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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA

GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

IMPACTOS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA EM UM ALIMENTADOR REAL NA PRESENÇA DE EQUIPAMENTOS

DE PROTEÇÃO

Igor Araújo de Oliveira

Fortaleza Dezembro de 2010

ii

IGOR ARAÚJO DE OLIVEIRA

IMPACTOS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA EM UM ALIMENTADOR REAL NA PRESENÇA DE

EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO

Monografia submetida à Universidade Federal do Ceará

como parte dos requisitos para obtenção do Diploma de

Graduação em Engenharia Elétrica.

Orientador: Profa. PhD Ruth Pastôra Saraiva Leão

Fortaleza Dezembro de 2010

iv

“Tudo posso n’Aquele que me fortalece”

(Filipenses 4.13)

A Deus,

Aos meus pais, José e Antônia,

Às minhas irmãs Luciana e Mirela,

A todos os familiares e amigos.

v

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus, pelo dom da vida e pela chance que me foi concedida, e pela

força que Ele me deu todas as vezes que eu precisei, sem ele com certeza não teria chegado

até aqui.

A toda minha família, meus pais, José Costa de Oliveira e Antônia Maria Araújo de

Oliveira, pela criação e carinho que recebi durante toda minha vida, seus ensinamentos que

adquiri, pela força, dedicação e confiança que me depositam em todos os momentos da minha

vida. Minhas irmãs, que serviram de exemplo de dedicação nos estudos e na vida.

À professora PhD Ruth Pastora Saraiva Leão, pela sua orientação, sua disponibilidade

e interesse em ajudar, agradeço a oportunidade de aprender com ela.

Aos meus amigos, pela presença constante em minha vida, em momentos alegres e

tristes, onde sempre estiveram do meu lado. Aos amigos de colégio, que mesmo depois de

tanto tempo ainda estão presentes como se nós ainda estudássemos juntos. Aos colegas de

faculdade, pelos anos de curso que passamos estudando, virando noites no PET, pelas

conversas praticamente sem fim no banco próximo à coordenação, pelos momentos hilários

em festas que só alunos da engenharia elétrica podem proporcionar.

A todas as pessoas que por motivo de esquecimento não foram citadas anteriormente,

vou deixando neste espaço minhas sinceras desculpas.

vi

Oliveira, I. A. de “Impactos da geração distribuída em um alimentador real na presença de

equipamentos de proteção”, Universidade Federal do Ceará – UFC, 2010, 47p.

Esta monografia apresenta uma análise do comportamento da proteção de sistemas de distribuição na presença de tecnologias de geração distribuída. A proteção de um sistema elétrico tem como principal função detectar faltas e retirar a parte defeituosa da rede a fim de garantir a continuidade de suprimento aos demais consumidores. A conexão de geradores no sistema de distribuição normalmente causa alterações no fluxo de potência podendo ter influência na capacidade de interrupção dos equipamentos de disjunção, na filosofia de proteção e no ajuste e coordenação da proteção da rede elétrica. Uma simulação em um alimentador real de 13,8 kV, potência instalada de 10 MVA, pertencente à concessionária de distribuição de energia elétrica, Coelce, foi analisada a fim de ser observada a influência da conexão de um gerador síncrono de 2 MW sobre a proteção do alimentador. Foi avaliado o sistema de proteção do alimentador com e sem a presença da geração de distribuída. Na simulação da rede elétrica foi usado o programa computacional EasyPower que dispõe de uma rica biblioteca de equipamentos elétricos de mercado e uma interface de programação amigável. Para o caso investigado foi verificado que a conexão do GD resultou em melhoria no perfil de tensão do alimentador e não houve necessidade de mudança no ajuste da proteção do alimentador da concessionária.

Palavras chave: Geração Distribuída, Sistemas de Distribuição, Proteção de Sistemas,

Gerador Síncrono.

vii

Oliveira, I. A. “Impacts of distributed generation on a real feeder in presence of protection

equipments” Universidade Federal do Ceará – UFC 2010 47p.

This monograph presents an analysis of the distribution systems protection behavior in the presence of distributed generation technologies. The electric systems protection has as main function to detect faults and remove the faulty part of the network to ensure continuity of supply to other consumers. The generators connection in distribution system often causes changes in power flow could have influenced the breaking capacity of the disjunction equipment in the philosophy of protection and adjustment and coordination of power grid protection. A simulation in a 13,8 kV feeder real, installed capacity of 10 MVA, which belongs to the concessionaire of electric power distribution, Coelce, was analyzed in order to observe the influence of the 2 MW synchronous generator connection for the feeder protection. Was evaluated the feeder protection system with and without the distributed generation presence. For the simulation of the electric grid was used EasyPower computer program that has a rich electrical equipment market library and a friendly programming interface. For the case investigated was found that the connection of the DG resulted in improvement in voltage profile of feeder and there was no need for change in the setting of the utility feeder protection

Keywords: Distributed Generation, Distribution Systems, Protection Systems, Synchronous

Generator

viii

ix

Sumário

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................xi

LISTA DE TABELAS ............................................................................................................xii

SIMBOLOGIA ......................................................................................................................xiii

INTRODUÇÃO .........................................................................................................................1

CAPÍTULO 2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ...........................................................................4

2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ..................................................................................4

2.2 CONCEITO DE GERAÇÃO DISTRIBUIDA...........................................................4

2.3 HISTÓRICO...............................................................................................................7

2.4 TECNOLOGIAS DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA.................................................10

2.4.1 COGERAÇÃO OU COMBINED HEAT AND POWER (CHP).......................10

2.4.2 MOTORES ALTERNATIVOS........................................................................12

2.4.3 CÉLULAS COMBUSTÍVEIS..........................................................................13

2.4.4 ENERGIA EÓLICA.........................................................................................15

2.4.5 ENERGIA FOTO VOLTÁICA (PV)...............................................................16

2.5 PRINCIPAIS APLICAÇÕES DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA .............................17

2.6 VANTAGENS E DESVANTAGENS NA IMPLANTAÇÃO DE TECNOLOGIAS

DE GD .................................................................................................................................17

2.7 QUALIDADE DE ENERGIA E GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ...............................19

2.7.1 INTERRUPÇÕES NA GERAÇÃO PRINCIPAL............................................19

2.7.2 REGULAÇÃO DE TENSÃO ..........................................................................19

2.7.3 HARMÔNICOS ...............................................................................................20

2.7.4 AFUNDAMENTOS DE TENSÃO..................................................................20

2.8 PROTEÇÃO DA GD ...............................................................................................21

2.9 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................23

CAPÍTULO 3

ESTUDO DE CASO: ALIMENTADOR JUREMA 4.............................................................24

3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ................................................................................24

3.2 ASPECTOS GERAIS DO ALIMENTADOR..........................................................24

3.3 ESTUDO DA PROTEÇÃO .....................................................................................28

3.3.1 PROTEÇÃO DA CONCESSIONÀRIA ..........................................................28

3.3.2 PROTEÇÃO AO LONGO DO CIRCUITO – RELIGADOR R29W1423

Sumário

x

...........................................................................................................................29 3.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................32

CAPÍTULO 4

DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DA PROTEÇÃO DO GERADOR CONECTADO AO

SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO .............................................................................................33

4.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ................................................................................33

4.2 MAQUINA SÍNCRONA .........................................................................................33

4.2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................34 4.2.1.1 GERADOR SÍNCRONO...................................................................34

4.2.1.2 MOTOR SÍNCRONO .......................................................................34

4.2.2 DADOS DO GERADOR SÍNCRONO UTILIZADO .....................................35

4.3 DIMENSIONAMENTO DO TC E CÁLCULO DE AJUSTE DA PROTEÇÃO DO

GERADOR ..................................................................................................................36

4.3.1 CÁLCULO DO DIMENSIOMENTO DO TC.................................................36

4.3.2 CÁLCULO DOS AJUSTES DO RELÉ...........................................................37 4.3.2.1 AJUSTE DA CORRENTE DE FASE...............................................37

4.3.2.2 AJUSTE DA CORRENTE DE NEUTRO ........................................38

4.3.3 AJUSTES INSTANTÂNEOS ..........................................................................39 4.3.3.1 AJUSTE INSTANTÂNEO DE FASE...............................................39

4.3.3.2 AJUSTE INSTANTÂNEO DE NEUTRO ........................................40

4.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................................42

CAPÍTULO 5 CONCLUSÃO...............................................................................................43

CAPÍTULO 6 REFERÊNCIAS ............................................................................................45

ANEXO A DIAGRAMA UNIFILAR DO ALIMENTADOR JMA01M4......................47

xi

Lista de Figuras

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 – Usina Hidrelétrica de Luiz Gonzaga. .....................................................................1

Figura 2.1 – Sistema convencional de distribuição de energia elétrica......................................4

Figura 2.2 – Sistema de geração distribuída...............................................................................5

Figura 2.3 – Previsão de evolução da produção de eletricidade das diferentes fontes...............8

Figura 2.4 – Previsão de evolução das várias tecnologias de GD. .............................................9

Figura 2.5 – Exemplo de CHP em Nossener Brüke, Alemanha...............................................10

Figura 2.6 – Princípio de funcionamento de uma CHP............................................................11

Figura 2.7 – Gerador à diesel....................................................................................................13

Figura 2.8 – Exemplo de sistema a células combustíveis.........................................................14

Figura 2.9 – Influência da GD e transformadores na redução de afundamento de tensão. ......21

Figura 2.10 – Alcance de um relé de proteção para um pequeno sistema de distribuição da

amostra com DGs. ............................................................................................................22

Figura 2.11 – Curvas características dos fusíveis da Figura 2.10.............................................22

Figura 3.1 – Barras onde a tensão difere do regulamento da ANEEL. ....................................27

Figura 3.2 – Gráfico da curva de coordenação de fase.............................................................31

Figura 3.3 – Curva de coordenação de Neutro. ........................................................................32

Figura 4.1 – Coordenação de fase entre GD e Concessionária. ...............................................41

Figura 4.2 – Coordenação de Neutro entre GD e Concessionária............................................42

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Tabela de eficiência das quatro tecnologias mais usadas. ...................................15

Tabela 3.1 – Relação e características dos cabos utilizados no alimentador............................25

Tabela 3.2 – Tabela de fatores de modelagem de carga...........................................................25

Tabela 3.3 – Níveis de curto circuito nos dois momentos de geração......................................26

Tabela 3.4 – Dimensionamento dos relés da COELCE............................................................29

Tabela 3.5 – Dimensionamento do religador............................................................................30

Tabela 4.1 – Parâmetros do gerador síncrono de 2MVA. ........................................................35

Tabela 4.2 – Valores de curto-circuito do alimentador. ...........................................................36

Lista de Tabelas

xiii

SIMBOLOGIA

Acrôminos e Abreviaturas:

Simbologia

1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

A geração centralizada (GC) de energia elétrica caracteriza-se pela existência de

usinas de grande porte, instaladas próximas às fontes energéticas. Esse tipo de configuração é

típico dos grandes sistemas termoelétricos e hidrelétricos convencionais, com potências da

ordem de centenas e milhares de megawatts, normalmente instalados longe dos centros de

carga. A Figura 1.1 mostra uma vista panorâmica da usina hidrelétrica de Luiz Gonzaga,

pertencente ao complexo Paulo Afonso da Chesf - Companhia Hidrelétrica do São Francisco.

