Curto-CircuitosConceitos gerais
Um Curto-Circuito (CC) corresponde a uma alteração estrutural abrupta num Sistema Eléctrico de Energia (SEE), caracterizada pelo estabelecimento de um contacto eléctrico fortuito através de um circuito de baixa impedância entre dois pontos a potenciais diferentes.
Ocorrem em: Barramentos das Subestações, PT, quadros eléctricos, geralmente devido à acção de
elementos externos;
Linhas aéreas, devido a sobre-tensões de descargas atmosféricas ou acção de elementos externos (aves, ramos de árvores, etc.), ruptura de condutores, isoladores e apoios;
Cabos subterrâneos, transformadores e máquinas rotativas e aparelhagem de corte, devidos a falhas de isolamento (aquecimento, efeitos mecânicos, envelhecimento, campos eléctricos elevados).
Tem como consequências:
Correntes elevadas (substancialmente superiores ás correntes de carga verificadas em condições normais), que se durarem demasiado tempo provocam o aquecimento dos condutores e a deterioração irreversível do equipamento;
Correntes elevadas, que provocam esforços electrodinâmicos entre fases dos elementos condutores dos equipamentos (barramentos, enrolamentos, etc.);
Variações de tensão, com quedas de tensão muito elevadas em algumas fases e por vezes com elevações de tensão em outras.
Curto-CircuitosConceitos gerais
O cálculo de CC é necessário para efeitos de dimensionamento dos equipamentos da rede: Os condutores, isoladores e cabos, devem suportar o aquecimento causado
pela corrente máxima do CC, durante o tempo de actuação das protecções.
Os suportes, barramentos e enrolamentos, devem suportar os esforços electrodinâmicos para a corrente máxima do CC.
Os disjuntores, devem ter poder de corte para a corrente máxima do CC.
Os relés, são ajustados para correntes de CC calculadas em diversos pontos da rede e para diversos tipos de CC.
Existem vários tipos de CC: CC simétricos, envolvendo as três fases com uma impedância de defeito igual
em todas as fases. Se a impedância for nula designa-se um CC franco.
CC assimétricos, são os CC que envolvem apenas uma fase (fase-terra) ou duas fases (fase-fase e fase-fase-terra).
Curto-CircuitosCorrentes de Curto-circuito: Definições e Características
Define-se Corrente de Curto-Circuito como a corrente que flui através do defeito enquanto este persiste.
Os SEE são projectados de forma a ser possível a limitação dos CC à área mais restrita possível, mediante a utilização de equipamento apropriado que pode ser operado em condições de CC sem sofrer degradação das suas condições físicas.
A forma de onda da corrente de CC depende do valor da onda de tensão no instante em que ocorre o defeito ilustração…
'' '' '' ''arg( )Z Z R j L
c c cZ R j L
''
2 2'' ''
k
UI
R L
Corrente de CC inicial simétrica
'' ''
´́ ''
L Xtg
R R
i(0) Pode desprezar-se
Corrente inicial muito
pequena, por ser Z’’ << Zc
iDC componente contínua da
corrente de CC, tende para
zero ao fim de t=5L’’/R’’ (s)
componente estacionária da
corrente de CC, é uma componente
periódica simétrica
Esfasamento da tensão
relativamente ao instante do CC
Existe um instante mais desfavorável para
ocorrer o CC, em que a corrente i(t) é máxima
Carga
Curto-CircuitosCorrentes de Curto-circuito: Definições e Características
´́
´́'' ''( ) 0 2 ( ) 2 ( )
Rt
Lk ki t i I sen e I sen t
Curto-CircuitosCorrentes de Curto-circuito: Definições e Características
i(t)
u(t)
Situação mais desfavorável:
onda de tensão passa por zero no
momento de ocorrência do cc
(valor máximo da componente
contínua) possível duplicação
da corrente de pico em relação à
corrente de CC inicial simétrica
Situação mais favorável:
onda de tensão passa pelo valor de pico
(max. ou min.) no momento de ocorrência
do cc (componente contínua é nula).
