X Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e Inovação, 2015 Página 1
AVALIAÇÃO DIAGNÓSTICA DA CAPACIDADE DE AMPLIAÇÃO
DE CARGAS DA SUBESTAÇÃO ELÉTRICA:
IFBA - CAMPUS DE JACOBINA
Anilson Roberto Cerqueira Gomes1, Elenise Barreto Barbosa Anunciação2, Gilberto de Souza Amorim Bispo3,Milson Matos de Lima Júnior4, Rebeca de Oliveira Santos Bispo5
1Professor de EBTT - IFBA. Doutorando. e-mail: [email protected]; 2Professora do curso técnico em eletrotécnica – IFBA. Doutora. e-mail: [email protected]; 3Estagiário da PRODIN - IFBA.
e-mail: [email protected]; 4Engenheiro Eletricista lotado na Pró-Reitoria de Desenvolvimento Institucional (PRODIN) – IFBA. Especialista. e-mail: [email protected];
5Estagiária da PRODIN - IFBA. e-mail: [email protected]
RESUMO: O presente artigo tem como principal objetivo avaliar o carregamento da
1
subestação aérea do IFBA do Câmpus de Jacobina e a capacidade do sistema elétrico
2
existente para o atendimento às novas demandas de cargas provenientes das ampliações
3
previstas para o instituto. A pesquisa foi realizada por meio da análise das contas de energia
4
elétrica, projetos elétricos existentes, projetos de implantação de novas cargas e pelo
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levantamento de dados com as medições das correntes elétricas das fases no quadro principal.
6
Nas faturas de energia foi verificado o carregamento do sistema elétrico atual, apontando que
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o consumo ativo na ponta corresponde a 50,85% do valor da conta de energia no ano e um
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baixo fator de carga no período fora de ponta. A pesquisa aponta que não há necessidade de
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ampliação da subestação para atendimento às novas cargas previstas para o ginásio e o
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pavilhão novo. Ainda assim, recomenda-se a elaboração de um plano de acompanhamento
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com avaliações periódicas do sistema elétrico atual, a fim de prever a possível necessidade de
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ampliação da subestação existente.
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Palavras–chave: análise de carga, demanda elétrica, subestação elétrica.
14 15
DIAGNOSTIC EVALUATION OF THE CAPACITY OF EXTENSION
16
OF LOADS OF ELECTRICAL SUBSTATION:
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IFBA – CAMPUS OF JACOBINA
18 19
ABSTRACT: This article aims to evaluate charging the air substation IFBA the Campus of
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Jacobina and the capacity of the existing electrical system to meet the new demands of loads
21
from the expansions planned for the institute. The survey was conducted by analyzing the
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electric bills, existing electrical design, project implementation of new charges and the
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collection of data with measurements of electric currents of the phases in the main frame. In
24
electricity bills was found loading the current electrical system, pointing out that the active
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consumption on the tip corresponds to 50% of energy account value and a low load factor for
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the off-peak period. The research shows that there is no need to expand the substation to meet
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the new loads planned for the gym and the new pavilion. Still, it recommends the
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development of a follow-up plan with periodic evaluations of the current electrical system in
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order to predict the possible need to expand the existing substation.
X Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e Inovação, 2015 Página 2 KEYWORDS: load analysis, electrical demand, electrical substation.
31 32
INTRODUÇÃO
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A partir da criação dos Institutos Federais, no final do ano de 2008 e da expansão da
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Rede Federal de Ensino iniciada em 2006, houve a implantação de novos Campi no Instituto
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Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia. As demandas de carga elétrica instalada
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para o funcionamento dos Campi atenderam as necessidades na época da implantação, porém
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atualmente com o crescimento da estrutura física ocorre a necessidade de ampliação da
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alimentação da rede elétrica.
39
A pesquisa tem o objetivo de avaliar a necessidade de ampliação da rede de alimentação
40
elétrica em função da elevação da demanda, devido à criação de novos projetos elétricos do
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Campus do IFBA localizado na cidade de Jacobina, que preveem a instalação de novos
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equipamentos, tendo em vista a ampliação física do Câmpus por meio de intervenção de obra
43
civil, a exemplo da construção do ginásio de esportes e pavilhão de aulas. Além disso,
44
pretende avaliar o carregamento da subestação aérea do Instituto.
