TCC - João Oliveira

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL FACULDADE DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

MODELAGEM E DETECÇÃO DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA

JOÃO GABRIEL SOUZA MARTINS DE OLIVEIRA

PORTO ALEGRE 2013

JOÃO GABRIEL SOUZA MARTINS DE OLIVEIRA

MODELAGEM E DETECÇÃO DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA

Trabalho apresentado como requesito para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista junto à Faculdade de Engenharia da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul.

Orientador: Prof. Dr. Marcos Telló

PORTO ALEGRE 2013

JOÃO GABRIEL SOUZA MARTINS DE OLIVEIRA

MODELAGEM E DETECÇÃO DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA

Trabalho apresentado como requesito para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista junto à Faculdade de Engenharia da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul.

Orientador: Prof. Dr. Marcos Telló

PORTO ALEGRE 2013

JOÃO GABRIEL SOUZA MARTINS DE OLIVEIRA

MODELAGEM E DETECÇÃO DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA

Trabalho apresentado como requesito para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista junto à Faculdade de Engenharia da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul.

Aprovado em:___de julho de 2013.

BANCA EXAMINADORA

___________________________________________________ Prof. Dr. Marcos Telló ___________________________________________________ Prof. Me. Virgílio Vescovi Filho ___________________________________________________ Eng. Lúcio Antônio Adegas

PORTO ALEGRE 2013

Este trabalho é dedicado àquelas pessoas vitais ao meu sucesso na graduação e por manterem-me de pé ao longo de tão extenuante caminhada: minha esposa, Alice, e meu pai, Cláudio Braz.

AGRADECIMENTOS

Há muitos a quem agradecer ao longo de uma caminhada tão extensa quanto o curso de graduação, que se encerra com este trabalho. Além do apoio incontestável de meu pai e minha esposa, a quem dedico a obra, há minha mãe Angela, meus irmãos Nathália e Davi e o restante de minha família que, em nível maior ou menor, visível ou discreto, foram fundamentais ao meu sucesso. Agradecer também aos grandes mestres desta jornada é fundamental. Quantas vezes meu ânimo não se renovou pela atitude encorajadora deles? Logo, menciono aqui o Prof. Marcos Telló, meu orientador não só neste trabalho; o Prof. Virgílio Vescovi Filho, membro da banca, que não sabe ser o responsável pela minha escolha por Sistemas de Energia ao invés de Eletrônica; o Prof. Rubem Dutra Fagundes, crucial para o começo desta linha de pesquisa e por renovar meus ânimos no último ano do curso. O Prof. Odilón Duarte, que no unir didática e rigidez, moldou-me aos corretos rigores da academia. Por fim, agradeço àqueles que, envolvidos no meu caminhar profissional, muito me ajudaram no acadêmico: meu primeiro patrão, Marcus da Silva, por enxergar meu potencial quando eu era ainda inexperiente, recém-chegado a Porto Alegre em 2008 e por, no lidar com motores de indução, dividir com o Prof. Virgílio a responsabilidade pela minha escolha por Sistemas de Energia. E à KLA Engenharia, na figura dos engenheiros Lúcio Antônio Adegas, Marcelo Bardini Klohn e Camila Moure, por terem-me dado não só dias de folga, ajudas e saídas mais cedo para que eu me dedicasse aos estudos, mas também a oportunidade de especializar-me no que, há muito, eu almejava: subestações de energia.

RESUMO O presente trabalho trata do modelo e da detecção de faltas de alta impedância à terra (HIF) em sistemas de distribuição de energia, através do uso do software MatLab e sua ferramenta, o SimPower Systems, parte integrante do Simulink . Após o modelo, é proposta a detecção através de um relé 51Q, que analisa a corrente de sequência negativa e as assinaturas nela refletidas pela ocorrência de um falta de alta impedância à terra. Palavras-chave:

HIF.

Proteção de Sistemas de Distribuição. Falta de Alta Impedância.

ABSTRACT This paper brings both the modeling and detection method of high impedance ground fault (HIF) in energy distribution systems thought the MatLab software and its tool, the SimPower Systems, a Simulink feature. After modeling, a detection method is proposed based in a 51Q relay, that analyses the negative sequence current and the signatures reflected upon it by the occurrence of a high impedance ground fault. Keywords:

Fault. HIF.