A corrente de CC não apresenta
componente contínua.
i(t)
u(t)
Curto-CircuitosCorrentes de Curto-circuito: Definições e Características
A presença de uma componente DC na corrente de curto-circuito faz com que esta apresente características de assimetria nos instantes que se seguem ao aparecimento do CC.
No exemplo anterior, a impedância foi considerada como invariante no tempo. No entanto, as máquinas sincronas e cargas do tipo motor (sincronoou assíncrono), sendo as principais fontes das correntes de CC, apresentam um comportamento diferenciado no que respeita à sua indutância interna em diferentes momentos do tempo Não se pode assumir uma impedância constante na análise de CC
Definem-se então três períodos relativos à variação no tempo da componente fundamental da corrente de curto-circuito:
Período sub-transitório: período inicial durante o qual a corrente de cc diminui rapidamente de valor;
Período transitório: período seguinte, correspondendo a uma diminuição mais lenta da corrente de cc, até ser atingido o valor permanente desta corrente;
Período permanente: período em que a corrente de curto-circuito apresenta o seu valor estacionário. Obviamente, este período não será atingido, dado que o tempo total de isolamento do defeito é muito inferior.
Para cada um dos três períodos identificados, é decisiva a contribuição dos alternadores (geradores síncronos) e motores, em resultado das variações das respectivas reactâncias:
Período sub-transitório: reactância sub-transitória Xk’’ para Ik’’
Período transitório: reactância transitória Xk’
Período permanente: reactância síncrona Xsk
Sub-transitório
(0,02s a 0,05s)
Transitório
(0,05s a 3s)Permanente
Curto-CircuitosCorrentes de Curto-circuito: Definições e Características
Ik’’ – Corrente de CC inicial simétrica: valor eficaz da corrente de curto-circuito simétrica
no instante em que ocorre o curto-circuito. À parte dos restantes compontes da rede, o seu valor
édeterminado tendo em consideração as reactâncias sub-trânsitórias das máquinas presentes no sistema.
ip – Valor de pico da corrente de CC: valor máximo
instantâneo da corrente de cc (depende do instante do ciclo da onda
de tensão em que ocorre o cc)
idc – Componente contínua da corrente de CC
Ik – Corrente de CC permanente
Sk’’ – Potência de CC inicial simétrica ´́ ''3k n kS U I
Valor eficaz da corrente de cc simétrica que permanece após
o desaparecimento da fase trânsitória do fenómeno
2 2 kI
''2
2kI
(S.I.)
Curto-CircuitosCorrentes de Curto-circuito: Definições e Características
CC próximo do alternador
CC afastado do alternadorA corrente de CC inicial simétrica I’’k é praticamente constante durante o cc. Tal
deve-se ao pequeno peso relativo que as máquinas síncronas têm no valor da
impedância equivalente.
A componente alternada simétrica da corrente de CC vai diminuindo desde a corrente
inicial simétrica de cc até à corrente de cc permanente. Este decrescimento deve-se à
variação no tempo da reactância das máquinas síncronas e sua influência na
variação da impedância vista do local de defeito.
Curto-CircuitosCorrentes de Curto-circuito: Definições e Características
Curto-CircuitosVariação no tempo da Corrente de CC
Para determinar o valor de pico da corrente de cc ip, multiplica-se o valor máximo da corrente da corrente de cc inicial simétrica por um factor empírico associado à máxima percentagem de componente contínua previsível:
Este factor traduz a maior ou menor rapidez de decaimento da componente contínua e é função da razão R/X vista do local de defeito:
''2p ki I
''
''3
1,02 0,98
R
Xe
Curto-Circuitos Simétricos Modelo dos componentes do sistema
Componentes que alimentam o CC: Máquinas síncronas
Máquinas assíncronas
Componentes que limitam os valores das correntes de CC: Transformadores
Linhas e cabos
Os modelos de transformadores, linhas, cabos e cargas são semelhantes aos utilizados nos trânsitos de potência.
