Compreendendo componentes simétricos em sistemas de energia

10 de julho de 2024 Luciano Bertene

Em 1918, o cientista americano Dr. CL Fortescue propôs uma teoria inovadora que revolucionou o campo da engenharia de energia elétrica. Esta teoria, conhecida como “Componentes simétricos,' forneceu uma visão profunda sobre a análise e compreensão da complexidade de sistemas elétricos trifásicos de terminação única. Dr. O trabalho de Fortescue revelou que qualquer sistema instável de correntes ou tensões trifásicas poderia ser decomposto em três conjuntos de vetores simétricos, cada um com propriedades únicas. Esses conjuntos, conhecidos como componentes de sequência de fase positiva, sequência de fase negativa e sequência de fase zero, forneceram aos engenheiros uma ferramenta poderosa para decifrar e gerenciar as complexidades dos sistemas de energia. Este artigo examina os fundamentos dos componentes simétricos, suas aplicações e seu papel crítico na garantia da estabilidade, proteção e eficiência das redes elétricas modernas.

Um sistema balanceado de correntes trifásicas com Sistema co-fase. Eles são chamados de componentes adicionais do sistema.
Um sistema equilibrado de correntes trifásicas com correntes opostas ou Sistema anti-fase. Estes são chamados de componentes de sequência negativa.
Um sistema de três correntes de igual força e com A mudança de fase zero é chamada de componente de sequência de fase zero.

Os componentes de fase positiva, negativa e zero são os componentes simétricos do sistema desequilibrado original. A palavra “simétrico” é apropriada porque o sistema trifásico instável foi resolvido em três conjuntos de componentes balanceados ou simétricos. Os índices 1, 2 e 0 geralmente indicam componentes de fase positiva, negativa e zero. Por exemplo, mostra os componentes de fase zero da corrente na fase vermelha. Da mesma forma, implica o componente de fase positiva da corrente na fase amarela.

Representação de componentes simétricos

Vamos aplicar a teoria dos componentes simétricos a um sistema trifásico assimétrico. Suponha que uma falta simétrica ocorra em um sistema trifásico que Sequência de fase RYB. De acordo com a teoria dos componentes simétricos, a corrente desequilibrada resultante é

(ver Fig. a) pode ser resolvido em sistema balanceado de correntes trifásicas,

com sequência positiva – RYB, conforme mostrado na Figura I. Estes são os componentes da sequência de fase positiva.

Componentes simétricos – sequência de fases

É um sistema de equilíbrio de correntes trifásicas Sistema anti-fase – RBY, como mostrado na Fig. II. Estes são os componentes da sequência anti-fase.
Um sistema de três correntes de igual intensidade com componentes de sistema de fase zero.

A corrente em cada fase é igual à soma vetorial das correntes de fase positiva, negativa e zero naquela fase, conforme mostrado na figura abaixo.

Os seguintes pontos devem ser observados:

As correntes positivas do sistema, correntes negativas do sistema, e as correntes de fase zero formam separadamente um sistema de corrente balanceado. É por isso que eles são chamados componentes simétricos do sistema assimétrico.

A teoria dos componentes simétricos aplica-se igualmente às correntes trifásicas e às tensões aos valores de fase e linha.

Os componentes simétricos não têm existência própria. Eles são simplesmente componentes matemáticos das correntes ou tensões desequilibradas que fluem no sistema.

Em um sistema trifásico simétrico, as correntes de fase oposta e zero são zero.

Aplicações de componentes simétricos

A teoria dos componentes simétricos provou ser uma ferramenta inestimável na engenharia de sistemas de energia. Ele encontra aplicação em vários aspectos dos sistemas de energia elétrica, incluindo análise de falhas, esquemas de proteção e projeto de sistemas. Aqui estão algumas aplicações importantes:

Análise e proteção de erros

Uma das principais aplicações de componentes simétricos é a análise de falhas e sistemas de proteção de redes elétricas. Uma falha em um sistema de energia, como um curto-circuito, pode levar a correntes desequilibradas. Ao usar componentes simétricos, os engenheiros podem analisar e compreender a natureza da falta e projetar relés de proteção para isolar rapidamente a seção defeituosa do sistema. Isso garante a segurança e confiabilidade da rede elétrica.