Power Distribution Systems Protection. High Impedance Ground

LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Corrente de um HIF, teste da CESP, 1985 [6] ......................................................... 13 Figura 2 - Corrente de um HIF, teste da KEPCO, 2001 [4] ..................................................... 13 Figura 3 - Modelo proposto em [4] para falta de alta impedância ........................................... 14 Figura 4 - Cura VxI de uma HIF [4] ......................................................................................... 15 Figura 5 - Corrente de uma HIF brita "grossa" [4] ................................................................... 15 Figura 6 - Corrente de uma HIF em brita "fina" [4] ................................................................. 16 Figura 7 - Modelo de uma HIF [6]. Ao invés de usar o ATP, entretanto, escolhe-se o Simulink© ................................................................................................................ 17 Figura 8 - Valores dos resistores variáveis R1 e R2 [4] ........................................................... 17 Figura 9 - Forma de onda da corrente nos cicos 20 e 40 da falta [4] ....................................... 17 Figura 10 - Modelo de uma HIF ............................................................................................... 18 Figura 11 - Modelo de alimentador .......................................................................................... 19 Figura 12 - Determinação dos parâmetros RLC dos trechos do alimentador através do PowerGUI ................................................................................................................ 20 Figura 13 - Modelo do alimentador com HIF aplicado à fase C em t=0,5s ............................. 21 Figura 14 - Corrente de falta modelada .................................................................................... 22 Figura 15 - Detalhe da região transitória da corrente de falta modelada .................................. 22 Figura 16 - Corrente de falta em regime permanente ............................................................... 23 Figura 17 - Análise de Fourier da corrente de falta .................................................................. 24 Figura 18 - Correntes na subestação ......................................................................................... 25 Figura 19 - Tensões da subestação ........................................................................................... 25 Figura 20 - Detalhe das correntes na SE................................................................................... 26 Figura 21 – Aparato de DSP para medição da corrente de sequência negativa ....................... 27 Figura 22 - Linhas de código para cálculo da sequência negativa [10].................................... 27 Figura 23 - Modelo para detecção da HIF ................................................................................ 29 Figura 24 - Correntes de fase pré-falta no sistema modelado na Figura 23 ............................. 30 Figura 25 - Corrente de sequência negativa (HIF aplicada em t=0,5s) .................................... 30 Figura 26 - Detalhe do período transitório da corrente de sequência negativa ........................ 31 Figura 27 - Algoritmo para detecção de HIFs através da medição de sequência negativa ...... 32 Figura 28 - Diagrama de blocos no Simulink© do relé 51Q .................................................... 32 Figura 29 - Código do bloco "seq_neg", que mede a corrente de sequência negativa e ativa o Pick-Up ................................................................................................................. 33 Figura 30 - Código do bloco "temp", responsável pela temporização ..................................... 33 Figura 31 - Estado do Disjuntor (1: Fechado, 0 aberto) com atuação do relé 51Q ..................35 Figura 32 - Correntes na subestação com atuação do relé 51Q ................................................ 36 Figura 33 - Corrente negativa e estado do disjuntor para HIF transitória ................................ 37 Figura 34 - Corrente negativa e sinal de trip para operação indevida do disjuntor ..................38

CONTEÚDO 1 2 3

4

5

6 7

INTRODUÇÃO................................................................................................................ 10 REFERENCIAL TEÓRICO.............................................................................................11 Metodologia de Pesquisa .................................................................................................. 15 3.1 Modelo da Falta de Alta Impedância ......................................................................... 15 3.1.1 Procedimento para simulação no MatLab© ....................................................... 17 3.2 Modelo do Alimentador ............................................................................................. 18 3.3 Detecção da Falta ....................................................................................................... 21 3.3.1 Validação dos modelos ....................................................................................... 21 3.3.2 Detecção da Falta................................................................................................ 26 DETECÇÃO DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA USANDO UM RELÉ 51Q ...... 28 4.1 Relação Entre a HIF e a Corrente de Sequência Negativa......................................... 28 4.2 Algoritmo de Detecção .............................................................................................. 31 RESULTADOS OBTIDOS..............................................................................................35 5.1 Simulação Com HIF Permanente .............................................................................. 35 5.2 Simulação Com HIF Transitória ................................................................................ 36 5.3 Caso Especial: Polo Defeituoso Do Disjuntor ........................................................... 38 CONCLUSÕES ................................................................................................................ 39 BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................. 40

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1

INTRODUÇÃO Pergunto-vos: qual o valor da vida humana? Além da humanidade, qual o valor da

vida? Justifica a ameaça ao vivo circundante o faturamento de uma empresa de energia? O trabalho ora proposto tem por objetivo não só apresentar a modelagem de Faltas de Alta Impedância (doravante chamemos HIF - High Impedance Fault , como o faz a literatura) através do MatLab© e sua poderosa ferramenta, o Simulink©. Vem com ele, diante da possibilidade da modelagem, a detecção, e com esta, a pergunta com que abro a obra. Sabe-se que se dá uma HIF quando um condutor energizado vai a contato com um meio não condutivo - galhos de árvores e seus corpos de madeira, carros isolados do chão pelos pneus, asfalto, brita, serpentinas de carnaval. E tal se espera do contato com um meio destes, não ocorrem variações significantes na corrente que neste condutor flui. A bem da verdade, ela diminui. Toda a carga a montante segue energizada e devidamente alimentada A jusante, somente as cargas dependentes da fase afetada sofrerão. Em sistemas elétricos de distribuição como os atuais, pouco se pode esperar de detecção por meio de desbalanço de fases. De fato, veremos, quanto mais longe da subestação, menor será o desbalanço causado por uma HIF. Porém, a falta de lineraridade do meio não condutivo e do arco dão-nos os indícios necessários para ir além do 50/51 num alimentador. Mostram-nos a terceira harmônica, que num alimentador bem dimensionado não deveria estar lá. Justifica-se, portanto, esperar a ligação de um dos clientes que tiveram o azar de serem afetados pela fase em falta, esperar que a equipe de manutenção localize-a, e só então sane-se o defeito? Este trabalho propõe-se a dar mais um passo em busca da solução e decisão técnica, deixando, assim, aos nossos legislativo e concessionárias, a tomada da decisão ética.

