SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ELÉTRICA
Versão 1.0 XXX.YY 19 a 24 Outubro de 2003 Uberlândia - Minas Gerais
GRUPO X SOBRETENSÕES E COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO - GSC APLICAÇÃO DA ROTINA MODELS E DA INTERFACE ATPDraw DO PROGRAMA ATP/EMTP PARA O CÁLCULO DOS VALORES DE PICO, DOS INSTANTES DE TEMPO CORRESPONDENTES E DA TAXA DE CRESCIMENTO DA TENSÃO DE RESTABELECIMENTO TRANSITÓRIA (TRT) EM DISJUNTORES, BEM COMO PARA A IMPRESSÃO DE ENVOLTÓRIAS DE REFERÊNCIA NORMALIZADAS Jorge Amon Filho (*) FURNAS
Denesmar Gomes Pimenta FURNAS
RESUMO Este trabalho apresenta uma aplicação da rotina MODELS em associação com a interface ATPDraw em estudos cálculo da tensão transitóriade para disjuntores (TRT). de restabelecimento Esta aplicação apresenta alguma simplificação em relação ao programa similar anterior, que utiliza a subrotina TACS, aproveitando as facilidades proporcionadas pelo ATPDraw, que permitem uma maior flexibilidade na montagem dos casos em estudo e sua conexão com os blocos da rotina MODELS. A combinação das interfaces ATPDraw + ATP Windows NT + PLOTXY, do pacote ATP/EMTP, traz a vantagem da sua instalação ser extremamente simples, dispensando a necessidade de utilização de comandos de DOS. PALAVRAS-CHAVE ATPDraw. MODELS. Tensão de Restabelecimento Transitória. TRT. Disjuntor 1.0 - INTRODUÇÃO Entre as facilidades mais recentes introduzidas no pacote ATP/EMTP (1), podem ser citadas as novas versões do pré-processador gráfico ATPDraw e o programa gráfico PLOTXY. Com estas ferramentas, uma vez instalados os programas necessários, o uso do ATP, bem como de qualquer outro programa de apoio, pode ser efetuado diretamente do menu principal do ATPDraw, de forma quase que transparente para o usuário.
O emprego do ATPDraw acarreta a possibilidade praticamente nula de serem cometidos erros de sintaxe ou de digitação durante a montagem do arquivo de dados de permitir de se além obedecer a umao relaxamento ordem para da a necessidade entrada dos dados, com maior associação entre o arquivo de dados e o diagrama unifilar da rede. A proposta de aplicação desenvolvida neste trabalho foi feita a partir da necessidade de simulação de vários casos para um único estudo de TRT, tendo em vista as várias possibilidades de configuração da rede próxima ao disjuntor em estudo. A aplicação se baseia num módulo monofásico, sendo necessária à inclusão de 3 módulos quando se tratar de um sistema trifásico. Num estudo clássico de TRT (2), em cada caso simulado, a análise dos resultados consiste em se avaliar a severidade da curva de TRT obtida na simulação, através da determinação dos picos da TRT ° pico e pico máximo), dos instantes de tempo (1 correspondentes a esses picos e da sua taxa de crescimento (TCTR), pela aplicação da rotina MODELS. Também são geradas curvas de referência (envoltória de norma, por exemplo) que são impressas nos mesmos gráficos gráficos das curvas curvas da TRT TRT obtidas. O processo de pós-tratamento dos resultados da TRT fica, então, automatizado, aumentando a qualidade dos resultados e produtividade do usuário.
