Orientador: Maria Cristina Dias Tavares / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-05T22:47:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gertrudes_JoaoBosco_M.pdf: 6826873 bytes, checksum: 2b476528549162ae8d62b6920b535fdd (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Um dos requisitos necessários para estudos e simulação de fenômenos transitórios em sistemas de energia elétrica (aterramentos, linhas de transmissão, etc) é a modelagem adequada do comportamento eletromagnético do solo. Na literatura, os parâmetros (condutividade e permissividade) são usualmente considerados independentes da freqüência, com condutividade (s) constante, e permissividade (e) que pode ser desprezada (?e << s). Estas aproximações quase-estacionárias, tradicionalmente usadas em sistemas de potência podem acarretar erros consideráveis ou modelos inadequados para altas freqüências e fenômenos transitórios rápidos, por exemplo, associados à descargas atmosféricas, uma vez que esses parâmetros (s, ?e) são fortemente dependentes da freqüência. Portanto, torna-se necessário o conhecimento do comportamento do solo na faixa de freqüência 0 a 2 MHz, faixa na qual se encontra o espectro de freqüência da maior parte dos distúrbios do sistema elétrico. Neste trabalho apresentamos novas medições de campo de parâmetros do solo, com amostras coletadas na região de Cachoeira Paulista/SP. Os parâmetros são calculados na faixa de 100 Hz a 2 MHz de acordo com os procedimentos de medição em campo e validação propostos Portela em 1997. São também apresentados procedimentos para minimização da dispersão inerente das medições de campo: identificação das componentes de freqüência dos sinais medidos na amostra através de Transformada de Fourier e uso de filtros adequados para filtragem de ¿ruídos¿. Estes procedimentos são necessários para medição das amplitudes e defasagem entre sinais de tensão e corrente injetados na amostra, na componente de primeira harmônica, dados fundamentais para levantamento dos parâmetros do solo. Para evidenciar a importância da correta modelagem do solo em função da freqüência é feito um estudo comparativo da influência dos parâmetros do solo no desempenho de uma linha de transmissão (LT) trifásica, simples, 440 kV, idealmente transposta, considerando modelo de solo com dependência na freqüência versus modelo de solo a parâmetros constantes (abordagem usual) / Abstract: One of the essential requirements for studies and adequate simulation of transient phenomena in power systems (transmission lines, grounding systems, etc) is the adequate representation of ground effect. Most used procedures assume that the ground may be considered frequency independent, having a constant conductivity (s) and an electric permittivity (e) that can be neglected (?e << s). These three assumptions are quite far from reality and can originate an inadequate soil model for some applications, especially, fast transients phenomena involving atmospheric discharges. It is necessary to have a proper knowledge of soil electromagnetic behaviour in a reasonably wide frequency range, typically from 0 to 2 MHz. In this work we present some procedure to measure, analyze and model the soil electromagnetic behaviour (conductivity s and permittivity e) in the frequency domain, with results obtained in ten soil samples collected at Cachoeira Paulista, Brazil southeast region / Mestrado / Energia Eletrica / Mestre em Engenharia Elétrica

[pt] Muitas das atuais técnicas de simulação de redes elétricas de potência são baseadas em plataformas computacionais do tipo EMTP. Basicamente, este método de simulação transforma os componentes elétricos a parâmetros concentrados e a topologia da rede em um procedimento matemático recursivo. Para cada nova iteração, a solução da rede é estimada como uma função de estados prévios e valores de entrada atuais. Passos de integração pequenos geram soluções precisas por estender a banda de freqüências representada. No entanto, isto também aumenta a carga computacional limitando o tamanho da rede, a faixa de freqüência ou afetando o tempo de resposta do processo. Esta situação conflitante tem sido atacada por vários pesquisadores, muitos procurando formas alternativas de aumentar o passo de integração. Este trabalho introduz um novo método para simulação de redes elétricas lineares. Mesmo baseando nas técnicas utilizadas no EMTP, o método leva a um conjunto diferente de equações convenientes para conjugar com técnicas de filtragem digital multitaxa. O resultado final é a decomposição de sinais e da rede em sub-bandas de freqüências. Cada uma das simulações em sub-bandas da rede elétrica é feita com um passo de integração máximo, sempre representando carga computacional mínima. Além disso, o procedimento permite uma estimativa on-line se uma saída de sub-banda tem contribuição irrelevante ao resultado final da simulação, suspendendo o correspondente módulo de operação e, consequentemente, reduzindo a carga computacional. Como resultado, tem-se um simulador capaz de adaptar a complexidade do modelo de acordo com os dados da simulação.Modelos de linhas de transmissão a parâmetros distribuídos são introduzidos, conectados ao modelo da rede a parâmetros concentrados. Um método de computação específica é desenvolvido para uma operação global do sistema.Casos