Estudo da qualidade de energia do Supermercado Escola na Universidade Federal de Viçosa

Estudo da qualidade de energia do

Supermercado Escola na Universidade Federal

de Viçosa

Clara Perini, Laíne Souza, Thiago Leal e José C. C. Campos

Universidade Federal de Viçosa,

Viçosa - MG

Resumo ---_{O estudo de qualidade de energia é cada vez}

mais difundido em várias atividades. Isso se deve ao fato dos avanços na área de eletrônica de potência e dos estudos de transformadores e motores, fazendo com que não somente a distribuição de forma firme e continua do fornecimento de energia elétrica fosse essencial, mas também a análise de sua qualidade tivesse importância. Durante a alimentação das máquinas pelo sistema elétrico industrial, há a presença de distúrbios que afetam a qualidade da energia elétrica, os quais são produzidos pelo próprio equipamento e/ou pelo sistema alimentador. Como consequência, as máquinas sofrem desgastes, diminuindo sua vida útil e, também executam as suas funções de forma diferente da qual foram planejadas, alterando o seu rendimento. Vários tipos de perturbações já foram detectados nas redes elétricas em geral e para dimensioná-los, a ANEEL, Agência Nacional de Energia Elétrica, criou o módulo de Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST, no qual ela estabelece os níveis tolerados de cada tipo de distúrbio que é considerado importante e as medidas que poderão ser tomadas pela concessionária ou mesmo pelo consumidor, caso os mesmos não estejam conforme o módulo. Neste trabalho, foi estudada a qualidade de energia elétrica do Supermercado Escola na Universidade Federal de Viçosa, enfatizando a tensão de alimentação do sistema, e usada como base de comparação os índices e métodos para medições do PRODIST, com a finalidade de um melhoramento da energia distribuída dentro da Universidade Federal de Viçosa e a definição do perfil energético deste consumidor.

Palavras-chaves _{--- Qualidade de energia, fatores de}

qualidade de energia, fator de potência, consumidor de baixa tensão.

I. INTRODUÇÃO

Por volta dos anos 60, foi imensamente difundida a energia elétrica no mundo, e com isso, a população passou a usufruir de seus benefícios, tanto nas áreas de conforto, emprego ou produção. Assim, essa energia influenciou em uma melhoria na qualidade de vida e logo vieram os questionamentos sobre quais conceitos e parâmetros seriam necessários para definir uma estrutura capaz de classificar a energia elétrica nos padrões de qualidade desejável. O termo qualidade de energia surge para referir-se a uma ampla variedade de fenômenos eletromagnéticos que caracterizam a corrente e a tensão em um determinado tempo e localização sobre o sistema elétrico em questão, os quais precisam ser estudados e analisados [1]-[2].

No final de 2008 a Agência de Energia Elétrica (ANEEL) publicou os Procedimentos de Distribuição (PRODIST), que

disciplinam o relacionamento entre distribuidoras de energia elétrica e os demais agentes. O Módulo 8 do PRODIST regulamenta a área de Qualidade da Energia Elétrica (QEE). Esta Norma define as metodologias de medição, indicadores, limites e valores de referência – inexistentes até então [3]. Devido à carência de informações sobre as características do sistema, uma campanha de medição será realizada. O objetivo é fazer um levantamento das características do sistema. Como o mercado nacional é muito sensível ao custo, medidores de baixo custo para uso em larga escala são imprescindíveis [4]-[5].

Então, o objetivo principal deste trabalho é realizar esse levantamento das características do sistema de energia elétrica no Supermercado Escola, analisando os distúrbios presentes na rede do local, de acordo com o módulo 8 do PRODIST [3], utilizando medidores de baixo custo, devido a sensibilidade do mercado nacional ao preço- como por exemplo um medidor QEE [1] descrito nesse trabalho. Deve-se verificar Deve-se a energia entregue pela distribuidora está dentro dos padrões aceitos por esse módulo e se a carga consumidora não contribui de maneira negativa na rede.

II.DISTÚRBIOS DE QUALIDADE

Este trabalho explicará os parâmetros de qualidade de acordo com o Modulo 8 – Qualidade de energia elétrica, escrito pela Agência Nacional de Energia Elétrica [3], e constatará como estes fatores interferem no cotidiano do consumidor e na distribuidora de energia em questão.

