ANAFAS ANÁLISE DE FALTAS

Introdução

O ANAFAS é um programa para solução de faltas de diversos tipos e composições, utilizado principalmente em sistemas de grande porte

Suas principais características são:

• Facilidade e flexibilidade na definição dos casos;

•Grande capacidade, permitindo a solução direta de curto-circuitos em sistemas elétricos de grande porte;

• Permite a modelagem fiel do sistema elétrico, com a possibilidade de representação do carregamento pré-falta;

• Execução de estudos macro (conjunto de casos gerados automaticamente) especificados pelo usuário;

• Solução orientada a ponto de falta (cujo relatório de resultados apresenta as tensões e as correntes de falta e de contribuição) ou à ponto de monitoração (cujo relatório de resultados apresenta o valor das grandezas definidas pelo usuário);

•Cálculo de equivalente de curto-circuito;

• Estudo de superação de disjuntores;

•Uso interativo, com interface amigável e configurável pelo usuário, baseada em “menus” com “help” contextual e memorização das preferências;

•Baixos requisitos de hardware e de software.

Algoritmo de Solução

O Algoritmo geral de solução, para qualquer situação, segue os seguintes passos:

• Construção do equivalente em coordenadas de sequência referentes às barras envolvidas na falta;

• Alterações balanceadas nos equivalentes (criação das barras fictícias devido às aberturas e às faltas intermediarias);

• Construção do equivalente trifásico contendo somente as barras afetadas pela falta;

• Alteração do equivalente trifásico para representar as alterações desbalanceadas referentes às faltas

• Solução do equivalente trifásico

• Transformação novamente para os equivalentes em componentes de sequencia, obtendo injeções correspondentes às correntes de curto

• Obtenção, a partir das injeções de corrente, das tensões pós-falta em todas as barras do sistema desejado

No passo 1, os equivalentes são modelados por duas matrizes cheias de dimensões reduzidas, uma assimétrica para a sequencia positiva e uma simétrica para a sequencia zero

No construção dos equivalentes e para a obtenção das tensões pós-falta, são utilizadas técnicas de vetores esparsos, que garantem a eficiência computacional do algoritmo de solução

Com isso, o tempo total gasto na simulação de uma falta é quase independente do porte do sistema, dependendo basicamente do número de barras em que se deseja calcular grandezas pós-falta

As transformações fase-sequência e sequência-fase que são feitas no programa, utilizam as seguintes expressões:

Onde

= Vetor de tensões ou correntes de sequencia (0, 1, 2)

= Vetor de tensões ou correntes de fase (a, b, c)

012*abcV T V

abcV

012V

2

2

1 1 1

1

1

T a a

a a

1 120 0,5 0,866a j

Onde

1012 * abcV T V

1 2

2

1 1 111

31

T a a

a a

Modelagem do Sistema Elétrico

O sistema elétrico é modelado por redes de sequência positiva e zero, através de 5 grupos de dados:

• Dados de barra: identificação, tensão-base e pré-falta (opcionais), etc.;

• Dados de circuito: identificação, tipo de circuito, resistência e reatância de sequência positiva e zero (em %), etc.;

• Dados da mútua: identificação dos circuitos acoplados, resistência e reatância de acoplamento (em %);

•Dados de shunts da linha: identificação do circuito com shunts de linha, potência reativa gerada por cada shunt, etc.;

•Dados de MOVs (Varistor de Óxido Metálico): identificação do circuito protegido, corrente de proteção, etc.

Quanto a classificação dos ramos de circuito, o ANAFAS permite faze-lo em 6 tipos:

• Linha;

• Trafo (ramo serie e ramo shunt);

•Gerador;

•Capacitor – serie;

• Capacitor /reator shunt (ligados a uma barra);

• Carga (impedância constante);

Essa classificação pode ser definida pelo usuário ou pelo ANAFAS

O programa também permite a especificação da base da potência trifásica (MVA) do sistema, e a especificação da tensão-base dos diversos subsistemas

Com relação à eventuais erros, eles são classificados em:

• “avisos” – se refere a situações que podem ser resolvidas pelo ANAFAS;

• “erros” – invalidam a modelagem do sistema;

Carregamento pré-falta

É possível representar os sistemas com carregamentos pré-falta. Isso permite resultados (correntes e tensões durante a falta) mais próximas da realidade, já que nesse caso, usa-se uma modelagem mais fiel do sistema.

