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ESTUDO COMPUTACIONAL DE LOCALIZAÇÃO DE FALTAS EM REDES
SUBTERRÂNEAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Danilo Sinkiti Gastaldello 1,André Nunes de Souza 2, Daniele Furushima Akiyoshi 3, Maria Goretti Zago 4
1 UNESP – FEB – LSISPOTI, Bauru, Brasil, [email protected] 2 UNESP – FEB – LSISPOTI, Bauru, Brasil, [email protected]
3 UNESP – FEB – LSISPOTI, Bauru, Brasil, [email protected] 4 FATEC, Bauru, Brasil, [email protected]
Resumo: A proposta deste trabalho consiste no estudo
de transitórios através do software PSCAD para auxílio na localização de faltas em redes subterrâneas de distribuição de energia, com intuito de reduzir o tempo de interrupção necessário para manutenção e reparo de um problema na rede. Palavras-Chave: Redes Subterrâneas, Localização de Faltas, Aplicação a Engenharia.
1. INTRODUÇÃO
O crescimento de redes subterrâneas de média tensão, para transporte de energia em curtas distâncias, demanda estudos sobre a vida útil destes sistemas. Em algum momento, o operador da rede deverá decidir quando substituir seus componentes ou confrontar-se com interrupções não programadas. No passado, a manutenção corretiva era normalmente aplicada, i.e., os componentes eram substituídos após a ocorrência da falha. No presente, a desregulamentação do mercado de energia tem estimulado os proprietários das redes a aumentar a confiabilidade de redes envelhecidas e, ao mesmo tempo, reduzir custos e adiar investimentos. Consequentemente, os operadores têm interesse em determinar as condições dos componentes da rede, e no final das contas o restante da vida útil dos mesmos, antes de iniciar a manutenção ou substituição. O uso de estratégias de manutenção podem evitar interrupções de fornecimento de energia não programadas devido a falhas nos cabos, e resultar em substancial economia para os operadores da rede bem como aumentar a confiabilidade do fornecimento de energia. [1]
Para melhorar a confiabilidade do sistema de distribuição, a correta identificação da falta em um trecho do circuito é necessária de forma a reduzir o tempo de interrupção necessário à manutenção e correção do fator causador da falta. A forma convencional de detectar a falta exige uma pesquisa exaustiva realizada em grande escala, consumindo muito tempo e recursos humanos. Assim, o tempo de restauração pode variar dependendo da confiabilidade da informação da interrupção no fornecimento de energia. Desta forma, desenvolver uma técnica eficiente para localizar a falta pode melhorar a confiabilidade do sistema [2].
A localização da falta em um segmento de um sistema de cabos subterrâneos exige aspectos mais amplos de reflexão e análise. Ao contrário das linhas aéreas, os cabos subterrâneos têm como características: indutâncias menores e capacitâncias maiores. A análise torna-se complicada quando vários tipos de cabos subterrâneos são usados. Um exemplo poderia ser um sistema de cabos que consiste em vários condutores tais como núcleo, blindagem e armadura. Para analisar tal sistema de cabos, impedâncias e admitâncias mútuas entre estes condutores devem ser consideradas no circuito analisado. Isto complica o aspecto analítico de identificação da falta no segmento [3].
A Figura 1 apresenta de maneira ilustrativa um circuito subterrâneo, onde constata-se as dificuldades em se localizar e reparar defeitos nos cabos.
Figura 1. Manutenção em Sistemas Subterrâneos. A princípio este trabalho propõe um estudo através de
simulações com o software PSCAD, que é um software de interface gráfica que permite simular respostas transitórias e a representação e a resolução de equações diferenciais no
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http://dx.doi.org/10.5540/DINCON.2011.001.1.0156
Estudo Computacional de Localização de Faltas em Redes Subterrâneas de Distribuição de Energia Elétrica Danilo Sinkiti Gastaldello, André Nunes de Souza, Daniele Furushima Akiyoshi, Maria Goretti Zago
domínio do tempo. Este software permite aos usuários construir de forma eficiente circuitos esquemáticos, executar a simulação e analisar os resultados da mesma, permitindo economia de tempo, eliminação de etapas, particularmente aquelas que normalmente demandam mais tempo e recursos financeiros quando da realização de ensaios experimentais ou construção de protótipos [4].
Para a aplicação da simulação, uma tarefa importante a ser realizada é a validação do modelo de simulação, que se refere ao grau de confiabilidade com que o modelo representa o sistema em estudo, sob o enfoque considerado. A validação deve ser feita pelo usuário do sistema, no momento da sua implementação de forma a garantir que os resultados encontrados no processo de simulação estejam corretos e possam ser utilizados para os estudos em questão.
2. PROPÓSITO
A proposta deste trabalho consiste no estudo de transitórios através do software PSCAD, para auxiliar na localização de faltas em redes subterrâneas de distribuição de energia.
