UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA JÚLIO DE MESQUITA FILHO FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA.

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO ” FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

Micro Redes

Apostila _01

Profa Mariângela de Carvalho Bovolato

Ilha Solteira - SP, agosto de 2013

Conceituação de Distribuição de Energia

1 - Introdução

O Sistema de Distribuição de Energia Elétrica tem importância fundamental dentro do contexto de um sistema elétrico, não só pelo investimento, como também pela sua elevada responsabilidade na qualidade de serviço prestado ao consumidor. A atividade de planejamento, que é essencial a qualquer sistema, torna-se imprescindível à distribuição, de forma a atender ao crescimento da carga em níveis de qualidade de serviço compatíveis com suas características, procurando-se otimizar a aplicação dos recursos financeiros disponíveis relativamente escassos.

O Planejamento de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica é uma atividade na qual o principal objetivo é adequar, ao menor custo, o Sistema Elétrico de Distribuição às futuras solicitações ao mercado consumidor, garantindo um suprimento de energia elétrica, com níveis ed qualidades compatíveis com este mercado.

A qualidade de fornecimento de energia elétrica é definida pelos seguintes fatores:

 Nível de Interrupção ou Continuidade de Fornecimento;

 Nível de Tensão ou Faixa de Tensão.

A verificação contínua da qualidade de fornecimento de energia elétrica pelas concessionárias, baseia-se na comparação de valores constatados com aqueles previamente fixados, denominados de Metas de Qualidade. A fixação destas metas constitui um ponto essencial no processo de planejamento da empresa. Estas metas passam a ser um ponto de referência para definir os diversos critérios adotados no planejamento, ou seja, na localização e arranjo das subestações, na escolha de equipamentos, na configuração da rede, etc.

As Metas de Qualidade são fixadas pela concessionária em função do mercado consumidor de energia a atender e da disponibilidade de recursos financeiros, sendo que, além da manutenção, existem investimentos a serem realizados de forma a remunerá-los adequadamente.

2 – Metas de Qualidade

2.1.- Níveis de Interrupção ou Continuidade de Fornecimento:

No caso de Continuidade de fornecimento, a consideração de Metas de Qualidade deve ser feita através de definição e estabelecimento de índices numéricos, ou índices operativos. Estes índices são usados pelas concessionárias como valores de referência nos processos de decisão envolvidos em trabalhos de planejamento, projetos, construção de linhas ou ramais, operação e manutenção de Sistemas de Distribuição.

2.1.1 – Conceitos Básicos : 1) Falha :

É todo o evento que produz a perda da capacidade de um componente, ou sistemas, desempenhar sua função, levando-os à condição de operação inadmissível.

2) Tempo médio entre falha e taxa de falha :

O tempo médio entre falhas de um componente do sistema é uma característica que, tal como o próprio nome indica, avalia o tempo médio durante o qual, o componente permanece em serviço entre duas falhas.

m

1





onde :m : tempo médio e  : taxa de falhas , representa o número de vezes que,

em média, o componente falhou, por unidade de tempo de permanência de serviço. A confiabilidade vista pelo consumidor é calculada como função das taxas de falhas dos componentes do sistema.

3) Segurança de Serviço :

Esta expressão é geralmente utilizada para referir às características de um sistema que permitem a restauração do fornecimento de energia elétrica à maior parte ou à totalidade dos consumidores, sem que seja necessário realizar primeiramente serviços de reparo. Estas características, que permitem a existência, em certas circunstâncias, de tempo de restabelecimento de serviços inferiores aos tempos de reparo, dependem direta e fundamentalmente das configurações utilizadas nos sistemas de distribuição.

4) Tempo de restabelecimento do sistema :

É o período transcorrido desde o desligamento do circuito até a reernegização do mesmo. É composto dos seguintes tempos :

 Tempo para conhecimento da falha;

 Tempo de preparação: tempo requerido para obtenção de recursos necessários para dar início aos trabalhos de localização da falha;

 Tempo de localização: tempo dispendido no deslocamento até as proximidades da falha e a execução de testes e transferência de carga com finalidade de localizar precisamente a mesma.

 Tempo de reparo: tempo durante a qual a falha é corrigida.

5) Confiabilidade :

É a capacidade de um sistema desempenhar a função exigida, sob condições estabelecidas, por um período de tempo determinado. A designação confiabilidade

deve ser interpretada como a característica dos sistemas que quantifica, por meio de índices numéricos (também chamados de operativos) o seu desempenho passado, ou estimativas futuras. Os índices mais utilizados pelas concessionárias para medir a confiabilidade são os seguintes :

 5.1 - Duração de interrupção:

É o período de tempo entre o início e o fim da interrupção.

