MODELAGEM DE ARCO ELÉTRICO NO AR. APLICAÇÕES EM SISTEMAS DE POTÊNCIA ...

333 Pages·2011·4.47 MB·Portuguese

MODELAGEM DE ARCO ELÉTRICO NO AR.
APLICAÇÕES EM SISTEMAS DE POTÊNCIA

Alessandra de Sá e Benevides Câmara

Tese de Doutorado apresentada ao Programa de
Pós-graduação em Engenharia Elétrica, COPPE,
da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Doutor em Engenharia Elétrica.
Orientador: Carlos Manuel de Jesus Cruz de
Medeiros Portela

Rio de Janeiro
Novembro de 2010
MODELAGEM DE ARCO ELÉTRICO NO AR.
APLICAÇÕES EM SISTEMAS DE POTÊNCIA

Alessandra de Sá e Benevides Câmara

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ
COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM
CIÊNCIAS EM ENGENHARIA ELÉTRICA.

Examinada por:

__________________________________________________
Prof. Carlos Manuel de Jesus Cruz de Medeiros Portela, D.Sc.

__________________________________________________
Prof. Edson Hirokazu Watanabe, D.Eng.

__________________________________________________
Prof. Glauco Nery Taranto, Ph.D.

__________________________________________________
Profa. Maria Cristina Dias Tavares, D.Sc

__________________________________________________
Prof. Silvério Visacro Filho, D.Sc.

__________________________________________________
Prof. Edson Guedes da Costa, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
NOVEMBRO DE 2010
Câmara, Alessandra de Sá e Benevides
Modelagem do Arco Elétrico. Aplicações em Sistemas
de Potência / Alessandra de Sá e Benevides Câmara:
UFRJ/COPPE, 2010
XVIII, 332 p. : IL. ; 29,7 cm
Orientador : Carlos Manuel de Jesus Cruz de Medeiros
Portela
Tese (doutorado) - UFRJ/ COPPE/ Programa de
Engenharia Elétrica, 2010
Referências Bibliográficas : p. 118-122
1. Arco Elétrico. 2. Extinção do Arco Secundário.
3. Religamento Monofásico. 4. Linha não-convencional. I.
Câmara, Alessandra de Sá e Benevides. II. Universidade
Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de
Engenharia Elétrica. III. Título

iii
DEDICATÓRIA

Dedico esse trabalho ao Prof. Carlos Manuel de Jesus Cruz de Medeiros Portela.
(In Memoriam)

iv
AGRADECIMENTOS

Agradeço a todos que direta ou indiretamente contribuíram para esse trabalho,
apoiando com todo tipo de aporte e interação – desde incentivo, passando por
autorizações, sugestões e a realização dedicada de suas tarefas.
Agradeço aos meus familiares e amigos que tão bem compreenderam minhas
constantes ausências.
Agradeço, especialmente, ao Prof. Carlos Portela, por sua dedicação, pelas
longas conversas, onde além de conhecimento se estimulava o pensamento. A última
vez que o vi foi no dia da defesa desse trabalho. A última vez que conversamos foi
alguns dias depois e não tive a chance de agradecê-lo por tudo : pela dedicação, pelos
ensinamentos e acima de tudo pela confiança ... e exemplo. Foi uma convivência que
durou cerca de 10 anos na história da minha vida, mas cuja fonte de inspiração e
transformação é “barra infinita”. Gratidão Eterna, Mestre !
v
O Sentido Oculto das Cousas

O mistério das cousas, onde está ele?
Onde está ele que não aparece
Pelo menos a mostrar-nos que é mistério?
Que sabe o rio disso e que sabe a árvore?
E eu, que não sou mais do que eles, que sei disso?
Sempre que olho para as cousas e penso no que os homens pensam delas,
Rio como um regato que soa fresco numa pedra.

Porque o único sentido oculto das cousas
É elas não terem sentido oculto nenhum,
É mais estranho do que todas as estranhezas
E do que os sonhos de todos os poetas
E os pensamentos de todos os filósofos,
Que as cousas sejam realmente o que parecem ser
E não haja nada que compreender.

Sim, eis o que os meus sentidos aprenderam sozinhos: –
As cousas não têm significação: têm existência.
As cousas são o único sentido oculto das cousas.

O Guardador de Rebanhos
Alberto Caeiro

vi
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)

MODELAGEM DO ARCO ELÉTRICO.
APLICAÇÕES EM SISTEMAS DE POTÊNCIA.

Alessandra de Sá e Benevides Câmara
Novembro/2010

Orientador: Carlos Manuel de Jesus Cruz de Medeiros Portela
Programa: Engenharia Elétrica

O presente trabalho tem por foco o estudo e a modelagem do comportamento do
arco elétrico no ar, principalmente no que tange ao fenômeno do arco secundário e os
aspectos mais relevantes quanto à sua extinção, incluindo a interação arco-rede. A
extinção do arco secundário é condição de referência para que se garanta o sucesso da
manobra de religamento monofásico.
Dessa forma, são apresentadas sugestões para o desenvolvimento de estudos
para implementação do religamento monofásico, considerando-o inclusive ainda nas
etapas de definição das características construtivas da linha.
Destaca-se o desenvolvimento de um modelo para o comportamento dinâmico
do arco elétrico do tipo “caixa-cinzenta”, cujo ajuste e definição dos parâmetros têm por
base dados obtidos de uma pesquisa em vãos de linha de 500 kV, especialmente
construídos para esse propósito.

vii
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)

