TCC - Cálculo de Desempenho de Linhas de Transmissão

CÁLCULO DE DESEMPENHO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO:
João Vítor Drumond
Trabalho de Conclusão de Curso
2023/1
Engenharia Elétrica
Uma Comparação entre os Resultados Obtidos via IEEE Flash e ATP
Orientador: Rafael Silva Alípio
Coorientador: Fernando Almeida Diniz
Supervisora: Daiane Conceição Rafael

ORGANIZAÇÃO
INTRODUÇÃO
DESEMPENHO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO
ESTUDO DE CASO
METODOLOGIA
RESULTADOS
CONCLUSÃO
1.
2.
3.
4.
5.
6.
João Vítor Drumond | Engenharia Elétrica| 2023 | CEFET-MG 1

INTRODUÇÃO
O desempenho de uma LT é medido por seu número de desligamentos.
Sugundo Visacro (2005, p. 144), as descargas atmosféricas são a principal causa de
desligamentos não-programados em LTs (70%).
O software IEEE Flash é amplamente utilizado para o cálculo de desempenho de linhas
de transmissão.
2
João Vítor Drumond | Engenharia Elétrica| 2023 | CEFET-MG
Contextualização:

INTRODUÇÃO
Programa de código aberto, desenvolvido pelo IEEE.
Uso descomplicado e intuitivo.
Aceito, no Brasil, por órgãos como a ANEEL e o ONS, assim como várias concessionárias
de energia.
Apresenta modelos e metodologias muito simplificadas.
Será retomado com mais detalhes ao decorrer da apresentação,
3
Resumidamente, o IEEE Flash:

INTRODUÇÃO
Apresentar uma descrição crítica dos modelos e premissas adotados pelo IEEE Flash.
Implementar uma metodologia de cálculo de desempenho de LTs utilizando o ATP Draw.
Comparar os resultados de desempenho obtidos para linhas de diferentes classes de
tensão com as duas metodologias, verificando o efeito da variação de resistência de
aterramento.
4
Objetivo do Trabalho:

2. DESEMPENHO DE
LINHAS DE TRANSMISSÃO

DESLIGAMENTO DE LTS
Incidência sobre os cabos de fase.
Ocorre para correntes menos
intensas.
Tipicamente suportáveis aos níveis
de isolamento de transmissão.
Incidência sobre a torre ou sobre a
blindagem.
Capaz de superar o isolamento da
LT.
Ocorrências mais severas.
Foco deste trabalho.
FALHA DE BLINDAGEM BACKFLASHOVER

FALHAS DE BLINDAGEM
Menor raio de atração.
Incidência sobre a fase.
Flashover ocorre para linhas menores, como
RDs rurais.
Fonte: IEEE Std 1243-
1997 - "IEEE Guide for
Improving the Lightning
Performance of
Transmission Lines". 1997.

FALHAS DE BLINDAGEM
Menor raio de atração.
Incidência sobre a fase.
Flashover ocorre para linhas menores, como
RDs rurais.
Fonte: S. Filho, "Descargas
Atmosféricas: Uma
abordagem de
Engenharia". Editora
Artliber, 2005.
Fonte: IEEE Std 1243-
1997 - "IEEE Guide for
Improving the Lightning
Performance of
Transmission Lines". 1997.

BACKFLASHOVER
Elevada corrente de descarga.
Incidência no meio do vão: divisão da corrente.
Pode haver ruptura entre blindagem e fase.
Incidência na torre: efeito maior da corrente.
Corrente crítica: valor de corrente impulsiva para
a qual ocorre a ruptura do isolamento.
Fonte: S. Filho, "Descargas
Atmosféricas: Uma abordagem
de Engenharia". Editora Artliber,
2005.

BACKFLASHOVER
Parâmetros de Influência na Sobretensão Resultante:

ATERRAMENTO
Caminho de baixa impedância para a corrente impulsiva.
Eletrodos são cordoalhas metálicas dispostas de forma radial.
Deve-se buscar a menor resistência com o menor comprimento de contrapeso.
Medições de resistividade (ABNT NBR 7117).
Medições de resistência de aterramento (ABNT NBR 15749).

ATERRAMENTO
Arranjo de aterramento típico. Coeficiente de reflexão de tensão.
Índice 1: torre;
Índice 2: aterramento.

FATORES DE PROJETO
Projeto básico: geometria da torre típica e resistência média de aterramento.
Projeto executivo: projeto do sistema de aterramento com base em medições de
resistividade.
Visa-se a menor quantidade de desligamentos.
O prejuízo é maior para as transmissoras (desconto sobre a receita mensal, ou
pagamento base).

