Fundamentos Gerais de Sistemas Elétricos de Potência

SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA Cícero Augusto de Souza 2 1 FUNDAMENTOS GERAIS Apresentação O objetivo desse bloco é apresentar os conceitos fundamentais de Sistemas de Potência no âmbito da geração transmissão e distribuição de energia Também será apresentado os principais estudos envolvidos nesses sistemas e uma breve recapitulação dos conceitos básicos para análise de sistemas de potência Tais considerações são muito importantes para aplicação desenvolvimento e análise de estudos de proteção por exemplo 11 Transmissão e Distribuição Estudos de Carga Proteção e Estabilidade Transmissão e Distribuição O desenvolvimento dos sistemas de corrente alternada CA começou nos EUA por volta do ano de 1885 quando George Westinghouse adquiriu patentes americanas referente aos sistemas de transmissão em corrente alternada O primeiro sistema de distribuição experimental em corrente alternada alimentando 150 lâmpadas foi instalado entre os anos de 1885 e 1886 A primeira linha de transmissão em CA nos EUA foi posta em operação em 1890 para despachar a potência gerada em uma usina hidroelétrica desde Willamette Falls até Portland uma distância aproximada de 20 km5 Inicialmente as linhas eram monofásicas porém não demorou muito para o sistema trifásico prevalecer por conta de suas vantagens no despacho de potência Essa mudança ocorreu de uma forma geral após 1894 Por conta da facilidade de elevar a tensão para altos valores e o desenvolvimento de motores de indução a corrente alternada passou a ser o padrão mais adotado para transmissão de energia No Brasil a primeira linha de transmissão foi construída por volta do ano de 1883 e tinha aproximadamente 2 km 3 Extrapolando a preocupação da época para os dias atuais a preocupação principal é o despacho dos blocos de potência da maneira mais econômica possível e com a menor quantidade de perdas possível Os grandes blocos de geração geralmente se localizam em pontos distantes dos centros urbanos centenas de quilômetros Portanto são necessárias extensas linhas de transmissão para o transporte de potência e na chegada aos centros urbanos das redes de distribuição para alimentar os usuários finais A tensão nos geradores geralmente está na faixa de média tensão 138 kV por exemplo As tensões dos geradores são elevadas para níveis de transmissão geralmente entre 138 a 765 kV E por fim as redes de distribuição operam geralmente na faixa de 11 a 345 kV5 Fonte 1 Figura 1 Esquemático de um sistema de Geração Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 4 Estudo de Carga O estudo de carga também pode ser chamado de estudo de potência fluxo de potência ou ainda estudo de fluxo de carga O objetivo desse tipo de estudo é determinar a tensão a corrente fator de potência ou potência reativa nos diversos pontos do sistema elétrico Geralmente as grandezas calculadas nesse estudo são 5 Tensão na barra Potência Ativa Potência Reativa em cada barra Cada ponto de análise de um sistema de potência é chamado de barra ou nó Geralmente em análises de linhas de transmissão são chamados de barra e nas redes de distribuição de nós Mas pode ocorrer de se referir como ambas as nomenclaturas para ambos os sistemas Com o valor da tensão em cada barra com o respectivo ângulo de defasagem entre elas é possível determinar o valor de potência em cada ponto e o seu fluxo O objetivo principal é verificar se os níveis de tensão nas barras estão dentro de parâmetros aceitáveis para operação do sistema Também são feitos estudos de carga considerando perturbações no sistema tais como perda de linhas acréscimo de carga etc Para esse tipo de estudo geralmente são utilizados softwares robustos com o auxílio de computadores com hardwares confiáveis para análise de sistemas com centenas de barrasnós No Brasil a maior parte da energia gerada é oriunda de Usinas Hidrelétricas Porém com o crescimento de outras fontes de energia em diversas barras do sistema há a necessidade de fazer um bom planejamento com estudos de carga 5 Fonte 1 Figura 2 Ilustração das principais usinas hidroelétricas no Brasil Estudo de Proteção As faltas podem ser muito prejudiciais a um sistema de potência Por isso é muito importante prevêlas e estudar o comportamento do sistema no caso de elas acontecerem e a magnitude da corrente de defeito no caso de curtoscircuitos Além da corrente esses estudos podem contemplar surtos de tensão desbalanços etc Quando se trata de corrente de defeito também é importante conhecer sua magnitude no pior caso para o correto dimensionamento de toda a aparelhagem do sistema de potência TCs barramentos disjuntores etc 6 Nesse estudo são também definidos os ajustes a serem inseridos nos relés de proteção das subestações envolvidas no sistema