Curto-Circuitos Simétricos Modelo dos componentes do sistema
As cargas, se passivas, podem ser representadas por impedâncias constantes
As impedâncias das cargas são muito elevadas em comparação com as impedâncias dos restantes componentes, em alguns modelos de CC desprezam-se assumindo erros da ordem de 5% (-5% que o valor com carga). Se desprezar apenas a parte activa das cargas os erros serão inferiores a (-1%)
As cargas reactivas, não passivas (motores de indução), podem contribuir para alimentar o CC no período sub-transitório
S P jQ
* ** * 2
2
P jQS V I VY V V Y Y
V
V
Modelos de cargas
1Z
Y
Curto-Circuitos Simétricos Modelo dos componentes do sistema
Modelos de máquina síncrona
~
'' ' ou ou sZ jX jX jX
'' 0 ''
' 0 '
0
=V
=V
=V
i i
i i
i i
E Z I
E Z I
E Z I
• Despreza-se a resistência dos enrolamentos (se não for conhecida)
• Considera-se apenas a frequência fundamental , desprezando-se a freq. dupla
• Usa-se um factor empírico para ter em conta a componente contínua
• Considera-se um regime quase estacionário (admite-se que a corrente simétrica não
decresce em amplitude) em cada período (sub-transitório, transitório e simétrico)
• Para disjuntores rápidos (RNT: 1,5 a 2 ciclos) usa-se a reactância sub-transitória
• Para disjuntores lentos (Distribuição: 4 a 5 ciclos) usa-se a reactância transitória
• Para cálculo de esforços electrodinâmicos usa-se a reactância sub-transitória
p.u.
X'' 0,1 - 0,2
X' 0,2 - 0,4
Xs 1,0 - 1,3
Curto-Circuitos Simétricos Modelo dos componentes do sistema
Equivalentes de rede
Alguns comentários:
• Consiste no equivalente de Thévenin que representa a rede para montante
• Caracterizado por uma potência de curto circuito Scc ou corrente de cc Icc
• Scc máximo da rede quando: as cargas são máximas (pontas; Zcarga mínimo), as contribuições de
produção são máximas, tensões iniciais mais elevadas, configurações de rede mais emalhadas
• Scc mínima da rede quando : as cargas são mínimas (vazio; Zcarga máximo), o número de grupos
ligados é menor, tensões iniciais mais baixas, configurações de rede pouco emalhadas
Ik’’
k
k
''
kZ
'' ''3k nk kS V I
''
'' (SI)
3
nkk
k
c VI
Z
''
''
''
''
(pu)
(pu)
k
k
k
k
cI
Z
cZ
S
'' '' (pu)k kS I
Icc_max Icc_min
BT (<1 kV) 1,0 0,95
MT (< 35 kV) 1,1 1,0
AT e MAT 1,1 1,0
Valores iniciais da tensão
a considerar (parâmetro c)
:
,
3
b b nk
bb
nk
Bases
S V V
SI
V
Dividindo
por Sb
Dividindo
por Ib
Curto-Circuitos Simétricos Modelo dos componentes do sistema
Linhas, Cabos e transformadores
2
1212_
CjY sh
12_shY
1212
12
1
jXRY
• Usa-se o modelo em PI, tal como nos estudos de trânsitos de potência
• Nas linhas aéreas de MT AT e MAT pode desprezar-se R e Ysh, com erros inferiores a 1%
(obtêm-se +1% que com os modelos completos). Em BT ou em redes com cabos já tem
importância (fundamental se R>>X, que é o caso da BT).
• Usualmente os cabos limitam menos as CC que as linhas, por terem reactância X mais baixa
(mas depende do tipo de montagem dos cabos)
• Nos transformadores existem componentes longitudinais que são uma componente de
reactância de fugas Xf e uma resistência pequena que pode ser desprezada. As componentes
transversais são a resistências de perdas no ferro (desprezável) e reactância de magnetização
que é na maior parte dos transformadores muito elevada.
