbios na rede elétrica resultante de variações severas de carga, faltas na rede ou operação de disjuntores podem causar varia- ções rápidas à potência de saída do gerador e, neste caso, existem transitórios eletrome- cânicos. A máquina é representada, para fins de estudo de estabilidade transitória, pela sua tensão interna E em série com a reatância transitória como mostrado na Figura 4.2(a), na qual é a tensão terminal. A Figura 4.2(b) mostra o diagrama fasorial aplicá- vel à Figura 4.2(a). Como cada máquina deve ser considerada em relação ao sistema do qual faz parte, os ângulos fasoriais das variáveis das máquinas são medidos com respeito à referência comum do sistema. ePePeP′,dX′ tV E′ djX′ (a) E′ djXI′ (b) Figura 4.2. Diagrama fasorial de uma máquina síncrona para estudos de estabilidade transitória. A Figura 4.3 representa esquematicamente um gerador, na barra 1, suprindo potência através de um sistema de transmissão ao receptor, no barramento 2. O retângulo represen- ta o sistema de transmissão composto por transformadores, linhas de transmissão, capaci- tores e inclusive as reatâncias transitórias do gerador e do receptor. A tensão represen- ta a tensão transitória interna do gerador. A tensão no receptor é a de um barramento infinito ou a tensão transitória interna de um motor síncrono, cuja reatância transitória es- tá incluída na rede. 1E′ 2E′ 1E′2E′ Figura 4.3. Diagrama esquemático para estudos de estabilidade. As reatâncias transitórias associadas ao gerador e ao receptor estão incluídas na rede de transmissão. Sistemas de Potência II 72

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