Cálculo de Falhas Elétricas | Impedância de Sequência Positiva Negativa e Zero

Antes de aplicar o sistema de proteção elétrica apropriado, é necessário ter um conhecimento aprofundado das condições do sistema de energia elétrica durante as falhas. O conhecimento da condição de falha elétrica é necessário para implantar diferentes relés de proteção em diferentes locais do sistema de energia elétrica.

Informações sobre os valores máximos e mínimos de correntes de falha, tensões sob essas falhas em magnitude e relação de fase com as correntes em diferentes partes do sistema de energia, devem ser coletadas para a aplicação adequada do sistema de relé de proteção em diferentes partes do sistema de energia elétrica. A coleta de informações de diferentes parâmetros do sistema é geralmente conhecida como cálculo de falha elétrica.

O cálculo de falha, em termos gerais, significa o cálculo da corrente de falha em qualquer sistema de energia elétrica. Existem principalmente três etapas para calcular falhas em um sistema.

1. Escolha das rotações de impedância.

2. Redução de uma rede complexa de sistema de energia elétrica a uma única impedância equivalente.

3. Cálculo de correntes e tensões de falha elétrica usando a teoria dos componentes simétricos.

Notação de Impedância do Sistema de Energia Elétrica

Se olharmos para qualquer sistema de energia elétrica, veremos que existem vários níveis de tensão. Por exemplo, suponha um sistema de energia típico onde a energia elétrica é gerada a 6,6 kV, então essa energia de 132 kV é transmitida para a subestação terminal, onde é reduzida para níveis de 33 kV e 11 kV, e esse nível de 11 kV pode ser ainda mais reduzido para 0,4 kV.

Portanto, a partir deste exemplo, fica claro que uma mesma rede de sistema de energia pode ter diferentes níveis de tensão. Assim, o cálculo de falha em qualquer local do referido sistema torna-se muito difícil e complicado se tentarmos calcular a impedância de diferentes partes do sistema de acordo com seu nível de tensão.

Essa dificuldade pode ser evitada se calcularmos a impedância de diferentes partes do sistema em referência a um único valor base. Essa técnica é chamada de notação de impedância do sistema de energia. Em outras palavras, antes do cálculo de falha elétrica, os parâmetros do sistema, devem ser referidos a quantidades base e representados como um sistema uniforme de impedância em ohms, porcentagem ou valores por unidade.

Energia elétrica e tensão são geralmente tomados como quantidades base. No sistema trifásico, a energia trifásica em MVA ou KVA é tomada como potência base e a tensão linha-a-linha em KV é tomada como tensão base. A impedância base do sistema pode ser calculada a partir dessas potências e tensões base, conforme segue,

Por unidade é um valor de impedância de qualquer sistema que não é nada mais do que a razão entre a impedância real do sistema e o valor base de impedância.

Impedância percentual pode ser calculada multiplicando 100 pelo valor por unidade.

Além disso, às vezes é necessário converter valores por unidade referidos a novos valores base para simplificar diferentes cálculos de falha elétrica. Nesse caso,

A escolha da notação de impedância depende da complexidade do sistema. Geralmente, a tensão base de um sistema é escolhida de modo a exigir o mínimo número de transferências.
Suponha, por exemplo, um sistema com um grande número de linhas aéreas de 132 kV, poucas linhas de 33 kV e muito poucas linhas de 11 kV. A tensão base do sistema pode ser escolhida como 132 kV, 33 kV ou 11 kV, mas aqui a melhor tensão base é 132 kV, porque exige o menor número de transferências durante o cálculo de falha.

Redução de Rede

Depois de escolher a notação de impedância correta, o próximo passo é reduzir a rede a uma única impedância. Para isso, primeiro temos que converter a impedância de todos os geradores, linhas, cabos, transformadores a um valor base comum. Então, preparamos um diagrama esquemático do sistema de energia elétrica mostrando a impedância referida ao mesmo valor base de todos esses geradores, linhas, cabos e transformadores.

A rede então é reduzida a uma única impedância equivalente comum usando transformações estrela/triângulo. Diagramas de impedância separados devem ser preparados para redes de sequência positiva, negativa e zero.

As falhas trifásicas são únicas, pois são equilibradas, isto é, simétricas em três fases, e podem ser calculadas a partir do diagrama de impedância de sequência positiva de fase única. Portanto, a corrente de falha trifásica é obtida por,

Onde, I f é a corrente total de falha trifásica, v é a tensão fase-neutro, z 1 é a impedância total de sequência positiva do sistema; assumindo que no cálculo, as impedâncias estão representadas em ohms em uma base de tensão.

Análise de Componentes Simétricos

O cálculo de falha acima é feito com a suposição de um sistema trifásico equilibrado. O cálculo é feito apenas para uma fase, pois as condições de corrente e tensão são as mesmas em todas as três fases.

Quando ocorrem falhas reais no sistema de energia elétrica, como falha fase-terra, falha fase-fase e dupla falha fase-terra, o sistema se torna desequilibrado, ou seja, as condições de tensão e corrente em todas as fases não são mais simétricas. Tais falhas são resolvidas pela análise de componentes simétricos.

Geralmente, o diagrama vetorial trifásico pode ser substituído por três conjuntos de vetores balanceados. Um tem rotação de fase oposta ou negativa, o segundo tem rotação de fase positiva e o último é co-fásico. Isso significa que esses conjuntos de vetores são descritos como sequência negativa, positiva e zero, respectivamente.

A equação entre as grandezas de fase e de sequência é,

Portanto,

Onde todas as grandezas estão referidas à fase de referência r.
Da mesma forma, um conjunto de equações pode ser escrito para as correntes de sequência também. A partir das equações de tensão e corrente, pode-se determinar facilmente a impedância de sequência do sistema.

O desenvolvimento da análise de componentes simétricos depende do fato de que, em um sistema de impedância equilibrado, as correntes de sequência podem dar origem apenas a queda de tensão da mesma sequência. Uma vez que as redes de sequência estejam disponíveis, estas podem ser convertidas em uma única impedância equivalente.

Consideremos Z1, Z2 e Z0 como as impedâncias do sistema para o fluxo de correntes de sequência positiva, negativa e zero, respectivamente.
Para falha a terra

Falhas fase-fase


Dupla falha fase-terra

Falhas trifásicas

Se a corrente de falha em qualquer ramo particular da rede for necessária, a mesma pode ser calculada após combinar os componentes de sequência fluindo naquele ramo. Isso envolve a distribuição de correntes de componentes de sequência, conforme determinado pela resolução das equações acima, em suas respectivas redes de acordo com suas impedâncias relativas. As tensões em qualquer ponto da rede também podem ser determinadas uma vez que as correntes de componentes de sequência e as impedâncias de sequência de cada ramo sejam conhecidas.

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