5.1.1 – Duração Equivalente por Consumidor :

É o período de tempo que, em média, cada consumidor do sistema ficou privado do fornecimento de energia elétrica no período considerado.

Cs

xt

Ca

D





D = duração equivalente por consumidor (hora); Ca(i) = n

0

de consumidores atingidos nas interrupções;

t(i) = tempo decorrido na interrupção (i);

Cs = n0 total de consumidores do sistema;

i = n0 de interrupções variando de 1 a n

5.1.2 - Duração Equivalente por Potência Instalada :

É o período de tempo que, em média, cada potência instalada atingida ficou desenergizada no período considerado.





 5.2.- Freqüência de Interrupção

Chama-se freqüência de interrupção o número de vezes em que um sistema ficou interrompido no período considerado.

5.2.1 Freqüência equivalente por consumidor

É o número de interrupções que, em média, cada consumidor do sistema sofreu no período considerado : Cs Ca f n 1 i ) i (



onde : f = freqüência equivalente por consumidor

5.2.2 Freqüência equivalente por potência instalada

É o número de interrupções que, em média, cada potência instalada do sistema sofreu no período considerado.

total n 1 i ) i ( k P P f



onde : fk = freqüência equivalente por potência.

 5.3 – Confiabilidade do Sistema

Confiabilidade do sistema é a razão, por unidade, em que o sistema ficou no estado operável no período considerado.

5.3.1 Por consumidor T Cs t Ca T Cs C n 1 i (i) (i)



onde : C índice de confiabilidade por consumidor; T período considerado. 5.3.2 Por potência T P t P T P C total n 1 i ) i ( ) i ( total k



 5.4.- Outras Expressões e Analogias Das expressões acima, pode-se concluir que : 1 – Duração Equivalente por consumidor :

D = d . f ,

Onde: d = duração média/consumidor;

f = freqüência equivalente /consumidor.

2 – Observações :

a) Cs T – atendimento de todos os consumidores por todo período – responsabilidade da concessionária ; b)



Ca - parcela da responsabilidade não cumprida

c)



Cs - parcela da responsabilidade que foi cumprida

(confiabilidade).

De maneira geral, pode-se dizer que, essencialmente , os índices operativos representam ponderações, em relação aos consumidores ou às potências, das medidas de confiabilidade.

6) Indisponibilidade

Indisponibilidade é a parcela de tempo em que determinado componente fica fora de operação, por falha, num período de tempo considerado. É dada pela expressão

D = 1 – C

onde : C = confiabilidade.

2.1.2 Classificação das Interrupções

As interrupções, perdas de serviço para um ou mais consumidores e que são o resultado de uma ou mais saídas de componentes, dependendo da configuração do sistema, devem ser classificadas de acordo com certos critérios, de maneira a bem caracterizar o tipo de análise que se deseja fazer.

A cada ocorrência no Sistema de Distribuição, deve-se procurar identificar a circunstância ou o mecanismo que provocou o mau funcionamento do componente para definir os procedimentos que venham a minimizar sua reincidência. Da análise dessas ocorrências, as empresas podem identificar o orgão de sua estrutura que será acionado ou quais as atividades a serem desenvolvidas para que o desempenho do sistema atinja um nível pré-estabelecido.

É importante também observar, o relacionamento das interrupções e sua duração, com o nível de tensão do componente que falhou ou foi deliberadamente colocado fora de serviço e com as condições climáticas no momento da interrupção. Isto facilita a análise da situação do desempenho quanto à responsabilidade do componente do sistema e indicará as épocas do ano nas quais o clima contribui de forma acentuada na continuidade do fornecimento de energia.

Tendo em vista as observações acima, é bastante comum a seguinte classificação :

1. Interrupções Consideradas:

São interrupções que devem ser incluídas nos cálculos dos índices. São resultantes de saídas de um ou mais componentes que afetam os consumidores alimentados

pelo sistema, qualquer que seja a origem delas, inclusive as produzidas por distúrbios no sistema de transmissão ou interligado.

Excetuam-se os seguintes casos :

 Desligamento dos consumidores, provocados por seus próprios dispositivos;  Desligamento dos consumidores por falhas, em sua própria rede, exceto as que provocam interrupções em parte do sistema da empresa.

2. Quanto à duração :

As durações consideradas para o cálculo dos índices devem ser as efetivamente ocorridas computando-se, separadamente, os tempos das etapas distintas de reparo (preparação, localização e correção). Devido à necessidade de se uniformizar o critério de classificação, recomenda-se adotar um tempo máximo de 3 minutos para as interrupções Momentâneas. Valores superiores serão classificados como Sustentadas.

