UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE SISTEMAS ...saturno.unifei.edu.br/bim/201800172.pdf · 73 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Elétrica). Instituto

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA

Metodologias para a Detecção de Faltas de Alta Impedância em Redes de

Distribuição

Francinei Lucas Vieira

Itajubá

2017

UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA

Francinei Lucas Vieira

Metodologias para a Detecção de Faltas de Alta Impedância em Redes de

Distribuição

Monografia apresentada ao Instituto de

Sistemas Elétricos e Energia, da Universidade

Federal de Itajubá, como parte dos requisitos

para obtenção do título de Engenheiro

Eletricista.

Orientador: José Maria de Carvalho Filho

Itajubá

2017


iii

Agradecimentos

Aos meus pais, Francisco e Joana, pelo grande esforço concedido à educação dos filhos,

pelo apoio incondicional e paciência nos momentos que eu mais precisei.

Ao professor José Maria de Carvalho Filho, pela pronta orientação e dedicação a este

trabalho. Aos professores membros da banca, Paulo Márcio da Silveira e Frederico de Oliveira

Passos, pelas sugestões e conhecimentos transmitidos.

Aos amigos e colegas do QMAP – Centro de Estudos em Qualidade da Energia e Proteção

Elétrica – pela boa convivência e por terem proporcionado um ambiente fértil e agradável de

desenvolvimento. Em especial, ao Marino Piazza Leite, pela prontidão em auxiliar na

modelagem digital do caso-teste deste trabalho.

A todos que, de uma forma ou de outra, colaboraram na execução desta dissertação.


iv

Não tente ser uma pessoa de sucesso. Tente ser uma pessoa de valor.

– Albert Einstein


v

Resumo

VIEIRA, Francinei Lucas. Metodologias para a Detecção de Faltas de Alta Impedância em

Redes de Distribuição. 73 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia

Elétrica). Instituto de Sistemas Elétricos e Energia, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá,

Minas Gerais. 2017.

O sistema elétrico de distribuição está sujeito a ocorrência de faltas, a maioria delas devido à

sua topologia normalmente aérea. Dentre essas faltas, ressalta-se as faltas de alta impedância,

que apresentam grande dificuldade de identificação devido às suas características de baixa

magnitude de corrente. Com o avanço das redes inteligentes e da automação da distribuição,

associada a infraestrutura de comunicação com religadores e medidores ao longo da rede,

permitem a detecção de distúrbios antes não perceptíveis nas subestações de distribuição. Este

trabalho estuda métodos de detecção de faltas de alta impedância a partir de medidores

instalados em pontos estratégicos do alimentador de distribuição e de unidades consumidoras,

utilizando abordagens clássicas como desequilíbrio de tensão e corrente. As metodologias

foram avaliadas através de simulações no MATLAB e Simulink, com foco na detecção de faltas

de alta impedância série. Pelo desequilíbrio de tensão foi possível identificar rompimentos e

quedas de condutores, tanto caídos pelo lado da carga como pelo lado da fonte, além da falta

shunt sólida. Já com o desequilíbrio de corrente foi possível detectar faltas shunt sólidas ou de

baixa impedância, porém é um método pouco sensível à resistência de falta elevada. Se

comprovada a viabilidade técnica e econômica, estes métodos poderão auxiliar nos

procedimentos de restabelecimento das condições normais de operação das redes de

distribuição.

Palavras chave: desequilíbrio de tensão e corrente, detecção de faltas, faltas de alta

impedância, sistemas de distribuição de energia.


vi

Abstract

The electrical distribution system is subject to the occurrence of faults, most of them due to its

normally aerial topology. Among these faults, the high impedance faults are highlighted, which

present great difficulty of identification due to their characteristics of low current magnitude.

The advance of smart grids and distribution automation, coupled with the communications

infrastructure with reclosers and meters along the network, enable detection of previously

unnoticeable disturbances in distribution substations. This work studies detection methods of

high impedance faults from smart meters placed in strategic points on the feeder and consumer

units, using classical approaches such as voltage and current unbalance. The methodologies

were evaluated through simulations in MATLAB and Simulink, focusing on the detection of

high impedance series faults. By voltage unbalance, it was possible to identify broken

conductors and falls to the ground, both by the load side or by the source side, as well as the

solid shunt fault. With current imbalance, it was possible to detect solid or low impedance shunt

faults, but it is a method that has low sensitivity to high fault impedance. Once technical and

economic feasibility is proven, these methods can assist energy distribution utilities in restoring

the normal operating conditions of distribution networks.

Key words: fault detection, high impedance faults, power distribution systems, voltage and

current unbalance.


vii

Sumário

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 12

1.1 Considerações Iniciais ............................................................................................. 12

1.2 Objetivos ................................................................................................................... 14

1.3 Apresentação do trabalho ....................................................................................... 15

2 REVISÃO DA LITERATURA ..................................................................................... 18

2.1 Principais Características de uma FAI .................................................................. 18

2.2 Classificação das Faltas de Alta Impedância ........................................................ 20

2.2.1 Faltas ativas série ................................................................................................ 20

2.2.2 Faltas ativas shunt ............................................................................................... 21

2.2.3 Faltas passivas .................................................................................................... 21

2.3 FAI no Contexto de Redes Inteligentes .................................................................. 22

2.4 Métodos de Detecção de Faltas de Alta Impedância (FAI) .................................. 23

2.4.1 Fabricante Asea Brown Boveri (ABB) ............................................................... 23

2.4.2 Fabricante General Electric (GE) ....................................................................... 23

2.4.3 Fabricante Schweitzer Engineering Laboratories (SEL) .................................... 24

2.4.4 Transformada Wavelet ....................................................................................... 25

2.4.5 Detecção por Monitoramento de Amplitude e Ângulo de Fase da Corrente de 3º

Harmônico ........................................................................................................................ 25

2.4.6 Análise de Carga ................................................................................................. 26

2.4.7 Detecção por Monitoramento de Tensão ............................................................ 26

2.5 Problemas Operacionais dos Métodos de Detecção de Faltas de Alta

Impedância .............................................................................................................................. 30

2.6 Abrangência dos Métodos de Detecção .................................................................. 32

3 MODELAGEM TEÓRICA ........................................................................................... 35


3.2 Análise de Desequilíbrio de Tensão ........................................................................ 35

3.3 Análise do Desequilíbrio de Corrente .................................................................... 37

3.4 Metodologia Proposta para Identificação de Falta de Alta Impedância ............ 39

3.5 Considerações Finais ............................................................................................... 43


viii

4 ESTUDOS DE CASO ..................................................................................................... 44


4.2 Sistema Utilizado ...................................................................................................... 44

4.3 Casos Simulados ....................................................................................................... 46

4.3.1 Caso 1 – Sistema operando em condições normais ............................................ 47

4.3.2 Caso 2 – Um condutor rompido em 4-7, sem contato com o solo ..................... 48

4.3.3 Caso 3 - Um condutor rompido no trecho 2-3 .................................................... 49

4.3.4 Caso 4 – Condutor rompido no trecho 4-5 ......................................................... 51

4.3.5 Caso 5 – Rompimento de condutor no trecho 2-6 .............................................. 54

4.3.6 Caso 6 – Dois condutores rompidos no trecho 4-7 ............................................. 58

4.3.7 Caso 7 - Dois condutores rompidos no trecho 7-TR05 ...................................... 59

4.3.8 Caso 8 - Dois condutores rompidos no trecho 3-4 ............................................. 60

4.3.9 Caso 9 – Falta shunt ........................................................................................... 62

5 CONCLUSÕES ............................................................................................................... 64

5.1 Síntese do Trabalho ................................................................................................. 64

5.2 Propostas para Trabalhos Futuros ........................................................................ 66

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 67

APÊNDICE A – Modelagem do Alimentador no Simulink ................................................ 70

APÊNDICE B – Interface de Leitura e Exibição de Dados no Microsoft Excel ............... 72


ix

Lista de Figuras

Figura 1 – Espaçador losangular aplicado em rede compacta .................................................. 13

Figura 2 – Principais características na corrente de uma FAI .................................................. 19

Figura 3 – Influência da classe de tensão na corrente de falta com arco .................................. 21

Figura 4 – Exemplo da disposição dos sensores (Δ) na rede ................................................... 27

Figura 5 – Tipos de faltas de alta impedância .......................................................................... 32

Figura 6 – Campo de detecção de FAIs com um único método ............................................... 34

Figura 7 – Campo de detecção de FAIs com três métodos de detecção integrados ................. 34

Figura 8 – Exemplo de falta shunt ............................................................................................ 38

Figura 9 – Fluxograma de localização de FAI ......................................................................... 41

Figura 10 – Diagrama de blocos da estrutura do algoritmo proposto ...................................... 42

Figura 11 – Desenho esquemático do alimentador-teste de distribuição ................................. 45

Figura 12 – Diagrama de localização de falta no trecho 4-7 .................................................... 49




Figura 16 – Diagrama de localização de falta de 2 condutores no trecho 4-7 .......................... 58

Figura 17 – Diagrama de localização de falta 7-TR05 e TR03 desligado ................................ 60

Figura 18 – Diagrama de localização de falta de 2 condutores no trecho 3-4 .......................... 61

Figura 19 – Topologia do caso-teste no Simulink .................................................................... 70

Figura 20 – Representação de carga, transformador e suas medições...................................... 71

Figura 21 – Parâmetros do transformador ................................................................................ 71

Figura 22 – Modelo de abertura série da linha ......................................................................... 71

Figura 23 – Leitura de corrente na subestação ......................................................................... 71

Figura 24a – Planilha Excel de parâmetros e resultados .......................................................... 72

Figura 24b – Planilha Excel de parâmetros dos condutores e instruções gerais ...................... 73


x

Lista de Tabelas

Tabela 1 – Comparação entre a rede atual e redes inteligentes ................................................ 22

Tabela 2 – Local das faltas de acordo com a atuação dos sensores .......................................... 28

Tabela 3 – Aplicação dos métodos de detecção de FAI ........................................................... 33

Tabela 4 – Casos e subcasos de faltas simuladas ..................................................................... 46

Tabela 5 – Cálculos para o caso 1A ......................................................................................... 47

Tabela 6 – Cálculos para o caso 1B .......................................................................................... 48

Tabela 7 – Cálculos para o caso 2 ............................................................................................ 48

Tabela 8 – Cálculos para o caso 3 ............................................................................................ 50

Tabela 9 – Cálculos para o caso 4A ......................................................................................... 51

Tabela 10 – Cálculos para o caso 4B ........................................................................................ 52

Tabela 11 – Cálculos para o caso 4C ........................................................................................ 52

Tabela 12 – Cálculos para o caso 4D ....................................................................................... 53

Tabela 13 – Cálculos para o caso 4E ........................................................................................ 53

Tabela 14 – Cálculos para o caso 5A ....................................................................................... 55



Tabela 17 – Cálculos para o caso 5D ....................................................................................... 56

Tabela 18 – Cálculos para o caso 5E ........................................................................................ 57

Tabela 19 – Cálculos para o caso 6 .......................................................................................... 58



Tabela 22 – Cálculos para o caso 9A ....................................................................................... 62



Tabela 25 – Eficácia dos métodos na localização dos trechos sob falta................................... 65


xi

Lista de Abreviaturas e Siglas

ABB Asea Brown Boveri

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica

ATP Alternative Transients Program

ATP Draw Interface gráfica pré-processada do ATP

CIGRÉ Conselho Internacional de Grandes Sistemas Elétricos, sede em Paris

DEC Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora

DIC Duração de Interrupção Individual por Unidade Consumidora

DMIC Duração Máxima de Interrupção Contínua por Unidade Consumidora

DNP3 Distributed Network Protocol version 3.0

EPE Empresa de Pesquisa Energética

FAI Falta de Alta Impedância

FEC Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora

FIC Frequência de Interrupção Individual por Unidade Consumidora

GPRS General Packet Radio Services

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

ISEE Instituto de Sistemas Elétricos e Energia

MATLAB MATrix, LABoratory, software de computação numérica da MathWorks

PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

SEL Schweitzer Engineering Laboratories

SIN Sistema Interligado Nacional

TFG Trabalho Final de Graduação

UNIFEI Universidade Federal de Itajubá

USP Universidade de São Paulo


12

1 INTRODUÇÃO

1.1 Considerações Iniciais

Em todo o mundo, a expansão dos sistemas elétricos de potência tem sido verificada e

vinculada, principalmente, ao aumento da atividade produtiva. Essa expansão traz novos

desafios para a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, principalmente quando

se trata da continuidade de serviço e da capacidade de atendimento à demanda de energia. E o

crescimento da demanda deve continuar, pois no período entre 2017 e 2021 estima-se que o

consumo no SIN crescerá à taxa média de 3,5% anuais [1].

