CENTRODETECNOLOGIA
DEPARTAMENTODEENGENHARIAELÉTRICA
PROGRAMADEPÓS-GRADUAÇÃOEMENGENHARIAELÉTRICA
TIAGO GREISON MARTINS LOURENÇO
AVALIAÇÃODAQUALIDADEDEENERGIAELÉTRICA
NOCENTRODETECNOLOGIA
DAUNIVERSIDADEFEDERALDOCEARÁ
TIAGO GREISON MARTINS LOURENÇO
AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA
NO CENTRO DE TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Elétrica. Área de concentração: Qualidade de Energia Elétrica.
Orientadora:
Profa. PhD. Ruth Pastora Saraiva Leão
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará
Biblioteca de Pós-Graduação em Engenharia - BPGE
L936a Lourenço, Tiago Greison Martins.
Avaliação da qualidade de energia elétrica no Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Ceará / Tiago Greison Martins Lourenço – 2012.
125 f. : il., enc. ; 30 cm.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2012
Área de Concentração: Qualidade de energia elétrica. Orientação: Profa. Dra. Ruth Pastora Saraiva Leão.
1. Engenharia Elétrica. 2. Energia elétrica - qualidade. I. Título.
AGRADECIMENTOS
À Gyna, minha esposa, que cada dia me presenteia generosamente com seu amor, por ter trilhado esta caminhada comigo. A ela dedico este trabalho.
Aos meus pais, Nídia e Lourenço, à minha irmã, Danielly. À minha vó Edna.
Ao Sr. Moacir e D. Elza, meu sogro e sogra, que sempre oram por mim como quem ora por um filho.
Ao Rômulo e à Diana, pela amizade sincera. Obrigado pela tinta colorida!
Aos colegas da UFC: Samuel Pires, pelas novas ideias; Janaína Almada, pela ajuda com os equipamentos; Reginaldo Silva, pelo compartilhamento de seus conhecimentos; aos demais colegas que caminharam comigo ao longo desses anos na UFC, muito obrigado. À professora Ruth, pelo acompanhamento neste estudo.
Ao Sr. Gadelha, chefe da manutenção do CT, pela compreensão e ajuda na realização do plano de medição, e ao Everaldo, técnico eletricista do CT, pela colaboração essencial para a concretização deste projeto. Obrigado, Everaldo!
Ao Banco do Nordeste do Brasil, instituição da qual tenho orgulho de fazer parte, pela facilitação proporcionada para a conclusão deste trabalho. Aos meus chefes, Marcos Antonino e Ana Lígia, pelo incentivo concedido, e aos colegas do BNB, pela amizade de todos os dias.
“Quando mais aprendo, quanto mais adquiro, mais certo estou de que nada sei.”
RESUMO
O presente estudo tem por objetivo descrever a metodologia de construção de um diagnóstico de qualidade de energia elétrica e a avaliação de desempenho, quanto à qualidade de energia, da rede elétrica do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Ceará. São abordados os principais conceitos relativos ao estudo da qualidade da energia elétrica e da eficiência energética, além das normas nacionais e internacionais que discorrem acerca destes temas. Considerando as instruções normativas e os valores de referência estabelecidos nestes documentos, é descrita uma metodologia de análise dos dados de medição coletadas em um transformador de distribuição da rede, utilizando o Excel®, e as etapas da construção de um diagnóstico de qualidade de energia para este ponto do sistema elétrico. A aplicação do método descrito é estendida à rede elétrica que supre o Centro de Tecnologia, utilizando os dados coletados a partir de um plano de medição realizado nos quinze transformadores ativos que compõem a rede. A partir da realização do plano, são apresentados a análise dos dados coletados e o diagnóstico da rede, no que se refere à qualidade de energia elétrica. Os resultados obtidos demonstram que os índices de qualidade de energia elétrica e eficiência energética da rede em estudo violaram os valores de referência normativamente estabelecidos, principalmente no que diz respeito ao fator de potência e distorção harmônica total de corrente, além do baixo carregamento dos transformadores, justificando as ações corretivas e preventivas propostas neste trabalho para elevação da qualidade da energia e do uso eficiente e racional deste recurso na rede monitorada. Para as taxas de distorção harmônica de corrente, por exemplo, todos os pontos monitorados apresentaram pelo menos 80% de amostras superiores ao valor de referência de 5%. Similarmente, o fator de potência foi violado em todos os pontos monitorados, resultando no dimensionamento de banco de capacitores para compensação de reativos com potências nominais estimadas de 4 kVAr a 90 kVAr. Verificaram-se ainda reduções de até 74% do fator de potência devidas à presença de correntes harmônicas. Quanto ao carregamento dos transformadores, diversas unidades monitoradas mostraram-se subutilizadas, ocorrendo índices de carregamento inferiores a 10% em mais da metade do tempo de monitoramento em treze pontos monitorados.
ABSTRACT
The present study aims to describe a power quality diagnosis construction methodology and performance evaluation, with respect to the power quality, of the electrical grid of Federal University of Ceará's Technology Center. It covers the main concepts related to power quality and energy efficiency study, in addition to national and international standards which discuss these topics. Considering the regulatory instructions and the reference values established in these documents, a methodology for analyzing measurement data collected in a distribution transformer of this grid using Excel® is described, and the power quality diagnosis construction stages for this electrical system point. The described method application is extended to the power grid that supplies the Technology Center, using data collected from a measurement plan realized with the fifteen transformers which compose the network. From the realized plan, the collected data analysis and the grid diagnosis, with respect to the power quality, are presented. The results show that the indices of power quality and energy efficiency of the grid under study violated the reference values established in standards, mainly with respect to power factor and current total harmonic distortion, and also low transformers loading, justifying the corrective and preventive actions proposed in this work to improve the power quality and the efficient use of this resource in the monitored grid. For rates of current harmonic distortion, for example, all the monitored points showed at least 80% of samples exceeding the reference value of 5%. Similarly, power factor was violated for all monitored points, resulting in capacitor bank scaling for reactive power compensation with power ratings estimated from 4 kVAr to 90 kVAr. There were also power factor reductions of up to 74% due to the presence of harmonic currents. With respect to the loading of transformers, many monitored units showed up underutilized, occurring loading indices below 10% in more than half of the monitoring time to thirteen monitored points.