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2 REFERENCIAL TEÓRICO A maioria da literatura buscada como referência foi encontrada no IEEE  (Institute of   Electrical and Electronics Engineers) .

Por isso, será de língua inglesa (ou na tentativa dela,

que me desculpem nossos colegas asiáticos) a base para este trabalho. Traz o IEEE: [1] High Impedance Fault Detection Technology - Report of PSRC Working Group 15:

Um relatório, liderado por John Tengdin, que mostra ao Power Systems Research Comitee

(Comitê de Pesquisas em Sistemas de Potência do IEEE), o patamar a que andava,

em 1996, a tecnologia disponível em detecção de HIFs. Um trabalho de vinte anos atrás, mas que lançou as bases das escolhas disponíveis acerca do método de detecção. Como este trabalho busca adequar-se à realidade das redes de distribuição brasileiras, descarta-se aquelas que envolveriam equipamentos espalhados ao longo do grid , pois depender deles seria, como dizem os americanos, wishful thinking. Assim sendo, com o escopo focado em detecção na subestação, restam-me dois métodos possíveis: - Decisão lógica simples com base na análise de componentes harmônicas e; - Redes neurais, que “aprendem” o comportamento da carga, e com isso são capazes de detectar a HIF. Sendo de simplicidade maior e eficácia comprovada na literatura ([3]), escolhe-se decisões lógicas como o método a ser investigado. [2] Detection of High-Impedance Faults in Power Distribution Systems:

O autor deste trabalho, Daqing Hou, o escreveu em nome da Schweitzer   Engineering Laboratories

(SEL), em 2006, e mostra o algoritmo que a SEL usa para detecção

de faltas de alta impedância em seus relés, baseado em lógica “simples” de análise de harmônicas. Antes, porém, de detectar as HIFs, deve-se modelá-las; eis aqui o verdadeiro desafio do trabalho. Nos trabalhos em breve abaixo elencados, o software favorito dos pesquisadores foi o ATP ( Alternative Transients Program), velho conhecido dos que estudam sistemas de potência, porém pouco amigável. Já eu propus-me a modelar a falta no MatLab©,

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uma vez que o ambiente Simulink© permite uma série de interfaces com outras áreas de pesquisa como, por exemplo, o DSP. Os trabalhos de modelagem preocuparam-se em reproduzir da maneira mais fiel possível os resultados de campo. E, para isso, o ATP serviu bem. Pretende-se, porém, ir mais longe e simular o funcionamento de um relé que detecte a falta e derrube o alimentador faltoso. Assim sendo, necessita-se modelar filtros, códigos de decisão e atuação do relé no sistema. No Simulink© isto torna-se possível. O Simulink© traz consigo um poderoso toolset  chamado Sim Power Systems , excelente ferramenta para análise de sistemas de potência. Afinal, antes de modelar a falta num deles, convém modelá-los. Para isso temos: [3]Tutorial (SimPowerSystems):

Este tutorial, também em língua inglesa, é hospedado no site da IT University of Copenhagen,

e não traz seu autor. Traz, contudo, excelentes informações sobre a

ferramenta de uso, inclusive ensinando como modelar cargas não linerares. Pode-se então, finalmente, passar à prática, e começar as pesquisas e tentativas de modelagem. Para isto, baseia-se em: [4] A Modeling Method of a High Impedance Fault in a Distribution System Using Two Series Time-Varying Resistances in EMTP; [5] Modeling Study for High Impedance Fault Detection in MV Distribution System;

E, finalmente, em lingua portuguesa; [6]Proposição de um Sistema para Simulação de Faltas de Alta Impedância em Redes de Distribuição;

Em [4], trabalho realizado na KEPCO, companhia de energia da Coréia do Sul, publicado em 2001, os autores realizaram extensivos testes de campo e verificaram as principais características da corrente de um HIF. E Nakagomi, em [6], traz também a corrente de teste de campo realizados em 1985 pela CESP. As Figuras 1 e 2 mostram os resultados destes testes:

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Figura 1 - Corrente de um HIF, teste da CESP, 1985 [6]

Figura 2 - Corrente de um HIF, teste da KEPCO, 2001 [4]

Apesar das formas de onde iniciais, que muito tem a ver com o modo como o cabo toca o solo, [4] elenca, e [5] e [6] confirmam que a corrente de HIF apresenta as seguintes características: •

Crescimento: a corrente leva algumas poucas dezenas de ciclos para atingir seu valor de regime;

