Influência da Proteção nos Indicadores de Continuidade e de Variações de Tensão

Influência da Proteção nos Indicadores de Continuidade e de Variações de Tensão de Curta Duração Thiago Clé de Oliveira José Maria de Carvalho Filho Universidade Federal de Itajubá Grupo de Estudos em Qualidade da Energia Elétrica Av BPS 1303 Bairro Pinheirinho 37500903 Itajubá MG Janilson Godinho Carvalho Companhia Energética de Minas Gerais CEMIG Resumo Os esquemas de proteção em sistemas de distribuição são concebidos de modo a minimizar o número de interrupções dos consumidores além de proteger o sistema Entretanto a filosofia ou esquema de proteção utilizado influencia diretamente tanto os indicadores de continuidade do serviço como o número de variações de tensão de curta duração nos sistemas de distribuição O propósito principal deste trabalho é responder a seguinte pergunta qual a melhor filosofia de proteção a ser aplicada tendo em vista os indicadores de qualidade Para respondêla é proposta uma metodologia que torna possível avaliar através de indicadores a influência da filosofia de proteção na qualidade da energia considerando tanto as variações de tensão de curta duração como as interrupções de longa duração Palavraschaves Qualidade de Energia Elétrica Proteção de Sistemas Elétricos Afundamentos de Tensão Elevações de Tensão Interrupções Religamentos Distribuição de Energia Elétrica I NOMENCLATURA QEE Qualidade da energia elétrica VTCD Variações de tensão de curta duração AMT Afundamento momentâneo de tensão EMT Elevação momentânea de tensão IMT Interrupção momentânea de tensão IP Interrupção permanente DEC Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora DIC Duração de Interrupção Individual por Unidade Consumidora DMIC Duração Máxima de Interrupção Contínua por Unidade Consumidora FEC Frequência Equivalente por consumidor FIC Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora II INTRODUÇÃO O sistema de Distribuição de Energia Elétrica Brasileiro compreende milhares de quilômetros de redes sendo elas subterrâneas ou aéreas A maior parte destas redes é aérea de confiabilidade menor se comparada com as redes subterrâneas estando vulneráveis a diversos tipos de ocorrências sejam elas provocadas por efeitos climáticos por acidentes envolvendo a própria população ou até por manobras indevidas realizadas no sistema elétrico A aplicação da proteção no sistema de distribuição de Energia Elétrica visa minimizar os efeitos danosos de uma ocorrência na rede A proteção busca limitar este efeito apenas ao ramal onde o mesmo ocorreu mantendo a continuidade do fornecimento aos demais consumidores Também é função da proteção eliminar uma ocorrência temporária mantendo a continuidade do fornecimento de energia aos consumidores A QEE está intimamente ligada ao sistema de proteção visto que a filosofia de proteção implantada determina a duração dos eventos e a classificação destes em eventos temporários ou permanentes Aos eventos temporários estão associados os indicadores referentes às perturbações de curta duração e aos eventos permanentes os indicadores de continuidade do serviço 1 Neste contexto o propósito deste trabalho é propor e aplicar uma metodologia que torne possível analisar através de indicadores o impacto das diversas filosofias de proteção sobre a QEE Esta proposta de metodologia faz parte de um trabalho de mestrado desenvolvido de maneira mais abrangente e com aplicações em sistemas mais complexos 2 III CONCEITOS BÁSICOS A Continuidade do serviço Interrupções de longa duração Na rede básica entendese como interrupção de longa duração a condição em que esse ponto permanece com tensão nula por um período maior ou igual a 1 um minuto em função de problemas internos ou externos à rede básica locais ou remotos programados ou não 3 Em sistemas de distribuição segundo a ANEEL 1 interrupções de longa duração são interrupções cuja duração são maiores ou iguais a três minutos O número a duração e a frequência das interrupções são quantificados através de indicadores coletivos e individuais de modo a se apurar a qualidade do serviço do sistema de suprimento Os indicadores coletivos DEC e FEC são estabelecidos para as interrupções de longa duração que afetam um conjunto de consumidores O indicador DEC corresponde ao intervalo de tempo que em média no período de observação cada unidade consumidora do conjunto considerado sofreu descontinuidade da distribuição de energia elétrica calculado conforme 1 1 k i Ca i t i