Download - Apostila de Qualidade da Energia.pdf
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 1
1
INTRODUO A qualidade da energia eltrica constitui na atualidade um fator crucial para a
competitividade de praticamente todos os setores industriais e dos servios. O setor
da energia eltrica encontra-se, sobretudo nas duas ltimas dcadas, a atravessar
profundas mudanas devido a um nmero considervel de fatores como (a) a
alterao da natureza de cargas consumidoras e da forma como a energia eltrica
hoje utilizada, (b) a liberalizao, desregulamentao (ou re-regulamentao) em
curso a nvel mundial, (c) a proliferao de autoprodutores, (d) o aparecimento de
novas tecnologias de gerao e (e) o peso crescente das questes ambientais
associadas s tecnologias de gerao, tm provocado grandes alteraes no modo de
funcionamento do setor (http://www.ipv.pt/millenium/20_arq1.htm).
1.1 O fornecimento da energia A energia eltrica, trmica e/ou nuclear deixa as usinas geradoras a cada
instante de tempo do dia e transportada por uma complexa rede de linhas areas
e/ou de cabos subterrneos at alcanar seus centros consumidores. A Figura 1
esquematiza de uma forma simplificada todo este processo desde quando a energia
deixa a sua fonte geradora (1), passando por uma subestao de elevao da tenso
(2), pelo seu transporte por longas linhas de transmisso at as reas onde h a sua
necessidade nos centros consumidores. Uma vez neste ponto, o nvel de tenso
rebaixado por outra subestao (4) sendo que as linhas do sistema de distribuio (5)
encarregam-se de direcionar a energia eltrica at as residncias, centros comerciais
e industriais (http://www.we-currentresource.com/pqbasics).
No entanto, para manter o nvel de tenso dentro de certos limites
operacionais aceitveis, tanto ao nvel de transmisso como de distribuio, so
necessrias medidas de controle e de acompanhamento tanto dos rgos de
fiscalizao como das concessionrias fornecedoras de energia. Isto se deve ao fato
de que, tanto os sistemas de distribuio como de transmisso esto constantemente
sujeitos a ocasionais variaes de tenso. Estas variaes, mesmo dentro de limites
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 2
pr-estabelecidos, podem causar operaes incorretas de sensveis equipamentos
eltricos nos diversos setores.
Figura 1- O fornecimento da energia
Para avaliar o quanto um sistema est operando fora de suas condies
normais, duas grandezas eltricas bsicas podem ser empregadas. So elas: a tenso e
a freqncia. A freqncia em um sistema interligado situa-se na faixa de 60
0,5Hz. Por outro lado, em relao tenso, trs aspectos principais devem ser
observados: Forma de onda, a qual deve ser o mais prximo possvel de senide; Simetria do sistema eltrico e Magnitudes das tenses dentro de limites aceitveis.
Entretanto, existem alguns fenmenos, aleatrios ou intrnsecos, que ocorrem
no sistema eltrico fazendo com que os aspectos acima citados sofram alteraes,
deteriorando a qualidade do fornecimento de energia eltrica. Dentre os fenmenos
podemos citar: afundamentos e/ou elevaes de tenses, as interrupes, distores
harmnicas, flutuaes de tenso, oscilaes, rudos, sobretenses, subtenses, etc.
Tais fenmenos bem como as provveis causas dos mesmos sero mais bem
explanados a partir do captulo 2 deste material.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 3
Para este contexto, cabe salientar que at bem pouco tempo atrs, a maioria
dos consumidores industriais entendia que gerenciar a energia eltrica significava
controlar a demanda, o fator de potncia, e administrar os contratos junto
concessionria. Pouco se falava em superviso de grandezas como tenses, correntes,
potncias e muito menos, em distores harmnicas ou transientes. Alguns
especialistas garantem que nos prximos cinco anos, a evoluo dos sistemas de
gerenciamento de energia ser to grande quanto foi nos ltimos 30 anos. Por esta
razo, as empresas que hoje pretendem apenas acompanhar a tenso e a corrente em
tempo real logo manifestaro uma grande preocupao com o nmero de
interrupes no fornecimento, e o tempo mdio destas interrupes. Pouco tempo
depois, estes mesmos usurios desejaro acompanhar a forma de onda da tenso
entregue pela concessionria, de modo a analisar, por exemplo, transitrios,
correntes harmnicas e afundamentos de tenso. No entanto, esta almejada anlise
depende da definio apropriada de indicadores que representem o desempenho dos
servios prestados pelas concessionrias envolvidas. No que segue, comentrios
bsicos que dizem respeito a uma boa qualidade da energia e sobre os ndices de
continuidade associados ao assunto sero apresentados.
1.2 Qualidade da Energia Como so de conhecimento, as interrupes, que podem ser provocadas tanto
por fenmenos aleatrios como pela falta de manuteno preventiva dos sistemas
eltricos, causam a diminuio da produtividade dos consumidores ocasionando a
interrupo na operao dos equipamentos. Para o consumidor residencial, o que ele
tem em mente como baixa qualidade da energia eltrica realmente a falta de
energia. Desde que essa falta no seja muito demorada, no haver grandes
aborrecimentos ou mesmo perdas econmicas por parte do consumidor. Se faltar
tenso em sua casa durante trs minutos, em princpio, no tem problema nenhum.
Se faltar durante trs horas, passa a ser diferente. Para o consumidor industrial, no
entanto, se faltar energia durante meio segundo, a fbrica pra e o processo industrial
tem que ser reiniciado, o que causa grandes prejuzos financeiros. Suponha que o
processo seja a fabricao de tecido: a interrupo momentnea de tenso pode partir
os fios do tecido. Para reiniciar o processo, ser preciso emendar todos os fios que se
partiram, e isso leva um certo tempo, com perda de produo. Se fosse um processo
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 4
de estamparia, por exemplo, o tecido seria refugado uma vez que a estampa ficaria
fora dos padres. Nos processos de laminao de ao, quando as mquinas param, os
operrios tm que "desentupir" o laminador, cortando os vares de ao com
maaricos, alm de manipul-los sob altas temperaturas, etc. Como dado ilustrativo,
constata-se pelos registros dos eventos, que uma interrupo na energia eltrica ou
uma queda de 30% na tenso fornecida por um curto perodo pode zerar os
controladores programveis acarretando em inmeras situaes no desejveis ao
sistema integrado.
Em virtude destas interrupes operacionais, destaca-se ento, uma das
principais razes para os estudos relacionados QE: o valor econmico. Sendo que
h impactos econmicos considerveis nas companhias, em seus
consumidores/clientes e fornecedores de equipamentos. No ramo industrial, sente-se
um impacto econmico direto j que, nos ltimos tempos, houve uma grande
revitalizao das indstrias com a automao e a incluso de modernos
equipamentos.
Tem-se ento que, para se estabelecer padres de qualidade adequados
necessrio definir a real expectativa dos consumidores, isto , identificar o quanto
sociedade est disposta a pagar pelos custos dos mesmos, pois a melhoria do nvel de
qualidade implica em aumento dos custos.
Cabe, para o momento, definirmos o que seria ento um problema de QE.
No existe uma conveno ou consenso sobre este conceito. Por causa da
rpida evoluo dos sistemas nos ltimos anos, este conceito tambm vem sofrendo
alteraes periodicamente.
O conceito de Qualidade da Energia est relacionado a um conjunto de
alteraes que podem ocorrer no sistema eltrico. Entre muitos apontamentos da
literatura, podemos ento apresentar o assunto como qualquer problema manifestado
na tenso, corrente ou desvio de freqncia, que resulta em falha ou m operao de
equipamento dos consumidores (DUGAN et al., 19961). Tais alteraes podem
ocorrer em vrias partes do sistema de energia, seja nas instalaes de consumidores
ou no sistema supridor da concessionria. Como causas mais comuns pode-se citar:
perda de linha de transmisso, sada de unidades geradoras, chaveamentos de bancos
1 Esta ser a referncia bsica adotada no decorrer do trabalho. Quando conveniente outras referncias sero citadas.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 5
de capacitores, curto-circuito nos sistemas eltricos, operao de cargas com
caractersticas no-lineares, etc.
Quanto ao nvel da QE requerido, este que possibilita uma devida operao
do equipamento em determinado meio para o qual foi projetado. Usualmente, h
padro muito bem definido de medidas para a tenso, de onde convencionalmente
associa-se a QE qualidade de tenso, j que o fornecedor de energia pode somente
controlar a qualidade da tenso, mas no tem controle sobre a corrente que cargas
particulares e ou especficas podem requerer. Portanto, o padro aceito com respeito
QE direcionado a manter o fornecimento de tenso dentro de certos limites.
No passado, os problemas causados pela m qualidade no fornecimento de
energia no eram to expressivos, visto que, os equipamentos existentes eram pouco
sensveis aos efeitos dos fenmenos ocorridos e no se tinham instalados, em
grandes quantidades, dispositivos que causavam a perda da qualidade da energia.
Entretanto, com o desenvolvimento tecnolgico, principalmente da eletrnica de
potncia, consumidores e concessionrias de energia eltrica tm-se preocupado
muito com a qualidade da energia. Isto se justifica, principalmente, pelos seguintes
motivos:
Os equipamentos hoje utilizados so mais sensveis s variaes na qualidade da energia. Muitos deles possuem controles baseados em
microprocessadores e dispositivos eletrnicos sensveis a muitos tipos de
distrbios;
O crescente interesse pela racionalizao e conservao da energia eltrica, com vistas a otimizar a sua utilizao, tem aumentado o uso de
equipamentos que, em muitos casos, aumentam os nveis de distores
harmnicas e podem levar o sistema a condies de ressonncia;
Maior conscientizao dos consumidores em relao aos fenmenos ligados qualidade da energia, visto que aqueles, esto se tornando mais
informados a respeito de fenmenos como interrupes, subtenses,
transitrios de chaveamentos, etc., passando a exigir que as concessionrias
melhorem a qualidade da energia fornecida;
Integrao dos processos, significando que a falha de qualquer componente tem conseqncias muito mais importantes para o sistema eltrico;
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 6
As conseqncias da qualidade da energia sobre a vida til dos componentes eltricos.