No Brasil, há uma constante cobrança em relação aos fabricantes de equipamentos,

empresas de transmissão e distribuição de eletricidade para adotar soluções com o objetivo de

minimizar a frequência e duração de interrupções, assim como reduzir os custos devido às faltas

no sistema. São exigências que vêm tanto por parte de consumidores como pela Agência

Nacional de Energia Elétrica – ANEEL.

A ANEEL vem constantemente revisando os Procedimentos de Distribuição de Energia

Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST [2]. Neste documento, há a definição de

indicadores de continuidade para grupos de consumidores, como o FEC, DEC, FIC, DIC e o

DMIC. E a partir desses indicadores que são mensurados vários aspectos da qualidade do

serviço prestado pela concessionária, os quais, quando não cumpridos, são passíveis de multas

ou descontos nas faturas dos clientes (ressarcimento ao consumidor). Nesse contexto, se faz

necessário o desenvolvimento de técnicas cada vez mais velozes e confiáveis para o diagnóstico

de faltas em alimentadores responsáveis pela distribuição elétrica.

As linhas de distribuição podem ser aéreas, sendo de uso mais comum, devido à fatores

econômicos. E podem também ser linhas subterrâneas, normalmente usadas nos grandes centros

urbanos, por questões estéticas, de segurança e de confiabilidade na continuidade do

fornecimento, porém possuem custo ainda elevado.

Uma prática que está acontecendo cada vez mais é a migração do sistema de distribuição

em rede aérea convencional para o sistema em rede compacta, pois o sistema convencional fica

mais exposto às intempéries (vento, descargas atmosféricas, umidade, salinidade em regiões

litorâneas, arborização, etc.), apresentando maiores taxas de falhas na distribuição [3].


13

Observando a Figura 1, uma rede compacta é formada por condutores com proteção de

material polimérico, espaçadores em formato de losango, entre outros equipamentos. Por serem

condutores encapados, não há corrente de fuga quando ocorre contato com materiais aterrados

ou objetos estranhos (galhos, animais, pipas, etc). Porém, o custo de instalação é mais elevado

se comparado a uma rede convencional, com cabos nus. No entanto, o custo de manutenção é

bem menor.

Figura 1 – Espaçador losangular aplicado em rede compacta

Contudo, apesar dos constantes investimentos realizados no sistema elétrico, a rede de

distribuição está passível a alguns tipos de falta de difícil detecção, devido a sua topologia

normalmente aérea. Dentre essas faltas, a falta de alta impedância é um tipo específico que

apresenta certa dificuldade para ser detectada, uma vez que é comum os dispositivos de

proteção por sobrecorrente tradicionalmente utilizados – fusíveis, religadores e relés de

sobrecorrente – não detectarem nenhuma anormalidade [4], pois, ao contrário da falta franca,

que drena uma corrente considerável do sistema, a corrente de uma falta de alta impedância se

confunde com aquela correspondente ao funcionamento normal do sistema.

Uma falta de alta impedância ocorre quando um condutor energizado entra em contato

com uma superfície de valor resistivo considerável, podendo-se citar galhos de árvores,

estruturas civis, asfalto, solo, dentre outros. Com a dificuldade de ter o contato efetivo com o

terra, a corrente de falta fica limitada a valores inferiores àqueles normalmente detectáveis pela

proteção de sobrecorrente.


14

Usualmente a falta de alta impedância não causa danos nos equipamentos do sistema de

distribuição, mas a sua não detecção representa uma séria ameaça à pessoas e animais, além da

possibilidade do arco elétrico provocar combustão de certos materiais e, consequentemente,

incêndios. Uma demora na detecção e localização deste tipo de falta na rede deixam, de um

lado, consumidores expostos a riscos e insatisfeitos. Por outro lado, as multas às concessionárias

podem ser bastante elevadas.

Diferentes métodos foram propostos ao longo dos anos para identificar a ocorrência de

faltas de alta impedância em sistemas de distribuição. Esses métodos variam desde simples relés

de sobrecorrente até sofisticados esquemas de proteção, incluindo relés digitais micro

processados com algoritmos utilizando inteligência artificial. No entanto, os modelos até aqui

desenvolvidos representam casos particulares de faltas de alta impedância, ou seja, não

representam o fenômeno em sua totalidade [5].

Com a modernização das tecnologias de geração, transmissão, distribuição e uso final

da energia elétrica, novas possibilidades podem ser traçadas. Uma rede de eletricidade poderia

utilizar tecnologia digital para monitorar e gerenciar o fluxo de eletricidade, de forma a otimizar

a utilização e operação do sistema, mantendo aspectos de confiabilidade, resiliência e

estabilidade. Essa é uma boa definição das redes elétricas inteligentes, ou smart grids. É uma

modernização que já acontece, porém de forma lenta e gradual, com redes mais inteligentes

funcionando concomitantemente com redes convencionais de eletricidade.

1.2 Objetivos

O trabalho proposto nesta monografia tem como objetivo a pesquisa e documentação

das diversas metodologias e técnicas de detecção de faltas de alta impedância em sistemas de

distribuição, assim como avaliar as principais vantagens e desvantagens de utilização de alguns

destes métodos.

A modelagem de um alimentador de distribuição será realizada para comprovar o

desempenho de algumas metodologias, diante da simulação de diversos modos de ocorrência

de faltas de alta impedância. Este modelo servirá como teste de efetividade do algoritmo de

detecção de faltas de alta impedância em redes de distribuição, assim como para a localização


15

das mesmas. Mais detalhes sobre a simulação do sistema pelo Simulink e Excel podem ser

encontrados nos Apêndices A e B.

Também será considerado o emprego de componentes de fase para a medição dos

desequilíbrios de tensão, por meio de uma formulação proposta pelo CIGRÉ. O procedimento

será comparado com o usual cálculo feito utilizando componentes simétricas.

Como benefícios da aplicação de tais técnicas pode-se constatar o aumento da eficiência

de equipes de manutenção para a extinção de faltas no sistema, uma vez que o diagnóstico

indicará com maior precisão o provável local de ocorrência da falta. A identificação e

localização de faltas de maneira rápida e confiável podem ter como resultados a melhora dos

índices de qualidade e confiabilidade dos serviços das concessionárias de distribuição de

energia elétrica.

Configurar e descrever sistemas de distribuição para simulação é um trabalho que

dispende um tempo considerável, dada a complexidade dos sistemas e suas ramificações e

diferentes tipos de cargas. Visando facilitar o estudo de faltas de alta impedância, este trabalho

propõe a utilização do algoritmo no ambiente MATLAB / Simulink, com disposição e exibição

dos resultados em planilhas eletrônicas do Microsoft Excel, com o objetivo de reunir as

informações do sistema em uma interface amigável e de fácil compreensão.

1.3 Apresentação do trabalho

O presente trabalho consiste em uma revisão bibliográfica dos principais métodos

existentes, através de uma pesquisa sobre o estado da arte sobre as metodologias de detecção

de faltas de alta impedância através de leitura de artigos, dissertações e teses encontradas em

diversas bases de pesquisa nacionais e internacionais, como o IEEE, Elsevier, Scielo, biblioteca

de teses e dissertações da USP, dentre outros.

Em adição, simulações de falta em um alimentador típico serão realizadas utilizando as

seguintes metodologias:

• A medição de tensão ao longo do alimentador, como em pontos de conexão com

unidades consumidoras, que vem se tornando economicamente viável com o avanço da

tecnologia de medidores, da automação de redes e das smart grids. Serão abordados


16

aspectos de desequilíbrio de tensão para a detecção de faltas série, ou seja, rompimento

de condutores, podendo ter condutores tocando o solo pelo lado carga ou lado fonte de

um alimentador radial.

• A medição da corrente de falta 3.I0 quando há a ocorrência de faltas shunt,

especialmente na rede de distribuição em média tensão.

As metodologias serão testadas com a finalidade tanto para a detecção de faltas de

impedância série, quanto para análise de faltas shunt.

A organização dos capítulos desta monografia contempla:

O capítulo 1, que é uma introdução sobre o tema, apresenta a motivação, a relevância e

uma revisão sobre o tema da monografia. Os objetivos da monografia e uma breve descrição da

metodologia também são apresentados.

O capítulo 2 aborda o estado da arte sobre faltas de alta impedância disponíveis na

literatura especializada, suas características, os métodos de detecção mais utilizados, os

principais problemas operacionais, com relação à detecção e localização das faltas no sistema

de distribuição. Além disso, tratará da abrangência e confiabilidade dos métodos de detecção

utilizados para modelagem deste tipo de falta e das oportunidades que surgem com a utilização

de medidores trifásicos inteligentes com capacidade de processamento de sinais.

No capítulo 3, seguindo a evolução dos estudos feitos sobre falta de alta impedância,

retrata a modelagem teórica dos métodos de detecção por desequilíbrio de tensão de sequência

zero (V0) e sequência negativa (V2) nos lados de baixa e média tensão de transformadores de

distribuição. Conhecendo-se a topologia da rede do alimentador, o algoritmo de detecção

proposto avalia os níveis de desequilíbrio de tensão em transformadores instalados a jusante

para detectar o provável ponto de falta. Também, é tratado sobre o método de análise pela

medição da corrente de falta de sequência zero (3.I0), no bay de saída da subestação.

No capítulo 4 é feita uma abordagem pelos estudos de caso e análise experimental dos

métodos aplicados em um alimentador típico de distribuição. O caso teste será modelado no

programa MATLAB / Simulink, com entrada de parâmetros e saída de dados a partir de

planilhas Microsoft Excel. Detalhes sobre a simulação e parâmetros utilizados são apresentados

nos apêndices A e B.


17

No capítulo 5 são discutidos e concluídos os resultados da análise, se os métodos

cumprem o papel efetivo na detecção de faltas de alta impedância, e se não atuam para outros

distúrbios, como por exemplo, devido ao desequilíbrio natural que pode ocorrer em sistemas de

distribuição. Além disso, há a sugestão de novos trabalhos e futuras melhorias que podem ser

desenvolvidas tanto na modelagem quanto na apresentação dos resultados.

As referências utilizadas nesta monografia são disponibilizadas na sequência do último

capítulo, assim como os apêndices.


18

2 REVISÃO DA LITERATURA

2.1 Principais Características de uma FAI

A principal característica de uma FAI é a baixa amplitude da corrente de

falta, que é normalmente da mesma ordem de grandeza da corrente

provocada por outros fenômenos, tais como energização de cargas e

chaveamento de banco de capacitores, o que dificulta os ajustes do

sistema de proteção por sobrecorrente. (SANTOS, 2016, p.8).

Faltas de alta impedância são classificadas em um grupo de distúrbios no sistema de

potência que não provoca fluxo de corrente suficiente para atuação de componentes de proteção

tradicionais. No contexto de FAI, arcos elétricos possuem impedância de falta

predominantemente resistiva, enquanto em outros fenômenos, como em arcos no interior de

disjuntores, possuem uma forte característica indutiva. Outro fato importante, trata das

superfícies de contato, pois não são superfícies homogêneas e possuem camadas de diferentes

resistividades. São considerações que afetam diretamente a característica não-linear da falta.