As correntes de curtocircuito podem ser Trifásica Bifásica Bifásica Terra Monofásica Fonte 1 Figura 3 Ilustração do comportamento da V x I durante um curtocircuito A sequência de desligamento dos relés de proteção também é definida no estudo de proteção pois durante uma falha a menor parcela possível do circuito deverá ser desligada Esse tipo de atuação é conhecida como atuação seletiva 7 Fonte 2 Figura 4 Disjuntores em cascada que devem operar de forma seletiva Como pode ser visto na figura acima uma falha na barra D deve sensibilizar somente o disjuntor P4 e isolar a falha rapidamente Mas se por um erro de ajuste do Engenheiro ou defeito no equipamento vamos supor que desligue P1 Dessa maneira uma falha na barra D irá desligar todas as barras do sistema isto é perderá a seletividade Estudo de Estabilidade A corrente que circula em um gerador de corrente alternada depende do módulo de sua tensão interna gerada da fase de sua tensão interna em relação à fase da tensão interna de cada uma das outras máquinas do sistema e ainda das características da rede e da carga Vamos como exemplo ilustrar a operação de duas máquinas geradores funcionando em paralelo se suas tensões internas forem iguais em módulo e em fase não haverá corrente circulante entre as máquinas Porém se houver diferença em fase haverá diferença das tensões e portanto circulará corrente entre as máquinas Portanto uma máquina fornecerá potência para a outra que funcionará como motor ao invés de 8 gerador Ao invés de termos duas máquinas em paralelo podemos ter uma máquina em paralelo com a rede barra infinita por exemplo Os estudos de estabilidade são classificados conforme a ocorrência de condições de estado permanente ou em condições transitórias Existe um limite definido para potência que um gerador A é capaz de fornecer como também para carga que um motor síncrono pode suportar O objetivo dos estudos de estabilidade é definir se o sistema pode se recuperar ou não no caso de uma variação brusca ou gradual de grandezas curtocircuito ou aumento de carga respectivamente Se o estudo é para analisar a variação brusca consideramos como estabilidade transitória e para variações graduais como estabilidade em regime permanente Quando a máquina não consegue se recuperar do transitório ela tende a perder o sincronismo o que não é desejável em um sistema de potência 12 Triângulo de Potência e Sentido do Fluxo de Potência Triângulo de Potência Podemos definir as potências elétricas de um sistema com trigonometria através de um triângulo retângulo conhecido como triângulo das potências Fonte 2 Figura 5 Triângulo das Potências para carga capacitiva a e indutiva b Desse triângulo podemos escrever dentre outras possíveis as equações abaixo 9 Através da trigonometria é possível definir as potências do circuito e seu fator de potência Pois trazendo para o ambiente da engenharia elétrica teremos kW Potência Ativa conhecida como P kVA Potência Aparente conhecida como S na forma complexa S P jQ kVAr Potência Reativa conhecida como Q ou Fator de Potência É o ângulo entre a potência ativa e aparente também conhecido como Assim definimos que toda a carga deve possuir no mínimo P e Q Potência Ativa e Reativa Além desses parâmetros a sua tensão nominal Por convenção em estudos de fluxo de potência costumase considerar que a carga reativa positiva é indutiva e a carga reativa negativa é capacitiva Exemplo Dado um determinado sistema que alimenta uma carga com uma potência de 4 MW e 3 MVAr Pedese a A potência complexa aparente b O fator de potência e característica da carga 10 Sentido do Fluxo de Potência A relação P Q e tensão na barra V ou tensão gerada E com respeito ao sinal P e Q é importante quando o fluxo de potência num sistema é considerado A questão envolve o sentido do fluxo de potência isto é se a potência está sendo gerada ou absorvida quando a tensão e a corrente são especificadas Para ilustrar se a potência está sendo gerada na barra ou absorvida pela barra utilizamos o sinal de positivo para fornecimento e negativo para absorção Isto é a injeção de potência em uma barra k será positiva se entrar na barra geração e negativa se sair da barra carga Essa convenção também é validada para elementos shunts Fonte 3 Figura 6 Ilustração de Potência em uma barra K 13 Grandezas em porunidade mudança de base e representação de máquinas linhas e equipamentos em pu As principais grandezas monofásicas tensão corrente potência e impedância são relacionadas pelas equações abaixo Portanto para trabalhar em pu devemos sempre definir 2 grandezas para serem as grandezas de base Geralmente adotamos como grandezas de base a tensão e a potência Qualquer tensão e potência diferente dessas bases serão representadas como um percentual ou fração dessas grandezas valor pu Assim