Deve-se porem, tomar alguns cuidados:

• O sistema deve ser representado da maneira mais próxima possível da representação utilizada no load-flow no qual se buscou as tensões pré-falta;

• Recomenda-se que as cargas sejam modeladas como impedâncias constantes. Caso contrario, apareceram injeções de correntes constante em modulo e ângulo.

O programa calcula automaticamente as tensões internas pré-falta de todos os geradores do sistema. As quedas de tensões são calculadas a partir da reatância sub-transitória de sequência positiva. Essas tensões permanecem constante durante a simulação de qualquer falta

Caso não se use as tensões pré-falta, todas as tensões internas serão iguais a tensão de referência

Capacidade

O ANAFAS possui grande capacidade, permitindo a modelagem completa e detalhada de grandes sistemas. Seus principais limites são:

• 20000 barras;

• 60 circuitos por barra;

• 40000 circuitos, incluindo:• Ate 20000 ramos de transformadores;

• Ate 80000 ramos geradores.

• 8000 acoplamentos (impedâncias mútuas), envolvendo ate 8000 linhas;

• 4000 grupos de acoplamentos, cada um com ate 30 linhas;

• 160 proteções MOV (Varistor de óxido metálico).

Caso o limite seja ultrapassado, o ANAFAS reporta o erro e impede a leitura do caso

Arquivo de dados do Sistema

Os dados do sistema podem ser fornecidos através de um arquivo texto (arquivo “primário”) editado pelo usuário, ou de um arquivo binário (arquivo “histórico”), criado pelo ANAFAS

Com relação ao arquivo primário, ele pode ser escrito em 2 formatos: PECO ou ANAFAS

• O formato PECO é baseado no do programa Network Fault Analysis. Nesse caso, o ANAFAS lê um arquivo de dados desse programa sem alteração nos dados, requerendo apenas que o bloco de dados da barra preceda o de dados do circuito;

•O Formato ANAFAS permite uma representação mais realista do sistema elétrico. Nesse caso, é considerado as tensões pré-falta, incluindo a modelagem da capacitância das linhas, equipamentos shunt, cargas tipo impedância ou corrente constante, trafos com tap fora da posição nominal, defasagem, etc..

Relatório de Dados do Sistema

O Anafas prove diversos tipos de relatórios de dados, que podem ser consultados interativamente ou gravados em arquivo

• Sumário de Dados: estatística dos elementos do sistema. Indica também os limites do programa e estatísticas das matrizes de representação e índices de esparcidade;

• Relatório de Barras; dados da barra, como nome, número, tipo, tensão pré-falta, referência ângular, base de tensão, capacidade de interrupção do menor disjuntor e número da área à qual pertence;

•Relatório de geradores: dados dos ramos de circuito identificados como geradores, incluindo a tensão interna (atrás da reatância);

•Relatório de circuitos: Dados dos ramos do circuito, ordenados por barra. Informa também os dados de capacidade de interrupção de cada terminal do circuito;

•Relatório de transformadores: Dados dos ramos de circuitos identificados como pertencentes a transformadores;

•Relatório da mútuas;

•Relatório de Grupos de Mútuas: dados dos blocos de circuitos acoplados direta ou indiretamente;

•Relatório de Impedâncias e Admitâncias Primitivas: Matrizes de impedância e admitância primitivas de sequencia zero (blocos diagonais simétricos);

•Relatório de Impedância da Barra: apresenta a diagonal da matriz de impedância de barra de sequência positiva e zero ;

•Relatório de Injeções de corrente Pre-falta: Só são apresentadas as ocorrências acima do limite definido pelo usuário;

•Relatório de Fluxo Pre-falta: fluxo de corrente e potência pré-falta nos circuitos;

•Relatório de Níveis de Curto-Circuito: fornece, para as barras selecionadas, o módulo e o ângulo dos níveis de curto-circuito;

• Relatório de Dados de Curto-circuito: para as barras selecionas, fornece as impedâncias equivalentes de sequência zero e positiva, os níveis de curto-circuito total trifásico e monofásico, módulo da tensão fase-neutro da fase sã e a condição de aterramento;

• Relatório de capacitores série protegidos por MOV;