A- Tensões em Regime Permanente

Este indicador permite analisar a conformidade da tensão elétrica. A tensão eficaz de cada intervalo é classificada em um conjunto de faixas: Adequada, Precária e Crítica. A Fig.1 apresenta as faixas para tensão nominal igual a 127V [4]. Limites para outras tensões são definidos em [3].

O número de intervalos classificados nas faixas precárias e críticas resultam, respectivamente, nos Índices de Duração Relativa da transgressão para tensão Precária DRP e Crítica DRC, calculados por (1) e (2), sendo nlp e nlc os números de intervalos precários e críticos[03].

𝐷𝑅𝑃 =₁₀₀₈𝑛𝑙𝑝 . 100 (1)

𝐷𝑅𝐶 =₁₀₀₈𝑛𝑙𝑐 . 100% (2)

B - Fator de Potência

O Fator de Potência (𝑓𝑝) está relacionado com a razão entre a potência ativa e a potência aparente total e pode ser calculado por (3) [4]. O valor ideal desta razão não pode ser inferior aos 0,92 indutivo ou capacitivo, sendo uma unidade consumidora com tensão inferior a 230kV [3].

𝑓𝑝 =_√𝑃2𝑃_+𝑄2 (3)

C – Harmônicos

As distorções na forma de onda em regime permanente são ondas senoidais de menores intensidades e com frequência múltipla inteira da principal, que se somam a tensão principal, fazendo uma deformação na forma de tensão [6]. A distorção harmônica origina-se nas características não-lineares de dispositivos e cargas do sistema. [7]

Para quantificar este nível de distorção são usados dois parâmetros: Distorção Harmônica Individual de Tensão (DIT) e a Distorção Harmônica Total (DTT), dadas por (4) e (5), sendo 𝑉ℎ a tensão eficaz correspondente a harmônica de ordem h e 𝑉1 a tensão fundamental eficaz [8].

𝐷𝐼𝑇ℎ =𝑉_𝑉ℎ₁. 100% (4)

𝐷𝑇𝑇 =√∑ℎ𝑚𝑎𝑥ℎ=2_𝑉 𝑉ℎ2

1 . 100% (5) Para efeitos de padronização, ao calcular o valor DTT, deve-se considerar até no mínimo a 25ª ordem harmônica [4]. Para uma alimentação menor que 1kV, este índice poderá ser no máximo a 10%. E os valores de DIT máximos tolerados estão estabelecidos na Tabela I [4].

TABELA I: NÍVEIS DE HARMÔNICOS DE REFERÊNCIA (𝑉ℎ 𝑉1 ⁄ ) PARA AS DIVERSAS ORDENS HARMÔNICAS.

D – Desequilíbrio de Tensão

As modificações nos padrões trifásicos do sistema elétrico de potência, ou seja, alterações na magnitude ou até mesmo no ângulo de fases entre as tensões, estão relacionadas

com o desequilíbrio de tensão. Este fenômeno é ocasionado por situações que ocorrem de forma rotineira, como por exemplo, problemas na fonte, um curto circuito em transformadores e geradores ou até mesma um desequilíbrio das cargas conectadas na rede, causando desequilíbrio de corrente e, consequentemente, o de tensão também [9].

O fator de desequilíbrio é dado por (6), sendo 𝑉− a tensão da sequência negativa e 𝑉+a tensão da sequência positiva. O fator FD medido nos barramentos de distribuição deverá ser igual ou menor que 2% [3].

𝐹𝐷 =𝑉−

𝑉+. 100% (6)

E – Flutuação de tensão

A flutuação de tensão é uma variação aleatória, repetitiva ou esporádica do valor eficaz da tensão[10].

Com base apenas na definição supracitada, pode-se concluir que o surgimento das flutuações de tensão está associado tão somente com grandes e bruscas variações de potência reativa. Porém, posteriormente serão apresentados conceitos que descrevem melhor a origem deste fenômeno, assinalando sua relação com a presença de componentes inter- harmônicas, que são ondas senoidais cujas frequências não são números múltiplos inteiros da frequência fundamental[11]-[7]. Primeiro, calcula-se os índices de severidade de cintilação de curta (Pst) e longa duração (Plt). A cada dia de medição (144 intervalos) calcula-se o percentil PstD95% – valor que representa 5% maiores valores de Pst. No final de uma semana, calcula-se os índices: o percentil PltS95% (valor que representa os 5% maiores valores de Plt) e o maior PstD95%[4]-[12].