Figura 1.1 – Usina Hidrelétrica de Luiz Gonzaga.

As grandes plantas de geração são ligadas aos centros consumidores por linhas de

transmissão utilizadas para o transporte da energia gerada. Para que as perdas elétricas nas

linhas de transmissão sejam reduzidas, as tensões das linhas são elevadas na ordem de

centenas de milhares de volts.

A vantagem do modelo de grandes usinas é a economia de escala obtida com grande

quantidade de energia produzida, possibilitando que a energia produzida possa ser mais barata

do que se fosse gerada por pequenas centrais elétricas.

A geração distribuída (GD), por sua vez, caracteriza-se por pequenas usinas instaladas

próximas às cargas. Quando são utilizadas fontes renováveis de energia, a GD apresenta

ganhos ambientais importantes quando comparada com a queima de recursos fósseis da

geração centralizada nas usinas termelétricas, ou a construção de grandes reservatórios nas

hidrelétricas.

Capítulo 1 – Introdução

2


A GD, por ser de pequeno porte, não apresenta o mesmo ganho de escala de uma

grande usina, fazendo com que o preço da energia produzida seja maior. À medida que a

utilização da GD aumenta, o domínio sobre suas características técnicas é aprimorado e os

custos são reduzidos. A utilização em larga escala da GD permite que a humanidade possa

usufruir dos confortos disponibilizados pela energia elétrica de forma sustentável, com menor

agressão ao meio-ambiente.

Uma questão a ser discutida é o fato de se poder afirmar que GD só traz contribuições

para a melhoria da qualidade de energia e da operação dos sistemas integrados de transmissão

e distribuição. Sem uma análise detalhada do que significa o termo GD, qual a tecnologia a

ser empregada, de que forma é conectada e sem o conhecimento de qual o ponto de conexão

na rede elétrica e topologia do sistema, não se torna possível padronizar uma resposta. Desta

forma, esta monografia procura esclarecer alguns conceitos, os incentivos atuais, benefícios

para a rede e adverte para os cuidados que devem ser tomados ao introduzir-se Geração

Distribuída à rede.

Um sistema de proteção para sistemas elétricos desempenha um papel vital na

preservação da continuidade do fornecimento aos clientes, garantindo de elevados níveis de

segurança do sistema de fornecimento pelo isolamento das partes afetadas do sistema durante

curtos-circuitos e condições anormais de funcionamento. Tradicionalmente, a proteção das

redes de distribuição tem sido conseguida, sobretudo através do uso de relés de sobrecorrente

coordenada e falha de terra. Essa abordagem, embora adequado para redes radiais com um

ponto de prestação única, será desafiada pelo aumento dos níveis de penetração da GD em

sistemas de distribuição.

O objetivo principal desta monografia é expor uma análise do comportamento da

proteção de um circuito elétrico na presença de uma tecnologia GD. Será visto quais os

pontos que precisam ser modificados e se uma GD realmente interfere em um sistema de

proteção já especificado.

No capítulo 2, é mostrado uma abordagem a respeito do tema geração distribuída, um

conceito, um pequeno histórico, algumas de suas tecnologias e questões a respeito de sua

implementação, proteção e continuidade no serviço.

No capítulo 3 é apresentado o circuito que será estudado, suas características

principais, sua constituição, estudo da proteção desse circuito e uma análise de qual ponto

será necessário para a instalação de uma tecnologia GD.

3


No capítulo 4 uma análise é realizada sobre a GD que será instalada, um gerador

síncrono de 2 MVA foi escolhida para suprir a deficiência encontrada e regular o sistema de

fornecimento.

Ao final da monografia são apresentadas as conclusões e algumas sugestões para

trabalhos futuros, presentes no capítulo 5.

4

CAPÍTULO 2

GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

Este Capítulo aborda aspectos gerais a respeito da geração distribuída, sua definição,

seu surgimento e evolução no sistema elétrico ao longo do tempo. São também mencionadas,

as principais fontes utilizadas nessa geração, bem como as vantagens e desvantagens em sua

implementação, utilização e manutenção, tanto para o consumidor quanto para o sistema

elétrico em si.

Esses aspectos essenciais servirão de base para o entendimento da análise que será

realizada nos capítulos seguintes.

2.2 CONCEITO DE GERAÇÃO DISTRIBUIDA

O conceito de geração distribuída (GD) envolve uma gama de tecnologias, aplicações

e efeitos sobre a gestão da rede elétrica [1]. Essas tecnologias são desenvolvidas para a

produção de eletricidade em pequena escala, assim instalando-se próximas aos consumidores,

em contraste com as grandes centrais de energia, que se encontram distantes dos

consumidores finais, necessitando de grandes linhas de transmissão para que a potência flua

para seu destino, como mostra a Figura 2.1.

Figura 2.1 – Sistema convencional de distribuição de energia elétrica.

Capítulo 2 – Geração Distribuída

5

Sua instalação direciona a novos desafios para o funcionamento das redes de

distribuição radial. Sua implementação não muda a topologia radial destas redes, mas o fluxo

de energia não será mais em uma única direção, mostrado na Figura 2.2. Isso tem um impacto

sobre a proteção das redes de distribuição, e este impacto depende do tamanho, tipo e sua

localização [2].

Figura 2.2 – Sistema de geração distribuída.

As fontes de GD podem ser definidas como um complemento para as infra-estruturas

elétricas existentes, a fim de aliviar o congestionamento da rede, fornecer serviços auxiliares e

melhorar a confiabilidade. Além disso, o manuseio correto pode oferecer maior flexibilidade

no planejamento do sistema elétrico, através do possível gerenciamento de investimentos

irregulares na geração centralizada, bem como as melhorias nas redes de transmissão e a

distribuição [1]. Os adeptos da GD apontam que a geração distribuída pode melhorar a

eficiência do fornecimento de energia elétrica. Eles costumam destacar que a transmissão de

eletricidade de uma usina para um usuário típico desperdiça cerca de 4 a 9 por cento da

eletricidade, em consequência do envelhecimento dos equipamentos de transmissão. Ao

mesmo tempo, os clientes sofrem frequentemente de má qualidade de energia, que tem como

origem uma variedade de fatores, incluindo manobras indevidas na rede, quedas de tensão,

interrupções, transientes e distúrbios da rede resultando em variações de tensão elétrica ou de

fluxo de potência. Em geral, os defensores da GD destacam a ineficácia da transmissão em

grande escala existentes para atender a rede elétrica de distribuição, pois, mesmo com a

elevação da tensão para a transmissão, ocorrem perdas suficientes para comprometer a

qualidade dos sistemas de distribuição. Além disso, consumidores e empresas que geram

energia a nível local têm potencial para vender a energia excedente para a rede, o que pode

gerar retornos significativos durante os horários de pico.


6


Gerentes industriais e empreiteiras começaram também a enfatizar as vantagens de

geração de energia próxima as unidades consumidoras. Tecnologias de co-geração permitem

às empresas um reaproveitamento de energia térmica que normalmente seria desperdiçada. As

GD´s tornaram-se, portanto, valorizadas em indústrias que utilizam grandes quantidades de

calor, tais como o ferro e aço, química, refino, fabricação de celulose e papel, e as indústrias

de processamento de alimentos [3].

Alguns estudos realizados em cima das tecnologias de GD permitiram uma diminuição

no efeito do impacto ambiental. Um dos motivos que contribui como fator impulsionador para

o desenvolvimento da geração distribuída é a proteção do meio ambiente, em que cada vez

mais o desenvolvimento sustentado passa a ser uma realidade. Um conjunto significativo de

novas tecnologias de geração distribuída assenta nesta filosofia de geração sustentada e novos

combustíveis. Hoje em dia, a exigência ambiental e a eficiência energética são os pilares desta

nova tecnologia de geração, para aplicação distribuída. Outro fator que tem ajudado ao

crescimento da geração GD é o aumento de consumidores que, em muitas zonas do planeta,

faz com que os níveis de qualidade da energia tenham vindo a diminuir, ficando inadequados

às necessidades das cargas dos consumidores. Surgem assim condições para que a GD seja

uma opção dando uma resposta rápida para a satisfação destas necessidades [4].

Por outro lado, a integração com cargas intermitentes, como a energia eólica, energia

solar e, em alguns casos energia térmica, conhecida como combined heat and power(CHP),

podem colocar um desafio adicional para o equilíbrio do sistema.

Dentre outras barreiras para a disseminação de fontes renováveis alternativas na

geração de energia elétrica do Brasil podemos citar o seu custo tecnológico mais elevado,

quando comparado ao das fontes convencionais, assim como a dificuldade de financiamento.

O estágio de desenvolvimento em que ainda se encontram algumas tecnologias de

aproveitamento das fontes renováveis alternativas e as produções em escala não industrial

ainda não as tornam atrativas sob o ponto de vista estritamente econômico.

7


2.3 HISTÓRICO

A evolução dos sistemas de potência se deu há séculos atrás, mais precisamente no

final do século XIX. Thomas Edison, inventor e homem de negócios estadunidense, iniciou

esse processo em 1882, com a implementação do primeiro sistema de distribuição de energia

elétrica do mundo com fins comerciais. O sistema gerava em corrente contínua, com seis

unidades geradoras com potência total de 700 kW, para alimentar 7200 lâmpadas em 110 V.

Pouco tempo depois, a partir de um trabalho com campos elétricos rotacionais, Nikola Tesla,

inventor Sérvio, físico e engenheiro eletro-mecânico, desenvolveu um sistema de geração,

transmissão e uso de energia elétrica proveniente de corrente alternada. Esse sistema se tornou

mais vantajoso que o sistema de Thomas pelo fato deste proporcionar bem menos perdas na

transmissão em alta tensão, e um custo menor em sua implementação. O engenheiro e

empresário estadunidense George Westinghouse fez um acordo com Tesla em que comprou

os direitos e as patentes desse sistema e, em 1886, fundou a Westinghouse Electric &

Manufacturing Company, renomeada para Westinghouse Electric em 1889.

Esse período ficou conhecido como “guerra das correntes” onde a corrente alternada

saiu vitoriosa, pois o sistema de Westinghouse ganhava cada vez mais aceitação,

especialmente depois de ganhar o contrato para a construção de uma nova central elétrica de

corrente alternada na fronteira entre os Estados Unidos e o Canadá, ligando as Cataratas do

Niágara a Buffalo, por um preço mais baixo e numa distância impossível de ser alcançada

através de corrente contínua [5], [6] e [7].

A produção de energia elétrica no local de consumo, pela falta de redes de transporte e

tecnologia, quer fosse destinada à indústria, ao comércio, às residências ou à agricultura, foi

posta em prática na primeira metade do século XX.

Com as melhorias técnicas nos transformadores e nas linhas de transmissão, com

tensões cada vez maiores, passou a ser possível transportar mais potência, proporcionando o

desenvolvimento de geradores com uma potência cada vez mais elevada e fazendo com que o

rendimento de certos processos de produção de energia fosse melhorado.

A produção de energia centralizada a partir das grandes centrais produtoras passa a ser

a prática dominante face à GD, permitindo grandes economias de escala.

8

Este tipo de produção resulta em grandes investimentos, com instalações de enormes

dimensões e com pouca flexibilidade, que logicamente irá interferir com o modelo de

exploração do setor elétrico. Em muitos países opera com o regime de monopólio resultante

da necessidade de expandir a rede ao maior número de clientes possível. Neste tipo de

ambiente monopolista interessa que a produção centralizada se mantenha, sob o pretexto das

economias de escala, sendo a geração distribuída confinada a situações onde o consumidor

está isolado da rede.

