de 24 horas anterior à alteração da Fase 1 do COINTER
2.2 Práticas Relacionadas ao Controle de Tensão e Potência Reativa em Sistemas de
2.2.3 Regulador de Tensão na Distribuição
O regulador de tensão é o equipamento responsável para controlar e operar a tensão dentro de uma faixa adequada pré-definida, seja o da subestação como no caso do OLTC, ou na rede de distribuição, quando necessário, instalado ao longo de um alimentador extenso ou atendimento de cargas concentradas na ponta deste. Para um bom desempenho, o controle é feito pelo relé regulador de tensão, baseado nos ajustes pré-definidos pelas concessionárias, que são comparados com as medições de tensão e corrente, para determinar o tap de operação do regulador de tensão [19]. Para uma melhor compreensão do diagrama esquemático de regulador de tensão em conjunto com relé regulador de tensão é apresentada na Figura 2.2 a seguir.
A tensão no lado carga do regulador é medida através de um TP (transformador potencial) que é comparada com a tensão de ajuste de referência. Se a diferença entre a tensão medida no secundário e a tensão de ajuste for maior ou menor do que a largura da faixa de insensibilidade pré-definida, o relé regulador de tensão recebe um sinal que, se for sustentado e superar o tempo de retardo ajustado no controle o relé regulador de tensão envia um sinal para o acionamento do motor do comutador de taps. Quanto ao sentido de comutação, ou seja, se o regulador atuará para elevar ou reduzir a tensão secundária depende da diferença relativa entre a tensão medida e a tensão de ajuste de referência. Caso a tensão medida seja maior que a tensão de ajuste, o sinal de comutação do tap deve ser tal que após atuação, seja reduzida para dentro da faixa de insensibilidade.
Assim, como descrito anteriormente, o relé regulador de tensão possui 3 ajustes básicos para satisfazer o bom funcionamento: tensão de ajuste de referência, largura da faixa de insensibilidade e temporização ou tempo de retardo/espera. Estes ajustes estão graficamente representados na Figura 2.3 a seguir:
Figura 2.3 – Ajustes do relé regulador de tensão. Adaptado de [7].
Esta filosofia de controle é adotada tanto para reguladores na subestação para OLTC, quanto para reguladores ao longo do alimentador que são normalmente bancos de reguladores de tensão monofásicos, onde normalmente utiliza-se um relé regulador de tensão para cada fase, possibilitando ajuste individual. Em alguns casos, menos comuns, pode haver relé com atuação simultânea nos reguladores de tensão monofásico.
2.2.3.1 Tensão de Ajuste
O valor da tensão de ajuste adotada pelas concessionárias de distribuição de energia elétrica normalmente está em torno de 3% acima da tensão de referência adotada na região. A tensão de ajuste desejada é o nível de tensão no qual o controle vai ser regulado na base de 120 V (tensão nominal típica no secundário dos transformadores de potencial utilizados neste tipo de controle). Como o controle faz correção de relação no software, esse valor normalmente vai ser definido como 120 V, a não ser que seja bom trabalhar com um nível de tensão superior ou inferior ao nominal.
A escolha do valor da tensão de ajuste desejada depende da tensão de referência do sistema de distribuição e a da largura de banda.
A possibilidade de definir uma tensão de ajuste no regulador da subestação com um controle de tensão adequado, aproximando-se de uma fonte com tensão praticamente constante, facilita as análises de alimentadores na rede de distribuição. Com isso está possibilitando que as tensões nos consumidores de MT e BT ao longo dos alimentadores venham a cumprir as determinações solicitadas no Módulo 8 do PRODIST (vide o item 2.1).
2.2.3.2 Largura de Banda
O comutador de tap sob carga (OLTC) nos transformadores de potência para regular a tensão é normalmente projetado para uma largura de banda de regulação de +/- 10%, em 32 passos, e com isso tem-se a variação de tensão por passo (vtp%) de 0,625%. Podem existir ainda comutadores com número de 24 ou 16 passos, mantendo a faixa de regulação de +/- 10%, dessa maneira teremos respectivamente 0,8333% e 1,25% de variação de tensão por passo.