Este tipo de fenômeno está associado ao flicker, já que devido a variações do valor eficaz da tensão, é visivelmente observada uma variação na luminosidade das lâmpadas [13].

F – Variações de curta duração

Variações de curta duração no valor da tensão eficaz são ocasionadas por partidas de grandes motores, energizações de capacitores ou até mesmo por queda na energia. As classificações dessas variações dependem do tempo e da amplitude [14]-[7].

Não há indicadores para medição deste distúrbio[4], mas as concessórias devem disponibilizar aos consumidores os desempenhos de barras que são monitoras na distribuição da energia, logo estes poderão comparar o desempenho com a energia que é recebida.

G – Variação de frequência

Como não se armazena a energia gerada em excesso, é necessário o controle da quantidade de potência que será gerada. Os desvios na frequência mostram os erros na geração [15].

A concessionária deve garantir uma frequência na faixa de 59,9 Hz e 60,1 Hz em regime permanente e não pode exceder os valores estimados na Tabela II em situações atípicas [4], como no caso da recuperação para equilibrar carga e geração ou mesmo um corte na geração de uma distribuidora.

TABELA II: DURAÇÕES ADMISSÍVEIS DE FREQUÊNCIAS. Frequência da rede Período

Acima de 62 Hz 30 dias

Acima de 63,5 Hz ou abaixo de 58,5 Hz

10 segundos Abaixo de 57,5 Hz 5 segundos

III.MATERIAIS E MÉTODOS

Primeiramente foi escolhido o equipamento para medição, que atendia os requisitos mínimos listados no Protocolo- ter uma taxa amostral de 16 amostras por ciclo, conversor A/D de sinal de tensão com 12 bits e precisão de até 1% da leitura [3].

Estes requisitos são exigidos quando se deseja medir os indicadores de regime permanente, e não há outra especificação para os dados seguintes que serão coletados [3]. Com base nesta lista, foi escolhido o equipamento Fluke 435 para medir os parâmetros para o estudo da qualidade de energia em questão. O aparelho usado pertence ao laboratório de engenharia elétrica da Universidade Federal de Viçosa.

Certos indicadores necessitam de atenção: o indicador de tensão em regime permanente deve ter um intervalo entre cada medição de 10 minutos, e capturar 1008 dados [3]. Assim, gravaria durante uma semana. Para não haver contaminação por variações de tensões momentâneas, como interrupções ou afundamentos, as medidas contaminadas devem ser excluídas e substituídas por valores subsequentes. Devido a logística, foram feitas medições entre os horários de 10 as 16 horas (período de 6 horas de duração das medições), entre os dias 10 a 13 de novembro de 2014.

IV. OBJETIVOS

O objetivo geral deste trabalho é analisar os distúrbios na rede do Supermercado Escola da Universidade Federal de Viçosa de acordo com o módulo, Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional

– PRODIST, distribuído pela ANEEL, Agência Nacional de Energia Elétrica [03], e verificar se a energia entregue pela distribuidora está dentro dos padrões aceitos por este Módulo e se a carga consumidora não contribui de maneira negativa na rede.

Serão estabelecidos critérios para classificar os fenômenos que interferem na qualidade da energia elétrica e também serão esclarecidos cada tipo de índices, que

restringiram os valores tolerados do distúrbio. Receberão critérios específicos de amostragens, os quais dependem do tipo de Unidade Consumidora, que é o cliente, e neste caso será uma unidade consumidora de baixa tensão alimentada a 3 fios, ou seja, uma rede trifásica de 127/220 V.

V.RESULTADOS E DISCUSSÕES

O primeiro quesito que será estudado neste trabalho é a qualidade da energia quando se analisa a tensão eficaz. Neste caso, trata-se de dois fatores que a influenciam: as variações de tensão em curta duração e as variações em regime permanente. Para exemplificar a análise destes fatores, segue o histograma da fase A, Fig.2, no primeiro dia de medição.

Fig.2: Valores máximos da tensão da fase A encontrados no 1º dia de medição.

Com base nos valores máximos e mínimos observados em cada dia, foi construída a Tabela III, para analisar os resultados extremos.