•

“Ombros”: o crescimento cessa por uns poucos ciclos antes de voltar da amplitude voltar a crescer até que se atinja o valor de regime;

•

Não-Linearidade: a curva VxI da falta não é linear;

•

Assimetria: As formas de onda dos ciclos positivo e negativo são diferentes;

Interessante saber que Nakagomi [6] também testou vários modelos, inclusive os propostos em [4] e [5]. Chegou, então, à conclusão que o método proposto em [4] é o mais simples e que traz o mesmo resultado que métodos mais complexos. Por isso, aqui também, será o método escolhido de modelagem. Este modelo trata-se de duas resistências não-lineares em série, conforme a Figura 3: uma responsável pelo comportamento da HIF em regime permanente, e outra responsável pelo transitório de shoulders e build-ups.

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Figura 3 - Modelo proposto em [4] para falta de alta impedância

Por fim, uma vez modelada a HIF, usam-se os conceitos de proteção de sistemas elétricos de potência apresentados em [7] e [8] para a detecção da falha no nível da subestação.

15

3 METODOLOGIA DE PESQUISA A principal ferramenta desse trabalho é o Simulink©, parte integrante do MatLab©. Há três passos necessários para a análise das HIFs:

3.1

•

Modelar a falta de alta impedância em si;

•

Modelar um alimentador;

•

Detectar a falta e tomar a ação de proteção escolhida;

Modelo da Falta de Alta Impedância As duas referências tidas como base para este trabalho ([4] e [6]) aplicam o modelo de

[4] com sucesso para modelar uma HIF. Ali, é apresentado a seguinte curva VxI nos testes de campo realizados:

Figura 4 - Cura VxI de uma HIF [4]

E mostra também dois exemplos de gráficos da corrente em função do tempo (Figuras 5 e 6):

Figura 5 - Corrente de uma HIF brita "grossa" [4]

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Figura 6 - Corrente de uma HIF em brita "fina" [4]

Em ambos os casos testados pela KEPCO [4], e em [5] e [6], na análise do comportamento temporal da corrente de uma HIF, há as seguintes características típicas (já elencadas no Referencial Teórico e aqui reproduzidas por conveniência): •

Crescimento: a corrente leva algumas poucas dezenas de ciclos para atingir seu valor de regime;

•

“Ombros”: o crescimento cessa por uns poucos ciclos antes de voltar da amplitude voltar a crescer até que se atinja o valor de regime;

•

Não-Linearidade: a curva VxI da falta não é linear;

•

Assimetria: As formas de onda dos ciclos positivo e negativo são diferentes;

Logo, o modelo deve reproduzir essas características, tal e qual os testes realizados em campo. Se analisarmos a Figuras 5 e 6, notaremos algo: a corrente de uma HIF possui um valor de regime permanente e um valor transitório. No regime permanente, existe a assimetria e a não-linearidade, porém, não precisamos nos preocupar com o crescimento e ombros. Na região transitória, todas as quatro características surgem, mas, ao entrar em regime permanente, ombros e crescimento não são mais necessários ao modelo. Assim, este pode ser realizado por dois resistores controlados em série: um para as características transitórias, e outro para as características de regime. Reproduz-se aqui a Figura 3 por conveniência:

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Figura 7 - Modelo de uma HIF [6]. Ao invés de usar o ATP, entretanto, escolhe-se o Simulink©

A Figura 8 mostra as curvas de ambos os resistores e seus valores no tempo:

Figura 8 - Valores dos resistores variáveis R1 e R2 [4]

E a Figura 9 traz a onda de corrente em regime permanente nos 20º e 40º ciclo da falta:

Figura 9 - Forma de onda da corrente nos cicos 20 e 40 da falta [4]

3.1.1 Procedimento para simulação no MatLab©

A Figura 10 mostra a implementação do modelo com base em dois resistores controlados:

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Figura 10 - Modelo de uma HIF

O modelo funciona da seguinte maneira: o sinal de entrada é a tensão da rede. Com base na curva VxI da Figura 4 , constrói-se a curva da resistência em regime permanente em função da tensão. Com isso, obtemos R2. Em seguida, com base na Figura 8, reproduz-se a curva de resistência. A rampa de entrada é, na verdade, um vetor com os valores do tempo da simulação, responsável por decrescer o valor de R1 e fazer com que somente R2 atue em regime. Assim, R1 fica responsável pelo crescimento e pelos “ombros”. R2 é responsável pela assimetria e não-linearidade da corrente. O sinal de entrada é então dividido pelo resultado do somatório dos dois resistores, e resulta na corrente de falta, o sinal de saída. Esse sinal de saída será posteriormente aplicado a uma fonte de corrente controlada ligada à terra que será responsável por aplicar a falta no sistema de potência.