Quando o valor de tensão reduz, considerando sua forma senoidal, a resistência

vinculada ao dielétrico com a superfície de contato aumenta, reduzindo o valor de corrente e

gerando descontinuidades próximo a passagem pelo zero, distorcendo a forma de onda [5]. Há

também comportamentos relacionados com a porosidade e a umidade (assimetria), a

acomodação do condutor no solo (buildup), reignição de arco elétrico em função da variação

de umidade do solo (intermitência).

Em resumo, as características típicas encontradas em correntes de FAI são aquelas

exibidas na Figura 2.

• Assimetria na forma de onda da corrente: diferenças de amplitude entre semiciclo

positivo e negativo. Há relações com a umidade e material do solo, formando uma

“mancha catódica” que emite elétrons quando aquecida, favorecendo o rompimento do

dielétrico durante uma tensão positiva [6];

• Não-linearidade: a curva característica da tensão em função da corrente é não-linear.

Este comportamento está relacionado ao arco elétrico e depende das características de

resistividade do solo, ionização de moléculas do ar e do campo elétrico;

• Buildup: a corrente cresce gradualmente até seu valor máximo. Está relacionado à

acomodação física do condutor no solo, durante o estágio inicial da FAI;


19

• Shoulder: intervalos constantes no buildup durante alguns ciclos;

• Intermitência do arco: alguns ciclos que o condutor energizado interrompe o contato

com o solo. A superfície ao redor do arco perde umidade, forçando-o à extinção. A

umidade de outra área pode difundir-se, provocando a reignição do arco.

Figura 2 - Principais características na corrente de uma FAI [4]

As características são funções de condições geométricas, espaciais, ambientais e

elétricas do sistema [4]. Como consequência, a variação destas condições provoca a

aleatoriedade das grandezas elétricas durante a falta, sendo necessário uma boa compreensão

do fenômeno para poder desenvolver soluções de detecção de FAI.


20

2.2 Classificação das Faltas de Alta Impedância

As FAIs podem ser classificadas em dois grupos: faltas ativas e faltas passivas. Nas

faltas ativas ocorre a aproximação de um condutor energizado a um objeto qualquer, com a

formação de um arco elétrico entre eles. Pode ser subdividida em faltas série (ocorre o

rompimento da corrente de carga) ou faltas shunt (há contato do condutor com um objeto

qualquer, sem ocorrem o rompimento do mesmo).

Já nas faltas passivas “ocorre o rompimento do condutor sem contato com nenhum outro

material próximo, interrompendo o fornecimento de corrente a partir do ponto onde ocorreu a

falta” [7]. São mais frequentes em redes de distribuição protegidas, onde os cabos fases ficam

suspensos pelo cabo de aço guia (cabo mensageiro) e por acessórios isolantes, podendo ficar

suspenso sem tocar nenhum objeto.

2.2.1 Faltas ativas série

As faltas ativas série podem ter condutores caídos ao solo. Quando o condutor se rompe

e o lado do condutor vindo da subestação cai ao solo, se refere a uma falta série com o condutor

caído pelo lado fonte. Caso o lado do condutor que vai ao solo é do lado da carga, o fenômeno

é chamado de falta série com condutor caído pelo lado carga.

A magnitude de corrente é bastante influenciada pelas condições do local, pois depende

do tipo de solo, umidade, etc. Experiências também mostram que a maioria das FAI ocorrem

em tensões de distribuição da classe de 15 kV, e ressalta-se que a detecção se complica à medida

que a classe de tensão diminui [7]. Acredita-se que numa classe de tensão baixa, a corrente

fluiria apenas durante um período menor que meio ciclo de tensão, e assim, restringindo o nível

de corrente. A Figura 3 exemplifica o que seria os níveis de corrente para duas classes de tensão

diferentes.


21

Figura 3 – Influência da classe de tensão na corrente de falta com arco Adaptado de: FARINA, 2012 [7]

2.2.2 Faltas ativas shunt

Neste caso, não há rompimento do condutor energizado, apenas o contato ou

aproximação de algum objeto de alta impedância, como um galho de árvore. Portanto, não há

interrupção da corrente de carga da fase atingida pela falta.

A magnitude da corrente depende da impedância do objeto de contato, e pode ocorrer

um desequilíbrio de corrente significativo.

2.2.3 Faltas passivas

Uma falta passiva se assemelha a uma abertura monopolar ou bipolar indesejada, pois

haverá o rompimento do condutor e a consequente interrupção da corrente de carga. Porém, o

condutor não toca o solo ou objeto algum, mantendo-se suspenso. Assim, há o desequilíbrio de

tensão a jusante do ponto de falta.


22

2.3 FAI no Contexto de Redes Inteligentes

Com o avanço da tecnologia de computação, automação e telecomunicações, é esperado

num futuro próximo que todos os equipamentos elétricos sejam supervisionados e

interconectados, permitindo assim o monitoramento dos sistemas de transmissão, distribuição

e centros consumidores em tempo real.

A possibilidade de detecção e localização automática de distúrbios na rede permitirá a

realização do diagnóstico em tempo real, reduzindo o tempo de restabelecimento do sistema e

a melhoria dos índices de continuidade [4].

A Tabela 1 apresenta um quadro comparativo das principais características entre os

sistemas de distribuição atuais e as redes inteligentes.

Tabela 1. Comparação entre a rede atual e redes inteligentes Fonte: [4]

Características Sistema

Atual Redes Inteligentes

Relés de Proteção Eletromecânicos Digitais

Comunicação Sentido único Sentido Duplo

Número de Sensores Poucos Muitos

Pontos monitorados Poucos Muitos

Restabelecimento do sistema Manual Automático

A funcionalidade de detecção do desequilíbrio de tensão pode estar incorporada em

medidores inteligentes em unidades consumidoras. A identificação do medidor estará associada

à unidade consumidora, assim como a localização geográfica e a disposição do medidor com

relação aos transformadores e à rede de distribuição.

A medição do desequilíbrio de tensão da rede primária de distribuição (V2/V1) pode ser

feita indiretamente pelo lado de baixa tensão dos transformadores, dispensando assim a

necessidade de transformadores de potencial adicionais. Tendo um canal de comunicação

adequado, a concessionária poderá localizar trechos de faltas de alta impedância com maior

facilidade e rapidez [8].


23

2.4 Métodos de Detecção de Faltas de Alta Impedância (FAI)

O problema da detecção de FAIs é conhecido pelas indústrias do setor elétrico e várias

técnicas foram propostas na literatura desde o final da década de 1970, incluindo testes de

hipóteses estatísticas, redes neurais, ângulo de correntes de falta de 3º harmônico, árvores de

decisão, decomposição wavelet, lógica fuzzy, dentre outros métodos [9].

Em 1988, segundo [10], a performance de quatro algoritmos diferentes para a detecção

de FAIs foram avaliadas usando um teste de falha por estágios, ou seja, offline. Os algoritmos

utilizavam relés proporcionais, relés de corrente harmônica de segunda e terceira ordem e relés

de terra. Os resultados demonstraram que alguns algoritmos tinham uma melhor performance

que os outros, sob determinadas condições [11].

Em [6] foram realizadas diversas medidas de correntes harmônicas em situações de

faltas de alta impedância em solo arenoso de uma subestação de energia, durante uma semana.

O objetivo foi avaliar até que ponto a corrente harmônica poderia ser utilizada para a detecção

de uma FAI, e foi concluído que a monitoração da corrente de segundo harmônico poderia

contribuir para esse objetivo.

2.4.1 Fabricante Asea Brown Boveri (ABB)

Em [12], foi desenvolvido um algoritmo para detecção de arcos elétricos utilizando as

tensões de barra e harmônicos ímpares de alta ordem. Em [13] é apresentado um algoritmo

baseados em transformadas discretas de wavelet, redes neurais artificiais e análises estatísticas,

utilizado em um relé da ABB para detecção de FAIs em redes de média tensão. O

funcionamento exato dos algoritmos não é apresentado por constituir um segredo comercial.

O algoritmo wavelet produz uma descrição das correntes de carga de como elas variam

de acordo com o tempo e em diferentes escalas, onde escalas largas são associadas à

componentes de baixa frequência e escalas curtas são associadas à sinais de alta

frequência. (STOUPIS, 2004, p. 30-1, tradução nossa).

2.4.2 Fabricante General Electric (GE)

Em [14] há uma apresentação de um método de detecção de FAIs que mensura o ângulo

de fase da corrente de terceiro harmônico com relação a tensão fundamental. Existe uma


24

diferença do fasor da corrente de terceiro harmônico e a tensão da fase sob falta. Um dispositivo

calcula e armazena valor médio do fasor de terceiro harmônico, e quando a falta ocorre, o novo

fasor de terceiro harmônico é subtraído vetorialmente do fasor previamente armazenado. A falta

de alta impedância é identificada caso a magnitude estiver acima do valor configurado e o

ângulo corresponde a um valor predeterminado para um condutor caído.

O método de monitoramento aprimorado do alimentador, também descrito em [14],

utilizava a amostragem de corrente em 32 amostras / ciclo em conjunto com um processador de

alta performance para obter a resposta em frequência necessária a detecção de FAIs. Testados

desde 1992, o método foi incorporado em um sistema completo de nove algoritmos de energia

para detecção de FAIs, sendo um sistema desenvolvido pela Texas A&M University e utilizado

pela General Electric em seus relés. São basicamente algoritmos fundamentados na análise de

mudanças bruscas de energias de alta frequência, aleatoriedade de sinais, comportamento de

carga e padrões de arco na corrente de neutro [15].

2.4.3 Fabricante Schweitzer Engineering Laboratories (SEL)

Posteriormente, em 2006, semelhante ao caso em [14], em [10] há uma apresentação de

um algoritmo de detecção de FAIs baseado nas diferenças de correntes harmônicas do

alimentador discretizadas em 32 amostras a cada ciclo e somadas. Para formas de ondas

senoidais, o cálculo resultante na saída é zero. No entanto, para uma corrente causada por uma

falta de alta impedância, o algoritmo revela a atividade típica do arco elétrico da falta, processo

de comportamento aleatório. Um ajuste adaptativo mantém o histórico de funcionamento

normal do alimentador, sendo possível fixar automaticamente uma margem para a detecção de

arco. Quanto maior a diferença, maior a probabilidade de estar ocorrendo um arco elétrico no

sistema [14].

É um algoritmo que utiliza de componentes harmônicas e inter-harmônicas, onde as

técnicas de inteligência artificial foram substituídas por contadores e comparadores,

simplificando a implementação das funções de proteção. O método foi adaptado à uma

tecnologia chamada de Arc Sense, que é patenteada e utilizada em relés da fabricante SEL [16].


25

2.4.4 Transformada Wavelet

Em [17] foi utilizada a transformada wavelet discreta para analisar reignição de arcos

elétricos associados à FAIs causadas por inclinação de árvores. A baixa corrente observada e a

periodicidade de reignição do arco foram condições que favoreceram a utilização da

transformada wavelet para a análise deste fenômeno com boa precisão. Em [18] também

utilizaram a transformada wavelet e redes neurais artificiais para a detecção de FAIs em

alimentadores de distribuição, dessa vez, considerando as alterações na forma de onda causadas

pelas faltas assim como o efeito do chaveamento normal do sistema. Os resultados obtidos

validaram a efetividade da metodologia proposta e a diferenciação entre FAIs e operações

transitórias causadas por chaveamento.

Na revisão feita em [19], é mencionada a contribuição de [20], que propôs uma

morfologia matemática para detecção e distinção de faltas de alta impedância utilizando sinas

de tensão medidos na subestação, simplificando a identificação dos distúrbios.

Ao contrário de grande parte das técnicas propostas, essa utiliza os sinais de

tensão medidos na subestação e não os sinais de corrente. Segundo Gautam

(2012), essa diferença se deve ao fato de que as características das distorções

nos sinais de tensão, no momento da falta de alta impedância, independem da

corrente de pré-falta, o que não ocorre com os sinais de corrente. (FARIAS,

2013 p.20).