FATORES DE PROJETO
Critério do ONS para LTs pertencentes ao SIN.
Fonte: ONS, "Procedimentos de Rede
- Módulo 2- Critérios e Requisitos.
Submódulo 2.7: Requisitos mínimos
para linhas de transmissão.

FATORES DE PROJETO
Os resultados de desempenho previstos em projeto devem ser submetidos
ao ONS.
Fonte: ONS, SAGIT - Sistema de
Análise e Gerenciamento de
Instalações de Transmissão.
Disponível em:
http://aplicac.ons.org.br/sagit/

3. ESTUDO DE CASO

ESTUDO DE CASO
Avaliou-se o
BFR de duas
LTs, uma de
138 kV e uma
de 230 kV.
Três
distribuições de
impedância de
aterramento
foram utilizadas.
Comparou-se
os resultados
do IEEE Flash e
do ATP.

Publicado em 1980.
Desenvolvido em código aberto.
Interface atual em Excel.
Implementado também em C e Matlab.
Análise de falha de blindagem e
backflashover.
ESTUDO DE CASO
18
Sobre o IEEE Flash:

Utilização de formas de onda padronizadas.
Uso da altura média dos condutores.
Limite na quantidade de cabos de blindagem.
ESTUDO DE CASO
19
Algumas considerações do IEEE Flash¹:
Rigidez dielétrica da cadeia calculada
conforme fórmula experimental.
Somente duas reflexões nos vãos
adjacentes.
¹W.A. Chisholm, "The IEEE Flash Program: A
Structure for Evaluation of Transmission Lightning
Performance."

Desenvolvido pelo Dr. W. Scott Meyer.
Programa aberto, não-comercial.
Apresenta interface gráfica.
Pré-processamento dos cartões.
Solução numérica de transitórios
eletromagnéticos.
ESTUDO DE CASO
20
Sobre o ATP Draw:

ESTUDO DE CASO
Modelagem criteriosa e flexível de componentes do sistema.
Possibilidade de se avaliar o comportamento de parâmetros dependentes da frequência.
Possibilidade de se avaliar cabos underbuilt.
Possibilidade de se avaliar o efeito de elementos não-lineares tais como para-raios.
21
Vantagens do ATP:

4. METODOLOGIA

METODOLOGIA
Organização dos dados de cada LT
estudada e das distribuições de resistência
de aterramento.
CONFIGURAÇÃO
DO IEEE FLASH
CONFIGURAÇÃO
DO ATP DRAW
Modelagem de cada componente do sistema
de acordo com critérios pré-definidos.
Organização das saídas para aplicação do
método DE.

GEOMETRIA DAS TORRES
24
LT 138 kV LT 230 kV
Fonte: F. Vasconcellos, R. Alípio, and F. Moreira,
“Evaluation of the Impact of Including the
Frequency-Dependent Behavior of Grounding
Systems on the Lightning Performance of
Transmission Lines and on Grounding Systems
Design,”
Fonte: Daiane Conceição, Rafael
Alipio, William A. Chisholm, and
Ivan J.. S. Lopes, “Lightning
Performance Calculation of
Transmission Lines Considering a
Detailed Modeling of the Tower
Geometries Distribution,”

MODELO DO FLASH
25
Fonte: M. A. Sargent and M. Darveniza,
“Tower Surge Impedance,” IEEE Trans.
Power
Appar. Syst., vol. PAS-88, no. 5, pp.
680–687, 1969,
Representações baseadas na silhueta das torres.
Adotou-se o modelo cônico para os dois casos.
Valores calculados:

MODELO DO ATP
26
Fonte: A. De Conti, S. Visacro, A. Soares, and M. A. O.
Schroeder, “Revision, Extension, and Validation of Jordan’s
Formula to Calculate the Surge Impedance of Vertical
Conductors.”
Torres representadas como condutores verticais. Modelo de Jordan.
Componente do ATP: linha monofásica.
Valores calculados:

SISTEMA DE ATERRAMENTO
27
Valores por torre extraídos de distribuições log-normais com valores medianos em 10, 20
e 30 Ohms.
No IEEE Flash: entra-se com os valores médios de dez conjuntos das distribuições
ordenadas.
No ATP: resistor com valor correspondente à média do intervalo considerado.