DEC Cc 1 onde Ca i Número de unidades consumidoras interrompidas em um evento i no período de apuração t i Duração de cada evento i no período de apuração i Índice de eventos ocorridos no sistema que provocam interrupções em uma ou mais unidades consumidoras k Número máximo de eventos no período considerado Cc Número total de unidades consumidoras do conjunto considerado no final do período de apuração O indicador FEC corresponde ao número de interrupções ocorridas em média no período de observação que cada unidade consumidora do conjunto considerado sofreu calculado conforme 2 1 k i Ca i FEC Cc 2 Os indicadores individuais DIC DMIC e FIC são estabelecidos para as interrupções de longa duração que afetam individualmente os consumidores O indicador DIC representa o intervalo de tempo que no período de observação uma certa unidade consumidora sofreu descontinuidade no recebimento de energia elétrica calculado por 3 1 n i DIC t i 3 onde i Índice de interrupções da unidade consumidora no período de apuração variando de 1 a n n Número de interrupções da unidade consumidora considerada no período de apuração t i Tempo de duração da interrupção i da unidade consumidora considerada no período de apuração e igual ao valor correspondente ao tempo da máxima duração de interrupção i no período de apuração O indicador FIC representa o próprio número n de interrupções ocorridas no período de observação que uma certa unidade consumidora sofreu descontinuidade no recebimento O indicador DMIC retrata a duração máxima das interrupções por unidade consumidora ou ponto de conexão considerado expressa em horas e centésimos de hora apurado segundo 4 máx DMIC t i 4 B Variações de tensão de curta duração VTCDs Segundo 3 as VTCDs são eventos aleatórios de tensão caracterizados por desvio significativo por curto intervalo de tempo do valor eficaz da tensão com durações maiores que 1 ciclo e menores que 1 minuto As VTCDs referemse normalmente à tensão faseneutro do sistema e são descritas monofasicamente pelos parâmetros amplitude e duração A amplitude da VTCD é definida pelo valor extremo do valor eficaz da tensão em relação à tensão nominal do sistema no ponto considerado enquanto perdurar o evento A duração por sua vez é definida pelo intervalo de tempo decorrido entre o instante em que o valor eficaz da tensão ultrapassa determinado limite e o instante em que essa variável volta a cruzar esse limite A partir da duração e da amplitude as VTCDs são classificadas de acordo com o que se apresenta na Tabela I 4 TABELA I DENOMINAÇÃO DAS VTCDS 4 Classificação Denominação Duração da variação Amplitude da tensão valor eficaz em relação à tensão nominal Variação Momentânea de Tensão Interrupção Momentânea de Tensão Inferior ou igual a 3 segundos Inferior a 01 pu Afundamento Momentâneo de Tensão Superior ou igual a 1 ciclo e inferior ou igual a 3 segundos Superior ou igual a 01 e inferior a 09 pu Elevação Momentânea de Tensão Superior ou igual a 1 ciclo e inferior ou igual a 3 segundos Superior a 11 pu Variação Temporária de Tensão Interrupção Temporária de Tensão Superior a 3 segundos e inferior ou igual a 1 minuto Inferior a 01 pu Afundamento Temporário de Tensão Superior a 3 segundos e inferior ou igual a 1 minuto Superior ou igual a 01 e inferior a 09 pu Elevação Temporária de Tensão Superior a 3 segundos e inferior ou igual a 1 minuto Superior a 11 pu A variação momentânea de tensão compreende os eventos com duração inferior ou igual a 3 três segundos interrupção afundamento e elevação momentânea de tensão A variação temporária de tensão compreende os eventos com duração superior a 3 três segundos e inferior ou igual a 1 um minuto interrupção afundamento e elevação temporárias de tensão A ANEEL 1 classifica as VTCDs de forma semelhante a proposta do ONS porém o limite da duração das Variações Temporárias de Tensão se estende para 3 minutos Além dos parâmetros duração e amplitude já descritos a severidade da VTCD em cada fase é também caracterizada pela frequência de ocorrência que corresponde à quantidade de vezes que cada combinação dos parâmetros duração e amplitude ocorre por unidade de tempo C Proteção de sistemas aéreos de distribuição Os equipamentos de proteção mais utilizados em sistemas aéreos de distribuição são chaves fusíveis ou cortacircuitos religadores mecânicos eletromecânicos ou microprocessados seccionalizadores automáticos e disjuntores associados ou não a relés de religamento As principais funções dos equipamentos