TABELA III: VALORES MÍNIMOS E MÁXIMOS DE TENSÃO MEDIDOS ENTRE OS DIAS 10 E 13 DE NOVEMBRO DE 2014, ENTRE 10 E 16 HORAS DE CADA DIA.

Data da

medição Fase/Neutro

Tensão mínima

Tensão máxima

1º dia

A 121,63 V 126,39 V

B 120,92 V 127,46 V

C 121,99 V 127,47 V

2º dia

A 121,39 V 126,50 V

B 122,8 V 127,80 V

C 122,59 V 127,36 V

3º dia

A 121,69 126,5 V

B 122,40 V 127,7 V

C 122,3 V 127,84 V

4º dia

A 121,51 V 126,42 V

B 121,2 V 126,87

C 122,12 V 127,53 V

Depois da averiguação da amplitude de tensão, foi feito um estudo sobre a frequência da rede. Dessa forma analisou-se os valores que estavam dentro e fora das margens acetáveis e a duração destes eventos com valores extremos. A Tabela IV demostra os resultados obtidos nos dias de medições.

TABELA IV: VALORES DE FREQUÊNCIA MEDIDOS ENTRE OS DIAS 10 E 13 DE NOVEMBRO DE 2014, ENTRE 10 E 16 HORAS DE CADA DIA.

Os valores estão dentro das faixas aceitáveis, e quando eles foram extrapolados, foi por um curto período de tempo.

Para verificar se o desequilíbrio de tensão estava nos valores aceitáveis, foi estudado o fator de desequilíbrio. A Tabela V mostra os valores extremos superiores do FD de cada dia.

TABELA V: VALORES MÁXIMOS DE FD MEDIDOS ENTRE OS DIAS 10 E 13 DE NOVEMBRO DE 2014, ENTRE 10 E 16 HORAS DE CADA DIA.

Data da medição Valores máximos de FD

1º dia 1,25%

2º dia 0,73%

3º dia 0,76%

4º dia 0,73%

Como é estipulado que o valor máximo de FD teria que ser 2%, pode-se afirmar que não houve variações críticas neste quesito.

Ao analisar as distorções harmônicas, verifica-se que as médias totais e as parciais de todas as fases estão dentro dos parâmetros admissíveis, sendo que devem-se considerar as distorções de fase a fase. A Fig.3 faz uma representação das distorções de algumas harmônicas.

Fig.3: Distorção harmônica total no 4º dia de medições, evidenciando as harmônicas 3ª, 5ª ,7ª e a fundamental.

A norma fornece valores máximos admissíveis observados, logo considera-se as maiores medidas entre as 3 fases e dos 4 dias de medições. A Tabela VI expressa os piores resultados obtidos.

TABELA VI: DISTORÇÕES HARMÔNICAS MÁXIMAS MEDIDAS ENTRE OS DIAS 10 E 13 DE NOVEMBRO DE 2014, ENTRE 10 E 16 HORAS DE CADA DIA.

Ordem Harmônica

Harmônicas máximas medidas

Impares não múltiplas de 3

5 2,64

7 0,46

11 0,22

13 0,03

17 0,2

19 0,17

>23 0

Impares múltiplas de 3

3 0,58

9 0,16

15 0,08

21 0,08

>21 0

Pares

2 0,28

4 0,11

6 0,12

8 0,04

10 0,03

12 0,04

>12 0,02

A distorção harmônica máxima observada for de 2,71 %, logo todos os índices ficaram dentro dos toleráveis. Os baixos níveis de distorções são decorrentes do fato de que o supermercado é uma unidade consumidora de baixa de tensão e a grande maioria das cargas são lineares.

O próximo índice observado foi o fator de potência. Neste caso, estudou-se cada fase de forma separada e depois analisou-se este fator de forma total. As Fig.4 e Fig.5 representam o histograma do fator de potência de algumas fases.

Data da

medição Máximo Valor Mínimo Valor Valores medidos dentro da faixa

1º dia 60,100 59,883 99,23%

2º dia 60,064 59,992 100%

3º dia 60,077 59,907 100%

Fig.4: Fator de Potência da fase A no 3º dia

Fig.5: Fator de potência da fase B no 4ºdia de medições.

Como pode ser visto há fases que estão mais próximas do ideal. Assim é preciso constatar se o FP total da carga está próximo do que é almejado. A Fig.6 retrata o comportamento do FP total por um dia.

