Melhoria da Qualidade da Energia em Redes de Distribuição de Baixa Tensão com Uso de Reguladores Automáticos e Modulares

Melhoria da Qualidade da Energia em Redes de

Distribuição de Baixa Tensão com Uso de

Reguladores Automáticos e Modulares

UDESC - Rua Paulo Malschitzki, 200 - Bairro Zona Industrial Norte - Joinville - SC – Brasil - CEP: 89.219-710

Rodrigo O. de Souza

CELESC - Rua Dr. Marinho Lôbo, 75 - Centro, Joinville - SC, 89201-330

Resumo  _{As redes de distribuição de energia elétrica em baixa}

tensão apresentam problemas bastante conhecidos e estudados na área de qualidade de energia. Esse trabalho apresenta uma solução modular e rápida desses problemas de perfil de tensão, desequilíbrio entre fases e fator de potência na rede secundária de distribuição. Apresenta-se as funcionalidades de um dispositivo móvel para regulação da qualidade da tensão (DMRQT) nas instalações de um campus universitário, por meio da injeção ou consumo de potência reativa no ponto de conexão para diferentes situações de carregamento ao longo de uma semana típica. Demonstra-se a viabilidade técnica dessa solução como forma de se evitar o pagamento de multas e protelar a execução de soluções mais complexas e delongadas para o problema da qualidade da energia junto aos consumidores.

Palavras-chaves  _{Regulação automática de tensão, redes de}

baixa tensão, dispositivo móvel, desequilíbrio entre fases.

I. INTRODUÇÃO

Uma das principais linhas de pesquisa relacionada aos problemas da qualidade da energia elétrica concentra-se na adequação dos níveis de tensão nos pontos de conexão dos consumidores. Considerando circuitos de baixa tensão próximo às cargas nota-se o surgimento de outras problemáticas igualmente interessantes, como o desequilíbrio de tensão, a distorção harmônica e o baixo fator de potência visto pela rede supridora. Percebe-se nas últimas décadas que os esforços tecnológicos e restrições regulatórias cada vez mais rígidas permitiram uma melhoria dos indicadores da qualidade da energia no segmento de distribuição de energia elétrica. No Brasil também percebesse essa evolução resultante de um trabalho de fiscalização cada vez mais rígida por parte das agências reguladoras e da própria busca por um serviço mais eficiente por parte das empresas [1]. Além da continuidade do serviço de fornecimento de energia existe uma grande preocupação com a qualidade do produto energia elétrica, já que o mesmo interfere diretamente no bom funcionamento dos equipamentos eletrônicos, podendo ocasionar falhas ou mesmo danos permanentes aos dispositivos.

No sistema de distribuição de média e baixa tensão as cargas são variáveis aleatórias e nem todas as cargas trifásicas são simétricas, gerando um desequilíbrio de tensões e correntes no sistema. Quando o grau de desequilíbrio ultrapassa um determinado valor começam a surgir problemas

de eficiência no sistema, como por exemplo, a diminuição do fator de potência, que gera um aumento de perdas no circuito [2]. Um dos métodos mais utilizados para correção dos desequilíbrios de tensões e, consequente aumento do fator de potência é a utilização de bancos de capacitores. A correção do fator de potência através de capacitores é um meio efetivo de redução de perdas, desde que os mesmos sejam bem dimensionados e colocados nos lugares certos [3]. No entanto, o uso de bancos de capacitores, apesar de ser relativamente barato, é uma solução estática, ou seja, incapaz de se adaptar a mudanças na rede. Este fato torna o seu uso realmente apropriado, somente nos casos em que a rede é muito bem conhecida e não sofre grandes alterações.

Na literatura observa-se que em quase todas as técnicas e dispositivos já desenvolvidos, a maioria dos equipamentos foca somente em um aspecto da qualidade da energia, sendo necessária a utilização de dois ou mais equipamentos, dependendo de quantos tipos de problemas forem encontrados. Este trabalho apresenta uma proposta de utilização de um dispositivo móvel na rede de distribuição de baixa tensão, com objetivo de melhorar a qualidade da tensão de atendimento dos consumidores por meio da correção do nível de tensão em regime permanente, do desequilíbrio entre as fase e até mesmo da redução da distorção harmônica nos pontos de conexão. Denominado simplificadamente como DMRQT – Dispositivo Móvel Regulador da Qualidade da Tensão, este propõe uma solução móvel, temporária e que oferece correção para os problemas mais comuns encontrados na rede de distribuição elétrica, podendo, deste modo, se adaptar a mudanças na rede. A eventual instalação do DMRQT disponibilizaria mais tempo à concessionária, por meio de uma correção imediata e temporária da rede, para realização de uma análise mais profunda do problema enfrentado por determinada região, a fim de planejar uma solução definitiva para o mesmo.

discussão sobre a alocação do DMRQT na rede BT conforme a melhoria do perfil de tensão nos ramais, a variação do fator de potência e o desequilíbrio entre fases.

II. REPRESENTAÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO NA PLANTA PILOTO

O esquema elétrico contendo a rede modelada é apresentado na Fig. 2. Pode-se observar que a rede de baixa tensão do campus universitário de Joinville atende, por meio de cabeamento subterrâneo, as seguintes edificações e cargas: biblioteca, ginásio de esportes, prédio dos cursos de física, química e matemática, o prédio do curso de engenharia elétrica e um prédio de ensino geral (bloco K). A rede que alimenta os departamentos de ciências básicas e a administração não é considerada no presente artigo, pois conecta-se a outro transformador.

Na rede considerada temos um transformador de 225kVA com o primário ligado em delta na rede de média, em tensão nominal de 13,8V, por meio de 3 cabos de 240mm2. Porém é interessante notar que no esquema elétrico há um 4º cabo de 240mm2 para servir de reserva futura. O secundário deste mesmo transformador está ligado em estrela e alimenta: o bloco E com quatro cabos de 50mm2; o bloco K, com um cabo de 65mm2; o ginásio, com um cabo de 185mm2; a biblioteca, com um cabo de 35mm2; e o departamento das licenciaturas também com um cabo de 35mm2.

A Fig.3 apresenta o modelo da rede de baixa tensão que atende as edificações supracitadas, o transformador de distribuição e sua conexão com a rede da concessionária, considerada como um barramento infinito. No entanto, medidas realizadas permitiram a simulação da rede de média tensão com algum nível de desequilíbrio entre fases.

Ressalta-se que as instalações atuais são bem antigas e com isto, o constante crescimento da demanda de energia fez com que os condutores trabalhassem sobrecarregados, os transformadores ficassem perto da saturação deformando as formas de onda da corrente e tensão. Isso inevitavelmente faz com que os parâmetros da qualidade de energia piorem. Nesse sentido, as concessionarias não tem tempo para fazer todos os reparos, necessitando de dispositivos que propiciem soluções adequadas em um curto espaço de tempo como o DMRQT proposto.

III. CARACTERIZAÇÃO DA CURVA DE CARGA DIÁRIA

Para que possa ser feita a análise computacional das melhorias decorrentes da instalação de um dispositivo autônomo de correção dos parâmetros da qualidade da energia elétrica, deve-se inserir no modelo computacional dados que representem o mais próximo da realidade. Para isto foram feitas medições no transformador que abastece toda a rede elétrica em estudo, tais medidas foram feitas utilizando um analisador de qualidade da energia, conectado ao lado de baixa tensão do transformador (380V). O analisador utilizado coleta diversos parâmetros elétricos e está de acordo com a norma EN50160.

Durante o período de medições foi observado que a curva de carga é similar durante os dias da semana e a carga é reduzida drasticamente nos finais de semana. A Fig. apresenta a curva de carga no dia de maior demanda na semana. Esta curva de carga pode ser utilizada para os outros dias de

semana, segunda-feira à sexta-feira, para os quais foi observado forte semelhança.

Fig. 1. Curva de Carga Diária Típica em kW (Fases A, B e C). Observando a Fig.3 pode-se observar que a demanda da instalação começa a crescer após as 07h30, momento em que começam as aulas na universidade. Durante todo o período matutino a curva de carga se caracteriza por uma crescente demanda, chegando ao seu auge às 14h52, coincidindo com o momento do dia em que se obteve as maiores temperaturas. Como esperado, observou-se que a curva de demanda no verão é fortemente influenciada pela utilização de condicionadores de ar.

IV.INDICADORES DA QUALIDADE DE ENERGIA ANTES DA INSTALAÇÃO DO DMRQT

Os parâmetros elétricos, na conexão de baixa tensão do transformador, no momento de ponta do sistema em estudo estão apresentados através da Tabela I.

TABELA I.MEDIÇÕES DO TRANSFORMADOR (14H52)

FASE A FASE B FASE C

P(kW) 54,4 55,5 45,6

Q(kVar) 8,8 7,9 6,8

S(kVA) 55,1 56,0 46,1

FP 0,987 0,990 0,989

TENSÃO (V) 215,01 211,94 211,96

Fig. 2. Sistema de Distribuição em Média e Baixa Tensão do Campus Universitário da UDESC-Joinville.

Para esta verificação, devido à impossibilidade de conectar um analisador de energia em cada ponto de tomada, foram realizadas simulações considerando a mesma rede com os mesmos aspectos construtivos. Com isso, ajustes nas cargas foram feitas de modo que a tensão na saída do transformador fique o mais próximo das medidas realizadas. Deste modo, procedeu-se com a análise das tensões nos finais de cada ramal.