de proteção contra sobrecorrentes e faltas são 5 interromper todas as faltas dentro de sua capacidade nominal sentir as condições anormais e por outro lado devem permitir a circulação contínua das correntes normais devem ser capazes de abrir e fechar o circuito com ou sem carga A aplicação conjunta destes equipamentos de proteção em um sistema de distribuição permite que sejam ajustados de forma coordenada ou seletiva Quando o sistema de proteção é configurado de modo que o equipamento mais próximo da falta atue antes da atuação do equipamento de retaguarda podese dizer que o sistema é seletivo Desta forma o equipamento que irá atuar isolará o trecho sob falta Para que haja coordenação é necessário que se tenha no sistema de distribuição um religador ou disjuntor associado a um relé de religamento Desta forma quando da ocorrência de uma falta na rede o equipamento mais próximo desta deve atuar somente após uma duas ou três tentativas de eliminação de falta durante os religamentos do equipamento de retaguarda Quando isto ocorre dizse que o sistema é coordenado A existência de equipamentos dotados de religamentos automáticos requer que eles estejam coordenados entre si e com outros equipamentos de proteção de acordo com uma sequência de operações preestabelecida O objetivo da coordenação é evitar que faltas transitórias causem a operação de dispositivos de proteção que não tenham religamentos automáticos e que no caso de defeitos permanentes a menor quantidade possível da rede fique desligada enquanto o objetivo da seletividade é fazer com que o equipamento de proteção mais próximo ao defeito opere independente da falta ser transitória ou permanente Considerando que a maioria das faltas na rede de distribuição aérea é temporária os esquemas de proteção em sistemas de distribuição são concebidos de modo a minimizar o número de interrupções de longa duração dos consumidores IV METODOLOGIA Para implementação da metodologia proposta é necessário estabelecer algumas considerações importantes para análise dos resultados Estas considerações são enumeradas a seguir a Não é utilizada a agregação temporal para executar a contabilização das elevações dos afundamentos e das interrupções de curta duração Os eventos são computados à medida que forem acontecendo ao longo do tempo Como exemplo para os eventos apresentados na Fig1 são computadas 4 elevações de tensão Fig 1 Contabilização das elevações de tensão b Os afundamentos seguidos de interrupção são contabilizados como sendo interrupções de curta duração já que a interrupção é a mais severa Como o exemplo da Fig2 o evento de afundamento de tensão seguido da interrupção temporária é computado como sendo uma interrupção curta Fig 2 Contabilização do afundamento seguido de interrupção de curta duração c As elevações seguidas de interrupções de curta duração são computadas separadamente conforme prevê o Modulo 8 do Prodist 1 e os Procedimentos de Rede do ONS 3 O gráfico mostrado na Fig3 ilustra esta situação Veja que têmse elevações seguidas de interrupções temporárias entretanto as elevações são consideradas separadamente Fig 3 Contabilização do afundamento seguido de interrupção de curta duração d Quando o religador é configurado para trabalhar no esquema seletivo pressupõese que este é ajustado para apenas uma abertura na curva lenta Portanto nesta configuração não existirá o religamento do sistema e Os afundamentos de tensão são considerados quando a tensão registrada for menor que 09 pu inclusive nos casos onde os valores de tensão registrados são menores que 01 pu As interrupções tanto longas quanto temporárias somente são registradas quando ocorre a abertura física do dispositivo de proteção f O critério utilizado para agregação de fase é o critério de agregação pela fase crítica g Em consonância com o Módulo 8 do Prodist 1 as VTCDs são eventos de duração inferiores a 3 minutos e as interrupções permanentes iguais ou superiores a 3 minutos h As faltas aplicadas ao sistema de distribuição são faltas não simultâneas i As elevações e os afundamentos de tensão são computados separadamente independentemente do instante em que os mesmos ocorrem Para se obter os valores de corrente e tensão durante as faltas analisadas podem ser utilizados os programas convencionais para cálculo de curtocircuito Cada falta analisada pode resultar em afundamentos elevações ou interrupções A ocorrência destes eventos vai depender principalmente das localizações do ponto de falta e do ponto