Análise de Sistemas de Energia Elétrica
Departamento de Engenharia Elétrica
Unidade 8
Estudos de Estabilidade
8.1. Definição do Problema
Estudos de Estabilidade - Definição do Problema
A oscilação eletromecânica de um gerador, originada por perturbações de grandes proporções (por exemplo, curtos-circuitos), é um fenômeno transitório lento, porém, de enorme importância no estudo de estabilidade de sistemas elétricos de potência.
Pode-se ter uma visão do problema através do equivalente mecânico mostrado na Figura.
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As várias massas, suspensas por uma rede de cordões elásticos, representam geradores elétricos e linhas de transmissão, respectivamente. O sistema está em regime permanente estático, com cada cordão carregado abaixo do seu ponto de ruptura (o que corresponde cada linha de transmissão estar funcionando abaixo do seu limite de estabilidade).
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Em um dado instante, um dos cordões é subitamente cortado (o que corresponde a uma perda súbita de uma linha de transmissão). Como resultado, as massas experimentarão movimentos acoplados e as forças nos cordões variarão.
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A perturbação súbita pode causar um dos dois efeitos:
O sistema atingirá um novo estado de equilíbrio, caracterizado por um novo conjunto de forças nos cordões (isto é, linhas de transmissão no caso de sistemas elétricos).
Devido às forças transitórias, um outro cordão romper-se-á, provocando o enfraquecimento da rede e resultando no rompimento em cadeia de cordões e o eventual colapso total do sistema.
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Se o sistema tem o poder inerente de "sobreviver" à perturbação e atinge um novo regime permanente, diz-se que ele possui estabilidade transitória para a perturbação em questão. Caso contrário, diz-se que o sistema perdeu a estabilidade.
O sistema pode ser estável para o transitório que segue à perda de uma linha em particular ou instável para a perda de outra ou outras linhas.
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Ao se investigar um sistema quanto à sua estabilidade em transitório, deve-se proceder como segue:
Determinar o estado inicial pré-perturbação.
Iniciar a perturbação.
Calcular o movimento transitório pós-perturbação das massas e as forças resultantes nos cordões.
Se as forças não excederem os pontos de ruptura dos cordões, o sistema será considerado estável para a falta em questão.
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Um estudo de estabilidade em transitório de um sistema de energia elétrica é similar. Após a perturbação, as posições angulares dos rotores sofrerão desvios transitórios. Se puder ser determinado que todos os ângulos individuais dos rotores serão fixados em novos valores de equilíbrio síncrono de regime pós-perturbação, então se conclui que o sistema é estável sob o transitório.
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Dependendo da natureza e duração da perturbação, os transitórios mecânicos de rotor que a ela seguem podem terminar em um segundo, ou podem continuar e se tornarem mais graves nos instantes seguintes, culminando, eventualmente, em um colapso total, ou na recuperação do sistema. Para analisar o problema, é comum dividir o período transitório em três intervalos de tempo:
Intervalo inicial: Estende-se, aproximadamente, pelo primeiro segundo após a ocorrência da perturbação. Esse intervalo inclui o começo e possível remoção da perturbação inicial.
Intervalo intermediário: Dura por, aproximadamente, 5 s.
Intervalo final: Pode durar vários minutos após o início da perturbação. Nesse período, aparecem os efeitos de "longo prazo", incluindo a perda permanente nos equipamentos de geração, o desligamento de cargas, dentre outros.
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Os acontecimentos durante os dois primeiros intervalos são de muita importância, uma vez que determinam se o sistema "sobreviverá" ou não ao "choque" inicial, isto é, se o sistema terá ou não sua integridade preservada.
Se o sistema "sobreviver", o perigo não acabou. Devido à perda permanente nos equipamentos, pode estar perdendo frequência em uma taxa lenta ou rápida, e, então, deve-se recorrer ao controle com a finalidade de recuperar frequência.
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A força de controle principal é o desligamento de cargas. Desligando-se cargas de baixa prioridade pode se inverter a tendência decrescente da frequência.
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O objetivo dos estudos de estabilidade é diminuir ao máximo possível os efeitos das perturbações nos sistemas elétricos de potência.
Tipos de perturbações:
Falhas de isolamento dos condutores ou interrupção do serviço.
Sobrecargas.
Cargas assimétricas.
Perturbações nos geradores:
Superaquecimento.
Faltas nos enrolamentos no estator ou no rotor.
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