Palavras-chaves  Curva ITIC, distúrbios elétricos, qualidade

Simulação e Medição de Distúrbios na Qualidade da

Energia Elétrica.

Eddy L. Medeiros

_{, Edson G. da Costa}

_{e George R. S. de Lira}

2_{Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil}

Resumo  Este artigo apresenta um sistema de simulação de alguns dos distúrbios mais comuns encontrados nos sistemas elétricos utilizando uma fonte programável acoplado com um sistema de medição e monitoração. No decorrer do trabalho são gerados abaixamentos e elevações de tensão assim como distúrbios harmônicos, variação de frequência fundamental e desequilíbrio de tensão. O monitoramento e análise são realizados por um qualímetro certificado pelo INMETRO. No final é constatado um resultado condizente entre a geração e medição evidenciando que a plataforma de testes montada poderá servir para testes de equipamentos relacionados a qualidade de energia e no desenvolvimento de algoritmos para determinação de parâmetros da QEE.

Palavras-chaves  Curva ITIC, distúrbios elétricos, qualidade de energia, qualímetro.

I.INTRODUÇÃO

O IEEE (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos) [1] define o termo qualidade de energia elétrica (QEE) como uma ampla variedade de fenômenos eletromagnéticos que caracterizam a tensão e a corrente em um dado tempo e em uma dada localização do sistema de potência. De tal modo, qualquer influência na forma de onda da tensão e da corrente está relacionada com a qualidade da energia elétrica.

Desde a década de 80, a utilização de equipamentos eletroeletrônicos tem crescido gradativamente em todas as áreas, desde as indústrias às residências. Estes equipamentos são as soluções para diversos problemas de eficiência e automação. No entanto, eles possuem a desvantagem de serem sensíveis à QEE. Desse modo, uma baixa qualidade na energia elétrica pode ocasionar vários prejuízos aos consumidores.

Pesquisas [2] estimam que os consumidores dos Estados Unidos da América (EUA) perdem entre 119 e 188 bilhões de dólares por ano devido a distúrbios na energia elétrica. Em alguns ramos de atividade, como as indústrias têxtil, siderúrgica e petroquímica, uma interrupção elétrica de até um minuto pode ocasionar prejuízos de até US$ 500 mil [3].

Este trabalho teve suporte financeiro da Capes/PROEX na manutenção da bolsa de mestrado do aluno Eddy L. Medeiros.

E. L. Medeiros é aluno de mestrado do programa de pós-graduação em Eng. Elétrica na Universidade Federal de Campina Grande, Brasil (e-mail: eddy.medeiros@ee.ufcg.edu.br). G. R. S. Lira e E. G. Costa são professores do Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Campina, Brasil (e-mails: {george, edson}@dee. ufcg.edu.br).

Alguns dos custos relacionados à baixa QEE advêm da parada de processos; das perdas de produtos, de materiais, de oportunidades de negócios, de lazer; do aumento dos requerimentos de inventário; dos empregados e máquinas ociosos; das horas-extras necessárias para recuperar o tempo perdido; da limpeza; dos reparos; dos equipamentos danificados; das indenizações devido aos atrasos de entregas; etc [4].

Os principais distúrbios causadores dos prejuízos econômicos citados são as interrupções e os afundamentos de tensões, pois causam a paralização ou má operação dos equipamentos. A curva CBEMA (Computer Business Equipment Manufacturers Association) que teve seu nome alterado para a curva ITIC (Information Technology Industry Council) é usada como referência para definir o grau de sensibilidade de operação de equipamentos eletroeletrônicos em função da magnitude e duração dos distúrbios de tensão. No final de 2008, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) publicou os Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST). Um dos módulos do PRODIST, mais especificamente o módulo 8, foi desenvolvido para definir conceitos e normas da QEE e seus distúrbios no sistema elétrico brasileiro. Internacionalmente, os padrões utilizados para a medição e definição dos distúrbios são feitos pelo IEEE [1 e 5] e o IEC [6].

