Universidade Federal do Ceará - UFC
Centro de Tecnologia
Departamento de Engenharia Elétrica - DEE
Unidade 1:
Introdução ao Sistemas Elétricos de
Potência - SEP
Disciplina: Análise de Sistema de Potência
Prof. Raimundo Furtado Sampaio
Tópicos
1. Estrutura de um SEP
1.
SEP Convencional – Geração, Transmissão e Distribuição
2. Sistema Interligado Nacional
3. Subestação
4. Representação dos Sistemas Elétricos
Sistema Elétrico de Potência
➢
Fatores impactantes no setor elétrico:
✓ Evolução tecnológica dos dispositivos eletrônicos das tecnologias
de informação e comunicação (TICs);
✓ Crescimento dos SEPs em tamanho e complexidade;
✓ Desregulamentação do setor elétrico:
✓ Expansão da matriz energética;
✓ Elevada exigência em manter os SEPs dentro de padrões de
qualidade, desempenho e confiabilidade.
✓ Procedimentos de redes: PROREDE e PRODIST.
✓ Expansão da Matriz Energética e Elétrica
✓ Redes Elétricas Inteligentes
Sistema Elétrico de Potência
➢
Estrutura tradicional de uma rede de energia elétrica.
[Fonte: Aneel].
Sistema Elétrico de Potência
➢
Objetivo: Gerar, transmitir e distribuir energia elétrica atendendo a
determinados padrões de disponibilidade, qualidade, confiabilidade,
segurança e custos, com o mínimo impacto ambiental.
Cada elemento/subsistema do SEP
deve ser protegido através de um
sistema de proteção.
Sistema de Geração
G
SE 1
SE 2
Sistema de Distribuição
Sistema de Transmissão
D
D
D
LT
D
Sistema Elétrico de Potência
➢
Expansão da Matriz Energética
Fonte: IEEE Power & Energy Magazine, Jan/2011
Sistema Elétrico de Potência
➢
Evolução do Sistema Elétrico: Expansão da Matriz Energética
Fonte: IEEE Power & Energy Magazine, Jan/2011
Sistema Elétrico de Potência
➢
Linha de Transmissão:
✓ Transportam energia elétrica entre dois pontos de um sistema
elétrico.
✓ Os pontos de origem e destino de LTs em subestações são
denominados vão de saída de linha e vão de entrada de linha,
respectivamente.
SE 1
SE 2
LT
D
➢
D
Sistemas de proteção padronizado no Prorede.
Sistema Elétrico de Potência
➢
Rede Básica (RB): Vn ≥ 230 kV:
✓
➢
STAT – Sistema de Transmissão de Alta Tensão
Rede de Distribuição: Vn < 230 kV:
✓ SDAT – Sistema de Distribuição de Alta Tensão
✓ SDMT – Sistema de Distribuição de Média Tensão
✓ SDBT – Sistema de Distribuição de Baixa Tensão
Sistema Elétrico de Potência
➢
Rede de Subtransmissão ou Sistema Distribuição de Alta Tensão:
➢ Transportar energia para pequenas cidades ou
grandes consumidores industriais.
➢ Nível de tensão: entre 35 kV e 160 kV.
➢ Predomina linhas aéreas e subterrâneas (mais
usadas nas proximidades de centros urbanos).
➢ Impactos ambientais e sociais
➢ Sistemas de proteção padronizados pelas
empresas.
Sistema Elétrico de Potência
➢
Sistema Elétrico Brasileiro (Sist. Distribuição e Rede Básica):
TENSÕES NOMINAIS PADRONIZADAS
Fonte: Procedimentos de Distribuição (PRODIST) – ANEEL
CONEXÃO
SISTEMA
TENSÃO NOMINAL
(V)
BT
Monofásico
254 / 127
440 / 220
BT
Trifásico
220 / 127
380 / 220
MT
Trifásico
13.800
34.500
AT (rede de distribuição)
Trifásico
69.000
138.000
AT (rede básica)
Trifásico
≥230.000
Requisitos Técnicos e Operacionais
➢
Prodist – Limites de tensão
Sistema Elétrico de Potência
➢
Freqüência:
✓ A conexão deve ser realizada em corrente alternada com freqüência de 60 Hz,
preservando os padrões de desempenho do sistema.
