Uncertain future, yet strong support

O desenvolvimento do programa EMTP (do inglês, Eletromagnetic Transients

Program) por Herman W. Dommel, para a Bonneville Power Administration (BPA),

iniciou a partir da década de 60. Inicialmente simulavam circuitos monofásicos através de modelos de indutâncias, capacitâncias e resistências em linhas sem perdas, incluindo uma chave e uma fonte de excitação. Os elementos concentrados utilizavam a regra de integração trapezoidal e as linhas de transmissão utilizavam o método Bergeron. Houve colaboração do mundo todo e a partir de 1973, Scott Meyer assumiu a coordenação e o desenvolvimento do programa na BPA, estabelecendo um processo de desenvolvimento articulado com os usuários do EMTP, que o tornou uma ferramenta poderosa em estudos de transitórios em sistemas elétricos [21].

O ATP [87] é uma versão do EMTP [15]. É um programa de grande aceitação, aplicado em SEP. Esse software oferece um modo de programação através da MODELS [20], que é uma linguagem própria do ATP e que permite escrever rotinas com variáveis no tempo. A MODELS interage com o ATP permitindo a troca de valores de entrada e de saída facilitando a modelagem de componentes de circuitos de controle arbitrários, definidos pelo usuário. As variáveis são ligadas com componentes de controle como o TACS/MODELS.

A Figura 5.18, mostra através das setas como é o fluxo de entrada e saída de dados, que estabelecem a troca de variáveis usadas no processamento de cada rotina ou subrotina da MODELS.

Outra forma de criar modelos no ATP está relacionada aos chamados foreign

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código do próprio ATP. Esta linguagem é prática para desenvolver algoritmos de proteção do relé diretamente no ATP [88, 14].

No ATP-EMTP há duas subrotinas para o cálculo de parâmetros da linha de transmissão: Line Constants e Cable Parameters. A subrotina Line Constants somente calcula os parâmetros de uma linha de transmissão, enquanto a subrotina Cable

Parameters permite também o cálculo dos modelos de cabos aéreos e subterrâneos. O cálculo desses parâmetros é muito importante não só para projetos como na simulação de transitórios na RD. A intensidade e o comportamento de um curto-circuito no momento de uma falta, dependem muito desses parâmetros. Através desses resultados pode-se avaliar o comportamento da proteção do sistema.

Ambas as rotinas podem ser usadas para os cálculos dos dados de entrada de todos os modelos de linha disponíveis do ATP-EMTP, desde a representação tipo π (PI), até a representação com parâmetros dependentes da frequência como o modelo MARTI ou o

IARMA [89]. Podem-se utilizar modelos de linhas com parâmetros distribuídos e

concentrados. No ATP-EMTP existem dois possíveis modelos para a representação da linha com parâmetros distribuídos constantes: Clarke e K.C. Lee. O primeiro usa a transformação de Clarke, sendo aplicável para linhas de transmissão totalmente transpostas, enquanto o segundo pode ser usado para linhas não transpostas.

A simulação da proteção no ATP, em SEP, vem sendo estudada há muito tempo porque é útil para testar novos algoritmos de relés, realizar estudos de coordenação e para avaliar o desempenho dos relés diante de um evento, por exemplo, o curto-circuito. Para isso, o SEP, os relés, a interação entre o sistema e os relés, precisam ser modelados.

Devido à abrangência do ATP, nos estudos de transitórios eletromagnéticos, existem modelos disponíveis para determinada simulação, em que, não há necessidade de elaborar a todo o momento o mesmo programa. Já existem internamente rotinas para modelos elaborados como seguem:

 Elementos concentrados e ou acoplados – onde é possível a representação de resistências, reatâncias, indutâncias e capacitâncias sem acoplamentos ou com acoplamentos entre fases. Podem configurar qualquer disposição, formando componentes de filtros, bancos de capacitores, reatores de linha, etc.

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 Linha de Transmissão – os modelos de linha de transmissão disponíveis no ATP são muito flexíveis, podendo ser representado por uma cadeia de π (PI) com parâmetros distribuídos ou concentrados. Considerando teoricamente que a modelagem mais correta é a que apresenta parâmetros que variam com a frequência, foram desenvolvidos no ATP diversos métodos para este tipo de modelagem.

 Elementos não lineares - O programa permite a representação de resistência e indutância não lineares, sendo disponíveis diversas alternativas para esta finalidade.  Chaves – O programa contém uma grande variedade de modelos para chaves. Podem ser representadas chaves de tempo controlado, chaves estatísticas, chaves sistemáticas, chaves controladas por tensão ou por sinais, bem como chaves de medição.

Este trabalho utiliza nas simulações a chave do tipo controlada por tempo, tipo 13. Estas chaves podem efetuar as operações de fechamento e de abertura em tempos especificados pelo usuário. Estas operações são realizadas uma única vez, sendo que a abertura ocorre nos zeros de corrente ou conforme uma determinada margem de corrente. Estas chaves simulam o comportamento de um disjuntor ou religador.  Fontes – A fonte de excitação pode ser representada por corrente ou tensão as quais

são definidas dentro do programa. O usuário tem ainda a opção de definir suas próprias fontes de excitação, seja ponto a ponto, ou através da subrotina TACS ou então através de comandos em FORTRAN.

A estrutura do ATP é muito extensa, e dominar todo o conteúdo requer muito estudo e aplicação. O grau de dificuldade, principalmente para iniciantes, é elevado. O manual do programa (ATP Rule Book) é extenso e apresenta uma dificuldade enorme para consulta. Além disso, o ATP apresenta uma quantidade de modelos para o mesmo componente e a existência de vários programas e rotinas inseridas num mesmo código. Isso contribui para dificultar a escolha.

Por outro lado, o ATP apresenta muitas vantagens e facilidades. Dentre elas, o cálculo de curto-circuito em Linhas de Transmissão e RD, que é fundamental para a análise do comportamento dos dispositivos de proteção no desenvolvimento deste trabalho.

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A quantidade de cálculos que são envolvidos no processo de determinação da corrente de curto-circuito, e os erros que ocorrem com frequência nos resultados, fragilizam toda a operação do sistema de proteção. Esses cálculos envolvem, inicialmente, o conhecimento e aplicação de componentes simétricas e o uso de outros teoremas como:

a) O teorema da Superposição - estabelece que, em qualquer circuito linear bilateral, contendo uma ou mais fontes, a corrente em qualquer ramo do circuito é a soma algébrica das correntes que seriam causadas por cada fonte individualmente, substituindo- se as demais por sua resistência interna.

b) O teorema de Thévenin - estabelece que qualquer circuito linear visto de um ponto, pode ser representado por uma fonte de tensão igual à tensão do ponto em circuito aberto, em série com uma impedância igual à impedância do circuito visto deste ponto. Nos sistemas de grande porte a análise dos defeitos pelo método de Thévenin é muito trabalhosa, pela dificuldade de se determinar a impedância de Thévenin visto no ponto de defeito, por isso, precisa-se de um método mais poderoso propício à programação digital.

Todos esses esforços são compensados quando se utiliza de ferramentas computacionais, para efetuar os cálculos em grande escala e com resultados satisfatórios. A utilização do ATP-EMTP, de elementos da MODELS, permitem uma grande quantidade de alternativas para a medição de grandezas que são usadas nas simulações que se deseja executar. Por isso, o EMTP/ATP/MODELS foi escolhido como a ferramenta adequada para auxiliar e proporcionar a realização deste estudo.