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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELÉTRICA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
GUILHERME COLTRI RAMOS
ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA PARA INTERCONEXÃO DE UMA
REDE RURAL DE 11,4 kV COM UMA REDE RURAL DE 13,8kV
PATO BRANCO
2017
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
GUILHERME COLTRI RAMOS
ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA PARA INTERCONEXÃO DE
UMA REDE RURAL DE 11,4 KV COM UMA REDE RURAL DE 13,8 KV
Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do Curso de Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico de Elétrica – DAELE – da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Câmpus Pato Branco, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Dr. Alexandre Batista de Jesus Soares
PATO BRANCO
2017
TERMO DE APROVAÇÃO
O trabalho de Conclusão de Curso intitulado “Estudo de viabilidade técnica
para interconexão de uma rede rural de 11,4 kV com uma rede rural de 13,8 kV”, do
aluno “Guilherme Coltri Ramos” foi considerado APROVADO de acordo com a ata
da banca examinadora N° 167 de 2017.
Fizeram parte da banca os professores:
Prof. Dr. Alexandre Batista de Jesus Soares
Prof. Me. César Augusto Portolann
Prof.ª. Me. Ana Cristina Alves Silveira Lima
A Ata de Defesa assinada encontra-se na Coordenação do Curso de
Engenharia Elétrica
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a todos aqueles que um dia sonharam e
alcançaram.
AGRADECIMENTOS
Aos membros de minha família, que me forneceram todas as condições
necessárias para que eu pudesse trabalhar arduamente na realização de um sonho.
A minha companheira, que sofreu ao meu lado todos os percalços desta
trajetória.
Ao meu orientador Alexandre, que forneceu suporte técnico-científico na
elaboração do trabalho.
Aos meus queridos amigos, que por vezes deixaram seus afazeres para
auxiliar-me durante a elaboração desta monografia.
EPÍGRAFE
Emancipate yourselves from mental slavery, none but ourselves
can free our minds. (MARLEY, Bob, 1980).
Emancipe-se da escravidão mental, ninguém além de nós
mesmos pode libertar nossas mentes. (MARLEY, Bob, 1980).
RESUMO
RAMOS, Guilherme Coltri. Estudo de viabilidade técnica para interconexão de uma rede rural de 11,4 kV com uma rede rural de 13,8 kV. 2017. 83 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2017.
A qualidade do serviço na distribuição de energia elétrica, além de economicamente atraente para a distribuidora, também é de grande valor social para quem é atendido por este serviço. O objetivo desta pesquisa é o estudo da viabilidade técnica para a interconexão de dois sistemas distintos de distribuição de energia elétrica para uma melhoria dos índices de continuidade no fornecimento de eletricidade aos dois sistemas. A proposta é a instalação de uma subestação integradora, pois os sistemas são alimentados por níveis de tensão distintos, 11,4 kV e 13,8 kV. Foi analisado a resposta dos sistemas a partir da interconexão e a resposta dos mesmos com contingências em diversas partes dos ramais alimentadores e avaliada a viabilidade.
Palavras-chave: Interconexão, Subestação, Índices de fornecimento, Simulação.
ABSTRACT
RAMOS, Guilherme Coltri. Technical feasibility study for the interconnection of a rural grid 11,4 kV with a rural grid of 13,8 kV. 2017. 83 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2017.
The quality of the service in the distribution of electric energy, besides being economically attractive to the distributor, is also of great social value for those who are served by this service. The objective of this research is the study of the technical viability for the interconnection of two different systems of electric energy distribution for an improvement of the indices of continuity in the supply of electricity to both systems. The proposal is to install an integrating substation, since the systems are fed by different voltage levels, 11,4 kV and 13,8 kV. The response of the systems from the interconnection and their response with contingencies in several parts of the feeder lines was analyzed and the viability evaluated.
Keywords: Interconnection, Substation, Supply rates, Simulation.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Esquema simplificado dos ramais de ligação ........................................... 24
Figura 2 – Esquema simplificado dos ramais de ligação pós-estudo ........................ 25
Figura 3 – Diagrama unifilar do sistema elétrico de potência .................................... 28
Figura 4 – Representação do modelo de linhas médias ........................................... 29
Figura 5 – Representação do modelo de linhas curtas ............................................. 29
Figura 6 – Potência consumida em função da tensão aplicada à carga ................... 33
Figura 7 – Diagrama esquemático das três possibilidades de paralelismo entre
alimentadores ............................................................................................................ 34
Figura 8 – Bitolas de cabos e comprimentos da rede de 11,4 kV ............................. 37
Figura 9 – Bitolas de cabos e comprimentos da rede de 13,8 kV ............................. 39
Figura 10 – Representação do agrupamento de cargas na rede 11,4 kV ................. 40
Figura 11 – Representação do agrupamento de cargas na rede 13,8 kV ................. 41
Figura 12 – Representação do espaçamento entre as cargas na rede 11,4 kV ........ 42
Figura 13 – Representação do espaçamento entre as cargas na rede 13,8 kV ........ 42
Figura 14 – Esquemático obtido no Simulink da rede de 11,4 kV ............................. 43
Figura 15 – Esquemático obtido no Simulink da rede de 13,8 kV ............................. 44
Figura 16 – Tensões de linha na saída do alimentador de 11,4 kV ........................... 45
Figura 17 – Tensões de linha no final do trecho 1 da rede de distribuição de
11,4 kV.......................................................................................................................46
Figura 18 – Tensões de linha no final do trecho 2 da rede de 11,4 kV ..................... 47
Figura 19 – Tensões de linha no final do trecho 4 da rede de 11,4 kV ..................... 47
Figura 20 – Tensões de linha na saída do alimentador de 13,8 kV ........................... 48
Figura 21 – Tensões de linha no fim do trecho 2 da rede 13,8 kV ............................ 48
Figura 22 – Esquema do sistema operando em regime ............................................ 50
Figura 23 – Tensão na saída do alimentador 11,4 kV após a interconexão .............. 50
Figura 24 – Tensão no final do trecho 1 do alimentador de 11,4 kV antes e após a
interconexão .............................................................................................................. 51
Figura 25 – Tensão no final do trecho 2 do alimentador de 11,4 kV antes e após a
interconexão .............................................................................................................. 51
Figura 26 – Tensão no final do trecho 4 do alimentador de 11,4 kV antes e após a
interconexão .............................................................................................................. 52
Figura 27 – Tensão na saída do alimentador 13,8 kV após a interconexão .............. 52
Figura 28 – Tensão no fim do trecho 2 do alimentador de 13,8 kV antes e após a
interconexão .............................................................................................................. 53
Figura 29 – Demonstrativo do local da falta no trecho 4 ........................................... 54
Figura 30 – Tensão na saída do alimentador de 11,4 kV com falha no trecho 4 ...... 55
Figura 31 – Tensão no final do trecho 2 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha
no trecho 4 ................................................................................................................ 55
Figura 32 – Tensão no final do trecho 3 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha
no trecho 4 ................................................................................................................ 56
Figura 33 – Tensão na saída do alimentador de 13,8 kV com falha no trecho 4 ...... 56
Figura 34 – Tensão no trecho 2 do alimentador de 13,8 kV antes e após falha no
trecho 4 ..................................................................................................................... 57
Figura 35 – Tensão no trecho 4 do alimentador 11,4 kV antes e após falha no
trecho 4.......................................................................................................................58
Figura 36 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 4 do alimentador 11,4 kV
antes e após falha no trecho 4 .................................................................................. 58
Figura 37 – Demonstrativo do local da falta no trecho 3 ........................................... 59
Figura 38 – Tensão na saída do alimentador 11,4 kV com falha no trecho 3 ........... 60
Figura 39 – Tensão no final do trecho 2 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha
no trecho 3 ................................................................................................................ 60
Figura 40 – Tensão no final do trecho 4 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha
no trecho 3 ................................................................................................................ 61
Figura 41 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 4 do alimentador 11,4 kV
antes e após falha no trecho 3 .................................................................................. 61
Figura 42 – Tensão no início do trecho 3 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha
no trecho 3 ................................................................................................................ 62
Figura 43 – Detalhe da diferença da tensão no início do trecho 3 do alimentador
11,4 kV antes e após falha no trecho 3 ..................................................................... 62
Figura 44 – Tensão na saída do alimentador de 13,8 kV com falha no trecho 3 ...... 63
Figura 45 – Tensão no final do trecho 2 do alimentador de 13,8 kV antes e após falha
no trecho 3 ................................................................................................................ 63
Figura 46 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 2 do alimentador 13,8 kV
antes e após falha no trecho 3 .................................................................................. 64
Figura 47 – Demonstrativo do local da falta no trecho 2 do alimentador 2 ................ 65
Figura 48 – Tensão na saída do alimentador de 11,4 kV com falha no trecho 2 do
alimentador 2 ............................................................................................................. 65
Figura 49 – Tensão no final do trecho 2 do alimentador de 11,4 kV com falha no
trecho 2 do alimentador 2 .......................................................................................... 66
Figura 50 – Tensão no final do trecho 4 do alimentador de 11,4 kV com falha no
trecho 2 do alimentador 2 .......................................................................................... 67
Figura 51 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 4 do alimentador 11,4 kV
antes e após falha no trecho 2 .................................................................................. 67
Figura 52 – Tensão na saída do alimentador de 13,8 kV com falha no trecho 2 do
alimentador 2 ............................................................................................................. 68
Figura 53 – Tensão no final do trecho 2 do alimentador de 13,8 kV com falha no
trecho 2 do alimentador 2 .......................................................................................... 68
Figura 54 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 2 do alimentador 11,4 kV
antes e após falha no trecho 2 .................................................................................. 69
Figura 55 – Tensão no início do trecho 2 do alimentador de 13,8 kV antes e após falha