Limites de Variação de Frequência (módulo 8 do Prodist)
CONDIÇÕES DOS SISTEMAS
FAIXA DE VARIAÇÃO
Condições normais de
operação e em regime
permanente
59,9 Hz ≤f ≤60,1 Hz
Recuperação da faixa de
frequência na geração para
manter o equilíbrio cargageração, durante distúrbios
no sistema de distribuição
59,5 Hz ≤f ≤60,5 Hz
retorno a faixa de
frequencia em30 s
62 Hz < f < 63,5 Hz
Permanência máxima30 s
63,5 Hz <f < 66 Hz
Permanência máxima 10 s
57,5 Hz <f< 58,5 Hz
Permanência máxima 10 s
56,5 Hz <f< 57,5 Hz
Permanência máxima 5 s
Havendo necessidade de
corte de geração ou de
carga a frequência não pode
ser:
56,5 Hz < f > 66 Hz
TEMPO
Subestações
➢
Definição:
➢
Conjunto de instalações elétricas em média ou alta tensão que agrupa os
equipamentos, condutores e acessórios, destinados à proteção, medição,
manobra e transformação de grandezas elétricas (Cartilha de Acesso Prodist).
Subestação: é o componente
responsável pela interconexão entre as
várias partes do sistema elétrico
(Sistemas de Geração, Transmissão e
Distribuição de energia elétrica).
SE Coletora
SE 2
SE 1
G
D
LT
D
D
D
SE da Transmissão
SE Distribuidora
SE 3
C
D
D
LT
D
Subestações
➢
Localização:
SE Coletora (Geração): Próximo ou na Planta de Geração
✓ SE Transmissora: ao longo das LTs
✓ SE Distribuidora: Próximo aos centros de carga
✓ SE Particular/Industrial: Nos consumidores
✓
➢
Principais Funções:
Monitorar as grandezas elétricas, visando o controle, proteção,
supervisão e automação do SEP;
✓ Proporcionar recursos operacionais ao SEP;
✓ Efetuar a regulação de tensão;
✓ Modificar o nível de tensão;
✓ Realizar a conversão da energia (SE conversora – CA/CC e CC/CA)
✓
➢
Característica Física:
✓
Modularidade
Subestações
➢
Entrada e Saída de Linha:
Pára-raios
TPs
Fonte: Coelce/ Catálogo da Team Arteche
TCs
Disjuntor
18
Sistema de Aterramento
➢
Finalidade:
✓
Minimizar o stress térmico e sobretensão nos
equipamentos;
✓
Propiciar segurança às pessoas;
✓
Reduzir as interferências nos sistemas de comunicação;
✓
Contribuir para a detecção e eliminação rápidas de faltas à
terra.
✓
As magnitudes das correntes de faltas à terra dependem do
método de aterramento do sistema.
19
Sistema de Aterramento
➢
Aterramento de Sistemas Elétricos:
➢
Tipo de Sistemas:
1. Sistema não aterrado (Isolado)
2. Sistema efetivamente aterrado (Aterramento sólido ou efetivo)
3. Sistema não efetivamente aterrado
✓ Aterramento através de alta impedância
✓ Aterramento ressonante
20
Sistema de Aterramento
➢
Sistema de Aterramento:
Condição:
x0
3 e
x1
Fig. 1: Sistema não aterrado ou isolado
r0
1
x1
Fig. 2: Sistema efetivamente ou solidamente aterrado
Condições:
Aterramento através de reatância:
x0
3
x1
Aterramento através de reatância:
r0
1
x1
Fig. 3: Sistema não efetivamente aterrado
21
Sistema de Aterramento
➢
Sistema Não Aterrado ou Isolado :
Vantagens:
Desvantagens:
• Mantém as cargas energizadas
em caso de falta a terra
• Dificuldade de localização da falta
• Não existem danos ao
sistema, devido a corrente de
falta a terra
• Ocorrência de sobretensões
transitórias
• Necessidade de maior isolamento dos
equipamentos
• Na ocorrência de falta fase-terra,
ocorre sobretensão nas fases não
faltosas
22
Sistema de Aterramento
➢
Sistema efetivamente ou solidamente aterrado:
Condição:
x0
3 e
x1
Vantagens:
• Reduz riscos de sobretensões
transitórias
• Localização da falta mais simples
• Menores tensões de isolação de
equipamentos
r0
1
x1
Desvantagens:
• Corrente de falta à terra
elevada
• Solicitações térmicas elevadas