2.4.5 Detecção por Monitoramento de Amplitude e Ângulo de Fase da Corrente de 3º

Harmônico

O uso das correntes de fase de terceiro harmônico mencionado por [21] baseia-se no

comportamento não-linear da corrente de arco elétrico que gerava harmônicos de 3ª ordem

durante a falta de alta impedância.

Para sistemas com transformadores ligados em estrela aterrado no lado primário, um

detector indicaria falta caso ocorresse os seguintes eventos:

• Deslocamento mínimo de 15 graus da componente de terceiro harmônico da corrente

de uma fase com relação às correntes de terceiro harmônico das outras duas fases;

• Aumento da corrente em uma fase de no mínimo 15 Ampères, de modo a evitar

operações incorretas em condições normais do sistema;


26

• As duas condições acima persistirem no mínimo 5 segundos.

Para sistemas com transformadores em delta no primário, o deslocamento de fase é difícil

de medir, devido à filtragem de harmônicos ao lado secundário e à baixa magnitude. Assim, o

aumento percentual da magnitude da corrente de terceiro harmônico seria um critério substituto

ao deslocamento de fase.

2.4.6 Análise de Carga

Os métodos de detecção por monitoramento de corrente com arco elétrico não são

capazes de detectar faltas de alta impedância com condutores rompidos caídos ao solo

do lado da carga. Já aqueles que incorporam mecanismos para avaliar variações

súbitas de carga ou grau de desequilíbrio podem ser sensíveis a esse tipo de falta.

(OLIVEIRA JUNIOR, 2006, p.48).

Um algoritmo de análise de carga para monitorar padrões de corrente de carga pode

complementar as técnicas de detecção por corrente de condutores rompidos. Se há rompimento

do condutor, então parte da corrente total do alimentador é perdida. Uma combinação de

eventos onde há perda repentina de corrente de carga, indicação de arco ou de algum outro

algoritmo de detecção de falta traria maior confiabilidade à detecção de condutor rompido.

2.4.7 Detecção por Monitoramento de Tensão

Técnicas de detecção de quedas e interrupção de tensão vêm sendo desenvolvidas, muito

devido ao problema que tais efeitos causam em cargas sensíveis à variação de tensão, como em

alguns equipamentos eletrônicos. Estes métodos se fundamentam na identificação da queda de

tensão e se esse distúrbio ocorre em um ponto a jusante ou a montante de um medidor,

permitindo a identificação do trecho sob falta [22].

O método proposto por [23] descreve que, após o rompimento de um condutor, existe

um desequilíbrio de tensão considerável nos pontos a jusante do ponto de ruptura, e pode ser

detectado a partir do monitoramento das componentes de tensão de sequência negativa ou

sequência zero, com relação a sequência positiva. As grandezas G0 e G2 foram definidas para

quantificar o grau do desequilíbrio de tensão, conforme equações (1) e (2).

𝐺0 % = |𝑉0|

|𝑉1|∙ 100 (1)


27

𝐺2 % = |𝑉2|

|𝑉1|∙ 100

(2)

Sendo:

V0 – a componente de sequência zero da tensão;

V1 – a componente de sequência positiva da tensão;

V2 – a componente de sequência negativa da tensão.

Para a eficácia deste método, é necessário a instalação de sensores em pontos

estratégicos do alimentador, principalmente em cada extremo da rede, como indicado na Figura

4. Tal sensor é sensível ao campo elétrico gerado pelos condutores energizados do alimentador,

logo não necessita estar em contato com o condutor. Os sensores apresentam resultante próxima

de zero caso o sistema esteja com tensões balanceadas.

Entretanto, caso uma das fases se romper, as tensões serão desbalanceadas e o campo

elétrico resultante induzirá uma tensão no circuito eletrônico do medidor. A atuação dos

sensores em cada trecho do alimentador é exibida na Tabela 2.

Figura 4 - Exemplo da disposição dos sensores (Δ) na rede [23] Fonte: MALAGODI, 1997


28

Tabela 2 - Local das faltas de acordo com a atuação dos sensores [23]

Região sob falta Sensor ativado

4-5 A

4-6 B

2-4 A, B

2-3 C

1-2 A, B, C

A comunicação com o Centro de Operação da Distribuição (COD) pode ser feita

utilizando um sistema SCADA, redes GPRS, ou pelo power line carrier (PLC) para sistemas

de distribuição convencionais sem um sistema de comunicação disponível, sendo estes os

fatores limitantes para a implantação economicamente viável deste método [21].

Em [24] menciona-se que a comunicação por meio de GPRS tem seu custo diretamente

relacionado à quantidade de dados transmitidos, e sugere a limitação de dados utilizando o

telecomando em intervalos regulares de 3 a 5 minutos, que é possível com a adoção do protocolo

de comunicação DNP3.

A operação mantém as características de controle em tempo real, pois o protocolo

permite a priorização de eventos de forma quase instantânea, como informações sobre a

abertura ou fechamento de religadores. Essas configurações limitam o consumo de dados e

mantêm a comunicação em um patamar de baixo custo.

Já o nível de proteção do alimentador dependerá de sua topologia e da quantidade de

sensores instalados [4]. Na análise simulada no programa ATP Draw, foram considerados os

seguintes aspectos [23]:

Dois tipos de conexões de transformadores de distribuição: transformadores trifásicos

com os enrolamentos primários conectados em delta e transformadores monofásicos

conectados entre fase e neutro;

Várias condições de carga no sistema;

Condições diferentes de contato do condutor rompido ao solo: contato do lado fonte,

contato do lado carga, e diferentes valores de impedância de contato.


29

Rompimento de um e dois condutores da rede primária;

Sistema com e sem banco de capacitores conectados.

E chegou-se às seguintes conclusões, também em [23]:

a) No caso de rompimento de uma das fases, o percentual de sequência negativa, assim como

de sequência zero, nas tensões de fase à jusante do ponto da falta estão na faixa de 50 a 100

%;

b) No caso de rompimento de duas fases, para sistemas com transformadores

trifásicos conectados em delta, quando o contato do cabo caído com o solo ocorre do lado

da carga, estes percentuais variam entre 50 e 100 %. Entretanto, no caso de o contato ocorrer

no lado da fonte, somente a componente de sequência zero existirá e, por isso, somente o

monitoramento da componente de sequência negativa não permitirá a detecção da falta;

c) Para sistemas em operação normal, apenas com cargas desequilibradas, indicam que as

tensões percentuais de sequência negativa e zero dificilmente excedem 5 %.

Há também uma alternativa de detecção utilizando o desequilíbrio de tensão, proposta em

[19] e chamada de tensão referencial relativa, que pode ser obtida através da equação (3):

𝛥𝑉𝑑 = |𝑉𝑑 − 𝑉𝑑0|

|𝑉𝑑0| 𝑝𝑢 (3)

Sendo:

ΔVd – tensão diferencial relativa, em pu;

Vd – tensão de sequência positiva num ponto de monitoramento a jusante do ponto de

falta, em volts;

Vd0 – tensão de sequência positiva num ponto de monitoramento a montante do ponto de

falta, em volts;


30

A análise deste método foi feita considerando a tensão de sequência positiva a montante

no ponto de falta, igual ao módulo de tensão fase-neutro da fonte. Comparando os três índices

(K0, K2 e ΔVd), obteve-se algumas conclusões:

Definiu-se um limiar de 30% para a sensibilização do sensor, com boa margem de

segurança entre cargas desequilibradas e FAIs;

Notou-se pouca influência do lado de rompimento dos condutores nos mesmos

parâmetros;

Demonstrou-se a importância e suficiência de K0, frente aos outros parâmetros para

a detecção das FAI.

Ainda foi utilizado um algoritmo com uma “Matriz de Percurso de Rede” para a

informação de todas as barras contidas no caminho série de qualquer barra do alimentador,

facilitando a localização da falta [21].

O grande desafio deste tipo de proteção é a confiabilidade para a distinção entre um

rompimento de cabo com alta impedância e uma abertura monopolar de um equipamento de

proteção a montante do local de rompimento de cabo, no caso de uma falta de baixa impedância

[23]. Além disso, um fator limitante para implantação economicamente viável desse método é

a definição do sistema de comunicação entre os sensores e o centro de operação.

2.5 Problemas Operacionais dos Métodos de Detecção de Faltas de Alta

Impedância

Os métodos de detecção baseados no monitoramento de corrente são usualmente

aplicados em relés de subestações. No caso de uma acusação de falta, haverá dúvidas na decisão

de trip ou alarme, pois o trip desligará todo o alimentador.

Outra questão é que grande quantidade de rompimento de condutores ocorre em ramais

de condutores nus e seções reduzidas, e não em troncos de alimentadores. A perda de corrente

vista pela subestação é pouco significativa, tornando a detecção complexa, a menos que haja

indícios de perda de carga ou sobrecorrente detectados antes do início do arco [21]. Também,


31

as linhas de distribuição e transformadores de corrente agem como filtros passa-baixa,

limitando parte das informações de uma corrente típica de uma FAI obtida em subestações [24].

Para os métodos por monitoramento de tensão, os problemas anteriores não ocorrem, pois

sua sensibilidade é local, com medidores ao longo do alimentador, sendo possível detectar a

falta através de um sistema de comunicação eficiente. Um problema que pode ocorrer é a

“abertura monopolar de equipamentos de proteção a montante do ponto de medição, indicando

incorretamente uma falta de alta impedância” ([21], p. 73). A tendência é que com o avanço das

redes inteligentes e da automação da distribuição exista um monitoramento remoto de chaves-

fusíveis e religadores, permitindo conhecer seu estado operativo.

Em [22] é mencionado um estudo da concessionária TaiPower sobre a viabilidade do

investimento em automação em sistemas de distribuição. As medidas de automação incluídas

no estudo foram:

• Sistemas de supervisão e aquisição de dados;

• Detecção, isolamento e restauração do defeito;

• Banco de capacitores controláveis;

• Armazenamento e recuperação de informações;

• Planejamento de interrupções;

• Sistema de processamento de chamadas relacionadas a reclamações;

• Simulador para treinamento dos operadores.

De acordo com este estudo, a implantação de tais medidas permitiu diminuir o tempo

médio de reparo de um defeito de 76,2 minutos, para 32 minutos, além da diminuição

do custo deste reparo ao consumidor de 11,43 $/kW para 4,37 $/kW. Concluiu-se que,

neste caso, a relação custo benefício dos investimentos em automação de sistemas de

distribuição justifica sua implantação e é maior quanto maior forem as taxas de falha

e os custos de interrupção. (TRINDADE, 2013, p.8-9).


32

2.6 Abrangência dos Métodos de Detecção

Pode-se resumir a aplicabilidade dos métodos citados anteriormente a cada tipo de FAI

identificado nas Figuras 5a a 5d:

a. Falta ativa série com condutor caído ao solo do lado fonte;

b. Falta ativa série com condutor caído ao solo do lado carga;

c. Falta ativa shunt;

d. Falta passiva.

(c) Falta ativa shunt

(d) Falta passiva (sem contato com nenhuma

superfície)

Figura 5 - Tipos de faltas de alta impedância Fontes: NAKAGOMI, 2006 [5] e IURINIC, 2016 [15]

Os métodos de detecção são classificados em cinco categorias:

Grupo A – Monitoramento de corrente de sequência zero

Grupo B – Monitoramento de tensão


33

Grupo C – Monitoramento de sinais de correntes diferentes de 60 Hz

Grupo D – Aplicação e processamento de sinais

Grupo E – Aumento da corrente de falta

A aplicabilidade das categorias dos métodos de detecção com relação aos tipos de faltas

de alta impedância é sintetizada na Tabela 3.