3. Quanto a Origem

Externa : é aquela que resulta de uma saída de componente não pertencente ao sistema considerado.

Interna : é aquela que resulta de uma saída de componente pertencente ao sistema considerado.

4. Quanto à Causa

4.a Programada :

É aquela que resulta da retirada deliberada de um serviço de um componente, por um tempo pré-estabelecido, usualmente para fins de construção ou manutenção. Os consumidores envolvidos são, em geral, previamente avisados. Pode ser dividida em :

a.1 - Alteração : incluindo todas as saídas provocadas pela necessidade de melhorar ou ampliar a instalação em operação. Subdivide-se em : alteração para melhoria e alteração para ampliação.

a.2 - Manutenção : incluindo todas as saídas necessárias para se ensaiar ou corrigir a instalação em operação. Subdivide-se em : manutenção preventiva e manutenção corretiva.

a.3 - Não Classificada : compreende toda interrupção programada não classificada nos anteriores.

4.b Não Programada :

Toda aquela que não se enquadra na programada. É uma interrupção por saída forçada. Subdivide-se em :

a.1 - Meio Ambiente : poluição, corrosão, fogo(não devido a falhas), inundação, erosão vegetal, pássaros, outros animais, etc.

a.2 - Terceiros : vandalismo (dano ou interferência intencional ou voluntária), acidente (dano ou interferência acidental).

a.3 - Falha Humana : erro de operação e acidente (contato , dano ou interferência da própria concessionária ou contratada, responsáveis pela operação e manutenção do sistema).

a.4 - Próprias do Sistema : subtensão, sobretensão, manobra para localização de falhas, manobra por segurança ou características construtivas do equipamento. a.5 - Falha de Componente : falha de ajuste, falha de montagem, falha de projeto, uso impróprio do equipamento, envelhecimento, falha de manutenção, falha de fabricação (material, ,projeto ou montagem pelo fabricante), falha não relacionada e falha desconhecida.

a.6 - Outro Orgão/Concessionária: concessionária, consumidor, outro orgão da empresa (não responsável diretamente pela operação ou manutenção de sistemas).

a.7 - Outras : neste grupo deverá ser incluída toda causa cuja natureza seja do conhecimento do informante, porém não se enquadra em nenhum dos itens relacionados.

a.8 - Desconhecidas : deverá ser enquadrada neste grupo toda causa cuja natureza não seja do conhecimento do informante.

5. Quanto à Tensão:

Secundária : 115V, 127V, 220V, 230V, 380V Primária : 13800 V (13.8kV), 34500V (34.5kV) Subtransmissão : igual ou maior que 34.5kV

6. Quanto às Condições Climáticas :

Os problemas advindos de condições climáticas requerem ser classificados, para analisar-se em que grau de severidade o sistema está sujeito a falhas e a duração da interrupção. Adota-se a seguinte classificação :

a. Tempo Adverso : são as condições climáticas que causam uma alta proporção de saídas forçadas e a demora no reparo dos componentes, durante os períodos em que persistem estas condições. Podem ser selecionadas como : chuva, vento, calor, etc.

b. Tempo Normal : são as condições climáticas não definidas como adversas.

2.2. Níveis de Faixas de Tensão de Fornecimento

A determinação e fixação de faixas de tensão admissíveis, tanto em condições normais quanto de emergência, devem evidentemente, fundamentar-se na compatibilização entre a tensão fornecida pela concessionária e os valores de tensões de placa de eletrodomésticos e equipamentos elétricos, adicionadas e subtraídas, respectivamente, dos valores de sobretensão e subtensão admissíveis.

Para o fabricante, seria ideal que a concessionária mantivesse a faixa de variação entre as tensões máxima e mínima, a mais estreita possível. Isto, no entanto significaria maiores investimentos no sistema de distribuição.

Sob o ponto de vista da concessionária, o desejável seria manter essa faixa a mais ampla possível, resultando maiores custos para os eletrodomésticos e equipamentos elétricos. Portanto, tem que haver um ponto de equilíbrio entre as necessidades da concessionária e as do fabricante de equipamentos, refletindo num menor custo para o consumidor.

Com base nessas premissas, foram efetuadas pesquisas junto aos fabricantes nacionais, no sentido de conhecer as variações de tensão admissíveis em equipamentos e aparelhos eletrodomésticos. O resultado dessa pesquisa mostrou que grande maioria dos aparelhos admite uma variação de  10%em torno de sua tensão de placa.