durante curto circuito
monofásico
Sistema de Aterramento
➢
Sistema de Aterramento através de Alta Impedância:
➢
Sistema de Aterremanto Ressonante ou com Bobina de Petersen
Condições:
Aterramento através de reatância:
x0
3
x1
Aterramento através de reatância:
r0
1
x1
Característica:
• Instalação de um reator variável no neutro da fonte
• Corrente indutiva do reator anula corrente de falta à terra (característica
capacitiva)
• A falta é reduzida para 3 % a 10 %
• Menores tensões subtransitórias
• Instalação de resistência no neutro da fonte especificada próximo da reatância
capacitiva da linha
• Limita a corrente de curto circuito fase terra a uma faixa conhecida
• Reduz as sobretensões nas fases não faltosas em situação de curto circuito
monofásico
24
Sistema de Aterramento
➢
Sistema de Aterramento através de Alta Impedância:
➢
Sistema de Aterremanto por meio de Resistor ou Reator
Condições:
Aterramento através de reatância:
x0
3
x1
Aterramento através de reatância:
r0
1
x1
Característica:
• Instalação de resistência no neutro da fonte especificada próximo da
reatância capacitiva da linha
• Limita a corrente de curto circuito fase terra a uma faixa conhecida
• Reduz as sobretensões nas fases não faltosas em situação de curto
circuito monofásico
25
Sistema de Aterramento
➢
Sistema de Aterramento através de Alta Impedância:
➢
Sistema de Aterremanto por meio de Resistor ou Reator
Condições:
Aterramento através de reatância:
x0
3
x1
Aterramento através de reatância:
r0
1
x1
Vantagens:
Desvantagens:
• Reduz sobretensões
transitórias
• Equipamentos devem ter
isolação maior entre as fases
• Mais fácil localização de faltas
• Ainda existe sobretensão nas
fases não faltosas
• Reduz risco de incêndio devido
a formação de arco elétrico
• Reduz risco a pessoas, com
relação aos demais sistemas
• Custo mais elevado com
isolação de equipamentos
26
Sistema de Distribuição
➢ Arranjos Elétricos:
Topologia Radial com Fonte Eólica
Topologia Radial com LTs em Paralelos
Topologia radial com recurso com fonte Eólica
Topologia em Anel
Operação de Sistemas Elétricos
➢
Reconfiguração do SEP:
➢
➢
Pode aumentar o nível de curto-circuito do sistema, consequentemente:
➢
Saturar TCs afetando a confiabilidade do sistema de proteção;
➢
Superar a capacidade de curto-circuito dos equipamentos.
Aumentar o fluxo de potência:
➢
Sobrecarregar linhas e fontes (geradores e transformadores);
➢
Ultrapassar o nível de corrente de pick-up dos relés.
➢
Níveis de tensão fora da faixa permitida.
➢
Instabilidade no sistema.
28
Sistema de Controle
➢
Sistema de Controle
✓
É a soma de diferentes tarefas que interagem com o processo e
com o operador.
AMBIENTE
S
I
S
T
E
M
A
T
O
T
A
L
Componentes do Processo:
➢ Geradores
➢ Linhas de transmissão
➢ Serviços auxiliares
➢ Equipamentos
PROCESSO
(SISTEMA ELÉTRICO)
CONTROLE
DE
PROCESSO
OPERADOR
Componentes do Controle:
➢ Relés
➢ Controle de banco (CAC)
➢ Automatismos
➢ Sistemas de Automação
➢ Sistemas de comunicação.
Sistema de Controle e Proteção
➢
Formas de Controle
✓ Controle preventivo
✓ Ações de controle que visem a aumentar a segurança do
sistema.
✓ Controle corretivo
✓ Ações de controle que levam o sistema do estado de alerta
para o estado normal.
✓ Controle emergencial
✓ Ações de controle – desconexão de seção em falta, redirecionamento de potência ou corte de carga - que levam o
sistema ao estado normal ou de alerta
✓ Controle restaurativo
✓ Ações de controle para o restabelecimento da integridade do
sistema.