Para que se consiga identificar o distúrbio, o grau de severidade, a origem e a melhor forma de proteção ou correção é necessário uma medição e monitoração adequada do problema. Os equipamentos responsáveis por essa função são os qualímetros. Estes medem a tensão e muitas vezes as correntes no local de estudo e calculam os parâmetros da QEE e monitoram os eventos que ocorrem no sistema. Este artigo apresenta as definições, fontes e consequências dos principais tipos de distúrbios encontrados nos sistemas elétricos, assim como, um arranjo de simulação e medição dos distúrbios mais comuns.

II.DISTÚRBIOS QUE AFETAM A QUALIDADE DE ENERGIA

A. Distorção harmônica

A distorção harmônica é caracterizada como uma distorção na forma do sinal de tensão ou corrente alternada causada por harmônicos, que são componentes senoidais, com frequências iguais a múltiplos inteiros da frequência fundamental do sistema. Os harmônicos são oriundos de equipamentos e cargas com características não lineares instaladas no sistema de energia, por exemplo, ponte de retificadores, compensadores controlados a tiristores, ciclo-conversores, etc. Pode causar ressonância, perdas adicionais, ruído, aquecimento e interferência em outros sistemas [7].

B. Distorção inter-harmônica

Distorção inter-harmônica é a combinação da tensão ou corrente fundamental com componentes não múltiplas inteiras da frequência do sistema. São produzidas em geral por cargas não-lineares, com espectro contínuo. Fornos a arco são exemplos típicos de cargas que produzem distorções harmônicas e inter-harmônicas. Essa distorção pode afetar a transmissão de sinais “Carrier” e induzir flicker visual no display de equipamentos como tubo de raios catódicos. Modulação harmônica e interferências são outros efeitos detectados [3 e 7].

C. Ruído

Ruído é definido como um sinal elétrico indesejado, contendo uma larga faixa espectral com frequências inferiores a 200 kHz, o qual é superposto às tensões ou correntes de fase, ou encontradas em condutores de neutro. Os ruídos em sistemas de potência podem ser causados por arcos elétricos, retificadores em estado sólido e fontes

chaveadas e, normalmente, estão relacionados com aterramentos impróprios. Também pode ser relacionado com o acoplamento magnético entre circuitos previstos para operar em diferentes faixas de frequência, como por exemplo, o efeito da rádio interferência. Este tipo de distúrbio pode causar interferências e falhas de sistemas digitais [3 e 7].

D. Interrupção de curta duração

Uma interrupção de curta duração é caracterizada por uma redução no valor eficaz da tensão inferior a 0,1 p.u. e pode ser caracterizada como momentânea (até 3 s) ou temporária (de 3 s até 3 min) segundo a ANEEL [9]. O IEEE possui uma diferença na definição referente à duração, para ele momentâneo é de 0,5 ciclos a 3 s e o temporário de 3 s a 1 min. Esse tipo de evento é usualmente causado pelo sistema de proteção, que realiza o religamento automático do sistema após a eliminação de curto-circuitos na rede. Ele pode causar falha de equipamentos sensíveis e perdas em processos produtivos [7].

E. Afundamento de tensão (voltage sag)

O afundamento de tensão é uma redução do valor eficaz da tensão para um valor entre 0,1 e 0,9 p.u. com duração de um ciclo a 3 min, segundo a ANEEL [9], e de meio ciclo a 1 minuto de acordo com o IEEE [1]. É provocado tipicamente pela entrada de uma carga temporária de porte significativo em relação ao nível de curto-circuito local. Pode ainda ser provocado por um curto-circuito próximo. Em geral, seu efeito desaparece após a causa direta ser removida. Pode ocasionar a perda de potência e a falha de operação nos equipamentos [7].

Fig. 2: Esquema de montagem para a realização dos experimentos. F. Elevação de tensão (voltage swell)

Elevações de tensão são caracterizadas por elevações no valor eficaz da tensão superiores a 1,1 p.u. com duração de um ciclo à 3 min segundo a ANEEL [9] e de meio ciclo a 1 minuto pelo IEEE [1]. Trata-se do efeito contrário ao do afundamento, sendo as principais causas as saídas temporárias de cargas ou a conexão de um banco de capacitores. Pode causar estresse em dielétricos e sobrecarga de equipamentos ou sistemas [7].