Quando a tensão estiver dentro desta faixa ou banda, os indicadores de limites Lf% e o
timer (temporização) estarão desligados. A seleção de uma amplitude de banda pequena resulta em mais mudanças de tap, mas garante uma linha bem mais regulada. Por outro lado, uma amplitude de banda maior resulta em menos mudanças de tap, mas às custas de uma regulagem menos rigorosa. A seleção da amplitude de banda e dos valores de retardo deve ser feita reconhecendo-se a interdependência desses dois parâmetros.
Para a definição da largura de banda (de insensibilidade), é necessário considerar que com a correção da tensão para dentro da faixa, não deve haver alteração de tap em pouco tempo. O mais usual é que esta faixa seja maior que 2 vezes a variação de tensão por passo. Outro item
importante é que a largura de banda (de insensibilidade) escolhida permita que a tensão nas unidades consumidoras respeite a faixa admissível definida no PRODIST – Módulo 8 [2].
2.2.3.3 Temporização
O recurso de temporização é utilizado para evitar operações desnecessárias do comutador de derivação em carga durante oscilações momentâneas de tensão da linha, como pode ocorrer, por exemplo, durante a partida de um grande motor.
A temporização é o período (em segundos) que o controle aguarda desde o momento em que a tensão sai da faixa (e permanece fora) até o momento em que é emitido um comando de mudança de tap. Se houver necessidade de uma resposta rápida, deve-se usar um valor menor. Se houver necessidade de coordenar vários dispositivos em cascata, haverá necessidade de diferentes temporizações para que os dispositivos em questão funcionem na sequência desejada. A partir da subestação (fonte forte), cada dispositivo deve ter um tempo de espera mais longo que o dispositivo anterior. Recomenda-se uma diferença mínima de 15 segundos entre os reguladores da mesma fase e na mesma linha de alimentação. O intervalo de tempo permite que o dispositivo anterior execute seu trabalho antes do posterior reagir. O tempo de espera de um controle com capacitor ativado, redutor de tensão, deve ser ajustado da mesma forma que em um controle de regulador.
Assim como no caso da largura de banda, uma temporização elevada diminui o número de comutações, mas a regulação de tensão poderá ficar comprometida e em consequência pode haver aumento de reclamações dos consumidores. Em contrapartida, uma largura de banda estreita ou uma baixa temporização melhora o perfil de tensão, porém acarreta maiores comutações de taps e em consequência reduzir a vida útil devido a maior desgaste nas partes mecânicas.
2.2.3.4 Funções Avançadas
O princípio básico de controle dos reguladores é o descrito anteriormente nesta subseção. Além desse princípio básico, pode haver ainda reguladores com controles inteligentes que apresentem mais funcionalidades. Controles inteligentes para reguladores de tensão são providos de diversas funções e características, incorporando lógica digital e tecnologia microprocessada. Dentre as principais funções disponíveis estão:
• Compensação de queda de tensão; • Limitação de tensão;
• Redução de tensão;
• Modos de operação com fluxo reverso; • Medição, registrador de eventos;
• Verificação da posição do tap/registrador de eventos.
Compensação de Queda de tensão Resistiva (UR) e Reativa (UX) (Drop compensation): No caso dos reguladores instalados distantes do centro de carga teórico (o local onde a tensão deveria ser regulada), é possível utilizar este recurso de compensação de queda de tensão para desempenhar de maneira satisfatória o controle da tensão no ponto desejado. Nessa abordagem de controle, é feita uma amostragem da corrente de entrada, que é usada em um algoritmo que calcula as respectivas quedas de tensão resistivas e reativas baseado nos valores de compensação de queda de tensão programados. Este é um meio preciso e econômico de desenvolver a tensão compensada. Para selecionar os valores corretos de R e X, o usuário deve conhecer vários fatores relativos à linha a ser regulada.