no trecho 2 ................................................................................................................ 69
Figura 56 – Detalhe da diferença da tensão no início do trecho 2 do alimentador 11,4
kV antes e após falha no trecho 2 ............................................................................. 70
Figura 57 – Demonstrativo da perda do alimentador de 11,4 kV .............................. 71
Figura 58 – Tensão no início do trecho 1 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha
no alimentador 1 ........................................................................................................ 71
Figura 59 – Detalhe da diferença da tensão no início do trecho 1 do alimentador 11,4
kV antes e após falha no início do alimentador 1 ...................................................... 72
Figura 60 – Tensão no fim do trecho 2 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha
no alimentador 1 ........................................................................................................ 72
Figura 61 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 2 do alimentador 11,4 kV
antes e após falha no início do alimentador 1 ........................................................... 73
Figura 62 – Tensão no fim do trecho 4 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha
no alimentador 1 ........................................................................................................ 73
Figura 63 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 4 do alimentador 11,4 kV
antes e após falha no início do alimentador 1 ........................................................... 74
Figura 64 – Tensão no fim do trecho 2 do alimentador de 13,8 kV antes e após falha
no alimentador 1 ........................................................................................................ 74
Figura 65 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 2 do alimentador 13,8 kV
antes e após falha no início do alimentador 1 ........................................................... 75
Figura 66 – Demonstrativo da perda do alimentador de 13,8 kV .............................. 76
Figura 67 – Tensão no fim do trecho 2 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha
no alimentador 2 ........................................................................................................ 76
Figura 68 – Tensão no fim do trecho 4 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha
no alimentador 2 ........................................................................................................ 77
Figura 69 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 4 do alimentador 11,4 kV
antes e após falha no início do alimentador 2 ........................................................... 77
Figura 70 – Tensão no fim do trecho 2 do alimentador de 13,8 kV antes e após falha
no alimentador 2 ........................................................................................................ 78
Figura 71 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 2 do alimentador 13,8 kV
antes e após falha no início do alimentador 2 ........................................................... 78
Figura 72 – Tensão no início do trecho 1 do alimentador de 13,8 kV antes e após falha
no alimentador 2 ........................................................................................................ 79
Figura 73 – Detalhe da diferença da tensão no início do trecho 1 do alimentador 13,8
kV antes e após falha no início do alimentador 2 ...................................................... 79
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Distâncias entre condutores (mm) ........................................................... 38
Tabela 2 – Resistências e reatâncias indutivas, em Ω/km a 60Hz ............................ 38
Tabela 3 – Impedâncias em cada trecho da rede de distribuição 11,4 kV ................ 38
Tabela 4 – Impedâncias em cada trecho da rede de distribuição 13,8 kV ................ 39
Tabela 5 – Tensões admissíveis para ponto de entrega igual ou inferior a 1 kV
(380 V, 220 V e 127 V) .............................................................................................. 53
LISTA DE ABREVIATURAS
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
DEC Duração Equivalente de Interrupção por Consumidor
DIC Duração de Interrupção Individual por Unidade Consumidora
DMIC Duração Máxima de Interrupção Contínua por Unidade
Consumidora
FEC Frequência Equivalente de interrupção por Consumidor
FIC Frequência de Interrupção Individual por Unidade
Consumidora
INFRACOOP Confederação Nacional das Cooperativas de Infraestruturas
PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema
Elétrico Nacional
LISTA DE SÍMBOLOS
DIC Duração de interrupção individual por unidade consumidora
FIC Frequência de interrupção individual por unidade consumidora
DMIC Duração máxima de interrupção contínua por unidade consumidora
i Índice de interrupções da unidade consumidora
( )t i Duração da interrupção i da unidade consumidora
n Número de interrupções da unidade consumidora
( )maxt i Tempo máximo de interrupção contínua
DEC Duração equivalente de interrupção por consumidor
FEC Frequência equivalente de interrupção por consumidor
Cc Número total de unidades consumidoras atendidas do conjunto
km Quilômetros
m Metro
V Tensão
P Potência ativa
Q Potência reativa
1( )f V Função que representa a relação entre a potência e a tensão
aplicada
2( )f V Função que representa a relação entre a potência e a tensão
aplicada
S Potência aparente
Ângulo da potência aparente
Ângulo da tensão
I Corrente
Z Impedância
R Resistência
X Reatância
abD Distância entre os condutores a e b
bcD Distância entre os condutores b e c
acD Distância entre os condutores a e c
rmsV Tensão eficaz
picoV Tensão de pico
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................. 20
1.1 OBJETIVO GERAL ....................................................................................... 25
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................ 26
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ..................................................................... 26
2 O SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA ..................................................... 27
2.1 INTRODUÇÃO.............................................................................................. 27
2.2 CARACTERIZAÇÃO DOS SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA .......... 27
2.3 IMPEDÂNCIAS NAS REDES DE DISTRIBUIÇÃO ....................................... 28
2.4 MODELO DE CARGAS ................................................................................ 29
2.4.1 Carga de potência constante ........................................................................ 31
2.4.2 Carga de corrente constante ........................................................................ 31
2.4.3 Carga de impedância constante ................................................................... 32
2.4.4 Composição dos modelos anteriores ............................................................ 33
2.5 MUDANÇA DE CONFIGURAÇÃO DE ALIMENTADOR RADIAL PARA ANEL
FECHADO ................................................................................................................. 34
3 SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO ESTUDADO ................................................ 36
3.1 MODELAGEM DA REDE DE DISTRIBUIÇÃO ............................................. 36
3.1.1 Impedâncias nas redes de distribuição ......................................................... 36
3.1.2 Cargas ao longo das redes de distribuição ................................................... 39
4 SIMULAÇÃO DO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO ........................................ 43
4.1 SIMULAÇÃO DA INTERCONEXÃO DAS REDES DE DISTRIBUIÇÃO ....... 49
4.1.1 Simulação do sistema em regime ................................................................. 49
4.1.2 Simulação do sistema com a perda do trecho 4 do alimentador 1 ............... 54
4.1.3 Simulação do sistema com a perda do trecho 3 e 4 do alimentador 1 ......... 59
4.1.4 Simulação do sistema com a perda do trecho 2 do alimentador 2 ............... 64
4.1.5 Simulação do sistema com a perda do alimentador 1 .................................. 70
4.1.6 Simulação do sistema com a perda do alimentador 2 .................................. 75
5 CONCLUSÕES ............................................................................................ 81
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 83
20
1 INTRODUÇÃO
Por diversas vezes poderá ser indagado qual a importância da eletricidade
na vida dos seres humanos, e esta pergunta traz inúmeras respostas, pois de fato, a
eletricidade é essencial para o bem-estar dos seres humanos. A eletricidade se tornou
a principal fonte de calor, força e luz utilizada no mundo, diversas atividades, desde
as mais simples, como assistir seu programa favorito na televisão ou navegar na
internet até as mais importantes e complexas como a produção industrial e
desenvolvimento de tecnologias só se tornam possíveis na escala atual devido a
energia elétrica. Como o engenheiro deverá se preocupar com os aspectos de
qualidade da energia que é entregue aos diversos tipos de consumidores.
Portanto, será feita uma breve análise sobre o que é esta qualidade.
Segundo (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA, 2010) o fornecimento de energia elétrica deve
obedecer dois conceitos básicos, normalmente denominados de qualidade do serviço
e qualidade do produto.
Assim pode-se definir o conceito de qualidade do serviço, de maneira
simples, como a continuidade do serviço, no caso a energia elétrica e, portanto, as
interrupções provocadas por desligamentos provenientes de falhas no sistema ou por
manutenções preventivas da rede de distribuição. Para um controle desta qualidade
do serviço, as empresas distribuidoras de energia devem adotar indicadores
individuais e coletivos de qualidade do serviço oferecido impostos pela Agência
Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Estes indicadores podem ser avaliados de
duas maneiras, utilizando uma análise a posteriori, que são uma análise dos dados
de interrupções provocadas por falhas do sistema de distribuição e a priori, que são
uma análise das estimativas de interrupções do fornecimento provocadas por
manutenções preventivas e melhorias da rede de distribuição (KAGAN; OLIVEIRA;
ROBBA, 2010).
Primeiramente serão apresentados alguns indicadores individualizados,
que fornecem as empresas de distribuição de energia, a ANEEL e aos consumidores
informações relativas a continuidade do fornecimento de energia elétrica. Estes
indicativos são denominados, segundo o manual de Procedimentos de Distribuição de
Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST), como Duração de
Interrupção Individual por Unidade Consumidora (DIC), Frequência de Interrupção
21
Individual por Unidade Consumidora (FIC) e Duração Máxima de Interrupção Contínua
por Unidade Consumidora (DMIC), estes indicadores estão expressos formalmente
como sendo (ANEEL, 2016):
1
( )n
i
DIC t i
( 1 )
FIC n ( 2 )
( )maxDMIC t i ( 3 )
Sendo:
i índice de interrupções da unidade consumidora no período de apuração;
( )t i duração da interrupção i da unidade consumidora;
n número de interrupções da unidade consumidora considerada, no
período de apuração;
( )maxt i tempo máximo de interrupção contínua, para uma unidade
consumidora.
Também são utilizados mais dois indicadores coletivos que são
denominados, segundo o PRODIST, de Duração Equivalente de Interrupção por
Consumidor (DEC) e Frequência Equivalente de Interrupção por Consumidor (FEC),
ambos indicadores fornecem a duração e a frequência, respectivamente, média das
interrupções ocorridas durante o ano (ANEEL, 2016), estas informações tornam-se
úteis à concessionária de energia elétrica para uma análise da qualidade do serviço
prestado aos seus consumidores, estes indicadores são expressos por:
1
( )Cc
i
DIC i
DECCc
( 4 )
22
1
( )Cc
i
FIC i
FECCc
( 5 )
Sendo:
i índice de unidades consumidoras do conjunto;
Cc número total de unidades consumidoras atendidas do conjunto.