2.0 - ROTINA MODELS A MODELS é uma linguagem de descrição de uso geral, associada à interface ATPDraw (3) baseada em
(*) Rua Real Grandeza, 219 - Sala 1607.3 - Bloco C – Rio de Janeiro – R.J. – CEP 22283-900 22283-900 - Brasil Tel: (55 21) 2528-4903 – Fax: (55 21) 2528-4857 - E-mail:
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um conjunto de ferramentas de simulação para representação e o estudo de sistemas variantes no tempo. A linguagem MODELS concentra-se na descrição da estrutura de um modelo e na função de seus elementos. Existe uma clara distinção entre a descrição de um modelo e o uso deste modelo. Os modelos podem ser desenvolvidos separadamente, agrupados em uma ou mais bibliotecas de modelos e usados em outros modelos como blocos independentes na montagem de um sistema. A descrição do modelo individual deve ser autoexplicativa. Um sistema pode ser descrito, na linguagem MODELS, como um arranjo de submodelos inter-relacionados, independentemente de suas descrições internas e de suas simulações (modelos individuais podem ter diferentes passos de simulação). A descrição de cada modelo usa um formato livre, sintaxe das palavras-chaves no contexto local e não necessita de um formato fixo em sua representação.
O arquivo do modelo, descrevendo a operação deste, deve ser escrito fora do ATPDraw usando um editor de texto ASCII ou o editor interno Model Editor acessado acessado no menu da barra de ferramentas pelas opções Objects | Model / New mod-file . A Figura 1 apresenta o caminho, descrito acima, para acessar o editor interno do ATPDraw. A Figura 2 apresenta um arquivo padrão de um modelo contendo todas as possíveis seções (variáveis de entrada e saída, variáveis de dados, funções, inicialização de variáveis, corpo do programa, etc.) necessárias à construção do arquivo do modelo. Este arquivo do modelo deve ser salvo com a extensão .mod e armazenado no diretório \MOD na árvore do ATPDraw. O nome do arquivo deve ser o mesmo dado ao título na primeira linha da descrição do modelo.
As principais características descritivas da linguagem MODELS são as seguintes: • A sintaxe da MODELS permite a representação de um sistema de acordo com a estrutura funcional do sistema, dando suporte a descrição explicita da composição, seqüência, concorrência, seleção, repetição e replicação; • A descrição de um modelo pode também ser usado como documentação do modelo; • A interface do modelo com o mundo externo é facilmente especificada; • Aos componentes do modelo podem ser dados • •
FIGURA 1 – MENU DE EDIÇÃO DA MODELS.
nomes funções;de sentido completo representativo de suas O sistema pode ser particionado em submodelos individuais, cada um com seu nome local; Os modelos e funções usadas para descrição da operação de um sistema pode ser construídos em outra linguagem de programação que não seja a linguagem MODELS.
As principais características de simulação suportada pela linguagem MODELS são as seguintes: •
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FIGURA 2 – ARQUIVO PADRÃO DE DESCRIÇÃO DA MODELS.
Distinção entre a descrição de um modelo e seu uso, permitindo várias replicações independentes, de um modelo, com gerenciamento individual de simulação (passo de simulação, quantidade, condições iniciais, etc.);
2.2 Criação do Objeto MODELS Um objeto ATPDraw consiste de um arquivo em disco, o qual é chamado arquivo suporte, com a extensão .sup . Cada modelo deve ter um arquivo suporte com objetivo de ser usado usado no ATPDraw. Um arquivo suporte é padrão para todos componentes no ATPDraw e contém o ícone, informação nos tipos de nós e posições e parâmetros de dados. Há duas opções para criação de um objeto de um modelo no ATPDraw:
Combinação hierárquicadependente de três métodos inicialização (padrão, do uso de e embutido), cada um contribuindo para descrição do histórico de pré-simulação de um modelo por uma representação direta do valor de présimulação de suas entradas e variáveis como funções do tempo; Modificações controladas dinamicamente dos valores das entradas e variáveis de um modelo durante o curso da simulação; Modificações controladas dinamicamente da estrutura de um modelo (tanto a composição topológica quanto o fluxo algoritmo) durante o curso da simulação.
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2.1 Criação do arquivo do modelo
Operação Manual: Manual: selecionando um arquivo arquivo suporte manualmente via menu Object | Model | New sup-file; Operação Automática: selecionando um arquivo .mod diretamente em MODELS do menu de seleção de componentes e deixando o ATPDraw criar o arquivo suporte.
A Figura 3 apresenta a janela de edição do arquivo suporte do modelo.