Tabela 3 - Aplicação dos métodos de detecção de FAI

Fonte: OLIVEIRA JUNIOR, 2006 [21]

Grupos de métodos de

detecção

Tipos de faltas de alta impedância

1 2 3 4

Grupo A X X

Grupo B X X X

Grupo C X X

Grupo D X X X

Grupo E X X

É interessante observar que integrando algumas categorias de métodos de detecção é

possível cobrir todos os tipos de faltas de alta impedância, como por exemplo, monitoramento

de tensão em conjunto com monitoramento de correntes diferentes de 60 Hz (B + C).

Porém, é conveniente ressaltar que a sensibilidade dos métodos de detecção está

intimamente relacionada com a distinção de condições entre falta e não-falta, podendo ocorrer

FAIs que um método não consiga detectar, além de falsas detecções em condições que não

caracterizam uma falta. A Figura 6 representa bem essa situação.


34

Figura 6 - Campo de detecção de FAIs com um único método


A utilização integrada de vários métodos pode aumentar a faixa de detecção de faltas,

mas também aumentaria a probabilidade de falsas detecções, como pode ser observado no

desenho da Figura 7.

Figura 7 - Campo de detecção de FAIs com três métodos de detecção integrados



35

3 MODELAGEM TEÓRICA


Constata-se que os métodos de detecção de FAI são variados. São abordagens que fazem

uso da medição de tensão, corrente ou tempo de propagação de pulsos aplicados ao alimentador

[21], porém este último representa uma forma de análise que aumenta a complexidade do

método utilizado. Métodos heurísticos microprocessados de sinais, redes neurais, ondas

viajantes, árvores de decisão apresentam certa complexidade e necessitam de estudos

adicionais, tanto da metodologia quanto da viabilidade dentro do contexto de redes inteligentes.

O principal problema de faltas de alta impedância é a segurança do público e de

propriedades, pois um cabo partido do circuito primário energizado e caído ao solo numa área

com alta densidade populacional representa um grande risco à vida de pessoas. Entretanto, é

importante distinguir uma falta de fase de um desequilíbrio acentuado de carga, o qual pode ser

uma situação incomum, porém aceitável no sistema de distribuição.

Neste contexto, esta monografia será dedicada ao estudo dos métodos baseados no

desequilíbrio de tensão e corrente, pois são de simples compreensão. O método por

desequilíbrio de tensão pode ser implementado mediante a adição de nova funcionalidade aos

medidores inteligentes em unidades consumidoras, para detecção e localização de condutores

rompidos na rede primária de distribuição, proposto em [8]. A medição de corrente de sequência

zero será medida na saída da subestação, para verificar a possibilidade de detecção de falta

shunt juntamente com os efeitos da impedância de falta.

Também será abordado nesta monografia a proposição de um valor de desequilíbrio

ótimo, que permita distinguir valores de desequilíbrios esperados para uma rede de distribuição

em condições severas de operação com cargas desequilibradas daqueles valores típicos da

ocorrência de abertura de chaves monopolares ou rompimento de condutores.

3.2 Análise de Desequilíbrio de Tensão

Para quantificar o desequilíbrio de tensão, há dois principais métodos empregados,

representados pelo fator K. O primeiro método utiliza as componentes simétricas de tensão, e

o grau de desequilíbrio é representado pela relação entre os módulos de tensão de sequência


36

negativa (V2) e da tensão de sequência positiva (V1), conforme equação (4). Também, será

utilizado a relação entre a tensão de sequência zero (V0) e a tensão fase-neutro nominal do

sistema em regime normal de operação (VFN), como é mostrado em (5) e proposto por [19].

𝐾0 % = |𝑉0|

|𝑉𝐹𝑁|∙ 100 (4)

𝐾2 % = |𝑉2|

|𝑉1|∙ 100

(5)

Numa abertura bipolar a montante de transformadores ligados em delta no primário, as

tensões de sequência negativa são zero, impossibilitando o cálculo do fator K2 ([21], [23]).

Portanto, a detecção do desequilíbrio de tensão através do monitoramento do fator de sequência

zero (K0) é o mais indicado nesta condição.

O segundo método é proposto pelo CIGRÉ, apresentando o mesmo resultado obtido

pelo método das componentes simétricas. Porém, sua forma de cálculo é diferente, pois utiliza

apenas os módulos das tensões de linha do sistema [8]. Este método utiliza as equações (6) e

(7). A vantagem seria a facilidade de obter as tensões entre fases, ressaltando que as

componentes de tensão de sequência zero não poderão ser utilizadas por esse equacionamento.

Portanto, a equação (6) representa uma alternativa equivalente a equação (5).

𝐾2 % = √1 − √3 − 6𝛽

1 + √3 − 6𝛽∙ 100 (6)

Onde 𝛽 = 𝑉𝐴𝐵

4 +𝑉𝐵𝐶4 +𝑉𝐶𝐴

4

(𝑉𝐴𝐵2 +𝑉𝐵𝐶

2 +𝑉𝐶𝐴2 )²

(7)

Há uma tendência de instalação de medidores inteligentes nos pontos de consumo, sendo

possível assim escolher alguns medidores para serem utilizados na identificação do local da

falta. Para viabilizar a implementação proposta neste trabalho será necessário incluir uma nova

funcionalidade nos medidores inteligentes trifásicos, que corresponde a realização dos cálculos

de desequilíbrio, conforme procedimento proposto pelo CIGRÉ.


37

Através de simulações no programa computacional ATP em [23], verificou-se que a

medida de desequilíbrio de tensão é uma maneira segura para detectar a ruptura de condutores,

principalmente devido à presença de transformadores de distribuição. Na análise, os seguintes

aspectos foram considerados:

Dois tipos de conexões de transformadores de distribuição: transformadores

trifásicos com os enrolamentos primários conectados em delta e transformadores

monofásicos conectados entre fase e neutro;

Várias condições de carga no sistema;

Condições diferentes de contato do condutor rompido ao solo (contato do lado

fonte, contato do lado carga e diferentes valores de impedância de contato).

Rompimento de um e dois condutores da rede primária;

Sistema com e sem banco de capacitores ligados.

Com o conhecimento prévio da posição elétrica dos medidores inteligentes, seus

respectivos transformadores de distribuição e comparando-se os fatores de desequilíbrio

calculados por diversos medidores, a montante e a jusante no local onde ocorreu a falta, é

possível elaborar uma metodologia de identificação do local de uma falta série. A identificação

da falta série é possível, pois a condição de um cabo rompido energizado resulta em um

desequilíbrio de tensão muito elevado a jusante do ponto de falta, influenciando também as

cargas a jusante do trecho.

3.3 Análise do Desequilíbrio de Corrente

A tradicional proteção por sobrecorrente apresenta uma simplicidade de aplicação em

sistemas elétricos, principalmente em redes de distribuição. Porém, faltas de alta impedância

podem não produzir o nível de sobrecorrente mínimo capaz de sensibilizar a proteção, uma vez

que a magnitude da corrente de falta é geralmente menor que as correntes de carga.

Faltas ativas série tocando ou não objetos externos ou o solo, produzem desequilíbrio

de corrente à montante do ponto de rompimento, os quais podem ser utilizados para a indicação

de faltas de alta impedância.

Quando ocorre uma falta fase-terra em uma rede de distribuição aterrada, a corrente

tende a retornar para a fonte de alimentação pelo solo ou por condutores de neutro, sendo esta


38

uma corrente de sequência zero. Então, para faltas shunt haverá desequilíbrio de corrente e será

analisado a possibilidade de detecção de FAIs shunt por meio da medição da corrente de

sequência zero do alimentador no ponto de saída da subestação de distribuição, conforme

mostrado na Figura 8.

Figura 8 - Exemplo de falta shunt

Fonte: MALAGODI, 1997 [23]

Utilizando as condições de contorno associadas a Figura 8, é realizada a decomposição

em componentes simétricas para uma falta shunt na fase A [26], pelas eq. (8) a (11):

𝐼𝑎0 = 𝐼𝑎1 = 𝐼𝑎2 (8)

Sendo

𝐼𝐴 = 𝐼𝑎0 + 𝐼𝑎1 + 𝐼𝑎2 (9)

E também,

𝐼 = 𝐼 = 0 (10)

Tem-se que:

𝐼 + 𝐼 + 𝐼 = 3 ∙ 𝐼𝑎0 (11)

Logo, o aparecimento 3.I0, medido na saída da subestação seria um indicativo da

ocorrência da falta no sistema shunt na fase A do sistema mostrado na Figura 8. É importante

ressaltar que redes de distribuição apresentam um considerável desbalanço de correntes, seja

pelo uso de transformadores monofásicos, em delta aberto ou por correntes dispersas em


39

isoladores sujos e defeituosos. Portanto, será avaliado se essa medição representa corretamente

as situações de falta no sistema elétrico de distribuição.

Para evitar que a proteção contra FAI atue indevidamente para uma condição normal de

operação, será realizada uma avaliação dos graus de desequilíbrio em sistemas desequilibrados,

comparando-as as situações de operação normal com situações de faltas na rede.

3.4 Metodologia Proposta para Identificação e Localização de Falta de Alta

Impedância

O procedimento proposto utiliza os conceitos apresentados nos capítulos 2 e 3 sobre

desequilíbrio de tensão e de corrente.

A identificação de uma falta pelo método de corrente se baseia na sensibilização da

proteção de corrente de neutro no alimentador, medida a partir da subestação. Não é capaz de

localizar os trechos sob falta, apenas de identificar uma sobrecorrente anormal, que seria um

indicativo de falta.

O processo de identificação e localização da ruptura do condutor consiste em analisar a

mudança de perfil de tensão causada pelo desequilíbrio de tensão de uma falta série e diferenciá-

las do desequilíbrio de cargas desbalanceadas em operação. Em [8], foi considerado um

desequilíbrio de tensão máximo de 7,8 % em cargas desequilibradas no primário, na condição

de operação normal da rede, ou seja, sem abertura de fases. Os métodos analisados são descritos

a seguir.

1. Fator de desequilíbrio de tensão utilizando medidores inteligentes em pontos de carga,

ou seja, no lado de baixa tensão de transformadores do tipo Dy1. Serão analisados os

casos utilizando a fórmula do CIGRÉ e a relação de componentes simétricas 𝑉2/𝑉1.

2. Fator SQ0, representado pela relação 𝑉0/𝑉𝐹𝑁. Para este método, as tensões são medidas

no lado de média tensão dos transformadores de distribuição.

3. Corrente 3𝐼0 medida no bay de saída da subestação de distribuição.

Os métodos 1 e 2 serão dedicados principalmente a detecção de faltas séries, com 1 ou

2 cabos rompidos, e para localizar o possível trecho de falta. O método 1 pode ser implementado

como uma nova função em medidores inteligentes, principalmente a equação de cálculo do


40

CIGRÉ, pois utiliza tensões de linha para o cálculo do fator de desequilíbrio, mas não impede

a análise do desequilíbrio em coordenadas simétricas, caso o medidor inteligente tenha uma

capacidade de processamento que permita esse cálculo. O transformador de distribuição

também funcionará como transformador de potencial, sendo este um ponto favorável na questão

de viabilidade financeira para implementação deste método.

O método 2 utiliza a tensão de sequência zero em seu cálculo. Deste modo, tanto a

conexão delta-estrela do transformador, quanto a medição das tensões fase-fase na baixa tensão

impedem a medição da sequência zero pelo medidor inteligente no lado do consumidor.

Portanto, este método será empregado medindo-se as tensões fase-terra no lado de média

tensão, sendo necessário o uso de transformadores de potencial.

Já o método 3 é uma proposta de detecção de faltas shunt e sua viabilidade diante de

resistências de contato no ponto de falta. É um teste complementar, portanto, não será um dos

focos deste trabalho.

Os cenários simulados envolvem situações de abertura de 1 ou 2 condutores, podendo

estas serem faltas passivas, com condutores caídos no lado carga ou lado fonte. Também foi

analisado o caso de falta shunt. Os casos consideram a operação de cargas desequilibradas em

até 30 % no secundário dos transformadores de distribuição.