A ttulo de esclarecimento, a Figura 2 ilustra um levantamento feito nos EUA,
mostrando o crescimento das cargas eletrnicas em relao potncia instalada de
um sistema tpico, com previso at o ano 2000 [Projeto SIDAQEE2].
250
200
150
100
50
01960 1970 1980 1990 2000
Ano
Concessionria Cargas Eletrnicas
Potncia Instalada [GW]
Figura 2- Crescimento de cargas eletrnicas
Para exemplificar os impactos econmicos da qualidade da energia, a Figura
3 mostra os custos associados a interrupes eltricas de at 1 minuto para diferentes
setores econmicos.
2 Todas as ilustraes apresentadas neste documento foram obtidas do projeto referenciado.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 7
Figura 3 - Custo estimado - Interrupo de at 1 min
Dentro do exposto, fica evidente a importncia de uma anlise e diagnstico
da qualidade da energia eltrica, no intuito de determinar as causas e as
conseqncias dos distrbios no sistema, alm de apresentar medidas tcnicas e
economicamente viveis para solucionar o problema.
1.3 O controle da qualidade da energia eltrica
O texto apresentado a seguir foi retirado do trabalho: Continuidade nos
Servios de Distribuio de Energia Eltrica, Conj. & Planej., Salvador: SEI, n.
105, p. 36-40, Fev 2003 (Csar D. A. Belisrio, Daniella A. Bahiense e Gec M.
Oliveira).
A qualidade do setor eltrico de distribuio em especfico a performance
das concessionrias no fornecimento de energia eltrica; seus parmetros so: a
conformidade, o atendimento ao consumidor e a continuidade.
Esses parmetros so pontos bsicos para a definio dos diversos critrios de
localizao e arranjo das subestaes, de critrios de escolha dos materiais e
equipamentos de controle e proteo, regulao, e configurao da rede de
distribuio.
A conformidade est relacionada com os fenmenos associados forma de
onda de tenso, tais como: flutuaes de tenso, distores harmnicas e variaes
momentneas de tenso.
O atendimento abrange a relao comercial existente entre as concessionrias
e o consumidor, considera a cortesia, o tempo de atendimento, s solicitaes de
servios, o grau de presteza e o respeito aos direitos do consumidor.
A continuidade corresponde ao grau de disponibilidade de energia eltrica ao
consumidor. O ideal que no haja interrupo no fornecimento de energia eltrica,
ou, se houver, que seja a mnima possvel e informada ao consumidor em tempo
hbil, a fim de prevenir possveis prejuzos decorrentes da falta de energia. Dentre os
parmetros de qualidade podemos considerar a continuidade o de maior relevncia,
porque afeta o cotidiano das pessoas e causa grandes transtornos por comprometer
servios essenciais.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 8
1.3.1 Continuidade de fornecimento
Como anteriormente comentado, o controle da qualidade depende da
definio apropriada de indicadores que representem o desempenho dos servios
prestados pelas concessionrias de energia. No que se refere continuidade, os
indicadores utilizados permitem o controle e monitorao do fornecimento de
energia eltrica, a comparao de valores constatados ao longo de perodos
determinados e, a partir de metas de qualidade definidas, a verificao do resultados
atingidos.
Os indicadores, alm de refletirem os nveis de qualidade, possibilitam a
imposio de limites aceitveis de interrupo de fornecimento. Esses ndices so
ainda utilizados pelas concessionrias de energia eltrica como valores de referncia
para os processos de deciso nas etapas de planejamento, projeto, construo,
operao e manuteno do sistema eltrico de distribuio.
Em um contexto nacional, a ANEEL (Agncia Nacional de Energia Eltrica)
tem o papel de promover a qualidade da energia, regulamentar os padres e garantir
o atendimento aos mesmos, estimular melhorias, zelar direta e indiretamente pela
observncia da legislao, punir quando necessrio, e tambm definir os indicadores
para acompanhamento do desempenho das concessionrias. Cabe tambm ao rgo
regulador estabelecer metas de melhoria de continuidade mediante contratos e/ou
negociao com as concessionrias.
A Portaria 046/78, do antigo DNAEE (Departamento Nacional de guas e
Energia Eltrica), estabeleceu os primeiros dispositivos do controle da continuidade,
os quais, com a evoluo do setor tornaram-se insuficientes. A implantao do novo
modelo do setor eltrico configurou um monoplio natural regulado no segmento de
distribuio, reforando ainda mais a necessidade de apurao dos controles sobre a
qualidade. A regulao pelo preo em vigor incentiva a assimetria de informao,
pois as concessionrias no tm estmulos para fornecer dados relativos aos seus
custos. Como o nvel de qualidade implica em custos, a tendncia das
concessionrias manter esse nvel no menor patamar possvel, de modo a
maximizar seus ganhos, correspondentes margem entre o preo do servio e o
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 9
custo. Esses fatos, aliados evoluo dos recursos tecnolgicos, tornaram imperativa
a reviso desta portaria.
Com a finalidade de atingir este objetivo foi editada a Resoluo no 024/2000
da ANEEL, que introduziu novos avanos, e reformulou os procedimentos de
controle de qualidade sobre os aspectos da continuidade.
Entre as medidas mais significativas esto a criao de procedimentos
auditveis, a uniformizao do mtodo de coleta de dados e registros dos mesmos, a
forma de apresentao e a periodicidade do envio destes a ANEEL, de modo a
possibilitar a anlise e acompanhamento dos mesmos.
Outra melhoria foi introduo dos indicadores individuais, que tornou
possvel a avaliao das ocorrncias de interrupo por unidade consumidora, o
acompanhamento da agncia reguladora e tambm do prprio consumidor.
Atualmente esses ndices podem ser solicitados s concessionrias. Entretanto, a
partir de janeiro de 2005 ser obrigatrio incluso destes dados na fatura.
A apurao dos dados de interrupo para os indicadores so realizadas com
periodicidade mensal, trimestral e anual.
Foram introduzidos novos critrios de formao de grupo de consumidores de
caractersticas semelhantes e contguos, geralmente pertencentes a uma determinada
rea de uma concessionria, que possibilitou o atendimento homogneo. Esses
conjuntos foram propostos pelas concessionrias a ANEEL, que aps anlise e
aprovao, gerou uma resoluo especfica para cada concessionria com dados
validados.
Na resoluo, estabeleceram-se padres de referncia baseados no
levantamento de dados histricos de cada concessionria e a comparao destes entre
as diversas empresas.
O desenvolvimento de tcnicas de comparao de desempenho entre as
empresas de distribuio permitiu a formulao desses novos padres e o
estabelecimento de metas de melhoria dos ndices de continuidade.
As metas para os indicadores de continuidade individuais, coletivos (para
cada conjunto de unidades consumidoras), ou globais (para o total da concessionria)
foram definidas atravs de negociao entre as concessionrias e a ANEEL. Foram
estabelecidas por concessionrias, com base nos valores histricos dos indicadores
para os agrupamentos de consumidores, na anlise comparativa de desempenho das
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 10
empresas e nas metas de contratos de concesso, quando existentes. Essas metas so
possveis de renegociao quando das revises tarifrias.
Dos avanos obtidos pela resoluo, podemos ainda ressaltar a exigncia do
envio dos indicadores a ANEEL, a imposio de penalidade por descumprimento das
metas, o estabelecimento de prazos para o aviso de interrupo aos consumidores
com a antecedncia necessria e a obrigatoriedade da informao dos indicadores na
fatura. Tambm se determinou a disponibilizao do servio de atendimento gratuito
e permanente para o registro de reclamaes dos consumidores e as solicitaes de
providncias para servios emergenciais.
Os ndices de continuidade adotados pelo rgo regulador so:
A. Coletivos
a) DEC: Durao equivalente de interrupo por unidade
consumidora
b) FEC: Freqncia equivalente de interrupo por unidade
consumidora
B. Individuais
a) DIC: Durao de interrupo individual por unidade consumidora
b) FIC: Freqncia de interrupo individual por unidade
consumidora
c) DMIC: Durao mxima de interrupo contnua por unidade
consumidora
Os indicadores coletivos so particularmente teis agncia reguladora para
atender suas necessidades de avaliao das concessionrias, enquanto os individuais
servem mais especificamente ao interesse dos consumidores para avaliar o seu
atendimento pela distribuidora.
Nas apuraes dos indicadores acima todas as concessionrias devem
considerar interrupes iguais ou maiores que 3 (trs) minutos, e quando j estiver
previsto no contrato de concesso, apurao com interrupes iguais ou maiores que
1 (um) minuto, ser apurado das duas formas. A partir de 2005 todas as empresas
devero considerar somente as interrupes com intervalos iguais ou maiores que 1
(um) minuto, isto permite uma adequao de todas as distribuidoras ao padro nico
de 1 (um) minuto no decorrer deste prazo, j que historicamente a maioria delas
trabalhavam com interrupes iguais ou maiores a 3 (trs) minutos.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 11
1.3.2 Evoluo do desempenho da continuidade
Em quatro anos de atuao da ANEEL, o padro de continuidade do servio
de energia eltrica apresentou um ganho de eficincia significativo. No Brasil, no
ano de 1997, registrou-se um DEC de 27,19% horas e um FEC de 21,68
interrupes. Em 2001, esses valores foram de 9,05 horas e de 7,86 interrupes.
Nas figuras 4 e 5 podem-se verificar as mdias dos indicadores DEC e FEC
para o estado da Bahia (COELBA Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia)
comparadas com os valores do Brasil. No Brasil, no perodo de 1996 a 2001, houve
uma reduo dos DEC e FEC, em cerca de 65% horas e 64% interrupes, enquanto
na Bahia, neste mesmo perodo, a reduo destes ndices ficou em cerca de 25%
horas e 8% de interrupes.
notria a ocorrncia de uma reduo acentuada nesses ndices a partir da
introduo da resoluo no 24/00. No Brasil, no perodo aps a implantao da
ANEEL, at antes da vigncia da referida resoluo, ou seja, at o ano de 1999,
houve uma reduo dos DEC e FEC em cerca de 27% e 19% respectivamente,
enquanto na Bahia, neste mesmo perodo, a reduo destes ndices ficou em cerca de
21% e 8%. Aps a implantao da resoluo, entre 2000 a 2001, no Brasil o DEC e
FEC ficaram com uma reduo de 48%, e na Bahia uma reduo no DEC de 13%,
porm com um ligeiro aumento no FEC de 4,83%.