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Segundo Villalva (2013), as tradicionais fontes de energia elétrica ainda constituem a
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base mundial e nacional da geração de eletricidade. A maior parte da energia gerada no país
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advém de usinas hidroelétricas. Entretanto, novas formas de geração de energias renováveis,
48
também fornecem potência suficiente para atender os variados tipos de consumidores. O
49
fornecimento de energia elétrica no Câmpus de Jacobina é feito pelas redes de distribuição da
50
concessionária de energia local, que fornece energia através de usinas hidrelétricas, por meio
51
de contrato, no qual se tem especificado a demanda contratada. Definida pela ANEEL (2010)
52
como demanda de potência ativa a ser obrigatória e continuamente disponibilizada no ponto
53
de conexão, conforme valor e período de vigência fixado no contrato e deverá ser
54
integralmente paga, sendo ou não, utilizada no período de faturamento expressa em quilowatt
55
(kW).
56
A alimentação elétrica para as edificações com salas, laboratórios, banheiros, corredores
57
e áreas comuns, vem da subestação consumidora. Mamede (1993) afirma que a subestação
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consumidora é instalada em propriedade particular. São alimentadas em média tensão
59
proveniente das subestações distribuidoras e equipadas com transformadores abaixadores que
60
reduzem a tensão para níveis adequados ao uso dos consumidores, em baixa tensão.
61
A unidade consumidora de energia, representada pelo IFBA Campus Jacobina, é
62
atendida por um ramal de ligação aéreo proveniente da rede de distribuição primária da
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Coelba em tensão de fornecimento 13,8kV que alimenta uma subestação aérea exposta ao
64
tempo, composta por um transformador de 225kVA com tensões secundárias de 380/220V,
65
instalado em postes montados em estrutura H.
66
Nas contas de energia elétrica existem dados importantes para o acompanhamento do
67
sistema elétrico dos consumidores. A potência elétrica que segundo o manual do Programa
68
Nacional de Conservação de Energia elétrica (PROCEL), é a capacidade de consumo de um
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aparelho elétrico e tem como unidade de medida é o quilowatt (kW). A energia que é definida
70
como a quantidade de eletricidade utilizada por um aparelho elétrico e tem como unidade de
71
medida é o quilowatt-hora (kWh). Os médios e grandes consumidores pagam tanto pela
X Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e Inovação, 2015 Página 3 energia quanto pela potência e a potência recebe o nome de demanda que corresponde à
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potência média verificada em intervalos de 15 minutos.
74
A norma NBR 5410 atente todos os tipos de instalações elétricas de baixa tensão, como
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edificações residenciais e comerciais em geral, estabelecimentos institucionais e de uso
76
público, estabelecimentos industriais, edificações pré-fabricadas, aos circuitos elétricos
77
alimentados com tensão nominal igual ou inferior a 1kV em CA(Corrente Alternada), com
78
frequências inferiores a 400 Hz, ou 1,5 kV em CC(Corrente Contínua) e a qualquer linha
79
elétrica que não seja especificamente coberta pelas normas dos equipamentos de utilização.
80
De acordo com a ANEEL (2011), as instalações elétricas podem ser classificadas
81
segundo a sua tensão nominal. As classificações da instalação são de baixa tensão (BT): até
82
1000 V; de média tensão (MT): de 1000 V até 69.000 V; de alta tensão (AT): 69.000 V até
83
230.000 V.
84
O Campus de Jacobina tem em sua estrutura física uma guarita de entrada, área externa
85
para estacionamento, um prédio principal e um prédio de apoio. As obras de ampliação
86
contemplam o ginásio poliesportivo, com quadra, banheiros e salas de ginástica e musculação,
87
um novo pavilhão com salas de aulas e laboratórios. Para o novo pavilhão de aulas foi
88
estimado uma demanda de carga de 52,7 kVA e para o ginásio de esporte 50,32 kVA,
89
distribuídos em sistemas de iluminação, tomadas de uso específico e tomadas de uso geral.
90
A concessionária de energia elétrica define em função das características de seu sistema
91
elétrico o horário de ponta, que é o período de três horas consecutivas (compreendido entre as
92
18h00minh e 21h00minh), exceto sábados domingos e feriados nacionais. Em algumas
93
modalidades tarifárias nesse horário a demanda e o consumo de energia elétrica têm preços
94
mais elevados. Já o horário fora de ponta é o período composto pelo conjunto das horas
95
diárias consecutivas e complementares àquelas definidas no horário de ponta. Na pesquisa
96
foram avaliados os fatores de carga (FC) na ponta e fora da ponta.