ELECTRIC ARC MODELLING. APPLICATIONS ON POWER SYSTEMS.
Alessandra de Sá e Benevides Camara
November/2010

Advisor: Carlos Manuel de Jesus Cruz de Medeiros Portela
Department: Electrical Engineering

This work focus on study and modelling of the electric arc in air behavior,
mainly related to the secondary arc phenomenom and its most important aspects,
considering its extinction time and including the arc-grid interaction. Secondary arc
extinction is reference condition to assure the single-phase switching success.
Suggestions are presented for development of single-phase switching
implementation studies, including to consider it in early stages of the transmission line
basic characteristics design.
The main topic developed in the present thesis is the study of a "gray-box"
model for the electric arc dynamic behavior, which parameters adjustment and
definition are based on experimental data obtained from a research , using actual
500 kV line spans specially built for the experiments.
viii
Sumário
Capítulo 1
INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 01
1.1. Motivação ................................................................................................... 03
1.2. Organização................................................................................................ 04
1.3 Principais Contribuições do Trabalho ....................................................... 06
1.4. Publicações................................................................................................. 07
Capítulo 2
CONSIDERAÇÕES BÁSICAS SOBRE O ARCO SECUNDÁRIO E O RELIGAMENTO
MONOFÁSICO .......................................................................................................... 08
2.1. O Arco Elétrico em Sistemas de Potência.................................................. 08
2.2. O Arco Secundário..................................................................................... 09
2.3. Comportamento Básico do Arco................................................................ 10
2.4. Fenômenos Físicos Básicos...................................................................... 11
2.4.1. Processos de Ionização e Recombinação ....................................... 11
2.4.2 Distribuição de Temperatura no Arco .......................................... 13
2.4.3. Extinção Térmica / Dielétrica ........................................................ 15
2.5. Dispositivos e Métodos para Facilitar a Extinção do Arco Secundário. 16
2.6. Análise quanto à Extinção do Arco Secundário....................................... 19

Capítulo 3
LINHAS DE TRANSMISSÃO PROJETADAS CONSIDERANDO O RELIGAMENTO
MONOFÁSICO .......................................................................................................... 23
3.1. Definição das Características Básicas de uma LT com Religamento
Monofásico................................................................................................... 23
3.1.1. Critérios Adicionais na Definição do Feixe de Condutores de uma
LT considerando o Religamento Monofásico .......................................... 25
3.1.2. Exemplo de aplicação da metodologia proposta para inclusão do
religamento monofásico e otimização da compensação em derivação, na
determinação das características construtivas básicas de LT´s ................ 29
3.2. Estudos de Regime Transitório para implementação de Religamento
Monofásico................................................................................................... 38
3.2.1. Critérios de estudo tradicionalmente utilizados ............................. 39
3.2.1.(a) – Critérios Gerais de Análise ......................................... 40
3.2.1.(b) – Descrição e Análise de Casos Simulados ................... 40
3.2.1.(c) – Conclusões .................................................................. 52
3.3. Linhas Não-Convencionais e o Religamento Monofásico........................ 53
3.3.1. Transmissão em Muito Longa Distância : A Meia-Onda+ e o
Religamento Monofásico ........................................................................ 54
ix
Capítulo 4
MODELAGEM DO ARCO ELÉTRICO ......................................................................... 64
4.1. Principais Modelos de Representação do Arco ........................................ 64
4.2. Apresentação do Modelo de Arco Elétrico Analisado .............................. 66
4.2.1. Modelo "Caixa-Cinzenta" ............................................................. 66
4.2.2. Modelo Utilizado ......................................................................... 67
4.2.2.(a) Característica Estacionária ............................................. 69
4.2.2.(b) Comportamento Incremental do Arco ........................... 70
4.2.2.(c) Comportamento Dinâmico do Arco ............................... 70

Capítulo 5
AJUSTE E VALIDAÇÃO DO MODELO DE ARCO ELÉTRICO COM DUAS
CONSTANTES DE TEMPO ......................................................................................... 73
5.1. Utilização de dados experimentais: pesquisa “Modelagem de Arco
Elétrico para Estudos de Religamento Monofásico “ ............................... 73
5.1.1. Condicionamentos básicos dos aspectos laboratoriais do projeto .. 77
5.1.1.(a) Descrição da Primeira Fase de Ensaios .......................... 78
5.2. Análise do Comportamento do Arco Elétrico a partir de dados
experimentais .............................................................................................. 81
5.2.1. Comportamento Quasi-Estacionário .............................................. 81
5.2.1.(a) Alongamento do Arco ................................................... 81
5.2.2.(b) Procedimentos para cálculo do alongamento do arco ... 83
5.2.1.(c) Definição da Característica Estática .............................. 88
5.2.2. Comportamento Dinâmico do Arco Elétrico .................................. 93

Capítulo 6
CONCLUSÕES ...........................................................................................................
114
Referência Bibliográfica ........................................................................................ 118

ANEXO 1
Exemplo do Capítulo 3 :Parâmetros Unitários em função da freqüência da linha de
transmissão LNC1 e demais cálculos e gráficos associados ao exemplo

ANEXO 2
Anexo 2-1:Levantamento do Pior Ponto de Defeito
Anexo 2-2: Tensão Restabelecimento Transitória x Corrente Arco Secundário (ANEEL:
Critério 1)
Anexo 2-3 :Variação dos Reatores de Neutro
Anexo 2-4 :Oscilogramas
Anexo 2-5 :Resultados da Configuração Final

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