Estudo de Curto-Circuito

Por que o estudo de curto-circuito é importante?

O estudo de curto-circuito é uma das análises mais importantes no planejamento de um projeto de sistema elétrico. Sem esse estudo, seria impossível elaborar esquemas de proteção e dimensionar vários equipamentos.

Este artigo aborda o que é um curto-circuito, por que ele é perigoso e quais são os passos básicos para a elaboração do estudo.

O que é um curto-circuito?

O curto-circuito, do inglês short circuit, ou circuito curto, é uma falha que ocorre quando a corrente elétrica “ignora” a carga, como representado na imagem acima.

Isso pode ocorrer por vários motivos, como falhas na isolação e intervenções realizadas de forma inadequada no sistema. Em sistemas aéreos, também é comum que um curto-circuito seja provocado por mau tempo. Enfim, inúmeras são as causas.

Nessa condição, a impedância que limita a corrente é reduzida. Com isso, pode surgir uma corrente muito superior à corrente nominal do sistema.

Quais são os riscos de um curto-circuito?

Uma corrente de curto-circuito pode ser muito elevada. Se os dispositivos de proteção não atuarem em uma condição de falta, pode haver uma grande liberação de energia.

Em determinados tipos de falta, como as faltas por arco, podem ocorrer explosões e danos à vida dos trabalhadores. Também podem ocorrer queima de equipamentos, paradas de processos produtivos e indisponibilidade de energia, que pode afetar milhões de pessoas.

O que é uma análise de curto-circuito e para que ela serve?

De acordo com a IEEE Std 3002.3-2018, uma das principais considerações no projeto de um sistema de energia é o controle adequado de curtos-circuitos, já que eles podem causar interrupções no serviço e danos a equipamentos e trabalhadores.

Devido aos impactos causados pelo curto-circuito, uma falha deve ser retirada do sistema o mais rápido possível. Isso requer estudos extensivos do sistema e de suas condições de operação.

Uma análise de curto-circuito pode ser realizada dinamicamente ou por meio de uma simulação quase estática. Simulações e estudos dinâmicos requerem dados mais detalhados dos equipamentos e são resolvidos por meio de equações diferenciais algébricas.

Alguns estudos específicos são tratados por meio de simulações dinâmicas, como os estudos de energização de transformadores e de tensão de restabelecimento transitório. Um estudo típico de curto-circuito utiliza uma representação quase estática do sistema. Nele, são determinadas as correntes de falta em toda a rede e as respectivas contribuições de máquinas síncronas, motores de indução e outras fontes.

Em relação ao objetivo, a análise de curto-circuito pode possuir vários fins:

• Verificar a capacidade de interrupção dos dispositivos de proteção.
• Verificar a capacidade de fechamento e travamento dos dispositivos de proteção.
• Fornecer as informações necessárias para o cálculo da energia incidente (arc flash).
• Fornecer subsídios para o estudo de proteção e seletividade.

Como é realizado um estudo de curto-circuito?

Algumas etapas são sempre seguidas para o desenvolvimento de um estudo de curto-circuito.

1. Coleta de dados. É o primeiro passo do estudo, no qual são coletados os dados elétricos dos componentes do sistema, como impedância, potência, tensão, corrente suportável e norma de fabricação. Por vezes, alguns dados podem ser de difícil obtenção, seja pela idade do equipamento ou pela dificuldade de acesso. Nesses casos, existem na literatura recomendações que podem ser adotadas quando não é possível obter os dados originais, mas essa é uma conversa para outro momento.
2. Diagrama unifilar. Após a coleta dos dados, é construído o diagrama unifilar do sistema em um software específico. O diagrama apresenta como os elementos estão interligados.
3. Análise em software. Após a construção do diagrama unifilar, inicia-se a análise dos casos. Podem ser considerados inúmeros cenários, que contemplam a entrada de geradores, perdas de linhas e transformadores, desligamentos de disjuntores, entre outras condições.
4. Tratamento dos resultados. Com os cenários definidos e os resultados obtidos no software, inicia-se o tratamento dos resultados. São criadas tabelas nas quais são apresentados os valores dos curtos-circuitos trifásicos, bifásicos e monofásicos para os períodos subtransitório, transitório e de regime.
5. Relatório. Por fim, é elaborado um relatório que descreve os cenários estudados, as premissas adotadas e os maiores valores de corrente de curto-circuito encontrados. Quando o estudo tem como objetivo o dimensionamento de equipamentos, também são relacionados os equipamentos com classificação excedida de acordo com a norma utilizada em seu projeto.

Quais softwares são utilizados em estudos de curto-circuito?

Existem diversos softwares comerciais para a realização de estudos de curto-circuito. Na rede básica de transmissão, destaca-se o software ANAFAS, desenvolvido pelo Cepel.

O ANAFAS é um programa computacional para o cálculo de curtos-circuitos. Ele permite a execução automática de uma grande variedade de faltas.

O software é amplamente utilizado pelas empresas Eletrobras, pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), pelo Ministério de Minas e Energia (MME), pela Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) e por concessionárias que operam redes de transmissão ou subtransmissão.

O ANAFAS é flexível e permite a execução de estudos individuais, nos quais o usuário define cada caso, e de estudos macro, nos quais os casos são gerados automaticamente pelo software.

Em sistemas industriais, softwares como PTW e ETAP realizam estudos de curto-circuito para diversos tipos de falta. O ETAP, por exemplo, realiza a análise da suportabilidade dos equipamentos de acordo com as normas ANSI/IEEE C37 e IEC 60909. Além disso, também oferece:

• Avaliação automática dos dispositivos.
• Relatórios completos.
• Integração com os estudos de arc flash e seletividade.

Conclusão

O estudo de curto-circuito é fundamental nos sistemas elétricos para determinar e dimensionar corretamente os equipamentos de proteção, reduzir os riscos de danos às instalações e aos trabalhadores e manter a conformidade com as normas vigentes.

Uma ferramenta profissional específica é sempre necessária, haja vista que os sistemas podem ser complexos, o que dificulta a abordagem matemática.