SUMÁRIO
Lista de Figuras ... xii
Lista de Tabelas ... xiv
Lista de Abreviaturas e Símbolos ... xv
Capítulo 1 – Introdução ... 1
1.1 – Monitoramento da Qualidade da Energia Elétrica ... 2
1.1.1 – Aplicação de medidores ao estudo da QEE ... 3
1.1.2 – Descrição geral do processo de monitoramento de QEE ... 4
1.1.3 – Aplicações do diagnóstico de QEE ... 7
1.2 – Justificativas do Trabalho ... 8
1.3 – Objetivos do Trabalho ... 10
1.4 – Estrutura do Trabalho ... 10
Capítulo 2 – Qualidade de Energia Elétrica e Eficiência Energética ... 12
2.1 – Qualidade de Energia Elétrica ... 12
2.1.1 – Variações de Longa Duração ... 15
2.1.2 – Desequilíbrio de Tensão ... 16
2.1.3 – Harmônicos ... 17
2.1.4 – Variações de Frequência ... 19
2.2 – Eficiência Energética ... 20
2.2.1 – Gerenciamento da Demanda, Curva de Carga e Fator de Carga ... 20
2.3 – Conclusão ... 24
Capítulo 3 – Normas e Regulamentações para a Operação de Sistemas Elétricos ... 26
3.1 – Introdução ... 26
3.2 – ANEEL ... 26
3.2.1 – Tensão em Regime Permanente ... 30
3.2.2 – Fator de Potência de Deslocamento ... 31
3.2.3 – Harmônicos ... 35
3.2.4 – Desequilíbrio de Tensão ... 36
3.3 – IEEE 519-1992 ... 37
3.4 – IEEE 1459-2010 ... 38
3.5 – Conclusão ... 39
Capítulo 4 – Descrição da Rede Elétrica do CT-UFC e Metodologia de Construção do Diagnóstico de QEE ... 41
4.1 – Introdução ... 41
4.2 – Propostas de modernização da rede elétrica do Campus do Pici ... 45
4.3 – Coleta, Análise e Interpretação de Dados ... 47
4.4 – Metodologia de Avaliação das Medições ... 56
4.4.1 – Correntes de Fase ... 58
4.4.2 – Taxas de Distorção Harmônica Total das Correntes e das Tensões ... 60
4.4.3 – Fator de Potência ... 62
4.4.4 – Frequência ... 66
4.4.5 – Potências Ativa, Reativa e Aparente ... 67
4.4.6 – Tensões de Fase e de Linha ... 71
4.4.7 – Avaliação de Desempenho do Ponto Monitorado ... 73
4.5 – Conclusão ... 78
Capítulo 5 – Diagnóstico da Qualidade da Energia Elétrica do CT-UFC ... 80
5.1 – Correntes de Fase ... 80
5.2 – Distorção Harmônica Total de Corrente Por Fase ... 83
5.3 – Distorção Harmônica Total de Tensão por Fase ... 88
5.4 – Fator de Potência e Compensação de Reativos ... 88
5.5 – Frequência ... 97
5.6 – Potências Ativa, Reativa e Aparente ... 100
5.7 – Tensões de Fase e de Linha ... 112
5.8 – Interrupções ... 115
5.9 – Conclusão ... 116
Capítulo 6 – Conclusão e Desenvolvimento Futuros ... 119
Apêndices ... CD-ROM Apêndice A – Perfis das Grandezas Elétricas Medidas ... CD-ROM
Apêndice B – Indicadores de Desempenho da Rede Elétrica do CT ... CD-ROM
Apêndice C – Curvas Complementares ... CD-ROM
Apêndice D – Distâncias entre os Transformadores do CT ... CD-ROM
Apêndice E – Tabela de Dados Medidos ... CD-ROM
Apêndice F – SIGEE - Uma Ferramenta Computacional para a Gestão de Medição de
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Degradação do sinal elétrico ao longo da rede elétrica ... 17
Figura 2.2 – Distorção da forma de onda de corrente de um banco de lâmpadas fluorescentes ... 18
Figura 2.3 – Curva de carga do transformador 14 para o dia 10/10/2011 ... 21
Figura 2.4 – Curva de carga ... 23
Figura 3.1 – Equipamento de medição conectado no lado de baixa tensão de uma unidade consumidora cativa ... 28
Figura 3.2 – Variação da resistência do enrolamento de um transformador em função da ordem harmônica das correntes circulantes no equipamento ... 28
Figura 3.3 – Faixas de tensão em relação à tensão de referência na baixa tensão ... 30
Figura 3.4 – Triângulo de potências para cálculo do banco de capacitores ... 34
Figura 4.1 – Vista superior do Campus do Pici.. ... 41
Figura 4.2 – Diagrama unifilar atual da rede elétrica do Campus do Pici ... 42
Figura 4.3 – Diagrama unifilar da rede elétrica do Campus do Pici após implantação das proposições de modernização da rede ... 45
Figura 4.4 – Trecho do cronograma de execução das medições ... 48
Figura 4.5 – Localização dos transformadores de distribuição do CT ... 50
Figura 4.6 – MARH-21® 993 ... 51
Figura 4.7 – Instalação da caixa metálica com o analisador em um ponto de medição ... 52
Figura 4.8 – Trecho da forma padrão da planilha de medições ... 54
Figura 4.9 – Exemplo de agregação de curvas de fator de potência por fase e fator de potência total. ... 55
Figura 4.10 – Disposição do 14º ponto de medição ... 57
Figura 4.11 – Perfis das correntes de fase do Transformador 14 ... 58
Figura 4.12 – Quantificação do desequilíbrio de correntes de fase do Transformador 14 ... 59
Figura 4.14 – Razão entre a taxa de distorção harmônica total das correntes de fase do
Transformador 14 e o valor de referência de 5% ... 61
Figura 4.15 – Perfis das taxas de distorção harmônica total das tensões do Transformador 14 ... 62
Figura 4.16 – Perfis dos fatores de potência de deslocamento do Transformador 14 ... 63
Figura 4.17 – Cálculo de banco de capacitores do Transformador 14 para elevação do fator de potência a 0,92 indutivo ... 64
Figura 4.18 – Perfis dos fatores de potência reais do Transformador 14 ... 64
Figura 4.19 – Diferença percentual entre o fator de potência de deslocamento e o fator de potência real para o Transformador 14 ... 65
Figura 4.20 – Perfis das taxas de distorção harmônica total das correntes de fase do Transformador 14, no período de 09/10 a 10/10/2011 ... 65
Figura 4.21 – Perfis da frequência fundamental, Hz, e de Hz+ e Hz– do Transformador 14 ... 66
Figura 4.22 – Perfis das potências ativas das fases do Transformador 14 ... 67
Figura 4.23 – Perfis das potências reativas das fases do Transformador 14 ... 68
Figura 4.24 – Perfis das potências aparentes das fases do Transformador 14 ... 68
Figura 4.25 – Carregamento do Transformador 14 ... 68
Figura 4.26 – Carregamento do transformador 14, com potência nominal de 75 kVA, em função da hora do dia e do dia da semana ... 69
Figura 4.27 – Quantificação do desequilíbrio das potências ativas das fases do Transformador 14 ... 70
Figura 4.28 – Quantificação do desequilíbrio das potências reativas das fases do Transformador 14 ... 70
Figura 4.29 – Quantificação do desequilíbrio das potências aparentes das fases do Transformador 14 ... 71
Figura 4.30 – Tensões de fase do Transformador 14 ... 72
Figura 4.31 – Tensões de linha do Transformador 14 ... 72
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Categorias e características de fenômenos eletromagnéticos ... 14
Tabela 2.2 – Classificação das variações de tensão de curta duração ... 15
Tabela 2.3 – Efeitos dos harmônicos sobre equipamentos e elementos da rede elétrica ... 19
Tabela 3.1 – Pontos de conexão em tensão nominal igual ou inferior a 1 kV ... 31
Tabela 3.2 – Valores de referência para a distorção harmônica total de tensão ... 36
Tabela 3.3 – Limites de distorção de corrente para sistemas de distribuição (120V a 69.000V) ... 38
Tabela 3.4 – Limites de distorção de tensão ... 38
Tabela 4.1 – Dados gerais dos pontos monitorados ... 49
Tabela 4.2 – Percentis de carregamento do Transformador 14 ... 69
Tabela 4.3 – Pontos de avaliação ... 74
Tabela 4.4 – Resumo da avaliação de desempenho do Transformador 14 ... 75
Tabela 4.5 – Indicadores de desempenho para o Transformador 14 ... 78
Tabela 5.1 – Proposta de remanejamento das cargas conectadas aos transformadores do CT ... 109
Tabela 5.2 – Avaliação do carregamento dos transformadores para cenário de máxima demanda simultânea das cargas remanejadas ... 110
Tabela 5.3 – Fatores de carga da rede elétrica do CT ... 110
Tabela 5.4 – Histórico de interrupções ... 115
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
QEE Qualidade de Energia Elétrica
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional
CT Centro de Tecnologia
UFC Universidade Federal do Ceará DEE Departamento de Engenharia Elétrica
MUSD Montante de Uso do Sistema de Distribuição IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IEC International Electrotechnical Commission VTCD Variações de tensão de curta duração PNEf Plano Nacional de Eficiência Energética GELD Gerenciamento de energia no lado da demanda
DIC Duração de interrupção individual por unidade consumidora FIC Frequência de interrupção individual por unidade consumidora FC Fator de carga
FD Fator de desequilíbrio
ܦ Demanda
p.u Por Unidade
݄ Ordem Harmônica
ܦܪܶ Taxa de distorção harmônica total de corrente
ܦܪܶ௩ Taxa de distorção harmônica total de tensão
DRP Índice de Duração Relativa da Transgressão para Tensão Precária DRC Índice de Duração Relativa da Transgressão para Tensão Crítica
݈݊ Quantidade de leituras de tensão situadas na faixa precária
݈݊ܿ Quantidade de leituras de tensão situadas na faixa crítica
ܨܲ Fator de potência
σ Desvio padrão
ܸ Coeficiente de variação
ܸ Tensão na fase A
݄ܫܽ Taxa de distorção harmônica total de corrente da fase A
ܨܲ Fator de potência da fase A
ܲ Potência ativa da fase A
ܳ Potência reativa da fase A
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO
A sociedade moderna é fortemente dependente do uso da energia elétrica. Desde a execução de atividades básicas pessoais até à manutenção de grandes e complexos processos industriais, a disponibilidade da energia elétrica é fator essencial para o crescimento econômico dos países e para o conforto e o bem-estar da humanidade.
