Sistema Eletrico

Sistema Eletrico

(Parte 1 de 7)

Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos

Departamento de Engenharia Elétrica

SEL 308

Introdução aos Sistemas Elétricos de Potência

Prof. Dr. Denis Vinicius Coury São Carlos

1 INTRODUÇÃO AO SETOR ELÉTRICO BRASILEIRO4
1.1 O valor econômico da energia elétrica4
1.2 O custo da falta de suprimento de energia elétrica4
1.3 A qualidade no fornecimento de energia elétrica6
2 REPRESENTAÇÃO DOS SISTEMAS DE POTÊNCIA8
2.1 Diagrama unifilar8
2.2 O Gerador1
2.3 O Transformador14
2.4 Linhas de Transmissão17
2.5 Carga18
2.6 Diagramas de impedância e reatância20
2.6.1 Diagramas de impedância20
2.6.2 Diagramas de reatâncias20
3 O SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA E SUA PROTEÇÃO23
3.1 Introdução23
3.2 A operação do sistema24
3.3 Divisão do sistema elétrico de potência25
3.4 Função das linhas de transmissão25
3.5 A necessidade da proteção de linhas de transmissão27
3.6 Causa dos defeitos em um SEP28
3.7 Efeitos da falta em um sistema elétrico de potência29
3.8 Características funcionais dos relés31
3.9 A evolução dos relés34
3.10 Classificação dos relés37
3.1 O relé de distância37
3.12 O algoritmo para proteção de distância de uma linha de transmissão38
4 O HARDWARE PARA PROTEÇÃO DIGITAL41
4.1 A arquitetura de um relé digital41
4.2 Componentes Básicos de um relé digital41
4.3 Subsistema de condicionamento de sinais43
4.3.1 Transdutores43
4.3.2 Módulo de interface43
4.3.3 Filtragem dos dados4
4.4 Subsistema de conversão45
4.4.1 Sample and Hold45
4.4.2 Multiplexador45
4.4.3 Conversão analógico/digital46
4.5 Subsistema de processamento digital do sinal46
FIGURA 1: TIPOS DE LIGAÇÕES DO SEP9
FIGURA 2: SÍMBOLOS UTILIZADOS NA REPRESENTAÇÃO DO SISTEMA10
FIGURA 3: DIAGRAMA UNIFILAR DE UM SEP1
FIGURA 5: REPRESENTAÇÃO DO GERADOR12
FIGURA 6: FORMAS DE ONDAS GERADAS NUM SISTEMA TRIFÁSICO13
FIGURA 7: FASORES TENSÃO TRIFÁSICA GERADAS13
FIGURA 8: ESQUEMA DE UM TRANSFORMADOR MONOFÁSICO14
FIGURA 9: CIRCUITO EQUIVALENTE COM PERDAS NO COBRE E NO FERRO16
FIGURA 10: REPRESENTAÇÃO DE UMA LINHA MÉDIA – CIRCUITOp17
FIGURA 12: CONEXÃO ESTRELA E DELTA DAS CARGAS19
FIGURA 13: DIAGRAMA DE IMPEDÂNCIA PARA CIRCUITOS VISTOS20
FIGURA 14: DIAGRAMA DE REATÂNCIA PARA CIRCUITOS VISTOS21
FIGURA 15: FORMA DE ONDA DE TENSÃO30
FIGURA 16:FORMA DE ONDA DE CORRENTE30
FIGURA 17: COMPOSIÇÃO DE UM SISTEMA DE PROTEÇÃO31
FIGURA 18: UM SISTEMA DE PROTEÇÃO TÍPICO E SUAS ZONAS DE PROTEÇÃO3
FIGURA 19: FLUXOGRAMA DO ALGORITMO DE PROTEÇÃO40
FIGURA 20: COMPONENTES BÁSICOS DE UM RELÉ DIGITAL42

1 Introdução ao setor elétrico Brasileiro

1.1 O valor econômico da energia elétrica

A dependência da sociedade moderna em relação ao fornecimento de energia, em suas diversas formas, seja para garantir a competitividade da nação em relação a mercados existentes e globalizados, ou seja para manter ou mesmo elevar o padrão de vida das populações, salienta a necessidade do uso mais racional e efetivo dos recursos energéticos, principalmente os não renováveis.

Esta dependência energética é satisfeita pelas fontes energéticas tradicionais como os combustíveis forceis tipo petróleo, carvão e gás, assim como pelas fontes energéticas renováveis tais como a energia hidrelétrica, a biomassa, a energia solar, eólica, etc. A energia elétrica, objetivo deste estudo, torna-se disponível aos consumidores após sua extração, transformação e transporte.

O setor energético é parte integrante da macroeconomia (relacionando o setor de energia com o resto da economia), estruturando-se e se integrando aos diversos setores da economia, enfatizando a necessidade de um consumo racional da energia de modo a maximizar o uso da energia elétrica. A questão econômica da energia elétrica é usualmente estudada com o auxilio de modelos. A modelagem dos sistemas de energia pode ser entendida como a tarefa de formular modelos, direta ou indiretamente associados com o processo de tomada de decisão.