Sistema de Controle
➢
Formas de Controle
FORMAS DE CONTROLE
MANUAL
LOCAL
AUTOMÁTICO
REMOTO
• Função de Religamento
• Seletividade Lógica
• Atuação do relés
Equipamento
Disjunção
SCADA
Relé
• CAC Bco Capacitores
Introdução a Automação de Sistemas Elétricos
Sistema de Automação
➢
Hierarquia do Sistema de Automação – Evolução do Sistema de Controle
Nível 3
SCADA/COS
Nível 2
UCS
Nível 1
UCPs
Nível 0
Processo
UTR - Exerce as funções
de controlar e monitorar
todos os componentes da
subestação e realizar a
comunicação local com
o nível 1 e remota
com o nível 3
Relés Eletromecânicos ou
Estáticos
Composto pelos vãos,
disjuntores e secionadores
TPs, TCs
Sistema de Automação
➢
Hierarquia do Sistema de Automação – Evolução do Sistema de Controle
Nível 3
SCADA/COS
SDA
Nível 2
SCADA
IHM
UCS
Nível 1
UCPs
Nível 0
Processo
Controlar e monitorar
todos os componentes da
subestação e realizar a
comunicação local com
o nível 1 e remota
com o nível 3
Relés Núméricos
ou
Digitais
Disjuntores, TPs, TCs,
Secionadores
Sistema de Automação
➢
Sistema de Automação
Sistema de Automação
➢
Sistema de Automação
Sistema de Automação
➢
Sistema de Automação – Sistema SCADA
Sistema de Automação
➢
Sistema de Automação – Sistema SCADA – Lista de evento
Representação de Sistemas Elétricos
Diagrama Operacional
➢
Diagramas Unifilar Operacional – Regional
Fonte: Coelce
Representação dos Sistemas Elétricos
➢
Diagramas de Tempo – Curto-circuito Trifásico:
Representação dos Sistemas Elétricos
➢
Diagramas de Tempo – Geração Máxima Curto-circuito Fase-Terra:
Representação dos Sistemas Elétricos
➢
Diagramas de Tempo – Geração Mínima Curto-circuito Fase-Terra:
Diagrama Equivalente por Fase
➢
➢
➢
➢
Representa as grandezas normalizadas.
Simplifica a análise numérica.
Elimina o efeito particionador dos transformadores.
Usado para mostrar os dados de impedância de geradores, linhas,
transformadores, capacitores, cabos, etc.
Diagrama Equivalente por Fase
➢
Utilizados em estudos elétricos como fluxo de carga, curto-circuito, :
Estudos Elétricos
para Análise do SEP
Estudos Elétricos
➢
Objetivo:
✓
➢
Analisar e descrever o comportamento do sistema elétrico,
visando identificar seu desempenho diante de quaisquer
tipos de condições operativas e propor soluções para garantir a
qualidade do suprimento aos consumidores.
Gerenciamento da carga:
✓
Ações voltadas para a cobertura de qualquer deficiência de
geração, transmissão ou transformação, em que a carga a ser
atendida supera a capacidade de suprimento/atendimento da
área afetada ou implica cenários de colapso de tensão,
resultando em corte de carga.
Estudos Elétricos
Estudos Elétricos
➢
Principais Estudos Elétricos realizados:
✓
Fluxo de Potência;
✓
Curtos-Circuitos;
✓
Adequação de Equipamentos;
✓
Parametrização de Proteções;
✓
Estabilidade Eletromecânica;
✓
Qualidade de Energia Elétrica;
✓
Coordenação de Isolamento;
✓
Transitórios Eletromagnéticos.
Estudos Elétricos
➢
Fluxo de Potência:
✓
Realizado para avaliar o desempenho do sistema em regime permanente,
proporcionando o conhecimento:
✓
✓
✓
Correntes que fluem nas Linhas de Transmissão
✓
Potências reativas.
✓
Perdas
Estudos de curto prazo
✓
✓
Gera grande quantidade de informações do sistema, permitindo obter
respostas precisas e ações para manutenção dos Níveis de Tensão.
Estudos de médio e longo prazo
✓
✓
Das tensões nos barramentos das subestações das concessionárias e
de pontos de grande consumo.
