Abstract--This paper presents the main results obtained during
the Furnas pilot campaign of Quality of Energy. Its objective is to provide a general view of accomplished procedures and difficulties found, divulging the experience obtained.
Palavras-Chaves--Desequilíbrio de tensão, distorções
harmônicas de tensão, flutuação de tensão, medições, qualidade de energia, transdutores.
I. INTRODUÇÃO
ONS (Operador Nacional do Sistema Elétrico) é responsável pela coordenação e controle da operação das instalações de geração e transmissão de energia elétrica no Sistema Interligado Nacional (SIN), sob a fiscalização e regulação da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Para cumprir essa função, mantendo padrões de segurança e qualidade no Sistema Interligado, foi necessário que o ONS estabelecesse indicadores e padrões de desempenho para que pudesse vir a gerenciá-los. Essa gerência engloba, entre outros aspectos, o levantamento desses indicadores e a avaliação de situações de violação dos mesmos.
O estabelecimento dos indicadores e padrões de desempenho, assim como seu gerenciamento, foi objeto de debates entre diversos Agentes, no âmbito do Grupo de Trabalho de Qualidade de Energia Elétrica (GT-QEE), coordenado pelo ONS. Como resultado foram criados dois Submódulos dos Procedimentos de Rede. O Submódulo 2.8 [ 2 ] estabelece que os indicadores relacionados aos fenômenos de desequilíbrio, flutuação e distorção harmônica de tensão devem ser obtidos através de campanhas de medição, que têm como objetivo identificar barramentos da Rede Básica cujo desempenho esteja violando algum dos padrões globais estabelecidos no Submódulo 2.2 [ 3 ].
Os procedimentos que virão a ser adotados nas campanhas de medição de Qualidade de Energia Elétrica (QEE) vêm sendo estabelecidos num trabalho coordenado pelo ONS e realizado pelo CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica do Grupo ELETROBRÁS [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ]. A fim de fundamentá-los e uniformizá-los, o ONS entendeu que campanhas de medição preliminares – denominadas campanhas piloto de medição – deveriam ser efetuadas com a participação dos Agentes interessados e com disponibilidade de colaborar em tais campanhas, o que vem sendo realizado desde Agosto/2004. Em 2005 Furnas Centrais Elétricas S.A. e ONS firmaram contrato de prestação de serviços por meio do
* Rua Real Grandeza 219 – CEP 22283–900 – Rio de Janeiro – RJ – Brasil FAX: +55(021)25285576 – E–mail: sixel@furnas.com.br
qual FURNAS se responsabilizou pela disponibilização dos sinais de tensão a serem monitorados, condicionamento do sinal a ser medido, medição dos indicadores de qualidade de energia e elaboração de relatório técnico e planilha de resultados [ 1 ]. As medições foram realizadas no mesmo ano, sob coordenação de FURNAS na subestação de Jacarepaguá.
II. IDENTIFICAÇÃO GERAL DA CAMPANHA PILOTO DE MEDIÇÃO
O local escolhido para a realização da campanha piloto de medição de qualidade de energia em FURNAS foi realizada no setor de 138 kV da subestação de Jacarepaguá. Esta subestação, localizada próxima ao centro da carga da cidade do Rio de Janeiro, abrange pátios de 345, 138 e 13,8 kV, interligados por 4 bancos de autotransformadores de 225 MVA cada. O barramento de 345 kV está conectado à subestação de Adrianópolis através de 2 circuitos. No barramento de 138 kV encontram-se 2 bancos de capacitores shunt de 100 Mvar cada. Esse barramento interliga-se ainda a 11 subestações da LIGHT e FURNAS através de 14 circuitos, sendo uma importante subestação da rede elétrica de suprimento ao Estado do Rio de Janeiro. No setor de 13,8 kV encontram-se 3 bancos de reatores shunt de 30 Mvar cada. A Fig. 1 apresenta um diagrama da subestação de Jacarepaguá e sua vizinhança.
Fig. 1. Diagrama da Subestação de Jacarepaguá e Sua Vizinhança
A campanha piloto foi realizada em 2005, no período de 26 de julho a 01 de agosto e os equipamentos de medição de qualidade de energia instalados (modelo Topas 1000, na época fabricado pela empresa L.E.M.) utilizam uma taxa de amostragem de 128 pontos/ciclo. Foram aquisitados valores integralizados em intervalos de 10 minutos, conforme estabelecido em [ 4 ].