Uma vez editado o objeto, toda vez que este for inserido em um sistema qualquer que se deseja estudar a TRT de um disjuntor, o arquivo do modelo associado a ele, e que executa todo o processamento, será incluído na listagem do arquivo a ser processado. 3.0 - MÉTODO A aplicação consiste de duas partes. Um módulo com os comandos (arquivo descritivo do modelo) que executam os cálculo, processando os valores lidos, e um módulo gráfico (objeto MODELS), vinculado a esta rotina, o qual permite as flexibilidades, introduzidas pelo ATPDraw, de utilizar esta aplicação em qualquer ponto do sistema onde estiver o disjuntor que se
FIGURA 3 – EDIÇÃO DO ARQUIVO SUPORTE. 2.3 Registro das Variáveis Internas MODELS
deseja analisar a TRT, independentemente seja a configuração da rede próxima ao mesmo.de qual São necessários três pontos de conexão do módulo gráfico com o disjuntor em estudo. O primeiro ponto de conexão fornece uma variável de entrada que informa o status do disjuntor estudado, se fechado ou aberto. Os outros dois pontos de conexão fornecem as tensões de fase antes e depois do disjuntor, o que permite determinar o comportamento da tensão sobre os pólos do disjuntor durante a ocorrência da TRT.
O ATPDraw suporta a característica RECORD existente na MODELS para registrar qualquer variável interna de um objeto modelo no arquivo de saída .pl4 . Esta opção é encontrada via ATP | Settings / Record no menu da barra de ferramentas. Todos os objetos MODELS na janela do circuito ativo são listados com seu nome USE AS na listagem da caixa Model . Quando você seleciona um modelo no campo Model , as variáveis (declaradas na seção VAR do arquivo .mod ) são listadas no campo Variabel . Cada variável tem um apelido que aparece no campo Alias , mas ele pode ser modificado de acordo com as necessidades do usuário.
Na inclusão do módulo gráfico para o estudo da TRT, durante a montagem da rede à qual está ligado o disjuntor a ser estudado, é possível ainda inserir os parâmetros para montagem das curvas de referência (envoltórias de norma).
Para registrar uma variável clique no botão Add . O apelido da variável pode pode ser alterado pela pela seleção do item na lista da caixa Record e e digitado um novo nome. Uma variável registrada pode ser removida pela seleção deste item e clicando no botão Remove . Esta listagem de registros é armazenada em um arquivo, más ela não acompanha o circuito quando este é copiado de alguma janela de trabalho ou é usada à opção de exportar exportar o grupo. A Figura 4 apresenta a janela Record descrita descrita acima.
Após a simulação de cada caso, com sua respectiva configuração da rede, podem ser obtidos, para cada fase, os comportamentos da tensão sobre os pólos do disjuntor durante a ocorrência da TRT, o primeiro pico de tensão e o pico máximo desta TRT com seus respectivos instantes de tempo de ocorrência, a taxa de crescimento da TRT e a curva de referência em forma gráfica e/ou na listagem final. Na referência (4) é descrita uma metodologia para o cálculo da TRT de disjuntores disjuntores com o uso do programa de cálculo de transitórios eletromagnéticos EMTP. 3.1 Uso da Aplicação Uma grande vantagem da versão do programa EMTP/ATP comsistema a interface que há na montagem do a serATPDraw analisadoé não necessidade de inclusão de dispositivos extras para obtenção dos sinais de tensão e do status do disjuntor a ser analisado, como ocorria quando não se dispunha da interface ATPDraw. ATPDraw. Outra vantagem é que não há a necessidade de que o nome dos nós do disjuntor a ser analisado seja igual aos nomes dados, internamente no arquivo do modelo, aos pontos de conexão do objeto objeto com o sistema analisado. Portanto, a rotulação dos nós do sistema montado fica ao critério do profissional que realiza o estudo, atendendo ao que for mais conveniente no momento para facilitar seu entendimento. As variáveis do arquivo do modelo que devem ser selecionadas na janela de registro (RECORD) para
FIGURA 4 – JANELA DE REGISTRO DAS VARIÁVEIS.