G. Flutuação da tensão (flicker)

Flutuações de tensão são caracterizadas por mudanças sustentadas da amplitude da tensão fundamental sem, em geral, ultrapassar os limites de tensão normatizados. Elas são provocadas por variações de cargas como fornos a arco, elevadores, bombas e compressores. O efeito principal é o fenômeno de flicker (cintilação luminosa), mas as flutuações de tensão podem ocasionar oscilações de potência nas linhas de transmissão, levando os geradores a oscilar entre si (oscilações eletromecânicas) ou com a turbina (ressonância subsíncrona) [7].

H. Recortes de comutações (notches)

Os notches são transições sucessivas e bruscas de tensão ou corrente entre diferentes níveis. Normalmente associadas a um curto-circuito momentâneo na fonte, devido à comutação de chaves eletrônicas de potência como, por exemplo, conversores trifásicos. São fontes de ruídos e interferências indesejáveis e são de difícil tratamento [7].

I. Transitórios de tensão

Transitório eletromagnético de tensão pode ser caracterizado como uma perturbação na forma de onda alternada da tensão, evidenciada por uma acentuada descontinuidade no sinal. Em geral são causadas por chaveamento de capacitores na rede. Devido aos elevados valores de di/dt provocados pela brusca energização do capacitor, são excitadas ressonâncias em alta frequência, que se convertem em oscilações rápidas da tensão no ponto de conexão do capacitor. Essas oscilações podem provocar a atuação da proteção ou produzir sobretensões em equipamentos próximos [7]. Outra fonte de transitórios são as descargas atmosféricas que podem se propagar através das linhas de transmissão até os equipamentos elétricos.

J. Outros distúrbios

Existem outros distúrbios que igualmente influenciam na QEE como o deslocamento da frequência fundamental da rede, as interrupções sustentadas, as elevações ou os afundamentos de tensão de longa duração, o desequilíbrio de tensão nos sistemas trifásicos, nível CC (corrente contínua) nos sistemas CA (corrente alternada), etc. As elevações ou afundamentos de tensão de longa duração são tratados no PRODIST como desvios da tensão nominal em regime permanente sendo caracterizadas em faixas de operação (precária ou crítica) [9].

III.METODOLOGIA

Dentre os distúrbios supracitados, os mais comuns encontrados nos sistemas elétricos são os afundamentos, as elevações e as interrupções de tensão, assim como a distorção harmônica. Logo, neste trabalho foi realizada a simulação desses distúrbios mais comuns por meio de uma fonte de tensão programável. Na sequência, utilizou-se um qualímetro de alto desempenho para medição dos fenômenos. Por fim, foram realizadas análises dos resultados obtidos.

A. Fonte programável

Utilizou-se a fonte Lx3000 da California Instruments para a geração dos distúrbios analisados neste trabalho. Esta fonte pode ser programada utilizando seu painel frontal ou um computador com o programa disponibilizado. Ela pode gerar tensões de até 300 Vca eficaz, operando em modo monofásico ou trifásico com potência total de 3000 VA. É possível programar a fonte para gerar harmônicos (configurando a magnitude e a fase individualmente), formas de ondas criadas pelo usuário e transitórios.

B. Qualímetro

O equipamento utilizado para a medição e análise dos distúrbios gerados pela fonte programável foi o qualímetro da Electro Industries, o Nexus 1500. Este qualímetro está sendo largamente utilizado em empresas de geração e distribuição de energia elétrica no Brasil. Ele possui características de alto desempenho, por exemplo, possui resolução de 16 bits e pode medir transitórios a uma taxa de 1024 amostras por ciclo. É possível programá-lo para gravar a forma de onda de eventos na tensão e/ou corrente medida, por exemplo, um afundamento de tensão para um nível inferior a 0,9 p.u. ou uma elevação de tensão para um nível superior a 1,1 p.u. Após a transferência dos dados do qualímetro para um computador, dentre outras coisas, é possível plotar a curva ITIC com todos os eventos de tensão que ocorreram no período avaliado.