Analisa os problemas existentes na rede atual, propondo ações de
infra-estrutura, como substituição de equipamentos e construção de
novos elementos, como linhas de transmissão ou subestações.
Sub-módulo 18.2 do Prorede orienta o uso do software ANAREDE do
CEPEL.
Estudo de curto-circuito
➢
Objetivo:
✓
✓
✓
✓
✓
✓
Calcular as correntes passantes nos pontos do sistema com maior
probabilidade de ocorrência de falta;
Obter o tempo máximo que cada elementos/equipamento pode
ficar submetido ao curto sem apresentar redução da vida útil.
Conhecer o comportamento das correntes de curto-circuito;
Especificar equipamentos para suportar correntes de faltas;
Cálculo dos ajustes das funções de proteção dos dispositivos de
proteção.
Ferramenta para estudo de curto-circuito
✓
✓
✓
Prorrede - software ANAFAS do CEPEL.
Os resultados do Estudo de Curto-Circuito retornam
informações sobre a relação L/R nos pontos de falta.
A relação L/R é utilizada para calcular as correntes assimétricas,
utilizadas em Estudos de Adequação de Equipamentos e
especificação de equipamentos de disjunção.
Estudos Elétricos
➢
Adequação de Equipamentos:
✓
✓
✓
Utiliza informações obtidas nos estudos de fluxo de carga e curtocircuito para determinar as características técnicas dos
equipamentos que podem ser instalados nas várias partes da rede.
Realizado quando ocorrerem mudanças significativas na topologia
da rede, com alteração nas correntes passantes.
Fatores que comprometem a vida útil de equipamentos:
✓ Temperaturas acima de seu valor nominal;
✓ Superação da capacidade de isolamento, podendo levar a
destruição total do equipamento.
Estudos Elétricos
➢
Parametrização de Proteções:
✓
✓
✓
Ajuste dos relés de proteção e interrupção para extinguir as faltas
no sistema em tempo hábil.
Permite analisar os recursos disponíveis e aprimorar a atuação dos
dispositivos de proteção/disjunção
A Coordenação e Seletividade reduz os tempos de atuação das
proteções e a porção do sistema desenergizado após uma falta
Estudos Elétricos
➢
Estabilidade Eletromecânica:
✓
✓
✓
✓
✓
✓
✓
Verifica se é possível manter os elementos do sistema interligados
na ocorrência de perturbações.
A freqüência e sua taxa de variação é a principal grandeza
avaliada nesse estudo
Os níveis de tensão podem também ser avaliados como
parâmetros secundários.
As variações aplicadas geralmente são resultantes da eliminação
de uma falta pela atuação de relés de Proteção
A Rede deve ser capaz de se manter estável quando submetidas a
estas condições adversas
Existem situações em que os cálculos apontam para uma
instabilidade, e medidas de manutenção são tomadas para
manter a continuidade de serviço.
A remoção de blocos de carga baseada na medição da freqüência é
uma ação comum.
Estudos Elétricos
➢
Coordenação de Isolamento:
✓
✓
✓
✓
✓
Define os níveis de isolamento dos equipamentos, observando a
forma como estão posicionados na rede.
Os parâmetros principais do estudo são os níveis de tensão (NBI –
Nível Básico de Isolamentos) dos equipamentos e materiais
Analisa-se o comportamento dos elementos, equipamentos e
materiais frente a surtos de tensão.
A Coordenação de isolamento busca reduzir o rompimento dos
isoladores a uma pequena área, através do uso de pára-raios e
cabos pára-raios, reduzindo os danos à Rede.
As sobretensões podem ser oriundas de fatores como:
✓
Descargas atmosféricas
✓ Faltas fase-terra
✓ Energização de linhas de transmissão (especialmente no
extremo oposto da linha),
✓ Manobras, dentre outras
✓
Software ATP
Estudos Elétricos
➢
Resultados dos estudos elétricos:
✓
Níveis tensão em pontos específicos da rede;
✓
Potência transmitida;
✓
Correntes de falta;
✓
Efeitos da variação de freqüência;
✓
Parametrização dos relés de proteção;
✓
Níveis de Isolamento de Equipamentos.