Embora todos estes indicadores coletivos e individuais têm valores
máximos pré-estabelecidos pela ANEEL, muitas vezes a melhoria destes traz às
concessionárias maiores benefícios, pois a energia que se deixa de fornecer aos
consumidores é a mesma energia que deixa de ser tarifada pela empresa, sendo
assim, quanto melhores forem os indicadores de fornecimento de energia elétrica
maiores serão os ganhos das empresas distribuidoras de energia elétrica. Assim,
pode-se concluir que o interesse em aumentar a qualidade do serviço de distribuição
de energia elétrica é, de fato, um assunto de interesse tanto do consumidor quanto da
empresa distribuidora.
O objeto de estudo será uma cooperativa de eletrificação rural da região
de Tupã, situada na região centro oeste paulista, esta cooperativa está em processo
de regulamentação para se tornar uma permissionária perante o órgão de
regulamentação do setor elétrico ANEEL, pois a cooperativa se enquadra no artigo 23
da lei nº 9.074 de 7 de julho de 1995, no qual se refere a compatibilização das áreas
de atuação entre as empresas concessionárias do serviço de distribuição de energia
elétrica com a atuação das cooperativas de distribuição de energia.
Em meio ao processo de regulamentação da cooperativa existe a
preocupação em atender as exigências impostas pelo capítulo 3, artigo 7 da resolução
ANEEL nº 012 de 11 de janeiro de 2002, que prevê a prestação de serviço adequado
pela cooperativa. Embora essa resolução da ANEEL esteja sendo contestada,
principalmente pelos prazos exigidos para adequação e a duração das permissões
(INFRACOOP, 2004), pela Confederação Nacional das Cooperativas de
Infraestruturas (INFRACOOP) existe a preocupação da cooperativa em se adequar a
essa resolução.
A atuação desta cooperativa está basicamente ligada ao fornecimento de
energia elétrica a pequenos produtores rurais, porém existem também alguns
23
consumidores que demandam maior potência, que é o caso dos produtores de ovos,
na área rural do município de Bastos.
Bastos é um pequeno município do interior paulista, situado a
aproximadamente 550 km da capital paulista e a 30 km do município de Tupã, o
município se destaca no cenário nacional por sua produção de ovos, a cidade detém
uma produção de 18,7 milhões de ovos por dia, segundo estimativa do Sindicato Rural
de Bastos (AVICULTURA INDUSTRIAL, 2016). Na região existem aproximadamente
120 granjas industriais nas quais estão alojadas cerca de 22 milhões de aves, sendo
a maior produtora de ovos do país. Muitas destas granjas produtoras de ovos contam
também com unidades de processamento de ovos, como a preparação e disposição
do produto em cartelas para serem comercializados in natura ou o beneficiamento dos
ovos para serem comercializados na forma separada entre gema e clara para a
produção alimentícia. Muitas destas granjas industriais contam com sistemas
automatizados de manejo, produção e beneficiamento na produção de ovos.
Tendo em vista que muitas destas granjas são atendidas pela cooperativa
de eletrificação rural em que está fundamentado este estudo e que o fornecimento de
energia elétrica é essencial para estes produtores rurais devido ao fato das aves
serem sensíveis a variação de temperatura, provocando a morte dos animais, já que
o controle da temperatura é feita com o uso de equipamentos elétricos, sem mencionar
que a produção é paralisada causando grandes prejuízos aos produtores da
microrregião que são a base de toda a produção agroindustrial do município, será
proposto, então, um estudo para melhoria no serviço de suprimento de energia elétrica
nesta região em que estão situados estes produtores.
Visando a melhoria nos índices de continuidade do fornecimento de energia
elétrica a estes consumidores será proposto um estudo para a interconexão de duas
redes de distribuição que são alimentadas por sistemas distintos. No caso de falta no
atendimento aos consumidores da região, um sistema alternativo pode ser acionado
e manter o fornecimento de energia para grande parte destes consumidores.
24
O sistema estudado é apresentado na Figura 1.
D D DD
D D
Alimentador 1 – 11,4 kV Alimentador 2 – 13,8 kV
D D
SE SE
Figura 1 – Esquema simplificado dos ramais de ligação Fonte: Autoria própria
Nesta configuração, se uma falha ocorrer no ramal de atendimento 1, por
exemplo, todos os produtores a jusante do ponto da falha terão o fornecimento da
energia elétrica interrompido devido a atuação dos sistemas de proteção, indicados
na Figura 1 com os blocos D, até que a equipe de manutenção se desloque até o
ponto onde ocorreu o problema para poder sana-lo, reestabelecendo o fornecimento
de energia elétrica, o mesmo ocorre no ramal de atendimento 2.
Este estudo pretende avaliar a possibilidade de interconexão entre as duas
regiões de atendimento da empresa, como pode ser visto na Figura 2. Uma das
dificuldades da avaliação está no fato de que os alimentadores fornecem energia em
níveis de tensão distintos, o alimentador 1 situado no município de Bastos fornece
uma tensão de 11,4 kV, enquanto o alimentador 2 situado no município de Tupã
fornece uma tensão de 13,8 kV este fato se dá por ocorrências históricas, pois no
passado ambos os alimentadores eram de propriedade de empresas distribuidoras de
energia distintas, fruto de prospecções distintas que visavam levar via férrea e
eletricidade ao interior paulista, que usavam padrões distintos, com o passar dos anos
25
estas empresas se tornaram propriedade de uma única empresa, o Grupo Energisa,
mas que manteve seus níveis de tensão sem uma padronização.
D D DD
D D
Alimentador 1 – 11,4 kV Alimentador 2 – 13,8 kV
D D
SE SE
NA
Ponto de
Interconexão
Figura 2 – Esquema simplificado dos ramais de ligação pós-estudo Fonte: Autoria própria
Desta maneira, se ocorrer uma falha em qualquer um dos ramais de
alimentação, pode-se acionar o sistema de interconexão para atender os
consumidores a jusante da falha, ficando isolado pelo sistema de proteção apenas
uma pequena região em torno da falha e assim um menor número de consumidores
serão atingidos por eventuais problemas no sistema de distribuição de energia
elétrica.
1.1 OBJETIVO GERAL
Realizar um estudo de viabilidade técnica referente a interconexão entre
uma rede de distribuição rural de 11,4 kV com uma rede de distribuição rural de
13,8 kV visando a melhoria na qualidade do fornecimento de energia elétrica.
26
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Obter as informações referentes as redes de distribuição estudadas junto a
cooperativa.
Realizar o estudo dos arranjos de interconexão entre redes de distribuição
com níveis de tensão distintos.
Realizar a modelagem das redes de distribuição com o objetivo de viabilizar
a simulação em software.
Verificar o comportamento das redes após a realização da interconexão e
simular eventuais falhas no sistema.
Avaliar se as estruturas já existentes nas redes de distribuição e as
subestações alimentadoras suportam esta nova configuração proposta.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho está organizado com o propósito de embasar os estudos e
facilitar o entendimento dos conceitos que se fazem necessários, assim a sequência
encontra-se disposta da forma seguinte.
No capítulo 2 são apresentados fundamentos básicos do sistema elétrico
de potência, impedâncias nas redes de distribuição, modelos de cargas e mudança
na configuração de alimentador radial para anel fechado.
No capítulo 3 estão apresentados a modelagem das redes de distribuição
de energia elétrica.
No capítulo 4 estão demonstrados os resultados obtidos na simulação dos
sistemas funcionando separadamente, bem como as simulações dos sistemas em
funcionamento após interconexão.
No capítulo 5 as conclusões referentes a viabilidade de interconexão dos
sistemas de distribuição.
27
2 O SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA
2.1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo serão tratados alguns fundamentos básicos de sistemas de
distribuição. Juntamente serão tratados os tipos de carga envolvidos em um sistema,
definindo os conceitos de alimentadores do tipo anel fechado.
2.2 CARACTERIZAÇÃO DOS SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA
O sistema elétrico de potência se divide em geração, transmissão,
subtransmissão e distribuição. A geração é o início do sistema elétrico de potência,
tem como objetivo a conversão de diversas formas de energia para a energia elétrica.
Esta energia gerada passa por um processo de elevação da tensão a níveis
denominados de alta tensão, variam de 750 kV à 138 kV (KAGAN; OLIVEIRA;
ROBBA, 2010).
Estes níveis de tensão denomidados de alta tensão são utilizados nas
linhas de transmissão, que são responsáveis em levar a energia proveniente dos
centros de produção até os grandes centros de consumo de energia. As linhas de
transmissão também são responsáveis por interligações do sistema elétrico,
aumentanto, assim, a confiabilidade do sistema e possibilitanto intercâmbios de
energia entre regiões (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA, 2010).
As linhas de transmissão chegam até subestações abaixadoras regionais,
com o objetivo de diminuir a tensão à níveis menores, denominados de média tensão,
mas também é comum encontrar redes de subtransmissão ainda em níveis de alta
tensão, normalmente os níveis de subtransmissão estão entre 138 kV, 69 kV e
34,5 kV, as linhas de subtransmissão são responsáveis pela entrega de energia até
as subestações abaixadoras locais (FUCHS, 1977).
As redes de distribuição primária, geralmente possuem tensões ainda
menores se comparadas as redes de subtransmissão, estas tensões são reduzidas a
níveis que não prejudiquem o transporte de energia e ao mesmo tempo que ofereça
28
risco reduzido ao se encontrarem em vias públicas, usualmente os níveis de tensão
estão entre 34,5 kV e 13,8kV (FUCHS, 1977).
O estágio final da distribuição de energia elétrica esta na rede de
distribuição secundária, estas apresentam níveis de tensão mais baixos, usualmente
entre 380 V à 110 V. Nestes níveis de tensão as concessionárias de energia entregam
ao consumidor final por meio de padrões de ligação dotados de medidores de energia.
Na Figura 3 tem-se uma representação unifilar simplificada do sistema elétrico de
potência, desde a geração até o seu destino final que são os consumidores.
Distribuição Secundária
Distribuição Primária
SubtransmissãoTransmissãoGeração
Figura 3 – Diagrama unifilar do sistema elétrico de potência Fonte: Adaptado de Kagan, Oliveira e Robba (2010)
2.3 IMPEDÂNCIAS NAS REDES DE DISTRIBUIÇÃO
As redes de transmissão e distribuição de energia elétrica possuem três
parâmetros principais, resistência, indutância e capacitância, todas essas grandezas
se distribuem uniformemente por toda a extensão das redes, estes parâmetros
influenciam diretamente nas perdas no sistema de energia elétrica e por este motivo
devem ser estudados.