Limitação de tensão: A função de limitação de tensão é usada para estabelecer tanto
um limite alto como um baixo para a tensão de saída do regulador. Quando ativada, ela funciona tanto no sentido direto como no inverso e tem a prioridade mais alta de todas as funções operacionais. A limitação de tensão só é cancelada pelo operador que controla o local ou por um sistema SCADA interligado. A função do limitador de tensão é proteger o usuário contra tensões excessivamente altas ou baixas, que podem resultar, por exemplo, de carga anormal no alimentador ou configuração imprecisa do controle do regulador (nível de tensão, amplitude de faixa e compensação de queda de tensão). No caso do uso do Compensador de Queda de Tensão de Linha, para cargas imediatamente após o regulador de tensão é recomendável utilizar a Limitação de Tensão de modo a não ficarem submetidas a tensões inadequadas.
Redução de tensão: O recurso de redução de tensão do controle permite que ele acione
o regulador para reduzir a tensão em situações extraordinárias em que as demandas de energia ultrapassam a capacidade disponível e em que há grandes picos de carga. O controle dispõe de três modos de redução de tensão: local/digital remoto, analógico remoto e pulsado. Todos os modos funcionam em condições de fluxo de energia direto ou inverso [21]. Tal função é baseada em estudos que mostram que uma redução de carga proporcional à redução na tensão, pode ser útil em momentos críticos de perda de geração ou tomada súbita de carga. Por isso, várias concessionárias utilizam este modo de redução de tensão.
Modo de operação com fluxo reverso: Os reguladores de tensão são geralmente
instalados em circuitos com fluxo de potência bem definidos da fonte para a carga, porém, através da detecção de fluxo de potência reverso é possível habilitar o controle do regulador a reconhecer situações em que o fluxo de potência está oposto da direção usual. Neste caso , para adequar a operação, pode haver a inversão no sentido de rotação do motor do comutador de carga e inversão ou não da polaridade do compensador de queda de linha.
Este modo de operação pode ser utilizado principalmente para operações com inversão da fonte para o lado L (carga) do RT (provavelmente para caso emergencial) e com isso alterando o controle de tensão para o lado S (Fonte) do RT. Nesta situação pode-se afirmar que há ganho por proporcionar rapidamente a manobra sem alteração da configuração física dos RTs, e evitando assim a interrupção no fornecimento de energia.
O controle pode oferecer diferentes respostas com características para detectar fluxo reverso de potência e operação, onde, na detecção do sentido de fluxo de potência, monitora somente a componente real da corrente para determinação do sentido da corrente e a amplitude. A seguir, apresentam-se alguns modos de ajustes possíveis de operação:
• Fluxo Direto: Sempre opera no sentido direto, corrigindo a tensão no lado L (carga), mesmo que tenha inversão do fluxo de potência, pois, as funções de medição permanecem no lado da carga normal do regulador – nenhuma leitura de demanda reversa irá ocorrer. Isso permite uma operação sem corrente, pois não há limite para fluxo no sentido direto. Este modo de operação é ilustrado na Figura 2.4.
• Fluxo Inverso: Sempre opera no sentido inverso, corrigindo a tensão no lado S (fonte), mesmo que tenha a mudança do fluxo de potência para direto, pois as funções de medição permanecem no lado da fonte (bucha S) do regulador – nenhuma leitura de demanda direta irá ocorrer. Isso permite uma operação sem corrente, pois não há limite para fluxo no sentido inverso. Este modo de operação é ilustrado na Figura 2.5.
Figura 2.5 – Diagrama para operação no modo fluxo inverso.
• Reverso Inativo: Quando o componente real da corrente estiver acima de um limite (direto) – na faixa de 1 a 5% da corrente nominal do TC –, o controle funciona ajustando a tensão sempre o sentido direto normal (lado carga). Quando a corrente fica abaixo desse limite, interrompe-se toda a mudança de
tap e o controle fica parado na última posição de tap mantida antes do limite ter sido ultrapassado. O timer operacional (tempo de espera) é zerado sempre que esse limite for ultrapassado e os indicadores de limite de faixa são desligados. Este modo de operação é ilustrado na Figura 2.6.
Figura 2.6 – Diagrama para operação no modo reverso inativo.