Mas, este panorama começou a mudar com as crises petrolíferas que começaram nos

anos 70, ajudando fortemente ao aparecimento da co-geração e, mais timidamente, de outras

formas de produção de energia local e consequentemente distribuída.

Nos anos 90, passou a existir competição no serviço de energia elétrica estimulando

todos os participantes a apresentarem custos competitivos. Como resultado da transformação

deste mercado, passa a ser produzidos novos equipamentos, sendo aumentada a atratividade

em geração distribuída. Em alguns países, como Finlândia e Holanda, este tipo de produção

ultrapassa 40% das necessidades elétricas nacionais. [4]

Por vezes, a introdução desta produção, em boa parte dos países, é bastante lenta, pois

a transformação do mercado dá-se a taxas reduzidas e, porque a produção centralizada exigiu

fortes investimentos e estes têm de ser pagos, o que dificulta a liberalização do setor, logo a

competição.

Na Figura 2.3 mostra-se a previsão, expressa em bilhões de kilowatthora, constante no

“Anual Energy Outlook 2008”, para a evolução da procura de eletricidade, num horizonte

temporal até 2030. [4]

Capítulo 2 – Geração Distribuída Figura 2.3 – Previsão de evolução da produção de eletricidade das diferentes fontes.[4]

9

Para a geração distribuída, tendo ainda como referência o “Annual Energy Outlook

2000” (AEO2000), podem ser vistas projeções de evolução das tecnologias de geração

distribuídas num horizonte temporal de previsão até 2020. Embora as tecnologias de geração

distribuídas emergentes (Ex: Fotovoltaicas (PV), pilhas de células de combustível,

microturbinas, etc...) mostrem declínios de custo ao longo do período de projeção, estes não

são muito grandes de forma a se obterem ganhos significativos, com a entrada destas formas

de GD durante os próximos 20 anos. A Figura 2.4 mostra a previsão da construção de centrais

das várias tecnologias de geração distribuídas até 2020. [4]

Figura 2.4 – Previsão de evolução das várias tecnologias de GD. [4]

Como é visível na figura, a tecnologia de turbina de gás natural tende a ter a liderança

da geração distribuída até mesmo ao fim do período, com uma pequena variação dos níveis do

presente. As pilhas de células de combustível vão ganhar cada vez mais uma percentagem

maior do mercado, devido, em boa parte, à descida dos custos de instalação, pois esta

tecnologia está atualmente em fase de demonstração, e em curto prazo vai entrar na era da sua

produção em massa. A PV terá uma dimensão pequena relativamente às outras tecnologias,

embora vá aumentado com o tempo devido à redução dos seus custos e a políticas de

incentivo que possam promover a sua instalação [4].


10

2.4 TECNOLOGIAS DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

2.4.1 COGERAÇÃO OU COMBINED HEAT AND POWER (CHP)

Através de uma produção combinada entre calor e energia ou CHP, será mais fácil

entender o processo térmico de produção de energia elétrica, onde o calor resultante é

reutilizado no processo ou aquecimento urbano, em vez de ser rejeitado para o ambiente. Uma

unidade de co-geração (mostrada na Figura 2.5) é, portanto, capaz de atingir uma eficiência de

conversão de energia de 85% ou mais. Este tipo de fornecimento de energia é especialmente

útil para os consumidores que necessitam uma demanda de calor contínua, ou seja, em países

com temperaturas baixas. [8]

Figura 2.5 – Exemplo de CHP em Nossener Brüke, Alemanha.

O princípio básico por trás de uma unidade de cogeração com turbina a vapor é dada

na Figura 2.6. Na caldeira a água de entrada é transformada em vapor seco de alta pressão. O

vapor é transmitido para a turbina, onde se expande e, como resultado, a energia elétrica é

produzida. O vapor úmido deixa a turbina e passa por dois condensadores de calor, onde


11

ocorrem as trocas de calor e água no condensador. A água obtida como resultado da

condensação do vapor é transferida ao seu respectivo tanque. Com a ajuda de uma bomba de

água é forçada para a caldeira a uma pressão adequada e o processo recomeça.

Figura 2.6 – Princípio de funcionamento de uma Cogeração. [8]

A eficiência elétrica média dessa tecnologia se encontra em torno de 20 a 30%, caso

seja utilizada a tecnologia de condensação-extração, mas o rendimento total pode chegar num

patamar variando entre 80 e 85% quando é utilizada a tecnologia de contra-pressão, também

contribuem para essa variação no rendimento a capacidade da caldeira, do tamanho da

unidade e das perdas nos aquecedores e condensadores. [8]

A potência ativa é linear e depende da produção térmica. O controle pode de certa

forma, ser alcançado através do uso de armazenamento de temperatura. A potência reativa,

por sua vez, pode ser controlada dentro dos limites operacionais do gerador síncrono. Por esta

razão, unidades de CHP estão equipadas com um controle de fator de potência.

Existem diferentes tipos de caldeiras a vapor e quase todos os tipos de combustível

podem ser utilizados. Portanto, existem caldeiras que utilizam gás natural, óleos combustíveis

e bio-combustíveis, como bagaço de cana, restos de madeira e em alguns casos, cascas de

arroz. No entanto, a preocupação com resíduos desses combustíveis é muito grande, eles

devem estar preparados para a combustão (transformada em uma massa homogênea), caso


12


contrário, correm o risco de perder suas propriedades, particularmente umidade, o que irá

influenciar consideravelmente o valor térmico de cada combustível.

2.4.2 MOTORES ALTERNATIVOS

Os motores alternativos, desenvolvidos mais de 100 anos atrás, foram os primeiros

usados em GD. Máquinas de Otto e motores do ciclo diesel (Figura 2.7) ganharam aceitação

em quase todos os setores da economia. Eles são usados em muitas escalas, desde pequenas

unidades de 1kVA a grande dezenas de usinas MW. Os motores menores são principalmente

concebidos para transporte e geralmente podem ser convertidos para a geração de energia com

pouca modificação. Já os grandes motores são freqüentemente projetados para geração de

energia, acionamento mecânico, ou de propulsão marítima.

Os motores alternativos são geralmente alimentados a gás natural ou diesel, com

emissões de potências variadas. Quase todos os motores utilizados para a geração de energia

elétrica operam no regime de quatro tempos (admissão, compressão, combustão e exaustão)

semelhante ao motor de automóveis. O processo inicia com a mistura entre o combustível e

ar. A mistura resultante é introduzida no cilindro (admissão), depois ocorre a compressão da

mistura dentro do cilindro, para que, próxima de uma vela, aconteça o processo de combustão

onde ocorre a ignição através de uma faísca (ciclo de Otto) ou por pressão (ciclo diesel),

fazendo o pistão girar, o processo termina com a nova subida do pistão, dessa vez liberando

os gases queimados na combustão. Esse pistão que está ligado a um cilindro que se conecta a

um gerador síncrono, que produz a eletricidade.

Para as unidades de funcionamento a diesel, o ar e o combustível são introduzidos

separadamente com o combustível sendo injetado após o ar ser comprimido.

13

Figura 2.7 – Gerador a diesel. [8]

A eficiência elétrica dessa tecnologia varia entre 30 a 50% para motores a diesel e 24 a

45% para motores a gás natural. Em aplicações de co-geração, uma eficiência total de 80 a

85% pode ser alcançada. [8]

A potência ativa é controlada ajustando o torque produzido pelo motor. Isto significa,

na prática, que há uma alteração da relação ar/combustível da mistura para ser queimada no

motor para haver esse controle. Outro controle é necessário para manter a tensão terminal

desejada no gerador. Ao ajustar a corrente de magnetização do gerador síncrono de potência

reativa também será controlada.

O controle moderno e sistemas de filtragem estão diminuindo as concentrações de

óxidos de nitrogênio (NOx) e monóxido de carbono (CO) dos gases para abaixo dos limites

permitidos, mas, para os motores diesel esses níveis ainda são relativamente altos. Entretanto,

os motores que a gás natural têm níveis muito baixos de produção de NOx.

2.4.3 CÉLULAS COMBUSTÍVEIS

As células combustíveis são capazes de converter combustível e oxigênio em energia

elétrica de calor e água. Seu funcionamento é similar às pilhas em que ambas usam um

processo eletroquímico para a produção de corrente contínua. Essa tecnologia não é tão nova,

a teoria de células de combustível nasceu há mais de 100 anos e seu desenvolvimento foi

projetado a mais de 40 anos atrás. São muito versáteis e podem potencialmente ser usados em

várias aplicações para atender demanda de energia, desde telefones celulares até grandes MW

em usinas. [8]


14

A conversão ocorre por meio de duas reações químicas parciais em dois eletrodos

separados por um eletrólito apropriado: a oxidação de um combustível no ânodo e a redução

de um oxidante no cátodo.

Uma simples célula combustível é capaz de produzir uma tensão de apenas 1 volt. Por

conta disso, é necessário conectar um grande número de células em série com a tensão

desejada. A esse bloco de células dá-se o nome de pilha (stack). Os diferentes tipos de células

a combustível são usualmente nomeados de acordo com seus eletrólitos.

Figura 2.8 – Exemplo de sistema a células combustíveis. [8]

Todas as células combustíveis, como representada na Figura 2.8, geram corrente

contínua. A tensão gerada é função da tensão da pilha e do número de células em série, como

dito anteriormente. Além disso, a tensão varia com a carga e também com tempo de vida útil

das células. Ao suprir uma carga em corrente alternada, um sistema com células combustíveis

possui um equipamento de conversão de CC em CA (inversor) e um controle de corrente,

tensão e frequência.

Existem quatro principais tecnologias de células combustíveis, porém, poucas

características as diferem entre si. A principal diferença aparente está no eletrólito, que

também têm efeitos de longo alcance sobre a concepção e funcionamento da célula


15

combustível. Na Tabela 2.1 essas quatro tecnologias estão listadas com suas características

chave.

Tabela 2.1 – Tabela de eficiência das quatro tecnologias mais usadas. [8]

O controle de fluxo de carga do lado CC funciona de maneira similar a uma bateria

(com grande resistência interna). Em modo de operação conectada à rede a célula combustível

alimenta de forma contrária a carga total da rede, o que significa que há exigências especiais

sobre o inversor para controlar a carga [8].

2.4.4 ENERGIA EÓLICA

Energia eólica caracteriza-se por grandes turbinas que convertem a energia

proveniente dos ventos em energia elétrica, com geração avaliada no mercado de até 2 MW.

Geralmente, grandes turbinas chegam a 80 metros de altura e suas pás, que geram o

movimento do rotor, têm o diâmetro de até 65 metros. [8]

Seu funcionamento consiste em pás que ficam dispostas em forma de hélice que

recebem rajadas de vento. Essas hélices se encontram acopladas a um sistema de engrenagens

que fazem uma mudança da frequência da hélice para uma frequência adequada para o

funcionamento de um gerador síncrono ligado a essas engrenagens. Geradores síncronos

geralmente são equipados com conversores de modulação de largura de pulso. O controle

adequado desses conversores é essencial para a regular o comportamento do moinho de vento

na rede elétrica.