Para estudos das perdas nas redes de distribuição pode-se adotar modelos
com parâmetros concentrados. Na Figura 4, tem -se o modelo concentrado para linhas
médias, com comprimentos entre 80 km e 200 km, neste modelo as capacitâncias
presentes nas linhas são representadas como capacitâncias shunt e a resistência e
impedância são representadas em série (STEVENSON, 1986).
29
R L
C/2 C/2VCe
Figura 4 – Representação do modelo de linhas médias Fonte: Autoria própria
Para modelos de rede curtas, com comprimentos de até 80 km, as
capacitâncias são desprezadas e o modelo é reduzido à apenas as resistências e
indutâncias, como ilustrado na Figura 5. No presente trabalho foi utilizado o modelo
de linhas curtas.
R L
e Vc
Figura 5 – Representação do modelo de linhas curtas Fonte: Autoria própria
A resistência tem relação direta com o material empregado na fabricação
dos cabos das redes, bem como área da seção transversal e do comprimento. Já a
indutância tem relação com o espaçamento entre os cabos e a indutância mutua entre
eles.
Assim, as impedâncias das redes de transmissão podem ser calculadas
levando em consideração o tipo de cabos utilizados e sua bitola, bem como o
espaçamento médio entre eles.
2.4 MODELO DE CARGAS
A carga é uma representação da demanda do sistema, em um determinado
ponto de interesse, e pode ser separada em carga leve, carga média e carga pesada
30
(ANEEL, 2016). Estes tipos de carga são definidos em relação ao tempo em que o
consumo apresenta certas características comuns.
A carga pesada ocorre, normalmente, no horário de ponta que ocorre entre
as 18 e 21 horas. Já a carga leve normalmente ocorre no período onde o consumo é
mínimo, normalmente entre 1 e 5 horas, e no período restante tem-se a chamada
carga média. As estações do ano, região do país e feriados afetam o período de
ocorrência dessas cargas (ANEEL, 2016).
As cargas em sistema de potência, embora sejam peculiares pois cada
unidade consumidora tem suas características, apresentam algumas características
em comum, como, por exemplo, a localização geográfica, dependência da energia
elétrica, finalidade da energia fornecida, perturbações causadas pela carga, a
tarifação e a tensão de fornecimento, tais aspectos são utilizados para classificar
consumidores e suas cargas (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA, 2010).
O comportamento em regime permanente senoidal é definido pela forma
construtiva e o princípio de funcionamento de cada equipamento, segundo a sua
variação de tensão, por exemplo. Por conseguinte, a potência absorvida por um
equipamento varia com a tensão aplicada e depende de sua natureza (KAGAN;
OLIVEIRA; ROBBA, 2010). Portanto, as expressões podem ser representadas como
na equação ( 6 ).
1( )P f V e 2( )Q f V ( 6 )
Sendo:
P potência ativa;
Q potência reativa;
1( )f V , 2( )f V funções que representam a relação entre as potências e a
tensão aplicada.
A seguir serão apresentados os diversos modelos estáticos da carga em
função da tensão aplicada.
31
2.4.1 Carga de potência constante
As cargas de potência constante, as potências ativa e reativa não variam
com o valor de tensão aplicada, portanto os valores das potências para essa forma de
carga são os próprios valores nominais ou de referência (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA,
2010). Este modelo pode ser representado como na equação ( 7 ).
| |S S P jQ ( 7 )
Sendo:
S potência aparente;
ângulo da potência aparente.
Neste caso a corrente é inversamente proporcional à tensão fornecida,
conforme a equação ( 8 ) sendo que a tensão é representada por uma tensão qualquer
de valor | |V V (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA, 2010).
*
*
| |( )
| |
S SI
VV
( 8 )
Sendo:
V tensão;
ângulo da tensão;
I corrente.
2.4.2 Carga de corrente constante
Este tipo de carga envolve correntes as quais não variam com alterações
nos valores de tensão, assim como o ângulo entre a corrente e a tensão que
permanece invariante (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA, 2010). Este aspecto da corrente
pode ser demonstrado na equação ( 9 ).
32
| | ( )I I ( 9 )
Por sua vez a potência tem uma relação diretamente proporcional, assim
pode ser vista na equação (10).
*S VI ( 10 )
2.4.3 Carga de impedância constante
Neste caso a impedância é obtida das potências ativa e reativa quando é
fornecida tensão nominal, a impedância permanece constante nesse processo.
Portanto sendo | |S S , então a expressão para a impedância (KAGAN; OLIVEIRA;
ROBBA, 2010).
Z R jX ( 11 )
Sendo:
Z impedância;
R resistência;
X reatância.
2
cosV
RS
( 12 )
2VX sen
S
( 13 )
A potência absorvida pela carga tem uma relação quadrática com a carga,
como resultado da equação ( 14 ).
2
*
VS
Z
( 14 )
33
2.4.4 Composição dos modelos anteriores
Ao abranger os modelos apresentados anteriormente é identificado o
modelo de carga do tipo ZIP, o qual é a associação de cada um dos modelos de
impedância, corrente e potência constante. Cada modelo é representado por uma
parte da porcentagem total da carga, onde parte da carga é impedância constante,
parte corrente constante e outra parte potência constante. Desse modo a soma dos
três modelos resultará na intensidade de corrente em relação à tensão (KAGAN;
OLIVEIRA; ROBBA, 2010).
Na Figura 6 nota-se que para um determinado valor de tensão aplicado à
carga, tem-se uma variação na parcela da potência que compete a cada um dos
modelos de carga, a composição cada um destes modelos é responsável por uma
parcela da potência absorvida pela carga no modelo ZIP.
Figura 6 – Potência consumida em função da tensão aplicada à carga Fonte: Extraído de Kagan, Oliveira e Robba (2010)
34
2.5 MUDANÇA DE CONFIGURAÇÃO DE ALIMENTADOR RADIAL PARA ANEL
FECHADO
Para que seja possível a realização de manobras na rede de distribuição
de energia há sempre a necessidade da interrupção do fornecimento à jusante do
ponto de seccionamento do circuito na configuração radial. E a cada dia há uma maior
preocupação das empresas distribuidoras de energia elétrica em diminuir o tempo de
interrupção e a frequência com que elas ocorrem, seja por motivos de manutenção ou
por falhas ocorridas.
Para isso umas das medidas tomadas é a modificação da topologia das
redes de distribuição, mudando-as de radiais simples para a topologia de anel
fechado, que se dividem em três tipos desta topologia (SANTOS, 2008). Na Figura 7
tem-se os três tipos de manobras para o fechamento de anel.
Tipo I Tipo II Tipo III
Alimentador 1 Alimentador 2
Figura 7 – Diagrama esquemático das três possibilidades de paralelismo entre alimentadores Fonte: Adaptado de Santos (2008)
35
O Tipo I se caracteriza pelo fato dos circuitos serem alimentados pelo
mesmo transformador de potência.
O tipo II se caracteriza pelo fato dos circuitos serem alimentados por
transformadores de potência distintos, em uma mesma subestação.
O tipo III se caracteriza pelo fato dos circuitos serem alimentados por
transformadores de potência distintos, em subestações distintas.
Neste trabalho será utilizado o fechamento em anel do tipo III com uma
peculiaridade, a diferença nos níveis de tensão entre as subestações alimentadoras
dos circuitos, o que causa a obrigatoriedade da utilização de uma subestação de
interligação entre os sistemas, com o objetivo de minimizar as diferenças entre os
níveis de tensão.
36
3 SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO ESTUDADO
3.1 MODELAGEM DA REDE DE DISTRIBUIÇÃO
As redes de distribuição rurais, objeto de estudo neste trabalho, foram
modeladas com o objetivo de simplificar ao máximo, porém tomando zelo para que
estas simplificações não fujam das reais características do sistema.
O primeiro passo é o levantamento de dados junto à cooperativa, dados
estes como bitola de cabos usados nas redes, comprimento das redes e cargas ao
longo dos trechos. Para o levantamento dos condutores empregados nestas redes, foi
utilizado um misto de inspeção in loco e informações contidas nos arquivos de projetos
da cooperativa, tendo em vista que alguns projetos eram faltantes no arquivo.
Em posse destes dados, o passo seguinte se deu pela obtenção dos
comprimentos destas redes de distribuição que serão estudadas, para isso foi utilizado
o GeoNext®, um software de georreferenciamento, para a tomada destas distâncias.
Para a obtenção dos dados referentes às cargas existentes nas redes
também se utilizou a ferramenta de georreferenciamento, nela está contida a
localização de todos os transformadores de distribuição presentes nas redes, deste
modo pode-se saber o total de cargas instaladas nas mesmas.
3.1.1 Impedâncias nas redes de distribuição
A metodologia empregada na obtenção das impedâncias ao longo das
redes de distribuição é baseada em algumas premissas, apresentadas a seguir, que
facilitam a obtenção das impedâncias.
Primeiramente dividiu-se as redes em trechos, de acordo com o tipo de
cabo utilizado em cada um destes trechos, como mostrado na Figura 8.
37
Trecho 2 - CAA - 2 AWG comp. 10500 m Trecho 3 - CAA – 2 AWG comp. 6000 m
Trecho 1CAA – 1/0 AWG comp. 6400 m
Trecho 4CAA – 4 AWG comp. 2400 m
Alimentador 1 – 11,4 kV
Figura 8 – Bitolas de cabos e comprimentos da rede de 11,4 kV Fonte: Autoria própria
Deve-se salientar que para o cálculo da impedância deve-se levar em
consideração a distância equivalente entre os condutores.
Para isto tem-se a relação expressa na Equação ( 15 ) (MAMEDE FILHO,
2005).