Nos finais de semanas foi visível um perfil de tensão intrigante, caracterizado por momentos de sobretensão. Analisando as cargas ligadas no momento da ocorrência, verificou-se a inexistência de grandes cargas consumidoras. É visível que em todos os sábados em horários próximos ocorrem o mesmo distúrbio, podendo previamente ser concluído que isto é decorrente de manobras no circuito de média tensão (13,8 kV). A Fig. 4 apresenta o perfil de tensão desta ocorrência.

Fig. 4. Variações de Tensão por Manobras na MT.

Após a manobra verifica-se que os parâmetros se mantiveram próximos aos níveis precários e em alguns momentos enquadrando-se em precário e crítico. As medidas foram efetuadas de forma periódica espaçadas em 10 minutos. A Tabela II apresenta uma amostra dos valores de tensões e potências no momento do evento, estes dados serão utilizados para abastecer o modelo matemático para que este momento seja representado e analisando computacionalmente.

TABELA II.TENSÕES E POTÊNCIAS DURANTE A MANOBRA NA MT

Data/hora Fase A Fase B Fase C 04/10/2014 12:15 231,79 229,21 228,94 04/10/2014 14:15 232,9 230,65 230,31 04/10/2014 15:15 233,78 231,36 231,04

Fase A S(VA) FP

04/10/2014 12:15 3632,1 0,992

04/10/2014 14:15 5740,7 0,987

04/10/2014 15:15 5774,4 0,99

Fase B S(VA) FP

04/10/2014 12:15 2007,4 0,808 04/10/2014 14:15 2174,2 0,847

04/10/2014 15:15 1869,7 0,882

Fase C S(VA) FP

04/10/2014 12:15 2535 0,911 04/10/2014 14:15 2512,8 0,919

04/10/2014 15:15 2282,3 0,928

De acordo com a legislação atual da concessionária responsável por abastecer o circuito em estudo, a medição e tarifação do fator de potência podem ser divididas em duas partes. O fator de potência indutivo deve ser maior que 0,92 e este é verificado diariamente no período de 05h30 às 23h30. Em complemento a este período, durante as 23h30 até as 05h30 o fator de potência capacitivo deve ser maior que 0,92. A medição do fator de potência, deve ser feita uma integração a cada dez minutos, realizando a média destes valores em um intervalo de uma hora.

Durante as medições feitas no circuito analisado, foram verificados momentos em que o fator de potência ficou abaixo dos valores mínimos previstos em norma. A Tabela III apresenta um dos momentos em que o fator de potência foi verificado fora dos limites aceitáveis, acarretando em possíveis punições.

TABELA III.AMOSTRAGEM DA REDE COM BAIXO FATOR DE POTÊNCIA

DATA FASE A FASE B FASE C

23/11/2014 06:32 0,905 0,809 0,882 23/11/2014 06:42 0,892 0,817 0,888 23/11/2014 06:52 0,890 0,810 0,898 23/11/2014 07:02 0,899 0,815 0,891 23/11/2014 07:12 0,899 0,892 0,906 23/11/2014 07:22 0,918 0,800 0,918 23/11/2014 07:32 0,908 0,821 0,904

Média 0,901 0,823 0,898

Com estes dados, tem-se um intervalo de uma hora podendo assim ser calculado o fator de potência verificado pela concessionária, ficando com seu valor em 0,874, acarretando em cobrança por reativo excessivo. Analisando a Tabela III é visível que o fator de potência é substancialmente diferente em cada fase, inviabilizando a tentativa convencional de melhoria com a inserção de bancos de capacitores, uma vez que estes são conectados em ligação delta, injetando a mesma quantidade reativo nas fases. Um cenário como este, a solução mais interessante, seria a inserção de um dispositivo autônomo capaz de analisar e corrigir cada fase de forma independente, sem que ocorra um alto desequilíbrio entre os níveis de tensões das fases.

V. ESTRUTURA BÁSICA DO DMRQT

filtro capacitivo na entrada, encontrada em circuitos eletrônicos, como televisores e computadores.

Fig. 5. Arquitetura do DMRQT [4].

O DMRQT é composto incialmente por um circuito LC, o qual o caracteriza em um filtro passa baixa, evitando que correntes de alta frequência circulem entre o conversor e a rede, as quais poderiam deteriorar os a qualidade da energia. Os capacitores funcionam como um barramento de corrente contínua armazenando energia de forma temporária. Os interruptores, neste caso, na configuração Push Pull, comutam de forma a injetar correntes que possam assumir características indutivas ou capacitivas.

