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Universidade Estadual de Campinas Faculdade de ceb5.cepel.br/arquivos/Dissertacoes/  · PDF filegrande número de geradores síncronos que estão sendo conectados nestas redes. Assim,

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  • Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao

    Departamento de Sistemas de Energia Eltrica

    MODELAGEM E ANLISE DINMICA DE SISTEMAS DE

    PROTEO DE REDES DE DISTRIBUIO DE ENERGIA

    ELTRICA NA PRESENA DE GERADORES SNCRONOS

    Autor: Newton Jos de Salles

    Orientador: Prof. Dr. Walmir de Freitas Filho

    Dissertao de Mestrado apresentada Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao da

    Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre

    em Engenharia Eltrica. rea de concentrao: Energia Eltrica.

    Comisso Julgadora:

    Prof. Dr. Walmir de Freitas Filho FEEC/UNICAMP

    Prof. Dr. Mrio Oleskovicz EESC/USP

    Prof. Dr. Fujio Sato FEEC/UNICAMP

    Prof. Dr. Jos Carlos de Melo Vieira Jnior FEEC/UNICAMP

    Campinas, 15 de maro de 2007.

  • FICHA CATALOGRFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA REA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP

    Sa34m

    Salles, Newton Jos de Modelagem e anlise dinmica de sistemas de proteo de redes de distribuio de energia eltrica na presena de geradores sncronos / Newton Jos de Salles. --Campinas, SP: [s.n.], 2007. Orientador: Walmir de Freitas Filho Dissertao (Mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao. 1. Sistemas de energia eltrica - Proteo. 2. Gerao distribuda de energia eltrica. 3. Rels de proteo. 4. Energia eltrica - Distribuio. 5. Mquinas eltricas sncronas. I. Freitas Filho, Walmir. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao. III. Ttulo.

    Ttulo em Ingls: Modeling and dynamic analysis of distribution network protection systems in the presence of synchronous generators

    Palavras-chave em Ingls: Distributed generation, Dynamic analysis, Protection systems, Relay models, Distribution network

    rea de concentrao: Energia Eltrica Titulao: Mestre em Engenharia Eltrica Banca examinadora: Mrio Oleskovicz, Fujio Sato e Jos Carlos de Melo Vieira Jnior Data da defesa: 15/03/2007 Programa de Ps-Graduao: Engenharia Eltrica

  • i

    RESUMO

    A necessidade de desenvolvimento de modelos dinmicos para estudos de sistemas de

    proteo de redes de distribuio de energia eltrica tem sido acentuada, recentemente, devido ao

    grande nmero de geradores sncronos que esto sendo conectados nestas redes. Assim, o

    objetivo desta dissertao de mestrado desenvolver uma biblioteca de modelos dinmicos para

    representar os principais rels empregados em sistemas de proteo de redes de distribuio e

    subtransmisso de energia eltrica na presena de geradores sncronos. Os modelos

    desenvolvidos so adequados para utilizao juntamente com programas de simulao de

    transitrios eletromagnticos de sistemas de potncia (simulao com realimentao - close

    loop), para verificar a influncia do sistema de proteo no desempenho da rede, ou

    independentemente (simulao sem realimentao - open loop), para investigar os algoritmos

    empregados no rel ou para validar os modelos desenvolvidos. A complexidade adotada para

    representar os diversos tipos de rels foi decidida tendo-se em mente que tais modelos devem ser

    precisos o suficiente para desenvolvimento de pesquisas na rea de proteo de sistemas de

    distribuio na presena de geradores sncronos e simples o suficiente para que eles possam ser

    utilizados para ensino da teoria de sistemas de proteo de redes de distribuio em nvel de

    graduao e ps-graduao. Os modelos foram desenvolvidos para uso no ambiente

    Matlab/Simulink. Conseqentemente, estes modelos podem ser utilizados com diversos

    programas de simulao de transitrios eletromagnticos tais como o PSCAD/EMTDC, o

    SimPowerSystems e o ATP.