Por esta razão, a questão eletro-energética, em seus diferentes segmentos de geração, transmissão, distribuição e utilização, tem se tornado assunto recorrente e amplamente discutido pelos setores produtivos e de serviços, universidades, concessionárias de energia elétrica e instituições que regulamentam o setor elétrico e definem parâmetros normativos para o funcionamento adequado das redes elétricas e pela sociedade de um modo geral.
Isto se deve ao fato de que, embora a importância da energia elétrica para o crescimento econômico global seja evidente, a avaliação dos impactos sociais e ambientais das políticas energéticas dos países sobre a humanidade e sobre o planeta é tão importante quanto a oferta ampla e segura desta forma de energia.
Nos anos recentes, porém, as discussões sobre o tema têm sido ampliadas para além das questões político-econômicas envolvidas. A avaliação da energia elétrica como insumo e produto de consumo tem promovido a publicação de diversos estudos científicos que propõem definições sobre o tema e métodos de quantificação das grandezas relacionadas à análise da Qualidade da Energia Elétrica (QEE) e da Eficiência Energética (EE), embora medidas para promover esta última, como, por exemplo, a substituição de lâmpadas incandescentes por eletrônicas compactas, possam degradar a primeira, neste caso, com a injeção de correntes harmônicas na rede (OLIVEIRA et al., 2008).
1.1 – Monitoramento da Qualidade da Energia Elétrica
A avaliação dos níveis de QEE é feita, em geral, por três motivações principais. A primeira se deve à necessidade de adequação dos parâmetros da energia fornecida aos valores de referência estabelecidos nos documentos normativos vigentes. A segunda está relacionada à evolução tecnológica recente da rede elétrica, permeada por dispositivos eletroeletrônicos que degradam a qualidade da energia.
Há ainda a motivação econômica, visto que baixos níveis de QEE podem causar prejuízos financeiros (MARQUES, 2006), através da penalização das concessionárias de energia pela não adequação às normas, perdas patrimoniais, como redução da vida útil de equipamentos da rede elétrica ou de cargas sensíveis a distúrbios elétricos, além da interrupção de processos fabris, comerciais, residenciais ou de serviços.
Além dos aspectos econômicos envolvidos, um levantamento da qualidade da energia elétrica fornecida pode ter ainda outras motivações, tais como (DUGAN et al., 2004):
· A avaliação do desempenho geral da rede elétrica;
· A identificação de problemas pontuais na rede;
· A customização da qualidade da energia elétrica fornecida para clientes diferenciados;
· A identificação de mau funcionamento de um equipamento específico conectado à rede.
No Brasil, por exemplo, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) utiliza indicadores para avaliar o desempenho das concessionárias quanto à continuidade do fornecimento de energia, a qual é aferida por indicadores de duração e frequência de interrupção do fornecimento. Embora o conceito de continuidade seja distinto do de qualidade, ambos se complementam para garantir o fornecimento adequado ao consumidor, isto é, energia elétrica com menores níveis de degradação e de indisponibilidade.
1.1.1 – Aplicação de medidores ao estudo da QEE
Qualquer que seja a motivação de um diagnóstico da rede elétrica, o monitoramento da QEE é realizado por meio da medição, análise e interpretação das grandezas elétricas do sistema. Neste processo, os medidores têm papel fundamental, uma vez que todo o diagnóstico depende da confiabilidade e da maneabilidade dos dados coletados.
Entretanto, devido à evolução e expansão das redes elétricas, o monitoramento da QEE nestas redes requer equipamentos de medição capazes de armazenar quantidades de dados cada vez maiores e de se comunicar com outros medidores e com centrais de medição.
Há alguns anos, os medidores eletromecânicos, cuja tecnologia lhes conferia robustez e precisão, compunham quase a totalidade dos medidores presentes no mercado de energia. Naquela realidade, a utilização destes medidores resumia-se, em sua ampla maioria, a computar o consumo de energia para fins de faturamento. O armazenamento de dados ou a capacidade de comunicação para promover leitura remota e/ou descarga de dados armazenados eram desnecessários, além de tecnicamente não implementáveis. Embora ainda sejam largamente utilizados em todo o mundo, os medidores eletromecânicos estão sendo gradativamente substituídos por medidores digitais.
No Brasil, por exemplo, a ANEEL já estabeleceu um plano de longo prazo para a substituição da tecnologia de medidores. O objetivo é permitir ao consumidor final maior participação no setor elétrico por meio da instalação de medidores eletrônicos inteligentes (ANEEL, 2010), já existindo, por exemplo, publicação recente da ANEEL, por meio da Resolução Normativa nº 502, de 07 de agosto de 2012, regulamentando sistemas de medição de energia elétrica de unidades consumidoras do Grupo B. O plano foi iniciado através de abertura de audiência pública em 28/09/2010 com o objetivo de contribuir para a migração do sistema elétrico nacional de características clássicas para uma rede inteligente (smart grid).
Os medidores digitais exercem função essencial no monitoramento da rede elétrica (LAMIN, 2009). Também chamados de medidores inteligentes, devem ser capazes de:
· Coletar e armazenar dados de consumo para faturamento e parâmetros elétricos da rede para análise da QEE;
· Comunicar-se com outros medidores ou com centrais de monitoramento para permitir a interação dos consumidores e das concessionárias com a rede;
Dadas as características citadas, observa-se que os medidores digitais são um elemento fundamental do processo de migração da rede elétrica convencional para a rede inteligente, em que o consumidor final participa ativamente (MELO et al., 2010), quer como consumidor e eventualmente gerador de energia, quer como fiscalizador dos parâmetros da qualidade da energia suprida e gestor da energia elétrica gerada e consumida.
Obviamente, o diagnóstico da rede elétrica com a utilização de medidores com elevada taxa de amostragem e capacidade de comunicação é significativamente mais preciso e abrangente. Entretanto, no que se refere a medidores, o processo de certificação oficial destes equipamentos ainda é pouco implementado e carece de desenvolvimento para garantir precisão e confiabilidade aos diagnósticos de QEE.
Por esta razão, têm sido propostos protocolos oficiais para a padronização dos procedimentos de medição da qualidade de energia (SOLLETTO et al., 2008). Embora a ANEEL publique resoluções em que se definem os mecanismos de atuação que os medidores devem possuir1, faz-se necessário certificar estes equipamentos através de testes padronizados que comprovem sua aplicabilidade para este fim.
No Módulo 5 dos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) (ANEEL, 2011), a própria agência reguladora reconhece a possibilidade da inexistência de certificação destes equipamentos, afirmando que “os sistemas de medição devem ser providos de equipamentos que atendam às disposições, quando existirem, dos organismos metrológicos oficiais”.
1.1.2 – Descrição geral do processo de monitoramento de QEE
O processo de medição e monitoramento da QEE ocorre inicialmente com a coleta de dados por meio de medidores/analisadores conectados ao sistema em estudo. Comumente, estes dispositivos fazem medições discretas das grandezas elétricas, sendo pré-configurados para integrar uma medição a cada determinado intervalo de tempo, e não continuamente.