16


Para evitar o stress mecânico que a unidade é submetida, turbinas que produzem acima

de 1 MW são equipadas com um sistema de controle da variação da velocidade de giro das

pás através de dispositivos eletrônicos. Esses dispositivos controlam a potencia transmitida

para o motor para manter a extração de potencia máxima vinda da geração eólica.

2.4.5 ENERGIA FOTO VOLTÁICA (PV)

Embora a conversão de energia solar em energia elétrica tem sido uma técnica

possível desde o final da década de 30, as primeiras aplicações práticas vieram as ser

implementadas no início dos anos 70, onde células PV foram adotadas pelo programa espacial

dos Estados Unidos. [8]

Sistemas foto voltaicos são classificados em três tipos:

Sistemas autônomos;

Sistemas híbridos;

Sistemas conectados a rede.

O sistema autônomo geralmente envolve baterias e é usado em locais remotos que não

tem acesso a rede publica.

O sistema hibrido é aquele em que se trabalha várias outras tecnologias, como eólica e

geradores a diesel junto com a geração PV, no sentido de suprir uma carga continuamente.

O sistema conectado a rede normalmente não inclui baterias. E sim uma rede publica

que atua como um sistema extremamente forte no qual aceita toda a energia disponível do

sistema PV. A conexão com a rede é feita a partir de dispositivos conversores de energia.

A eficiência dos sistemas PV esta diretamente ligada com a superfície onde estão

instalados os módulos fotovoltaicos, a eficiência desses módulos e a radiação solar do local.

Na prática, a potencia de saída depende da latitude, na qual determina a trajetória da radiação

solar na atmosfera.

17


2.5 PRINCIPAIS APLICAÇÕES DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

Determinar qual tecnologia de GD é melhor para uma dada aplicação requer

objetividade no projeto, uma compreensão clara das prioridades em questão e uma análise

detalhada do local em que se julga necessário sua implantação.

Geralmente aplica-se GD nas seguintes situações:

Em zonas rurais e isoladas, onde existem dificuldades na implantação de sistemas

de transmissão e distribuição de energia e os investimentos iniciais em sistemas

desse porte são muitos caros.

Em zonas urbanas desenvolvidas, onde a rede tem dificuldade para responder a

novas solicitações de carga e o custo para projetar uma nova rede é muito

elevado, podendo a GD ser um investimento mais rentável.

Para consumidores que precisam de níveis altos de qualidade no fornecimento de

energia, relacionada com a ausência de interrupções no fornecimento ou

confiabilidade (“power reliability”) e/ou na qualidade da energia (“power

quality”), onde os parâmetros característicos devem estar muito próximos dos

valores nominais (frequência, tensões polifásico equilibrado e simétrico e formas

de onda sinusoidais). Os consumidores com este tipo de necessidades de

qualidade estão dispostos a pagar pela GD que geralmente faz parte da solução

mais econômica para responder a essas necessidades específicas.

2.6 VANTAGENS E DESVANTAGENS NA IMPLANTAÇÃO DE

TECNOLOGIAS DE GD

A proximidade do local de consumo ao de produção faz com que a GD tenha algumas

vantagens, trazendo benefícios tanto para os consumidores quanto para as empresas do setor,

dentre elas, destacam-se:

Diminuição das perdas na rede de transmissão e distribuição, logo redução dos

custos de exploração, bem como menor investimento para reprojetar o sistema.

18


Diminuição dos riscos de planejamento, devido ao menor tamanho das unidades

de produção e flexibilidade das soluções.

Melhoria da qualidade de serviço aos consumidores próximos à produção local

As necessidades energéticas particulares dos clientes podem ser satisfeitas de

forma personalizada.

A diminuição dos impactos ambientais da produção de energia elétrica, resultante

da utilização de combustíveis menos poluentes, do melhor uso dos combustíveis

tradicionais. Isso permite, com a utilização da co-geração, a eliminação de

resíduos industriais poluidores.

São abertas maiores oportunidades de comercialização, na medida em que locais

que eram remotos e não tinham viabilidade de disporem de energia elétrica,

poderão passar a ser alimentados, melhorando as condições locais da atividade

econômica dessas zonas. Para a competitividade no mercado de energia elétrica

também surgem maiores oportunidades. Na medida em que a GD diminui o valor

do capital investido, surgem outras empresas que não sejam necessariamente de

capital intensivo, abrindo um leque de prestadores de serviço. Com isso, a

possibilidade de se poder optar pelo fornecedor com melhores condições de

mercado aumenta, reduzindo a fatura energética do setor industrial do país.

As desvantagens da geração distribuída devem ser levadas em consideração, e têm,

principalmente, como causas o aumento do número de entidades envolvidas e a separação das

funções de distribuição e comercial. Assim, são relevantes as seguintes desvantagens:

O planejamento e a operação do sistema elétrico ficam mais complexos.

Haverá um aumento da complexidade nos procedimentos, na realização de ações

de manutenção e nas medidas de segurança a serem tomadas.

Por vezes, existe uma diminuição do fator de utilização das instalações das

concessionárias de transporte e distribuição, bem como de centrais produtoras, o

que vai fazer com que exista uma tendência para aumentar o preço médio de

fornecimento das mesmas.

As entidades responsáveis pelas redes de transporte e distribuição necessitam de

se equipar com ferramentas de análise para avaliação do impacto das fontes de

GD, ligadas à rede, quer sob o ponto de vista de confiabilidade de fornecimento,

quer estabilidade de operação e qualidade da tensão [4].

19


2.7 QUALIDADE DE ENERGIA E GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

A GD exerce uma influência na qualidade de energia elétrica, principalmente devido a

quatro fatores:

1. Interrupções na geração principal.

2. Regulação de tensão.

3. Harmônicos.

4. Afundamentos de tensão.

2.7.1 INTERRUPÇÕES NA GERAÇÃO PRINCIPAL

Muitas das tecnologias de GD existentes eram instaladas como uma fonte de energia

auxiliar a geração principal. Uma das tecnologias mais utilizadas para esse fim eram os

motores a diesel. A grande capacidade dessa forma de GD pode ser notada pela transferência

de carga para o sistema auxiliar. Nesse caso, existe um acréscimo de energia gerada que pode

ser adquirida pela instalação em paralelo com o sistema principal.

Muitas tecnologias em GD operam com melhor qualidade de energia quando ligadas

em paralelo com a rede principal ou rede concessionária por conta da sua grande capacidade.

Entretanto, não são todas as tecnologias adotadas que se pode implantar o paralelismo sem um

investimento pesado.

Concessionárias de energia podem alcançar uma maior confiabilidade empregando

GD para cobrir contingências quando parte do sistema de entrega está fora de serviço. Neste

caso, a GD não iria suprir toda a carga, mas apenas o suficiente para cobrir a parte que está

fora de serviço. Isso pode resultar numa melhor gestão das despesas futuras para a construção.

A desvantagem é que o sistema, ao longo dos anos possa perder sua confiabilidade. Pois o

acréscimo da carga pode ultrapassar a capacidade do sistema inicialmente projetado, exigindo

uma nova ampliação.

2.7.2 REGULAÇÃO DE TENSÃO

Pode parecer inicialmente que a GD deve ser capaz de melhorar a regulação de tensão

em um alimentador. Um controle adequado na geração pode apresentar resultados mais

20


satisfatórios do que transformadores com mudança de tape e inclusão de bancos capacitores

ao longo do circuito. No entanto, existem muitos problemas associados com a regulação de

tensão como, por exemplo, os casos em que a GD é de pequeno porte e está localizada longe

da subestação em relação a sua robustez por exemplo. Questões de regulação de tensão são

freqüentemente as mais limitadoras para acomodar a GD sem alterações no sistema principal.

Isso ocorre por que primeiro, nem todas as tecnologias têm a capacidade de regular

tensão. É o caso de máquinas de indução. Em segundo lugar, concessionárias fornecedoras de

energia não querem que a GD opere com a função de regulação de tensão, pois ela pode

interferir no funcionamento dos equipamentos reguladores tensão da própria concessionária,

aumentando o risco de problemas na rede. Finalmente, pequenas GD não possuem capacidade

suficiente para regular a tensões e ficam a mercê das mudanças diárias de tensão no sistema

da concessionária.

Grandes GD que suprem em até 30% da capacidade de um alimentador, que são

capazes de regular tensão, necessitam de um controle de comunicação especial para operar

corretamente com os equipamentos de regulação de tensão da rede concessionária.

2.7.3 HARMÔNICOS

Um problema que ocorre com certa freqüência é a produção de harmônicos quando a

tecnologia da GD faz uso de conversor eletrônico.

Harmônicas geradas por máquinas rotativas nem sempre podem ser desprezadas,

sobretudo quando estão funcionando em paralelo com a rede. Para transformadores do tipo

estrela-estrela aterrados, apenas máquinas síncronas com enrolamentos construídos com

largura de bobina igual a 2/3 do passo polar para eliminação das harmônicas de 3ª ordem

podem operar em paralelo com a rede sem estudos especiais para limitação da corrente de

neutro. [9]

2.7.4 AFUNDAMENTOS DE TENSÃO

O problema de qualidade de energia mais comum é o afundamento de tensão. A

Figura 2.9 ilustra um caso em que a GD está interligado no lado da carga do transformador.

Durante um afundamento de tensão, as GD podem contribuir para mitigar a severidade do

afundamento de tensão na barra a que está conectada.

21

Figura 2.9 – Influência da GD e transformadores na redução de afundamento de tensão.

A influência da GD em afundamentos na sua barra de carga é auxiliada pela

impedância do transformador, que representa o isolamento da fonte do afundamento do

sistema da concessionária. No entanto, esta impedância dificulta a capacidade da GD de

fornecer algum alívio para as outras cargas no alimentador mesmo. GD maior que 10 kW são

obrigadas a ter o seu próprio transformador de serviço [9].

2.8 PROTEÇÃO DA GD

Um projeto de proteção é uma parte indispensável de um sistema elétrico. Análise de

faltas, condições pré e pós-falta são necessários para a escolha dos dispositivos de

interrupção, relés de proteção e suas coordenações. Os sistemas elétricos devem ter a

capacidade de suportar certos limites de distúrbios na rede que afetam seus índices de

confiabilidade.

Em geral, a implantação de uma nova geração implica na necessidade de estudos para

avaliação das condições de operação da rede e da coordenação da proteção em estado

permanente e sob condição de falta. A resposta da rede depende de muitos fatores incluindo a

magnitude da perturbação, impedância e localização da GD, o uso de dispositivos reguladores

de tensão, configuração do sistema de energia, etc.

A Figura 2.10 mostra um pequeno sistema de distribuição, constituído por uma

geração principal e outras três gerações servindo de auxílio em diferentes alimentadores do


22

sistema. Na configuração descrita, o sistema de proteção pode perder a coordenação após a

instalação de uma GD. De acordo com a figura, antes da instalação da DG1, se ocorrer uma

falta no ponto 1, o fusível FA deve operar antes do fusível FB. Quando a DG1 é instalada, a

corrente de falta segue de DG1 para o ponto 1 fazendo FB abrir antes que FA se a diferenças

entre as correntes que passam pelos fusíveis forem menor que a margem de coordenação

mostrada na Figura 2.11.

Figura 2.10 –Alcance de um relé de proteção para um pequeno sistema de distribuição da com GD.