A ANEEL vem implantando um sistema de monitorao da qualidade da
energia eltrica, que dar agncia acesso direto e automtico s informaes sobre
a qualidade no fornecimento, sem que dependa de dados encaminhados pelas
empresas. Por via telefnica o sistema permite imediata recepo dos dados sobre
interrupo e restabelecimento do fornecimento de energia eltrica e conformidade
dos nveis de tenso nos pontos em que os equipamentos de monitorao esto
instalados. Assim ele mede os indicadores da qualidade do servio prestado pelas
concessionrias de energia.
Com o sistema, a ANEEL faz, numa determinada amostragem, o
acompanhamento da qualidade de modo mais eficaz, alm de poder auditar os dados
fornecidos pelas concessionrias. Os indicadores apurados pelo sistema so: os de
interrupo (DEC, FEC, DIC e FIC) relativos durao e a freqncia por conjunto
de consumidores e por consumidor individual e os dados de nvel de tenso.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 12
1.3.3 Comentrios finais
A Resoluo no 24 no esgota definitivamente o tema continuidade, devido
abrangncia e importncia do assunto.
Encontram-se em fase de elaborao, atravs de consulta pblica, uma minuta
de resoluo com o objetivo de alterar e complementar a resoluo em vigor,
considerando a necessidade de aperfeioar as regras estabelecidas.
importante considerar o dimensionamento adequado do nvel de qualidade
a ser alcanado, considerando o custo e o benefcio dos investimentos que
certamente ser bancado pela sociedade, no momento em que preciso ponderar se a
prioridade a melhoria dos ndices de continuidade ou, por exemplo, a
universalizao dos servios de eletricidade.
oportuno observar que o cenrio do setor eltrico aponta para uma matriz
energtica com uma maior participao de componentes de fonte de combustveis
fsseis e fontes alternativas, que representam, inicialmente, maiores custos para a
sociedade. Vale considerar que para atender a universalizao sero necessrios
grandes esforos em termos de investimentos.
Na medida em que a regulamentao existente sinaliza a adoo de metas de
continuidade gradativamente mais exigentes, haver sempre uma tendncia das
concessionrias em adicionar aos investimentos uma sofisticao maior na qualidade
dos materiais e padres de instalao, e isto principalmente na rea rural, onde se d
expanso das redes eltricas.
Certamente, todos os consumidores merecem o mesmo nvel de qualidade.
Porm, cabe avaliar se num mesmo momento melhor utilizar um padro de
continuidade menos exigente, do que o prolongamento da excluso dos benefcios da
energia eltrica de uma parcela da sociedade.
O desafio atual do setor eltrico, no que tange ao controle da qualidade de
distribuio, encontrar padres e metas para seus indicadores, que possam redundar
em melhoria nos servios de distribuio, sem com isso criar barreiras expanso do
setor.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 13
1.4 Termos e definies O objetivo desta seo o de apresentar as definies aceitas para muitos dos
termos encontrados na literatura nacional e internacional relacionados qualidade da
energia. Esta apenas se refere definies bsicas, tendo como intuito de apenas
despertar ou formar uma idia inicial a respeito do assunto. Termos como os que
seguem so empregados em uma variedade de diferentes documentos e esto
freqentemente sujeitos a confuses. Definies mais precisas, quando convenientes,
sero posteriormente apresentadas.
Afundamento (Dip ou Sag): qualquer decrscimo na tenso de pequena durao
(menor do que 1 minuto).
Carga Crtica (Critical Load): dispositivos ou equipamentos identificados como
importantes ou essenciais para a segurana de pessoas ou para a situao econmica
do comrcio/indstria.
Distoro da Forma de Onda (Waveform Distortion): qualquer variao na
qualidade da energia representada nas formas de ondas das tenses e correntes
trifsicas.
Distoro Harmnica (Harmonic Distortion): alterao na forma padro da tenso
ou corrente (onda senoidal) devido a um equipamento gerando freqncias diferentes
das de 60 ciclos por segundo.
Elevao (Swell): qualquer aumento de tenso de pequena durao (menor do que
um minuto) .
Interrupo (Interruption ou Outage): completa perda da energia eltrica
Interrupo Momentnea (Momentary Outage): uma pequena interrupo na
energia permanecendo entre 1/30 (dois ciclos) de um segundo a 3 segundos.
Distrbio (Disturbance): uma variao de tenso. Comumente, aps a operao
incorreta de determinado equipamento eltrico, por razes desconhecidas, o seu mal
funcionamento ser relacionado ao distrbio de tenso.
Oscilao ou Tremulao (Flicker): variao de tenso de pequena durao, mas
longa o necessrio para ser percebida pelos olhos humanos como uma oscilao de
tenso.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 14
Rudo (Noise): qualquer sinal eltrico indesejado de alta freqncia que altera a
forma de tenso padro (onda senoidal).
Sobretenso (Overvoltage): aumento do nvel de tenso acima do normal (10% ou
mais), com durao superior a um minuto.
Subtenso (Drop ou Undervoltage): queda ou diminuio de tenso devido partida
de grandes motores ou perda de alimentadores ou transformadores sob carga.
Algumas vezes empregado para descrever afundamentos de tenso (voltage sags)
ou subtenses (undervoltages).
Tenso Nominal ou Normal (Nominal ou Normal Voltage): tenso nominal ou
normal contratada para um sistema de determinada classe de tenso.
Transitrio (Transient, Spike ou Surge): um aumento inesperado no nvel de tenso
que tipicamente permanece por menos do que 1/120 de um segundo.
1.5 Causas dos distrbios Alguns distrbios relacionados qualidade da energia originam-se do prprio
sistema da empresa. No entanto, as causas destes distrbios esto, geralmente, alm
do controle das empresas. Como por exemplo, aes provocadas pela ao da
natureza como: relmpagos, contato de galhos de rvores, ventos fortes, contatos de
animais, gelo, etc. Alm destes, temos os eventos de causas aleatrias como:
atividades de construo, acidentes envolvendo veculos motores, falhas de
equipamentos. Somando-se ainda, as operaes normais da empresa como
chaveamentos, operaes com bancos de capacitores e atividades de manuteno
tambm podem gerar situaes que venham a provocar determinados distrbios
sobre o sistema.
Para limitar estes tipos de distrbios sobre o sistema a um menor nmero
possvel de clientes, o sistema de distribuio das empresas emprega um
considervel nmero de dispositivos tais como circuitos disjuntores, circuitos
automticos de religamento, barramentos e seccionadores para auxiliar no isolamento
do defeito.
Uma grande percentagem dos distrbios relacionados qualidade da energia,
na realidade, originam-se, de uma maneira geral, de dentro das instalaes
industriais/comerciais.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 15
Dos distrbios originados de dentro das instalaes dos usurios podemos
destacar como principais fontes:
a) nas instalaes comerciais: os sistemas de aquecimento ou resfriamento
de motores; elevadores; refrigeradores, lmpadas fluorescentes;
condutores inadequados e aterramentos imprprios; maquinrio de
escritrio (copiadoras, fax, impressoras a laser, etc.); circuitos
sobrecarregados e interferncia magntica.
b) nas instalaes industriais: reguladores de velocidade ajustvel;
capacitores para correo do fator de potncia; motores eltricos de
grande porte; geradores de emergncia; condutores inadequados e
aterramentos imprprios; circuitos sobrecarregados e interferncia
magntica.
1.6 Tipos de distrbios Os distrbios de energia podem ser originados tanto nos sistemas e /ou
equipamentos das empresas concessionrias como dos consumidores. Estes
distrbios podem ser classificados em categorias que podem variar quanto ao efeito,
durao e intensidade. A Tabela 1 que segue, ilustra as categorias mais comuns dos
distrbios, suas causas e algumas solues prticas.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 16
TABELA 1 Categorias de classificao dos distrbios considerando-se o seu efeito, durao e intensidade sobre determinado sistema
Tipo do distrbio
Descrio Possveis causas Efeitos Solues
Interrupo de energia
Total interrupo do fornecimento de energia: Interrupo momentnea: permanece de 0,5 s at 3 s Interrupo temporria: permanece de 3 s at 1 min Interrupo permanente: permanece por um perodo superior a 1 min
Acidentes, aes da natureza, etc., os quais requerem a devida operao dos equipamentos da concessionria (fusveis, religadores, etc.) Curto circuitos internos requerendo a devida operao de disjuntores e fusveis ao nvel do consumidor.