temos Vbase V1 e Sbase S1 11 De uma forma geral para o caso de máquinas elétricas trifásicas motores geradores e transformadores os fabricantes costumam fornecer os parâmetros nominais do equipamento tensão e potência valores os quais são seus valores de base Como são equipamentos trifásicos sua impedância e corrente de base podem ser calculadas como Após converter os valores para unidade pu não utilizamos mais unidades de medida A tensão potência etc passará a ter a unidade pu Mudança de Base É aplicada quando os dados de placa do equipamento não coincidem com os valores de base do sistema Assim Transformadores em pu Os fabricantes fornecem nos dados de placa dos transformadores as grandezas abaixo 12 Por convenção adotamos como valores de base do transformador a sua potência nominal S e sua tensão nominal de maior tensão Isso se referimos para o enrolamento de maior tensão Mas também podemos referir os valores de base para o enrolamento de menor tensão assim os valores de base serão a potência nominal S e a tensão no lado de baixa tensão Os demais valores base são calculados impedância e correntes de base Fonte 4 Figura 7 Esquema de um Transformador em PU Os valores da resistência e da reatância do transformador são referidos a impedância percentual do transformador que consta nos dados de placa Com base nela e nos valores base do transformador temos condições de modelar o equipamento dentro de um sistema elétrico Como no caso de transformadores temos níveis de tensão diferentes temos que tomar cuidado para quando for transformar para a corrente ou tensão real temos que saber qual valor de base utilizar do lado AT ou BT Exemplo Um transformador trifásico de 500 kVA com tensão nominal 138038 kV e Z5 conectado a um sistema trifásico simétrico e equilibrado alimenta uma carga de 270 kW com fp 090 indutivo Utilizando os conceitos anteriores calcule a O valor real da impedância do transformador referido para o lado AT 13 b A potência e corrente na carga em pu Desconsiderar as perdas no transformador Primeiramente definimos a tensão e corrente de base coincidindo com os dados de placa do transformador Após isso calculamos a corrente e impedância de base Lado de maior tensão Lado de menor tensão a b Cálculo de complexa na carga Assim Portanto cálculo da corrente 14 Fonte Adaptado de 4 Figura 8 Esquemático do Exemplo Máquinas Elétricas Rotativas em pu Similar aos transformadores os fabricantes também fornecem os dados nominais das máquinas Essas máquinas podem ser motores e geradores Para geradores esses dados costumam ser a potência aparente nominal tensão nominal frequência e as impedâncias transitórias subtransitórias e em regime As impedâncias costumam fornecer já em pu Quando essas máquinas são motores geralmente os fabricantes especificam a potência mecânica no eixo tensão nominal e as reatâncias pu Para ambos os casos devemos considerar como valores de base principais a tensão e potência aparente nominal No caso dos motores devese calcular a potência aparente nominal absorvida pela rede quando em plena carga Os geradores e motores são representados como uma impedância no sistema Fonte 4 Figura 9 Representação de uma Máquina Rotativa em PU 15 é a reatância da máquina síncrona transitória ou subtransitoria depende da análise é a tensão interna da máquina Exemplo Um motor síncrono de 1500 cv 600 V X10 opera em plena carga com fator de potência unitário e rendimento de 895 Qual o valor ôhmico da sua reatância Sabemos que 1 cv 0736 kW Assim Linhas de Transmissão em pu O valor em PU é determinado com base na tensão de operação da linha e a potência base definida pelo sistema Pode ser feito o cálculo analogamente aos equacionamentos anteriores com as devidas adaptações A linha é um elemento passivo Conclusão Esse bloco apresentou os conceitos básicos para introdução a análise de sistemas elétricos da potência e recapitulou conceitos importantes vistos em disciplinas anteriores Todo o conteúdo apresentou as premissas básicas que o Engenheiro Eletrotécnico deve conhecer para atuar na área de Sistemas de Potência Foi abordado desde a introdução a esses sistemas bem como as diretrizes básicas para modelagem do sistema para a elaboração dos estudos a serem abordados nos próximos blocos 16 Referências Bibliográficas 1 N Kagan C C B d Oliveira e E J Robba Introdução aos Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica São Paulo Blucher 2000 2 S P Ribas Instalações Elétricas Industriais Eletrotécnica Curitiba Contentus 2020 3 A J Monticelli Fluxo de Carga em Redes de Energia Elétrica São Paulo Blucher 1983 4 C C B d Oliveira H P Schmidt N Kagan e E J Robba Introdução a Sistemas Elétricos de Potência São Paulo Blucher 2000 5 STEVENSON JR W D Elementos de Análise de Sistemas de Potência 2 ed São Paulo McGrawHill 1986