3eq acab bc
D D D D ( 15 )
Onde:
abD distância entre os condutores a e b;
bcD distância entre os condutores b e c;
acD distância entre os condutores a e c;
Considerando então que as cruzetas utilizadas nas linhas de distribuição
são de 2 metros e que as estruturas são de predominância do tipo N, então temos as
seguintes distâncias entre os condutores:
38
Tabela 1 – Distâncias entre condutores (mm)
Esturtura abD bcD acD eqD
N1 e N2 600 1200 1800 1080 N3 e N4 850 850 1700 1060
Fonte: Autoria própria
Portanto, será admitido a distância equivalente de 106 cm para determinar
a reatância indutiva pelo fato deste espaçamento equivalente ter suas reatâncias já
calculadas e dispostas em tabelas que são comumente utilizadas para este fim nas
literaturas existentes.
Tem-se então o respectivo dado do cabo utilizado em cada trecho, bem
como os seus comprimentos, podendo-se obter sua impedância equivalente utilizando
a Tabela 2 (MAMEDE FILHO, 2005).
Tabela 2 – Resistências e reatâncias indutivas, em Ω/km a 60Hz
Cabos de alumínio com alma de aço
Seção do cabo (AWG)
Resistência a 20º C
Reatância para espaçamento entre condutores de 106 cm
6 2,2140 0,495 4 1,3540 0,479 2 0,8507 0,466
1/0 0,5351 0,453
Fonte: Adaptado de Mamede Filho (2005)
Para os quatro trechos do sistema de distribuição com tensão 11,4 kV,
apresenta-se na Tabela 3 os valores das impedâncias calculadas a partir do
comprimento de cada trecho.
Tabela 3 – Impedâncias em cada trecho da rede de distribuição 11,4 kV
Trechos Comprimento [m] Impedância [Ω]
1 6400 3,4246 + j 2,8990 2 10500 8,9324 + j 4,8930 3 6000 5,1042 + j 2,7960 4 2400 3,2496 + j 1,1496
Fonte: Autoria própria
39
O mesmo procedimento é utilizado para a rede alimentada com a tensão
de 13,8 kV, a Figura 9 mostra a disposição dos cabos empregados na rede de
distribuição, bem como seus respectivos comprimentos.
Alimentador 2 13,8 kV
Trecho 1CAA – 1/0 AWG comp. 3500 m
Continuação do ramal
Trecho 2 - CAA – 6 AWG comp. 14100 m
Final do ramal
Figura 9 – Bitolas de cabos e comprimentos da rede de 13,8 kV Fonte: Autoria própria
Obteve-se então os valores das impedâncias dos trechos da rede de
distribuição de 13,8 kV e são apresentados na Tabela 4.
Tabela 4 – Impedâncias em cada trecho da rede de distribuição 13,8 kV
Trechos Comprimento [m] Impedância [Ω]
1 3500 1,8729 + j 1,5855 2 14100 31,217 + j 6,9795
Fonte: Autoria própria
Em posse da modelagem das impedâncias das redes de distribuição pode-
se prosseguir com a obtenção do modelo das cargas ao longo das redes.
3.1.2 Cargas ao longo das redes de distribuição
Agora o estudo é voltado para a elaboração de um modelo de distribuição
das cargas presentes nas redes de distribuição com o objetivo de tornar o sistema
40
mais simplificado, para isso fez-se o uso de uma estratégia de agrupamento de
cargas, com o objetivo de reduzir o número de unidades ao longo das redes
estudadas, partindo do princípio que em uma rede rural a grande maioria dos
consumidores não demandam grandes potências, com exceção dos produtores
agroindustriais presentes nesta região. Estes consumidores com potências instaladas
menores, entre 5 kVA e 15 kVA, foram agrupados de forma a representarem uma
única carga, de potência mais significativa para este estudo, tomando o zelo de
agrupar somente os consumidores próximos geograficamente, para que não ocorra a
dispersão destas cargas, obteve-se os seguintes modelos apresentados na Figura 10
e Figura 11.
550 kVA
140 kVA
40 kVA
65 kVA
100 kVA
65 kVA
240 kVA
500 kVA
350 kVA
350 kVA
300 kVA
250 kVA
45 kVA
135 kVA
75 kVA
Alimentador 1 – 11,4 kV
90 kVA
Figura 10 – Representação do agrupamento de cargas na rede 11,4 kV Fonte: Autoria própria
41
Alimentador 2 – 13,8 kV
150 kVA
115 kVA
100 kVA
350 kVA135 kVA
Continuação do ramal
3 MVA
Figura 11 – Representação do agrupamento de cargas na rede 13,8 kV Fonte: Autoria própria
A partir do agrupamento destas cargas foi feito a distribuição uniforme
destas cargas agrupadas ao longo das redes, com o objetivo de encontrar uma
impedância média entre elas ao longo de cada ramal de distribuição, para isso a
seguinte metodologia foi utilizada.
Para cada trecho de rede foi dividido igualmente o espaçamento entre as
cargas, nos trechos onde há um maior número de cargas estas foram distribuídas em
pares.
42
Desta maneira chegamos a um modelo espacial das redes de distribuição,
com distâncias iguais entre cada carga, como mostrado na Figura 12 e na Figura 13.
550 kVA
140 kVA
40 kVA
65 kVA
100 kVA
65 kVA
240 kVA
500 kVA
350 kVA
350 kVA
300 kVA
250 kVA
45 kVA
135 kVA
75 kVA
Alimentador 1 – 11,4 kV
90 kVA
2133 m
2133 m
2133 m
2625 m 2625 m 2625 m 2625 m
2000 m 2000 m 2000 m
2400 m
Figura 12 – Representação do espaçamento entre as cargas na rede 11,4 kV Fonte: autoria própria
Alimentador 2 – 13,8 kV
150 kVA115
kVA100 kVA
350 kVA135 kVA
Continuação do ramal
7050 m 7050 m1750 m
1750 m
3 MVA
Figura 13 – Representação do espaçamento entre as cargas na rede 13,8 kV Fonte: Autoria própria
43
4 SIMULAÇÃO DO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO
Para a simulação dos sistemas de distribuição foi utilizado
MATLAB/Simulink®, para que se tenha uma visão geral de como os sistemas de
distribuição se comportam em regime permanente.
Utilizando-se dos modelos da rede estudados no capítulo anterior chegou-
se a um equivalente usando os blocos existentes na biblioteca SimPowerSystems.
Assim tem-se o seguinte esquemático apresentado na Figura 14.
Figura 14 – Esquemático obtido no Simulink da rede de 11,4 kV Fonte: Autoria própria
Foi utilizado os blocos de carga trifásica com componentes de potência
ativa e reativa indutiva que resultam nas respectivas cargas de potência aparente dos
modelos obtidos no capítulo anterior, foi adotado o modelo de carga do tipo potência
constante. Também se têm os blocos referentes as impedâncias das linhas de
distribuição que foram obtidas na modelagem de rede. Pode-se observar também o
44
alimentador, dotado de sua característica ideal, onde impedâncias neste são
desprezadas, temos também a presença de um transformador trifásico que representa
um regulador de tensão presente na rede real estudada. Este regulador tem como
objetivo elevar a tensão a valores admissíveis de tensão, são normalmente utilizados
em redes de distribuição rural (MAMEDE FILHO, 2005).
O mesmo princípio foi aplicado para a rede de distribuição de 13,8 kV, como
mostra a Figura 15.
Figura 15 – Esquemático obtido no Simulink da rede de 13,8 kV Fonte: Autoria própria
Em posse destes modelos construídos no Simulink pode-se então simular
o funcionamento dos sistemas de distribuição atuando em plena carga. Para isso foi
utilizada a premissa de que os sistemas estão operando em regime, com carga
máxima e com um fator de potência de 0,92 nestas cargas, que é o limite imposto pela
ANEEL (ANEEL, 2016).
45
Apresenta-se então os resultados obtidos na saída do alimentador de
11,4 kV, note que as tensões apresentadas na Figura 16 são a tensão de linha das
três fases.
Figura 16 – Tensões de linha na saída do alimentador de 11,4 kV Fonte: Autoria própria
Utilizando a relação entre tensão de pico e tensão eficaz de uma onda
senoidal temos a equação ( 16 )
2
pico
rms
VV
( 16 )
Onde:
rmsV tensão eficaz;
picoV máximo valor da tensão;
Podemos observar na Figura 16, então, que para um valor de tensão
máximo de 16,12 kV temos uma tensão eficaz de 11,4 kV. A mesma análise será feita
para os demais casos em que se apresentar tensões de pico, porém os cálculos serão
suprimidos.
Agora tem-se as tensões no final do trecho 1 da rede de distribuição de
11,4 kV, as tensões neste ponto deveriam ter sofrido uma pequena queda em virtude
das impedâncias presentes na rede e também pelas cargas de característica indutiva
46
ligadas à rede de distribuição, porém este fato é corrigido com a utilização do
regulador de tensão na rede, neste trabalho representado por um transformador
elevador de tensão. Na Figura 17 pode-se observar que a tensão não aparenta queda
em relação a tensão fornecida ao sistema por meio do alimentador, devido ao uso do
regulador de tensão se obtêm uma tensão eficaz de 11,49 kV, o que é se torna
oportuno para que o restante do sistema de distribuição, principalmente as
extremidades, tenham tensões mais apropriadas no ponto de entrega aos
consumidores.
Figura 17 – Tensões de linha no final do trecho 1 da rede de distribuição de 11,4 kV Fonte: Autoria própria
As tensões no final das redes de distribuição costumam sofrer os maiores
efeitos das quedas de tensão ao longo do sistema. Na Figura 18 pode-se observar
como a tensão diminue se comparada a tensão no final do trecho 1 da rede de
distribuição, tem-se tensão eficaz de 10,75 kV. A tensão no final do trecho 2 mostra-
se com níveis mais preocupantes, todavia, esta tensão ainda é admissível, pois a
maioria dos fabricantes de transformadores de distribuição oferecem tapes de ajuste
para a tensão no primário que variam de 13,8 kV até 10,2 kV (SIEMENS, 2017).