O sistema elétrico compreende centenas de equipamentos interligados entre si e se desenvolvem por extensas áreas territoriais. Estes sistemas são planejados, construídos e operados de modo a atender os tipos de cargas mais vaiados.

1.2 O custo da falta de suprimento de energia elétrica

Como todo mercado econômico, a produção e posterior venda da energia

(produto) também apresenta um balanço entre o custo de produção e manutenção da qualidade pelo produtor.

Os custos associados à interrupção no fornecimento são associados a uma falha no abastecimento de energia demandada pelo usuário. Há também o custo econômico associado a baixos níveis de qualidade de energia ou seja, suprimento de uma energia sujas, com flutuações e harmônicas.

A não restauração do fornecimento energético ou a restauração deste após a ocorrência de uma falta em um grande espaço de tempo, aumentando o tempo não- operativos do sistema também representa um custo econômico da energia.

A qualidade no fornecimento da energia elétrica torna-se, pois, fator de importância capital na luta por maior espaços numa economia globalizada, esta qualidade é função dos seguintes atributos:

· Disponibilidade no fornecimento de energia na quantidade exigida pelo usuário,

• Suprimento de uma energia limpa, com um mínimo de flutuações no nível de tensão e a presença de ruídos,

• Rápida restauração após algum falha no sistema visando a minimização do tempo não operativo,

• A acomodação do sistema a mudanças, planejadas ou acidentais, em sua estrutura topológica, como a retirada de elementos através de manobras na rede elétrica.

Geralmente os custos de falhas no suprimento de energia elétricos são pagos pelo consumidor. No setor industrial, por exemplo, destacam-se:

• Danos aos equipamentos/instalações; • Danos à matéria prima/produto final;

• Custo de reinício da produção (após interrupção);

• Perda da produção (durante a falha e/ou reinício);

• Horas extras pagas para recuperar a produção; • Outros custos e efeitos (ex. Aquisição de equipamentos de emergência).

Admite-se que o corte no suprimento de energia elétrico diminui o PIB (Produto Interno Bruto) do país.

Tabela 1: Valores do custo da falha obtidos em pesquisas.

País Consumo Custo de Falhas (US$/KWH)

Reino Unido Residencial 1,02 Suécia Residencial 1,46

Brasil Residencial 1,95 – 3,0 Estados Unidos Industrial 2,54

Reino Unido Industrial 3,04

Brasil Industrial 1,50 – 7,12 Suécia Industrial 1,4 –2,96

Estados Unidos Comercial 4,9 Reino Unido Comercial 5,65

Assim, a necessidade crescente de energia elétrica pela sociedade moderna e os altos custos provenientes do não suprimento desta energia, como mostra a tabela acima, colocam as concessionárias de energia diante da necessidade de aumentar a oferta bem como zelar pelo bom fornecimento desta.

1.3 A qualidade no fornecimento de energia elétrica

Entende-se por qualidade no fornecimento de energia elétrica a disponibilidade, ou seja, o fornecimento ininterrupto de energia na qualidade desejada pelo usuário e a conformidade, ou seja, as concessionárias devem buscar o fornecimento de uma energia limpa, praticamente isenta de flutuações e de harmônicas, com forma de onda senoidal.

Esta tarefa é dificultada pela variedade de cargas ligadas à rede elétrica, ocasionando flutuações nas tensões e distorções na forma senoidal pura. Neste sentido, a concessionária deve monitorar continuamente os distúrbios, ajudando os consumidores a ligar corretamente seus equipamentos e, sobretudo, agir para que os problemas de um usuário não se propagem via rede elétrica.

Os principais distúrbios que podem surgir no fornecimento de energia elétrica são:

· Surtos de tensão, • Baixa de tensão,

• Distorções harmônicas,

• Modulação de baixa freqüência (flicker).

A qualidade do fornecimento de energia elétrica está intimamente ligado restaurabilidade deste, que é a capacidade dos sistemas de energia elétrica de rapidamente restaurar o fornecimento de energia, minimizando os tempos de saída de operação. Um sistema elétrico que fornece energia de qualidade deve possuir as seguintes características:

• Curto intervalo de tempo de indisponibilidade, com alto índice de disponibilidade.

• A capacidade de retornar ao estado normal de operação após uma falha no sistema.

• A capacidade de manter-se funcionando por mais tempo, inibindo as falhas devido ao desgaste dos equipamentos.

Porém, a qualidade de energia não se resume a entregar ao cliente uma energia com os atributos mencionados anteriormente

2 Representação dos Sistemas de Potência

O comportamento de um Sistema Elétrico de Potência (SEP) deve ser acompanhado sistematicamente e analisado frente às suas contingências e alterações a fim de que um diagnostico correto dos efeitos seja feito e medidas corretas sejam adotadas. Para isso, o sistema elétrico deve ser criteriosamente representado através de uma modelagem adequada ao tipo de estudo a ser realizado.

2.1 Diagrama unifilar

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