Figura 2.11 – Curvas características dos fusíveis da Figura 2.10


Um aumento da corrente de falta na rede muda a maneira que o sistema de proteção

gerencia falhas (ajustes dos relés, religadores, capacidade de interrupção dos disjuntores e

fusíveis). A Figura 2.10 mostra a DG3 instalada próxima da subestação. No caso da falta

23


ocorrer no alimentador vizinho onde a DG3 está localizada, o disjuntor BB abrirá devido a

corrente resultante no sentido da DG3 para o ponto de falha. Esse sistema pode ser

aprimorado implementando no relé de proteção a função direcional (67) ao invés de somente

a função de sobrecorrente(51).

A instalação de uma GD no alimentador normalmente requer da concessionária um

reajuste das suas configurações do religador, quando esse se encontra no sistema. Isso ocorre

por dois motivos básicos:

Religamentos em GD, particularmente aqueles sistemas que utilizam tecnologias

de máquinas rotativas, pode causar danos ao gerador ou motor principal.

GD deve desligar logo no início do intervalo de religamento para dar tempo para

o arco elétrico dissipar, de forma que o religamento será bem sucedido.

Normalmente, esse processo de detecção e desconexão deve ser simples. No entanto,

algumas ligações de transformadores tornam difícil detectar certas faltas, o que poderia atrasar

a desconexão da GD.

A GD pode também reduzir a zona de proteção ou área de atuação dos relés de

proteção. Considerando agora uma falta resistiva devido a um pico de demanda no ponto 2, de

acordo com a Figura 2.10, a presença da GD2 entre o ponto de falha e um relé pode causar

uma baixa corrente de falta para ser vista pelo relé de proteção. A GD reduz efetivamente o

alcance (isto é, zona) do relé. Isso aumenta o risco de detectar faltas de alta resistência a

falhas detectadas. Nesse caso, uma proteção de retaguarda pode intervir para interromper uma

falha.

2.9 CONSIDERAÇÕES FINAIS

A produção descentralizada permite, em certas aplicações, reduzir o investimento

necessário e aumentar a eficiência global do sistema, bem como as perdas na transmissão.

Estatisticamente é provado que a utilização de várias pequenas unidades, do ponto de vista da

confiabilidade, é mais favorável pelo fato de existir uma maior diversidade no fornecimento

de energia. No entanto, estudos para avaliar a adequação do sistema de proteção após conexão

de GD à rede são necessários.

24

Capítulo 3 – Estudo de caso: Alimentador Jurema 4

CAPÍTULO 3

ESTUDO DE CASO: ALIMENTADOR JUREMA 4


Este capítulo tem a finalidade de representar o circuito que servirá para o estudo sobre

a influencia da geração distribuída no ajuste da proteção de sistema de proteção de um

alimentador de distribuição de energia elétrica. O circuito escolhido para investigação foi o

alimentador da subestação de Jurema em Fortaleza (CE), denominado Jurema 4, da

concessionária do estado do Ceará, Coelce – Companhia Energética do Ceará. No software

EasyPower foram representados os parâmetros de carga, cabeamento, transformadores e

equipamentos de proteção do alimentador de 13,8 kV.

Será analisado o comportamento do fluxo de potencia no alimentador para se observar

o nível de tensão nas barras e o carregamento dos vãos do alimentador bem como avaliar a

coordenação da proteção do circuito. A partir desses parâmetros, será possível analisar o

comportamento do circuito após a instalação da GD.

3.2 ASPECTOS GERAIS DO ALIMENTADOR

O alimentador do circuito 4 da subestação de Jurema, JMA01M4, nomenclatura

adotada pela COELCE para designar seus circuitos de distribuição possui uma extensão total

de 24,66 km, sendo 5,239 km sua extensão principal e o restante derivações do circuito

principal. Tal extensão abrange uma área correspondente ao bairro Conjunto Ceará e o início

do bairro Bom Jardim. O circuito possui 108 transformadores de distribuição, dentre esses 89

são pertencentes à COELCE e o restante sendo de proprietários particulares. A potência

instalada no alimentador JMA01M4 é de 10,068 MVA para atender aproximadamente 17.000

clientes.

Basicamente, o alimentador JMA01M4 possui em sua extensão cabos de Cobre de

95mm², porém, nas derivações que surgem do circuito principal, existem outros tipos de

cabos, dos quais os principais estão listados na Tabela 3.1.

25

Tabela 3.1 – Relação e características dos cabos utilizados no alimentador.

Os transformadores ao longo do alimentador possuem suas potências nominais

especificadas. Nesses transformadores, existem vários tipos de cargas que sofrem variações

próprias da natureza dinâmica de cargas elétricas, como liga-desliga, ocorrências de corte de

energia, solicitações de religação de clientes, migração de clientes entre grupos. A COELCE

trabalha com dois grandes grupos: grupo A, clientes que utilizam a alta tensão, geralmente

indústrias ou grandes complexos comerciais, e grupo B, correspondente aos clientes

residenciais que utilizam a baixa tensão, dentre outras situações que resultam em grandes

variações na carga.

Por conta dessas variações de carga, para se fazer um estudo ou um planejamento em

um alimentador, a COELCE adota uma tabela com uma relação aproximada do fator de

potência e do fator de utilização de cada tipo de transformador. Por exemplo, um

transformador de 150 kVA obviamente não está o tempo todo trabalhando em sua potência

nominal, portanto, é preferível utilizar de um fator que justifica seu uso nos momentos de

carga leve, carga intermediária e carga pesada.

Tabela 3.2 – Tabela de fatores de modelagem de carga.

De acordo com a Tabela 3.2 acima, nota-se os fatores variam de acordo com o tipo de

transformador, onde o fator de utilização (FU) mostra o carregamento médio do

transformador, e o fator de potência (FP) mostra quanto de potência ativa é suprida pelo

transformador.

O software Easypower 9.0 é uma ferramenta computacional utilizada na engenharia

como auxílio ao desenvolvimento de projetos e análises de sistemas de potência industriais,


26

comerciais e de serviços públicos. Esse software possui uma enorme interatividade de

análises. A partir de uma única base de dados de um dado sistema podem ser realizadas

análises de curto-circuito, fluxo de potência, coordenação da proteção do sistema, estudo de

harmônicos e de partida de motores. O programa possui também uma variada biblioteca de

equipamentos com cabeamento de linhas, transformadores, relés de proteção, religadores,

disjuntores, etc., é, portanto, uma grande ferramenta para o engenheiro quando se deseja

resultados rápidos e precisos de um circuito de potência.

Com o propósito de reduzir o número de barras do circuito Jurema 4 original, algumas

derivações foram representadas por uma única carga situada no final da derivação.

Salientando que se levou em conta a extensão até o fim do cabo que deriva do circuito

principal, reduzindo assim o número de barras e concentrando toda a derivação em uma única

barra.

A representação do circuito no programa Easypower se inicia com as especificações para

representação do sistema equivalente do restante do sistema da concessionária, para o que são

necessárias as correntes de curto-circuito trifásico e monofásico e suas relações de X/R nos

momentos de geração mínima e máxima. Os valores se encontram na Tabela 3.3.

Tabela 3.3 – Níveis de curto circuito nos dois momentos de geração

Com a representação geral do circuito, com seu cabeamento, transformadores e cargas,

foi simulado o fluxo de potência para cada uma das três situações de carregamento, a fim de

ser observado o perfil da tensão nos terminais dos transformadores e nas barras do

alimentador. O ANEXO A mostra a configuração do alimentador estudado.

De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), no módulo 8 do

Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST),

que trata sobre qualidade de energia, a tensão a ser contratada nos pontos de conexão pelos

clientes atendidos em valor nominal superior a 1 kV deve situar-se entre 95% e 105% da


27

tensão nominal do sistema [10]. Dessa forma, foi observado que das variações de carga,

somente a de carga pesada e geração máxima houve violação nas restrições de tensão como

mostra a Figura 3.1 com destaque para as barras violadas em cor vermelha.

Figura 3.1 – Barras onde a tensão difere do regulamento da ANEEL.

A figura acima mostra que a partir das barras 58 até o final do circuito a tensão de

fornecimento está abaixo de 0,95 p.u. ou abaixo de 95% de seu valor nominal. Isso sinaliza

como um ponto provável de se instalar uma geração.


28


3.3 ESTUDO DA PROTEÇÃO

A proteção do alimentador JMA01M4 foi basicamente representada no programa por

uma coordenação de suas funções de sobrecorrente. Essas funções, assim como o restante das

funções de proteção, funcionam da seguinte forma: Os relés de proteção atuam a partir da

comparação dos dados medidos no sistema elétrico com valores pré-ajustados no próprio relé.

Os relés recebem sinais de tensão e/ou sinais de corrente através de transformadores

de instrumentos, transformadores de potencial (TP) e os transformadores de corrente (TC),

respectivamente. Os valores de tensão e/ou correntes medidos são comparados com valores

pré-definidos, e caso as grandezas medidas pelo relé na zona de proteção sob a sua

responsabilidade estejam acima ou abaixo dos valores pré-definidos, os relés enviam

comandos de abertura (trip) para o(s) disjuntor(es) para que seja isolada do restante do

sistema a parte do sistema elétrico em falta.

A coordenação da proteção foi feita entre os relés COELCE e o religador R29W1413

que se encontra no meio do circuito. O Easypower não possui em sua biblioteca o

equipamento religador, mas e possível através do ajuste apropriado do rele representar a

atuação do religador fazendo uso de curvas tempo x corrente rápidas e lentas, a fim de

observar se há coordenação entre os dispositivos.

3.3.1 PROTEÇÃO DA CONCESSIONÀRIA

No ponto de entrega de energia, ou seja, na saída do alimentador da subestação, os

dispositivos de proteção foram dimensionados de acordo com a Ordem de Ajuste da Proteção

(OAP) [11], documento existente na COELCE, que especifica todo o dimensionamento das

proteções da média tensão em alimentadores e subestações. Essa especificação foi adotada

para que seja obtida uma melhor representação do alimentador, tendo assim uma aproximação

da realidade de um sistema distribuição de energia.

Essas programações são obtidas pelas correntes de curto-circuito trifásico, bifásico e

monofásico do alimentador, além dos dados da relação de transformação do TC (RTC) de fase

e de neutro, TAPE de fase e de neutro, tipo de temporização (se a curva é normalmente

inversa, muito inversa ou extremamente inversa) e o dial de tempo. Essas informações se

encontram na OAP.

29

O relé utilizado na proteção desse alimentador é o modelo P142 do fabricante

AREVA, voltado para o gerenciamento de alimentadores, para níveis de tensão de

transmissão e distribuição, realizando a proteção, o controle e o monitoramento das linhas

aéreas e cabos subterrâneos.

A faixa de operação do relé é adequada para todas as aplicações em que é requerida a

proteção de sobrecorrente. Além disso, é apropriado para vários tipos de aterramentos de

sistema: sistemas solidamente aterrados, aterrados por impedância, aterrados por bobina de

Petersen e para sistemas isolados.

A lógica programável interna permite ao usuário customizar as funções de controle e

proteção, além de realizar a programação das funcionalidades das entradas opticamente

isoladas, relés de saída e indicações de LED. O esquema lógico programável é composto por

portas lógicas e temporizadores de uso geral. As portas lógicas incluem "OU", "E" com suas

principais funções, com a capacidade de inverter entradas e saídas e fornecer realimentação

[12].