A partir de amostras de valores instantâneos da onda, o número de amostras é integralizado para uma janela de tempo que considera a periodicidade do sinal em regime permanente de frequência igual a 50 Hz ou 60 Hz.
1 Conforme disposto no Módulo 5 do PRODIST (ANEEL, 2011)
, “os medidores eletrônicos utilizados para
avaliação de indicadores de qualidade de energia elétrica – QEE deverão respeitar os parâmetros e metodologias
A largura de tempo das janelas de integração pode variar segundo disposição do instrumento de medição e do sinal a ser medido, podendo variar desde meio ciclo até um múltiplo inteiro do ciclo relativo à frequência industrial, isto é, 50 Hz ou 60 Hz. As larguras de janelas mais comuns são as de meio ciclo ou de um ciclo para sinais com variações rápidas e janelas, como, por exemplo, 10 ou 12 ciclos para fenômenos de regime em sistemas de potência de 50 Hz ou 60 Hz, respectivamente, a exemplo dos harmônicos, desequilíbrio e tensão de suprimento.
Além da definição do tamanho ou largura da janela de integração, deve-se considerar o tipo de janelamento ou modo de atualização das amostras no cálculo de um parâmetro, que pode ser contínuo ou discreto. Na atualização contínua, os cálculos são efetuados a cada nova amostra, em que a janela é movida a cada nova amostra do sinal e o cálculo do parâmetro é atualizado pela substituição da amostra inicial da janela pela nova amostra. Na atualização discreta, que é o modo mais comum, a janela desloca-se a cada meio ciclo, a cada ciclo ou a cada múltiplo de ciclo.
As normas IEC 61000-4-7 (IEC, 2002) e IEC 61000-4-30 (IEC, 2008), os Procedimentos de Distribuição e de Transmissão, através do Módulo 8 – Qualidade da Energia Elétrica (ANEEL, 2012a), e os Procedimentos de Rede (PROREDE), em seu Submódulo 2.8 – Gerenciamento dos indicadores de desempenho da rede básica e dos barramentos dos transformadores de fronteira, e de seus componentes (ONS, 2010), respectivamente, regulam que os sinais quase-estacionários, como tensão, harmônicos, considerados fenômenos de regime permanente, devem ser calculados a partir das amostras coletadas em janelas fixas e consecutivas. No PRODIST e no PROREDE, cada janela compreenderá uma sequência de 12 ciclos, que equivalem a 0,2 s em 60 Hz, a 15 ciclos, equivalentes a 0,25 s em 60 Hz.
Segundo a norma IEC 61000-4-30 (2008), os valores das janelas de 10 ou 12 ciclos, correspondentes a 50 Hz ou 60 Hz, respectivamente, são então agregados em três intervalos adicionais:
· Intervalo de 150/180 ciclos, isto é, 50 Hz e 60 Hz, respectivamente;
· Intervalo de 10 min;
· Intervalo de 2h.
dados medidos e fornecer o diagnóstico do sistema elétrico, sem a necessidade de manipulação dos dados, mas somente de interpretação do diagnóstico apresentado.
Há ainda os softwares que auxiliam na construção dos gráficos e no cálculo dos indicadores, ficando a cargo do gerenciador da rede a interpretação dos resultados para se definir um diagnóstico da rede.
Ressalte-se, porém, que, antes da implementação de um cronograma de monitoramento de QEE, é importante que sejam estipulados os objetivos a alcançar. A partir daí, definem-se os equipamentos a serem utilizados, os aspectos normativos a serem observados e os mecanismos para aquisição, armazenamento, análise e interpretação das medições, além dos pontos estratégicos do sistema aos quais conectar os analisadores.
Deve-se observar ainda que o monitoramento da QEE é limitado em função das informações armazenadas e disponibilizadas pelos medidores e a norma adotada como referência para o estudo. Por exemplo, os dados armazenados podem permitir apenas uma análise pontual do evento, uma vez que o registrador pode informar somente o parâmetro violado, isto é, um limiar ultrapassado, definido previamente por norma.
Neste caso, a análise dos parâmetros do sistema, antes e durante o evento registrado, bem como sua evolução pré-evento até à recuperação pós-evento, é bastante limitada. Se, por exemplo, determinada norma estabelece que o fator de potência de uma instalação deve ser monitorado a cada dez minutos, o comportamento desta grandeza elétrica entre duas amostras consecutivas não será conhecido.
O tipo de evento que se deseja monitorar também deve ser previamente definido. A partir daí, é estabelecida a taxa de amostragem da coleta de dados. Partindo dos transientes até às interrupções de longa duração, o valor da taxa de amostragem definirá o grau de detalhamento da análise da forma de onda da tensão ou da corrente, por exemplo.
Utilizando-se dos métodos convencionais de captura de dados, armazenamento e manipulação, possivelmente será necessário selecionar a taxa de amostragem da grandeza elétrica, bem como o tempo de monitoramento. A limitação física dos analisadores, em termos de memória, bem como a limitação das taxas de transferência destes dados via cabo ou meios de comunicação sem fio, requer cuidados na configuração do equipamento. Isto é necessário para que o volume de dados a serem coletados, tratados e analisados seja compatível com a tecnologia computacional atualmente disponível.
Obviamente, este intervalo reflete o tipo de diagnóstico desejado, isto é, observar o comportamento das grandezas elétricas em regime permanente. O esforço computacional e a limitação de memória de massa, neste caso, são menos requisitantes.
Entretanto, se o foco do plano de medição fosse para captura de eventos que ocorrem esporadicamente, o registro do distúrbio inicia-se por disparo e em geral a taxa de amostragem é maior do que para distúrbios de estado permanente. Certamente que o esforço, por exemplo, da memória de massa do analisador e de processamento computacional dos dados, seria significativamente maior. Portanto, o planejamento das medições e a clareza nos objetivos a alcançar são importantes para o sucesso de um plano de monitoramento de qualidade de energia elétrica.
Estabelecidos os objetivos, definem-se as grandezas a serem monitoradas e a duração das medições. Por exemplo, o monitoramento da tensão e corrente provê informações sobre a potência circulante na rede e pode ser suficiente para se analisar a regulação de tensão, transientes e afundamentos de tensão. Por outro lado, medir a corrente é imperativo para que se possa monitorar a rede no que se refere, por exemplo, a harmônicos.
Quanto à duração, o tipo de evento que se deseja monitorar é fator determinante. A identificação de afundamentos requer medições por períodos mais longos; se o objetivo é conhecer eventos de curta duração, como, por exemplo, transientes impulsivos, o período de medição será significativamente menor.
Dada a coleta dos dados, a etapa a seguir é a análise, que pode ser feita a partir dos registros armazenados no medidor. Se o levantamento contempla uma pequena quantidade de dados, a análise pode ser feita utilizando-se programas de manipulação de planilhas para a construção de gráficos e para o cálculo de indicadores. Entretanto, o equipamento registrador por oferecer software de auxílio à análise de dados com interface gráfica onde é possível visualizar forma de onda das tensões e correntes, valores instantâneos e eficazes das tensões e correntes, análise harmônica de tensões e correntes, etc.
1.1.3 – Aplicações do diagnóstico de QEE
do impacto da partida de motores elétricos sobre a rede e a atuação do sistema de proteção, entre outros.
O monitoramento da QEE pode ainda ser realizado por empresas concessionárias que buscam conhecer o desempenho de sua rede elétrica, os consumidores cujas cargas são sensíveis a distúrbios relacionados à QEE ou a identificação de partes do sistema mais sujeitas a problemas de QEE para a busca de soluções (BROSHI, 2007).
Em nível de um sistema elétrico de grande porte, a principal contribuição é a avaliação dos padrões de comportamento das grandezas elétricas e seus distúrbios em regime permanente e esporádicos e a proposição de ações para o controle dos distúrbios identificados.
Também, o planejamento e a manutenção do sistema elétrico podem ser significativamente beneficiados com os dados provenientes de um projeto de medição: estimativa da localização de faltas, desempenho de banco de capacitores e de reguladores de tensão, carregamento de transformadores, entre outros.
