Variações de Longa Duração

Segundo uma abordagem física ou fenomenológica, transitórios consistem em perturbações no estado de equilíbrio de um sistema (ou estado de regime permanente) em função da ação de agentes externos e que ocasionam uma redistribuição interna de energia, cuja duração está associada às características temporais ou constantes de tempo do próprio sistema. Sistemas elétricos (que envolvem menores constantes de tempo comparativamente a outros, a exemplo de sistemas mecânicos, hidráulicos ou pneumáticos) apresentam tipicamente transitórios de curta duração que podem ser descritos a partir de uma variação abrupta em um ou mais parâmetros da rede a partir da ocorrência de uma onda transitória de tensão, corrente ou potência. Portanto, no tocante à análise de sistemas de energia elétrica, transitórios podem ser considerados como fenômenos eletromagnéticos que se originam de

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alterações abruptas em suas condições de operação. A ilustração à direita da Figura 2.4 representa o transitório resultante do chaveamento de um banco de capacitores.

Figura 2.4 Fenômeno de perturbação da rede: transitórios ou “transients”.

A origem de transitórios em sistemas de potência está ligada à ocorrência de descargas atmosféricas, correntes de partida de motores de alta potência, chaveamento de bancos de capacitores em linhas de transmissão ou correntes de magnetização de transformadores. Podem ser caracterizados segundo duas classes distintas:

• Transitórios impulsivos. • Transitórios oscilatórios.

Um transitório impulsivo é definido em função de uma variação abrupta na freqüência da rede que ocorre com polaridade definida (positiva ou negativa), é descrita em função do seu tempo de subida e de descida e que tem nas descargas atmosféricas a sua origem mais comum. A excitação do sistema elétrico a partir de um transitório impulsivo pode gerar uma reação ou distúrbio oscilatório caracterizando os chamados transitórios oscilatórios, conforme será descrito a seguir.

Analogamente aos transitórios impulsivos, um transitório oscilatório é definido como uma variação abrupta na amplitude de tensão ou corrente que modifica a polaridade da forma de onda (em função de sua característica oscilatória) e é comumente descrito em função de sua magnitude, freqüência e conteúdo espectral.

Desta forma, os chamados transitórios de alta freqüência têm uma duração típica na escala de microssegundos (µs) e uma componente de freqüência principal superior a 500 kHz, sendo comumente originados por operações de comutação do sistema como resposta a um transitório impulsivo. Os transitórios de média freqüência apresentam duração na escala de dezenas de microssegundos e sua componente principal de freqüência oscila entre 5 e 500 kHz. Por fim, transitórios oscilatórios de baixa freqüência são caracterizados por uma duração variável entre 0,3 e 50 ms e a sua componente principal de freqüência varia até um

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limite superior de 5 kHz. Identificada comumente em sistemas de transmissão e distribuição, transitórios desta natureza são mais frequentemente originados pela energização de bancos de capacitores (apresentando, neste caso, componentes de freqüência entre 300 e 900 Hz).

Adicionalmente, é possível ainda identificar em sistemas de distribuição de energia transitórios cujo componente de freqüência principal é inferior a 300 Hz e cuja ocorrência está geralmente associada à ressonância do ferro ou à energização de transformadores.

2.2.2.2 Subtensões ou Afundamentos (Sags)

Subtensões ou afundamentos de tensão, conforme ilustrado pela Figura 2.5, são caracterizados pela redução da amplitude de tensão em relação ao valor padronizado e a sua verificação está associada a fatores como a ocorrência de falhas no sistema elétrico (que usualmente são regularizadas em um período variável de 3 a 30 ciclos, conforme a magnitude da falha em corrente). Está associada ainda à entrada na rede de cargas com grande consumo de corrente (a exemplo da partida de motores de alta potência que pode ocasionar uma queda na tensão do sistema) e, portanto, uma vez que a corrente drenada pela carga apresente uma magnitude comparável à corrente máxima de falha disponível no sistema, um significativo afundamento resultante de tensão poderá ser verificado.

O termo “sag” que pode ser traduzido por “queda”, “depressão” ou “afundamento”, foi empregado durante anos para a descrição dos fenômenos de redução de tensão de curta duração. Entretanto, de acordo com a norma IEC, o mesmo fenômeno é referenciado através do termo “dip”. Segundo a literatura relacionada ao tema, ambos os termos são empregados indistintamente ainda que o termo “sag” seja mais aplicado pela comunidade norte-americana ligada à qualidade de energia.

Devido à falta de padronização, no início a duração dos eventos de afundamento não estava bem definida. A definição de afundamento em algumas publicações ficava na faixa entre 2 ms e 2 min. Subtensões com tempos abaixo de meio ciclo de rede não eram consideradas como sendo uma mudança no valor eficaz da tensão na freqüência fundamental e por esta razão, estes eventos não eram considerados transitórios.

O tempo de duração associado aos afundamentos é comumente classificado segundo três grupos distintos que definem as chamadas variações de curta duração: afundamentos instantâneos, momentâneos e temporários. Contudo, subtensões com duração superior a 1

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minuto (e, neste caso, controladas por meio de reguladores de tensão) são classificadas como variações de longa duração.

Figura 2.5 Fenômeno de perturbação da rede: afundamentos ou “sags”.

2.2.2.3 Sobretensões ou Saltos (Swells)

Sobretensão ou salto de tensão (swell) representa a contrapartida conceitual associada à definição de afundamento de tensão (sag). Desta forma, conforme ilustra a Figura 2.6, sobretensões são descritas como perturbações que implicam no aumento da amplitude de tensão do sistema (com variações típicas de 1,1 e 1,8 pu) por um período de 0,5 ciclos a 1 minuto e, portanto, são caracterizados de forma completa por sua duração e magnitude. Analogamente às subtensões, a ocorrência de sobretensões também está ligada a falhas na operação do sistema e, portanto, suas características dependerão das condições do sistema no local da falha, como impedância ou aterramento.

O desligamento de cargas de grande consumo de corrente é tipicamente uma operação que pode levar a sobretensões em função de uma variação grande e abrupta na demanda de corrente pelas cargas ligadas à rede.

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2.2.2.4 Interrupções Sustentadas

Conforme ilustra a Figura 2.7 mostrada a seguir, o termo interrupção está relacionado ao decaimento a zero dos níveis de tensão da rede e o período de tempo ao longo do qual esta condição é mantida define a classificação deste tipo de perturbação. Desta forma, as interrupções sustentadas descrevem o decaimento a zero por períodos não superiores a 1 minuto e são consideradas fenômenos característicos de sistemas de energia, enquanto interrupções com duração superior a 1 min são consideradas interrupções permanentes e, com conseqüência, demandam uma intervenção externa (a exemplo de uma operação manual) para a restauração funcional do sistema. Segundo a norma IEEE Std 100-1992 [7], o termo “outage” não está relacionado a um fenômeno ou evento de perturbação em particular, mas ao estado de não operação previsto para um dado componente do sistema.

Figura 2.7 Fenômeno de perturbação da rede: interrupções ou “outages”.