• Bidirecional: O controle funciona no sentido direto, corrigindo a tensão no lado L (carga) sempre que o componente real da corrente estiver acima do limite de fluxo direto definido pelo operador. O controle funciona no sentido inverso, corrigindo a tensão no lado S (fonte) usando as configurações de fluxo inverso, sempre que a corrente estiver acima do limite de fluxo inverso definido pelo operador. Quando a corrente estiver na região entre os dois limites, o controle fica parado na última posição de tap mantida antes da corrente ter um valor abaixo do limite. O timer operacional (tempo de espera) é zerado sempre que houver uma variação abaixo do limite em qualquer sentido; e os indicadores de limite de faixa são desligados. Este modo de operação é ilustrado na Figura 2.7.
Figura 2.7 – Diagrama para operação no modo bidirecional.
• Neutro Inativo (Inverso bloqueado no zero): O controle funciona no sentido direto, corrigindo a tensão no lado L (carga), sempre que o componente real
da corrente estiver acima do limite de fluxo direto definido pelo operador. Quando a corrente ultrapassa o limite de fluxo inverso definido pelo operador e é mantida por 10 segundos contínuos, o controle muda o tap para o neutro. A posição neutra é determinada usando-se Posição Tap. Se a posição do tap não for válida, a posição neutra é determinada usando-se porcentagem de regulação (redução e aumento). Quando a corrente estiver na região entre os dois limites, o controle pára na última posição de tap mantida antes do limite de fluxo direto ter sido ultrapassado. ao mudar o tap para a posição neutra, se a corrente cair abaixo do limite inverso, o controle continua mudando tap até chegar à posição neutra. O timer operacional (tempo de espera) é zerado sempre que houver variação abaixo do limite de fluxo direto; e os indicadores de limite de faixa são desligados. Este modo de operação é ilustrado na Figura 2.8.
Figura 2.8 – Diagrama para operação no modo neutro inativo.
• Cogeração: Neste caso, o lado do ajuste de tensão sempre deverá ser no lado carga (L), independentemente se houver a inversão de fluxo no regulador de tensão. Assim, na função direta é possível manter a tensão adequada quando estiver operando como na carga na subestação do consumidor, onde neste caso é possível ainda, se conveniente, utilizar o ajuste de compensação de queda de linha. No caso de fluxo de potência inversa é possível alterar o ajuste de tensão para outro patamar (ajustes definidos no modo inverso) de modo a possibilitar a exportação da energia no sentido da subestação da concessionária. Para isso, o controle é feito simplesmente de forma a não monitorar a tensão de entrada
quando o fluxo de potência é detectado, mas utilizar os parâmetros definidos respectivamente para fluxo direto ou inverso. Este modo de operação é ilustrado na Figura 2.9.
Figura 2.9 – Diagrama para operação no modo cogeração.
• Bidirecional Reativo: O controle determina que parâmetros (direto/inverso) devem ser usados detectando os componentes real e imaginário da corrente. O controle funciona no sentido direto sempre que a grandeza do componente imaginário da corrente passar do limite definido pelo operador no sentido negativo. O controle também funciona no sentido direto quando a grandeza do componente real da corrente passar do limite definido pelo operador no sentido positivo, enquanto a grandeza do componente imaginário da corrente estiver entre os limites definidos pelo operador. O controle funciona no sentido inverso usando os parâmetros de fluxo inverso sempre que a grandeza do componente imaginário da corrente passar do limite definido pelo operador no sentido positivo. O controle também funciona no sentido inverso quando a grandeza do componente real da corrente passar do limite definido pelo operador no sentido negativo, enquanto a grandeza do componente imaginário da corrente estiver entre os limites definidos pelo operador. Este modo de operação é ilustrado na Figura 2.10.
Figura 2.10 – Diagrama para operação no modo bidirecional reativo.