• Relatório de Modelos de Linhas para Religamento Monopolar: Fornece o modelo PI equivalente de sequência positiva para 5 casos de abertura monopolar (abertura dupla, simples de barra “de”, simples de barra “para”, abertura com aterramento barra “de”, abertura com aterramento barra “para”) Esses dados são utilizados em programas de análise de transitórios eletromecânicos, como o ANATEM;

•Relatório de Shunts de Linha;

•Relatório de Elementos Zbarra: dados de elementos de sequência zero, positiva e negativa da matriz de impedância da barra;

Todos os relatórios, exceto do Sumário de Dados, podem ser completos ou orientados a barra, ou seja, contendo somente as ocorrências ligadas às barras definidas pelo usuário

Modelagem das Faltas

O ANAFAS suporta os seguintes modelos de defeitos:

• curto-circuito shunt em barras e em pontos intermediários de circuitos;

•Curto-circuito série;

•Abertura de fases;

•Remoção de circuitos.

Curto Circuito Shunt

O curto-circuito shunt é uma ligação, sólida ou através de impedância, entre fases ou entre fase e terra

Os tipos básicos de falta shunt sólida são: FT, FF, FFT, FFF. Essas faltas podem ser especificadas de forma direta.

Os curto-circuitos não sólidos, são definidos pelo usuário através de um conjunto de impedância (R+jX)

Os curto shunt podem ser aplicados nas barras e em pontos intermediários da linha de transmissão. Nesse caso, a localização da falta é definida como um percentual do circuito, a partir da barra definida como barra de origem (barra “de”)

Curto-circuito Série

Os curto-circuitos serie são ligações solidas (“by pass” através de um ramo de circuito

Tipicamente, o curto-circuito série é aplicado em capacitores série, mas também pode ser especificado para transformadores (curto entre níveis de tensão)

Abertura de fases

Abertura é a interrupção do ramo de circuito, junto à barra ou em um ponto intermediário de uma linha de transmissão. As aberturas pode ser: simples, com aterramento e associadas a curto-circuito shunt

No caso de aplicação em pontos intermediários, a localização da falta é definida em percentual do circuito, à partir da barra de origem. A barra fictícia mais próxima da barra definida como de origem na especificação da falta, é designada como barra de abertura e a outra como barra interna

Remoção:

É a retira completa de um ramo do circuito e dos respectivos acoplamentos. Essa remoção é temporária, só existe na simulação da falta

Obs.: As barras fictícias necessárias para simulação das aberturas e curto-circuitos intermediários são criadas pelo ANAFAS e só existem durante a simulação da falta

Modos de estudo

O ANAFAS suporta 3 tipos de estudo:

• Estudo individual – cada caso consiste de 1 ou mais faltas simultâneas, especificadas diretamente pelo usuário;

• Estudo macro – cada caso consiste de 1 única falta, aplicada sobre 1 barra ou em um ponto intermediário de 1 circuito e que pode ser associada a 1 contingencia simples, dupla ou tripla;

• Estudo de superação de disjuntores – detecta disjuntores com capacidade de interrupção superada ou próximos de serem superados.

Estudo IndividualNesse modo de estudo, o usuário especifica diretamente cada caso, composto por 1 ou mais faltas simultâneas, com os seguintes limites: 8 circuitos shunts + 3 circuitos série + 10 remoções e/ou aberturas ou 3 faltas intermediárias. Cada ramo poderá conter até 2 barras fictícias

Estudo MacroEsses casos são gerados pelo ANAFAS, através de combinações de tipos de curto-circuitos, pontos de falta e contingências, definidas pelo usuário

Conjunto de curto-circuitos: É formado pela seleção de curto-circuitos sólidos previamente definidos.

Conjunto de pontos de faltas: As faltas podem ser aplicadas sobre barras ou em pontos intermediários de circuitos

Contingências: podem ser simulados os seguintes tipos de contingência: desligamento dos terminais adjacentes, remoção dos circuitos adjacentes, curto circuito no fim das linhas adjacentes, religamento dos circuitos adjacentes e/ou acoplados e remoção dos circuitos adjacentes e/ou acoplados

Estudo de superação de disjuntores

Esse estudo tem como objetivo principal detectar disjuntores com problemas de superação. Esse estudo é feito em duas etapas: na primeira, é feito uma análise preliminar, onde é comparado o nível de curto circuito total de cada barra com seu disjuntor de menor capacidade de interrupção de corrente simétrica. Na segunda etapa, são executadas simulações para encontrar o maior valor de corrente que pode circular por cada terminal de circuito das barras suspeitas