Dada a importância da análise da qualidade da energia elétrica, a avaliação dos distúrbios da rede está cada vez mais incorporada aos planos de manutenção e monitoramento ordinários da rede elétrica das concessionárias de energia.
A participação crescente do usuário final como agente atuante na rede exige a disseminação de informações do desempenho do sistema a partir dos resultados dos planos de medição. Desta forma, o consumidor conhece o nível de qualidade da energia ofertada e as concessionárias têm parâmetros para justificar investimentos e modificações na rede com o objetivo de elevar os níveis de qualidade de energia elétrica.
1.2 – Justificativas do Trabalho
A importância da medição da QEE tem se tornado evidente nos anos recentes, uma vez que supervisionar e, se necessário, elevar a qualidade da energia elétrica passou a ser exigência normativa a ser observada pelas concessionárias. Entretanto, dada a complexidade da rede elétrica, dotada de geração distribuída, cargas não lineares e equipamentos sensíveis que também contribuem para a degradação da QEE, a observância destes valores de referência tem sido um grande desafio para gestores das redes elétricas.
Os conceitos abordados neste trabalho foram aplicados a um caso particular, a saber, a avaliação da rede elétrica do Centro de Tecnologia (CT) da Universidade Federal do Ceará (UFC), que compõe a rede elétrica do Campus do Pici. Nos anos recentes, esta rede tem apresentado diversos problemas técnicos de operação, manutenção e continuidade do fornecimento, exigindo intervenções com vistas à sua modernização. Duas razões principais para isto são (MOURA, 2010; BARROS, 2010; VALE, 2011; OLIVEIRA, 2011; LOPES, 2011):
· Constantes interrupções de fornecimento: considerando a ausência de equipamentos automáticos de manobra, faltas de naturezas e durações diversas causam frequentes descontinuidades do serviço. Assim, faltas temporárias, as quais em princípio não deveriam causar descontinuidade prolongada do fornecimento, são causa considerável de longas interrupções na rede;
· Inadequação do enquadramento tarifário: em virtude do definido no PRODIST, no que se refere ao Montante de Uso do Sistema de Distribuição (MUSD), a rede elétrica do Pici deveria ser atendida em alta tensão, ou seja, 69 kV, e não em média tensão, isto é, 13,8 kV, como no presente. Assim, a instalação de uma subestação 69 kV – 13,8 kV atenderia à exigência normativa e possibilitaria redução de custos, uma vez que o enquadramento tarifário na concessionária local seria alterado para uma tarifa economicamente mais atrativa.
A partir da identificação destas necessidades e dos estudos que têm sido propostos para a modernização da rede Pici, o conhecimento de seu estado atual, no que se refere à qualidade de energia elétrica, é importante para se definir o planejamento da modernização proposta.
1.3 – Objetivos do Trabalho
O plano de medição realizado no presente trabalho teve por objetivo o monitoramento da energia elétrica suprida às cargas do CT-UFC, conduzido por meio de um analisador de energia conectado aos quinze transformadores ativos do centro, observados os aspectos normativos estabelecidos no Módulo 8 do PRODIST, publicado pela ANEEL (2012a).
As medições realizadas utilizaram o analisador de energia MARH-21®, do fabricante RMS®, e contaram com intervalo de dez minutos de integralização da medição ao longo de sete dias consecutivos para cada transformador. No plano realizado, algumas grandezas elétricas foram priorizadas, tais como: tensões e correntes de fase, potências ativa, reativa e aparente, fator de potência, distorções harmônicas totais de tensão e corrente, frequência elétrica e tensões de linha.
A partir do monitoramento realizado, são definidos os dois objetivos principais deste trabalho. O primeiro consiste em apresentar as etapas de realização do plano de medição de QEE realizado no CT da UFC, a metodologia desenvolvida para a construção do diagnóstico da rede a partir das medições realizadas e, por fim, apresentar os resultados obtidos.
O segundo objetivo consiste na proposição de ações que promovam a redução dos distúrbios detectados para elevação dos níveis da qualidade da energia elétrica suprida e melhoramento do desempenho da rede elétrica. Ressalte-se que, embora o diagnóstico elaborado tenha se restringido à rede elétrica do CT, a metodologia desenvolvida pode ser aplicada para os demais pontos da rede do Pici ou a redes de maior porte.
1.4 – Estrutura do Trabalho
Para a realização dos propósitos descritos anteriormente, o presente texto foi dividido em seis capítulos, como segue:
No Capítulo 1 são apresentadas as considerações introdutórias do trabalho, seus objetivos e sua estrutura.
O Capítulo 2 apresenta definições relacionadas ao estudo da QEE e Eficiência Energética, destacando os principais conceitos sobre os temas.
No Capítulo 3 são avaliados os principais documentos normativos e seus respectivos valores de referência dos principais parâmetros que quantificam a qualidade de energia.
avaliação de cada grandeza, seus valores de referência estabelecidos em norma e a utilização da informação na elaboração do diagnóstico.
No Capítulo 5 são apresentados a avaliação da condição atual da rede elétrica do CT, no que se refere à qualidade de energia elétrica, descrevendo suas características gerais e as principais propostas para a sua modernização, e a descrição de um diagnóstico da rede em estudo.
No Capítulo 6 são descritas as conclusões do trabalho desenvolvido e as proposições de atividades futuras.
As referências utilizadas no presente estudo são listadas e nos Apêndices A a F são apresentados, respectivamente, as curvas das grandezas elétricas monitoradas para uma avaliação qualitativa dos dados medidos, os indicadores de QEE dos pontos monitorados, calculados conforme definições constantes no Módulo 8 do PRODIST, as curvas que complementam a análise qualitativa dos dados medidos, as distâncias entre os transformadores do CT, as tabelas de dados medidos coletados pelo analisador de energia para todos os pontos monitorados, e por fim o artigo denominado SIGEE - Uma Ferramenta Computacional para a Gestão de Medição de Qualidade de Energia Elétrica, que descreve um
CAPÍTULO 2
QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA E EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
2.1 – Qualidade de Energia Elétrica
O estudo da qualidade da energia elétrica tem se tornado um ramo da engenharia bastante investigado nos anos recentes. Entre outras, podem ser atribuídas duas razões principais para isto: a mudança nos padrões de composição dos equipamentos ligados à rede, bem como a evolução recente do comportamento dos consumidores conectados à rede, sejam pequenos consumidores residenciais com cargas eletrônicas, sejam grandes indústrias, centros comerciais ou universidades.
Os equipamentos eletroeletrônicos ligados ao sistema elétrico têm características constitutivas que os tornam mais sensíveis a distúrbios (RAPANELLO, 2008), além de serem contribuintes relevantes para a injeção de harmônicos no sistema. Os consumidores finais, por sua vez, estão cada vez mais exigentes quanto à qualidade e continuidade da energia elétrica suprida.
Para a avaliação da QEE, é inicialmente necessário definir o que é energia elétrica de boa qualidade. A partir da Revolução Industrial até aproximadamente a segunda metade do século XX, as cargas elétricas alimentadas pela rede eram geralmente robustas e pouco sensíveis a distúrbios, como motores e veículos elétricos pesados.
Os efeitos danosos dos distúrbios elétricos originados da rede sobre estas cargas eram pouco significativos ou até mesmo imperceptíveis. Desta forma, o controle da presença de harmônicos na rede, bem como do nível de tensão suprido, ou da frequência elétrica, era de interesse secundário. Se o efeito nocivo dos distúrbios provenientes da rede recebia pouca atenção, muito menos as contribuições das cargas para a ocorrência desses distúrbios na rede eram avaliadas.
Por outro lado, a nova estrutura da rede elétrica, que tem evoluído continuamente desde algumas poucas décadas atrás, é caracterizada pela presença massiva de dispositivos sensíveis. Com o advento da informática, da microeletrônica e da eletrônica de potência a partir da segunda metade do século XX, a natureza das cargas ligadas à rede mudou significativamente.