Campanha Piloto de Medição de Qualidade
de Energia em FURNAS
D. S. Arentz
*, FURNAS
, M. A. Albuquerque, FURNAS, E. A. Piantino, FURNAS,
M. A. P. Fontes, FURNAS, D. O. C. Brasil, ONS, J. R. Medeiros, ONS
III. TRANSDUTORES EMPREGADOS
Objetivando ampliar os conhecimentos a serem obtidos com a campanha de medição, foi adotada a filosofia de realizar as medições a partir de 3 tipos de transdutores de tensão diferentes, a saber:
• tape capacitivo de bucha (TCB) de 138 kV de um dos bancos de autotransformadores 345/138/13,8 kV;
• divisor capacitivo padrão (DCP), conectado diretamente ao barramento de 138 kV;
• transformador de potencial indutivo (TPI), conectado diretamente ao barramento de 138 kV.
A Tabela I apresenta informações básicas relativas aos transdutores empregados durante a campanha piloto.
TABELA I
TRANSDUTORES DE TENSÃO EMPREGADOS
Uma vez que, em geral, transdutores de tensão não apresentam uma resposta plana em freqüência, foi realizado para os mesmos um levantamento dessa característica, de modo a permitir a inserção de fatores de correção nos conjuntos de dados de medições harmônicas.
As Figs. 2 e 3 apresentam, para as 3 fases, as características de ganhos da resposta de amplitude em freqüência para os DCPs padrões e para os TPIs. A resposta em freqüência dos tapes capacitivos das buchas não foi levantada no local devido à indisponibilidade de tempo, embora ensaios em laboratório em buchas similares mostraram que elas respondem satisfatoriamente na faixa de freqüência de interesse (60 Hz a 3 kHz). Todos os levantamentos de resposta em freqüência foram executados pelo Laboratório Centro Técnico de Ensaios e Medições (CTE.O), localizado na usina de FURNAS, órgão responsável por medições dessa natureza.
Para cada freqüência o ganho foi calculado segundo a expressão:
Fig. 2. Ganhos de Resposta de Amplitude em Freqüência dos TPIs
Fig. 3. Ganhos de Resposta de Amplitude em Freqüência dos DCPs IV. INDICADORES DE QUALIDADE DE ENERGIA Como já mencionado, o escopo da campanha piloto cobriu a avaliação de fenômenos relacionados à flutuação, desequilíbrio e distorção harmônica de tensão. A seguir é apresentado um resumo das principais constatações e conclusões obtidas durante o período.
A. Desequilíbrio de Tensão
O desequilíbrio de tensão é caracterizado quando a tensão em determinado ponto do sistema elétrico apresenta-se com defasagem diferente de 120 graus elétricos entre as fases e/ou quando o módulo da tensão em cada uma das fases não é idêntico entre si.
O indicador K, representativo do desequilíbrio de tensão, é uma grandeza adimensional definido como a relação percentual entre o módulo da tensão de seqüência negativa e o módulo da tensão de seqüência positiva. A Tabela II apresenta, para os três transdutores empregados, os sete valores diários do indicador K que foi superado em apenas 5% dos registros obtidos (Kd95%) e o valor KD95% (maior dentre os valores de Kd95%), enquanto que a Fig. 4 apresenta a tendência do indicador K durante os sete dias do período de medição para os três transdutores utilizados.
TABELA II
INDICADORES DE DESEQUILÍBRIO DE TENSÃO
Fig. 4. Tendência do Indicador K
Quanto aos resultados obtidos, as seguintes observações e constatações podem ser delineadas:
• o limite global para o desequilíbrio de tensão corresponde a um nível de 2% [ 3 ]. Comparando-se esse limite com o valor encontrado para KD95%, constata-se que, no período avaliado pela campanha de medição, o desequilíbrio de tensão manteve-se abaixo do limite estabelecido, qualquer que seja o transdutor observado; • o perfil da tendência do indicador K apresentou forma
bastante semelhante entre os três transdutores, diferindo apenas quanto aos níveis registrados (os níveis registrados pelos TPIs foram sempre inferiores aos registrados pelos demais transdutores enquanto que os níveis registrados pelos DCPs foram quase sempre superiores aos demais); • exceto no último dia, quando uma descontinuidade foi
registrada pelos DCPs, estes vinham apresentando uma boa coerência com os registros obtidos através dos outros transdutores (a causa da descontinuidade observada não pôde ser identificada pois nenhuma manobra na própria subestação ou no sistema elétrico de FURNAS foi verificada no horário próximo à mesma).