97 98
MATERIAL E MÉTODOS
99
Foi realizada inicialmente uma pesquisa documental do Câmpus de Jacobina
100
consultando: contas de energia elétrica, projeto da subestação, projetos elétricos dos pavilhões
101
e o planejamento de novas demandas de carga. Nas faturas de energia foi verificado o
102
carregamento do sistema elétrico atual, dos demais documentos foram extraídas as potências
103
das cargas elétricas previstas para utilização em cada edificação da unidade.
104
Foram avaliados nas contas de energia elétrica dados de Demanda Ativa, Ultrapassagem
105
de Demanda e Fator de Carga (FC) registrados nos períodos dentro e fora do horário de ponta
106
para os meses de janeiro a dezembro de 2014. O carregamento máximo atual do sistema foi
107
então determinado pela soma dos dois primeiros parâmetros. O terceiro permitiu verificar o
108
quanto esse valor se aproxima do carregamento médio da unidade.
109
Os cálculos de faturamento foram realizados observando-se nas tarifas, o período do
110
ano e o cálculo do consumo foi realizado pela adição de duas parcelas, a primeira oriunda do
111
produto entre a tarifa de consumo na ponta e o consumo medido na ponta, a segunda obtida
112
pelo produto entre tarifa de consumo fora de ponta e consumo medido fora de ponta. A
113
parcela de demanda foi calculada multiplicando-se a tarifa de demanda pela demanda
X Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e Inovação, 2015 Página 4 contratada ou pela demanda medida (a maior delas), caso esta não ultrapasse em mais de 5% a
115
demanda contratada. A parcela de ultrapassagem foi calculada pelo produto entre a tarifa de
116
ultrapassagem e a parcela oriunda da subtração entre a demanda medida da demanda
117
contratada.
118
Foram realizadas medições de corrente elétrica em três dias da semana e em três
119
horários diferentes, buscando períodos de maior pico de consumo de energia elétrica dentro
120
do funcionamento do Câmpus. Para tanto, utilizou-se um medidor amperímetro tipo alicate,
121
obtendo-se os valores das correntes de linha do quadro elétrico principal da unidade. Em
122
seguida, foi considerada a maior corrente de linha (IL) registrada entre as diversas medições,
123
ou seja, 95A. Esse valor foi utilizado como referência para a corrente de linha, por
124
aproximação, em um sistema equilibrado com a tensão nominal da instalação 380/220V e
125
fator de potência normativo de 0,92. Com esses dados foi obtida a demanda máxima
126
aproximada, no período de medição, com valores de 62,5kVA ou 57,5kW.
127
Para a visualização, organização e análise dos dados foram utilizados um editor de
128
planilhas eletrônicas e uma ferramenta computacional de desenho assistido por computador
129 (CAD). 130 131 RESULTADOS E DISCUSSÃO 132
A figura 1 apresenta um gráfico com os valores mensais do Fator de Carga (FC), dentro
133
e fora do período de ponta.
134 135
136
Figura 1. Fator de carga fora e dentro do horário de ponta, conta de energia elétrica do
137
Câmpus de Jacobina, IFBA 2014.
138 139
X Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e Inovação, 2015 Página 5 Analisando as contas de energia elétrica de janeiro a dezembro do ano de 2014,
140
verificou-se que o Consumo Ativo na Ponta responde por mais de 50,85% do valor faturado
141
ao longo do ano de 2014. O Fator de Carga (FC) registrado fora de ponta está abaixo do
142
desejável que é igual a 1, esse resultado indica um pico de utilização de demanda
143
significativamente superior à demanda média nesse período. Levando-se em conta que o
144
preço da energia consumida no período de ponta, compreendido entre os horários de
145
18h00min as 21h00min, equivale a oito vezes o preço do Consumo Ativo Fora de Ponta
146
(demais horários), esta situação indica gastos desnecessários na fatura de energia.
147
O Campus de Jacobina é classificado como consumidor do tipo A, que significa que é
148
atendido em alta tensão e, além disso, é enquadrado na divisão por subgrupos quanto à tensão
149
de fornecimento no subgrupo A4 com tensão entre 2,3 kV a 25 kV e possui tarifa binômia,
150
isto é, são cobrados tanto pela demanda quanto pela energia que consomem.
151
A classe tarifária do Câmpus de Jacobina é a horo-sazonal verde e o enquadramento foi
152
feito por meio de um contrato específico com a concessionária no qual se pactuou a demanda
153
pretendida pelo consumidor (demanda contratada), independente da hora e do dia (ponta ou
154
fora de ponta). Assim a conta de energia é composta por parcelas referentes ao consumo (na
155
ponta e fora dela), demanda e ultrapassagem em kW. A parcela ultrapassagem é cobrada
156
apenas quando a demanda medida ultrapassa em mais de 5% a demanda contratada. Como no
157
Câmpus de Jacobina a demanda contratada é de 65kW, em alguns messes houve a
158
ultrapassagem, embora a referida demanda contratada esteja, atualmente, suprindo as
159
necessidades dos prédios já existentes sem a implantação dos novos prédios.