VI.INDICADORES DA QUALIDADE DE ENERGIA APÓS A INSTALAÇÃO DO DMRQT

Percebeu-se que com a inserção do DMRQT, os indicadores da qualidade da energia elétrica melhoram. Principalmente o fator de potência, uma vez que o dispositivo tem uma potência (30kVAr) expressiva quando comparada com a do sistema. O DMRQT também mostrou-se capaz de reduzir substancialmente o desequilíbrio das fases no ponto de conexão e nas conexões a jusante e a montante do dispositivo. Simulou-se uma situação crítica de afundamento de tensão por sobrecarga na rede BT que atende o bloco E a partir da barra 1 (transformador), passando pela barra 4 (ponto de conexão do dispositivo) até a barra de carga 5, cuja tensão ficou abaixo da crítica. A Fig. 6 apresenta o perfil de tensão do ramal em que foi conectado o dispositivo, primeiramente sem a intervenção do mesmo e logo abaixo com sua intervenção (Fig. 7).

Com a inserção do DMRQT consegue-se equilibrar todas as fases no ponto de conexão com a injeção de reativos em diferentes patamares para cada fase. O sistema de controle do dispositivo faz com que todas as tensões permaneçam acima de 0,93 e portanto acima dos níveis precário e crítico definidos na regulamentação.

Fig.6. Perfil de Tensão da Rede BT sem o DMRQT.

Fig.7. Perfil de Tensão da Rede BT com o DMRQT.

Para justificar a eficiência do dispositivo proposto em equilibrar a tensão das fases ao mesmo tempo que ele adequa os níveis de tensão frente à opção de se instalar bancos de capacitores fixos, foi realizada uma simulação com a conexão de um banco de capacitores em delta na mesma barra de conexão do DMRQT. Pode-se notar que houve uma elevação geral das tensões nas fases, embora a fase B tenha permanecido abaixo de 0,85 pu. O equilíbrio entre fases naturalmente não é obtido pois as fases já se encontravam desequilibradas ante da inserção dos bancos. O perfil de tensão da rede neste caso é apresentado na Fig. 8.

Fig.8. Perfil de Tensão da Rede BT com Banco de Capacitores. Conforme apresentado na seção IV, nos finais de semanas identificou-se um problema de sobretensão proveniente de distúrbios na rede de média tensão. Ao conectar o DMRQT neste cenário, observou-se que o dispositivo não é capaz de corrigir tal problema. Isto deve-se ao problema não ser local, e como se trata de um problema depois do transformador, apesar do dispositivo trabalhar em sua potência nominal, a impedância do ramal de conexão (saída do transformador) é muito baixa, resultando em pouca ou nenhuma mudança dos parâmetros da qualidade da energia elétrica da rede.

VII. CONCLUSÕES

Esse trabalho demonstra algumas situações bastante interessantes para a aplicação de dispositivos móveis para regulação automática da tensão em redes de baixa são com vantagens adicionais relativas a melhoria do desequilíbrio e do nível de potência reativa transacionada com a rede devido aos momentos em que a carga apresenta baixo fator de potência.

Destaca-se que o DMRQT pode ser utilizado para a correção do fator de potência, quando este apresentar-se baixo e indutivo aliado a uma subtensão ou apresentar-se baixo e capacitivo aliado a uma sobretensão. Caso este critério não seja respeitado, o dispositivo melhorará os níveis de tensões, mas tornará o fator de potência mais baixo que o verificado antes de sua intervenção.

O dispositivo mostrou-se uma ferramenta muito eficiente para a melhoria dos indicadores da qualidade de energia, desde que o problema seja previamente analisado e com isto, a escolha do melhor local para conexão do mesmo. Este dispositivo deve ser utilizado como medida paliativa para correção momentânea, aumentando o tempo para investigação e reparação do defeito pelos setores de planejamento da distribuição nas concessionárias.

VIII. AGRADECIMENTOS

Esse trabalho é fruto de um projeto realizado pelas Centrais Elétricas de Santa Catarina (CELESC) no âmbito do Programa de Projetos de Pesquisa e Desenvolvimento da ANEEL. Sem esse apoio tais resultados não seriam possíveis.

IX. REFERÊNCIAS

[1] ANEEL, “Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional,” PRODIST, vol. 8, revisão 6, 2014.

[2] G. Xu e Q. Zhou, “A Smart Strategy for Power Factor Correction of Distribution Network under the Imbalance Condition,”, Spring Congress on Engineering and Technology, 2012.

[3] M. T. Au, T. M. Anthony e M. Mohamed, “Strategies in Technical Loss Reduction and Its Impact on Harmonic Performance of Distribution Network,” IEEE Bucharest Power Tech Conference, 2009.