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MEDIDASPARAREDUÇÃODENÍVEISDECURTO 2.3 Cálculo de correntes de curto-circuito 2.3.1 Componentessimétricas Em 1918, C.L. Fortescue desenvolveu o método das componentes simétricas

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  • MEDIDAS PARA REDUÇÃO DE NÍVEIS DE CURTO-CIRCUITO: ESTUDO DE CASO DA ÁREA RIO

    Pedro Guimarães Trindade

    Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.

    Orientadoras: Tatiana Mariano Lessa de Assis Marianna Nogueira Bacelar

    Rio de Janeiro Fevereiro de 2019

  • MEDIDAS PARA REDUÇÃO DE NÍVEIS DE CURTO-CIRCUITO: ESTUDO DE CASO DA ÁREA RIO

    Pedro Guimarães Trindade

    PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

    Examinado por:

    Prof. Tatiana Mariano Lessa de Assis, D.Sc.

    Marianna Nogueira Bacelar, M.Sc.

    Prof. Robson Francisco da Silva Dias, D.Sc.

    RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL FEVEREIRO DE 2019

  • Guimarães Trindade, Pedro Medidas para redução de níveis de curto-circuito: estudo

    de caso da área Rio /Pedro Guimarães Trindade. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2019.

    XIII, 66 p.: il.; 29, 7cm. Orientadoras: Tatiana Mariano Lessa de Assis

    Marianna Nogueira Bacelar Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/

    Curso de Engenharia Elétrica, 2019. Referências Bibliográficas: p. 64 – 66. 1. Dispositivo limitadores de curto-circuito. 2.

    Superação de disjuntores. 3. Área Rio. I. Lessa de Assis, Tatiana Mariano et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica. III. Título.

    iii

  • Agradecimentos

    Primeiramente, agradeço aos meus pais, Antônio e Aparecida, por sempre me apoi- arem e incentivarem ao longo da minha vida. Também agradeço à minha irmã, Gabriela, por sempre estar torcendo por mim.

    À minha namorada, Laís, por todo apoio desde antes do início da faculdade e pela compreensão quando a prioridade foi a realização deste trabalho.

    Aos amigos da UFRJ, Douglas de Luna, Gabriel dos Santos, Felipe Farage, João Pedro Costa, Larissa Verlaine, Maisa Kashima, Maria de Fátima e Robson Elias. Por toda ajuda durante a graduação e pelos momentos de descontração fora da faculdade.

    Às minhas orientadoras Tatiana e Marianna, pela orientação. A todos os professores da UFRJ pelos ensinamentos passados durante a gradu-

    ação e em especial aos professores do DEE, que serviram de motivação para seguir a carreira de engenheiro eletricista.

    Ao ONS, em especial aos colegas da GET-II e EGP, por todo conhecimento adquirido nestes dois anos de estágio. À minha supervisora Marianna Bacelar, por sempre estar disposta a sanar minhas dúvidas e por propor o tema deste trabalho.

    À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoas de Nível Superior (CAPES) pela oportunidade de realizar meu intercâmbio por meio do programa ciências sem fron- teiras.

    iv

  • Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.

    MEDIDAS PARA REDUÇÃO DE NÍVEIS DE CURTO-CIRCUITO: ESTUDO DE CASO DA ÁREA RIO

    Pedro Guimarães Trindade

    Fevereiro/2019

    Orientadoras: Tatiana Mariano Lessa de Assis Marianna Nogueira Bacelar

    Curso: Engenharia Elétrica

    Este trabalho apresenta estudos de curto-circuito com o objetivo de identificar e propôr soluções para o problema de superação de disjuntores nas subestações da área do Rio de Janeiro. É descrita a metodologia utilizada pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico e pelos agentes de transmissão, geração e distribuição do Sistema Elétrico Brasileiro nas análises de superação de disjuntores por corrente de curto- circuito simétrica. Além disso, apresentam-se medidas para reduzir níveis de curto- circuito, que são aplicadas em um caso real do Sistema Elétrico Brasileiro com o objetivo de avaliar sua eficácia. Por fim, é feita uma proposta de aplicação de diversas medidas mitigadoras para solucionar o problema de elevados níveis de curto- circuito e a própria superação de disjuntores.

    v

  • Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.