3.2

Modelo do Alimentador O Sim Power Systems , uma “interface” do Simulink© que aplica todo o poder de

simulação do MatLab© com uma IHM gráfica amigável ao usuário para sistemas de potência, será amplamente usado deste ponto em diante. Não é o escopo desta obra pormenorizar o funcionamento do Sim Power Systems , assim sendo, recomenda-se ao leitor a referência [3], que é um ótimo tutorial (ainda que defasado em relação às versões mais modernas do MatLab©) para a ferramenta. De volta, portanto, ao modelo de um alimentador em si, este foi tarefa mais simples, graças às facilidades trazidas pelo Sim Power Systems que faltam ao ATP (claro, o ATP é um programa livre, enquanto o Sim Power Systems traz consigo o custo do MatLab©). O modelo proposto é exibido na Figura 11, semelhante aos usados em [4], [5] e [6]:

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Figura 11 - Modelo de alimentador

Cada seção do alimentador foi modelada pelo Método dos Parâmetros Distribuídos, já que o Modelo PI acarretava em tempos de computação muito longos para se tornarem práticos. O próprio Sim Power Systems , através do PowerGUI , computa os parâmetros RLC de seqüência positiva e zero de cada fase do alimentador, conforme Figura 12:

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Figura 12 - Determinação dos parâmetros RLC dos trechos do alimentador através do  PowerGUI 

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As duas primeiras cargas são indutivas, balanceadas, com fator de potência 0.92 indutivo. Já a última é resistiva e balanceada.

3.3

Detecção da Falta

3.3.1 Validação dos modelos O próximo passo é integrar os modelos da HIF e do Alimentador, e verificar que a falta ocorre como devido. Uma vez estabelecido o correto fenômeno, deve-se detectá-lo. A Figura 13 mostra o modelo já com a aplicação da falta:

Figura 13 - Modelo do alimentador com HIF aplicado à fase C em t=0,5s

O modelo da Figura 13 é o mesmo da Figura 11, porém, sem o disjuntor da SE (ele voltará quando buscarmos a detecção da falta). Dentro do bloco HIF_T_1 está o esquema de controle da HIF mostrado na Figura 10. Os degraus no esquema são responsáveis por “disparar” a falha em t=0,5s, e a tensão da fase C é reproduzida apenas para evitar um loop algébrico que tornava a simulação muito lenta. CCS é a fonte de corrente controlada. O ponto escolhido para a aplicação da HIF não foi aleatório. Coloca-se ali pois pouca carga sairá do sistema no momento da falta, porque quanto mais perto da SE, mais fácil fica a detecção da falta ([1], [2], [6], [7], [8]), uma vez que o desbalanço causado é maior. Assim, na ponta do alimentador, e com pouca carga a jusante, a HIF torna-se de detecção mais difícil.

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Testa-se, em seguida, tudo o que já foi feito a fim de validar o sistema e toda a metodologia de pesquisa aqui apresentada até agora. Primeiramente, devemos avaliar a corrente de falta e ver se ela apresenta as características elencadas em 3.1. A Figura 14 mostra da forma de onda da corrente de falta modelada:

Figura 14 - Corrente de falta modelada

A Figura 14 de fato está dentro do que esperávamos, com características nítidas de comportamento transitório e de regime, mostrando bem a atuação de R1 e R2 em suas faixas de atuação respectivas. Observemos o período transitório na Figura 15:

Figura 15 - Detalhe da região transitória da corrente de falta modelada

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Vê-se nitidamente o comportamento desejado, numa forma de onda bem similar àquela da Figura 5. E na Figura 16, podemos ver as características de assimetria e nãolinearidade claramente demonstradas, comportamento similar à Figura 9:

Figura 16 - Corrente de falta em regime permanente

[4] traz também o conteúdo harmônico da corrente de falta, que é mostrado na tabela abaixo: Tabela 1 - Conteúdo harmônico da corrente de falta [4] Ordem da harmônica Percentual

1

2

3

4

5

75,9%

0,42%

11,18%

0,55%

3,83%

O Sim Power Systems , através do PowerGUI , nos permite facilmente realizar a análise de Fourier de qualquer sinal do sistema. A Figura 17 traz o resultado dessa análise para comparação com a Tabela 1:

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Figura 17 - Análise de Fourier da corrente de falta

Percebe-se pela Figura 17 que o conteúdo harmônico ficou semelhante ao da Tabela 1, incluindo dominância do componente de terceira harmônica em relação às demais que não a fundamental, e presença pequena, porém significativa, das harmônicas de ordem 2, 4 e 5. Agora, precisamos observar o que acontece com correntes e tensões no nível da subestação, 7km a montante da HIF. As Figuras 18 e 19 mostram o comportamento das correntes e tensões nas fases do alimentador.

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Figura 18 - Correntes na subestação

Figura 19 - Tensões da subestação

Na Figura 18, vemos que a corrente da Fase C, onde ocorre a HIF, praticamente não se altera. Mesmo se analisarmos os ciclos após a entrada da corrente de falta em regime

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permanente (Figura 20), veremos que, de maneira alguma um relé, baseado apenas nas técnicas tradicionais de sobrecorrente, direcional ou não, seria capaz de detectar a falta de alta impedância ([7], [8]).