ilustrativos são incluídos mostrando a eficiência do simulador proposto em comparação com técnicas tradicionais. / [en] Most of present day electric power network simulation techniques are based on computational platforms of the EMTP type. Basically, following this approach, the simulation method transforms the electric lumped components and the network topology into a recursive mathematical procedure. For each new integration step the network solution is evaluated as a function of previous state and present input values. Small integration steps increase solution accuracy, by extending the frequency band. However, this also increases computational requirements, limiting network size, frequency bandwidth or affecting the procedure response time. This conflicting situation hes been attacked by many researchers, mostly looking for different forms of increasing the integration step.This work introduces a new approach to linear electric network simulation. Although closely following the EMTP basic techniques, the method leads to a different set of equations, more convenient to conjugate with multirate digital filtering techniques. The final result is the decomposition of signal and network models into subbands of frequencies. Each of the network subband simulations is performed with maximum integration time step, always representing minimum computational burden. Moreover, the procedure allows to on-line estimate if a particular subband model output has negligible contribution to the final simulation result. While this situation remains, the corresponding module operation is suspended, reducing the computational load. As a result, the simulator is able to adapt its model complexity, on line, according to the simulation requirements. Distributed transmission line models are introduced, connected to the lumped network parameter models. A specific computational procedure is shown to operate the overall system.Illustrative cases are included, supporting the simulator proposed efficiency when compared to conventional procedures.

Os afundamentos de tensão são reduções de curta duração entre o 10% a 90% da magnitude de tensão eficaz. Usualmente, estes afundamentos são associados com falhas no sistema de energia elétrica, mas podem ser causados pela elevada corrente de partida de motores de indução ou energização de transformadores. Apesar de sua curta duração, tais eventos podem causar sérios problemas para alguns equipamentos. As conseqüências dos afundamentos de tensão sobre a máquina assíncrona são: perda de velocidade durante o afundamento e picos de corrente e de conjugado que aparecem na queda de tensão e no instante de restabelecimento. Este estudo visa analisar o comportamento da máquina assíncrona diante de afundamentos de tensão e as características destes, devido à influência do motor assíncrono como carga. Enfocando-se neste ponto, é que foram considerados diferentes tipos de afundamentos devido a diferentes falhas, que produziram quedas de tensão nos terminais da máquina assíncrona com variações na magnitude e no argumento de tensão. As simulações foram realizadas aplicando um método numérico tradicional e um método simplificado, o método simplificado lineariza as equações diferenciais elétricas da máquina assíncrona considerando a velocidade mecânica constante, para o cálculo dos transitórios elétricos no início da queda de tensão e no restabelecimento da mesma. Os transitórios obtidos pelo método numérico tradicional (Runge Kutta quarta ordem) e o método simplificado foram comparados, para verificar a precisão deste método com respeito ao numérico tradicional, concluindo-se, que o método simplificado poderá aplicar-se em máquinas de baixo escorregamento e elevada constante de inércia. Além disso, foram realizados experimentos, submetendo o sistema a diferentes quedas de tensão, considerando diferentes magnitudes e durações no afundamento. / Voltage sags are fast reductions between 10% to 90% in the voltage magnitude. Sags are usually associated with system faults, but can also be caused by motors starting or by the transformers energizing. Despite their small duration, such events can cause serious problems for a wide range of equipments. The consequences of voltage sags on the induction machine are: decrease of the speed during the sag and current and torque peaks in the voltage drop and recovery times. This study aims to analyze the behavior of the induction machine during voltage sags and find the characteristics of these sags due to the influence of the induction motor as load, taking into account the different voltage sags types due to different fault types, considering variations in the magnitude, phase angle voltage and variations of the mechanical load of the motor. The simulations were carried out by means of a linear and simplified induction motor model using Matlab, this simplified method separates the electric transient of the mechanical transient, resulting in a large speed of calculation when compared with the numerical method (fourth order Runge-Kutta). The transients obtained by the simplified method were compared with the calculated by the numerical method. Besides, the experiments were carried out under the same bases as the simulations, submitting the system to different voltage drops during several intervals of time.