3. MÉTODOS
Inicialmente foi realizado o levantamento dos principais trabalhos relacionados aos sistemas de distribuição subterrâneos, visando identificar as principais técnicas existentes para a localização e identificação do tipo de falta, evidenciando suas vantagens e desvantagens do ponto de vista técnico e econômico.
Por ser uma ferramenta robusta de simulação de transitórios eletromagnéticos, o software PSCAD/EMTDC foi utilizado para simular um modelo de circuito monofásico com falta da linha para a terra.
O modelo do circuito equivalente é mostrado na Figura 2 e apresenta duas seções, sendo a seção p do terminal de envio ao ponto da falta e a seção q do ponto da falta até o terminal de recebimento. A distância da falta simulada a partir do terminal de envio é de 0,6 km. A corrente de falta flui através a resistência de falta para a terra.
Figura 2. Modelo de um circuito equivalente de um cabo subterrâneo de seção simples.
A Figura 3 apresenta o cabo estudado. O interior e exterior do condutor consiste em núcleo e isolamento, respectivamente. Os parâmetros de configuração do cabo utilizados no estudo são apresentados na Tabela 1. Nesta configuração, a impedância do cabo extraída da simulação é igual à (0,761928087 x 10-4 + j0.811309595 x 10-3) Ω e a admitância igual à (j0.146925120 x 10-6) S.
Figura 3. Cabo coaxial núcleo-blindagem.
Tabela 1. Parâmetros de configuração do cabo.
A estimativa da distância da falta é baseada nas medições de tensão e corrente no terminal de envio, geradas pelo software PSCAD/EMTDC. Com esses dados extraídos da simulação é possível criar um algoritmo em MATLAB eficiente para a localização da falta.
No caso estudado, a falta ocorre no instante 0,1 s e tem duração de 0,1 s. Os parâmetros de circuito variam de acordo com a variação da resistência de falta.
Primeiramente, foi realizada a simulação do circuito para uma resistência de falta igual a 0,1Ω.
Em seguida, o circuito foi simulado para o caso em que a resistência de falta vale 1Ω.
Por fim, o circuito foi simulado para o caso em que a resistência de falta vale 10 Ω.
3.1 Determinação da distância de Falta
Da simulação, é possível extrair a impedância z e a admitância y do cabo e calcular a constante de propagação:
yz. (1)
A partir da equação (1), encontra-se a constante C.
yC (2)
As equações que descrevem o circuito na seção p e na seção q são dadas, respectivamente, por:
Parâmetros do cabo Valores Resistividade do núcleo 1,68 x 10-8 Ωm
Permeabilidade para o núcleo e isolamento 1,0
Permissividade para o isolamento 4,1
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BA
xCxCxx
xIxV
p
p
).cosh(.).sinh(.).sinh().cosh(
)()(
(3)
FE
yCyCyy
yIyV
q
q
).cosh(.).sinh(.).sinh().cosh(
)()(
(4)
Com o valor da tensão da fonte Vfonte igual a 22,9 kV e a corrente na fonte Ifonte obtida para cada caso, pode-se obter as constantes A e B através da equação (3).
BA
xCxCxx
IV
fonte
fonte
).cosh(.).sinh(.).sinh().cosh(
(5)
Utilizando a equação (3), torna-se possível o cálculo de )(dVp e )(dI p :
).sinh(.).cosh(.)( dBdAdVp (6)
).cosh(.).sinh()( dBdCdI p (7)
Da equação (4) pode-se extrair uma expressão para o cálculo de:
).cosh(.).sinh(.)( yFyECyI q (8)
Onde as constantes E e F vêm do seguinte sistema:
000
)(
10).(cosh.).(sinh.
10).(sinh).(cosh01)0cosh(.)0sinh(.00)0sinh()0cosh(
)(
1
0
dV
ZdlCdlC
dldlCC
dlVIFE p
Lq
q
Assim, observando a Figura 4, temos a equação de tensão no ponto da falta:
Figura 4. Falta do núcleo para a terra.
fqppf RIdIdVRdf .)0()()(),( (9)
onde os valores de )0(qI , )(dI p e )(dVp são obtidos das equações (3) e (4).
Utilizando o método de Newton-Raphson, pode-se dividir a equação (9) em duas partes, real e imaginária. Aplicando o método iterativo, obtém-se a estimativa para a distância da falta.
4. RESULTADOS
4.1 Resistência de Falta igual à 0,1Ω.
A Figura 5 apresenta os gráficos das tensões e correntes medidas no circuito para este caso.
Figura 5. Tensões e correntes para uma resistência de falta igual à 0,1 Ω.
A resistência de falta Rf, para este caso, vale 0.1 Ω. E a partir da simulação obteve-se a corrente na fonte igual à (12894,79 - j43086,00)A.
Através dos cálculos, a estimativa da distância da falta encontrada foi de 601,38m, apresentando um erro de 0,23 % em relação distância utilizada na simulação. E a estimativa de resistência de falta foi de 0,1002 Ω e o erro obtido foi de 0,2%.