Em regime permanente senoidal, o desequilíbrio de tensão a jusante do ponto de ruptura

do cabo é análogo à abertura manual ou defeito de uma chave-fusível, por exemplo. Portanto,

o operador da rede de distribuição deve conhecer os trechos sob manutenção para não ser

induzido a classificar trechos desligados para manutenção de rede como trechos que houveram

rompimento de condutores. Cabe ao operador da rede a decisão de abertura ou não do circuito

e outros fatores deverão ser verificados para sustentar essa decisão [8].

Existência ou não de chave fusível no trecho informado;

Posição geográfica do trecho informado, ou seja, se está localizada em regiões

urbanas ou rurais, proximidade de igrejas, centros comerciais, escolas, praças, áreas

de preservação ambiental, região de criação de gado de raça, etc...

Registro de ordem de serviços de manutenção na região identificada;

Existência de condições emergenciais devido a tempestades ou enchentes.


41

Um algoritmo associado a um diagrama sinótico de representação visual de uma rede de

distribuição é utilizado para a localização de faltas série, tanto monofásica quanto abertura

bifásica.

O fluxograma da Figura 9 representa a metodologia básica do algoritmo de localização

de faltas implementado no programa Excel. Já o diagrama de blocos da Figura 10 explicita a

estrutura geral do algoritmo proposto aqui.

Figura 9 – Fluxograma de localização de FAI

Fonte: LEITE, 2017 [27]


42

Ocorrência de FAI na

rede em estudo

Fim

Início

FAI identificada para fator de desequilíbrio maior que

valor ajustado ou sua indeterminação representando

falta de duas ou três fases

Cada medidor inteligente de energia, instalado no

secundário dos transformador de MT/BT, calcula

seu respectivo fator de desequilíbrio de tensões

Dados são enviados para o COD

Algorítimo no Excel é carregado com o fator de

desequilíbrio de todos os medidores inteligentes

do alimentador.

Com a topologia já registrada no algorítimo, gera-se os

Diagramas Sinóticos de localização das faltas através de

comparações dos respectivos fatores de desequilíbrio de tensão

no secundário dos transfomadores elétricamente mais próximos.

Este processo deverá ser repetido até que se encontre um

secundário de transformador sem indicação de desequilíbrio

além do limite estabelecido

O trecho comum com desequilíbrio além do limite estabelecido

ou indeterminados, representará o trecho provável da FAI. Para

facilitar a interpretação este trecho será apresentado em vermelho

e os trechos a jusante, que também foram afetados, serão

apresentados em amarelo

FAI localizada

Análise dos sinóticos gerado, junto com outras

informações do alimentador, auxiliarão a tomada de

decisões pelo operador do COD

Figura 10 - Diagrama de blocos da estrutura do algoritmo proposto

Fonte: LEITE, 2017 [27]


43

3.5 Considerações Finais

Neste capítulo, foram apresentadas as metodologias para detecção de faltas de alta

impedância em redes primárias de distribuição. A utilização do fator de desequilíbrio e das

componentes simétricas dos sinais de tensão e corrente são fundamentais para a aplicação dos

métodos aqui propostos.

Para dar prosseguimento a este trabalho, um caso teste contemplando um sistema de

distribuição típico foi modelado no MATLAB / Simulink com apresentação dos resultados em

tabelas no Microsoft Excel. Foram simuladas faltas séries passivas, ativas com contato de

condutores no lado carga ou lado fonte, além de faltas shunt, aplicando-se os métodos de

identificação de FAI mencionados.

Conhecendo-se a topologia da rede de distribuição e os nós onde estão conectados os

transformadores de distribuição, pode-se realizar o processo de localização da falta. Neste

alimentador-teste foi aplicado um procedimento para a localização dos trechos sob falta,

utilizando como base a metodologia de desequilíbrio de tensão nos transformadores e fazendo

uma análise comparativa de pontos a montante e a jusante da falta para detectar o trecho de

rompimento de 1 ou 2 fases do alimentador.

Os fatores de desequilíbrio mínimos para a identificação de faltas no sistema de

distribuição podem ser modificados pela concessionária, uma vez que cada alimentador

apresenta características próprias de extensão, condutores e carregamento distintos entre si.

Portanto, a personalização dos fatores de desequilíbrio para cada alimentador é uma prática

recomendável. As metodologias propostas serão analisadas no próximo capítulo.


44

4 ESTUDOS DE CASO


Este capítulo tem como objetivo aplicar as metodologias de identificação e localização

de faltas de alta impedância apresentadas no Capítulo 3.

As metodologias propostas serão testadas e validadas utilizando um modelo de

alimentador com 7 nós e 8 transformadores de distribuição. O algoritmo foi implementado no

MATLAB / Simulink, com entrada de dados e representação dos resultados feitos em planilha

Excel.

4.2 Sistema Utilizado

O sistema de distribuição utilizado, apresentado na Figura 11, é constituído de

condutores de alumínio simples 4/0 AWG, 7 nós, afastados entre si de um quilômetro, com 8

transformadores trifásicos de distribuição, potência de 45 kVA, conexão Dyn1 – delta no

primário (MT) e estrela solidamente aterrada no secundário (BT) – carregados com 50 % da

capacidade nominal com carga desequilibrada em até 30 %. Há, em cada secundário, um

medidor inteligente de energia trifásico instalado.

Estão sendo mensurados os fatores de desequilíbrio pela equação do CIGRÉ e pela

relação das componentes simétricas V2/V1, este por ambos os lados de baixa (BT) e média

tensão (MT) dos transformadores de distribuição.

Também estão apresentados os resultados calculados pela relação de tensão de

sequência zero pela tensão fase-neutro nominal do sistema, representada por V0/VFN e medidos

pelo lado de média tensão dos transformadores. Como não há uma denominação padronizada

para este cálculo, nesta monografia será denominado de Fator SQ0.


45

Figura 11 - Desenho esquemático do alimentador-teste de distribuição


46

4.3 Casos Simulados

Foram testados 9 casos e 14 subcasos, conforme Tabela 4, para verificar o desempenho

do algoritmo. A impedância de 40 Ω é um valor típico para análise de corrente de curto-circuito

fase-terra mínima em redes de distribuição, e 8 kΩ é um valor que corresponde a uma corrente

de falta fase-terra de aproximadamente de 1 Ampère para um sistema de tensão em 13,8 kV.

Tabela 4 - Casos e subcasos de faltas simuladas

Casos Trecho de Falta Descrição

1 1A -- Sistema sem FAI, carga equilibrada

1B -- Sistema sem FAI, carga desequilibrada

2 Trecho 4-7 Um condutor rompido

3 Trecho 2-3 Um condutor rompido

4

4A

Trecho 4-5

Um condutor rompido

4B Um condutor rompido, com resistência

de contato 40 Ω no lado fonte

4C Um condutor rompido, com resistência


4D Um condutor rompido, com resistência

de contato 40 Ω no lado carga

4E Um condutor rompido, com resistência


5

5A

Trecho 2-6

Um condutor rompido









6 Trecho 4-7 Dois condutores rompidos

7 Trecho 7-TR5 e TR3 Desligado Dois condutores rompidos

8 Trecho 3-4 Dois condutores rompidos

9

9A

Trecho 2-3

Falta shunt sólida

9B Falta shunt - R = 40 Ω

9C Falta shunt - R = 8000 Ω


47

4.3.1 Caso 1 – Sistema operando em condições normais

Para a situação sem falta de fase, os desequilíbrios foram calculados via simulação e

apresentados nas Tabelas 5 e 6. É possível observar que não há desequilíbrio de tensão na

situação de carga equilibrada (caso 1A). Para o caso 1B, o desequilíbrio de tensão de 1,17 %,

dentro do limite de desequilíbrio máximo de 2 %, recomendado pelo PRODIST.

A – Sistema operando em condição normal (sem FAI) e carga equilibrada

Tabela 5 - Cálculos para o caso 1A

Identificação dos Trafos

Tensões entre fases de cada TRAFO (V) - Baixa Tensão (BT)

Fator de Desequilíbrio

Fator SQ0

VAB VBC VCA CIGRÉ (BT) V2/V1 (BT) V2/V1 (MT) V0/VFn

(MT)

TR01 211,79 211,85 211,82 0,02% 0,01% 0,01% 0,00%

TR02 211,44 211,51 211,49 0,02% 0,01% 0,01% 0,00%

TR03 211,27 211,34 211,32 0,02% 0,01% 0,01% 0,00%

TR04 211,24 211,31 211,30 0,02% 0,01% 0,01% 0,00%

TR05 211,24 211,31 211,30 0,02% 0,01% 0,01% 0,00%

TR06 211,27 211,34 211,32 0,02% 0,01% 0,01% 0,00%

TR07 211,50 211,57 211,55 0,02% 0,01% 0,01% 0,00%

TR08 211,53 211,60 211,57 0,02% 0,01% 0,01% 0,00%

Corrente 3I0 na SE [A] 0,00

Como o sistema é equilibrado, não há presença de desequilíbrio de tensão no sistema e

nem de corrente de sequência zero na saída da subestação.

Para o caso 1B, é possível verificar o desequilíbrio de tensão em baixa tensão na Tabela

6, porém com efeitos reduzidos quando calculados para a média tensão. A corrente 3I0 também

não é influenciada pelo grau de desequilíbrio deste caso.


48

B – Sistema operando em condição normal (sem FAI) e carga desequilibrada

Tabela 6 - Cálculos para o caso 1B




Fator SQ0

VAB VBC VCA CIGRÉ (BT) V2/V1 (BT) V2/V1 (MT) V0/VFn (MT)

TR01 213,70 210,47 210,31 1,05% 1,08% 0,03% 0,00%

TR02 208,85 211,87 212,69 1,10% 1,11% 0,04% 0,00%

TR03 213,24 212,62 211,27 0,55% 0,57% 0,05% 0,00%

TR04 211,34 213,19 212,48 0,51% 0,50% 0,05% 0,00%

TR05 211,76 212,57 208,57 1,16% 1,16% 0,06% 0,00%

TR06 213,25 209,94 209,79 1,07% 1,11% 0,06% 0,00%

TR07 208,89 211,95 212,74 1,11% 1,11% 0,04% 0,00%

TR08 211,98 212,90 208,84 1,16% 1,17% 0,04% 0,00%


4.3.2 Caso 2 – Um condutor rompido em 4-7, sem contato com o solo

Pelo rompimento de 1 condutor entre os nós 4 e 7 são identificados grandes

desequilíbrios de tensão nos transformadores a jusante do ponto de falta (TR05 e TR06). O

diagrama sinótico da Figura 11 localiza o trecho de falta corretamente.

Tabela 7 - Cálculos para o caso 2




Fator SQ0


TR01 213,71 210,53 210,45 1,02% 1,05% 0,03% 0,00%

TR02 208,82 212,03 212,94 1,18% 1,18% 0,06% 0,00%

TR03 213,19 212,83 211,57 0,46% 0,48% 0,07% 0,00%

TR04 211,29 213,41 212,78 0,59% 0,58% 0,07% 0,00%

TR05 183,67 184,87 1,34 99,45% 100,54% 100,00% 49,83%

TR06 184,89 183,69 1,34 99,44% 99,46% 99,99% 49,83%

TR07 208,88 212,06 212,93 1,16% 1,17% 0,04% 0,00%

TR08 211,97 213,01 209,04 1,12% 1,13% 0,04% 0,00%



49

Figura 12 – Diagrama de localização de falta no trecho 4-7

O caso 2 apresenta valores consideráveis do fator de desequilíbrio e do fator SQ0 nos

transformadores a jusante do ponto de falta, sendo possível identificar e localizar a falta por

estes métodos. A corrente 3I0 não apresentou resultados satisfatórios.

4.3.3 Caso 3 - Um condutor rompido no trecho 2-3

Este caso representa o rompimento de 1 fase entre os nós 2 e 3, afetando um número

considerável de transformadores (TR02 ao TR06). O diagrama sinótico da Figura 12 indica o

trecho da falta série corretamente

Pela Tabela 8, é possível verificar que o fator de desequilíbrio e o fator SQ0 identificam

e localizam a falta corretamente, como no caso anterior.