B. Flutuação de Tensão
Os principais indicadores para medição de flutuação de tensão são os indicadores adimensionais Pst (probability short
term) e Plt (probability long term). O Pst quantifica a
severidade da flutuação em períodos de 10 minutos e se aplica à avaliação do impacto de flutuações causadas por cargas individuais com ciclo de operação curto. O indicador Plt quantifica a severidade da flutuação em períodos de duas horas e se aplica à avaliação do impacto de flutuações causadas pelo
efeito combinado de diversas cargas operando aleatoriamente ou de cargas individuais com ciclos de operação longos [ 4 ].
Ilustrativamente, a Fig. 5 apresenta a tendência do indicador Pst durante os sete dias do período de medição registrada em uma das fases. A Tabela III apresenta, para todas as fases e transdutores empregados nas medições, os sete valores diários do indicador Pst que foi superado em apenas 5% dos registros obtidos (Pstd95%) e os valores máximos semanais PstD95% (maior dentre os 21 valores de Pstd95% calculados) e PltS95% (valor semanal do indicador Plt que foi superado em apenas 5% dos registros obtidos).
Fig. 5. Tendência do Indicador Pst (fase C)
Devido ao caráter subjetivo do incômodo causado pela flutuação de tensão, são adotados dois limites para os indicadores PstD95% e PltS95%, denominados Limite Global Inferior e Limite Global Superior. Tais limites estão associados ao nível de tensão do local avaliado. A Tabela IV apresenta, para o nível de tensão de 138 kV, os valores dos limites globais considerados [ 3 ].
TABELA III
INDICADORES DE FLUTUAÇÃO DE TENSÃO
TABELA IV
LIMITES GLOBAIS PARA OS INDICADORES DE FLUTUAÇÃO DE TENSÃO
Assim, quanto aos resultados obtidos, as seguintes observações e constatações podem ser delineadas:
• Comparando-se os limites globais (Tabela IV) com os valores encontrados (Tabela III), vê-se que tanto o indicador PstD95% como o indicador PltS95% mantiveram-se abaixo dos limites inferiores, o que indica que o local avaliado está apresentando uma qualidade de tensão adequada;
• As três fases mostram comportamentos aproximadamente semelhantes;
• Os registros fornecidos pelos três transdutores são bastante próximos, embora os DCPs tenham apresentado valores ligeiramente superiores para as fases A e B; • A comparação das tendências do indicador Pst registradas
pelos três tipos de transdutores mostra que os perfis são extremamente semelhantes.
C. Distorção Harmônica de Tensão
Um sistema elétrico deveria fornecer energia com forma de onda de tensão perfeitamente senoidal, freqüência fixa e amplitude constante. Entretanto, sistemas elétricos reais utilizam equipamentos não ideais e alimentam muitas cargas não lineares, o que faz com que surjam distorções nas formas de onda de tensão e corrente. Havendo uma degradação da forma da onda de tensão, a quantificação desse desvio em relação ao padrão senoidal é geralmente expressa em termos do conteúdo de componentes harmônicas.
As principais conseqüências da presença de harmônicos em sistemas elétricos são:
• o valor total das correntes absorvidas pelas cargas aumenta, aumentando as perdas e reduzindo o fator de
potência da instalação;
• possíveis ressonâncias entre cargas indutivas e capacitivas, provocando danos por sobretensões;
• interferência em linhas de comunicação próximas aos condutores de potência;
• aumento nas perdas do cabo condutor de neutro em sistemas trifásicos, resultantes da circulação de componentes com freqüências de 3o harmônico ou de seus múltiplos;
• esforços sobre os isolamentos devido à ação de tensões harmônicas;
• sobrecarga térmica devido ao fluxo de correntes harmônicas, causando perda de eficiência, vibrações e, em motores e transformadores, ruídos de alta freqüência. Durante a campanha piloto de medição foram registrados valores de distorção individual harmônica de tensão para as ordens 2 a 50 (Vn, n = 2, ..., 50). Posteriormente o conjunto de dados de cada ordem harmônica foi corrigido pelo ganho determinado para os transdutores através do levantamento de sua resposta em freqüência, conforme discutido em III. Os valores de distorção total harmônica de tensão (DTHT) foram calculados a partir do conjunto de dados corrigidos, bem como os valores dos indicadores DTHTd95% (valor diário do indicador DTHT que foi superado em apenas 5% dos registros obtidos), DTHTD95% (maior dentre os 21 valores de DTHTd95% obtidos durante a campanha), Vnd95% (valor diário do indicador Vn que foi superado em apenas 5% dos registros obtidos para o harmônico de tensão de ordem n) e VnD95% (maior dentre os 21 valores de Vnd95% obtidos durante a campanha para o harmônico de tensão de ordem n).