Figura 20 - Detalhe das correntes na SE

De posse destes resultados validam-se os modelos apresentados para o estudo.

3.3.2 Detecção da Falta Foi justamente aqui, na detecção da falta, que nasceu essa obra. Há muitos métodos de detecção de falta de alta impedância, como foi apresentado no referencial teórico, e [2] traz um dos poucos baseados em lógica. Na cadeira de Aplicações de Processamento Digital de Sinais, sob a orientação do Prof. Dr. Rubem Dutra Fagundes, desenvolvi um método para medição de correntes de sequência negativa [10]. E, como [7] e [8] podem nos mostrar, a corrente de sequência negativa só ocorre na presença de desbalanços em sistemas trifásicos. Não surge nem mesmo em curtos-circuitos trifásicos, tão pouco, de maneira expressiva, quando cargas não-lineares trifásicas são ligadas à rede. É de supreender, portanto, que entre tantos métodos existentes para detecção de HIFs, nenhum se baseie no fato de que a maioria absoluta dos sistemas de distribuição de energia são trifásicos!

Ora, porque não usar as relações de sistemas trifásicos, isto é, componentes

27

simétricas, para a detecção de uma falta que, embora envolva na maioria das vezes uma única fase, faz parte de um sistema com três? Amparado pelas observações dos vastos estudos em sistemas trifásicos de distribuição do orientador deste trabalho (uma vez que não se acharam estudos para citar como fonte) decide-se buscar a detecção das HIFs através da corrente de sequência negativa. A Figura 21 mostra o aparato de DSP necessário para o cálculo desta corrente [10]:

Figura 21 – Aparato de DSP para medição da corrente de sequência negativa

Nele, as entradas são leituras dos TCs de cada fase. Elas são amostradas (24 amostras por ciclo), quantizadas em 8 bits e usadas para o cálculo dos fasores de cada fase. Dos fasores, a corrente de sequência negativa é calculada pelo código abaixo:

Figura 22 - Linhas de código para cálculo da sequência negativa [10]

Assim, de posse dos valores da corrente de sequência negativa, serão realizadas as tentativas de detecção das faltas de alta impedância e, espera-se, com isso, oferecer uma nova alternativa aos métodos utilizados atualmente.

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4 DETECÇÃO DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA USANDO UM RELÉ 51Q 4.1

Relação Entre a HIF e a Corrente de Sequência Negativa A norma ANSI-IEEE C37.2 define a terminologia das funções de atuação num sistema

elétrico, e nela, o código 51 refere-se à proteção de sobrecorrente temporizada. O índice Q indica que esta sobrecorrente será medida em relação à componente de sequência negativa. Uma mudança necessária ao modelo apresentado Figura 13 é que, já que trabalhar-se-á com sequência negativa, é necessário que já exista um desbalanço inicial, de maneira a verificar se o surgimento de uma HIF poderá ser “enxergado” pelo relé em meio à corrente de sequência negativa que já circula pelo sistema. A Figura 23 mostra o modelo a ser utilizado para o estudo. Elencam-se as diferenças em relação ao modelo da Figura 13: •

Os TCs são blocos criados para aplicar a RTC (relação de transformação de corrente) ao sinal que vai ao relé. Como em HIFs não há elevação significativa na corrente de regime permanente passando pelos TCs, não houve preocupação com a saturação dos mesmos (que poderia ocorrer em caso de curto-circuito);

•

O Relé 51Q é o esquema mostrado na Figura 21, com o código de seu bloco de função alterado para a tomada de decisão acerca de dar ou não o sinal de trip ao disjuntor;

•

As três seções de Alimentadores permanecem, porém, as cargas agora estão desbalanceadas e maiores, uma vez que é comum (constatação em observações de campo) que a potência média de um Alimentador urbano seja da ordem de 6MVA. Temos 3MVA na primeira seção e 3.2MVA na segunda. São mantidos os 50kVA na ponta;

•

A HIF foi deslocada mais 4km à jusante, de maneira a termos a menor das cargas sendo retirada do sistema, e a maior distância até a subestação.

•

A chave 43-51Q nos permite incluir/excluir o trip dado pelo relé, de maneira a tornar convenientes simulações em que queremos ou não a atuação do disjuntor.