Na Tabela 3.4, tem-se a programação das proteções de sobrecorrente instantâneas e

temporizadas de fase (50/51) e de neutro (50N/51N). A partir da programação, é possível

traçar a curva de atuação das funções programadas nos relés. Com as curvas dos relés

definidas e a curva do religador, será possível ver realizar a coordenação dos dispositivos e

simular a proteção do sistema em questão.

Tabela 3.4 – Dimensionamento dos relés da COELCE.

3.3.2 PROTEÇÃO AO LONGO DO CIRCUITO – RELIGADOR R29W1423

Como o nome sugere, um religador automaticamente religa após a abertura,

restaurando a continuidade do circuito mediante faltas de natureza temporária ou

interrompendo o circuito mediante falta permanente. O princípio de funcionamento pode ser

descrito da seguinte forma: Ao detectar um curto-circuito no sistema, desliga e religa

automaticamente os circuitos um número pré-determinado de vezes. Os contatos são abertos

durante certo tempo, chamado tempo de religamento, a fim de constatar se a falta é transitória

ou permanente. Se, com o fechamento dos contatos, a corrente de falta persistir, a seqüência


30

abertura/fechamento é repetida até três vezes consecutivas e, após a quarta abertura, os

contatos ficam abertos e travados, sendo o novo fechamento somente manual.

A prática comum de uso de religadores automáticos pelas concessionárias de energia

elétrica tem reduzido a duração das interrupções de patamares de 1h para menos de 1 min,

acarretando em benefícios para as concessionárias e clientes quanto a qualidade no serviço de

suprimento.

Normalmente os religadores são projetados para ter uma seqüência de religamento de

até quatro operações abre-fecha e após isso uma operação de abertura final bloqueará a

seqüência. Se ajustado para quatro operações, com seqüência típica de quatro disparos e três

religamentos, a seqüência de operação varia entre disparos instantâneos e temporizados, que

variam de acordo com a programação.

No estudo em questão, a configuração do religador R29W1413 está no ajuste de 1

operação instantânea e 3 temporizadas. É possível ser ajustado no relé de proteção qual

função será a responsável pela ativação dos ciclos de religamento. Ou seja, é possível definir,

por exemplo, que o primeiro ciclo de religamento será ativado pela unidade de sobrecorrente

instantânea de fase e que os demais ciclos serão ativados pela unidade de sobrecorrente

temporizada de fase. Analogamente o mesmo comentário pode ser estendido às unidades de

neutro, ou de terra de alta sensibilidade.

Para o religador, o dimensionamento da proteção é feito em quatro etapas. O primeiro

desligamento, em caso de falta, é rápido, pois a falta pode ser transitória. Já os outros

desligamentos são lentos, para que haja tempo hábil para queima de fusível nas derivações do

alimentador. Por conta disso, obtêm-se quatro curvas de proteção do sistema, duas para os

acionamentos lentos e rápidos de fase e duas para os acionamentos rápidos e lentos de neutro.

Como mostrados na Tabela 3.5.

Tabela 3.5 – Dimensionamento do religador.

Ao determinar os ajustes dos relés de sobrecorrente e demais dispositivos de proteção

em série, deve-se manter uma margem de tempo adequada entre suas curvas características a

fim de se obter uma operação coordenada.


31

A curva de coordenação resultante se encontra na Figura 3.2.

Figura 3.2 – Gráfico da curva de coordenação de fase.

De acordo com o gráfico, pode-se observar as curvas de atuação de sobrecorrente de

fase da Coelce, em cor verde, e as curvas rápidas e lentas do religador. Nota-se que a função

sobrecorrente de fase do religador atua muito antes do que o relé da concessionária, tanto as

curvas 112 e 117. Isso mostra a coordenação perfeita entre os dispositivos de proteção do

alimentador, onde caso haja uma falta, o religador atuará primeiro que os relés da COELCE,

garantindo assim, o fornecimento. O mesmo se aplica observando o gráfico de sobrecorrente

de neutro, mostrado na Figura 3.3.


32


Figura 3.3 – Curva de coordenação de Neutro.


O programa Easypower é uma ferramenta grande auxilio na simulação de circuitos de

transmissão e distribuição. Sua interface é simples, de fácil manuseio e um banco de dados

com vários tipos de equipamentos que permite uma representação bem aproximada de um

circuito real.

O alimentador JMA01M4 foi bem representado no programa citado, suas proteções se

encontram coordenadas e suportam as correntes de curto que possam existir, sendo elas de

natureza transitória ou permanente, ficando a cabo do religador do alimentador atuar antes de

qualquer atuação da proteção da barra a que se conecta o alimentador.

33

Capítulo 4 – Obtenção e Análise de Resultados

CAPÍTULO 4

DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DA PROTEÇÃO DO GERADOR

CONECTADO AO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO


Este capítulo irá abordar as análises dos resultados de simulação da operação de um

alimentador de sistema de distribuição após a instalação da GD no alimentador. Uma vez

escolhido em qual momento e onde a GD deve ser instalada, necessita-se agora de um tipo de

geração, no caso, foi escolhido um motor a diesel ligado a um gerador síncrono, depois será

visto como o equipamento se comporta no circuito, bem como suas proteções em relação à

subestação e suas proteções já existentes.

4.2 MAQUINA SÍNCRONA

As máquinas síncronas estão entre os três tipos mais comuns de máquinas elétricas.

São chamadas síncronas por que operam com uma velocidade de rotação constante e

velocidade do campo do rotor sincronizada com velocidade do campo girante – sincronismo

entre campo do estator e rotor. Como a maioria das máquinas girantes, a máquina síncrona é

capaz de operar tanto como um motor, quanto como um gerador [13].

As duas partes principais de uma máquina síncrona são estruturas ferromagnéticas. A

parte estacionária é chamada de estator ou armadura, nela possui ranhuras onde ficam as

bobinas dos enrolamentos da armadura. A parte girante da máquina é chamada de rotor. Os

enrolamentos do rotor são chamados de enrolamentos de campo [14].

O princípio de funcionamento de uma máquina se dá dependendo de como ela irá

operar. Como gerador síncrono ou como motor síncrono.

34


4.2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

4.2.1.1 GERADOR SÍNCRONO

Ao operar como gerador, a energia mecânica é fornecida à máquina pela aplicação de

um torque e pela rotação do eixo da mesma. A fonte de energia mecânica pode ser, por

exemplo, uma turbina hidráulica, a gás ou a vapor. A tensão aos seus terminais é ditada pela

frequência de rotação e pelo número de pólos: a frequência da tensão trifásica gerada depende

diretamente da velocidade da máquina.

Para que a máquina síncrona seja capaz de converter a energia mecânica aplicada no

seu eixo, é necessário que o enrolamento de campo localizado no rotor da máquina seja

alimentado por uma fonte de tensão contínua. Dessa forma, ao girar o campo magnético

gerado pelos pólos do rotor, há um movimento relativo aos condutores dos enrolamentos do

estator.

Devido a esse movimento relativo entre o campo magnético dos pólos do rotor, a

intensidade do campo magnético que atravessa os enrolamentos do estator irá variar no

tempo, e assim teremos pela lei de Faraday, uma indução de tensões aos terminais dos

enrolamentos do estator. Devido à distribuição e disposição espacial do conjunto de

enrolamentos do estator, as tensões induzidas aos seus terminais serão alternadas.

A corrente utilizada para alimentar o campo (enrolamento do rotor) é denominada

corrente de excitação. Quando o gerador funcionar de forma isolada de um sistema elétrico, a

excitação do campo irá controlar a tensão elétrica gerada. Quando o gerador está conectado a

uma rede elétrica que possui diversos geradores interligados, a excitação do campo irá

controlar a potência reativa.

4.2.1.2 MOTOR SÍNCRONO

Ao operar como motor síncrono, a energia elétrica é fornecida à máquina pela

aplicação de tensões alternadas trifásicas aos terminais dos enrolamentos do estator. Além

disso, os enrolamentos de campo do rotor são alimentados por uma fonte de tensão contínua.

As tensões aplicadas aos enrolamentos do estator, como são alternadas e trifásicas,

induzirão uma corrente alternada de mesma frequência que a tensão aplicada. A corrente

induzida produzirá campos magnéticos também alternados que variam no tempo.

35

Além disso, devido à disposição espacial dos enrolamentos no estator, esses campos

magnéticos variantes no tempo também irão circular pelo estator, de forma que o campo

magnético resultante irá girar no entreferro da máquina com velocidade angular proporcional

à frequência da tensão alternada aplicada nos enrolamentos.

Assim, quando um dos pólos do campo magnético gerado pelo enrolamento do rotor

interagir com o campo resultante do estator, haverá uma tentativa de alinhamento desses

campos, com isso, surgirá no rotor um binário de forças que gera um torque de forma que o

rotor gire e mantenha os campos do rotor e do estator alinhados e na mesma velocidade [15].

Apesar de uma tecnologia antiga, máquinas síncronas ainda são bastante comuns em

sistemas de potência.

4.2.2 DADOS DO GERADOR SÍNCRONO UTILIZADO

O gerador síncrono utilizado na simulação possui uma potência de 2MVA, tensão

nominal de 13,8 kV. Os demais parâmetros como de impedância são mostrados na

Tabela 4.1.

Tabela 4.1 – Parâmetros do gerador síncrono de 2MVA.

As reatâncias sub-transitória e transitória definem a intensidade da corrente na partida

do gerador e sob condição de falta.

O gerador síncrono que representa uma unidade de geração distribuída conectada ao

alimentador da concessionária é protegido por relé com a função de sobrecorrente de fase e

neutro, ambas do tipo instantâneas e temporizadas. Os enrolamentos de estator do gerador

trifásico são ligados em estrela aterrada.


36

Devido a presença da GD, o religador deverá ser removido do sistema, pois, caso haja

um problema de falta, a seqüência de operação do religador (ligar e desligar) poderá causar

danos eletromecânicos ao gerador [9]. Para isso, necessita-se de um projeto de proteção da

GD.

4.3 DIMENSIONAMENTO DO TC E CÁLCULO DE AJUSTE DA PROTEÇÃO DO

GERADOR

Para dimensionamento do transformador de corrente que alimenta o relé de proteção

do gerador, foi obtido no programa Easypower, através da opção short-circuit, as correntes de

curto-circuito trifásico (Icc3F), bifásico (Icc2F), monofásico (Icc1F) e monofásico mínimo

(Icc1F-MIN) para uma série de formulações encontradas em [16]. Os valores de corrente de

curto circuito são apresentados na Tabela 4.2.

Tabela 4.2 – Valores de curto-circuito do alimentador.

4.3.1 CÁLCULO DO DIMENSIOMENTO DO TC

A partir dos valores de corrente de curto circuito e com a corrente nominal do gerador,

calcula-se o dimensionamento do TC. Para isso, a corrente do primário do TC deverá ser

maior que a máxima corrente de curto circuito dividida por 20, para que os TC´s não entrem

em saturação. A corrente de primário do TC ( PTCI ) é calculada por:

20CCMÁX

PTC

II (4.1)

Substituindo o valor de corrente máxima da Tabela 4.2 em (4.1) tem-se:

5606280.3

20 20CCMÁX

PTC

II A

Logo, o primário do TC será 300PTCI A e a corrente de secundário ( STCI ) do TC

será: 5STCI A , pois é o padrão de secundários de TC´s.