Para a distorção harmônica de tensão, além da análise dos níveis observados, dois tipos de avaliações foram também realizadas, a saber:
• desempenho de transdutores;
• influência do emprego dos ganhos dos transdutores obtidos pelo levantamento de suas respostas em freqüência.
Em relação aos níveis harmônicos verificados, conforme estabelecido em [ 3 ], assim como para a flutuação de tensão, também se adotam limites globais inferiores e superiores para a distorção harmônica de tensão, limites estes também dependentes da tensão nominal da barra do sistema. Os limites inferiores para sistemas cuja tensão nominal é de 138 kV são aqueles mostrados na Tabela V.
Os limites superiores para o DTHT são 33% maiores que os limites inferiores, ou seja, 4% para sistemas com tensão nominal igual ou superior a 69 kV. Para harmônicos individuais, embora não tenham sido fixados explicitamente os limites superiores, o relatório [ 4 ] sugere como critério, por coerência com a definição dos limites superiores para DTHT, que os limites superiores para harmônicos individuais devam ser 33% acima dos valores contidos na Tabela V.
Para a campanha piloto, a Tabela VI apresenta o valor de DTHTD95% e os valores de harmônicos individuais VnD95% (n = 2, ..., 50), cujo percentil (95%) de uma semana foi superior a 0,4 %.
TABELA V
LIMITES GLOBAIS INFERIORES DE DISTORÇÃO HARMÔNICA
TABELA VI
INDICADORES DE DISTORÇÃO HARMÔNICA DE TENSÃO
Assim, comparando-se os limites globais inferiores (Tabela V) com os valores encontrados para os indicadores (Tabela VI), constata-se que, no período avaliado pela campanha de medição: todos os indicadores mantiveram-se abaixo dos limites globais inferiores estabelecidos.
O desempenho dos três tipos de transdutores empregados pode ser apreciado através das Figs. 6 a 9 que apresentam, respectivamente, a tendência da distorção harmônica individual de tensão para as ordens 3, 5, 9 e 35 de uma das fases durante o período de medição. Cabe ressaltar que a 9a e a 35a harmônicas foram incluídas para demonstrar, respectivamente, o desempenho dos transdutores e dos equipamentos de medição, para uma ordem múltipla de 3 mais elevada e para uma freqüência acima de 2 kHz. A Fig. 10 apresenta a tendência da distorção harmônica total de tensão da mesma fase.
A partir da comparação entre tais figuras, o que se observa é uma grande coerência entre os valores medidos, principalmente entre os TPIs e os TCBs, mesmo nas freqüências mais elevadas. Em alguns casos os DCPs apresentaram valores ligeiramente superiores àqueles observados com os demais transdutores, embora deva-se ter em mente que tais discrepâncias percentuais correspondem a valores de tensão extremamente baixos para o nível de 138 kV.
Em relação à correção dos valores harmônicos utilizando-se o ganho dos transdutores, verificou-se que, para o espectro de freqüência coberto pela medição (até 3 kHz), tal correção somente começou a ser notada para o caso dos TPIs em freqüências a partir de 2 kHz (conforme visto na Fig. 2). E, mesmo assim, o conteúdo harmônico nessa faixa foi tão baixo que a correção ou não dos valores medidos foi insignificante para afetar os indicadores de qualidade de energia associados à distorção harmônica.
Fig. 6. Tendência do Indicador V3 (fase B)
Fig. 7. Tendência do Indicador V5 (fase B)
Fig. 8. Tendência do Indicador V9 (fase B)
Fig. 10. Tendência do Indicador DTHT (fase B) V. CONCLUSÕES
A partir das diversas etapas realizadas e dos resultados encontrados, as seguintes conclusões podem ser alcançadas: • A maior dificuldade encontrada para a realização da
campanha piloto esteve associada à escolha do local para a mesma, no sentido de compatibilizar a necessidade de desligamentos (para instalação de equipamentos de medição e levantamento de respostas em freqüência dos transdutores) com as restrições do Sistema Interligado; • O local medido (barramento de 138 kV da subestação de
Jacarepaguá) mostrou-se adequado aos limites estabelecidos nos Procedimentos de Rede para desequilíbrio, flutuação e distorção harmônica de tensão; • Três tipos de transdutores de tensão foram empregados e
avaliados durante a campanha piloto (transformadores de potencial indutivos, tapes capacitivos de buchas e divisores capacitivos padrões);
• Houve grande coerência entre os valores registrados pelos 3 tipos de transdutores (principalmente entre tapes capacitivos de buchas e transformadores de potencial indutivos), para desequilíbrio, flutuação e distorção de tensão, mesmo nas freqüências mais elevadas;
• Quanto à resposta em freqüência dos transdutores analisados, tapes capacitivos de buchas e divisores capacitivos padrões apresentaram uma resposta bastante plana na faixa de freqüência requerida (até 3 kHz); transformadores de potencial indutivos apresentaram uma resposta plana até cerca de 2 kHz, quando então começaram a aparecer distorções na mesma;
• A correção ou não dos valores de distorção harmônica pelos ganhos dos transdutores nas diferentes freqüências não se mostrou significativa devido à resposta plana dos transdutores e ao baixo conteúdo harmônico nas freqüências mais elevadas.