Regulação de tensão

A teoria dos componentes simétricos também pode ser aplicada à regulação de tensão em sistemas de potência. Ao decompor tensões desequilibradas em seus componentes simétricos, os engenheiros podem projetar sistemas de controle que mantêm os níveis de tensão desejados dentro de limites aceitáveis, mesmo quando o sistema passa por condições desequilibradas devido a falhas ou flutuações de carga.

Análise de estabilidade transitória

Os componentes simétricos desempenham um papel crucial no estudo da estabilidade transitória, que trata da capacidade de uma rede elétrica de manter o sincronismo após uma perturbação. Os engenheiros usam componentes simétricos para analisar o comportamento do sistema após uma falha e avaliar sua capacidade de restaurar a operação estável.

Projeto de sistema

Ao projetar sistemas de potência, é importante considerar os efeitos das condições de desequilíbrio. Componentes simétricos ajudam os engenheiros a avaliar o impacto de cargas desequilibradas e erros no desempenho do sistema. Esta informação é crítica para projetar dispositivos como transformadores e geradores que possam lidar com essas condições de desequilíbrio sem aquecimento excessivo ou distorção de tensão.

Análise harmônica

A teoria dos componentes simétricos pode ser estendida para analisar correntes e tensões harmônicas em sistemas de potência. Harmônicos são distorções indesejadas da tensão senoidal ou das formas de onda da corrente e podem causar problemas como superaquecimento de equipamentos e interferência em dispositivos eletrônicos sensíveis. Ao aplicar técnicas de componentes simétricos, os engenheiros podem identificar e mitigar problemas harmônicos em sistemas de potência.

Detecção de falta à terra

A detecção de faltas à terra em sistemas de distribuição de energia é fundamental para a segurança. Com componentes simétricos, as correntes de falta à terra podem ser analisadas e esquemas de aterramento e sistemas de proteção eficazes podem ser desenvolvidos para identificar e resolver rapidamente faltas à terra.

Conclusão

Em resumo, a teoria dos componentes balanceados fornece uma estrutura poderosa para analisar e compreender condições de desequilíbrio em sistemas de energia trifásicos. Suas aplicações abrangem todo o espectro da engenharia de energia, desde análise de falhas e proteção até projeto de sistemas e análise harmônica. Os engenheiros confiam em componentes simétricos para garantir a operação confiável e estável das redes elétricas e dos dispositivos conectados.

Perguntas frequentes

1. Qual é a finalidade dos componentes simétricos na engenharia elétrica?

Componentes simétricos são uma técnica matemática para analisar condições de desequilíbrio em sistemas elétricos trifásicos. Eles dividem correntes ou tensões desequilibradas complexas em três conjuntos de componentes balanceados, facilitando a compreensão e o gerenciamento do comportamento dos sistemas de energia durante faltas, flutuações de tensão ou outras situações de desequilíbrio.

2. Como os componentes simétricos são usados na proteção de redes?

Os componentes simétricos desempenham um papel crucial nos sistemas de proteção da rede elétrica. Os relés de proteção utilizam a análise de componentes simétricos para detectar e responder rapidamente a falhas, como curtos-circuitos na rede elétrica. Ao analisar os componentes simétricos de corrente ou tensão em diferentes pontos do sistema, os relés podem determinar o tipo e a localização da falta e isolar a parte afetada da rede para evitar maiores danos.

3. A teoria dos componentes simétricos pode ser aplicada a sistemas monofásicos?

A teoria dos componentes simétricos é projetada principalmente para sistemas trifásicos porque é baseada em componentes positivos, negativos e de fase zero que são específicos para quantidades trifásicas. O conceito de componentes de sequência não se aplica a sistemas monofásicos, mas outras técnicas e teorias são utilizadas para analisar e resolver condições de desequilíbrio. Componentes balanceados são poderosos para sistemas trifásicos, mas têm aplicabilidade limitada em contextos monofásicos.