monitorado da filosofia do sistema de proteção aplicado da resistência e do tipo de falta Nesta proposta de procedimento o objetivo é avaliar o impacto de cada filosofia de proteção sobre os indicadores de afundamento elevações e interrupções de tensão O tratamento e análise dos resultados obtidos através das simulações de curtocircuito são manipulados de forma a se construir matrizes de dimensão nxm onde n é a quantidade de pontos de falta analisados e m se refere ao número de pontos de monitoramento Cada elemento desta matriz representa a quantidade de eventos sofridos no ponto m devido a uma falta no ponto n Considerando que são registrados quatro tipos de eventos quais sejam afundamentos elevações e interrupções de curta e longa duração têmse para cada filosofia de proteção aplicada quatro matrizes uma para cada tipo de evento A Tabela II apresenta um exemplo desta matriz onde a célula em destaque A32 representa o número de afundamentos ocorridos no ponto de monitoramento 2 devido a uma falta no ponto 3 do sistema TABELA II MATRIZ DE REGISTRO DOS EVENTOS DE AFUNDAMENTOS m pontos de monitoramento n pontos de falta 1 2 3 4 M 1 A11 A12 A13 A14 A1M 2 A21 A22 A23 A24 A2M 3 A31 A32 A33 A34 A3M 4 A41 A42 A43 A44 A4M N AN1 AN2 AN3 AN4 ANM Com o objetivo de se obter o total de eventos em cada ponto monitorado podese realizar a soma dos valores localizados na coluna correspondente aos pontos Por exemplo o total NAMT de afundamentos observados pelo ponto monitorado 2 pode ser calculado por 5 2 2 1 N AMT n n N A 5 De maneira análoga a manipulação matricial dos resultados para os demais eventos pode ser realizada da seguinte maneira Elevações de tensão construção da matriz de elementos Enm totalizando NEMTm por ponto m monitorado Interrupções de curta duração construção da matriz de elementos Cnm totalizando NICDm por ponto m monitorado Interrupções de longa duração construção da matriz de elementos Lnm totalizando NILDm por ponto m monitorado V EXEMPLO DE APLICAÇÃO Com o objetivo de demonstrar uma possível aplicação prática do procedimento proposto foi utilizado um sistema de distribuição hipotético construído com base em dados reais conforme pode ser observado na Fig 4 As 3 barras monitoradas estão realçadas por retângulos e os quatro pontos de falta estão indicados por setas Desta forma as matrizes para apresentação dos resultados serão de dimensão 3 x 4 Fig 4 Diagrama unifilar do sistema de distribuição estudado Neste trabalho somente serão discutidos resultados envolvendo as análises para faltas monofásicas FT Desta forma a Tabela III apresenta os resultados destes curtos circuitos calculados para cada ponto de falta monitorando as tensões nas barras 1 2 e 3 TABELA III RESULTADOS DAS FALTAS FT NA FASE A Barra 1 Barra 2 Barra 3 A B C A B C A B C Falta 1 0695 1 1 0149 1178 1212 0 1237 1278 Falta 2 0665 1 1 0067 1197 1237 0 1223 1266 Falta 3 0677 1 1 0 1228 1271 0099 1189 1227 Falta 4 0667 1 1 0071 1196 1235 0071 1196 1235 Adicionalmente neste exemplo de aplicação somente serão considerados curtos temporários pois são os mais frequentes A aplicação do procedimento proposto levará em conta cada filosofia de proteção ou seja coordenada e seletiva A Proteção coordenada Nestas análises de resultados considerando a proteção ajustada segundo a filosofia coordenada admitiuse que todos os defeitos são eliminados pela primeira atuação do dispositivo de retaguarda neste caso o religador da subestação As Tabelas de IV a VII apresentam os resultados para a quantidade de afundamentos elevações interrupções de curta e de longa duração TABELA IV MATRIZ DE AFUNDAMENTOS DE TENSÃO Falta Barra 1 Barra 2 Barra 3 1 1 0 0 2 1 0 0 3 1 0 0 4 1 0 0 TABELA V MATRIZ DE ELEVAÇÕES DE TENSÃO Falta Barra 1 Barra 2 Barra 3 1 0 1 1 2 0 1 1 3 0 1 1 4 0 1 1 TABELA VI MATRIZ DE INTERRUPÇÕES DE CURTA DURAÇÃO Falta Barra 1 Barra 2 Barra 3 1 0 1 1 2 0 1 1 3 0 1 1 4 0 1 1 TABELA VII MATRIZ DE INTERRUPÇÕES DE LONGA DURAÇÃO Falta Barra 1 Barra 2 Barra 3 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 Além das tabelas de resultados numéricos podese observar graficamente a evolução das tensões em cada uma das barras Por exemplo para a falta 1 têmse um esboço das evoluções das tensões mostradas na Fig5 Tais comportamentos justificam os resultados das primeiras linhas das Tabelas IV a VII ou seja um afundamento para a barra 1 e para as barras 2 e 3 uma interrupção de curta duração e uma elevação de tensão Fig 5 Evolução das tensões para a falta 1 sistema