160
A tabela 1 apresenta os dados das contas de energia elétrica para todos os meses do ano
161
de 2014, nela é possível notar que nos meses de março, abril, outubro e novembro houve um
162
valor de ultrapassagem com relação à demanda contratada.
163 164
Tabela1. Análise do faturamento de janeiro a dezembro, do Câmpus de Jacobina em função
165
do mês, demanda utilizada (DU), demanda faturada (DF), ultrapassagem (U) no faturamento
166
pela concessionária e demanda faturada (DFC), ultrapassagem (UC), custo (CC) e diferença
167
(D) do faturamento correto. IFBA, 2014.
168
Faturamento pela concessionária de energia Faturamento correto
Mês/2014 DU (kW) DF (kW) U (kW) C (R$) DFC(kW) UC(kW) CC (R$) D (R$) Janeiro 57,38 65,00 0,00 1155,97 65,00 0,00 1155,97 000,00 Fevereiro 42,88 65,00 0,00 1176,99 65,00 0,00 1176,99 000,00 Março 66,98 68,65 3,65 1347,39 66,98 0,00 1153,10 194,29 Abril 67,36 69,04 4,04 1349,93 67,36 0,00 1137,50 212,43 Maio 64,64 66,26 0,00 1264,12 65,00 0,00 1240,07 024,05 Junho 63,07 65,00 0,00 1318,58 65,00 0,00 1318,58 000,00 Julho 36,70 65,00 0,00 1186,98 65,00 0,00 1186,98 000,00 Agosto 46,24 65,00 0,00 1193,39 65,00 0,00 1193,39 000,00 Setembro 62,43 65,00 0,00 1281,07 65,00 0,00 1281,07 000,00 Outubro 71,39 73,17 8,17 1681,40 65,00 6,39 1461,02 220,38 Novembro 71,81 73,61 8,61 1833,91 65,00 6,81 1587,34 246,57 Dezembro 56,64 65,00 0,00 1287,84 65,00 0,00 1287,84 000,00
X Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e Inovação, 2015 Página 6 Os maiores valores de ultrapassagem ocorreram nos meses de outubro e novembro,
169
respectivamente com 8,17 kW e 8,61kW, esse valor de ultrapassagem resulta em um
170
acréscimo na conta de energia elétrica e caso perdure uma tendência no crescimento desses
171
valores é necessário se avaliar um aumento no valor da demanda contratada para evitar o
172
pagamento de sobre taxas.
173
Nos meses de fevereiro, julho e novembro foram observados uma redução na demanda
174
utilizada, pois são meses com períodos de férias e/ou recessos e a atividade acadêmica é
175
suspensa, assim a demanda é em sua grande totalidade devida as atividades dos setores
176
administrativos e de manutenção do Câmpus.
177
A partir da análise do faturamento notou-se que a demanda foi cobrada de forma
178
indevida pela concessionária de energia elétrica. Considerando a demanda contratada do
179
Câmpus de Jacobina de 65 KW e o valor de tolerância de ultrapassagem igual a 5% do valor
180
da demanda contratada, foi verificado que nos meses março, abril, outubro e novembro, que
181
apresentam ultrapassagem, a demanda excedente é contabilizada duas vezes: como demanda
182
total e da segunda vez como ultrapassagem.
183
Pelos dados apresentados na tabela 2, se observou que os valores das correntes das
184
fases A, B e C são assimétricos em relação à média dos valores registrados nas três fases.
185 186
Tabela 2. Dados das medições da corrente elétrica por fase, média e dispersão. IFBA, 2014.