Se avaliado do ponto de vista do consumidor, um problema de QEE é “qualquer
distúrbio manifestado na tensão, corrente ou frequência que resulte em falha ou má operação
do equipamento do consumidor” (DUGAN et al., 2004). Esta definição reflete o foco do
efeito do distúrbio elétrico, a saber, o equipamento do consumidor final, a quem deve ser oferecido um perfil de tensão utilizável, livre de interferências ou de interrupções.
A qualidade da energia elétrica pode ser definida como “um conjunto de limites elétricos, o qual permite a um equipamento funcionar adequadamente, sem perdas significativas de desempenho ou de tempo de vida útil” (SANKARAN, 2001). Conclui-se, a partir desta definição, que qualquer evento ou fenômeno elétrico que possa afetar as duas características citadas de desempenho e tempo de vida útil é objeto de estudo dos distúrbios de QEE.
Neste sentido, o monitoramento é essencial para o gerenciamento da rede, visto que os problemas relativos à QEE têm se tornado cada vez mais perceptíveis nas redes elétricas em todo o mundo, e seus efeitos danosos sobre o sistema e suas cargas têm se agravado. As origens destes distúrbios são diversas e podem causar o funcionamento indevido de equipamentos.
Diante deste cenário, o conhecimento das causas destes problemas é de grande importância para a proposição de ações mitigadoras com o fim de evitar prejuízos econômicos e patrimoniais. Para um diagnóstico da rede, normalmente um inventário é realizado para mensurar a qualidade da energia elétrica fornecida (LEÃO et al., 2009).
Para que se definam estratégias de mitigação dos distúrbios da QEE, é necessário realizar, por meio de um plano de medição, a captura de dados, isto é, grandezas elétricas como tensão e corrente, entre outras, em pontos estratégicos da rede monitorada, no intervalo de tempo apropriado, utilizando-se equipamentos adequados para a tarefa.
O monitoramento ideal da rede elétrica é a coleta simultânea de dados nos pontos de interesse. Nestas condições, o diagnóstico da rede seria mais completo e preciso, uma vez que demonstraria o desempenho da rede numa área geográfica maior submetida a eventos e distúrbios simultâneos. Entretanto, limitações econômicas dificultam esta solução, e o monitoramento em geral é feito em cada ponto estratégico individualmente.
Tabela 2.1 – Categorias e características de fenômenos eletromagnéticos.
Categorias espectral típico Conteúdo Duração típica Magnitude de tensão típica
Transitórios
Impulsivos
Nanossegundo ͷ ൏ ͷͲ݊ݏ Microssegundo ͳɊ ͷͲ െ ͳ
Milissegundo Ͳǡͳ ͳ݉ݏ
Oscilatórios
Baixa frequência ൏ ͷ݇ܪݖ Ͳǡ͵ െ ͷͲ Ͳ െ Ͷ Média frequência ͷ െ ͷͲͲ ʹͲɊ Ͳ െ ͺ Alta frequência Ͳǡͷ െ ͷ ͷɊ Ͳ െ Ͷ
Variações de curta duração
Instantânea
Interrupção Ͳǡͷ െ ͵Ͳ ciclos ൏ Ͳǡͳݑ Afundamento de
tensão Ͳǡͷ െ ͵Ͳ Ͳǡͳ െ Ͳǡͻ Elevação de
tensão Ͳǡͷ െ ͵Ͳ ͳǡͳ െ ͳǡͺ
Momentânea
Interrupção ͵Ͳ ciclos a ͵ ൏ Ͳǡͳݑ Afundamento de
tensão ͵Ͳ ciclos a ͵ Ͳǡͳ െ Ͳǡͻ Elevação de
tensão ͵Ͳ ciclos a ͵ ͳǡͳ െ ͳǡͶ
Temporária
Interrupção ͵ a ͳ ൏ Ͳǡͳݑ Afundamento de
tensão ͵ a ͳ Ͳǡͳ െ Ͳǡͻ Elevação de
tensão ͵ a ͳ ͳǡͳ െ ͳǡʹ Variações
de longa duração
Interrupção sustentada ͳ݉݅݊ ͲǤͲ
Subtensões ͳ݉݅݊ Ͳǡͺ െ Ͳǡͻ
Sobretensões ͳ݉݅݊ ͳǡͳ െ ͳǡʹ
Desbalanceamento de tensão permanente Regime Ͳǡͷ െ ʹΨ
Distorção da forma de
onda
DC offset
Regime permanente
Ͳ െ ͲǡͳΨ Harmônicos harmônica Ͳ െ ͳͲͲ͐ Ͳ െ ʹͲΨ
Interharmônicos Ͳ െ Ͳ െ ʹΨ
Notching
Ruído Largura de banda Ͳ െ ͳΨ Flutuações de tensão ൏ ʹͷܪݖ Intermitente Ͳǡͳ െ Ψ Variações de frequência ൏ ͳͲݏ
Fonte: DUGAN et al. (2004).
Observa-se que na Tabela 2.1 as VTCD são subdividas em instantâneas, momentâneas e temporárias, de acordo com a duração do evento e a magnitude da tensão. Na Tabela 2.2, as variações instantâneas são suprimidas, de forma que as variações instantâneas e momentâneas definidas na Tabela 2.1 estão contempladas nas variações momentâneas da Tabela 2.2.
Tabela 2.2 – Classificação das variações de tensão de curta duração.
Classificação Denominação Duração da variação
Amplitude da tensão (valor eficaz) em relação
à tensão de referência
Variação Momentânea de
Tensão
Interrupção Momentânea de
Tensão Inferior ou igual a 3s Inferior a 0,1 p.u
Afundamento Momentâneo de
Tensão
Superior ou igual a 1 ciclo e inferior ou igual
a 3s
Superior ou igual a 0,1 e inferior a 0,9 p.u Elevação
Momentânea de Tensão
Superior ou igual a 1 ciclo e inferior ou igual
a 3s Superior a 1,1 p.u
Variação Temporária de
Tensão
Interrupção Temporária de
Tensão Superior a 3s e inferior a 3 min Inferior a 0,1 p.u
Afundamento Temporária de
Tensão
Superior a 3s e inferior a 3 min Superior ou igual a 0,1 e inferior a 0,9 p.u
Elevação Temporária de
Tensão Superior a 3s e inferior a 3 min Superior a 1,1 p.u
Fonte: ANEEL (2012a).
Dentre os fenômenos relacionados na Tabela 2.1, somente para aqueles relacionados às medições realizadas neste trabalho serão apresentadas descrições adicionais.
2.1.1 – Variações de Longa Duração
As variações de longa duração compreendem as interrupções, subtensões e sobretensões. No Módulo 1 do PRODIST (ANEEL, 2012b), a interrupção é definida como a “descontinuidade do neutro ou da tensão disponível em qualquer uma das fases de um circuito elétrico que atende a unidade consumidora ou ponto de conexão”. Neste mesmo módulo, a interrupção de longa duração é definida como “toda interrupção do sistema elétrico com duração maior ou igual a 3 (três) minutos”.
2.1.2 – Desequilíbrio de Tensão
O estudo do desequilíbrio de tensão é feito através da análise comparativa de um sistema trifásico de tensões em relação a um sistema trifásico equilibrado, isto é, um sistema de três fasores de mesmo módulo e defasados entre si por um ângulo de 120°.
A avaliação do desequilíbrio das tensões do sistema requer a análise das componentes simétricas destas tensões, e sua quantificação é feita calculando-se a razão entre a componente de sequência negativa ou zero e a componente de sequência positiva da tensão.
No Módulo 8 do PRODIST (ANEEL, 2012a), este parâmetro é denominado
desequilíbrio de tensão, o qual é quantificado através do cálculo do fator de desequilíbrio,
ܨܦ, calculado a partir da Equação 2.1
ܨܦ ൌܸܸି
ାή ͳͲͲሾΨሿሺʹǤͳሻ
em que ܸି e ܸା representam, respectivamente, a tensão de sequência negativa e de sequência positiva.