Sada e/ou queda do sistema Perda de memria de controladores e computadores Avaria de hardware Avaria de produtos
Uninterruptible Power Supply (UPS) Suprimento de Fora ou Energia Ininterrompvel Gerador de emergncia (interrupo permanente)
Tipo do
distrbio Descrio Possveis causas Efeitos Solues
Transitrio Alteraes sbitas nas formas CA, resultando um abrupto, mas breve aumento da tenso
So causados por tempestades (relmpagos), operao de fusveis, religadores e disjuntores da concessionria Causas internas so a entrada ou sada de grandes equipamentos e chaveamento de capacitores
Erros de processamento e perda de dados. Queima de placas de circuitos, danos ao isolamento e avarias nos equipamentos eltricos
Pra-raios Uninterruptible Power Supply (UPS) Transformadores de isolao Transformador de tenso constante
Tipo do distrbio Descrio Possveis causas Efeitos Solues Afundamento/eleva
o Qualquer decrscimo (afundamento) ou aumento (elevao) na tenso por um perodo de tempo entre meio ciclo a 3s Afundamentos de tenso correspondem a
Parada ou partida de pesados (grandes) equipamentos Curto circuitos Falhas de equipamentos ou chaveamentos da concessionria
Perda de memria e erros de dados Parada de equipamentos Oscilaes luminosas Reduo da vida til e diminuio da
Uninterruptible Power Supply (UPS) Transformador de tenso constante Reguladores de tenso
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 17
87% de todos os distrbios observados em um sistema de energia (de acordo com estudos do Bell Labs).
velocidade e/ou parada de motores
Tipo do distrbio
Descrio Possveis causas Efeitos Solues
Rudo Sinal eltrico de alta freqncia indesejvel que altera a forma de onda de tenso convencional (forma senoidal)
Interferncia da transmisso de rdio ou televiso Operao de equipamentos eletrnicos
Perda de dados e erros de processamento Recepo distorcida de udio e vdeo
Uninterruptible Power Supply (UPS) Transformadores de isolao Filtros de linha
Tipo do distrbio
Descrio Possveis causas Efeitos Solues
Distoro harmnica
Alterao no padro normal da tenso (forma senoidal) devido a equipamentos gerando freqncias diferentes das de 60 ciclos por segundo
Dispositivos eletrnicos e cargas no lineares
Aquecimento de equipamentos e condutores eltricos Decrscimo do desempenho de motores Operao indevida dos disjuntores, rels ou fusveis
Filtros harmnicos Transformadores de isolao Melhoras nos condutores e aterramento Cargas isoladas Reatores de linha
Tipo do distrbio
Descrio Possveis causas Efeitos Solues
Sub e Sobretenso
Qualquer alterao abaixo ou acima do valor nominal da tenso que persista por mais de um min
Sobrecarga nos equipamentos e condutores Flutuao de grandes cargas ou taps dos transformadores incorretamente ajustados Condutor desenergizado ou faltoso ou conexes eltricas indevidas
Ofuscamento ou brilho da luz Parada de equipamentos Sobreaquecimento de motores Vida ou eficincia reduzida dos equipamentos
Uninterruptible Power Supply (UPS) Transformadores de tenso constante Distribuio de equipamentos Motores de tenso reduzidas
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 18
A Tabela 2 mostra as categorias e caractersticas tpicas de fenmenos
eletromagnticos que contribuem para a perda da qualidade da energia em um
determinado sistema eltrico. Grande parte destes fenmenos j receberam
comentrios iniciais quando da apresentao da Tabela 1. Esta Tabela (2) estar
referenciada a todos os demais captulos que dizem respeito a cada fenmeno em
especfico. A mesma uma sntese de todos os distrbio que eventualmente possam
a vir a ocorrer sobre determinado sistema eltrico, trazendo as principais
caractersticas pelas quais os fenmenos so definidos.
No que segue, todos estes distrbios sero novamente apresentados,
procurando-se melhor caracteriz-los conforme o seu efeito, durao e intensidade
sobre determinado sistema eltrico.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 19
Tabela 2 - Classes e caractersticas tpicas de fenmenos eletromagnticos nos sistema eltricos
Fenmeno Contedo Espectral Tpico
Durao Tpica
Amplitude de Tenso Tpica
Transitrios - Impulsivos
ns 5 ns < 50 ns s 1 s 50 ns - 1 ms ms 0,1 ms > 1 ms
- Oscilatrios Baixa Freqncia < 5 kHz 3 - 50 ms 0,4 p.u. Mdia Freqncia 5 500 kHz 20 s 0,4 p.u.
Alta Freqncia 0,5 - 5 MHz 5 s 0,4 p.u. Variaes de Curta Durao - Instantnea
Afundamento 0.5 - 30 ciclos 0,1 0,9 p.u. Elevao 0.5 - 30 ciclos 1,1 1,8 p.u.
- Momentnea Interrupo 0.5 ciclos -3 s < 0,1 p.u.
Afundamento 30 ciclos - 3 s 0,1 0,9 p.u. Elevao 30 ciclos - 3 s 1,1 1,4 p.u.
- Temporria Interrupo 3 s - 1 min < 0,1 p.u. Afundamento 3 s - 1 min 0,1 0,9 p.u.
Elevao 3 s - 1 min 1,1 1,2 p.u. Variaes de Longa Durao
Interrupo Sustentada > 1 min 0,0 p.u. Sub-tenso Sustentada > 1 min 0,8 0,9 p.u. Sobre-tenso Sustentada > 1 min 1,1 1,2 p.u.
Desequilbrio de Tenso RP 0,5 - 2% Distoro da Forma de Onda
Nvel CC RP 0 0,1% Harmnicos de ordem 0-100 RP 0 20%
Inter-Harmnicos 0 - 6 kHz RP 0 2% Notching RP
Rudo faixa ampla RP 0 1% Flutuao de Tenso < 25 Hz intermitente 0,1 - 7% Variao da Freqncia do
Sistema < 10 s
RP Regime Permanente
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 20
2 TRANSITRIOS
Conforme DUGAN et al. (1996), o termo transitrio tem sido aplicado a
anlise das variaes do sistema de energia para denotar um evento que
indesejvel, mas momentneo, em sua natureza. Ou ainda, entende-se por transitrios
eletromagnticos as manifestaes ou respostas eltricas locais ou nas adjacncias,
oriundas de alteraes sbitas nas condies operacionais de um sistema de energia
eltrica. Geralmente, a durao de um transitrio muito pequena, mas de grande
importncia, uma vez que os equipamentos presentes nos sistemas eltricos estaro
submetidos a grandes solicitaes de tenso e/ou corrente.
Os fenmenos transitrios podem ser classificados em dois grupos, os
chamados transitrios impulsivos, causados por descargas atmosfricas, e os
transitrios oscilatrios, causados por chaveamentos.
2.1 Transitrio impulsivo Um transitrio impulsivo uma sbita alterao no desejvel no sistema,
que se encontra em condio de regime permanente, refletido nas formas de ondas da
tenso e corrente, ou ambas, sendo unidirecional na sua polaridade (primeiramente
positivo ou negativo). Normalmente causado por descargas atmosfricas com
freqncias bastante diferentes daquela da rede eltrica. A Figura 6 ilustra uma
corrente tpica de um transitrio impulsivo, oriundo de uma descarga atmosfrica.
Os transitrios impulsivos so normalmente caracterizados pelos seus tempos
de aumento e decaimento, os quais podem ser revelados pelo contedo espectral do
sinal em anlise. Como exemplo, um transitrio impulsivo 1,2x50-s 2000-V nominalmente aumenta de zero at seu valor de pico de 2000 V em 1,2 s e decai a um valor mdio do seu pico em 50 s. Como anteriormente citado, a causa mais
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 21
comum de transitrios impulsivos a descarga atmosfrica. Devido alta freqncia
do sinal resultante, a forma dos transitrios impulsivos pode ser alterada rapidamente
pelos componentes do circuito e apresentar caractersticas significantes quando
observadas de diferentes partes do sistema de energia.
Figura 6 - Corrente transitria impulsiva oriunda de uma descarga atmosfrica
Por se tratarem de transitrios causados por descargas atmosfricas, de
fundamental importncia se observar qual o nvel da tenso no ponto de ocorrncia
da descarga.
Em sistemas de distribuio o caminho mais provvel para as descargas
atmosfricas atravs de um condutor fase, no primrio ou no secundrio, causando
altas sobretenses no sistema. Uma descarga diretamente na fase geralmente causa
flashover na linha prxima ao ponto de incidncia e pode gerar no somente um
transitrio impulsivo, mas tambm uma falta acompanhada de afundamentos de curta
durao e interrupes. Altas sobretenses transitrias podem tambm ser geradas
por descargas que fluem ao longo do condutor terra. Existem numerosos caminhos
atravs dos quais as correntes de descarga podem fluir pelo sistema de aterramento,
tais como o terra do primrio, o terra do secundrio e as estruturas do sistema de
distribuio. Os principais problemas de qualidade da energia causados por estas
correntes no sistema de aterramento so os seguintes:
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 22
Elevao do potencial do terra local, em relao a outros terras, em vrios kV. Equipamentos eletrnicos sensveis que so conectados entre duas
referncias de terra, tal como um computador conectado ao telefone atravs
de um modem, podem falhar quando submetidos aos altos nveis de
tenso.
Induo de altas tenses nos condutores fase, quando as correntes passam pelos cabos a caminho do terra.
Em se tratando de descargas em pontos de extra alta tenso, o surto se
propaga ao longo da linha em direo aos seus terminais podendo atingir os
equipamentos instalados em subestaes de manobra ou abaixadoras. Entretanto, a
onda de tenso ao percorrer a linha, desde o ponto de incidncia at as subestaes
abaixadoras para a tenso de distribuio, tem o seu valor de mximo
consideravelmente atenuado, e assim, consumidores ligados na baixa tenso no
sentiro os efeitos advindos de descargas atmosfricas ocorridas a nvel de
transmisso. Contudo, os consumidores atendidos em tenso de transmisso e
supostamente localizados nas proximidades do ponto de descarga, estaro sujeitos a
tais efeitos, podendo ocorrer danificao de alguns equipamentos de suas
respectivas instalaes.
2.2 Transitrio oscilatrio Tambm como para o caso anterior, um transitrio oscilatrio uma sbita
alterao no desejvel da condio de regime permanente da tenso, corrente ou
ambas, onde as mesmas incluem valores de polaridade positivos ou negativos.
caracterizado pelo seu contedo espectral (freqncia predominante), durao e
magnitude da tenso (Tabela 2). Estes transitrios so decorrentes da energizao de
linhas, corte de corrente indutiva, eliminao de faltas, chaveamento de bancos de
capacitores e transformadores, etc..
Um transitrio com um componente de freqncia primrio menor do que 5
kHz, e uma durao de 0,3 a 50 ms, considerado um transitrio oscilatrio de
baixa freqncia. Estes transitrios so freqentemente encontrados nos sistemas
de subtransmisso e de distribuio das concessionrias e so causados por vrios
tipos de eventos. O mais comum provem da energizao de uma banco de
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 23
capacitores, que tipicamente resulta em uma tenso transitria oscilatria com uma
freqncia primria entre 300 e 900 Hz. O pico da magnitude pode alcanar 2,0 p.u.,
mas tipicamente 1,3 a 1,5 p.u. com uma durao entre 0,5 e 3 ciclos dependendo do
amortecimento do sistema. A Figura 7 ilustra o resultado da simulao da
energizao de um banco de 600 kVAr na tenso de 13,8 kV.