47
Figura 18 – Tensões de linha no final do trecho 2 da rede de 11,4 kV Fonte: Autoria própria
Na Figura 19 também pode-se observar como a tensão diminui, assim
como a tensão no fim do trecho 2 citado anteriormente. Neste trecho pode-se observar
11,25 kV.
Figura 19 – Tensões de linha no final do trecho 4 da rede de 11,4 kV Fonte: Autoria própria
48
Também será apresentado as tensões na rede de distribuição de 13,8 kV.
Inicialmente na Figura 20 tem-se as tensões de linha na saída do alimentador, pode -
se observar que a tensão eficaz é de 13,8 kV.
Figura 20 – Tensões de linha na saída do alimentador de 13,8 kV Fonte: Autoria própria
Na Figura 21 podemos observar novamente a queda de tensão ao longo
da rede de distribuição, a tensão eficaz no fim do trecho 2 da rede de distribuição é
de 12,5 kV.
Figura 21 – Tensões de linha no fim do trecho 2 da rede 13,8 kV Fonte: Autoria própria
49
4.1 SIMULAÇÃO DA INTERCONEXÃO DAS REDES DE DISTRIBUIÇÃO
Neste tópico terá início o estudo de interconexão das redes de distribuição
e suas complicações decorrentes.
A interconexão será dada com o uso de uma subestação, cujo objetivo é
adequar os níveis de tensão entre os sistemas de distribuição, que são distintos. Para
tal feito faz-se necessário o uso de um transformador de potência, porém como os
níveis de tensão não são usuais este transformador deverá atender condições
específicas, ou seja, é um equipamento não padrão.
Para isso, então, utilizou-se o bloco transformador trifásico de dois
enrolamentos do SimpowerSystems, com uma relação de transformação de 11,4:12,5,
com o objetivo de manter a tensão em níveis próximos aos observados anteriormente
no ponto final dos alimentadores.
Uma potência nominal de 3 MVA, com o objetivo de o transformador
suportar até uma possível perda de um dos alimentadores e continuar fornecendo
energia ao sistema como um todo.
Os demais parâmetros do transformador de potência da subestação foram
estimados em relação a valores de transformadores reais de potência aproximada,
pois como este seria um projeto único de transformador, possivelmente feito sob
encomenda, os parâmetros como impedância de magnetização, impedância de
enrolamento primário e secundário seriam específicas para o projeto.
Para este trabalho usou-se resistências de enrolamento de
aproximadamente 0,15 Ω e impedâncias de aproximadamente 0,004 H, a impedância
de magnetização de 13000+j6,9 Ω.
4.1.1 Simulação do sistema em regime
Pôde-se, então, iniciar as simulações de interconexão, assim, as redes
foram unidas com o uso do transformador e realizou-se testes simulando o
funcionamento das redes de distribuição em funcionamento pleno e com eventuais
50
perdas de trechos em cada um dos ramais alimentadores para avaliar o
comportamento dos alimentadores e das redes de distribuição para condições de
contingências.
Ponto de conexão
550 kVA
SE 2 – 13,8 kV
150 kVA
115 kVA
100 kVA
350 kVA135 kVA
90 kVA
140 kVA
40 kVA
65 kVA
100 kVA
65 kVA
240 kVA
500 kVA
350 kVA
350 kVA
300 kVA
250 kVA
45 kVA
135 kVA
75 kVA
SE 1 – 11,4 kV
Continuação do ramal
Ponto da falta
Figura 22 – Esquema do sistema operando em regime Fonte: Autoria própria
Observa-se na Figura 23 que a tensão na saída do alimentador não sofre
alterações se comparadas com a tensão antes da realização da interconexão. Antes
a tensão eficaz era de 11,4 kV e agora temos 11,398 kV.
Figura 23 – Tensão na saída do alimentador 11,4 kV após a interconexão Fonte: Autoria própria
51
O alimentador de 11,4 kV será avaliado em toda sua extensão, trecho a
trecho. Nota-se também uma tensão adequada no final do trecho 1 do alimentador, a
Figura 24 mostra que a tensão agora é de 11,47 kV.
Figura 24 – Tensão no final do trecho 1 do alimentador de 11,4 kV antes e após a interconexão Fonte: Autoria própria
Também pode-se observar na Figura 25 que a tensão nas extremidades
dos trechos 2 do alimentador tem tensão de 10,43 kV, e que esta tensão é aceitável,
pois está muito próxima ao valor registrado antes de realizada a interconexão das
redes de distribuição.
Figura 25 – Tensão no final do trecho 2 do alimentador de 11,4 kV antes e após a interconexão Fonte: Autoria própria
52
A Figura 26 mostra uma tensão no fim do trecho 4 de 11,02 kV, o que é um
valor aceitável, pois é um valor muito próximo ao registrado antes da interconexão.
Figura 26 – Tensão no final do trecho 4 do alimentador de 11,4 kV antes e após a interconexão Fonte: Autoria própria
Na sequência serão apresentados os resultados obtidos na rede de
distribuição de 13,8 kV.
A tensão na saída do alimentador de 13,8 kV mostra-se também com uma
ótima resposta após a realização da interconexão, na Figura 27 pode-se observar que
a tensão eficaz se manteve em 13,8 kV como anteriormente.
Figura 27 – Tensão na saída do alimentador 13,8 kV após a interconexão Fonte: Autoria própria
53
Observando-se a Figura 28 verifica-se que a tensão no final do trecho 2 do
alimentador 2 também se mostra satisfatória com um valor eficaz de 12 kV em
comparação com seu valor anterior de 12,5 kV.
Figura 28 – Tensão no fim do trecho 2 do alimentador de 13,8 kV antes e após a interconexão Fonte: Autoria própria
Assim, demonstrou-se que a interconexão responde bem ao sistema em
pleno funcionamento, mantendo as tensões em níveis próximos aos obtidos antes da
interconexão dos sistemas de distribuição, assim os níveis de tensão entregues aos
consumidores não extrapolam os limites exigidos pela ANEEL (ANEEL, 2016).
Os limites de tensão são demonstrados na Tabela 5, para o cálculo deve
levar em consideração o tape em que o transformador de distribuição encontra-se
ajustado.
Tabela 5 – Tensões admissíveis para ponto de entrega igual ou inferior a 1 kV (380 V, 220 V e 127 V)
Tensão de atendimento (TA) Faixa de variação da leitura de tensão (volts)
Adequada (350≤TL≤399)/(202≤TL≤231)/(117≤TL≤133)
Precária (331≤TL<350 ou 399<TL≤403)/ (191≤TL<202) ou 231<TL≤233)/ (110≤TL<117 ou 133<TL≤135)
Crítica
(TL<331 ou TL>403)/ (TL<191 ou TL>233)/ (TL<110 ou TL>135)
Fonte: Adaptado de PRODIST (2016)
54
4.1.2 Simulação do sistema com a perda do trecho 4 do alimentador 1
Neste item serão apresentados os resultados referentes a simulação da
perda do trecho 4 da rede de distribuição de 11,4 kV, portanto o alimentador 2 deverá
suprir a nova demanda a partir da interconexão dos sistemas. Na Figura 29 apresenta-
se o sistema com uma descontinuidade entre os trechos 3 e 4.
Ponto de conexão
550 kVA
SE 2 – 13,8 kV
150 kVA
115 kVA
100 kVA
350 kVA135 kVA
90 kVA
140 kVA
40 kVA
65 kVA
100 kVA
65 kVA
240 kVA
500 kVA
350 kVA
350 kVA
300 kVA
250 kVA
45 kVA
135 kVA
75 kVA
SE 1 – 11,4 kV
Continuação do ramalPonto da
falta
Figura 29 – Demonstrativo do local da falta no trecho 4 Fonte: Autoria própria
Com a falta entre os trechos 3 e 4 do sistema de distribuição de 11,4 kV,
todo o trecho 4, a jusante da falta. Agora o alimentador 2 deve suprir a demanda do
trecho 4 a partir da interconexão dos sistemas.
Na Figura 30 mostra-se o perfil da tensão na saída do alimentador de
11,4 kV, observa-se que a tensão se manteve com valores muito próximos aos
anteriormente registrados.
55
Figura 30 – Tensão na saída do alimentador de 11,4 kV com falha no trecho 4 Fonte: Autoria própria
A Figura 31 mostra que a tensão no fim do trecho 2 do alimentador de
11,4 kV também se manteve com valores próximos aos valores registrados
anteriormente, aproximadamente 10,4 kV de tensão eficaz.
Figura 31 – Tensão no final do trecho 2 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha no trecho 4 Fonte: Autoria própria
A Figura 32 também demonstra que a tensão imediatamente a montante
da falha na rede de distribuição apresenta valores de 11,3 kV eficazes, o que é o
56
esperado para o trecho da rede. Portanto até aqui observa-se que a perda do trecho
4 do alimentador não impactou de maneira significativa no restante do alimentador.
Figura 32 – Tensão no final do trecho 3 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha no trecho 4 Fonte: Autoria própria
Agora será feita a verificação do desempenho do alimentador 2 e como a
tensão se comporta com a nova demanda. A Figura 33 mostra a tensão na saída do
alimentador 2, se observa que a tensão se manteve com valor eficaz de 13,8 kV.
Figura 33 – Tensão na saída do alimentador de 13,8 kV com falha no trecho 4 Fonte: Autoria própria
57
Observa-se um valor eficaz de 11,24 kV na Figura 34 que se refere ao
trecho 2 do alimentador de 13,8 kV. A tensão neste trecho do alimentador não teve
uma boa resposta para a nova demanda do sistema, a sobrecarga causou uma
diminuição da tensão de modo que no final do trecho seu valor eficaz ficaria fora dos
limites estabelecidos pela ANEEL (ANEEL, 2016).
Figura 34 – Tensão no trecho 2 do alimentador de 13,8 kV antes e após falha no trecho 4 Fonte: Autoria própria
A tensão no final do trecho 4 do alimentador de 11,4 kV se mostra precária,
pois como pode-se ver na Figura 35 o valor registrado de tensão eficaz é de 10,2 kV,
assim, neste caso, a tensão de fornecimento estaria dentro do limite denominado
precário.