37

4.3.2 CÁLCULO DOS TAPES DO RELÉ

4.3.2.1 AJUSTE DA CORRENTE DE FASE

Para o ajuste da corrente de fase do relé do gerador, deve-se escolher o fator que

representará a sobrecarga admissível na sua instalação. Normalmente, escolhe-se fator de

segurança (FS) com valor entre 1,2 e 1,5. A corrente nominal deve ser multiplicada por este

valor, para determinar a corrente máxima de sobrecarga entre as fases. Considerando que o

relé irá enxergar a corrente que passa pelo secundário dos TC´s, o valor será:

( )N

F

FSxITAPE

RTC (4.2)

RTC é a relação do transformador de corrente, que segundo os valores obtidos na

seção 4.3.1 tem-se que:

300 605RTC .

Assim, substituindo os valores em (4.3) e adotando o fator de segurança igual a 1,3 e a

corrente nominal retirada da Tabela 4.1 tem-se que:

( )

1.3 83.671.81

60N

F

FSxI xTAPE A

RTC

Adotando um tape de 2,0 A ( ( ) 2.00F ADOTADOTAPE A ), de forma que o relé não opere

para a corrente de segurança, como a corrente de segurança que é dada por:

( )S F NI FSxI (4.3)

E a corrente de disparo do relé é obtida pela fórmula:

( ) ( )TRIP F F ADOTADOI RTCxTAPE (4.4)

Substituindo os valores nas equações (4.3) e (4.4):


38

( ) 1.3 83.67 108.77S FI x A

( ) ( ) 60 2 120F TRIP F ADOTADOI RTCxTAPE x A

O que satisfaz a condição de segurança:

TRIPI Is (4.5)

4.3.2.2 TAPE DE NEUTRO

Para o ajuste da corrente de neutro do relé de sobrecorrente do gerador, deve-se

escolher o fator que representará a segurança na sua instalação, em relação à corrente que

passa pelo condutor neutro, que num circuito equilibrado deveria ser nula. Porém,

dificilmente uma instalação terá circuitos perfeitamente equilibrados. Normalmente, escolhe-

se um fator de desequilíbrio (FD) com valor entre 0,1 e 0,3.

A corrente nominal do cliente deve ser multiplicada por este valor, para determinar a

corrente máxima de desequilíbrio entre as fases. Considerando que o relé irá enxergar a

corrente que passa pelo secundário dos TC´s, o valor deste Tape será:

( )N

N

FDxITAPE

RTC (4.6)

Adotando um fator de desequilíbrio igual a 0,2, o valor do TAPE de neutro é igual a:

( )

0.2 83.670.28

60N

N

FDxI xTAPE A

RTC

Análogo ao teste feito para o Tape de fase, foi adotado para o Tape de neutro valor

igual a 0,4. A corrente de segurança é obtida por:

( ) 0, 2 83.67 16.73S N NI FDxI x A


39

A corrente de disparo (trip) de neutro é dado por:

( ) ( ) 60 0.4 24TRIP N N ADOTADOI RTCxTAPE x A

Novamente, observa-se que o critério de segurança foi obedecido.

4.3.3 AJUSTES INSTANTÂNEOS

4.3.3.1 AJUSTE INSTANTÂNEO DE FASE

Os ajustes instantâneos recebem esse nome porque não obedecem às curvas inversas

de múltiplo-tempo, mas atuam instantaneamente, a partir dos valores de suas respectivas

correntes de trip. São utilizadas, principalmente, para interromper imediatamente correntes de

valores elevados, de forma que não provoquem danos às instalações elétricas ou ao sistema de

distribuição.

Para o cálculo da corrente de ajuste da unidade instantânea de fase, são levados em

conta dois valores de correntes: a corrente de curto-circuito bifásico ( ) e a corrente de

partida do gerador(

2CC FI

PI ).

A corrente de partida circula durante a energização da máquina. Portanto, apesar de

ser bem maior que a corrente nominal, não caracteriza sobrecarga ou curto-circuito. Logo, o

relé não deve atuar para este valor de corrente, e sim, para os valores de corrente de curto-

circuito bifásico e trifásico. Como o curto-circuito bifásico é sempre menor que o trifásico, ele

será usado para o cálculo da corrente de ajuste instantânea, pois se o relé atua para o curto-

circuito bifásico, certamente atuará também para o curto-circuito trifásico. Nessas condições:

( ) ( ) 2P N TRIP INST F CCI I I F (4.7)

( )P NI é cerca de 6 a 8 vezes a corrente nominal ( )NI .

Considerando a corrente no secundário dos TC´s:

( ) 2( )

P N CC FAJUSTE INST F

I II

RTC RTC (4.8)

Dessa forma, desenvolvendo as fórmulas (4.14) e (4.15) tem-se:


40

( )

8 83,67 485511,156 80,92

60 60AJUSTE INST FI A

Assim, para ( ) 15AJUSTE INST FI A , e:

( ) ( ) 60 15 900TRIP INST F AJUSTE INST FI RTCxI x A

4.3.3.2 AJUSTE INSTANTÂNEO DE NEUTRO

Para o cálculo da corrente de ajuste da unidade instantânea de neutro, é levado em

conta apenas o valor da corrente de curto-circuito monofásico mínimo, já que este é sempre

menor que o valor da corrente de curto-circuito monofásico franco. Logo, se o relé atua para a

corrente de curto-circuito monofásico mínimo, atuará também para o curto - circuito

monofásico franco. Desta forma:

1( )

CC F MINAJUSTE INST N

II

RTC

(4.9)

Substituindo os valores de corrente de curto-circuito e RTC em (4.18) tem-se:

1( )

1021.7

60CC F MIN

AJUSTE INST N

II A

RTC

O valor de ajuste adotado é igual a 1,5. Assim tem-se como : ( )TRIP INST NI

( ) ( ) 60 1.5 90TRIP INST N AJUSTE INST NI RTCxI x A

Após esses cálculos, os valores encontrados foram inseridos nos relés de proteção no

programa EasyPower para obter as curvas de coordenação das funções de sobrecorrente de

fase e neutro.

O resultado da coordenação de fase é mostrado na Figura 4.1 e Figura 4.2. É possível

ver que as funções de sobrecorrente dos relés, tanto o do gerador, quando da concessionária,

estão devidamente coordenadas. Com o acréscimo da GD no sistema, além de uma melhoria


41

nas tensões de distribuição nos pontos que estavam abaixo de 0,95p.u., não houve necessidade

de uma novo projeto de dimensionamento nos relés da concessionária, pois, apesar das

correntes de curto-circuito terem aumentado, a antiga proteção ainda suporta esse aumento.

Figura 4.1 – Coordenação de fase entre GD e Concessionária.

Na Tabela 4.2 é mostrado o coordenograma de neutro. Pode se observar que os valores

de projeto se encontraram muito próximos. Isso ocorre por conta da limitação do relé em

relação aos tapes. O valor da corrente de neutro da GD poderia ser menor que 24 A, porém,

era o mínimo de tape que poderia ser ajustado dentro do TC que foi dimensionado.


42


Figura 4.2 – Coordenação de Neutro entre GD e Concessionária


Com a instalação da GD, foi visto que o sistema não foi tão afetado em relação ao

dimensionamento de sua proteção, mesmo com a retirada do religador do alimentador. Com

isso, foi possível utilizar uma GD com uma potência para suprir uma demanda de carga, sem

que ela afete o sistema de uma forma negativa.

43

Capítulo 5 – Conclusão

CAPÍTULO 5

CONCLUSÃO

A produção descentralizada permite, em certas aplicações, reduzir o investimento

necessário e aumentar a eficiência global do sistema, bem como diminuir as perdas na

transmissão. Estatisticamente é provado que a utilização de várias pequenas unidades, do

ponto de vista da confiabilidade, é mais favorável pelo fato de existir uma maior diversidade

no fornecimento de energia.

Um alimentador em 13,8 kV com quase 25 km de extensão, 108 transformadores de

distribuição e potencia instalada de 10 MVA foi representado no programa de simulação

Easypower. Para as condições de carregamento de carga leve, media e pesada foi obtido o

fluxo de potência no alimentador para avaliar o nível de tensão nas barras. Foi detectada, sob

condição de carregamento máximo, subtensão em seis barras do alimentador.

Foi apresentado o coordenograma para as funções de proteção de sobrecorrente da

barra da subestação Jurema e do religador do alimentador Jurema 4. A proteção se mostrou

coordenada, com tempo de atuação menor para as curvas do religador, instantânea e

temporizada, que a proteção da barra da subestação.

Por meio de simulação, foi conectado na barra 61 do alimentador um gerador síncrono

de 2 MVA ligado diretamente ao circuito, que antes da conexão do gerador apresentou

subtensão, passou a operar com tensão na faixa de operação adequada quando a ela foi

conectada a GD. Devido a conexão da GD ao alimentador, o religador foi ajustado para

somente uma atuação instantânea.

A proteção do gerador foi projetada e avaliada a coordenação da proteção do gerador e

do alimentador. O coordenograma traçado mostrou que as proteções do gerador se encontram

coordenadas com a proteção do alimentador, sem necessidade de qualquer adequação, a

menos da exclusão da seqüência de operação do religador.

Com a consolidação da GD no mercado de energia elétrica, um novo modelo de

geração deverá surgir em que haverá a coexistência com a geração centralizada. Um grande

número de pequenos e médios produtores de energia elétrica com tecnologia baseada em

fontes renováveis de energia deverá ser integrado à rede elétrica. Milhares de usuários terão

geração própria tornando-se ambos, produtores e consumidores de energia elétrica. O

44

Capítulo 5 – Conclusão

mercado de energia elétrica deverá fazer uso pleno de ambos, grandes produtores

centralizados e pequenos produtores distribuídos. Porém, tendo em vista que a qualidade do

serviço tem que ser garantida, através da proteção adequada dos sistemas de distribuição, no

caso estudado, uma pequena geração foi utilizada, mas caso algum proprietário desejar

produzir energia elétrica em larga escala, deverá ter em vista que a proteção do sistema deve

ser algo a ser levado em consideração.

Como desenvolvimento futuro, sugere-se um maior investimento na busca de novas

tecnologias de geração, uma vez que as formas convencionais de geração de energia no Brasil

se encontram no limite máximo de produção, pois os níveis das hidrelétricas baixando devido

ao aquecimento global, um investimento adequado em GD´s favoreceriam a qualidade da

energia para os consumidores finais, e um alivio maior para as usinas geradoras, que

trabalhariam sem sobrecarga.

45

Capítulo 6 – Referências

CAPÍTULO 6

REFERÊNCIAS

[1] E.J.W. van Sambeek, M.J.J Scheepers.:“REGULATION OF DISTRIBUTED

GENERATION” A European Policy Paper on the Integration of Distributed

Generation in the Internal Eletricity Market, Sustelnet, June 2004.

[2] Velasco, Juan A. Martinez, Arnedo, J. Martin.: “Distributed Generation Impact on

Voltage Sags in Distribution Networks”, Barcelona Outubro de 2007.

[3] http://www.dg.history.vt.edu “Distributed Generation: Education Modules” acessado

às 22h35min do dia 16 de Setembro de 2010.

[4] Santos, Fernando Antônio Castilho dos, Santos, Fernando Miguel Soares Mamede

dos, “Geração Distribuída Versus Centralizada”, Matéria do site Millenium, Revista

do ISPV, nº35, Novembro de 2008.