Estudos Elétricos
➢
Condições adequadas à operação do sistema elétrico:
✓
✓
✓
✓
Capacidade da geração para fornecer a demanda (carga) mais as
perdas;
Manutenção das tensões nos barramentos próximo aos valores
nominais;
Geradores operando dentro dos limites de potência ativa e reativa;
Linhas de transmissão e transformadores funcionando sem
sobrecarregadas.
Estudos Elétricos
➢
As empresas do setor elétrico e o ONS devem:
✓
✓
Manter base de dados histórica atualizada do SEP e conhecer
detalhadamente a configuração dos sistema;
Realizar estudos sistematicamente para:
✓ Fazer planejamento de curto, médio e longo prazo;
✓ Atender as exigências dos órgãos reguladores;
✓ Conhecer o comportamento em regime permanente e
transitório atual e futuros do SEP
✓ Analisar o comportamento do sistema frente a contingências e
alterações de configuração;
✓ Diagnosticar e prevê efeitos de medidas a serem adotadas;
✓ Planejar ampliações e alterações de configuração.
✓
O SEP deve ser criteriosamente representado através de uma modelagem
adequada ao tipo de estudo a ser realizado.
Planejamento
➢
Planejamento e Operação do SEP:
✓ Nas etapas de planejamento e operação dos sistemas elétricos de
potência são observados os seguintes aspectos:
✓
✓
Suprimento: Variação das demandas de potência ativa e reativa ao
longo do tempo;
Atendimento aos requisitos de qualidade de energia: Níveis de
tensão.
Planejamento
➢
Planejamento do SEP:
✓ Planejamento é um processo analítico que consiste na avaliação das
condições para o futuro através da análise dos vários cenários,
visando definir ações em função dos objetivos desejados.
✓ Tipos de Planejamento:
✓ Planejamento de curto prazo
✓ Planejamento de médio prazo
✓ Planejamento de longo prazo.
✓ Etapas do Planejamento:
✓ Síntese:
planos iniciais para o estudo do sistema.
✓ Análise: avaliação técnica da operação do sistema em termos de
requisitos de reserva, fluxo de potência sob condições
simuladas.
✓ Otimização: avaliação econômica das alternativas para determinar
aquela de mínimo custo. Maximização da segurança do sistema.
Planejamento
➢
Planejamento do SEP:
✓ Principais atividades do planejamento:
✓ Previsão de carga
✓ Planejamento da geração
✓ Planejamento dos sistemas de transmissão e distribuição
✓ Planejamento do suprimento de combustível
✓ Planejamento ambiental
✓ Planejamento financeiro.
Planejamento
➢
Planejamento do SEP: O planejamento da engenharia e da operação dos
SEPs envolvem:
✓ Estudo de Fluxo de Potência:
consiste em determinar as
tensões complexas nas barras do sistema elétricos, de forma a
permitir que fluxos de potência ativa e reativa sejam calculados.
✓ Compensação de potência reativa:
Estudo para definição da
localização e da quantidade ótima de potência reativa (capacitores,
indutores, etc) que devem ser alocados ao longo do sistema, de
maneira a garantir os níveis de tensões nas barras dentro dos
padrões requeridos
✓ Despacho econômico: consiste em determinar a distribuição
ótima da geração de potência ativa, visando a minimizar os custos
de produção de energia.
✓ Estudo de curto-circuito: consiste no cálculo das correntes de
faltas monofásicas, bifásicas e trifásicas, visando o
dimensionamento adequado do SEP (equipamentos e do sistema
de proteção, etc).
Planejamento
➢
Planejamento do SEP:
✓ Nos planejamentos da engenharia e da operação dos SEPs envolvem:
✓ Estudo das Proteções: Envolvem a determinação da seleção, da
localização e do dimensionamento dos dispositivos de proteção.
✓ Projeto do sistema de controle da geração: controle de
excitação e de velocidade dos geradores do sistema de potência
em malha fechada, de maneira que o sistema mantenha durante a
sua operação um desempenho satisfatório em termos de
freqüência e magnitude de tensão.
✓ Estudo de estabilidade:
determina o ponto de operação das
unidades geradoras da rede elétrica dentro das condições
necessárias para mantê-las em sincronismo.
✓ Estudo de expansão: analisa a expansão dos sistemas de
geração e transmissão com base nos estudos de previsão de
aumento de demanda.
Estudos Elétricos
Unidade 2:
Modelo dos Componentes do SEP