Esta dissertação tem por propósito analisar os impactos da geração distribuída sobre as correntes de curto-circuito e sobre a proteção das redes de média tensão das concessionárias de distribuição de energia elétrica usando uma abordagem paramétrica. A principal motivação deste trabalho são os recentes incentivos regulatórios que estão fomentando a geração distribuída no Brasil. Contudo, as redes de distribuição convencionais foram projetadas para serem passivas e a introdução da geração poderá causar problemas de ordem técnica que ainda precisam ser resolvidos. Tais problemas foram pesquisados e aqueles relacionados com os impactos sobre as correntes de curto-circuito foram enfatizados. As normas técnicas das concessionárias também foram investigadas porque seus requisitos, como a ligação dos transformadores de acoplamento, influem nas correntes de curto-circuito. Para se calcular as correntes de curto-circuito, desenvolveu-se uma planilha eletrônica cujos resultados foram validados com programas comerciais de análise de redes elétricas. Esta ferramenta foi utilizada para demonstrar, através de exemplos, o impacto causado pela geração distribuída sobre as correntes de curto-circuito e, posteriormente, para realizar as análises paramétricas nas quais a influência de cada variável foi avaliada. A aplicação do método paramétrico permitiu o estudo de possíveis limites para a potência de um gerador distribuído em função dos impactos admissíveis, de seu ponto de conexão, de seus parâmetros elétricos e dos parâmetros elétricos da rede. / The purpose of this thesis is to analyse the impacts of distributed generation on short-circuit currents and protection of the distribution utilities medium voltage networks using a parametric approach. The new regulations that are promoting the distributed generation in Brazil are the main motivation for this work. However, the conventional distribution networks were designed to be passive; therefore the integration of generation may cause some technical problems yet to be solved. Such problems were researched and those related to the impacts on short-circuit currents were emphasized. The utilities technical standards were also explored as their requirements affect the short-circuit currents (e.g. the transformers connections). A spreadsheet was developed in order to calculated the short-circuit currents and it was validated comparing its results to those of a commercial network analysis software. This tool was used to expose the impacts of distributed generation on short-circuit currents through examples and also to carry out parametric analysis in which the influence of every variable was evaluated. The application of a parametric method made it possible to define the maximum installed capacity of a distributed generator as a function of the allowed limits to the impacts on the short-circuit currents, its point of coupling, its electrical parameters and the electrical parameters of the network.

Esta dissertação tem por propósito analisar os impactos da geração distribuída sobre as correntes de curto-circuito e sobre a proteção das redes de média tensão das concessionárias de distribuição de energia elétrica usando uma abordagem paramétrica. A principal motivação deste trabalho são os recentes incentivos regulatórios que estão fomentando a geração distribuída no Brasil. Contudo, as redes de distribuição convencionais foram projetadas para serem passivas e a introdução da geração poderá causar problemas de ordem técnica que ainda precisam ser resolvidos. Tais problemas foram pesquisados e aqueles relacionados com os impactos sobre as correntes de curto-circuito foram enfatizados. As normas técnicas das concessionárias também foram investigadas porque seus requisitos, como a ligação dos transformadores de acoplamento, influem nas correntes de curto-circuito. Para se calcular as correntes de curto-circuito, desenvolveu-se uma planilha eletrônica cujos resultados foram validados com programas comerciais de análise de redes elétricas. Esta ferramenta foi utilizada para demonstrar, através de exemplos, o impacto causado pela geração distribuída sobre as correntes de curto-circuito e, posteriormente, para realizar as análises paramétricas nas quais a influência de cada variável foi avaliada. A aplicação do método paramétrico permitiu o estudo de possíveis limites para a potência de um gerador distribuído em função dos impactos admissíveis, de seu ponto de conexão, de seus parâmetros elétricos e dos parâmetros elétricos da rede. / The purpose of this thesis is to analyse the impacts of distributed generation on short-circuit currents and protection of the distribution utilities medium voltage networks using a parametric approach. The new regulations that are promoting the distributed generation in Brazil are the main motivation for this work. However, the conventional distribution networks were designed to be passive; therefore the integration of generation may cause some technical problems yet to be solved. Such problems were researched and those related to the impacts on short-circuit currents were emphasized. The utilities technical standards were also explored as their requirements affect the short-circuit currents (e.g. the transformers connections). A spreadsheet was developed in order to calculated the short-circuit currents and it was validated comparing its results to those of a commercial network analysis software. This tool was used to expose the impacts of distributed generation on short-circuit currents through examples and also to carry out parametric analysis in which the influence of every variable was evaluated. The application of a parametric method made it possible to define the maximum installed capacity of a distributed generator as a function of the allowed limits to the impacts on the short-circuit currents, its point of coupling, its electrical parameters and the electrical parameters of the network.