• Para CC assimétricos é necessário ter em conta a configuração de enrolamentos do
transformador, como veremos mais tarde.
1 2
Curto-Circuitos Simétricos Modelo dos componentes do sistema
Modelo de máquina assíncrona
• Funciona geralmente como motor, mas nos instantes iniciais do CC passa a
funcionar como gerador.
• Durante o CC deixa de receber a energia reactiva da rede, que necessita para a
excitação, diminuindo rapidamente o fluxo magnético, contribuindo para o CC
apenas durante o período sub-transitório (2 a 4 ciclos).
• A contribuição de corrente para o CC é praticamente igual à corrente de
arranque como motor
~
''jX
'' 0 '' =Vi iE Z I
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia de geral de cálculo
Objectivo:
Cálculo da corrente de CC inicial simétrica no nó de defeito
Cálculo das tensões pós defeito em todos os nós
Cálculo das correntes pós-defeito em todos os ramos
Pressupostos:
A rede é equilibrada e simétrica, antes e após o defeito, as fontes geram sistemas trifásicos equilibrados de f.e.m., e os defeito é também simétrico, pelo que se pode fazer uma análise por fase
Os parâmetros dos componentes são constantes, correspondendo ao período sub-transitório
A simulação de defeito consiste na introdução de uma impedância de defeito Zd entre o nó de CC e a referência do circuito
Assim, a análise de CC resume-se ao estudo em regime permanente e simétrico de circuitos lineares.
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia geral cálculo
Exemplo ilustrativo
~50 MVA
10 kV'' 20%X
10%fx
45 j
10 MVAcos 0,8 ind
30 MVAcos 0,8 ind
1 2
50 MVAbS
10 kVbGV
Re 150 kVb deV
Converter para sistema pu
CC trifásico simétrico
franco no barramento 2
2 150 kVV
2 1 . .V p u
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia geral cálculo
~0
0,79/ 36.2ºGI
0,1j1 2
Passo 1 – Cálculo dos valores pré-defeito de tensões e correntes
usando um trânsito de potências
0
1 1,037/ 2,7ºV
0
1 0,19/ 34.2ºCI 0
2 0,60/ 36.9ºCI
0
2 1,000/ 0ºV
0
12 0,60/ 36.9ºI
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia geral cálculo
Passo 2 – Construção do diagrama unifilar da rede
~
0,1j1 2
1 4,32 3,24CZ j 2 1,34 1,00CZ j
'' 0,2jX j
0,1fjX j
GE
20
1
1
1 1
C
C C
VZ
P jQ
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia geral cálculo
Passo 3 – Aplicar o teorema de Thévenin no nó de defeito, para
simular a introdução de um novo ramo no circuito (“o ramo do CC”)
0,1j1 2
1CZ
0dZ
'' 0,2jX j
0,1fjX j
2CZ
~ 0
2 1,000/ 0ºTE V 1. Aplicar uma f.e.m. de Thévenin ET no nó de CC,
correspondente ao valor pré-defeito da tensão nesse ponto
2. Colocar em série com a f.e.m. a impedância de defeito Zd
3. As restantes fontes de tensão são curto-circuitadas, sendo
substituídas pela respectiva impedância interna
1
2
3
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia geral cálculo
0,1j1
1CZ
dZ
''jX
fjX
2CZ
~ 0
2 1,000/ 0ºTE V
Passo 4 – Com base no teorema de Thévenin, resolver o circuito
calculando as variações de tensão e variações de corrente devidas à
introdução do ramo de CC.