C. Arranjo experimental

Fig. 5: Forma de onda de um abaixamento de tensão adquirida pelo qualímetro e plotada pelo software Matlab.

Fig. 3: Janela inicial do programa de interface com o usuário da fonte programável

Fig. 4: Janela de configuração da forma de onda do sinal em regime permanente do programa de interface com o usuário da fonte programável Os elementos que compõem o esquema experimental são:

1) Fonte programável: responsável por gerar a tensão senoidal de 220 VRMS de fase e os distúrbios a serem

medidos;

2) Microcomputador: utilizado para configurar a fonte programável;

3) Qualímetro: tem o objetivo de monitorar a tensão gerada e gravar os distúrbios presentes na tensão; 4) Laptop: responsável por adquirir os dados e

configurar o qualímetro, além de servir de supervisório.

D. Procedimento experimental

Após configurar os limites de qualidade no qualímetro, para detectar eventos que excedam 1,1 p.u. e abaixo de 0,9 p.u., foram simuladas abaixamentos e elevações momentâneos seguidos ou não de interrupções e foram, também, simuladas faltas com impedância para terra na fase A com a atuação de um religador. Os religadores são equipamentos utilizados em sistemas de transmissão e distribuição de energia e servem para protegê-los contra problemas transitórios. Os religadores servem para reduzir o tempo de interrupção de energia para problemas temporários. Quando é detectado algum defeito o religador realiza um ciclo de abertura e fechamento para verificar se o problema se extinguiu durante a etapa de abertura. Geralmente são realizados até três fechamentos com períodos de abertura programáveis, podendo ser de curta, média ou a combinação das duas durações. Se o problema persistir após o terceiro fechamento, o religador permanecerá aberto e só fechará manualmente após a correção do defeito. Na programação da fonte para gerar tais distúrbios foi utilizado o programa de interface com usuário fornecido. Após estabelecer a comunicação do programa com a fonte, configura-se, primeiramente, a frequência do sinal que será gerado. Na sequência, escolhe-se o valor máximo da tensão (200V ou 400V) e o modo (monofásico ou trifásico). Posteriormente, pode-se configurar a tensão de cada fase: amplitude, valor máximo de corrente, o ângulo de fase e a forma de onda em regime permanente. Na Fig. 3 é ilustrada uma configuração básica. Quando a configuração estiver terminada, seleciona o fechamento do relé de saída para que seja aplicada a tensão nos terminais de saída da fonte. Para a geração dos distúrbios, seleciona-se o botão indicado com a seta vermelha na Fig. 3. Abrirá uma janela de transitórios, nela, pode-se configurar amplitudes e durações de abaixamentos, elevações e outros transitórios de tensão.

Posteriormente, foram simulados distúrbios de regime permanente, tais como, harmônicos, variações na frequência fundamental e desbalanceamento de ângulo em uma das fases.

Para a geração de harmônicos, deve-se criar a forma de onda de regime permanente, para isso, seleciona-se o botão indicado pela seta azul na Fig. 3. Abrirá uma janela em que se pode indicar a amplitude e a fase das harmônicas que serão adicionadas ao sinal principal. É possível, também, carregar uma forma de onda feita pelo usuário. Após a configuração da forma de onda, deve-se salvar com um nome qualquer no local indicado pelo quadrado azul na Fig. 4 e assim ficar disponível para ser selecionada na janela principal (Fig. 3).

IV.RESULTADOS

O primeiro evento simulado foi um abaixamento de tensão de 0,727 p.u., que equivale a 160 Vrms para uma tensão nominal de 220 Vrms, com duração de 5 ciclos (83,33 ms). Na Fig. 5 é visualizada a forma de onda adquirida pelo qualímetro no momento do evento. É possível verificar que a amplitude da forma de onda no momento do evento é de 225,93 V que equivale a 159,76 Vrms.