Dados para o estudo

Para a primeira etapa, o programa necessita da menor capacidade de interrupção de corrente simétrica de cada barra de interesse. Na segunda, é necessário fornecer as capacidades de interrupção dos disjuntores em cada terminal de circuito a ser analisado

Os dados das capacidades de interrupção de cada terminal de circuito são fornecidos ao programa através do bloco de dados de circuito (código 37). A menor capacidade de interrupção de cada barra será deduzida automaticamente pelo programa a partir das capacidades de cada terminal do circuito

Na primeira etapa do estudo, é realizado um estudo macro no conjunto de barras desejado. São simuladas faltas trifásicas e monofásicas nessas barras. Após isso, os níveis de curto circuito totais são comparados com o disjuntor de menor capacidade da barra. As barras suspeitas, que ou estão com valores de curto circuito próximo ou maior que o do disjuntor de menor capacidade, são selecionas para irem para a segunda etapa do estudo

Na segunda etapa, para as barras suspeitas, são realizados 3 condições de falta, tanto monofásico como trifásico:

(1)Um curto na barra e com isso, se verifica a contribuição do circuito;

(2)Um curto na saída da linha;

(3)Um curto na saída da linha, enquanto o outro terminal do circuito está com as 3 fases abertas.

Após essas análises, o maior valor de corrente de contribuição de cada terminal de circuito será comparado com a capacidade de interrupção de corrente simétrica do respectivo disjuntor,

Circuitos com percentual de superação acima de 100%, terão a indicação SUPERADO e entre 90 e 100%, ALERTA

Para o relatório de saída, o ANAFAS permite a configuração desse relatório de maneira mais conveniente para o usuário

Equivalente para Curto-Circuito

O cálculo de equivalente é útil quando desejamos realizar estudos apenas em uma região do sistema elétrico, sem interesse no que acontece fora dessa área

O efeito do sistema externo nas grandezas na área externa é realizado através de ligações equivalentes

Para o cálculo do equivalente, o usuário define um valor máximo (Zmax) de módulo de impedância. Acima desse valor, as ligações equivalentes são desprezadas

O valor de Zmax dependerá da necessidade de cada usuário. O valor de Zmax ira determinar qual o erro máximo de módulo e ângulo das impedâncias equivalentes, tanto na sequência positiva como na sequência zero

Após o cálculo de um equivalente, o programa informa uma estatística que contém, além dos erros máximos, o número de circuitos equivalentes série, shunt e totais de barra, circuitos e grupos que sobraram na área retida.Zmax(pu)

# Circuitos serie criados

# Circuitos série desprezados

Erro max (%) seq. Positiva

Erro máx (%) seq. zero

9999 106 14 0,03 0,01

999 89 31 0,05 0,02

99 70 50 0,33 0,35

33 56 64 1,25 1,00

9 48 72 3,75 2,31

Comparação de configurações

A ferramenta de comparação de configurações foi implementada com o objetivo de facilitar a tarefa de comparação entre dois diferentes arquivos de dados, como por exemplo, um arquivo antes e depois de ser editados para alterações.

A comparação é feita em três blocos: dados de barra, de circuito e da mútua. Para cada bloco são emitidos dois relatórios: um com as diferenças encontradas e outro com as ocorrências exclusivas do primeiro arquivo

Evolução de Nível de Curto Circuito

Essa ferramenta é útil para facilitar a tarefa de comparação entre duas configurações distintas de um mesmo sistema. São comparados os módulos dos valores (em pu) trifásico (seq. positiva) e monofásico (seq. A) das correntes totais de curto circuito de cada barra e das suas contribuições para a vizinhança

Nesse modo de estudo, são gerados seis relatórios.

O primeiro relatório, aparecem, para todas as barras onde houve uma variação maior que um limite fornecido pelo usuário, a identificação da barra, os módulos das correntes totais de curto-circuito trifásico e monofásico e as variações percentuais dos módulos (trifásico e monofásico)

Os próximos dois relatórios, aparecem as identificações das barras exclusivas da primeira e da segunda configuração

O quarto relatório, aparecem as evoluções nas contribuições de primeira vizinhança de todas as barras do sistema

Os dois últimos relatórios, aparecem, as identificações das contribuições exclusivas da primeira e da segunda configuração

Simulação