Alternativamente, pode-se utilizar a expressão apresentada na Equação 2.2 para o cálculo do ܨܦ.
ܨܦ ൌ ͳͲͲ ή ඨͳ െ ඥ͵ െ ߚ
ͳ ඥ͵ െ ߚሾΨሿሺʹǤʹሻ
em que
ߚ ൌሺܸܸସ ܸସ ܸସ
ଶ ܸଶ ܸଶሻଶሺʹǤ͵ሻ
De forma a eliminar possíveis efeitos das componentes de sequência zero, as medições devem ser realizadas para as tensões fase-fase.
A origem principal deste efeito é a conexão desordenada de cargas monofásicas ao sistema de distribuição trifásico (SOUZA, 2008). Por esta razão, circulam na rede correntes de sequência negativa, consequência direta da presença de correntes desequilibradas.
proteção contra sobrecarga provocada pela circulação de correntes de sequência negativa em motores de indução (SOUZA, 2008).
Um efeito comumente observado devido ao desbalanceamento de tensões são as perdas nos motores de indução alimentados por tensões desequilibradas. Fatores de desequilíbrio da ordem de 2%, por exemplo, podem resultar em elevação das perdas em motores da ordem de 10% (MEHL, 2005) e redução da vida útil destes equipamentos de aproximadamente 20% (SOUZA, 2008).
2.1.3 – Harmônicos
Teoricamente, a tensão e corrente de operação de um sistema elétrico de corrente alternada devem ter um perfil puramente senoidal que oscila em uma frequência constante e única. Devido à não linearidade de componentes da rede elétrica, a presença de outros sinais elétricos associados a esta tensão e corrente é sempre verificada na prática.
Desde a geração até à carga, os sinais de correntes e tensões estão sujeitos à deformação na forma de onda. A Figura 2.1 ilustra este processo de degradação da tensão ao longo de seu percurso pelo sistema elétrico. Na figura, observa-se o crescimento do gradiente de distorção da tensão à medida que o sinal se aproxima da carga.
São apresentados a seguir (DUGAN et al., 2004) os principais fenômenos elétricos que contribuem para a distorção das formas de onda na rede elétrica.
Figura 2.1 – Degradação do sinal elétrico ao longo da rede elétrica.
Os harmônicos são definidos como tensões ou correntes senoidais cujas frequências são múltiplas inteiras da frequência fundamental de operação do sistema. São originados principalmente nas cargas não lineares ligadas à rede.
Normalmente, as tensões harmônicas são resultado da interação das correntes harmônicas circulantes na rede com as impedâncias do sistema, como ilustrado na Figura 2.1. A ANEEL, entretanto, estabelece valores limites somente para os harmônicos de tensão.
A quantificação deste fenômeno é feita através do cálculo da taxa de distorção harmônica total, ܦܪܶ, conforme apresentado na Equação 2.4, em que ݄ é a ordem harmônica,
݄௫ é a ordem harmônica máxima, ݒ é a tensão harmônica de ordem ݄ e ܸଵ é a tensão de frequência fundamental.
ܦܪܶ ൌටσ ݒ
ଶ ೣ ୀଶ
ܸଵ ή ͳͲͲሾΨሿሺʹǤͶሻ
Este índice engloba a contribuição de todas as distorções harmônicas individuais presentes na rede, as quais se sobrepõem à onda de frequência fundamental e provocam sua distorção, conforme ilustrado na Figura 2.2. Nesta figura, observa-se o efeito da presença predominante de harmônicos de terceira e quinta ordens no perfil de corrente de um banco de lâmpadas fluorescentes.
Figura 2.2 – Distorção da forma de onda de corrente de um banco de lâmpadas fluorescentes.
Fonte: SANKARAN (2001).
A Tabela 2.3 apresenta os principais danos causados pelos harmônicos sobre alguns componentes e elementos do sistema elétrico. Ações para a mitigação dos harmônicos circulantes na rede são essenciais para evitar prejuízos econômicos, patrimoniais e operacionais (CORRÊA, 2007). Conforme apresentado no Capítulo 3, a norma IEEE 519 é um documento regulatório internacionalmente utilizado como parâmetro técnico para a tomada de medidas de mitigação deste efeito.
Tabela 2.3 – Efeitos dos harmônicos sobre equipamentos e elementos da rede elétrica.
Equipamento ou elemento Efeitos
Transformadores
· Perdas no núcleo
· Danos aos enrolamentos devido ao aumento da corrente eficaz circulante e das correntes parasitas, diretamente proporcionais ao quadrado da corrente harmônica
Motores CA
· Perdas adicionais por histerese e correntes parasitas no núcleo magnético
· Perdas ôhmicas nos enrolamentos · Torções por oscilação no eixo
Banco de capacitores
· Sobrecarga
· Ressonância harmônica (equivalência da reatância indutiva e capacitiva do banco com uma frequência harmônica) · Sobretensões ou sobrecorrentes
Cabos Perdas ohmicas por efeito pelicular
Dispositivos de proteção Mau funcionamento de fusíveis e relés eletromecânicos Telecomunicações Interferência telefônica
Fonte: SANKARAN (2001).
2.1.4 – Variações de Frequência
Definidas como o afastamento da frequência de operação do sistema do valor da frequência fundamental, as variações de frequência estão diretamente relacionadas às oscilações das cargas do sistema e da adaptação simultânea da geração a estas variações.
níveis apropriados. Observa-se, portanto, que as variações na frequência são um fenômeno elétrico sistêmico, que envolve desde pequenos consumidores até grandes plantas de geração.
2.2 – Eficiência Energética
O termo Eficiência Energética pode ser descrito como a busca pela maximização do aproveitamento dos recursos energéticos disponíveis, através da exploração sustentável destes recursos, da otimização dos processos de conversão e distribuição para os consumidores finais e da utilização racionalizada do recurso por estes consumidores.
Segundo o PNEf (Plano Nacional de Eficiência Energética) (BRASIL. MME, 2011a), eficiência energética são
ações de diversas naturezas que culminam na redução da energia necessária para atender as demandas da sociedade por serviços de energia sob a forma de luz, calor/frio, acionamento, transportes e uso em processos. Objetiva, em síntese, atender às necessidades da economia com menor uso de energia primária e, portanto, menor impacto da natureza.
2.2.1 – Gerenciamento da Demanda, Curva de Carga e Fator de Carga
Especialmente em horários de maior demanda, denominados horários de ponta, o uso não otimizado do recurso pela maioria dos consumidores requer investimentos no setor elétrico para garantir o fornecimento, embora em horários fora de ponta a demanda seja consideravelmente menor. Nessas condições, o sistema passa a ser sobredimensionado para os horários fora de ponta, que compreendem a maior parte do dia.
O planejamento de suprimento de cargas é comumente denominado gerenciamento de energia no lado da demanda (GELD). Esta técnica tem se apresentado como uma solução de fácil implantação e de baixos custos inicial e de manutenção para racionalizar o uso da energia elétrica, principalmente em consumidores de maior porte, como indústrias (ANDREOLI, 2005).
ligamento e o desligamento pré-programado de cargas gerenciáveis, de acordo com o grau de prioridade. Desta forma, a demanda máxima aproxima-se da demanda média, atestando o uso eficiente de energia pela instalação.
O GELD pode resultar em vantagens econômicas bastante significativas, uma vez que evita o pagamento de multas às concessionárias, seja pela ultrapassagem de valores de demanda previamente estabelecidos em contratos de fornecimento, seja pelo não atendimento do valor de referência do fator de potência definido no Módulo 8 do PRODIST (COSTA, 2011).
Dois conceitos podem ser utilizados para avaliar o grau de desempenho do sistema com relação à eficiência energética, a saber: a curva de carga e o fator de carga. A curva de carga é formada a partir da união dos pontos médios das demandas da instalação em função do tempo (ANDREOLI, 2005) e representa o perfil de solicitação das cargas da instalação ao longo do dia (RIBEIRO, 2011). Desta maneira, é possível identificar os períodos do dia em que a instalação consome mais e, a partir do diagnóstico, gerenciar o funcionamento destas cargas para elevar a eficiência energética do sistema.