Medição/Registro de Eventos: O controle tem muitos recursos de medição
classificados como: medição instantânea, medição direta e inversa sob demanda. Na medição instantânea, os valores medidos são atualizados uma vez por segundo. Na medição sob demanda, quando requisitado, o controle fornece valores de medição dos seguintes parâmetros: para tensão de carga e para tensão de fonte, tensão compensada, corrente de carga, potência aparente, potência ativa e potência reativa diretas e reversas. Para cada um desses parâmetros, são registrados o valor atual, o valor mais alto e o valor mais baixo desde o último reset, e a hora e a data mais remotas nas quais ocorreram esses valores extremos. Também são registrados os fatores de potência quando há uma demanda alta ou baixa de potência reativa. Todos esses valores são armazenados separadamente em memória não volátil quando há fluxo de energia direto ou inverso.
Indicação de posição do comutador/ com registrador de eventos: No regulador de
tensão existe o sistema que indica a posição do comutador através do TPI (Tap Position
Indication) que monitora o estado do motor e a luz de neutro, que não requer fonte de alimentação. Diante destes dados, o relé regulador tem a capacidade de rastrear a posição do comutador em determinada data e horário mediante a ocorrência de algum evento, permitindo armazenar em banco de dados de modo a possibilitar visualizações e análise de como vem atuando ao longo do dia e mês. Com este gráfico, quando existir alguma anomalia no sistema, pode-se conhecer e entender fenômenos mesmo que sejam provenientes do sistema externo e até melhorar o desempenho com alteração de alguns parâmetros.
2.2.3.5 Modos de Controle
• Sequencial – método tradicional. Espera-se o tempo de atraso e inicia-se a mudança de
tap. A cada mudança de tap, aguarda-se o período de 2 segundos para amostrar a tensão e o tap é alterado até que a tensão seja corrigida (retorne para a largura de banda aceitável). Assim que a tensão é corrigida, o contador de tempo é resetado;
• Integração no tempo – espera-se o tempo de atraso e inicia-se a mudança de tap. Aguarda-se o período de 2 segundos para amostrar a tensão e o tap é alterado até que a tensão seja corrigida (retorne para a largura de banda aceitável). Assim que a tensão é corrigida, o contador de tempo é decrementado a uma taxa de 1,1 segundo a cada segundo, até chegar a zero;
• Média da tensão – quando a tensão sai da faixa aceitável, o contador de tempo é iniciado e durante o tempo ajustado para o atraso, um microprocessador mede e obtém a média dos valores instantâneos de tensão. Quando o tempo de atraso é atingido, a posição do tap necessária para corrigir a média da tensão ao valor ajustado é calculada e o tap é alterado sem nenhum atraso entre a posição inicial e a final (máximo de 5 posições). Se a tensão permanece por 10 segundos na faixa aceitável, o contador de tempo é resetado. Neste caso, o retardo de tempo deve ser de no mínimo 30 segundos para permitir obter a média da tensão.
Reguladores de subestação tipicamente operam no modo sequencial, mas com a utilização de relés de controle de tensão adequados é possível utilizar os outros modos em situações em que haja necessidade.
2.2.3.6 Outras informações
Limitador de posições (load bônus): O regulador de tensão permite o aumento da
corrente passante (aumento de carga) com a redução da faixa de regulação. A faixa de regulação máxima normalizada é 10%, porém, através deste modo é possível selecionar a forma de trabalho com load bônus, conforme Tabela 2.3.
Tabela 2.3 – Faixas de operação em load bônus.
Corrente Nominal (%) Limite Superior (Tap) Limite Inferior (Tap) Regulação (%) 100 +16 -16 10 110 +14 -14 8,75 120 +12 -12 7,50 135 +10 -10 6,25 160 +8 -8 5
Contador do número de operações do regulador: Esta é uma informação muito útil
para a equipe de manutenção para identificar a melhor hora para realizar a manutenção do dispositivo ou sua troca. Os comutadores de taps são concebidos para aproximadamente 1 milhão de operações em sua vida útil. Em condições normais, realizam-se de 20 a 35 comutações por dia, um total em média de 12,5 mil por ano. Considerando fazer uma manutenção preventiva a cada 100 mil operações, isto implica na necessidade de fazer mais ou menos a cada 8 anos. Caso o número de comutações por dia seja excessivo, o contador de operações também pode ser útil, indicando que algum parâmetro está regulado de forma errada