50





Fator SQ0


TR01 214,00 210,51 210,44 1,11% 1,15% 0,09% 0,00%

TR02 13,10 188,88 179,96 91,38% 91,38% 90,69% 47,58%

TR03 15,47 189,14 178,03 90,36% 90,36% 90,67% 47,58%

TR04 14,50 189,98 179,80 90,79% 90,79% 90,67% 47,58%

TR05 16,61 189,12 176,86 89,95% 89,94% 90,65% 47,58%

TR06 15,48 186,69 175,65 90,17% 90,17% 90,66% 47,58%

TR07 209,32 211,98 212,97 1,03% 1,03% 0,13% 0,00%

TR08 212,40 212,92 209,08 1,14% 1,15% 0,13% 0,00%




51

4.3.4 Caso 4 – Condutor rompido no trecho 4-5

Este caso representa o rompimento de condutor no trecho 4-5, com variações de

resistências de contato e situação de queda no lado carga e lado fonte do sistema. O caso A não

há contato com o solo. Os casos B e C representam faltas série com condutores caindo pelo

lado da fonte, com diferentes resistências. Os casos D e E fazem a mesma situação anterior,

porém, com o condutor caindo pelo lado da carga.

O diagrama sinótico novamente detecta o trecho de ocorrência da FAI corretamente, em

vermelho na Figura 13.

A - Um condutor rompido no trecho 4-5, sem contato com o solo ou objeto





Fator SQ0


TR01 213,82 210,49 210,35 1,07% 1,11% 0,05% 0,00%

TR02 209,07 211,88 212,81 1,06% 1,06% 0,09% 0,00%

TR03 13,66 188,09 178,96 90,86% 90,86% 91,17% 47,60%

TR04 12,73 188,95 180,74 91,29% 91,28% 91,17% 47,60%

TR05 212,03 212,58 208,73 1,14% 1,15% 0,12% 0,00%

TR06 213,53 209,94 209,95 1,14% 1,17% 0,12% 0,00%

TR07 209,06 211,97 212,82 1,08% 1,08% 0,07% 0,00%

TR08 212,15 212,92 208,93 1,15% 1,16% 0,07% 0,00%



52

B - Condutor rompido no trecho 4-5, caindo pelo lado fonte e impedância de contato a 40

Ω





Fator SQ0


TR01 208,44 206,83 211,17 1,22% 1,24% 1,78% 3,80%

TR02 194,90 205,41 212,43 4,97% 4,98% 3,88% 10,26%

TR03 13,66 188,10 178,97 90,86% 90,86% 91,17% 56,14%

TR04 12,73 188,95 180,74 91,29% 91,28% 91,17% 56,14%

TR05 193,13 204,31 207,72 4,34% 4,35% 5,02% 13,52%

TR06 194,51 201,68 208,68 4,06% 4,07% 5,02% 13,52%

TR07 199,36 206,91 213,10 3,85% 3,86% 2,78% 7,02%

TR08 202,26 207,72 209,18 2,03% 2,05% 2,78% 7,02%


C - Condutor rompido no trecho 4-5, caindo pelo lado fonte e impedância de contato a 8

kΩ

Tabela 11 - Cálculos para o caso 4C




Fator SQ0


TR01 213,79 210,46 210,36 1,07% 1,10% 0,04% 0,02%

TR02 208,98 211,84 212,81 1,09% 1,09% 0,07% 0,07%

TR03 13,66 188,09 178,96 90,86% 90,86% 91,17% 47,66%

TR04 12,73 188,95 180,74 91,29% 91,28% 91,17% 47,66%

TR05 211,91 212,52 208,73 1,11% 1,12% 0,11% 0,09%

TR06 213,41 209,89 209,94 1,11% 1,14% 0,10% 0,09%

TR07 209,00 211,93 212,83 1,09% 1,09% 0,06% 0,04%

TR08 212,09 212,88 208,93 1,14% 1,15% 0,06% 0,04%


As Tabelas 10 e 11 exibem a influência da resistência de falta nos métodos. O fator de

desequilíbrio não apresentou alterações. O fator SQ0 teve uma pequena redução, mas ainda é

possível localizar o provável ponto de falta, já que o fatores nos pontos a montante estão

próximos de zero. A corrente 3I0 reduziu consideravelmente com o aumento da impedância.


53

D - Condutor rompido no trecho 4-5, caindo pelo lado carga e impedância de contato a 40

Ω

Tabela 12 - Cálculos para o caso 4D




Fator SQ0


TR01 213,81 210,49 210,35 1,07% 1,10% 0,05% 0,01%

TR02 209,05 211,88 212,80 1,07% 1,07% 0,08% 0,03%

TR03 71,21 187,33 186,10 49,66% 49,67% 50,03% 33,25%

TR04 70,34 188,32 187,77 50,40% 50,40% 50,03% 33,25%

TR05 212,00 212,58 208,71 1,14% 1,15% 0,12% 0,04%

TR06 213,50 209,94 209,93 1,13% 1,17% 0,11% 0,04%

TR07 209,04 211,96 212,81 1,08% 1,08% 0,07% 0,02%

TR08 212,13 212,91 208,92 1,15% 1,16% 0,07% 0,02%


E - Condutor rompido no trecho 4-5, caindo pelo lado carga e impedância de contato a 8

kΩ

Tabela 13 - Cálculos para o caso 4E




Fator SQ0


TR01 213,81 210,49 210,35 1,07% 1,10% 0,05% 0,01%

TR02 209,06 211,88 212,81 1,07% 1,07% 0,09% 0,02%

TR03 46,05 195,60 173,51 68,31% 68,31% 68,62% 40,78%

TR04 45,02 196,42 175,24 68,92% 68,93% 68,62% 40,78%

TR05 212,01 212,57 208,72 1,14% 1,14% 0,12% 0,02%

TR06 213,51 209,94 209,94 1,13% 1,17% 0,12% 0,02%

TR07 209,05 211,96 212,82 1,08% 1,08% 0,07% 0,01%

TR08 212,14 212,91 208,92 1,15% 1,16% 0,07% 0,01%



54


O caso 4 apresenta diversos subcasos. O desequilíbrio de tensão e o fator SQ0

identificaram e localizaram corretamente a falta em todos os subcasos. A corrente 3I0 apresenta

valores suficientes para sensibilizar uma proteção de sobrecorrente de neutro quando há contato

do condutor ao solo pelo lado fonte, porém é sensível à impedância de contato.

Nota-se também que os três métodos têm magnitudes reduzidas quando a falta ocorre

com contato ao solo pelo lado carga, como pode ser verificado nas Tabelas 12 e 13.

4.3.5 Caso 5 – Rompimento de condutor no trecho 2-6

Os casos referentes ao rompimento no trecho 2-6 são análogos ao caso 4, considerando

situações com diferentes resistências de falta e quedas de condutores, e estão representados nas

Tabelas 14 a 18. O digrama sinótico apresentado na Figura 14 fornece o local da falta

corretamente.


55

A - Um condutor rompido no trecho 2-6, sem contato com o solo ou objeto





Fator SQ0


TR01 213,83 210,48 210,37 1,08% 1,11% 0,05% 0,00%

TR02 209,03 211,87 212,80 1,07% 1,07% 0,08% 0,00%

TR03 213,42 212,61 211,38 0,56% 0,58% 0,09% 0,00%

TR04 211,52 213,19 212,60 0,46% 0,45% 0,09% 0,00%

TR05 211,94 212,57 208,68 1,14% 1,15% 0,10% 0,00%

TR06 213,44 209,93 209,90 1,12% 1,15% 0,10% 0,00%

TR07 9,35 188,01 180,77 94,59% 94,55% 93,91% 48,36%

TR08 12,97 188,45 177,86 93,18% 93,15% 93,90% 48,36%


B - Condutor rompido no trecho 2-6, caindo pelo lado fonte e impedância de contato a 40

Ω





Fator SQ0


TR01 207,93 206,35 211,38 1,43% 1,46% 2,00% 4,26%

TR02 198,31 206,14 213,26 4,19% 4,20% 3,13% 7,86%

TR03 202,47 206,72 211,74 2,59% 2,61% 3,13% 7,86%

TR04 200,67 207,37 213,05 3,45% 3,46% 3,13% 7,86%

TR05 201,03 206,68 209,11 2,32% 2,34% 3,12% 7,86%

TR06 202,48 204,04 210,12 2,28% 2,31% 3,13% 7,86%

TR07 9,35 188,01 180,77 94,59% 94,55% 93,91% 53,12%

TR08 12,97 188,45 177,86 93,18% 93,15% 93,90% 53,12%


O fator SQ0 na Tabela 15 apresenta valores próximos à 8 % nos transformadores a

montante da falta. São números que devem ser considerados para definir a fronteira que

classifica o trecho de falta de um trecho que não houve falta.


56

C - Condutor rompido no trecho 2-6, caindo pelo lado fonte e impedância de contato a 8

kΩ





Fator SQ0


TR01 213,80 210,45 210,38 1,07% 1,10% 0,05% 0,02%

TR02 208,97 211,83 212,80 1,09% 1,09% 0,07% 0,04%

TR03 213,36 212,58 211,38 0,54% 0,57% 0,08% 0,04%

TR04 211,46 213,16 212,60 0,47% 0,46% 0,08% 0,04%

TR05 211,88 212,53 208,68 1,12% 1,13% 0,09% 0,04%

TR06 213,38 209,90 209,90 1,10% 1,14% 0,09% 0,04%

TR07 9,35 188,01 180,77 94,59% 94,55% 93,91% 48,39%

TR08 12,97 188,45 177,86 93,18% 93,15% 93,90% 48,39%


D - Condutor rompido no trecho 2-6, caindo pelo lado carga e impedância de contato a 40

Ω

Tabela 17 - Cálculos para o caso 5D




Fator SQ0


TR01 213,82 210,48 210,36 1,07% 1,11% 0,05% 0,02%

TR02 209,01 211,87 212,79 1,07% 1,08% 0,08% 0,03%

TR03 213,41 212,61 211,37 0,56% 0,58% 0,09% 0,03%

TR04 211,50 213,19 212,58 0,46% 0,45% 0,09% 0,03%

TR05 211,92 212,57 208,67 1,14% 1,15% 0,10% 0,03%

TR06 213,42 209,93 209,88 1,11% 1,15% 0,09% 0,03%

TR07 69,19 187,50 187,96 50,97% 50,99% 50,03% 33,27%

TR08 71,25 187,64 184,75 49,56% 49,58% 50,02% 33,27%



57

E - Condutor rompido no trecho 2-6, caindo pelo lado carga e impedância de contato a 8

kΩ

Tabela 18 - Cálculos para o caso 5E




Fator SQ0


TR01 213,83 210,48 210,37 1,08% 1,11% 0,05% 0,01%

TR02 209,02 211,86 212,80 1,07% 1,08% 0,08% 0,01%

TR03 213,41 212,61 211,37 0,56% 0,58% 0,09% 0,01%

TR04 211,51 213,19 212,59 0,46% 0,45% 0,09% 0,01%

TR05 211,93 212,56 208,68 1,14% 1,15% 0,10% 0,01%

TR06 213,42 209,93 209,89 1,11% 1,15% 0,10% 0,01%

TR07 41,93 197,80 172,44 73,28% 73,28% 72,44% 42,25%

TR08 45,46 198,43 169,62 72,03% 72,02% 72,44% 42,25%




58

4.3.6 Caso 6 – Dois condutores rompidos no trecho 4-7

O caso 6 representa a abertura de 2 fases do sistema entre os nós 4 e 7. O diagrama

sinótico, da Figura 15, detecta corretamente o trecho de falta 4-7. O fator de desequilíbrio se

mostra indeterminado de calcular (INDET) nesta situação.