A Figura 2.3 apresenta a curva de carga do transformador 14 do plano de medição realizado neste trabalho, para o período de 0h a 23h50min do dia 10/10/2011, totalizando um intervalo de 24 h.
Figura 2.3 – Curva de carga do transformador 14 para o dia 10/10/2011.
Fonte: autor.
O Fator de Carga ܨܥ, por sua vez, representa quantitativamente quão bem distribuído é o consumo de energia da instalação ao longo do dia. O ܨܥ pode ser definido como a razão
entre a demanda média, ܦഥ, e a demanda máxima, ܦ௫, da instalação, conforme a Equação 2.5ʹ.
ܨܥ ൌܦܦഥ
௫ሺʹǤͷሻ
Da Equação 2.5, observa-se que quanto maior for a demanda média em relação à demanda máxima, o valor do Fator de Carga tenderá à unidade, mais suave será o perfil da curva de carga e mais bem distribuída será a demanda da instalação ao longo do dia.
Por outro lado, à medida que a demanda média diminui em relação à demanda máxima, menor é o fator de carga. Neste caso, a demanda tende a se localizar em curtos períodos do dia, concentrando o uso da instalação em determinados horários em detrimento de outros, quando a instalação fica ociosa. Se a concentração de demanda ocorrer em horários de ponta, o consumidor pagará pelas tarifas mais caras, além de possivelmente pagar multas por ultrapassagem da demanda contratada.
Outra definição do Fator de Carga é apresentada na Equação 2.6, em que ܧ௱௧ é a energia ativa consumida em um intervalo de tempo ߂ݐ, e ܧೣé a energia consumida no mesmo intervalo de tempo se a demanda máxima medida ocorresse para todo este período.
ܨܥ ൌܧܧ௱௧
ೣሺʹǤሻ
Para utilizar a Equação 2.6 no cálculo do fator de carga, é necessário medir a energia consumida no intervalo de interesse. Porém, caso esta medida não esteja disponível, é possível calcular a energia consumida a partir da curva de carga da instalação. Para isto, basta calcular a área sob a curva de carga representada na Figura 2.3.
Considere-se a curva de carga apresentada na Figura 2.4.
A área total sob a curva, ܣ், é definida como a soma das áreas trapezoidais
ܣଵǡ ܣଶǡ ܣଷǡ ǥ ǡ ܣ. Logo,
ܣ்ൌሺܲଵ ܲଶʹሻሺݐଶെ ݐଵሻሺܲଶ ܲଷʹሻሺݐଷെ ݐଶሻሺܲଷ ܲସሻሺݐʹ ସെ ݐଷሻ ڮ ሺܲିଵ ܲሻሺݐʹ െ ݐିଵሻሺʹǤሻ
2 Como ܦഥ é sempre menor que ܦ
Como todos os intervalos de tempo são iguais, então
ሺݐଶെ ݐଵሻ ൌ ሺݐଷെ ݐଶሻ ൌ ڮ ൌ ሺݐ െ ݐିଵሻ ൌ ߂௧ሺʹǤͺሻ
Logo, substituindo a Equação 2.8 na Equação 2.7, obtém-se
ܣ் ൌ ߂ʹ ሾሺ௧ ܲͳ ܲʹሻሺܲʹ ܲ͵ሻሺܲ͵ ܲͶሻ ڮ ሺܲ݊െͳ ܲ݊ሻሿሺʹǤͻሻ
ou
ܣ் ൌ߂ʹ ൭ܲ௧ ଵ ܲ ʹܲ ିଵ
ୀଶ
൱ሺʹǤͳͲሻ
Como a área sob o gráfico da Figura 2.4 quantifica a energia consumida no intervalo considerado, conclui-se que a Equação 2.10 pode ser utilizada para determinar a energia elétrica consumida a partir da curva de carga amostrada em um intervalo de tempo divido em
݊ െ ͳ intervalos iguais a ߂௧.
Figura 2.4 – Curva de carga.
Fonte: autor.
ܣ் ൌ ͲǡͲͺ͵ ൭ܲଵ ܲ ʹܲ ିଵ
ୀଶ
൱ሾሿሺʹǤͳͳሻ
Utilizando a Equação 2.11, para a curva de carga apresentada na Figura 2,3, a energia consumida no intervalo equivale a 204,25 kWh. Para este intervalo, ܦ௫ ൌ ͳͻǡ. Logo, da Equação 2.6,
ܨܥ ൌͳͻǡ ή ʹͶ ൌ ͲǡͶ͵ʹͲͶǡʹͷ
O valor do fator de carga calculado denota que, no intervalo considerado, a demanda da instalação se concentra em determinados horários (neste caso, de 7h às 12h e de 14h às 20h), enquanto que nos intervalos restantes a instalação permanece ociosa ou com pouca solicitação ao sistema de distribuição.
Para os demais pontos do plano de medição, as curvas de carga estão disponibilizadas no Apêndice C, bem como os valores de fator de carga estão apresentados no Capítulo 5.
2.3 – Conclusão
Este capítulo teve por objetivos descrever os conceitos básicos relacionados ao estudo da qualidade da energia elétrica e da eficiência energética, além de apresentar a classificação, as origens e os efeitos danosos dos distúrbios de QEE ao sistema elétrico e às cargas.
A avaliação destes distúrbios é essencial para o funcionamento adequado da rede elétrica, por meio do monitoramento dos eventos que degradam a QEE e da tomada de decisões para a amenização dos distúrbios e dos prejuízos decorrentes.
Do estudo introdutório apresentado, observou-se a relação entre os conceitos de eficiência energética e qualidade de energia, uma vez que, para atestar o funcionamento apropriado do sistema elétrico, deve-se buscar o uso racional da energia e a implantação de ações corretivas e preventivas para mitigar os efeitos degradantes da qualidade deste recurso.
cargas gerenciáveis, conhecido como gerenciamento de energia pelo lado da demanda (GELD).
Ressalte-se, porém, que, embora de grande valia para melhorar a eficiência energética de uma instalação, o GELD nem sempre pode ser implantado, visto que, para algumas instalações, como, por exemplo, unidades acadêmicas ou comerciais, o remanejamento de cargas não é possível ou muito limitado.
CAPÍTULO 3
NORMAS E REGULAMENTAÇÕES
PARA A OPERAÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS
3.1 – Introdução
Os documentos normativos são recomendações técnicas essenciais para o bom funcionamento dos sistemas elétricos. A partir deles, são estabelecidos os conceitos fundamentais do tema objeto de estudo da norma, parâmetros a serem observados pelas concessionárias de energia elétrica e pelos consumidores, bem como recomendações técnicas para a adequação aos padrões estabelecidos, entre ouras providências.
Quanto às normas que tratam acerca da qualidade de energia elétrica e seus distúrbios, a revisão destes documentos exige o conhecimento prévio do comportamento recente da rede a ser regulada, por meio de medições a médio e longo prazos, que sirvam de referência para a construção de novos parâmetros e limites a serem atendidos pelas concessionárias (BHATTACHARYYA et al., 2010), adequando estes documentos às novas realidades da rede elétrica.
O crescente rigor normativo observado nos anos recentes reflete no aumento da complexidade do gerenciamento da rede, visto que os limites de violação permitidos são cada vez mais restritos. Somam-se a isto o aumento da conexão de cargas não lineares às redes e de fontes de geração distribuída, entre outras características, que tornam as exigências legais de gerenciamento da rede um grande desafio para as concessionárias.
As seções a seguir apresentam os principais aspectos dos documentos regulatórios vigentes no mundo e, especificamente, a norma vigente no Brasil.
3.2 – ANEEL
A ANEEL é o órgão do governo federal responsável pela regulamentação do setor elétrico brasileiro. Em seu site na internet, além de apresentar suas atribuições, a agência
define como sendo sua missão “proporcionar condições favoráveis para que o mercado de