58
Figura 35 – Tensão no trecho 4 do alimentador 11,4 kV antes e após falha no trecho 4 Fonte: Autoria própria
A Figura 36 evidencia a diferença entre as tensões no trecho 4 do
alimentador 11,4 kV antes e depois da falha no trecho 4.
Figura 36 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 4 do alimentador 11,4 kV antes e após falha no trecho 4 Fonte: Autoria própria
59
4.1.3 Simulação do sistema com a perda do trecho 3 e 4 do alimentador 1
Neste item será apresentado os resultados referentes a simulação da perda
de todo o trecho 3 e 4 da rede de distribuição de 11,4 kV, portanto a interconexão
deve suprir a demanda destes trechos utilizando somente o alimentador da rede de
distribuição de 13,8 kV. A Figura 37 mostra o local da contingência simulada.
Ponto de conexão
550 kVA
SE 2 – 13,8 kV
150 kVA
115 kVA
100 kVA
350 kVA135 kVA
90 kVA
140 kVA
40 kVA
65 kVA
100 kVA
65 kVA
240 kVA
500 kVA
350 kVA
350 kVA
300 kVA
250 kVA
45 kVA
135 kVA
75 kVA
SE 1 – 11,4 kV
Continuação do ramal
Ponto da falta
Figura 37 – Demonstrativo do local da falta no trecho 3 Fonte: Autoria própria
Assim, se dará início as simulações desta nova falta e será apresentado os
resultados obtidos nos trechos das redes de distribuição. Na Figura 38 tem-se a
tensão na saída do alimentador 1 de 11,4 kV, pode-se observar que o valor eficaz de
tensão se manteve estável no valor registrado antes da interconexão.
60
Figura 38 – Tensão na saída do alimentador 11,4 kV com falha no trecho 3 Fonte: Autoria própria
A tensão no final do trecho 2 da rede de distribuição de 11,4 kV se mostrou
com boa resposta quando submetida a falha no trecho 3, a Figura 39 mostra a tensão
do final do trecho 2 do alimentador 11,4 kV, observa-se que o valor eficaz da tensão
se mostra muito próximo aos valores registrados anteriormente nas demais
simulações do sistema.
Figura 39 – Tensão no final do trecho 2 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha no trecho 3 Fonte: Autoria própria
61
A tensão no final do trecho 4 do alimentador, agora alimentado pela
subestação de interconexão, se mostra com tensão abaixo do registrado
anteriormente a realização da interconexão, inviabilizando a manobra de
interconexão, pois o objetivo seria que com a realização da interconexão os sistemas
de distribuição pudessem ser supridos quando houvesse falhas, o que neste caso não
é verdade. A tensão pode ser observada na Figura 40 e Figura 41.
Figura 40 – Tensão no final do trecho 4 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha no trecho 3 Fonte: Autoria própria
Figura 41 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 4 do alimentador 11,4 kV antes e após falha no trecho 3 Fonte: Autoria própria
62
Na Figura 42 e Figura 43 o mesmo pode ser visualizado, a tensão no
trecho 3, imediatamente à jusante da falha simulada, a tensão visualizada neste ponto
também se mostra muito abaixo do valor registrado anteriormente.
Figura 42 – Tensão no início do trecho 3 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha no trecho 3 Fonte: Autoria própria
Figura 43 – Detalhe da diferença da tensão no início do trecho 3 do alimentador 11,4 kV antes e após falha no trecho 3 Fonte: Autoria própria
Agora será apresentada a simulação da resposta do alimentador 2 à falha
no trecho 3. A Figura 44 mostra a tensão na saída do alimentador de 13,8 kV, nota-se
que a tensão permanece como antes, com valores muito próximos ao nominal.
63
Porém, como pode-se observar na Figura 45 e Figura 46, a tensão se
mostrou abaixo do ideal, pois com a interconexão a tensão eficaz no fim do trecho 2
da rede de 13,8 kV era de 12 kV e agora com a falha no trecho 3 da rede de 11,4 kV
a tensão caiu para 10,4 kV, isso traria uma tensão abaixo da tensão crítica quando
fosse rebaixada para o ponto de entrega ao consumidor, o que não satisfaria as
normas presentes no PRODIST (ANEEL, 2016).
Figura 44 – Tensão na saída do alimentador de 13,8 kV com falha no trecho 3 Fonte: Autoria própria
Figura 45 – Tensão no final do trecho 2 do alimentador de 13,8 kV antes e após falha no trecho 3 Fonte: Autoria própria
64
Figura 46 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 2 do alimentador 13,8 kV antes e após falha no trecho 3 Fonte: Autoria própria
4.1.4 Simulação do sistema com a perda do trecho 2 do alimentador 2
Neste item será apresentado a simulação da perda do trecho 2 do
alimentador de 13,8 kV, assim, a interconexão deverá suprir a demanda a partir da
alimentação proveniente do ramal de 11,4 kV. A Figura 47 mostra o ponto da falha
simulada neste item.
65
Ponto de conexão
550 kVA
SE 2 – 13,8 kV
150 kVA
115 kVA
100 kVA
350 kVA135 kVA
90 kVA
140 kVA
40 kVA
65 kVA
100 kVA
65 kVA
240 kVA
500 kVA
350 kVA
350 kVA
300 kVA
250 kVA
45 kVA
135 kVA
75 kVA
SE 1 – 11,4 kV
Continuação do ramal
Ponto da falta
Figura 47 – Demonstrativo do local da falta no trecho 2 do alimentador 2 Fonte: Autoria própria
A simulação se iniciará com as respostas do alimentador de 11,4 kV. A
Figura 48 mostra a tensão na saída do alimentador de 11,4 kV, nota-se que a tensão
se manteve igual a tensão anteriormente registrada.
Figura 48 – Tensão na saída do alimentador de 11,4 kV com falha no trecho 2 do alimentador 2 Fonte: Autoria própria
66
A tensão no final do trecho 2 do alimentador de 11,4 kV se manteve dentro
dos níveis registrados anteriormente, tanto nas contingências simuladas quanto na
interconexão, como mostrado na Figura 49.
Figura 49 – Tensão no final do trecho 2 do alimentador de 11,4 kV com falha no trecho 2 do alimentador 2 Fonte: Autoria própria
Na Figura 50 e Figura 51 pode-se observar que a tensão, embora esteja
melhor em comparação com outras contingências no sistema, ainda assim não está
dentro do esperado, pois com os sistemas interligados e em funcionamento normal o
perfil de tensão era de 11,02 kV e com a falha no trecho 2 do alimentador 2 a tensão
registrado foi de 10,5 kV.
67
Figura 50 – Tensão no final do trecho 4 do alimentador de 11,4 kV com falha no trecho 2 do alimentador 2 Fonte: Autoria própria
Figura 51 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 4 do alimentador 11,4 kV antes e após falha no trecho 2 Fonte: Autoria própria
A tensão na saída do alimentador de 13,8 kV se manteve com valores
registrados anteriormente, como mostrado na Figura 52.
68
Figura 52 – Tensão na saída do alimentador de 13,8 kV com falha no trecho 2 do alimentador 2 Fonte: Autoria própria
A Figura 53 e Figura 54 mostra a tensão no trecho 2 da rede de 13,8 kV,
agora alimentado unicamente pela interconexão. Pode-se ver que a tensão de
11,48 kV é insuficiente neste trecho.
Figura 53 – Tensão no final do trecho 2 do alimentador de 13,8 kV com falha no trecho 2 do alimentador 2 Fonte: Autoria própria
69
Figura 54 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 2 do alimentador 11,4 kV antes e após falha no trecho 2 Fonte: Autoria própria
A tensão imediatamente à jusante da falha no trecho 2 também se
apresentou insuficiente, a Figura 55 e Figura 56 mostra uma tensão ainda menor neste
ponto.
Figura 55 – Tensão no início do trecho 2 do alimentador de 13,8 kV antes e após falha no trecho 2 Fonte: Autoria própria
70
Figura 56 – Detalhe da diferença da tensão no início do trecho 2 do alimentador 11,4 kV antes e após falha no trecho 2 Fonte: Autoria própria
4.1.5 Simulação do sistema com a perda do alimentador 1
Neste item será demonstrado a resposta do sistema com a perda do
alimentador de 11,4 kV, deste modo o alimentador de 13,8 kV deverá suprir toda a
demanda proveniente do alimentador 1. A Figura 57 ilustra o ponto da falta, note que
a falta ocorre logo após o alimentador de 11,4 kV, portanto o alimentador de 13,8 kV
deverá assumir toda a carga por meio da interconexão.
71
Ponto de conexão
550 kVA
150 kVA
115 kVA
100 kVA
350 kVA135 kVA
90 kVA
140 kVA
40 kVA
65 kVA
100 kVA
65 kVA
240 kVA
500 kVA
350 kVA
350 kVA
300 kVA
250 kVA
45 kVA
135 kVA
75 kVA
SE 1 – 11,4 kV
Continuação do ramal
Ponto da falta
SE 2 – 13,8 kV
Figura 57 – Demonstrativo da perda do alimentador de 11,4 kV Fonte: Autoria própria
Na sequência serão apresentadas as respostas do alimentador de 11,4 kV.
Pode-se observar que a tensão no início do trecho 1 do alimentador de 11,4 kV se
torna muito a baixo do que havia sido observado anteriormente. A Figura 58
demonstra claramente que a tensão decaiu pela metade em comparação com a
tensão registrada com o sistema operando sem falhas.
Figura 58 – Tensão no início do trecho 1 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha no alimentador 1 Fonte: Autoria própria
72
A Figura 59 mostra em detalhe a diferença entre as tensões do sistema em
funcionamento pleno e com a perda do alimentador de 11,4 kV.