Power transformers are quite costly and essential to provide reliable electrical power system operation. Besides their maintenance or substitution costs, transformer failures must be taken into account, since its will have a large impact on the utility financial health due to the temporary loss of power delivery capability. Concerning transformer failure statistics, investigations carried out in many utilities in the world reveal that the effect of electromechanical stress caused by short-circuit currents is a relevant cause of failure in such equipment and they cause onerous financial damage. Failures caused by mechanical stress due to external short-circuit and due to inrush currents are an important aspect to be considered. The excessive strength caused in transformer conductors/windings due to electromagnetic forces can reduce the transformer lifetime or even cause irreversible damages of them. Therefore, the investigation of the harmful effects caused by transient phenomena becomes imperative. With this in mind, this work aims at investigating the electromagnetic forces and mechanical stresses due to external short-circuit and inrush currents inside the transformer. The studies are carried out using a time domain transformer model based on magnetomotive forces and magnetic reluctances, which allows simulating the transformer transient and steady state behavior regarding the electric, magnetic and mechanical aspects. The methodology is applied in two transformer models operating under rated and short-circuit conditions. Due to the lack of mechanical stress experimental values, a comparative performance analysis is obtained by comparing the simulated results and the well accepted results from finite element program. The results obtained from simulations are evaluated through of the impacts provoked in the variables used to analyze the mechanical stresses which occur in the transformers due to short-circuit and inrush currents. From the mechanical stress calculated it is presented a methodology that establishes a correlation between the phenomena here investigated and the impact in the transformer lifetime. This can assist, previously, in the reduction of the number of unexpected failures and, consequently, in financial damages. / Transformadores de potência são dispositivos fundamentais para a operação de sistemas de potência e têm um peso significativo no custo total de uma instalação. Além dos custos de manutenção e substituição, as falhas nos transformadores devem ser levadas em consideração, no sentido de manter tanto a continuidade do fornecimento de energia como os padrões mínimos de qualidade estabelecidos para o insumo energia elétrico, aliado ao equilíbrio financeiro das empresas. Estudos realizados por concessionárias de diversos países deixam evidentes os enormes prejuízos financeiros das empresas do setor elétrico, devido às falhas mecânicas em transformadores. Defeitos provocados pelos esforços mecânicos decorrentes de correntes de curtos-circuitos passantes e correntes de inrush se constituem como importantes causadores de falhas em transformadores. Os esforços adicionais causados nos condutores/bobinas de transformadores, devido ao acréscimo das forças eletromagnéticas resultantes, podem, em alguns casos, vir a reduzir a vida útil de transformadores ou até mesmo provocar a sua perda total. A investigação dos efeitos danosos causados pelos fenômenos mencionados, portanto, torna-se imperativa. Nessa perspectiva, a presente tese tem por objetivo investigar as forças eletromagnéticas e o estresse mecânico resultantes de cor- rentes de curtos-circuitos passantes e correntes de energização que se estabelecem no interior de transformadores. Para alcançar tal propósito, é empregada uma modelagem computacional no domínio do tempo baseada em forças magnetomotrizes e relutâncias magnéticas. Este modelo permite simulações de fenômenos de regime transitório e per- manente, além de possibilitar o acesso às grandezas elétricas, magnéticas e mecânicas. A metodologia é aplicada a dois modelos de transformadores operando em condições nominais e em curto-circuito. Devido às dificuldades de se encontrar publicações que contenham valores de referência para validar a metodologia proposta, os resultados são comparados aos correspondentes obtidos de um tradicional e bem aceito pacote do Método dos Elementos Finitos. Os resultados oriundos das simulações são avaliados em termos do grau de impacto que é provocado nas grandezas utilizadas para aferir os esforços mecânicos a que fica submetido um transformador, quando de sua energização ou na ocorrência de curtos-circuitos passantes. A partir dos esforços mecânicos determinados é apresentada uma proposta de metodologia que estabelece uma correlação entre os fenômenos aqui estudados e o impacto sobre a vida útil de transformadores, que pode auxiliar, de maneira preditiva, na redução do número de falhas inesperadas e, em conseqüência, nos prejuízos financeiros decorrentes. / Doutor em Ciências

Made available in DSpace on 2016-08-17T14:53:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Julio Cesar Nascimento Sousa.pdf: 971697 bytes, checksum: b4ee5e79977202a1c5eba4528ed34766 (MD5) Previous issue date: 2006-09-22 / This work focuses on the modeling of single-phase and three-phase distribution with earth return, for high impedance faults analysis. The main motivation is the lack of definitive solutions for such faults. These faults often occur when an overhead conductor breaks and falls on high impedance surface such as asphalt road, cement, trees, among others. That fault is analyzed in a Single wire earth return system - SWER, and in a rural three-phase feeder. The SWER is deduced starting from a generic three-phase system, where simplifications based on practical assumptions are added. Simulations are accomplished in two distribution test systems, with the objective of identifying the behavior pattern of the high impedance faults. It is also included a discussion and analysis of results and suggestions related to future works. / Este trabalho focaliza a modelagem das redes de distribuição monofásicas e trifásicas com retorno por terra, para análise das faltas de alta impedância. A motivação principal está no fato de não existirem soluções definitivas para essas faltas. Este tipo de falta ocorre quando um cabo energizado rompe e cai sobre um tipo de superfície, tal como asfalto, areia, árvores, dentre outros. Essa falta é analisada em uma rede Monofásica com Retorno por Terra MRT em uma rede trifásica rural. A rede MRT é deduzida a partir de uma rede trifásica genérica, onde são adicionadas hipóteses simplificadoras práticas. São realizadas simulações em dois sistemas testes de distribuição, com o objetivo de identificar o padrão de comportamento das faltas de alta impedância. É realizada uma discussão e análise de resultados, sugerindo-se trabalhos futuros.