(V) : t(s) (1)p2a
0 5m 10m 15m 20m 25m 30m 35m 40m t(s)-12.5k
-10k
-7.5k
-5k
-2.5k
0
2.5k
5k
7.5k
10k
12.5k
15k
17.5k
20k
22.5k (V)
Figura 7 - Transitrio proveniente do chaveamento de um banco de capacitores
Transitrios oscilatrios com freqncias primrias menor do que 300 Hz
tambm podem ser encontrados em sistemas de distribuio. Estes so geralmente
associados com a ferroressonncia e a energizao de transformadores. Transitrios
envolvendo capacitores em srie podem ser includos nesta categoria. Estes ocorrem
quando o sistema responde pela ressonncia com componentes de baixa freqncia
na corrente de magnetizao do transformador (segunda e terceira harmnica) ou
quando condies no usuais resultam em ferroressonncia.
Oscilaes de ferroressonncia podem aparecer no TPC devido
possibilidade de uma capacitncia entrar em ressonncia com algum valor particular
de indutncia dos componentes que contem ncleo de ferro. Esta situao no
desejvel no caso dos TPCs, uma vez que informaes indesejveis poderiam ser
transferidas aos rels e aos instrumentos de medio.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 24
A Figura 8 ilustra o fenmeno da ferroressonncia envolvendo um
transformador a vazio.
Figura 8 - Transitrio oscilatrio de baixa freqncia causado pelo fenmeno da ferroressonncia em um transformador a vazio
Um transitrio com componentes de freqncia entre 5 e 500 kHz, com uma
durao medida em microssegundos (ou vrios ciclos da freqncia principal),
referenciado como transitrio oscilatrio de mdia freqncia. Estes podem ser
causados pelo chaveamento de disjuntores para a eliminao de faltas e podem
tambm ser o resultado de uma resposta do sistema um transitrio impulsivo. A
ttulo de ilustrao, toma-se como referncia as Figuras 9 e 10, as quais ilustram um
circuito equivalente para o estudo de tenses transitrias de restabelecimento (TRV)
e a resposta do sistema operao do disjuntor respectivamente.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 25
Figura 9 - Circuito equivalente para o estudo das tenses transitrias de
restabelecimento quando da eliminao de uma falta
Figura 10 - Sobretenso decorrente da eliminao de uma falta
Como se pode observar, na figura 10, o pico de tenso pode atingir, no
mximo, 2 vezes o valor de pico nominal. Estas sobretenses, como j foi dito para
transitrios de baixa freqncia, quando aplicadas a equipamentos, podem ocasionar
uma srie de efeitos indesejveis.
Transitrios oscilatrios com um componente de freqncia maior do que 500
kHz e com uma durao tpica medida em microssegundos (ou vrios ciclos da
freqncia principal) so considerados transitrios oscilatrios de alta
freqncia. Estes transitrios so freqentemente resultados de uma resposta local
do sistema a um impulso transitrio. Podem ser causados por descargas atmosfricas
ou por chaveamento de circuitos indutivos.
A desenergizao de cargas indutivas pode gerar impulsos de alta freqncia.
Apesar de serem de curta durao, estes transitrios podem interferir na operao de
cargas eletrnicas. Filtros de alta-frequncia e transformadores isoladores podem ser
usados para proteger as cargas contra este tipo de transitrio.
Considerando o crescente emprego de capacitores pelas concessionrias para
a manuteno dos nveis de tenso, e pelas indstrias com vistas correo do fator
de potncia, tem-se tido uma preocupao especial no que se refere possibilidade
de se estabelecer uma condio de ressonncia, devido s oscilaes de altas
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 26
freqncias, entre o sistema da concessionria e a indstria, e assim ocorrer uma
amplificao das tenses transitrias, bem superiores s citadas anteriormente,
podendo atingir nveis de 3 a 4 p.u.
Um procedimento comum para limitar a magnitude da tenso transitria
transformar os bancos de capacitores do consumidor, utilizados para corrigir o fator
de potncia, em filtros harmnicos. Uma indutncia em srie com o capacitor
reduzir a tenso transitria na barra do consumidor a nveis aceitveis. No sistema
da concessionria, utiliza-se o chaveamento dos bancos com resistores de pr-
insero. Com a entrada deste resistor no circuito, o primeiro pico do transitrio, o
qual causa maiores prejuzos, significativamente amortecido.
Conforme apresentado, algumas tcnicas podem ser utilizadas na tentativa de
se reduzir os nveis dos transitrios causados seja por chaveamentos ou por
descargas atmosfricas. Entretanto, em alguns casos, como por exemplo, os
transitrios oriundos de surtos de chaveamento em redes de distribuio, podem ter
seu grau de incidncia e magnitudes reduzidas atravs de uma reavaliao das
filosofias de proteo e investimentos para melhorias nas redes. Esta ltima medida
visa o aumento da capacidade da rede, portanto, evitando que bancos de capacitores
venham a ser exigidos.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 27
3 VARIAES DE LONGA DURAO NA TENSO
Dos problemas relacionados s variaes na tenso, citamos os efeitos de
longa durao por um perodo superior a 1 min, que podem ser caracterizados como
desvios que ocorrem no valor eficaz da tenso, na freqncia do sistema. Estas
variaes podem estar associadas sobre ou subtenso e faltas sustentadas. No caso
de sobre ou subtenso, geralmente, no resultam de falhas do sistema, mas so
causadas por variaes na carga e ou operaes de chaveamento sobre o mesmo. Tais
variaes so tipicamente apresentadas e analisadas como grficos do sinal de tenso
(rms root mean square) versus o tempo .
3.1 Sobretenso Podemos designar uma sobretenso como sendo um aumento no valor eficaz
da tenso CA, maior do que 110% (valores tpicos entre 1,1 e 1,2 p.u.) na freqncia
do sistema, por uma durao maior do que 1 min (Tabela 2). Sobretenses,
usualmente resultam do desligamento de grandes cargas ou energizao de um banco
de capacitores. Taps dos transformadores incorretamente conectados tambm podem
resultar em sobretenses no sistema.
Geralmente, so instalados nas indstrias bancos de capacitores, normalmente
fixos, para correo do fator de potncia ou mesmo para elevao da tenso nos
circuitos internos da instalao. Nos horrios de ponta, quando h grandes
solicitaes de carga, o reativo fornecido por estes bancos desejvel. Entretanto, no
horrio fora de ponta, principalmente no perodo noturno, tem-se um excesso de
reativo injetado no sistema, o qual se manifesta por uma elevao da tenso.
Com relao s conseqncias das sobretenses de longa durao, estas
podem resultar em falha dos equipamentos. Os dispositivos eletrnicos podem sofrer
danos durante condies de sobretenses, embora transformadores, cabos,
disjuntores, TCs, TPs e mquinas rotativas, geralmente, no apresentam falhas
imediatas. Entretanto, tais equipamentos, quando submetidos a repetidas
sobretenses, podero ter as suas vidas teis reduzidas. Rels de proteo tambm
podero apresentar falhas de operao durante as sobretenses. Uma observao
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 28
importante, diz respeito potncia reativa fornecida pelos bancos de capacitores, que
aumentar com o quadrado da tenso, durante uma condio de sobretenso.
Dentre algumas opes para a soluo de tais problemas, destaca-se a troca
de bancos de capacitores fixos por bancos automticos, tanto em sistemas das
concessionrias como em sistemas industriais, possibilitando um maior controle do
nvel da tenso e a instalao de compensadores estticos de reativos.
3.2 Subtenso J a subtenso apresenta caractersticas opostas, sendo que agora, um
decrscimo no valor eficaz da tenso AC para menos de 90% na freqncia do
sistema, tambm com uma durao superior a 1 min, caracterizado (Tabela 1).
As subtenses so decorrentes, principalmente, do carregamento excessivo de
circuitos alimentadores, os quais so submetidos a determinados nveis de corrente
que, interagindo com a impedncia da rede, do origem a quedas de tenso
acentuadas. Outros fatores que contribuem para as subtenses so: a conexo de
cargas rede eltrica, o desligamento de bancos de capacitores e, conseqentemente,
o excesso de reativo transportado pelos circuitos de distribuio, o que limita a
capacidade do sistema no fornecimento de potncia ativa e ao mesmo tempo eleva a
queda de tenso.
A queda de tenso por fase funo da corrente de carga, do fator de potncia
e dos parmetros R e X da rede, sendo obtidos atravs da equao (1).
V I(Rcos Xsen )= + (1) onde:
V- queda de tenso por fase; I - corrente da rede;
R - resistncia por fase da rede;
X - reatncia por fase da rede;
cos - fator de potncia. A partir da equao (1) pode-se concluir que aqueles consumidores mais distantes da subestao estaro submetidos a menores nveis de tenso. Alm disso,
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 29
quanto menor for o fator de potncia, maiores sero as perdas reativas na
distribuio, aumentando a queda de tenso no sistema.
Para evidenciar a influncia do fator de potncia na tenso, a Figura 11 ilustra
o perfil de tenso ao longo de um alimentador.
Dentre os problemas causados por subtenses de longa durao, destacam-se:
Reduo da potncia reativa fornecida por bancos de capacitores ao sistema;
Possvel interrupo da operao de equipamentos eletrnicos, tais como computadores e controladores eletrnicos;
Reduo de ndice de iluminamento para os circuitos de iluminao incandescente, conforme ilustra a Figura 12;
Elevao do tempo de partida das mquinas de induo, o que contribui para a elevao de temperatura dos enrolamentos e
Aumento nos valores das correntes do estator de um motor de induo quando alimentado por uma tenso inferior nominal, como mostra a Figura 13.
Desta forma tem-se um sobreaquecimento da mquina, o que certamente reduzir a
expectativa de vida til da mesma.
Distncia
0
-2
-4
-6
-8
[%]
Fp. Mdio=0.85 Fp. Mdio=0.7
V
Figura 11 - Perfil de tenso ao longo de um alimentador em
funo do fator de potncia.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 30
Potncia Consumida [W]
Nominal Queda - 2.5% Queda - 5% Queda - 7.5% Queda - 10%0
20
40
60
80
100
120
Figura 12 - Potncia consumida por uma lmpada incandescente de 100W para
diferentes valores de tenso.