VI. REFERÊNCIAS
[1] Campanha Piloto de Medição de QEE – Qualidade de Energia Elétrica do ONS realizada por FURNAS Centrais Elétricas S.A. na subestação de Jacarepaguá, Relatório de dezembro de 2005.
[2] Gerência dos Indicadores de Desempenho da Rede Básica, ONS, Submódulo 2.8, Procedimentos de Rede, Revisão 0; aprovada pela ANEEL conforme Resolução no 333/03.
[3] Padrões de Desempenho da Rede Básica, ONS, Submódulo 2.2, Procedimentos de Rede, Revisão 2; aprovada pela ANEEL conforme Resolução no 791/02.
[4] Definição das Metodologias e Procedimentos Necessários às
Campanhas de Medição dos Indicadores de Desempenho, CEPEL, Relatório 2.1 – 028/2005, Dezembro, 2004.
[5] D. O. C. Brasil, J. R. Medeiros, R. P. Ross, L. F. W. Souza, H. J. Martins, A. A. C. Arruda, “Metodologias e Procedimentos para as Campanhas de Medição de Indicadores de Flutuação de Tensão, Harmônicos e Desequilíbrios na Rede Básica”, T&D Latin América, São Paulo, Novembro, 2004.
[6] D. O. C. Brasil, J. R. Medeiros, R. P. Ross, L. F. W. Souza, H. J. Martins, “Definição de Metodologias e Procedimentos para as Campanhas de Medição de indicadores de Flutuação de Tensão, Harmônicos e Desequilíbrios na Rede Básica”, IX Sepope, Rio de Janeiro, Maio, 2004.
VII. BIOGRAFIAS
Davi Sixel Arentz nasceu em Petrópolis, Brasil, em maio de 1973. Graduado em Engenharia Elétrica com ênfase em Sistema de Potência pela Universidade Federal Fluminense em 1997. Título de Mestrado em Computação Aplicada a Sistemas de Potência pela Universidade Federal Fluminense em 2001. Sua experiência profissional inclui o CEPEL (1998 a 2001) e Furnas Centrais Elétricas S.A., desde 2001, na Divisão de Análise do Sistema do Departamento de Estudos e Planejamento Elétrico da Operação.
Marcos Antonio Albuquerque nasceu no Rio
de Janeiro, Brasil, em 12 de março de 1969. Graduado em Engenharia Elétrica com ênfase em Sistema de Potência pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro em dezembro de 1993. Título de Mestrado em Engenharia Elétrica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro em 2003. Trabalha em Furnas Centrais Elétricas S.A. desde 1994 no Departamento de Estudos e Planejamento Elétrico da Operação na Divisão de Análise do Sistema.
Marco Antonio de Paiva Fontes nasceu no Rio de Janeiro, Brasil, em 26 de agosto de 1959. Graduado em Engenharia Elétrica com ênfase em Sistema de Potência pela Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, em dezembro de 1982. Pós-graduado em 1983 em Sistemas de Controle pela COPPE/UFRJ. Trabalha em Furnas Centrais Elétricas S.A. desde 1983 no Departamento de Estudos e Planejamento Elétrico da Operação e desde 2005 na gerência da Divisão de Análise do Sistema.
José Roberto de Medeiros formado em Engenharia Elétrica pelo Instituto Militar de Engenharia (IME) em 1976. Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) em 1991. No momento trabalha para o ONS como engenheiro consultor na área de qualidade de energia elétrica.
Dalton O. C. Brasil formado em Engenharia Elétrica pela Escola
Politécnica da Universidade de São Paulo (USP), em 1972. Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Pernambuco (UFP) em 1996. Atualmente trabalha para o ONS como gerente de administração da transmissão.