Os afundamentos de tensão são reduções de curta duração entre o 10% a 90% da magnitude de tensão eficaz. Usualmente, estes afundamentos são associados com falhas no sistema de energia elétrica, mas podem ser causados pela elevada corrente de partida de motores de indução ou energização de transformadores. Apesar de sua curta duração, tais eventos podem causar sérios problemas para alguns equipamentos. As conseqüências dos afundamentos de tensão sobre a máquina assíncrona são: perda de velocidade durante o afundamento e picos de corrente e de conjugado que aparecem na queda de tensão e no instante de restabelecimento. Este estudo visa analisar o comportamento da máquina assíncrona diante de afundamentos de tensão e as características destes, devido à influência do motor assíncrono como carga. Enfocando-se neste ponto, é que foram considerados diferentes tipos de afundamentos devido a diferentes falhas, que produziram quedas de tensão nos terminais da máquina assíncrona com variações na magnitude e no argumento de tensão. As simulações foram realizadas aplicando um método numérico tradicional e um método simplificado, o método simplificado lineariza as equações diferenciais elétricas da máquina assíncrona considerando a velocidade mecânica constante, para o cálculo dos transitórios elétricos no início da queda de tensão e no restabelecimento da mesma. Os transitórios obtidos pelo método numérico tradicional (Runge Kutta quarta ordem) e o método simplificado foram comparados, para verificar a precisão deste método com respeito ao numérico tradicional, concluindo-se, que o método simplificado poderá aplicar-se em máquinas de baixo escorregamento e elevada constante de inércia. Além disso, foram realizados experimentos, submetendo o sistema a diferentes quedas de tensão, considerando diferentes magnitudes e durações no afundamento. / Voltage sags are fast reductions between 10% to 90% in the voltage magnitude. Sags are usually associated with system faults, but can also be caused by motors starting or by the transformers energizing. Despite their small duration, such events can cause serious problems for a wide range of equipments. The consequences of voltage sags on the induction machine are: decrease of the speed during the sag and current and torque peaks in the voltage drop and recovery times. This study aims to analyze the behavior of the induction machine during voltage sags and find the characteristics of these sags due to the influence of the induction motor as load, taking into account the different voltage sags types due to different fault types, considering variations in the magnitude, phase angle voltage and variations of the mechanical load of the motor. The simulations were carried out by means of a linear and simplified induction motor model using Matlab, this simplified method separates the electric transient of the mechanical transient, resulting in a large speed of calculation when compared with the numerical method (fourth order Runge-Kutta). The transients obtained by the simplified method were compared with the calculated by the numerical method. Besides, the experiments were carried out under the same bases as the simulations, submitting the system to different voltage drops during several intervals of time.

Os afundamentos de tensão são reduções de curta duração entre o 10% a 90% da magnitude de tensão eficaz. Usualmente, estes afundamentos são associados com falhas no sistema de energia elétrica, mas podem ser causados pela elevada corrente de partida de motores de indução ou energização de transformadores. Apesar de sua curta duração, tais eventos podem causar sérios problemas para alguns equipamentos. As conseqüências dos afundamentos de tensão sobre a máquina assíncrona são: perda de velocidade durante o afundamento e picos de corrente e de conjugado que aparecem na queda de tensão e no instante de restabelecimento. Este estudo visa analisar o comportamento da máquina assíncrona diante de afundamentos de tensão e as características destes, devido à influência do motor assíncrono como carga. Enfocando-se neste ponto, é que foram considerados diferentes tipos de afundamentos devido a diferentes falhas, que produziram quedas de tensão nos terminais da máquina assíncrona com variações na magnitude e no argumento de tensão. As simulações foram realizadas aplicando um método numérico tradicional e um método simplificado, o método simplificado lineariza as equações diferenciais elétricas da máquina assíncrona considerando a velocidade mecânica constante, para o cálculo dos transitórios elétricos no início da queda de tensão e no restabelecimento da mesma. Os transitórios obtidos pelo método numérico tradicional (Runge Kutta quarta ordem) e o método simplificado foram comparados, para verificar a precisão deste método com respeito ao numérico tradicional, concluindo-se, que o método simplificado poderá aplicar-se em máquinas de baixo escorregamento e elevada constante de inércia. Além disso, foram realizados experimentos, submetendo o sistema a diferentes quedas de tensão, considerando diferentes magnitudes e durações no afundamento. / Voltage sags are fast reductions between 10% to 90% in the voltage magnitude. Sags are usually associated with system faults, but can also be caused by motors starting or by the transformers energizing. Despite their small duration, such events can cause serious problems for a wide range of equipments. The consequences of voltage sags on the induction machine are: decrease of the speed during the sag and current and torque peaks in the voltage drop and recovery times. This study aims to analyze the behavior of the induction machine during voltage sags and find the characteristics of these sags due to the influence of the induction motor as load, taking into account the different voltage sags types due to different fault types, considering variations in the magnitude, phase angle voltage and variations of the mechanical load of the motor. The simulations were carried out by means of a linear and simplified induction motor model using Matlab, this simplified method separates the electric transient of the mechanical transient, resulting in a large speed of calculation when compared with the numerical method (fourth order Runge-Kutta). The transients obtained by the simplified method were compared with the calculated by the numerical method. Besides, the experiments were carried out under the same bases as the simulations, submitting the system to different voltage drops during several intervals of time.