Elevao da Corrente [%]
Queda - 5% Queda - 10% Queda - 15%0
2
4
6
8
10
12
14
Figura 13 - Elevao de corrente num motor de induo de 5CV em funo da
tenso de alimentao.
Para minimizar estes problemas, as medidas corretivas geralmente envolvem
uma compensao da impedncia Z, ou a compensao da queda de tenso IR + jIX,
causada pela impedncia.
As opes para o melhoramento da regulao de tenso so:
instalar reguladores de tenso para elevar o nvel da tenso; instalar capacitores shunt para reduzir a corrente do circuito; instalar capacitores srie para cancelar a queda de tenso indutiva (IX); instalar cabos com bitolas maiores para reduzir a impedncia Z;
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 31
mudar o transformador de servio para um de capacidade maior reduzindo assim a impedncia Z; e
instalar compensadores estticos de reativos, os quais tem os mesmos objetivos que os capacitores, para mudanas bruscas de cargas.
Existe uma variedade de dispositivos usados para regulao de tenso. Tais
dispositivos so tipicamente divididos em trs classes:
Transformadores de tap varivel: Existem transformadores de tap varivel com acionamento mecnico ou eletrnico. A maioria destes so do tipo
autotransformador, embora existam numerosas aplicaes de
transformadores de dois e trs enrolamentos com comutadores de tap. Os
do tipo mecnico so para cargas que variam lentamente, enquanto que os
eletrnicos podem responder rapidamente s mudanas de tenso.
Dispositivos de isolao com reguladores de tenso independentes: Dispositivos de isolao incluem sistemas UPS (Uninterruptible Power
Supply), transformadores ferroressonantes (tenso constante), conjuntos
M-G, etc. Estes so equipamentos que isolam a carga da fonte de
suprimento atravs de algum mtodo de converso de energia. Assim, a
sada do dispositivo pode ser separadamente regulada e manter constante a
tenso, desprezando as variaes provenientes da fonte principal.
Dispositivos de compensao de impedncia: Capacitores shunt ajudam a manter a tenso pela reduo da corrente de linha ou atravs da
compensao de circuitos indutivos. Estes capacitores podem ser fixos ou
chaveados dependendo do tipo e da necessidade do sistema. Capacitores
em srie so relativamente raros, mas so muito teis em algumas cargas
impulsivas como britadeiras, etc. Estes capacitores compensam grande
parte da indutncia dos sistemas. Se o sistema altamente indutivo, a
impedncia significativamente reduzida. Se o sistema no altamente
indutivo, mas tem uma alta proporo de resistncia, os capacitores srie
no sero muito efetivos. Compensadores estticos de reativos podem ser
aplicados tanto em sistemas das concessionrias como industriais. Eles
ajudam a regular a tenso pela rpida resposta ao suprir ou consumir
energia reativa. Existem trs tipos principais de compensadores estticos
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 32
de reativos: o reator controlado a tiristor, o capacitor chaveado a tiristor e
o reator a ncleo saturado. Estes equipamentos so muito usados em
cargas geradoras de oscilaes (flicker), tais como fornos a arco e em
outras cargas que variam randomicamente.
3.3 Interrupes sustentadas Quando o fornecimento de tenso permanece em zero por um perodo de
tempo que excede 1 min, a variao de tenso de longa durao considerada como
uma interrupo sustentada. As interrupes maiores do que 1 mim so
geralmente permanentes e requerem interveno humana para reparar e retornar o
sistema operao normal no fornecimento de energia (Tabela 2).
As interrupes sustentadas podem ocorrer de forma inesperada ou de forma
planejada. A maioria delas ocorre inesperadamente e as principais causas so falhas
nos disjuntores, queima de fusveis; falha de componentes de circuito alimentador,
etc. J as interrupes planejadas so feitas geralmente para executar manuteno na
rede, ou seja, servios como troca de cabos e postes, mudana do tap do
transformador, alterao dos ajustes de equipamentos de proteo, etc.
Seja a interrupo de natureza sustentada ou inesperada, o sistema eltrico
deve ser projetado e operado de forma a garantir que:
o nmero de interrupes seja mnimo; uma interrupo dure o mnimo possvel e o nmero de consumidores afetados seja pequeno. Ao ocorrer uma falta de carter permanente, o dispositivo de proteo do
alimentador principal executa 3 ou 4 operaes na tentativa de se restabelecer o
sistema, at que o bloqueio definitivo seja efetuado. A durao desta interrupo
pode atingir de vrios minutos a horas (em mdia 2 horas), dependendo do local da
falta, do tipo de defeito na rede e tambm da operacionalidade da equipe de
manuteno. Em redes areas, a localizao do defeito no demora muito tempo, ao
passo que em redes subterrneas necessita-se de um tempo considervel, o que
contribui para o comprometimento da qualidade do fornecimento. Entretanto, a
probabilidade de ocorrer uma falta em redes subterrneas muito menor do que em
redes areas.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 33
A conseqncia de uma interrupo sustentada o desligamento dos
equipamentos, exceto para aquelas cargas protegidas por sistemas no-breaks ou
por outras formas de armazenamento de energia. Como j foi colocado
anteriormente, no caso de interrupes de curta durao, o desligamento de
equipamentos acarreta grandes prejuzos s indstrias. No caso de interrupo
sustentada o prejuzo ainda maior, visto que o tempo de durao da interrupo
muito grande, comparado com o da interrupo de curta durao, retardando a
retomada do processo produtivo.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 34
4 VARIAES DE TENSO DE CURTA DURAO
Estas variaes podem ser designadas como instantneas (afundamentos e
elevaes de 0,5 a 30 ciclos), momentneas (interrupes de 0,5 a 3 s e
afundamentos/elevaes de 30 ciclos a 3 s), ou temporrias (interrupes e
afundamentos/elevaes de 3 s a 1 min), conforme definido na Tabela 2. Variaes
de tenso de curta durao so causadas por condies de faltas, energizao de
grandes cargas que requerem altas correntes de partida, ou a perda intermitente de
conexes nos cabos do sistema. Dependendo da localizao da falta e das condies
do sistema, a falta pode ou causar um decrscimo da tenso (afundamento) ou um
aumento da tenso (elevao), ou ainda, a completa perda da tenso (interrupo). A
condio de falta pode estar prxima ou longe do ponto de interesse. Em ambos os
casos, o impacto da tenso durante a condio de falta, uma variao de curta
durao at que os dispositivos de proteo operem para limpar a falta.
4.1 Interrupes de curta durao Uma interrupo ocorre quando o fornecimento de tenso ou corrente de
carga decresce para um valor menor do que 0,1 p.u. por um perodo de tempo que
no excede 1 mim.
As interrupes podem ser resultantes de faltas no sistema de energia, falhas
nos equipamentos e mal funcionamento de sistemas de controle. As interrupes so
medidas pela sua durao desde que a magnitude da tenso sempre menor do que
10% da nominal. A durao de uma interrupo, devido a uma falta sobre o sistema
da concessionria, determinado pelo tempo de operao dos dispositivos de
proteo empregados. Religadores programados para operar instantaneamente,
geralmente, limitam a interrupo a tempos inferiores a 30 ciclos. Religadores
temporizados podem originar interrupes momentneas ou temporrias,
dependendo da escolha das curvas de operao do equipamento. A durao de uma
interrupo devido ao mal funcionamento de equipamentos irregular.
Algumas interrupes podem ser precedidas por um afundamento de tenso
(item 4.2) quando estas so devidas a faltas no sistema supridor. O afundamento
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 35
ocorre no perodo de tempo entre o incio de uma falta e a operao do dispositivo de
proteo do sistema. A Figura 14 mostra uma interrupo momentnea devido a um
curto-circuito, sendo precedida por um afundamento. Observa-se que a tenso cai
para um valor de 20%, com durao de 3 ciclos e, logo aps, ocorre perda total do
suprimento por um perodo de 1,8 s at a atuao do religador.
Figura 14 - Interrupo momentnea devido a um curto-circuito e
subseqente religamento
Seja, por exemplo, o caso de um curto-circuito no sistema supridor da
concessionria. Logo que o dispositivo de proteo detecta a corrente de curto-
circuito, ele comanda a desenergizao da linha com vistas a eliminar a corrente de
falta. Somente aps um curto intervalo de tempo, o religamento automtico do
disjuntor ou religador efetuado. Entretanto, pode ocorrer que, aps o religamento, o
curto persista e uma seqncia de religamentos pode ser efetuada com o intuito de
eliminar a falta. A Figura 15 ilustra uma seqncia de religamentos com valores
tpicos de ajustes do atraso.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 36
Isc 30 5 15 30 Ciclos Segundos Segundos Segundos
Figura 15 - Seqncia de manobras efetuadas por
dispositivos automticos de proteo
Sendo a falta de carter temporrio, o equipamento de proteo no
completar a seqncia de operaes programadas e o fornecimento de energia no
interrompido. Assim, grande parte dos consumidores, principalmente em reas
residenciais, no sentiro os efeitos da interrupo. Porm, algumas cargas mais
sensveis do tipo computadores e outras cargas eletrnicas estaro sujeitas a tais
efeitos, a menos que a instalao seja dotada de unidades UPS (Uninterruptible
Power Supply), as quais evitaro maiores conseqncias na operao destes
equipamentos, na eventualidade de uma interrupo de curta durao.
Alguns dados estatsticos revelam que 75% das faltas em redes areas so de
natureza temporria. No passado, este percentual no era considerado preocupante.
Entretanto, com o crescente emprego de cargas eletrnicas, como inversores,
computadores, videocassetes, etc., este nmero passou a ser relevante nos estudos de
otimizao do sistema, pois , agora, tido como responsvel pela sada de operao
de diversos equipamentos, interrompendo o processo produtivo e causando enormes
prejuzos s indstrias.