28
Distribuições de Resistência:
10 Ohms 20 Ohms 30 Ohms

29
Intervalos ordenados:
10 Ohms 20 Ohms 30 Ohms

Aspectos construtivos e parâmetros elétricos obtidos de folhas de dados de fabricantes.
No Flash: informa-se o comprimento da cadeia.
No ATP: importante saber o valor de CFO (Critic Flashover Overvoltage) da cadeia.
CADEIA DE ISOLADORES
30

31
No Flash: posicionamento dos cabos, as flechas e o diâmetro.
No ATP: linha simulada através do bloco LCC, modelo "JMarti".
A resistência dos cabos deve ser corrigida para a temperatura operacional.
As flechas devem ser calculadas com base no tracionamento do cabo, comprimento do
vão e distâncias de segurança.
LINHA DE TRANSMISSÃO

CORRENTE IMPULSIVA
32
Foram utilizadas 7 funções de Heidler para a representação da corrente impulsiva.
Fonte: F. Heidler, “Analytische
blitzstromfunktion zur LEMP-berechnung,”
18th Internacional Conference on Lightning
Protection, 1985.

CORRENTE IMPULSIVA
33
Os parâmetros de cada função foram levantados com base em dados de medição da
estação de San Salvatore.
Fonte: A. De Conti and S. Visacro, “Analytical
Representation of Single- and Double-Peaked
Lightning Current Waveforms.”

SIMULAÇÕES
No modelo de simulação no ATP, tomou-se a torre
incidente e dois vãos adjacentes.
Os arquivos LCC das extremidades são
suficientemente grandes.
Mede-se a sobretensão na cadeia de isoladores para
cada fase.
Para as duas LTs, fez-se uma simulação para cada
resistência dos intervalos ordenados (60
simulações).
34

Curvas "V x t", o Método de Progressão do Líder e o
Método do Efeito Disruptivo - DE (Disruptive Effect).
Optou-se neste trabalho pela aplicação do Método DE.
Parte-se da consideração de uma "porção ativa" da
sobretensão.
AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO
35

36
Formulação Matemática:
O intervalo de integração (t1 - t2) corresponde
à "Porção Ativa da Onda".
Fonte: William A. Chisholm, “New Challenges in
Lightning Impulse Flashover Modeling of Air Gaps and
Insulators,” IEEE Electrical Insulation Magazine, 2010.

O mínimo valor de DE para o qual há disruptura é denominado DE "crítico".
37
Formulação Matemática:
Adotando-se as constantes apresentadas no slide anterior.
Fonte: Andrew R. Hileman, Insulation Coordination for
Power Systems, First., vol. 1. New York: CRC Press,
Taylor & Francis Group, 1999.

Procedimento numérico desenvolvido em MATLAB.
Cálculo inicial desconsiderando a rede.
Cálculo final considerando a tensão de 60 Hz.
Se DE < DEc, incrementa-se a sobretensão.
Se DE > DEc, reduz-se a sobretensão.
Itera-se até o erro mínimo.
38

A quantidade de desligamentos (BFR - Backflashover Rate) é calculada para cada
resistência da série.
39
Onde:
É o total de descargas que incidem sobre a
torre de transmissão (60%)
Para padronização da análise, optou-se por utilizar densidade de descargas unitária.

Arquivos de plot do ATP
formato ".MAT"
ENTRADAS:
Diagrama do procedimento:
Corrente crítica
BFR
Arquivo .m
SAÍDAS:
40
CÓDIGO EM MATLAB

5. RESULTADOS

Redução da corrente crítica com o aumento da resistência de aterramento.
Desligamentos para 138 kV atendem aos limites definidos na literatura.
Desligamentos para 230 kV atendem ao ONS para a primeira e a segunda distribuições.
RESULTADOS DO FLASH
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RESULTADOS DO ATP
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Diferença considerável com relação aos resultados do Flash, principalmente para os
desligamentos.
Correntes críticas são todas superiores. Os desligamentos são todos inferiores.

6. CONCLUSÃO

As simplificações adotadas na implementação do Flash culminam em resultados
discrepantes, quando comparados a metodologias mais criteriosas.
Resultados do Flash podem levar ao sobredimensionamento do sistema, que pode se
confirmar operacionalmente.
Recomenda-se a utilização de metodologias auxiliares, em conjunto com o IEEE Flash,
como as simulações via softwares do tipo EMTP.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
45

Avaliação do problema para outras classes de tensão (345 kV, 500 kV etc.).
Avaliação para linhas de corrente contínua.
Comparação de resultados do IEEE Flash com os de sistemas que consideram o
comportamento do aterramento dependente da frequência.
SUGESTÃO DE CONTINUIDADE
46

OBRIGADO!

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