[pt] Este trabalho discute técnicas para simulação de redes elétricas com ênfase em operação em tempo real. As redes possuem linhas de transmissão como elementos a parâmetros distribuídos, enquanto redes RLC correspondem aos elementos concentrados, se bem que muitos dos resultados não se restringem só a estes tipos de elementos. A modelagem de linhas de transmissão é considerada primeiro, sob o ponto de vista da comparação entre dois modelos da literatura, caracterizando sua adequação para simulação em tempo real. Desta comparação resulta uma combinação de procedimentos como adequada à simulação. Na seqüência, é apresentado um novo algoritmo de integração numérica, baseado na descrição de estado de rede e em filtragem digital multitaxa. O novo algoritmo mostrou que pode reduzir o esforço computacional da simulação da rede, ao mesmo tempo que melhorou a qualidade das mesmas. O próximo objetivo relaciona-se com as oscilações numéricas, causadas pelo uso da Integração Trapezoidal em algumas configurações de rede. Um método de análise, baseado em teoria de rede e processamento digital de sinais é desenvolvido. A Partir dele são identificadas as configurações de redes, passíveis de gerações numéricas na sua contraparte digital. Métodos convencionais de eliminação das oscilações numéricas são analisados, incluindo no método o sistema multitaxa. Em todos os casos o sistema novo apresentou melhores resultados, sendo que seu uso apropriado, pode, por se, eliminar as oscilações numéricas. Alguns casos ilustrativos de redes de sistemas de potência estão incluídos, sendo desenvolvidos em linguagem MATLAB. Eles indicam que a combinação do modelo sugerido para linha de transmissão com o novo método de integração numérica multitaxa, permite a simulação da rede com reduzido esforço computacional e portanto aumentar a possibilidade de simulação de redes complexas em tempo real. / [en] This work discusses techniques for electrical network digital simulation, emphasizing real time operation. The networks contain transmission lines as distributed elements and RLC elements as lumped parameters, although many of the results are not restricted to these elements. Transmission line modeling is considered first, comparing two of the methods found in literature from the real time simulation point of view. The convenience of their use is subject of analysis, leading, later on, to suggest a blend of approaches for real time simulation. In the sequence of the work, it is introduced a new numerical integration algorithm, based on network state space description and multirate digital filtering. The new integration method reduces the simulation computational complexity while simultaneously improving its accuracy. Next, the focus is on numerical oscillations caused by the Trapezoidal Integration approach in some network configurations. It is presented a method to identify electrical network configurations that might generate numerical oscillations in their digital counterparts. The method is a result of both, network and digital signal theory. Conventional and new techniques are applied in order to eliminate the numerical oscillations. The new multirate approach improves convetional techniques results, while properly used eliminates by itself the numerical oscillations. Some power systems network illustrative cases are included, using the new integration method and the proposed digital transmission line model. It is shown that this combination produces improved performance, final accuracy and reduced computational effort, resulting appropriate for real time simulations.

[pt] O trabalho desenvolvido estabelece uma metodologia de estudo para a determinação dos requisitos de tensão de restabelecimento transitória de disjuntores através de simulações em computador digital com a utilização do programa de cálculo de transitórios elétricos Electromagnetic Transients Program (EMTP) de Bonneville Power Administration (BPA). / [en] It is established in this paper a study method to determine the transient recovery voltage requirements for circuit breakers, by means of simulations in digital computer, using the Electromagnetic Transients Program (EMTP) de Bonneville Power Administration (BPA).