obtermos os gráficos necessários ao estudo da TRT são: • E1 – primeiro pico da TRT; • T1 – instante de ocorrência de E1; • E2 – pico máximo da TRT; • T2 - instante de ocorrência de E2; • RRRV – taxa média de crescimento de zero ao primeiro pico da TRT; • IEC – curva envoltória de norma referente ao limite da TRT. Quando os sistemas analisados forem trifásicos estas variáveis deverão ter nomes diferentes para cada fase. A curva envoltória de norma, que para esta aplicação
FIGURA 5 – PARÂMETROS DA TRT Os pontos de deconexão o sistema apresentam-se maneirado queobjeto o pontocom denominado Y se refere à leitura do status do disjuntor, se aberto ou fechado, e os pontos denominados X e Z referem-se a leitura dos valores de tensão, em relação a terra, antes e depois do disjuntor, para que possamos obter o valor e a forma da tensão sobre o mesmo.
foi adotado como referência curva na ANSI/ABNT, poderá ser a adois ou especificada quatro pontos conforme o critério adotado, bastando para isto fazer os pontos U1 e T1 iguais as UC e TC respectivamente, na entrada de dados do objeto MODELS. Na determinação da taxa de crescimento da tensão de restabelecimento (TCTR) existem quatro definições para esta taxa conforme a tecnologia de construção do disjuntor, sendo que a adotada nesta aplicação foi à definida como a máxima taxa média de crescimento, expressa como a tangente à curva da TRT passando pela origem, como visto na Figura 5.
3.2 Cálculo da TRT O sistema escolhido para que seja desenvolvido o cálculo da TRT é mostrado na Figura 6.
FIGURA 6 – CONFIGURAÇÃO ANALISADA
Foi considerado que o sistema já se encontrava em regime permanente e foi dado o comando para que o disjuntor seja acionado em t = 0, observando-se a interrupção das correntes, em cada fase, quando da passagem pelo seu zero natural.
4.0 - CONCLUSÃO O uso da interface ATPDraw permite uma flexibilidade muito grande na montagem de um sistema a ser estudado. Não necessita de uma ordem rígida de entrada dos dados e, por ser uma interface gráfica, a visualização e o acompanhamento da montagem do sistema é mais rápida, permitindo que outros profissionais possam se interar mais rapidamente a respeito da rede estudada.
A montagem do sistema pela interface ATPDraw é simples, não havendo uma regra rígida de seqüência para a inclusão dos objetos representativos das fontes, transformadores, linhas de transmissão (que podem ter a representação em parâmetros concentrados ou distribuídos), cargas e módulos de cálculo da TRT, ou quaisquer dispositivos que componham o sistema a ser analisado.
Como se trata de uma interface gráfica, sendo cada elemento do sistema representado por um objeto, este pode ser acessada com maior facilidade e executado as alterações que se façam necessárias.
3.3 Fluxograma
O aplicativo desenvolvido, composto pelo arquivo descritivo do modelo e pelo objeto MODELS, pode ser inserido em qualquer disjuntor existente no sistema.
Na Figura 7 podemos ver um fluxograma mostrando a seqüência de funcionamento da rotina desenvolvida para o estudo da TRT.
Detecta 1º pico de tensão (E1), o instante de tempo correspondente (T1) e a taxa média de crescimento (RRRV) da TRT
Detecta o pico máximo de tensão (E2) e o instante de tempo correspondente (T2) da TRT
FIGURA 7 – FLUXOGRAMA DE OPERAÇÃO DO APLICATIVO DESENVOLVIDO
Independentemente da disposição do mesmo ou dos elementos conectados a ele. Isto também é facilitado pelo fato de não haver necessidade de um vinculo entre o rótulo dos nós com as variáveis de coleta de dados (status do disjuntor e valor de tensão) da rotina MODELS.
a envoltória normalizada a quatro parâmetros, definida pela Norma da ABNT para disjuntores NBR 7118/94, e último pólo a abrir para falta monofásica quilométrica, respectivamente. Foi utilizada a envoltória de 30% da componente periódica da capacidade de interrupção nominal pois a corrente máxima de curto-circuito para falta terminal do sistema estudado (11,8 kA) equivale a 29,5% da capacidade do disjuntor (40kA). A Tabela 1 apresenta o resultado dos casos estudados do sistema.