1 0,743/179,3ºT
V
1 0,14/142.4ºT
CI
''
22
T
T dV E Z I
2 0,60/143,1ºT
CI
''
2 2,97/ 79,6ºI
2,48/ 269.3ºT
GI
12 2,56/ 88,7ºT
I
0'' 22
eq d
VI
Z Z
A corrente de CC inicial simétrica fica
calculada neste passo, porque a variação
é igual ao valor final (não existia corrente
inicial por não existir o ramo de CC).
''
22
T
eqV Z I
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia geral cálculo
0,1j1
dZ
Passo 5 – Segundo o teorema da sobreposição, o valor das correntes e
tensões finais pode ser obtida pela soma algébrica dos valores pré-defeito
com os valores de variação causada pela f.e.m. ET do ramo do CC.
1 0,298/11ºf
V
3,01/ 78,3ºf
GI
2 0,000/ 0ºf
V
''
2 2,97/ 79,6ºI
1 0,06/ 25,6ºf
CI 12 2,97/ 79,6ºf
I
~
2 0,0/ 0,0ºf
CI
1CZ 2CZ
0f TI I I
0f TV V V
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia geral cálculo
Análise de resultados do exemplo radial
As tensões pós-defeito são muito baixas no ponto de CC, aumentando para nós próximos dos geradores
As correntes pós-defeito são predominantemente indutivas, em atraso cerca de 90º relativamente às tensões (trânsitos de reactiva dos geradores para o defeito)
A corrente das cargas pós-defeito diminui muito, especialmente junto do ponto de CC, pelo que é aceitável desprezar as cargas já que estas pouco significam no cálculo do equivalente te Thévenin.
A corrente nos ramos aumenta muito relativamente ao valor inicial, pelo que é aceitável considerar o sistema inicial em vazio, evitando o cálculo do trânsito de potências inicial.
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia sistemática para cálculo computacional
SEE genérico com n nós, sendo k o nó onde se pretende simular a ocorrência de um cc trifásico simétrico
k: nó de defeito
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia sistemática para cálculo computacional
Vectores (dimensão: n) referentes aos valores das tensões nodais: Vector das tensões nodais pré-defeito: obtido mediante a resolução de um problema
de trânsito de potências para as condições de exploração do sistema antes da ocorrência do defeito
Vector das variações das tensões nodais (tensões de Thévenin): calculado por aplicação do Teorema de Thévenin. Para tal considera-se o esquema unifilar da rede, utilizando os modelos dos diversos componentes referentes aos estudos de cc, com todas as fontes de tensão curto-circuitadas e substituidas pelas respectivas impedâncias internas.
Em série com a impedância de defeito Zd ligada entre o nó k e o nó de referência, considera-se uma fonte de tensão com f.e.m
1T
T Tk
Tn
V
V V
V
01
0 0
0
k
n
V
V V
V
Zd
~ ET=V k0
kET=V k
0
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia sistemática para cálculo computacional
Vectores (dimensão: n) referentes aos valores das tensões nodais: Vector das tensões nodais pós-defeito: por aplicação do teorema da sobreposição,
pode calcular-se o vector das tensões nodais pós-defeito
1f
f fk
fn
V
V V
V
0f TV V V
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia sistemática para cálculo computacional
Formulação matricial usando a matriz das impedâncias do diagrama
unifilar da rede de Thévenin: cálculo das tensões de Thévenin (variação
da tensão nos nós)
1 1 1 1
1
1
0
0
T
k k n
T ''k kk knk k
T n nk nnn
V Z Z Z
Z Z ZV I
Z Z ZV
Zd
~ ET=V k0
kkZT ''
kk kkV Z I Na diagonal i:
Impedância equivalente Zeq a montante do nó i
Fora da diagonal ik:
Impedância que relaciona o efeito da corrente
injectada no nó k com a variação da tensão no nó i
''kI
''kI
Zd
k
''kI
TT '' k
kk k kkk ''k
VV Z I Z
I
TT '' i
ik k iki ''k
VV Z I Z
I
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia sistemática para cálculo computacional
0 0 011 1 1 11 1
0 0 0
0 0
0
0
f T ''k kk
f T ''kk kkk k k kk k
Tf nkn n nn
V V V V V Z IZ
ZV V V V ZV I
ZV V VV
0
''k
''nk kn
I
V Z I
Cálculo das tensões pós-defeito
0'' kk
kk d
VI
Z Z
Tensões
pré-defeito
Tensões de Thévenin
(variações das tensões nodais)
Tensões
pós-defeito
Corrente de CC
Inicial simétrica
Só a coluna do
nó de defeito
Zd
k
''kI
f ''kdk
V Z I
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia sistemática para cálculo computacional
Etapa 1: Condições de operação pré-defeito (p.u.)