Atentos a este problema, algumas concessionrias tm mudado a filosofia de
proteo com o objetivo de diminuir o nmero de consumidores afetados pelas
interrupes. Na filosofia de proteo coordenada, o dispositivo de proteo do
alimentador principal, seja o religador ou o disjuntor, sempre opera uma ou duas
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 37
vezes antes da operao do dispositivo jusante, geralmente, um fusvel. Como pode
ser observado na Figura 16, nesta filosofia, todos os consumidores do alimentador
sentiriam as curtas interrupes, fazendo aumentar o ndice de freqncia de
interrupo por consumidor (FEC), o qual monitorado pelas concessionrias.
Ramal
Alim. Principal
RamalDefeituoso
Figura 16 - Diagrama unifilar de um sistema de distribuio,
nova filosofia de proteo
4.2 Afundamento de tenso Dependendo da localizao da falta e das condies do sistema, a falta pode
causar um decrscimo temporrio de 10-90% no valor eficaz da tenso do sistema
(0,1 e 0,9 p.u., na freqncia fundamental), podendo permanecer por um perodo de
meio ciclo at 1 min (Tabela 2). Afundamentos de tenso so usualmente associados
faltas no sistema (curtos-circuitos ocorridos nas redes de distribuio), mas podem
tambm ser causados pela energizao de grandes cargas ou a partida de grandes
motores e pela corrente de magnetizao de um transformador. Segundo a literatura
consultada (HUANG et al., 1998), quando a tenso do sistema cai de 30% ou mais, o
estado deste considerado crtico.
Dependendo da sua durao estes eventos podem estar associados a trs
categorias, sendo estas: instantneas, momentneas e temporrias, as quais
coincidem com as trs categorias das interrupes e elevaes j comentadas. Estes
tempos de permanncia sobre o sistema correspondem aos tempos de operao
tpicos dos dispositivos de proteo das concessionrias, to bem como as divises
recomendadas pelas organizaes tcnicas internacionais.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 38
A Figura 16 ilustra uma subtenso de curta durao tpica, causada por uma
falta fase-terra. Observa-se um decrscimo de 80% na tenso por um perodo de
aproximadamente 3 ciclos, at que o equipamento de proteo da subestao opere e
elimine a corrente de falta. Neste caso, de acordo com a Tabela 2, a subtenso de
carter instantneo. Entretanto, as caractersticas e o nmero de subtenses diante de
uma determinada falta dependem de vrios fatores como: a natureza da falta, sua
posio relativa a outros consumidores ligados na rede e o tipo de filosofia de
proteo adotada no sistema.
Figura 16 Afundamento de tenso causado por uma falta fase-terra
Nesta situao, observa-se a concessionria afetando os consumidores.
Porm, pode ocorrer uma situao em que o curto-circuito se localize dentro de uma
instalao industrial ou comercial e, desta forma, venha a causar subtenses em
consumidores localizados em outros pontos da rede. Ressalta-se que, neste caso, as
quedas de tenso so de nveis menores devido impedncia do transformador de
entrada que limita a corrente de curto-circuito. Acrescenta-se ainda que, em
transformadores de conexo -Y, a corrente de seqncia zero, oriunda de faltas assimtricas, eliminada do circuito.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 39
Para ilustrar a subtenso causada pela partida de um motor de induo e
comparar com o caso anterior, tem-se a Figura 17. Como de conhecimento, durante
a partida de um motor de induo, este absorve uma corrente de 6 a 10 vezes a
corrente nominal, resultando em uma queda significativa na tenso fornecida.
Observa-se que, neste caso, a tenso cai rapidamente para 0,8 p.u. e, num perodo de
aproximadamente 3 s, retorna ao seu valor nominal.
Figura 17 Afundamento de tenso causado pela partida de um motor de induo
Como efeito destes distrbios tem-se, principalmente, a m operao de
equipamentos eletrnicos, em especial os computadores, que tem sido alvo de
preocupaes em rgos de pesquisa em qualidade da energia. Entretanto, determinar
os nveis de sensibilidade de tais equipamentos torna-se uma tarefa difcil, devido ao
grande nmero de medies necessrias para a coleta de dados, e ainda, as
dificuldades de se ter equipamentos de medio em condies reais de campo.
Os nveis de sensibilidade apresentados a seguir foram determinados a partir
de um estudo de casos realizado pelo EPRI (Electric Power Research Institute), com
exceo daqueles referentes a computadores, os quais foram estabelecidos pela ANSI
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 40
(American Nacional Standarsds Institute) e IEEE (Institute of Electrical and
Electronics Engineers) - (Projeto SIDAQEE): a) Controladores de resfriamento Estes apresentam uma sensibilidade muito grande as subtenses, quando
estas atingem nveis em torno de 80% da nominal, desconsiderando o
perodo de durao. Exemplos: torres de resfriamento e condensadores.
b) Testadores de chips eletrnicos Estes so muito sensveis s variaes de tenso e, devido complexidade
envolvida, freqentemente requerem 30 minutos ou mais para reiniciarem a
linha de testes. Tais testadores, compostos de cargas eletrnicas tipo:
impressoras, computadores, monitores, etc., normalmente saem de operao
se a tenso excursionar abaixo de 85% da nominal.
c) Acionadores CC So utilizados em grande escala em processos industriais, desta forma
importante que se mantenha uma qualidade no suprimento de energia destas
cargas. A partir de resultados preliminares de monitoraes, estes se
mostram sensveis quando a tenso reduzida para prximo de 88% da
nominal, ou seja, apresentam um alto nvel de sensibilidade.
d) PLCs Controladores Lgicos Programveis robustos, pertencendo, portanto, a uma
gerao mais antiga, admitem zero de tenso por at 15 ciclos. Porm, os
mais modernos, dotados de uma eletrnica mais sofisticada, comeam a
apresentar problemas na faixa de 50-60% da tenso nominal.
e) Robs Robs geralmente requerem uma tenso estritamente constante, para
garantir uma operao apropriada e segura. Portanto, estes tipos de
mquinas so freqentemente ajustadas para sarem de operao, ou
desconectadas do sistema de distribuio, quando a tenso atinge nveis de
90% da nominal.
f) Computadores Conforme mencionado anteriormente, os computadores configuram-se a
principal fonte de preocupao no que se refere as subtenses, uma vez que
os dados armazenados na memria podem ser totalmente perdidos em
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 41
condies de subtenses indesejveis. Assim, foi estabelecido pela
ANSI/IEEE, limites de tolerncia para computadores relativos a distrbios
no sistema eltrico. Estes trabalhos conduziram Figura 18, onde os nveis
de tenso abaixo da nominal representam os limites, dentro dos quais, um
computador tpico pode resistir a distrbios de subtenses sem apresentar
falhas. Nota-se que a suportabilidade de um computador grandemente
dependente do perodo de durao do distrbio.
0.001 0.50.01 1.00.1 6 10001003010Tempo em Ciclos (60 Hz)
106%
87%100
115%
30%0
200
Ten
so
[%]
400
Nvel de Tenso Passvel de Ruptura
300
Envoltria da Tenso deTolerncia do Computador
Falta de Energia deArmazenamento
Figura 18 - Tolerncias tpicas de tenso para computadores (curva CBEMA Computer Business Equipment Manufacturers Association)
g) Videocassetes, forno de microondas e relgios digitais Estas cargas so essencialmente domsticas e, de certa forma, apresentam-se
pouco sensveis s variaes de tenso, o que pode ser verificado atravs da
Figura 19.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 42
0.1 1 10 100 1000Tempo em ciclos
0
20
40
60
80
100
Regio de M Operao: VCRs Fornos de Microondas Relgios Digitais
Ten
so
(% d
a N
omin
al)
Figura 19 - Limiares de tenso para operao segura de vdeos, microondas e
relgios digitais
Diante de tais problemas, as variaes de tenso constituem-se num
importante item de qualidade, merecendo ateno por parte das concessionrias,
fabricantes de equipamentos e consumidores, alm de pesquisadores da rea de
qualidade da energia eltrica.
Existem vrias medidas que podem ser tomadas no sentido de diminuir o
nmero e a severidade das subtenses de curta durao. Algumas destas so:
a) Utilizao de transformadores ferroressonantes, conhecidos tambm como CVTs (Constant Voltage Transformers)
Este equipamento pode contornar a maioria das condies de afundamentos. So utilizados especialmente para cargas com potncias constantes e de
pequenos valores. Transformadores ferroressonantes so basicamente
transformadores de relao de transformao 1:1, altamente excitados em
suas curvas de saturao, fornecendo assim uma tenso de sada que no
significativamente afetada pelas variaes da tenso de entrada. A Figura 20
ilustra um circuito tpico de transformadores ferroressonantes.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 43
Figura 20 - Transformador ferroressonante
A Figura 21 mostra o melhoramento obtido em um controlador de processos
aumentando a sua capacidade de suportar afundamentos. O controlador de
processos pode suportar um afundamento abaixo de 30% da nominal
dispondo de um transformador ferroressonante de 120VA. Sem o seu uso,
este percentual fica em torno de 82%.
Com
Sem
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 44
Figura 21 - Melhoramento contra afundamentos atravs de um transformador ferroressonante.
b) Utilizao de UPSs Os tipos bsicos de UPSs (Uninterruptile Power Supply) fundamentam-se
nas operaes on-line e standby. A UPS hbrida, que corresponde a uma
variao da UPS standby, tambm pode ser usada para interrupes de
longa durao.
A Figura 22 mostra uma configurao tpica de uma UPS on-line. Nesta
topologia, onde a carga sempre alimentada atravs da UPS, tenso CA
de entrada convertida em tenso CC, a qual carrega um banco de baterias,
sendo esta ento, invertida novamente para tenso CA. Ocorrendo uma falha
no sistema CA de entrada, o inversor alimentado pelas baterias e continua
suprindo a carga.
Figura 22 - UPS on-line
Uma unidade UPS standby, mostrada na Figura 23, s vezes chamada de
UPS off-line, visto que o suprimento normal de energia usado para
energizar o equipamento at que um distrbio seja detectado. Uma chave
transfere a carga para o conjunto bateria-inversor.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 45
Figura 23 - UPS Standby
Similarmente topologia standby, a unidade UPS hbrida utiliza um
regulador de tenso na sada para prover a regulao e manter
momentaneamente o suprimento, quando da transferncia de fonte
convencional para a fonte UPS. Este arranjo mostrado na Figura 24.