coordenado Os resultados demonstram que considerando defeitos temporários eliminados pela primeira ação do religador não serão observadas interrupções de longa duração em nenhum ponto monitorado As barras à jusante do religador neste caso barras 2 e 3 sofrerão com afundamentos sucedidos por interrupções sendo que nestes casos são contabilizadas apenas as interrupções por serem mais críticas que os afundamentos Por outro lado na barra 1 localizada à montante do religador observase a ocorrência de afundamentos sucedidos pela recuperação da tensão após a abertura do religador B Proteção seletiva De acordo com o conceito de proteção seletiva apresentado na seção IIIC os defeitos são eliminados pelo dispositivo mais próximo da falta As Tabelas de VIII a XI apresentam os resultados para a quantidade de afundamentos elevações interrupções de curta e de longa duração considerando a proteção seletiva TABELA VIII MATRIZ DE AFUNDAMENTOS DE TENSÃO Falta Barra 1 Barra 2 Barra 3 1 1 1 0 2 1 1 0 3 1 0 1 4 1 0 0 TABELA IX MATRIZ DE ELEVAÇÕES DE TENSÃO Falta Barra 1 Barra 2 Barra 3 1 0 1 1 2 0 1 1 3 0 1 1 4 0 1 1 TABELA X MATRIZ DE INTERRUPÇÕES DE CURTA DURAÇÃO Falta Barra 1 Barra 2 Barra 3 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 TABELA XI MATRIZ DE INTERRUPÇÕES DE LONGA DURAÇÃO Falta Barra 1 Barra 2 Barra 3 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 1 0 4 0 1 1 Para a análise de eventos considerando a proteção seletiva observase que quando as faltas ocorrem no mesmo ramal onde se encontra o ponto monitorado são verificadas interrupções de longa duração Um exemplo desta situação ocorre quando se observa o comportamento na barra 3 para a falta 1 quando aparece uma elevação em duas fases e uma interrupção na fase sob falta Por outro lado nas outras barras monitoradas para a mesma falta 1 serão observados afundamentos sucedidos pela recuperação da tensão assim que o fusível extinguir a falta A comprovação gráfica desta discussão é apresentada na Fig 6 Fig 6 Evolução das tensões para a falta 1 sistema seletivo VI CONCLUSÕES Este trabalho apresentou uma proposta de metodologia para a análise através de indicadores do impacto das filosofias de proteção seletiva e coordenada sobre a qualidade da energia elétrica A aplicação de esquemas coordenados em sistemas de distribuição contribui de forma significativa para a redução do número de ocorrências de interrupções permanentes Se por um lado a utilização de esquemas de religamento melhoram os indicadores de continuidade FEC DEC FIC DIC e DMIC por outro aumentam o número de ocorrência de interrupções de curta duração Em uma condição de falta no sistema as cargas instaladas a jusante do religador sofrem maior número de interrupções de curta duração e as instaladas a montante experimentam maior número de ocorrências de afundamentos e elevações de tensão inclusive as cargas conectadas a outros alimentadores que pertencem ao mesmo barramento do alimentador sob falta Transferindo o foco da análise para o impacto sobre o processo de um consumidor alimentado por um sistema de distribuição que utilize a proteção coordenada o fornecimento deste consumidor não estará sujeito às penalidades previstas para violação de limites de DEC FEC FIC DIC ou DMIC Porém uma questão deve ser levantada não estão sendo gerados eventos que podem provocar o desligamento destes processos do consumidor e consequentemente desencadear processos de pedido de ressarcimento Como ficaria a comparação entre estas duas despesas da concessionária multas versus ressarcimentos Com os resultados obtidos da aplicação da metodologia proposta é possível avaliar qual é o melhor esquema de proteção a ser implementado nos sistemas de distribuição tendo como foco a qualidade da energia desejada para os consumidores REFERÊNCIAS 1 Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional Prodist Módulo 8 Qualidade da Energia Elétrica revisão 2 de 01012011 2 Janílson Godinho Carvalho Influência da proteção na qualidade da energia elétrica Dissertação de mestrado Universidade Federal de Itajubá dezembro de 2010 3 Procedimento de Rede do Operador Nacional do Sistema Elétrico ONS Submódulo 28 Gerenciamento dos Indicadores de desempenho da rede básica e de seus componentes Julho de 2008 4 Procedimentos de Rede do Operador Nacional do Sistema ONS Submódulo 22 Padrões de desempenho da rede básica Dezembro de 2002 5 Companhia Energética de Minas Gerais CEMIG Proteção do Sistema Elétrico de Distribuição Maio de 2002