0iV1) Resolução do trânsito de potências:
Etapa 2: Variações provocadas pelo defeito (p.u.)
Y Z
2.1) Construção do esquema unifilar do equivalente de Thévenin (em p.u.)
2.2) Construção da matriz das impedâncias nodais:
2.3) Cálculo da corrente de defeito: 0''k kkkI V Z Zd
Etapa 3: Condições de operação pós-defeito (p.u.)
0 0f T ''ik ki i i iV V V V Z .I
f ''d kk
V Z .I
2f f f f
sh _ ijij iji j iI V V z V Y /
0
0 0 0
fTi if T i
g g g g g'' ''g g
V VVI I I I I
jx jx
3.1) Cálculo da tensão nos nós:
3.2) Cálculo da corrente nos ramos:
3.3) Cálculo das contribuições de
geradores e equivalentes de rede:
no barramento k Restantes barramentos i
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia sistemática para cálculo computacional
Exemplo
~ ''gX
fTx
12 12 12z r jx
2 2P jQ
1 2
Converter para sistema pu
CC trifásico simétrico
franco no barramento 2
ccS
_12shy2 2P jQ
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia sistemática para cálculo computacional
~
0
RI
Passo 1 – Cálculo dos valores pré-defeito de tensões e correntes
usando um trânsito de potências
0
1V
0
1CI0
2CI
0
2V
0
12I0
21I
0
gI
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia sistemática para cálculo computacional
Construção do diagrama unifilar da rede
~
1 2
''
gjX
fTjX
GE
1 11 2
0
1
C CC
P jQY
V
'' 1,1 1,1R
CC CC
jX j jS Q
2 22 2
0
2
C CC
P jQY
V
12
_12 2sh
j Cy
1212 12
1y
r jx
12
_12 2sh
j Cy
~ 1,1 (p.u.)
Este não é o diagrama equivalente de Thévenin !
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia sistemática para cálculo computacional
1 11 2
0
1
C CC
P jQY
V
Diagrama unifilar equivalente de ThéveninConstrução da matriz [Y] equivalente de Thévenin
''
gjX
fTjX''
RjX
j B j
12 12
1_122'' 2 2
0
1
1 Csh
g fT
Q xy
X X r xV
12
_12 2sh
j Cy
12
_12 2sh
j Cy
12 12
2
2'' 2 2_120
2
1 C
shR
Q xy
X r xV
12 12
2 2
x
r x
12 12
2 2
x
r x
Y G j B
2 2 2 21212 12 12 12
r xy j
r x r jx
2 22 2
0
2
C CC
P jQY
V
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia sistemática para cálculo computacional
Diagrama unifilar equivalente de Thévenin
''
gjX
fTjX''
RjX
G
12 12
1 12
2 2 20
1
CP r
r xV
12
_12 2sh
j Cy
12
_12 2sh
j Cy
12 12
2
2 2 20
1
CP r
r xV
12 12
2 2
r
r x
12 12
2 2
r
r x
Y G j B
Geralmente é possível
desprezar [G]
(erros inferiores a 1%)
1 11 2
0
1
C CC
P jQY
V
2 2 2 21212 12 12 12
r xy j
r x r jx
2 22 2
0
2
C CC
P jQY
V
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia sistemática para cálculo computacional
Pode ser obtida por inversão de [Y], trabalhando com complexos.