Figura 59 – Detalhe da diferença da tensão no início do trecho 1 do alimentador 11,4 kV antes e após falha no início do alimentador 1 Fonte: Autoria própria
O mesmo fenômeno foi observado em toda a extensão do alimentador de
11,4 kV, as tensões se apresentaram muito baixas quando comparadas com as
tensões registradas com o sistema sem falhas, o que mais uma vez demonstra que a
interconexão não supre o aumento da demanda provocado pelas falhas no sistema
de distribuição. A Figura 60 e Figura 61 mostra a tensão no fim do trecho 2 do
alimentador de 11,4 kV.
Figura 60 – Tensão no fim do trecho 2 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha no alimentador 1 Fonte: Autoria própria
73
Figura 61 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 2 do alimentador 11,4 kV antes e após falha no início do alimentador 1 Fonte: Autoria própria
A Figura 62 e Figura 63 também mostram a queda de tensão ao longo do
alimentador 11,4 kV.
Figura 62 – Tensão no fim do trecho 4 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha no alimentador 1 Fonte: Autoria própria
74
Figura 63 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 4 do alimentador 11,4 kV antes e após falha no início do alimentador 1 Fonte: Autoria própria
Agora irá se iniciar a simulação do comportamento do alimentador de
13,8 kV, quando há a perda do alimentador de 11,4 kV. A queda na tensão também
pode ser observada no alimentador de 13,8 kV. A Figura 64 e Figura 65 mostram que
o alimentador de 13,8 kV também sofre os efeitos do aumento da demanda, provocado
pela perda do alimentador 11,4 kV, no sistema. Nota-se que as tensões se tornaram
extremamente baixas quando comparadas às tensões do sistema em funcionamento
pleno.
Figura 64 – Tensão no fim do trecho 2 do alimentador de 13,8 kV antes e após falha no alimentador 1 Fonte: Autoria própria
75
Figura 65 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 2 do alimentador 13,8 kV antes e após falha no início do alimentador 1 Fonte: Autoria própria
4.1.6 Simulação do sistema com a perda do alimentador 2
Neste item será demonstrado a resposta do sistema com a perda do
alimentador de 13,8 kV, deste modo o alimentador de 11,4 kV deverá suprir toda a
demanda proveniente do alimentador 2. A Figura 66 ilustra o ponto da falta, note que
a falta ocorre logo no início do alimentador de 13,8 kV, portanto o alimentador de
11,4 kV deverá assumir toda a carga por meio da interconexão.
76
Ponto de conexão
550 kVA
150 kVA
115 kVA
100 kVA
350 kVA135 kVA
90 kVA
140 kVA
40 kVA
65 kVA
100 kVA
65 kVA
240 kVA
500 kVA
350 kVA
350 kVA
300 kVA
250 kVA
45 kVA
135 kVA
75 kVA
SE 1 – 11,4 kV
Continuação do ramal
Ponto da falta
SE 2 – 13,8 kV
Figura 66 – Demonstrativo da perda do alimentador de 13,8 kV Fonte: autoria própria
A simulação se iniciará com as respostas do alimentador de 11,4 kV. Pode-
se observar na Figura 67 que a tensão no fim do trecho 2 do alimentador de 11,4 kV
apresenta uma pequena queda, pois a existência do regulador de tensão neste
alimentador, faz com que a queda de tensão devido a inserção de um novo conjunto
de cargas proveniente do alimentador de 13,8 kV não seja significativa no alimentador
de 11,4 kV.
Figura 67 – Tensão no fim do trecho 2 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha no alimentador 2 Fonte: Autoria própria
77
Porém quando se verifica a tensão no ponto mais longínquo do alimentador
de 11,4 kV, observa-se que o aumento da demanda proveniente da perda do
alimentador de 13,8 kV já é sentido no trecho 4 da rede de 11,4 kV. A Figura 68 e
Figura 69, evidenciam esta queda na tensão.
Figura 68 – Tensão no fim do trecho 4 do alimentador de 11,4 kV antes e após falha no alimentador 2 Fonte: Autoria própria
Figura 69 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 4 do alimentador 11,4 kV antes e após falha no início do alimentador 2 Fonte: Autoria própria
78
O mesmo pode ser observado em toda a extensão do alimentador de
13,8 kV, pois quanto maior a extensão da rede a queda será mais acentuada.
A Figura 70 e Figura 71 mostra tensões muito abaixo se comparadas com
as tensões registradas enquanto o sistema operava sem falhas.
Figura 70 – Tensão no fim do trecho 2 do alimentador de 13,8 kV antes e após falha no alimentador 2 Fonte: Autoria própria
Figura 71 – Detalhe da diferença da tensão no fim do trecho 2 do alimentador 13,8 kV antes e após falha no início do alimentador 2 Fonte: Autoria própria
79
A queda de tensão torna-se ainda mais severa quando se verifica a tensão
no início do trecho 1 do alimentador de 13,8 kV, por ser o ponto mais longínquo a
tensão se apresenta muito baixa. A Figura 72 e Figura 73 mostram tensões muito
baixas se comparadas com o sistema funcionando sem falhas.
Figura 72 – Tensão no início do trecho 1 do alimentador de 13,8 kV antes e após falha no alimentador 2 Fonte: Autoria própria
Figura 73 – Detalhe da diferença da tensão no início do trecho 1 do alimentador 13,8 kV antes e após falha no início do alimentador 2 Fonte: Autoria própria
80
Observou-se então que a interconexão dos sistemas se comporta bem
quando funcionando em regime, porém o sistema não tem boa resposta quando falhas
acontecem e a interconexão precisa suprir o trecho afetado pela falta, para quase
todos os casos simulados houve queda acentuada nos níveis de tensão dos trechos
mais longínquos supridos pela interconexão. Uma das causas desta queda na tensão
é o aumento da carga percebida pelo alimentador, pois a queda de tensão em redes
de distribuição depende diretamente da carga na rede, bem como do seu comprimento
e das perdas presentes nos cabos utilizados nas mesmas.
81
5 CONCLUSÕES
Ao iniciar as simulações da interconexão dos sistemas, a proposta de
interconexão dos sistemas de distribuição de energia elétrica se demonstrou atrativa,
à primeira vista os sistemas responderam bem à interconexão. Porém ao iniciar a
simulação das falhas para analisar o comportamento das redes o resultado não foi o
esperado.
As tensões nos trechos se demonstraram cada vez menos compatíveis
com as observadas antes da realização da interconexão, principalmente nas falhas
simuladas nos pontos mais longínquos do ponto de interconexão, isto é o reflexo do
aumento da carga percebida pelo sistema que supre a nova demanda no sistema.
Além do aumento da carga também ocorre o aumento nas distancias da rede, pois
antes um sistema possuía alguns quilômetros de comprimento, ao assumir parte de
outro sistema as perdas ao longo do alimentador aumentam.
Neste contexto observa-se que a interconexão não se viabiliza
tecnicamente, pois se na ocorrência de uma falha o outro sistema não é capaz de
manter o trecho afetado com fornecimento normal de energia, sem mencionar o custo,
que muito provavelmente seria extremamente oneroso para a construção de uma
subestação de integração com as características propostas.
Sem mencionar que se o problema da queda de tensão acentuada, fosse
sanado com a troca de grande parte do cabeamento das redes de distribuição o
projeto esbarraria em outros fatores complicadores, como por exemplo a proteção das
redes, pois todo o sistema de proteção deveria ser repensado e até mesmo
substituído, pois com a operação da interconexão o fluxo de potência, que antes era
unidirecional, se tornaria bidirecional, portanto deveria ser empregado técnicas mais
complexas para a proteção das redes.
Outro fator a ser observado seria a contratação de demanda junto a
concessionária fornecedora de energia aos alimentadores da cooperativa, pois com a
interconexão e o intercâmbio das demandas entre os alimentadores, a contratação da
demanda deveria passar por um estudo para cálculo de otimização na contratação
desta demanda, pois ora um alimentador 1 assume maior carga, outrora o alimentador
2 assume maior carga.
82
Portanto a interconexão se mostrou inviável, por diversos motivos
elencados anteriormente, porém para o aumento da confiabilidade dos sistemas
poderia ser feito futuramente um estudo de viabilidade técnico-econômica da
construção de um ramal alimentador paralelamente ao ramal existente, principalmente
para o ramal de 11,4 kV que tem maior número de consumidores atendidos.
83
REFERÊNCIAS
ANEEL. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional - PRODIST - Modulo 1. Agência Nacional de Energia Elétrica. [S.l.]: [s.n.], 2016.
ANEEL. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional - PRODIST - Modulo 8. Agência Nacional de Energia Elétrica. [S.l.]: [s.n.], 2016.
AVICULTURA INDUSTRIAL. Acessoria de Imprensa Avicultura Industrial. Avicultura Industrial, 2016. Disponível em: <http://migre.me/v9GPh>. Acesso em: 2 Setembro 2016.
FUCHS, Rubens D. Transmissão de Energia Elétrica - Linhas Aéreas. Rio de Janeiro: Escola Federal de Engenharia, v. 1, 1977.
INFRACOOP. Processo de Regularização das Cooperativas - Contribuições para Audiencia Pública AP - 040/04 ANEEL. Confederação Nacional das Cooperativas de Infraestrutura. Porto Alegre: [s.n.], 2004. Disponível em: <http://migre.me/voSgr>.
KAGAN, Nelson; OLIVEIRA, Carlos César B. D.; ROBBA, Ernesto J. Introdução aos Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica. 2ª. ed. São Paulo: Blucher, 2010.
MAMEDE FILHO, João. Manual de Equipamentos Elétricos. 3ª. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, 2005.
SANTOS, Marcos R. D. Paralelismo de Alimentadores Através de Seccionadoras de Vis-à-vis na Rede Aérea Primária de distribuição. 2008.[s.n.]. São Paulo, 2008.
SIEMENS. Siemens - Transformadores Trifásicos de Distribuição. Disponível em: <https://www.energy.siemens.com/br/pool/br/transmissao-de-energia/transformadores/distribuicao-oleo_port.pdf>. Acesso em: 2017.
STEVENSON, Willian D. Elementos de Análise de Sistemas de Potência. 2ª. ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986.