4.2 Resistência de Falta igual à 1Ω.
A Figura 6 apresenta os gráficos das tensões e correntes medidas no circuito para este caso.
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Estudo Computacional de Localização de Faltas em Redes Subterrâneas de Distribuição de Energia Elétrica Danilo Sinkiti Gastaldello, André Nunes de Souza, Daniele Furushima Akiyoshi, Maria Goretti Zago
Figura 6. Tensões e correntes para uma resistência de falta igual à 1 Ω.
A resistência de falta Rf, para este caso, vale 1 Ω. E a partir da simulação obteve-se a corrente na fonte igual à (17999,08 - j8431,87)A.
Através dos cálculos, a estimativa da distância da falta encontrada foi de 602,89m, apresentando um erro de 0,48 % em relação distância utilizada na simulação. E a estimativa de resistência de falta foi de 1,0003 Ω e o erro obtido foi de 0,03%.
4.3 Resistência de Falta igual à 10 Ω.
A Figura 7 apresenta os gráficos das tensões e correntes medidas no circuito para este caso.
Figura 7.Tensões e correntes para uma resistência de falta igual à 10 Ω.
A resistência de falta Rf, para este caso, vale 10 Ω. E a
partir da simulação obteve-se a corrente na fonte igual à (2328,29 - j135,43)A.
Através dos cálculos, a estimativa da distância da falta encontrada foi de 626,15m, apresentando um erro de 4,36 % em relação distância utilizada na simulação. E a estimativa de resistência de falta foi de 10,003 Ω e o erro obtido foi de 0,03%.
5. CONCLUSÕES
A melhora de confiabilidade do sistema de distribuição subterrâneo depende da correta identificação da falta em um trecho do circuito, pois desta forma haverá redução no tempo de interrupção necessário à manutenção e correção do fator causador da falta.
A forma convencional de detectar a falta exige uma pesquisa exaustiva realizada em grande escala, consumindo
muito tempo e recursos humanos. Assim, o tempo de restauração pode variar dependendo da confiabilidade da informação da interrupção no fornecimento de energia. Desta forma, a utilização de ferramentas computacionais para auxiliar na localização de faltas é muito importante e está sendo estuda em âmbito mundial.
O objetivo deste trabalho é estudar e implementar algoritmos de apoio à localização de faltas em cabos subterrâneos com modelos e simulações disponíveis na literatura.
Optou-se pelo uso do software PSCAD/EMTDC para realização das simulações, por ser uma ferramenta robusta e por apresentar diversos recursos na análise de circuitos elétricos e transitórios. Inicialmente, optou-se por estudar e analisar um circuito simples para mais adiante aumentar a complexidade dos circuitos e obter resultados mais próximos de condições reais de operação.
O método escolhido apresentou resultados satisfatórios, nos quais o erro ficou na faixa de 0,23 % (resistência de falta de 0,1 Ω) à 4,36% (resistência de falta de 10 Ω). Ficando evidente que o método é mais preciso quanto menor for a resistência de falta.
Esta pesquisa está em franco desenvolvimento com o aprimoramento do método e um aumento na complexidade das simulações. Uma vez que os resultados apresentados pelas simulações foram satisfatórios para um circuito simples, pretende-se realizar simulações considerando a blindagem no cabo e novamente observar o efeito da variação da distância ao ponto de falta, resistência de falta, comprimento total do cabo e condições pré-falta. Pretende-se aplicar o método também para circuitos trifásicos contendo ramificações, como é usual em um sistema de distribuição subterrâneo. Além de pegar circuitos reais com diferentes configurações (radial, reticulado e anel).
AGRADECIMENTOS
Agradecemos à FAPESP e ao CNPq pelo incentivo e apoio financeiro dado a esta pesquisa.
REFERÊNCIAS [1]DOI Bascom, E.; Von Dollen, D. Computerized underground
cable fault location expertise. In: Transmission and Distribution Conference, 1994., Proceedings of the 1994 IEEE Power Engineering Society. Anais. p.376-382. doi: 10.1109/TDC.1994.328403, 1994
[2]DOI Yang,x.; Choi,M.; Lee,S.; Ten,C.; Lim, S. Fault Location for Underground Power Cable Using Distributed Parameter Approach. Power Systems, IEEE Transactions on, v. 23, n. 4, p. 1809-1816. doi: 10.1109/TPWRS.2008.2002289, 2008.
[3]TE Silva,M.,Localização de Faltas em Linhas de Transmissão Utilizando a Teoria de Ondas Viajantes e Transformada Wavelet. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Carlos, 2003.
[4]PUB Pirouti,M; FATIH, A; SADIK,I. Fault Identification and Classification for Short Medium Voltage Underground Cable Based on Artificial Neural Networks. Journal of Electrical Engineering, v. 59, n. 5, p. 272-276, 2008.
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