Ou mais fácil: invertendo matrizes reais:
Pode ser obtida por construção directa adicionando sistematicamente os nós e
ramos da rede
Inversão da matriz [Y] para obter a matriz [Z]
1
G B
B G
Re Im
Im Re
Z Z
Z Z
Y G j B
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia sistemática para cálculo computacional
0 011 11 1
0 0
0 0
0
0
f ''k kk
f ''''kk kk kk kk k
''f nknk kn nn
V V V Z IZ
ZV V Z IV I
ZV V Z IV
dZ
1
fV 2
fV
''
2I
~
1CZ 2CZ
Tensões pós-defeito
0'' kk
kk d
VI
Z Z
Corrente de CC
Curto-Circuitos SimétricosMetodologia sistemática para cálculo computacional
1
dZ
1
fV
f
GI
2
fV
''
2I
1
f
CI
12
fI
~
2
f
CI1CZ 2CZ
Correntes
Pós-defeito
f
RI12
fI
1 2 12
12 112 2
f f
sh _f fV V y
I Vz
00 1 1
ffg g ''
g fT
V VI I
jX jX
Cálculo da
corrente
nos ramos:
Cálculo das contribuições do
gerador e rede (é necessário usar
valores iniciais de corrente)
Cálculo das correntes
nas cargas
00 2 2
ff
RR ''R
V VI I
jX
00 011 1
1 11
1 1
f Tf
C CC
C C
V V VI I I
Z Z
2 1 12
21 212 2
f f
sh _f fV V y
I Vz
12 12 12z r jx
Curto-Circuitos SimétricosConstrução da matriz das impedâncias
Construção da matriz das impedâncias a partir da matriz de admitâncias
111 1 1
1
1
k n
k kk kn
n nk nn
Y Y Y
Y Y Y
Y Y Y
_ _ arg _ arg _
2 ''_ 0_ __ _ _ _
1 1
2
sh linha ik c a i c a i
ii linha ikk k eq rede ieq gerador i f transformador i
i
y P jQY y
jX jX ZV
Fora da diagonal (linhas e transformadores):
( )ik ikY y i k
Na diagonal principal:
Linhas e transformadores
ligadas ao nóCargas Grupos geradores Equivalentes
de rede
Invertendo complexas com matrizes reais:
Y G j B
11 1 1
1
1
k n
k kk kn
n nk nn
Z Z Z
Z Z Z
Z Z Z
1Re Z Im Z G B
Im Z Re Z B G
Curto-Circuitos SimétricosConstrução da matriz das impedâncias
Construção directa da matriz das impedâncias
Em sistemas de grandes dimensões (milhares de nós), o processo de inversão de uma matriz é numericamente ineficiente
Por cada alteração topológica no sistema, é necessário repetir o processo de inversão da matriz de admitâncias
1V
2V
3V
1I
2I
3I
1Z
2Z
3Z
4Z
5Z
1
2
3
Curto-Circuitos SimétricosConstrução da matriz das impedâncias
Algoritmo de construção directa da matriz Z
Passo 1: considerar apenas os ramos da rede estabelecidos entre qualquer um dos seus nós e o nó de referência (terra)
No exemplo apresentado, têm-se os ramos com Z4 e Z5
1V
2V
3V
1I
2I
3I
1Z
2Z
3Z
4Z
5Z
1
2
3
Para os ramos identificados, podem-se escrever as seguintes equações:
5 1 51 11
44 2 222
Z
V Z I V Z 0 I
V 0 ZV Z I I
Regra: identificados os k ramos do sistema estabelecidos entre qualquer um dos seus nós e o nó de referência, construir matriz diagonal de dimensão (kxk), tendo em cada posição da respectiva diagonal principal a impedância de cada um dos ramos