Fator SQ0


TR01 213,80 210,61 210,45 1,03% 1,07% 0,02% 0,00%

TR02 209,03 212,16 212,94 1,13% 1,13% 0,04% 0,00%

TR03 213,47 212,98 211,57 0,54% 0,56% 0,04% 0,00%

TR04 211,56 213,56 212,78 0,55% 0,54% 0,04% 0,00%

TR05 0,00 0,00 0,00 INDET INDET INDET 99,72%


TR07 209,03 212,17 212,93 1,13% 1,13% 0,04% 0,00%

TR08 212,12 213,12 209,04 1,16% 1,16% 0,04% 0,00%


Figura 16 – Diagrama de localização de falta de 2 condutores no trecho 4-7


59

4.3.7 Caso 7 - Dois condutores rompidos no trecho 7-TR05

Dois condutores rompidos no trecho 7-TR05, sem contato com o solo ou objeto. TR03

desligado

Este caso representa uma situação onde o transformador 03 está desligado para

manutenção, e ocorre uma dupla ruptura de condutores no trecho 7-TR05. O diagrama sinótico

considerou erroneamente o trecho 5-TR3 como ocorrência de FAI, além do próprio trecho 7-

TR05 que está sob falta.





Fator SQ0

VAB VBC VCA CIGRÉ (BT) V2/V1 (BT) V2/V1 (MT) V0/VFN (MT)

TR01 213,80 210,59 210,45 1,04% 1,07% 0,02% 0,00%

TR02 209,03 212,13 212,96 1,13% 1,13% 0,02% 0,00%


TR04 211,59 213,56 212,84 0,54% 0,53% 0,03% 0,00%


TR06 213,50 210,29 210,14 1,04% 1,07% 0,02% 0,00%

TR07 209,03 212,15 212,94 1,13% 1,13% 0,03% 0,00%

TR08 212,12 213,09 209,05 1,15% 1,16% 0,03% 0,00%


Numa possível solução para este caso, o operador da rede, de posse do cronograma de

manutenções da rede, identificaria os trechos sob manutenção ou que tiverem suas chaves-

fusíveis abertas manualmente para outras finalidades. Logo, eliminando os trechos conhecidos,

restariam os trechos onde ocorreu a falta, que estariam identificados corretamente.


60

Figura 17 – Diagrama de localização de falta 7-TR05 e TR03 desligado

4.3.8 Caso 8 - Dois condutores rompidos no trecho 3-4

O caso 8 demonstra a simulação de ruptura de 2 condutores entre os nós 3 e 4, tendo o

diagrama sinótico indicado corretamente o trecho sob falta, na Figura 17.





Fator SQ0


TR01 213,92 210,73 210,58 1,03% 1,06% 0,02% 0,00%

TR02 209,25 212,39 213,19 1,13% 1,14% 0,03% 0,00%





TR07 209,20 212,34 213,12 1,13% 1,13% 0,04% 0,00%

TR08 212,29 213,29 209,22 1,15% 1,16% 0,03% 0,00%



61

Figura 18 – Diagrama de localização de falta de 2 condutores no trecho 3-4

A indeterminação do fator de desequilíbrio pode ser um indicador de ruptura de 2 ou 3

condutores nos trechos onde essa situação ocorrer. Por outro lado, o fator SQ0 indica um valor

mensurável e considerável, comparado aos pontos à montante da falta.


62

4.3.9 Caso 9 – Falta shunt

O caso 9 simula a situação de falta shunt no trecho 2-3. Não há rompimento de

condutores neste caso. Foram consideradas impedâncias de contato no valor de 0 Ω, 40 Ω e

8000 Ω.

A - Falta shunt sólida monofásica no trecho 2-3





Fator SQ0


TR01 191,95 207,53 155,11 16,59% 16,61% 16,61% 30,44%

TR02 184,47 197,43 119,87 27,80% 27,81% 27,81% 56,17%

TR03 188,92 199,31 119,08 28,74% 28,76% 28,76% 56,17%

TR04 186,97 199,16 119,75 28,33% 28,35% 28,35% 56,17%

TR05 187,89 199,28 117,44 29,38% 29,41% 29,41% 56,17%

TR06 188,92 197,35 118,33 28,67% 28,68% 28,68% 56,17%

TR07 184,51 197,50 119,90 27,80% 27,82% 27,82% 56,17%

TR08 188,10 199,56 117,60 29,38% 29,41% 29,41% 56,17%


B - Falta shunt monofásica no trecho 2-3, com resistência de contato de 40 Ω





Fator SQ0


TR01 209,62 211,58 204,36 2,06% 2,06% 2,03% 4,25%

TR02 203,09 212,16 201,78 3,20% 3,21% 3,20% 7,85%

TR03 207,53 212,94 200,38 3,51% 3,54% 3,19% 7,85%

TR04 205,61 213,49 201,58 3,40% 3,42% 3,20% 7,85%

TR05 206,16 212,90 197,84 4,23% 4,26% 3,19% 7,85%

TR06 207,54 210,33 198,90 3,33% 3,34% 3,19% 7,85%

TR07 203,13 212,24 201,83 3,21% 3,22% 3,21% 7,85%

TR08 206,38 213,23 198,11 4,24% 4,28% 3,20% 7,85%



63

C - Falta shunt monofásica no trecho 2-3, com resistência de contato de 8000 Ω





Fator SQ0


TR01 213,68 210,47 210,28 1,05% 1,08% 0,03% 0,02%

TR02 208,81 211,87 212,63 1,10% 1,10% 0,05% 0,04%

TR03 213,21 212,62 211,21 0,56% 0,58% 0,06% 0,04%

TR04 211,30 213,20 212,42 0,52% 0,51% 0,06% 0,04%

TR05 211,73 212,58 208,51 1,17% 1,18% 0,07% 0,04%

TR06 213,22 209,94 209,73 1,07% 1,11% 0,06% 0,04%

TR07 208,86 211,95 212,68 1,11% 1,11% 0,06% 0,04%

TR08 211,95 212,90 208,78 1,18% 1,18% 0,05% 0,04%


Para o caso 9A, há um forte desequilíbrio, tanto a montante quanto a jusante do ponto

de falta. Porém, o desequilíbrio ainda é maior nos transformadores a jusante. Os trechos dos

transformadores TR07 e TR08 são identificados como trecho sob falta, erroneamente. A

corrente de sequência zero na saída da subestação é suficiente para sensibilizar a proteção de

sobrecorrente de neutro.

No caso 9B, pela Tabela 23, 3I0 também é suficiente para sensibilizar a proteção de

sobrecorrente de neutro, no bay da subestação de distribuição.

Com o aumento da impedância de falta no caso 9C, os desequilíbrios e a corrente de

sequência zero diminuem e vão se tornando de difícil detecção. Para esta situação a corrente

3I0 não sensibilizará a proteção de sobrecorrente de neutro do alimentador.


64

5 CONCLUSÕES

5.1 Síntese do Trabalho

Diversos métodos de detecção de faltas de alta impedância foram abordados nesta

monografia, com destaque para as principais características, vantagens e desvantagens.

Também, foi abordado os principais métodos utilizados pelos fabricantes de relés e de sistemas

de proteção de redes de distribuição.

As metodologias propostas têm grande potencial de detecção de faltas de alta

impedância, desde que implantadas e trabalhadas de forma adequada. Foram utilizados a

equação de desequilíbrio do CIGRÉ, o fator de desequilíbrio por componentes simétricas

(V2/V1), a fator SQ0 (V0/VFN) e a medição de corrente 3.I0 na saída da subestação.

Como principais conclusões destacam-se:

O fator de desequilíbrio e o fator SQ0 detectou satisfatoriamente todas as faltas série

com rompimento de um 1 condutor no sistema, inclusive para quedas pelo lado fonte e lado

carga. O fator de desequilíbrio é indeterminado quando há rompimento de 2 condutores, ao

contrário do fator SQ0, que pode ser calculado.

É possível também indicar a abertura de chaves-fusíveis e religadores, já que há a

interrupção de uma ou mais fases nessas situações. Conhecendo-se o estado operacional dos

equipamentos antes dos clientes reclamarem a falta de energia, a concessionária pode tomar as

medidas cabíveis para restabelecer a rede mais rapidamente e garantir uma melhoria nos

indicadores de continuidade (FEC e DEC).

Para faltas shunt com resistências de falta elevadas, o fator de desequilíbrio e o fator

SQ0 apresentaram dificuldades para serem implementados, pois as diferenças de desequilíbrio

a jusante e a montante são pequenas, dificultando a estipulação de um limiar entre trecho sob

falta e trechos em operação normal. Um resumo sobre a eficácia do fator de desequilíbrio e do

fator SQ0 na localização dos trechos sob falta é apresentado na Tabela 25.

A detecção da corrente 3.I0 na saída da subestação pode ser utilizada para faltas shunt

sólidas ou de baixa impedância, além de rompimento de condutores com queda no lado fonte,


65

também com baixas impedâncias de contato. Não é eficaz para faltas de alta impedância e

rompimento de condutores com queda no lado carga.

Tabela 25 – Eficácia dos métodos na localização dos trechos sob falta

Baseado nos resultados da simulação, recomenda-se adotar um V2/V1 mínimo de 20 %

para este sistema-teste, podendo detectar faltas série de condutores, além de faltas shunt sólidas.

O fator SQ0 também possui sensibilidade para detectar faltas série, porém possui dificuldades

em detectar faltas shunt com a mesma exatidão. Um SQ0 de 32 % retrataria bem as condições

de FAI, exceto a falta shunt.

Casos Situação

Localização correta?

Fator de Desequilíbrio Fator SQ0

2 Um condutor rompido SIM SIM

3 Um condutor rompido SIM SIM

4

4A Um condutor rompido SIM SIM


de contato 40 Ω no lado fonte SIM SIM




de contato 40 Ω no lado carga SIM SIM



5

5A Um condutor rompido SIM SIM









6 Dois condutores rompidos INDETERMINADO SIM



9

9A Falta shunt sólida SIM SIM

9B Falta shunt - R = 40 Ω NÃO NÃO

9C Falta shunt - R = 8000 Ω NÃO NÃO


66

O acesso a informações de sinais de tensão e corrente em sistemas de distribuição

modernos tem sido favorecido pelos recentes avanços em tecnologias de medição,

monitoramento, comunicação e controle. O fator de desequilíbrio utilizando a fórmula do

CIGRÉ possui a vantagem de ser implementada em medidores inteligentes trifásicos em

unidades consumidoras, reduzindo o custo de implementação.

O cálculo de SQ0 na média tensão exige necessariamente a instalação de

transformadores de potencial, o que aumenta o custo de sua utilização.

5.2 Propostas para Trabalhos Futuros

• Implantação da metodologia em simulação em tempo real e testes em campo.

• Análise dos efeitos de geração distribuída na efetividade de detecção dos métodos

aplicados.

• Automatização do algoritmo de simulação para aplicação de faltas série e shunt em

qualquer ponto da rede de distribuição.

• Estudar maneiras de detectar aberturas de chaves-fusíveis de rompimento de

condutores.


67

Referências

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Análise de sistemas elétricos. Universidade Federal de Itajubá, Campus Itabira. 2015.

[27] LEITE, M. P. Identificação e Localização de Faltas de Alta Impedância Utilizando

Medidores Inteligentes. 2017. 110 f. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-

Graduação em Engenharia Elétrica – UNIFEI

70

Apêndice A – Modelagem do Alimentador no Simulink

Figura 19 - Topologia do caso-teste no Simulink

71

Figura 20 – Representação de carga, transformador e suas medições

Figura 21 – Parâmetros do transformador

Figura 22 - Modelo de abertura série da linha

Figura 23 – Leitura de corrente na subestação

72

Apêndice B – Interface de Leitura e Exibição de Dados no Microsoft Excel

Figura 24a - Planilha Excel de parâmetros e resultados

73

Figura 25b - Planilha Excel de parâmetros dos condutores e instruções gerais

Documents

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE SISTEMAS ...saturno.unifei.edu.br/bim/201800172.pdf · 73 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Elétrica). Instituto