Apresentam-se a seguir, os valores das faixas de variação de tensão a serem observadas no planejamento, projeto e operação de sistemas de distribuição de energia elétrica, de modo a que se torne possível atender, de forma satisfatória, as características operacionais dos aparelhos e equipamentos dos consumidores.

2.2.1 Conceitos Básicos : 1) Tensão Nominal:

É o valor eficaz da tensão pelo qual o sistema é designado. A norma ANSI diz que este valor identifica a classe de tensão a que está sujeito, determinado circuito elétrico. Ainda pela mesma norma, a tensão nominal é a que se utiliza no projeto de circuitos e aparelhos elétricos devendo, por conseguinte, designar-se um valor operacional ideal (nominal) para cada sistema.

2) Regulação de Tensão :

É a variação existente, num determinado ponto do sistema, entre o valor máximo e o valor mínimo de tensão.

1

0 V

V g

onde : V0 – tensão máxima V1 – tensão mínima Em termos percentuais : 100 V V V % g Re i i 0  _  3) Queda de Tensão :

Define-se queda de tensão, para o mesmo instante, pela diferença entre os valores de tensão na entrada e na saída em dado componente do sistema elétrico.

f i V

V

V  



onde : Vi = tensão no início do componente;

Vf = tensão no final do componente.

Em termos percentuais : 100     i f i V V V % V 4) Tensão de Utilização :

É o valor eficaz da tensão efetivamente aplicada aos terminais dos equipamentos e aparelhos dos consumidores.

5) Tensão de Serviço :

É o valor eficaz da tensão no ponto de entrega, ou seja, local onde o sistema elétrico do consumidor se liga ao sistema elétrico da concessionária. Em casos de :- Baixa tensão : junto ao medidor de energia da edificação;

:- Alta tensão : nos terminais secundários do transformador abaixador ou no transformador de potencial.

6) Tensão Secundária :

É o valor eficaz da tensão no ponto da rede da concessionária, de onde se deriva o ramal de ligação. (medição rotineira para controle de fornecimento de energia). 7) Tensão de Fornecimento Primário :

É o valor da tensão primária combinado entre a concessionária e consumidor, no ponto de entrega de energia elétrica, nos termos da legislação em vigor.

A Portaria 047 de 17.04.78, do DNAEE, estabelece que esta tensão pode estar fixada entre + 5 % e – 5%, em relação à tensão nominal do sistema.

2.2.2 Faixas de Tensão :

1) Faixa favorável de tensão de utilização:

É a faixa de tensão definida como de operação normal ou desejável. Os aparelhos e equipamentos devem ser projetados para operar normalmente nesta faixa.

2) Faixa tolerável de tensão de utilização:

É a faixa de tensão reconhecida como de operação aceitável, mas não inteiramente desejável. Os equipamentos não são projetados para operar nesta faixa, porém devem apresentar um desempenho razoável em tais condições.

3) Faixas de tensão de serviço:

Esta faixa deriva das faixas anteriores, presumindo-se que ocorra uma queda de tensão entre o ponto de entrega de energia ou ponto de medição (na baixa tensão) do consumidor e o ponto de utilização. O valor máximo desta queda é de 1,7% da tensão nominal.

4) Faixa de tensão secundária:

As faixas neste caso (favorável e tolerável), são análogas à tensão de utilização. Presumindo-se que ocorra uma queda de tensão desde o ponto da rede da concessionária de onde se deriva o ramal de ligação até o ponto de utilização, o valor máximo adotado para esta queda de tensão é de 2,4% da tensão nominal.

A norma brasileira NBR5410, de novembro de 1980, estabelece os seguintes valores para as quedas de tensão entre a origem da instalação (consumidor) e qualquer ponto de utilização, em relação à tensão nominal da instalação :

 Instalações alimentadas em Baixa Tensão :  iluminação – 3%

 outras utilizações – 5%

 Instalações alimentadas por Subestações :  Iluminação – 6%

 Outras utilizações – 8%

Foram levados em consideração os fatores reais de simultaneidade, quer de cada consumidor, quer entre consumidores ligados a um mesmo ramal.

Deve-se observar também que, para o caso específico de consumidores caracterizados por elevadas quedas de tensão nos circuitos internos, próximas aos limites máximos fixados na Norma e coincidentes com a ponta de carga do sistema (estabelecimentos industriais e comerciais de porte médio, prédios de apartamentos, etc), estes não devem ser ligados na extremidade da rede, mas sim, junto ao transformador. Esta solução corresponde a reduzir a queda de tensão no circuito secundário, pela diminuição de sua extensão, transferindo-se assim, para os circuitos internos dos consumidores a queda de tensão que fica disponível.