Fig. 6: Forma de onda de um abaixamento de tensão de 20 ciclos adquirida pelo qualímetro e plotada pelo software Matlab.

Fig. 7: Forma de onda de uma elevação de tensão adquirida pelo qualímetro e plotada pelo software Matlab.

Fig. 8: Forma de onda da atuação de um religador na tensão da rede adquirida pelo qualímetro e plotada pelo software Matlab.

Fig. 9: Curva ITIC com os eventos de afundamento e elevação de tensão na fase A.

eventos de qualidade de energia (RQE) o qualímetro registrou um abaixamento de tensão no valor de 159,65 Vrms com duração de 91,7 ms. É possível verificar que no RA os resultados diferem de 5% do valor da tensão e 20% da duração do evento aplicado, evidenciando assim, menor exatidão nos cálculos comparado com os resultados apresentados nos RQE no mesmo qualímetro (0,2% e 10%, respectivamente). Considerando o valor do RQE e da forma de onda armazenada o erro comparado à onda gerada é muito baixo, 0,2%.

Foi simulado outro abaixamento de tensão com 160 Vrms, porém, dessa vez com duração de 20 ciclos (333 ms). A forma de onda capturada é apresentada na Fig. 6. Dessa vez na janela de eventos o valor apresentado foi de 159,91 Vrms, o que leva a acreditar que o qualímetro calcula o valor eficaz do evento utilizando um conjunto de ciclos, provavelmente maior que 5 ciclos. A duração registrada foi de 0,39 s. No RQE o valor apresentado foi de 159,63 Vrms com duração de 341,7 ms.

A diferença na duração do evento é devido ao fato de que o qualímetro calcula a diferença entre os instantes do último pico de tensão antes do evento e o instante do primeiro pico após o evento, no RQE.

Na sequência foi simulada uma elevação de tensão de 250 Vrms com duração de 20 ciclos (333 ms). Na Fig. 7 é visualizada a forma de onda capturada pelo qualímetro para esse evento.

No RA o valor da tensão registrado foi de 250,15 Vrms com duração de 0,3 s. Já no RQE foi de 250,32 Vrms com duração de 325 ms (duração entre o primeiro pico negativo e o último pico positivo do evento). Observa-se que o qualímetro sempre verifica a duração de um evento segundo os picos de tensão de maior magnitude.

Posteriormente, foi simulado um evento bastante comum nos sistemas de distribuição de energia elétrica: uma falta fase-terra com impedância e com a atuação de um religador. A fonte de tensão foi programada para produzir um abaixamento de tensão de 40 Vrms por 5 ciclos, tempo suficiente para que o religador perceba a falta, na sequência 12 ciclos com tensão de 5 Vrms, simulando a abertura do religador. Essa sequência foi repetida mais 2 vezes e em seguida a tensão foi colocada em 5 Vrms, simulando a extinção automática da falta. A Fig. 8 representa a forma de onda adquirida pelo qualímetro para esse evento.

Como definido nas normas, o qualímetro apenas registrou o valor da menor tensão do evento: 4,94 Vrms (no RQE) e a duração do evento completo, 3987,5 ms. No RA o valor armazenado para a tensão foi de 34,73 Vrms e duração de 3,99 s.

Uma característica interessante do qualímetro é a possibilidade de gerar uma curva ITIC com os eventos ocorridos no tempo de monitoramento. Uma curva ITIC gerada pelo qualímetro é apresentada na Fig. 9.

Na simulação dos distúrbios em regime permanente, os valores dos parâmetros da tensão foram visualizados no sistema supervisório do qualímetro.

A primeira simulação realizada em regime permanente foi o desequilíbrio de tensão. Foi feita a defasagem da fase B em 140o _{em relação à fase A. Na Fig. 10 é visualizada uma das}

janelas do supervisório. O qualímetro marcou uma defasagem de 140,86o _{para a fase B e 240,63}o _{para a fase C, que foi}

simulada em 240o_.

Fig. 10: Uma das janelas do supervisório do qualímetro onde mostra o diagrama fasorial das tensões.