Figura 24 - UPS Hbrida. c) Utilizao de um dispositivo magntico supercondutor de
armazenamento de energia Este dispositivo utiliza um magneto supercondutor para armazenar energia
da mesma forma que uma UPS utiliza baterias. Os projetos na faixa de 1 a 5
MJ so chamados de micro-SMES (Superconducting Magnetic Energy
Storage). A principal vantagem deles a grande reduo do espao fsico
necessrio ao magneto, se esta soluo comparada ao espao para as
baterias. Os projetos iniciais dos micro-SMES esto sendo testados em
Banco
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 46
vrios locais nos EUA com resultados favorveis. A Figura 25 mostra um
diagrama on-line deste dispositivo.
Figura 25 - Diagrama on-line de um dispositivo supercondutor
de armazenamento de energia
d) Utilizao de mtodos de partida de motores
Dentre os mais utilizados pode-se citar os seguintes mtodos de partida:
- Partida suave (Soft Started);
- Partida por meio de autotransformadores;
- Partida por meio de resistncia e reatncia;
- Partida por meio de enrolamento parcial e
- Partida pelo mtodo estrela-tringulo.
e) Melhorar as prticas para o restabelecimento do sistema da
concessionria em caso de faltas Isto implica em adicionar religadores de linha, eliminar as operaes rpidas
de religadores e/ou disjuntores, adicionar sistemas do tipo Network e
melhorar o projeto do alimentador. Estas prticas podem reduzir o nmero
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 47
e/ou a durao de interrupes momentneas e afundamentos, mas as faltas
nos sistemas das concessionrias nunca podem ser eliminadas
completamente.
f) Adotar medidas de preveno contra faltas no sistema da
concessionria Estas medidas incluem atividades como poda de rvores, colocar pra-raios
de linha, manuteno dos isoladores, blindagem de cabos, modificar o
espaamento entre condutores e melhorar o sistema de aterramento.
4.3 Elevao de tenso Outro distrbio pode ser caracterizado por um aumento da tenso eficaz do
sistema (aumento este entre 10-80% da tenso, na freqncia da rede, com durao
de meio ciclo a 1 min, Tabela 2) ocorrendo freqentemente nas fases ss de um
circuito trifsico, quando da ocorrncia de um curto circuito em uma nica fase. O
termo sobretenso momentnea empregado por vrios autores como sinnimo
para o termo elevao de tenso.
Como para o item anterior, elevaes so usualmente associadas condies
de faltas no sistema, mas no so to comuns como afundamentos de tenso. Um
meio ilustrativo de como uma elevao pode ocorrer do aumento temporrio da
tenso em fases no faltosas durante uma falta envolvendo uma fase com conexo a
terra. A Figura 26 ilustra uma elevao de tenso causada por uma falta fase-terra.
Este fenmeno pode tambm estar associado sada de grandes blocos de cargas ou
a energizao de grandes bancos de capacitores, porm, com uma incidncia pequena
se comparada com as sobretenses provenientes de faltas fase-terra nas redes de
transmisso e distribuio.
As elevaes so caracterizadas pela sua magnitude (valor eficaz) e durao.
A severidade deste distrbio durante uma condio de falta uma funo da
localizao da falta, impedncia do sistema e do aterramento. Em um sistema no
aterrado com impedncia de seqncia zero infinita, as tenses fase terra das fases
no aterradas sero 1,73 por unidade durante uma condio de falta envolvendo uma
fase com conexo terra. Prxima a subestao em um sistema aterrado, haver um
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 48
pequeno ou nenhum aumento nas fases no faltosas porque o transformador da
subestao usualmente conectado em delta-estrela, provendo um baixo caminho de
impedncia de seqncia zero para a corrente de falta.
A durao da elevao est intimamente ligada aos ajustes dos dispositivos de
proteo, natureza da falta (permanente ou temporria) e sua localizao na rede
eltrica. Em situaes de elevaes oriundas de sadas de grandes cargas ou
energizao de grandes bancos capacitores, o tempo de durao das elevaes
depende do tempo de resposta dos dispositivos reguladores de tenso das unidades
geradoras, do tempo de resposta dos transformadores de tap varivel e da atuao
dos dispositivos compensadores de reativos e sncronos em sistemas de potncia e
compensadores sncronos que porventura existam.
Figura 26 - Elevao de tenso devido a uma falta fase-terra
Como conseqncia das elevaes de curta durao em equipamentos, pode-
se citar falhas dos componentes, dependendo da freqncia de ocorrncia do
distrbio. Dispositivos eletrnicos incluindo ASDs (Adjustable Speed Drivers),
computadores e controladores eletrnicos, podem apresentar falhas imediatas durante
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 49
estas condies. Contudo, transformadores, cabos, barramentos, dispositivos de
chaveamento, TPs, TCs e mquinas rotativas podem ter a vida til reduzida. Um
aumento de curta durao na tenso em alguns rels pode resultar em m operao
enquanto outros podem no ser afetados. Uma elevao de tenso em um banco de
capacitores pode, freqentemente, causar danos no equipamento. Aparelhos de
iluminao podem ter um aumento da luminosidade durante uma elevao.
Dispositivos de proteo contra surto como um circuito de fixao da amplitude
(clamping circuit) podem ser destrudos quando submetidos a elevaes que
excedam suas taxas de MCOV (Maximum Continuous Operating Voltage).
Dentro do exposto, a preocupao principal recai sobre os equipamentos
eletrnicos, uma vez que estas elevaes podem vir a danificar os componentes
internos destes equipamentos, conduzindo-os m operao, ou em casos extremos,
completa inutilizao. Vale ressaltar mais uma vez que, a suportabilidade de um
equipamento no depende apenas da magnitude da elevao, mas tambm do seu
perodo de durao, conforme ilustra a Figura 18, a qual mostra a tolerncia de
microcomputadores s variaes de tenso.
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 50
5 DESEQUILBRIO DE TENSO
Desequilbrio de tenso muitas vezes definido como o desvio mximo dos
valores mdios das tenses ou correntes trifsicas, dividido pela mdia dos mesmos
valores, expresso em percentagem. O desequilbrio tambm pode ser definido
usando-se a teoria de componentes simtricos. A razo entre os componentes ou de
seqncia negativo ou zero, com o componente de seqncia positivo pode ser usado
para especificar a percentagem do desequilbrio.
As origens destes desequilbrios esto geralmente nos sistemas de
distribuio, os quais possuem cargas monofsicas distribudas inadequadamente,
fazendo surgir no circuito tenses de seqncia negativa. Este problema se agrava
quando consumidores alimentados de forma trifsica possuem uma m distribuio
de carga em seus circuitos internos, impondo correntes desequilibradas no circuito da
concessionria. Tenses desequilibradas podem tambm ser o resultado da queima
de fusveis em uma fase de um banco de capacitores trifsicos.
Tais fatores fazem com que a qualidade no fornecimento de energia,
idealizada pela concessionria, seja prejudicada e desta forma alguns consumidores
tm em suas alimentaes um desequilbrio de tenso, o qual se manifesta sob trs
formas distintas:
a) amplitudes diferentes;
b) assimetria nas fases; e
c) assimetria conjunta de amplitudes e fases.
Destas, apenas a primeira freqentemente evidenciada no sistema eltrico.
A instalao eltrica de um consumidor, sujeito a desequilbrios de tenso,
pode apresentar problemas indesejveis na operao de equipamentos, dentre os
quais destacam-se:
a) Motores de Induo: Para as anlises dos efeitos de tenses
desequilibradas aplicadas a um motor de induo, considera-se somente os efeitos
produzidos pelas tenses de seqncia negativa, somados aos resultados da tenso de
seqncia positiva. Os efeitos das tenses e correntes de seqncia zero no so
comumente considerados, visto que a maioria dos motores no possui caminho para a
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 51
circulao destas correntes, seja pela conexo estrela isolada ou em delta destes
motores.
Sabe-se que, quando tenses de seqncia negativa so aplicadas ao estator
do motor, surge um correspondente campo magntico que gira no sentido contrrio
ao campo da seqncia positiva, ou seja, contrrio ao sentido de rotao do rotor.
Assim, tem-se estabelecido uma indesejvel interao entre os dois campos, o que
resulta num conjugado pulsante no eixo da mquina.
A Figura 27 ilustra a curva do conjugado desenvolvido por um motor de
induo (20cv, 220V, Y), bem como a curva de conjugado de carga, quando
alimentado por tenses desequilibradas.
(N.m) : t(s) (1)t(mt_ind2.m1) (1)tc(mt_ind2.m1)
0 200m 400m 600m 800m 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 t(s)
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
(N.m)
Figura 27 - Resposta do motor alimentao desequilibrada
Ao mesmo tempo, as correntes de seqncia negativa causam um
sobreaquecimento da mquina. Isto pode ser evidenciado atravs da Figura 28, a qual
apresenta elevaes de temperatura tpicas para motores de induo quando estes so
submetidos a tenses desequilibradas. Como conseqncia direta desta elevao de
Conjugado do motor
Conjugado da carga
-
Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 52
temperatura, tem-se a reduo da expectativa de vida til dos motores, visto que o
material isolante sofre uma deteriorao mais acentuada na presena de elevadas
temperaturas nos enrolamentos.
Desequilbrio [%]
Elevao da Temperatura [oC]100
80
60
40
20
0
Deseq. de Corrente Deseq. de Tenso
0 2 3,5 5
Figura 28 - Elevao de temperatura de um motor de induo trifsico para
diferentes nveis de desequilbrio
b) Mquinas sncronas: Como no caso anterior, a corrente de seqncia
negativa fluindo atravs do estator de uma mquina sncrona, cria um campo
magntico girante com velocidade igual do rotor, porm, no sentido contrrio ao de
rotao definido pela seqncia positiva. Conseqentemente, as tenses e correntes
induzidas nos enrolamentos de campo, de amortecimento e na superfcie do ferro do
rotor, tero uma freqncia igual a duas vezes da rede. Tais correntes aumentaro
significativamente as perdas no rotor,