[5] http://pt.wikipedia.org/wiki/Nikola_Tesla “Nikola Tesla” acessado às 15h48min do

dia 19 de Setembro de 2010.

[6] http://pt.wikipedia.org/wiki/Thomas_Edison “Thomas Edison” acessado às 16h12min

do dia 19 de Setembro de 2010.

[7] http://pt.wikipedia.org/wiki/Guerra_das_Correntes “Guerra das correntes” acessado

as 16h33min do dia 19 de Setembro de 2010.

[8] John Eli Nielsen, Christian, Gaardestrup, Soren Varming, SUSTELNET, Policy and

regulatory roadmap for the integration of Distributed Generation and the development

of sustainable electricity networks “Review of Technical options and constraints of

integration of Distributed Generation in electricity netwoks” ELTRA.

46

Capítulo 6 – Referências

[9] Roger C. Durgan, Mark F. McGranahan, Surya Santoso, H Wayne Beaty, “Electrical

Power Systems Quality” 2nd Edition Copyright Material.

[10] Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional –

PRODIST. Módulo 8 Qualidade da Energia Elétrica.

[11] Ordem de Ajuste De Proteção – Subestação: Jurema (JMA) OAP nº101 / 2009

COELCE.

[12] AREVA. MiCOM P14X Feeder Management Relay – Technical Manual. 2006.

[13] NASAR, Syed A. “Máquinas elétricas”, tradução de Heloi José Fernandes Moreira.

São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1984 (Coleção Schaum).

[14] J. Grainger and W. Stevenson Jr. “Power System Analysis”, Mcgraw Hill Inc, 1994.

[15] “Máquina Síncrona” http://pt.wikipedia.org/wiki/Máquina_síncrona acessado ás

20:00 do dia 04 de Novembro de 2010.

[16] Júnior, Carlos Alberto de Oliveira, “Estudo de Proteção e Metodologia de Cálculo –

Subestações de 15kV”, 2006.

ANEXO A DIAGRAMA UNIFILAR DO ALIMENTADOR JMA01M4

JMA01M4

14/1

2/2

010 -

JM

A01M

4

AR

folha: L.2 C.1 folha: L.2 C.2 folha: L.2 C.3 folha: L.2 C.4 folha: L.2 C.5 folha: L.2 C.6

folha: L.1 C.1 folha: L.1 C.2

3m

TT 112,542W1000

174m

FR42W1000

FI52W1311

26m

SX50W1063

TT 112,550W1036SGE1334

142m

1m

42m

108m

CAA 4AWG

29m

TT 15042W1003

TT 4518P0946

4m

TT 112,555P1076

78m

CC

N 2

5M

M2

TT 112,541W0078

TT 7544W0034

16m

FJ44W0034

TT 112,563W0067

9m

FR63W0067

CA

A 1

/0A

WG

27m

CAA 4AWG

5m

CAA 4AWG

1m

CCN 25MM2

22m

TT 7523W0040FH88P1067

1m

23m

CCN 4AWG

TT 150 14m

70m

CA

A 4

AW

G

FR26W0113

52W0076

147m

19m

CAA 4AWG

40m

107m

SR26W0410

57m

TT 112,503W0432 FS03W0375

52m199m

TT 4503W0127

TT 112,519W0039

14m 133m

TT 15003W0342FS03W0358

1m

18m

32m

TT 15072W0248F69724

112m

FR22W0632

71m

33m

TT 15067P1073

FR22W0780

36m 33m

TT 112,581W0039FR23W0152

1m

139m

112m

TT 7522W0455

76m

178m

73m

TT 112,522W0710

151m

192m

FR23W02631m 30m

TT 112,552W0298

TT 15052W0325

1m

FR23W0879

CA

A 4

AW

G

1m

36m

79m

175m

92m

CAA 1/0AWG

FU88I1022

73m

FR23W0153

101m

20m

54m

TT 7523W0206

20m

TT 7588P1087

29m

70m

TT 4523W0382

82m

TT 7536W0118 FR23W0309

48m

1m

1m

77m

FR23W0591TT 7530W0078

45m

96m

TT 7523W0434

65m

FR23W0113

39m

CAA 4AWG

111m

68m

603m

73m

TT 4523W0666

CAA 4AWG

111m

87m

CAA 4AWG

FR23W0967

122m

SR23W0864

67m

TT 7527W0103 FR23W0746

102m

SI52W1664

92m

141m

34m

34m

28m

35m

1m

SR29W0501SI52W1589

6m

155m 56m

1m

CA

A 4

AW

G

1m

CA

A 4

AW

G

FR29W0721FJ55W0170

42m

TT 75 96m

TT 7517W007807W0040

44m

1m

CA

A 4

AW

G

FI52W1549

74m

85m

TT 7522W0084

2m CA

A 1

/0A

WG

CA

A 1

/0A

WG

SR29W0936

CA

A 4

AW

G

28m

86m

63m

3m

CA

A 1

/0A

WG

SR23W0957

187m

5m

CA

A 1

/0A

WG

20m

SR23W1044

200m

TT 4523W1154

134m

1m

CA

A 4

AW

G

FR29W0853

92m

TT 7511W0067

63m

23m

CCN 25MM2

40m

CCN 25MM2

98m

216m

TT 112,523W1250

1m

CAA 4AWG

FR23W1166

114m

35m

CCN 25MM2

TT 7529W0356

191m

TT 4523W1342

TT 7580W0072

72m

47m

CA

A 4

AW

G

68m

154m

32m

CCN 25MM2

FR27W0087

39m

CAA 1/0AWG

250m

1m

CAA 4AWG

19m

1m

CAA 4AWG

R.R29W1413

102m

SR29W145316m18m107m 127m

1m

CC

N 2

5M

M2

FR29W1233

5m

TT 7529W1233

CA

A 4

AW

G

48m 1m

CCN 25MM2

SR15W0097SR22W0923

1m

SR29W1692

29m

41m

39m

74m

6m

CA

A 4

AW

G

74m

TT 15030W0033

1m

CCN 95MM2

23m

CA

A 4

AW

G

TT 112,522W0969

111m

CA

A 1

/0A

WG

23m

SR22W0995

268m

17m

CAA 4AWG

TT 15022W1216

43m

SR27W0424

40m

TT 112,534W0120

FN09W1573TT 112,569W1573

19m

22528W0984

32m

106m

TT 4527W0534

42m 110m

TT 75 TT 112,529W018421W0042

104m

TT 112,527W0249

77m

FR27W036134m

46m

CA

A 4

AW

G

TT 7527W0277

43m

FR27W0565TT 7527W0556

1m

CAA 4AWG

TT 112,528W1783

377m110m

TT 112,595W0283 FR27W0620

43m

1m

CAA 2AWG

55m

176m

TT 7540W0098FR27W0728

110m

FR27W0769

TT 112,550m

38m

39W0135

7561W0014

21m

34m

1m

CCN 25MM2

136m

FR23W1798FI61W001422m

71m

TT 4523W1689

325m

TT 15023W1882

267m

TT 112,523W2152

114m

TT 112,523W1820

60m

209m

TT 7523W2037

44m

5m

77m

SI42W0445

70m

10m

SX44W130535m11m

CCN 95MM2

JM

A01M

4

153m

SX47W2581TT 9047W2476

104m33m

CC

N 2

5M

M2

FD85P1963

48m

11m

7m

TT 7585P1963

152m

27m

194m

75m

SGE0010

4m

252m

TT 4552W1282

TT 4552W1187

TT 112,552W1065

93m 93m43m

CC

N 2

5M

M2

FX47W2476

1m

CC

N 2

5M

M2

FX50W0830

10m

TT 15050W0830

TT 15047W2477

94mCC

N 2

5M

M2

TT 4552W1379

1m

TT 4552W1469

72m67m28m


64m

94m

226m

64m

23m

73m

TT 7525P1022

29m26m 112m62m 17m 42m


26m

10m

TT 22571W1170 SR26W0607

100m

TT 4571W1198

FS71W0004

FS71W1170

22m

TT 7521W1570

FR21W1570

10m

66P111866P1118

TT 7566P1153

CC

N 2

5M

M2

FG66P1153

38m

FG66P1118

FR29W1806

51m

54m

18m

146m

26m

56m

20m

TT 4508O1099

111m

23m

74m

TT 7523W1066

39m

FR21W0726

TT 7555W1264

FS77W1943

134m

28m

TT 15039W0123

157m

FR26W0784

27m

CA

A 4

AW

G

1m

164m

134m

SR26W0811

46m

CAA 4AWG

15m

CC

N 2

5M

M2

TT 7526W0653

124m

81m

27m

CA

A 1

/0A

WG

CC

N 4

AW

G

204m

CA

A 4

AW

G

5m

37m

SR21W1169

8m

86m

23m

TT 112,527W0069

168m

29m

CA

A 1

/0A

WG

SU92W0006

1m

CAA 4AWG

151m

FV29W0134TT 150

103m

30W0532

120m14m

1m

CC

N 2

5M

M2

FR21W1470

21m

CA

A 4

AW

G

FU99W0016

8m

TT 22521W1470

33m

1m

TT 15021W0235SR21W0693

203m

1m

FV21W0146

110m

TT 3021W0146

40m

147m

CAA 4AWG

137m

1m

CA

A 4

AW

G

FR21W0845

17m

TT 22521W0845

84m

CCN 25MM2

25m96m30m

CAA 4AWG

FV33W0068TT 112,533W0166

FV12W0011

TT 7512W0081

114m

TT 7521W0761

CA

A 4

AW

G

219m1m

CAA 4AWG

FR29W2425TT 112,581W0071

17m

CCN 25MM2

23m

56m

97m

31m

75m

31m

TT 7529W2461

77m109m

TT 7529W1096

10m

CCN 25MM2

FR24W0001TT 112,524W0001

121m

CC

N 4

AW

G

FV21W0319TT 7566W2228

TT 7522W2157

422m245m 32m

CCN 4AWG

125m

82m 1m

CCN 25MM2

F69667

TT 112,562W1485

239m

28m

FW66W2259144m

24m

CA

A 4

AW

G

72m

CAA 4AWG

TT 7522P1395

210m

55m

105m

TT 4523P1107

8m

112m

32m

TT 112,563W0109

CC

N 2

5M

M2

1m

FV10W0133

42m

TT 7510W0133

46m

TT 3010W0087

195m

CAA 4AWG

CAA 4AWG

CAA 4AWG

CAA 4AWG

CA

A 4

AW

G

223m

113m

7m

43m

SR21W1661

72m

CC

N 2

5M

M2

1m

TT 15021W1534SR21W1619

55m51m

123m

36m 45m

17m

TT 112,577P0069

21m

82m21m

TT 112,538P0085

TT 7528W1140

25m

TT 7524W0030

153m

129m8m

65m

FR28W07681m

77m

CAA 4AWG

74m 6m

143m

211m

CCN 25MM2

CCN 70MM2

23m

67m

CCN 25MM2

FR28W0984

20m

34m

1m

179m

CC

N 1

/0A

WG

SN61W1247

38m

29m

82m

CA

A 4

AW

G

18m

104m

FN78W1697

15m

82m

TT 7573W0093

42m

TT 3021W1212

1m

CCN 25MM2

67m 19m

FV21W1212

7m

TT 4578W1697

1:5

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