Fig. 11: Uma das janelas do supervisório do qualímetro onde mostra a magnitude e fase das harmônicas no sinal de tensão. Para a simulação de harmônicas na rede foi escolhido um caso particular de injeção de harmônicos provocado por um forno a arco. Foi escolhido o modelo 1 apresentado em [10] para representar um forno a arco. As harmônicas geradas pela fonte programável são apresentadas na Tabela I. Os valores medidos pelo qualímetro são apresentados na Fig. 11.

TABELA I.AMPLITUDE E FASE DAS HARMÔNICAS DE TENSÃO GERADAS POR UM FORNO A ARCO.

Harm. Amplitude (%) Fase (graus)

Fund. 100

3 35,13 83

5 18,77 168

7 9,79 -49

9 8,11 160

A partir dos resultados estimados pelo qualímetro para as harmônicas geradas pela fonte programável, verifica-se uma

boa precisão, pois o maior erro absoluto foi de 0,03% para as harmônicas de 7ª e 9ª ordem, e de 0,04% para as harmônicas pares de 4ª e 6ª ordem, as quais não existiam no modelo de arco empregado, mas podem ter sido geradas por imprecisões da fonte ou por erros numéricos no processo de estimação de harmônicos.

V.CONCLUSÕES

Este trabalho apresentou um sistema de simulação e medição de alguns distúrbios comuns na rede elétrica visando o desenvolvimento de uma plataforma de testes. Esta plataforma poderá ser empregada em estudos futuros relativos à concepção de novos equipamentos ou ao desenvolvimento de algoritmos para determinação de parâmetros da QEE. Para tanto, utilizou-se uma fonte programável Lx3000 da California Instruments para simular os distúrbios e de um qualímetro amplamente utilizado em empresas do setor de energia elétrica e certificado pelo INMETRO, o Nexus 1500, para o monitoramento e análise desses distúrbios.

Os resultados obtidos mostraram que o qualímetro apresenta erros de medição muito abaixo dos requisitados pelas normas que é de no máximo 1% para a tensão. Verificou-se que no registro de alarmes os resultados não são muito confiáveis servindo apenas para visualizar a ocorrência de eventos.

A plataforma de testes mostrou-se confiável e precisa nos seus resultados visto que a diferença entre os parâmetros dos distúrbios gerados e medidos pelo qualímetro foi pequena.

VI.REFERÊNCIAS

[1] IEEE Std. 1159TM-2009, IEEE Recommended Practices for Monitoring Electric Power Quality. Nova Iorque, Edição Jun. 2009. ISBN 978-0-7381-5939-3.

[2] LINEWEBER, D. e MCNULTY, S. The Cost of Power Disturbances to Industrial & Digital Economy Companies. EPRI’s Consortium for Electric Infrastructure for a Digital Society (CEIDS). Junho de 2001.

[3] FRANCO, E. Qualidade de Energia – Causas, Efeito e Soluções. Engecomp tecnologia em automação e controle LTDA. <http://www.macoem.com.br/wp-content/uploads/2014/02/Qualidade-de-Energia---Causas-Efeitos-e-Soluções..pdf>, acessado em 15/10/2014.

[4] DUGAN, R. C., MCGRANAGHAN, M. F., SANTOSO, S. e BEATY, H. W. Electrical Power Systems Quality, Segunda Edição, McGraw-Hill, 2004.

[5] IEEE Std 519-2014. IEEE Recommended Practice and Requirement for Harmonic Control in Electrical Power Systems, IEEE, 2014, E-ISBN 978-0-7381-9005-1.

[6] IEC 61000-4 series.

[7] Deckmann, S. M. e Pomilio, J. A. Avaliação da Qualidade da Energia Elétrica, UNICAMP, Julho de 2010.

[8] Sinus – Quality on eletric power. <http://www.sinus-pq.dei.uminho.pt/>, acessado em 15/10/2014.

[9] ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica: Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST. Módulo 8, Rev.5 (2014) - Qualidade da Energia Elétrica.