Curto-Circuitos SimétricosConstrução da matriz das impedâncias
Passo 2: identificar o ramo da rede que se estabelece entre um dos nós presentes na equação matricial do Passo 1 e outro nó ainda não considerado
A impedância Z2 liga o nó 2 a um novo nó (nó 3)
1V
2V
3V
1I
2I
3I
1Z
2Z
3Z
4Z
5Z
1
2
3
Para esta situação, podem-se escrever as seguintes equações:
2 33 2
4 2 32
5 11
V V Z I
V Z I I
V Z I
O conjunto de equações do Passo 1 completa-se da seguinte forma
5 11 5 11
4 2 3 4 4 22 2
4 2 4 332 33 2
V Z I V Z 0 0 I
V Z I I V 0 Z Z I
V 0 Z Z Z IV V Z I
Curto-Circuitos SimétricosConstrução da matriz das impedâncias
De uma forma geral, a ligação de um ramo de impedância Zr entre o nó k+1 (nó novo)e o nó j (já existente) conduz à seguinte equação:
Genericamente
Substituindo na equação anterior:
r jj k 1k 1 jV V Z Z I jSEE k+1
Zr
k 1I
j1 1 jj j jk kjV Z I ... Z I ... Z I
j1 1 jj j jk k r jj k 1k 1V Z I ... Z I ... Z I Z Z I
jV
jjZrZ
k 1I
Equivalente de Thévenin no nó j
k 1V
Curto-Circuitos SimétricosConstrução da matriz das impedâncias
Actualização do valor da tensão no nó i pertencente ao grupo de nós 1…k já existentes
jSEE k+1
Zr
k 1I i
jSEE
k 1I
i
Equivalente
de Norton
O SEE fica então reduzido ao
sistema já existente, onde
aparece uma nova injecção de
corrente no nó k: k 1I
11 1i 1 j 1k 11
i1 ii ij ik ii
j1 ji jj jk j k 1j
k1 ki kj kk kk
Z Z Z ZV I
Z Z Z ZV I
Z Z Z ZV I I
Z Z Z ZV I
Curto-Circuitos SimétricosConstrução da matriz das impedâncias
Actualização da matriz de impedâncias para incluir o nó k+1
jSEE k+1
Zr
k 1I
1 j 11
old
kj kk
j1 jk r jj k 1k 1
ZV I
Z
ZV I
Z Z Z ZV I
Curto-Circuitos SimétricosConstrução da matriz das impedâncias
Passo 3: identificar o ramo da rede que se estabelece entre dois nós já incluídos na estrutura topológica da rede (ou seja, já incluídos na matriz de impedâncias)
A impedância Z3 liga o nó 1 ao nó 3: criação de uma malha com corrente de circulação IL
1V
2V
3V
1I
2I
3I
1Z
2Z
3Z
4Z
5Z
1
2
3
IL
Curto-Circuitos SimétricosConstrução da matriz das impedâncias
i
SEEZr
j
IL
1i 1 j1 11 1
ii iji L ii i
old old
j L jj j
k kk k
Z ZV VI I
Z ZV VI I IZ Z
ZV VI I I
V VI I
L
ji jj
ki kj
A
Lold
IZ
Z Z
V Z I A I
r Li jV V Z I 0
Curto-Circuitos SimétricosConstrução da matriz das impedâncias
i1 ik ii ij Li
j1 jk ji jj Lj
V Z Z I Z Z I
V Z Z I Z Z I
iV Da equação matricial podem ser derivados os valores da tensões e
A equação da malha definida pela introdução do novo ramo de impedância Zr pode ser reescrita, de forma a poder calcular a corrente de circulação nessa mesma malha:
jV
r Li j
i1 ik ii ij L j1 jk ji jj L r L
i1 j1 ik jk ij ii jj r L
L i1 j1 ik jk
ij ii jj rB
V V Z I 0
Z Z I Z Z I Z Z I Z Z I Z I 0
Z Z Z Z I 2Z Z Z Z I 0
1I Z Z Z Z I
2Z Z Z Z