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Figura 23 - Modelo para detecção da HIF

Começamos, portanto, a simulação sem a presença da atuação do Relé 51Q sobre o disjuntor, de maneira a analisarmos se, de fato, a presença da HIF irá imprimir alguma

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assinatura à corrente de sequência negativa do sistema. Antes, porém, de maneira a ajustar a RTC dos TCs, analisemos as correntes de fase na Figura 24:

Figura 24 - Correntes de fase pré-falta no sistema modelado na Figura 23

Com o valor máximo da corrente de falta por volta dos 150A, convém que a corrente nominal dos TCs seja 300A (valor comercial de um TC 300x600-5-5A). Por ser o valor mais amplamente utilizado em concessionárias de distribuição (conforme observações de campo), a corrente nominal secundária é fixada em 5A. Assim sendo, com a RTC igual a 60 (300 / 5), podemos analisar a corrente de sequência negativa do sistema sem a atuação do relé 51Q, conforme Figura 25:

Figura 25 - Corrente de sequência negativa (HIF aplicada em t=0,5s)

31

Observemos bem o que se passa na Figura 25. Devido ao desbalanço inicial, já havia a presença de corrente de sequência negativa. Em, t=0,5s quando ocorre a HIF, a mesma cresce, passando de cerca de 0,35As (Ampères secundários) para 0,5As (que equivale a 30A de corrente de sequência negativa circulando pelo circuito principal). Mais interessante ainda é analisarmos o transitório entre o momento da falta e a estabilização da corrente de sequência negativa, na Figura 26:

Figura 26 - Detalhe do período transitório da corrente de sequência negativa

Vê-se claramente que o mesmo comportamento transitório da HIF se reproduz no transitório da corrente de sequência negativa. Isso somente já é um excelente indicativo, pois métodos mais rebuscados do que o que desenvolveremos ao longo desse trabalho podem analisar a corrente de sequência negativa e, no comportamento dela, achar o comportamento de uma HIF, ao invés de buscar-se exclusivamente as harmônicas injetadas na rede de maneira monofásica, como é feito atualmente.

4.2

Algoritmo de Detecção Conforme comentado em 4.1, não é o escopo desse trabalho buscar um algoritmo que

detecte a HIF através de seu comportamento transitório, mas sim através do regime permanente. Isto se deve ao fato de que dificilmente, num sistema de distribuição, uma variação de carga normal se dará de maneira tão brusca que insira 30A corrente de sequência negativa no sistema ([7], [8]) em curtíssimo intervalor de tempo.

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Grandes cargas não-lineares (suponhamos, indústrias) ligam e desligam suas cargas do sistema de maneira trifásica e efetivamente simultânea, o que causa transientes de corrente de sequência negativa que logo são sanados, ou não mantêm-se num nível constante([7], [8]). Faltas que desliguem um ramo particularmente denso de um alimentador poderiam, subitamente, injetar uma grande quantidade de corrente de sequência negativa no sistema. Todavia, para isso, essa falta deve ser desbalanceada, e se não disparar a atuação de nenhuma das proteções na subestação, é muito provável que tal falta seja uma HIF - cai, portanto, nas características e escopo do algoritmo a ser proposto. Assim, a Figura 27 traz o diagrama de blocos o algoritmo de detecção da HIF:

Figura 27 - Algoritmo para detecção de HIFs através da medição de sequência negativa

E o diagrama de blocos do Simulink© para realizar esta tomada de decisão é mostrado na Figura 28:

Figura 28 - Diagrama de blocos no Simulink© do relé 51Q

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Já as Figuras 29 e 30 trazem os códigos dos dois blocos de função do MatLab© implementados:

Figura 29 - Código do bloco "seq_neg", que mede a corrente de sequência negativa e ativa o Pick-Up

Figura 30 - Código do bloco "temp", responsável pela temporização

Conforme exposto nos comentários dos códigos das Figuras 29 e 30, há dois ajustes necessários: a corrente de pick-up (I2p) e o tempo de temporização (tt). Para ambos os ajustes é necessário que se conheça o comportamento da HIF no Alimentador. Assim, para o ajuste desses parâmetros, testes e estudos se tornam necessários por parte da concessionária. No caso de I2p, esse deve ser um ajuste variável de acordo com a carga do alimentador. Espera-se, para a aplicação do método ora proposto, que a empresa de energia realize esses estudos, que são relativamente simples. Sugere-se que uma “Curva de Carga de

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Sequência Negativa” seja levantada para cada alimentador, e com base nela definido os ajustes, que podem ser vários, de I2p e tt. Assim, os ajustes para a simulação ficam em I2p=0,45As (que equivale a 27A no circuito primário e tt=0,15s). Analisemos, portanto, os resultados obtidos com essa configuração.

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5 RESULTADOS OBTIDOS 5.1

Simulação Com HIF Permanente De posse do exposto até agora, inclui-se a atuação do relé através da chave 43-51Q e,

rodando a simulação, verifica-se a atuação da proteção no disjuntor do alimentador.

Figura 31 - Estado do Disjuntor (1: Fechado, 0 aberto) com atuação do relé 51Q

A Figura 31 mostra o valor da corrente de sequência negativa e o sinal de trip ao disjuntor (este sinal não está em escala). Nota-se a mudança de estado após a temporização, e a Figura 32 nos mostra as correntes na subestação, confirmando a abertura do disjuntor alguns poucos ciclos após a ocorrência da falta:

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Figura 32 - Correntes na subestação com atuação do relé 51Q

Verificou-se com sucesso que o relé 51Q age conforme o desejado para valores de corrente de sequência negativa que ultrapassem, e sigam ultrapassando, durante o tempo de temporização, o valor de pick-up estipulado. As Figuras 31 e 32 demonstram bem esse funcionamento.