187
DIAS HORÁRIO
CORRENTE ELÉTRICA (A) DISPERSÃO (%) FASE A FASE B FASE C MÉDIA FASE A FASE B FASE C
DIA 1 09:00 38,0 62,0 40,0 46,7 -18,6 32,9 -14,3 15:30 60,0 58,0 50,0 56,0 7,1 3,6 -10,7 20:15 64,0 62,0 30,0 52,0 23,1 19,2 -42,3 DIA 2 09:00 55,0 92,0 48,0 65,0 -15,4 41,5 -26,2 15:30 48,0 62,0 44,0 51,3 -6,5 20,8 -14,3 20:15 42,0 95,0 45,0 60,7 -30,8 56,6 -25,8 DIA 3 09:00 58,0 60,0 48,0 55,3 4,8 8,4 -13,3 15:30 48,0 70,0 50,0 56,0 -14,3 25,0 -10,7 20:15 30,0 80,0 30,0 46,7 -35,7 71,4 -35,7 MÁXIMO 64,0 95,0 50,0 65,0 23,1 71,4 -10,7 MÍNIMO 30,0 58,0 30,0 46,7 -35,7 3,6 -42,3 MÉDIA 49,2 71,2 42,8 54,4 -9,6 31,0 -21,5 188
Considerando-se a média das medições, a fase B demonstrou-se como sendo a mais
189
carregada e as fases A e C apresentaram a mesma faixa de valores de corrente.
X Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e Inovação, 2015 Página 7 No terceiro dia de medição a fase B apresentou uma corrente de 80 A e uma dispersão
191
de 71,4%, visto que a corrente média que deveria circular em cada fase seria por volta de 46,7
192
A.
193
O maior valor de corrente elétrica medido foi no segundo dia ás 20h15minh e esse valor
194
de 95A foi utilizado no cálculo de demanda, com aproximações, como corrente de linha.
195
Diante dos dados encontrados foi possível calcular a demanda máxima que foi de 62,5kVA ou
196
57,5kW.
197
A previsão de demanda provenientes das ampliações (ginásio e pavilhão novo) foi de
198
58,90 kVA. Somando-se a esta a demanda média de 64,08kVA registrada no período das
199
faturas fornecidas, encontrou-se uma demanda prevista de 122,42 kVA para essa situação. A
200
demanda foi calculada considerando as cargas referentes: aos circuitos de iluminação e
201
tomada, aparelho de ar condicionado, bombas e tomadas para equipamentos com potência de
202 1 kW. 203 204 CONCLUSÕES 205
Foi identificado um alto custo com o uso de energia elétrica no período de ponta no
206
IFBA – Câmpus de Jacobina. A elaboração de um plano de eficiência energética pode
207
viabilizar uma redução significativa nesses custos por meio da modulação (transferência) de
208
cargas entre os períodos do dia.
209
Percebeu-se ainda um faturamento equivocado nos valores de Demanda Ativa e
210
Demanda Ativa Ultrapassagem nos meses de março, abril, maio, outubro e novembro,
211
totalizando um valor aproximado de R$ 897,72; devendo-se, portanto solicitar a
212
concessionária de energia a revisão das faturas no período indicado e ressarcimento dos
213
valores correspondentes.
214
Pela análise das correntes medidas foi identificado um desequilíbrio de cargas entre as
215
fases. Tal situação gera desgaste nos condutores por sobrecarga, danos nas instalações
216
elétricas e equipamentos ligados a ela, além de contribuir para o gasto excessivo de energia na
217
unidade. A realização de um estudo para redistribuição de carga entre as fases do sistema
218
elétrico do local é recomendada para solução deste problema.
219
A pesquisa apontou que não há necessidade de ampliação da subestação para
220
atendimento às novas cargas previstas (ginásio e pavilhão novo). Considerando-se a demanda
221
registrada em fatura pela concessionária de energia e o acréscimo da demanda prevista para as
222
novas cargas, a subestação existente é capaz de atender a todas as edificações projetadas.
223
Ainda assim, recomenda-se a elaboração de um plano de acompanhamento com avaliações
224
periódicas do sistema elétrico atual a fim de prever a possível necessidade de ampliação da
225 subestação existente. 226 227 AGRADECIMENTOS 228
Agradecemos ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia – IFBA,
229
que disponibilizou os recursos institucionais que possibilitou a realização deste artigo.
230 231 232
X Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e Inovação, 2015 Página 8 REFERÊNCIAS
233
ANEEL. Cartilha de Acesso ao Sistema de Distribuição. 2011. 234
235
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Instalações Elétricas de Baixa Tensão – 236
NBR 5410. 2004.
237 238
CREDER, Hélio. Instalações Elétricas. 15º ed. LTC: Rio de Janeiro, 2007. 239
240
MAMEDE FILHO, J. Instalações elétricas industriais. 6ª Edição. Rio de Janeiro: LTC
241
Editora, 1993. 245-247p. 242
243
PROCEL. Manual do Programa Nacional de Conservação de Energia elétrica. 1ª edição.
244
2001. 5-6p.
245 246
VILLALVA, Marcelo Gradella. GAZOLI, Jonas Rafael. Energia Solar Fotovoltaica. São Paulo,
247
2013. Editora Érica.