Como resultado do estudo da TRT por meio do aplicativo desenvolvido, temos os gráficos mostrados nas Figura 8 e 9, que apresentam as curvas de tensão do primeiro pólo a abrir para falta terminal trifásica com
TABELA 1 – RESULTADO DOS CÁLCULOS DE TRT CASO
1. Falta Terminal 3Φ 2. Falta Terminal 1Φ 3. Falta Quilom. 1 Φ 4. Falta Falta Quilo Quilom. m. 1 Φ 5. Falta Falta Quilo Quilom. m. 1 Φ 6. Falta Falta Quilo Quilom. m. 1 Φ 7. Falta Falta Quilo Quilom. m. 1 Φ 8. Falta Falta Quilo Quilom. m. 1 Φ
I (kAeficaz)
9,0 8,8 8,1 7,9 7,6 7,4 7,1 6,9
E1 (kVpico)
Primeiro Pólo a Abrir E2 T1 T2 (µseg)
Último Pólo a Abrir E2 S T1 T2 E1 (kV- (µseg) (kV/µseg) (kV- pico) (µseg) (kV(µseg) pico) pico)
445,8 1380,0 445,8 1380,0 -
1,2 -
286,6 1110,0 286,6 51,0 20,4 285,0 71,3 34,0 285,0 91,8 37,4 285,0 109,9 47,6 285,0 127,9 54,4 285,0 143,2 64,6 286,0
1110,0 1068,0 1044,0 1050,0 979,0 962,0 1030,0
S (kV/µs)
SxI
1,1 4,5 2,9 3,8 4,3 4,4 4,3
36,5 22,9 28,9 31,8 31,2 29,7
\MOD como como
se fosse um arquivo qualquer já existente na instalação do ATPDraw e passar a utilizar em seus estudos. 5.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Alternative Transients Program (ATP) Rule Book – July 1987; (2) Amon Fº, Jorge – “The Usage of Circuit Circuit Breackers: Direct Computation of Peak Values, Corresponding Times and Rate-of-Rise and generation of reference Envelopes” – 21st EMTP Users Group Meeting, Greece 5-7 June 1992;
FIGURA 8 – TRT FALTA TERMINAL 3F LADO VITÓRIA E ENVOLTÓRIA DE NORMA CASO 1
(3) László Prikler, Hans Kristian Høidalen - “ATPDraw version 3.5 for Windows 9x/NT/2000/XP – User’s Manual” – Preliminary Release 1.0– August 2002; (4) Amon Fº, Jorge – “T “Tensão ensão de Restabelecimento Transitória de Disjuntores – Metodologia de Estudo” – Dissertação de Mestrado, PUC-RJ, Janeiro 1992; (5) Disjuntores de Alta T Tensão ensão – Norma T Técnica écnica da ABNT – NBR 7118 – setembro, 1994; (6) M. P. Pereira, J. Amon Fº, D. S. Carvalho Jr., C. S. Fonseca – “Experiência de Utilização do Programa ATP-Micro em Simulações de Transitórios Eletromagnéticos” – XI SNTPEE, Rio de JaneiroRJ – 1991;
FIGURA 9 – TRT FALTA QUILOMÉTRICA 1F CASO 3 O fato do aplicativo não depender do sistema possibilita o compartilhamento e a difusão desta aplicação por toda a empresa ou qualquer profissional que desenvolva os os estudos de TRT. O novo usuário pode copiar os arquivos e carregá-los no diretório
(7) J. Amon Fº, M. P. Pereira – “Novos Desenvolvimentos dos Programas ATP/EMTP e APTDraw” – XVI SNTPEE, Campinas-SP, 21-26 Outubro 2001.