5.2

Simulação Com HIF Transitória É, todavia, um dos grandes problemas da detecção da HIF ([1], [2], [6], [7]), o fato de

que o relé que a detecte não pode atuar por alarmes falsos ou perturbações na rede. Na análise de harmônicas monofásica, que se debruça fortemente sobre a análise da terceira harmônica ([1], [2]), há a interferência de um sem número de fatores que geram “ruídos”, isso é, componentes harmônicos, similares aos de um HIF, e com isso, grande parte do poder de processamento dos métodos monofásicos é usado para verificar se, de fato, a perturbação detectada é gerada por uma HIF. Na análise trifásica aqui proposta, esse problema torna-se significantemente mais simples, uma vez que, ao monitorarmos as três fases através de uma das componentes simétricas, a perturbações que são comuns às três fases pouco influem na corrente de

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sequência negativa de maneira permanente. O reflexo destas perturbações que não devem acionar o relé 51Q na componente de sequência negativa é transitório. Ele não se estabiliza ([7], [8]). Simulemos, assim, um evento transitório que, se prolongado, dispararia o relé 51Q implementado: a própria HIF que testamos até aqui. Poderia ser, por exemplo, um galho de árvore que, empurrado por um vento, tocou uma das fases da rede de distribuição mas logo se afastou. Observe que, na Figura 23, no bloco de controle da HIF, há uma entrada chamada de “stop”. Quando colocada em 0 ela cessa a corrente de falta. Assim, a HIF será aplicada no instante 0,5s, e retirada em 0,6s. Os “disjuntores” que aplicam a falta ao sistema reverterão às suas posições iniciais nesses mesmos instantes.

Figura 33 - Corrente negativa e estado do disjuntor para HIF transitória

A Figura 33 mostra claramente que, diante de um evento transitório de 0.1s, o relé 51Q comportou-se como devido e não abriu o disjuntor.

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5.3

Caso Especial: Polo Defeituoso Do Disjuntor É ainda um caso de HIF, embora não dos que oferecem perigo à vida, a situação em

que um dos polos de um disjuntor numa subestação não se fecha quando é-lhe dado o comando de fechamento. Neste caso, um relé com a função ANSI 46 (desbalanço de fases) poderia detectá-lo. Todavia, caso esta não esteja instalado, ou a situação de operação do alimentador é tal que sempre dispararia a atuação do 46, o método aqui proposto pode também detectar esta situação. Para o Alimentador modelado, façamos o disjuntor começar aberto e fechar em t=0,5s. O polo da fase C não fechará (é possível fazer este controle no bloco de disjuntor trifásico do SimPower Systems), e com isso, somente duas das fases serão energizadas.

Mantendo as mesmas configurações do relé 51Q usadas até aqui, obtemos o seguinte resultado:

Figura 34 - Corrente negativa e sinal de trip para operação indevida do disjuntor

A Figura 34 mostra que, no momento em que a corrente de sequência negativa dispara, dada a temporização, o sinal de trip será enviado ao disjuntor. Obervar-se-ia a corrente de sequência negativa zerar quando da atuação do relé 51Q, porém, de maneira a não criar blocos desnecessários ao modelo, o bloco de disjuntor foi controlado sem sinais externos.

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6 CONCLUSÕES As faltas de alta impedância, comumente chamadas na literatura de HIF, são fenômenos de difícil detecção e que colocam em perigo a vida circundante, humana ou não. Dentre todos os trabalhos que tentaram modelá-la, o de maior aceitação entre a literatura corrente é referenciado em [4] e que, por isso, foi escolhido como modelo da HIF para este trabalho: consiste de dois resistores variáveis controlados, um que reproduz as características transitórias da falta, e outro que reproduz as características em regime permanente. A detecção de HIFs neste trabalho foi pensada de maneira exclusivamente trifásica, uma vez que a grande maioria das redes de distribuição de energia urbanas no Brasil são trifásicas. O método proposto não se aplica a redes monofásicas. As componentes simétricas são uma boa referência para lidar com circuitos trifásicos desbalanceados e, por isso, analisou-se o comportamento da corrente de sequência negativa quando da ocorrência de uma HIF. Constatou-se, assim, que o mesmo comportamento transitório da corrente de falta é reproduzido na corrente de sequência negativa, legitimando a análise desta para detecção daquela através de um relé 51Q. Com simulações realizadas no pior caso – maior distância da subestação, em sistema  já desbalanceado, com retirada da menor carga do sistema – a falta foi detectada com sucesso. Além disso, eventos transitórios não dispararam a atuação do relé 51Q, e ele foi rápido na detecção de operação indevida (polo aberto) do disjuntor. Sugere-se, como expansão ao desenvolvido neste trabalho, o desenvolvimento de algoritmos computacionais capazes de detectar uma HIF pelo seu comportamento transitório, refletido na componente de sequência negativa, e com isso torná-lo mais preciso.