    Os modelos desenvolvidos foram validados atravs da comparao dos resultados

    obtidos por simulao com o comportamento real de rels comerciais. Adicionalmente, tal

    validao dos modelos foi realizada atravs de duas metodologias. Na primeira metodologia,

    dados obtidos em campo atravs de oscilografias de rels foram utilizados como entrada para os

    modelos desenvolvidos. Ento, o comportamento do rel comercial foi comparado com o

    comportamento do modelo simulado. Na segunda metodologia, os dados de tenso e corrente

    foram gerados atravs de simulaes de transitrios eletromagnticos utilizando-se o ATP. Ento,

    tais dados foram utilizados para verificar o comportamento de um rel comercial, atravs do uso

    de caixa de teste, e do rel simulado. Os resultados comprovam que os modelos desenvolvidos

    so suficientemente precisos para determinar o comportamento de rels comerciais operando em

    campo.

  • ii

    ABSTRACT

    Recently, the need for the development of protection device dynamic models for

    analysis of distribution network protection systems has increased due to the usage of distributed

    generators. Therefore, the objective of this dissertation is to develop a dynamic model library to

    represent the main relays used in the subtransmission and distribution network protection systems

    in the presence of synchronous generators. The developed models can be used with transient

    electromagnetic programs (close loop), in order to analyze the influence of the protection system

    on the network performance, or individually (open loop), in order to investigate new algorithms

    as well as to validate the models. The developed models are sufficiently detailed to conduct

    researches on distribution network protection in the presence of distributed generators, however,

    in the same time, they are simple enough to be used to teach undergraduate and graduate

    students. The models were developed to use with Matlab/Simulink. As a result, they can be used

    with several electromagnetic transient programs such as PSCAD/EMTDC, SimPowerSystems,

    and ATP.

    The developed models were validated by comparing the results obtained through

    simulation with the performance of real, commercial relays. Moreover, two approaches were used

    to validate the models. In the first one, field data obtained from relay oscillograms were used as

    an input to the developed models. Then, the commercial relay behavior was compared with

    simulated relay. In the second approach, voltage and current signals were generated by using the

    ATP. Then, these signals were used to verify the behavior of the commercial relays, through an

    amplifier, and of the developed model. The results show that the developed models are accurate

    enough to determine the behavior of commercial relays.

  • iii

    AGRADECIMENTOS

    Ao meu orientador Walmir e ao professor Luiz Carlos, pelo imensurvel apoio, ateno,

    orientao e pacincia empenhados na construo desta dissertao.

    Aos professores da FEEC, que contriburam para minha formao acadmica atravs das

    disciplinas ministradas na ps-graduao.

    Regina, minha esposa, pela pacincia e incentivo nos momentos de dificuldades.

    s minhas filhas Elisngela e Fernanda.

    Aos meus pais, que sempre serviram de exemplo de trabalho e dedicao.

  • iv

    SUMRIO

    LISTA DE FIGURAS .................................................................................................................. viii

    LISTA DE TABELAS ...................................................................................................................xv

    LISTA DE ABREVIATURAS .....................................................................................................xvi

    LISTA DE NOMENCLATURA ANSI .......................................................................................xvii

    1. INTRODUO .......................................................................................................................1

    1.1. Justificativas e Objetivos..................................................................................................3

    1.2. Organizao da Dissertao .............................................................................................5

    2. PROTEO DE REDES DE DISTRIBUIO DE ENERGIA ELTRICA........................7

    2.1. Dispositivos de Proteo ..................................................................................................8

    2.1.1. Elos fusveis .............................................................................................................8

    2.1.2. Religadores automticos ........................................................................................10

    2.1.3. Seccionadores automticos ....................................................................................13

    2.1.4. Rels de sobrecorrente ...........................................................................................14

    2.2. Coordenao e Seletividade dos Dispositivos de Proteo............................................18

    2.2.1. Seletividade entre elos fusveis ..............................................................................19

    2.2.2. Coordenao entre religador e elo fusvel..............................................................20

    2.2.3. Coordenao entre religador e seccionador ...........................................................22

    2.2.4. Coordenao entre rel de sobrecorrente e religador .............................................23

    2.2.5. Comentrios Adicionais .........................................................................................26

    3. PROTEO DE REDES DE DISTRIBUIO NA PRESENA DE GERADORES

    DISTRIBUDOS .............................................