    METHODS TO REDUCE SHORT-CIRCUIT LEVELS: CASE STUDY OF RIO AREA

    Pedro Guimarães Trindade

    February/2019

    Advisors: Tatiana Mariano Lessa de Assis Marianna Nogueira Bacelar

    Course: Electrical Engineering

    This work shows a short-circuit study with the purpose of identifying and sug- gesting solutions to the problem of overstress of circuit breakers and describes the methodology used by The Brazilian National Power Grid Operator (ONS) and by the transmission, generation and distribution utilities of the Brazilian Electrical System in the overstress’ analysis caused by symmetrical short-circuit current. Moreover, it presents ways to reduce levels of short-circuit that are applied in a real case of the Brazilian Electrical System which aims to evaluate its efficiency. Finally, it’s made a suggestion of applying various mitigating measuares to solve the high short-circuit level problem.

    vi

  • Sumário

    Lista de Figuras ix

    Lista de Tabelas xi

    Lista de Abreviaturas xii

    1 Introdução 1 1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Organização do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    2 Curto-Circuito 3 2.1 Importância dos estudos de curto-circuito . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 Correntes de curto-circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.3 Cálculo de correntes de curto-circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.3.1 Componentes simétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.3.2 Representação do sistema elétrico em componentes simétricas 9 2.3.3 Curto-circuito trifásico-terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.4 Curto-circuito monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3.5 Curto-circuito bifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.6 Curto-circuito bifásico-terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.7 Cálculo computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    3 Superação de Disjuntores 21 3.1 Superação por corrente de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Superação por corrente de curto-circuito simétrica . . . . . . . . . . . 24

    4 Medidas Mitigadoras para Redução de Níveis de Curto-Circuito 28 4.1 Medidas Sistêmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

    4.1.1 Restrições Operativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.1.2 Alterações na rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    4.2 Recapacitação de instalações e substituição de equipamentos superados 32

    vii

  • 4.3 Dispositivos limitadores de curto-circuito (DLCCs) . . . . . . . . . . 33 4.3.1 Reatores limitadores de curto-circuito (RLCCs) . . . . . . . . 34 4.3.2 Dispositivos Pirotécnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    4.4 Medidas não usuais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.4.1 Elos de corrente contínua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.4.2 TCSC - Capacitor série controlado por tiristor . . . . . . . . . 42 4.4.3 Disjuntores eletrônicos de abertura rápida . . . . . . . . . . . 43

    5 Caso de Estudo 44 5.1 Descrição do caso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.2 Simulações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

    5.2.1 Reatores Limitadores nas linhas de 500 kV . . . . . . . . . . . 49 5.2.2 Reatores Limitadores nas linhas de 138 kV . . . . . . . . . . . 50 5.2.3 By-pass da SE Eletrobolt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.2.4 Seccionamento do barramento de São José 500 kV . . . . . . . 53 5.2.5 Seccionamento do barramento da SE Eletrobolt 138 kV . . . . 55 5.2.6 Seccionamento do barramento da SE Nova Iguaçu 138 kV . . . 56 5.2.7 Alteração dos subsistemas da Light . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.2.8 Separação do sistema da Light em três subsistemas . . . . . . 58 5.2.9 Proposta final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

    6 Conclusões 63

    Referências Bibliográficas 64

    viii

  • Lista de Figuras

    2.1 Circuito equivalente de um curto-circuito. . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Corrente curto-circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 Diagrama fasorial de sequência zero, positiva e negativa. . . . . . . . 7 2.4 Gerador trifásico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.5 Diagrama de sequências de um gerador síncrono trifásico. . . . . . . . 9 2.6 Linha de transmissão trifásica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.7 Diagrama de sequência de uma linha trifásica idealmente transposta. 10 2.8 Linhas de transmissão paralelas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.9 Circuito equivalente para linhas de transmissão com acoplamento mú-

    tuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.10 Circuito equivalente de sequência positiva de transformadores de dois

    enrolamentos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.