Fig.6: Variação do fator de potência no 3º dia de medições.

Para facilitar o estudo deste fator, foi desenvolvido um programa no software Matlab para se verificar o quanto este índice está fora dos padrões estipulados. A Tabela VII mostra os valores mínimos e máximos encontrados em cada dia.

TABELA VII: VALORES DO FATOR DE POTÊNCIA MEDIDOS ENTRE OS DIAS 10 E 13 DE NOVEMBRO DE 2014, ENTRE 10 E 16 HORAS DE CADA DIA.

FP mínimo encontrado

FP máximo encontrado

Valores de FP dentro da faixa aceitável 1º

dia

0,86 0,93 6,02%

2º dia

0,86 0,93 4,43%

3º dia

0,86 0,95 7,78%

4º dia

0,85 0,94 5,50%

Foi observado que é pequena a porcentagem de valores dentro da margem admissível pelo protocolo, ou seja, é necessário adotar medidas, junto a unidade consumidora, para melhorar este quesito, já que menos de 8% dos dados estão dentro dos padrões.

Para calcular o banco de capacitores que deveria ser utilizado nesta unidade, foi adotado novamente o software Matlab. Pegou-se o valor extremo de fator de potência obtido, excluindo os valores de baixa ocorrência e verificou-se qual era a potência ativa média neste valor extremo de FP. Estipulou-se que, após a correção, este fator deve estar acima de 0,94. Dessa forma, o supermercado poderia aumentar suas cargas indutivas, o que poderia ser traduzido em um aumento do número de refrigeradores.

A Tabela VIII mostra os dados de potências no valor extremo do fator de potência.

TABELA VIII: VALORES ENCONTRADOS NO FP MÍNIMO.

FP Potência

Ativa

Potência Reativa

Potência Aparente

0,86 71 KW 41,6

KVAr

82,5 KVA

Com base nestes dados encontrou-se um valor do banco de capacitores de 15,83 KVAr para aumentar o fator até o valor de 0,94 indutivo (o valor comercial mais próximo para o banco será de 16 KVAr [16]). Para verificar a eficácia deste projeto, foram simulados os valores reajustados de fator de potência, a potência aparente total consumida, e quanto se economizaria com a adesão deste banco. As Fig.7 e Fig.8 apresentam os resultados encontrados no terceiro dia das medições, dados como exemplo.

Fig.8: Potência aparente total com e sem o banco de capacitores no 3º dia de medições.

A Tabela IX expressa a quantidade de energia que seria economizada caso o banco de capacitores seja instalado, e mostra os extremos do fator de potência total.

TABELA IX: VALORES REAJUSTADOS DE FP.

FP mínimo FP máximo Economia

1º dia 0,94 0,99 7,71%

2º dia 0,94 0,99 7,83%

3º dia 0,94 1 7,39%

4º dia 0,94 0,99 7,53%

Devido a própria logística da medição, não foi possível medir os parâmetros de flutuação de tensão, já que necessitaria de uma captação de dados continua durante uma semana.

V.CONCLUSÕES

Conclui-se a partir dos resultados obtidos - usando as metodologias de medição, indicadores, limites e referências definidas pela ANEEL e, consequentemente, QEE - quanto a energia entregue a Unidade Consumidora, Supermercado Escola, que a mesma é de boa qualidade, porque está dentro dos padrões que são monitorados pela ANEEL, o que seria de responsabilidade da distribuidora de energia (no caso em questão, a CEMIG). Os quesitos, neste caso, seriam a tensão em regime permanente, frequência de rede e o equilíbrio de fase, os quais não demonstraram grandes variações.

Ao analisar o consumidor, é visto que obedece a maioria dos critérios de qualidade de energia, menos um, que seria o de fator de potência. Não apresenta grandes índices harmônicos, ou até mesmo variações de tensões por energização ou desenergização de máquinas e isto, claramente, deve-se ao fato da unidade ser tecnicamente simples, por ser constituída basicamente por equipamentos de pequena potência, referente aos refrigeradores, além das lâmpadas fluorescentes.

Por conta de sua simplicidade de carga, não se preocupou em melhorar seu fator de potência, o qual na maior parte do tempo analisado está fora da margem aceita pela

ANEEL, que seria superior a 0,92. Isto é devido as suas cargas conectadas a rede, que são basicamente indutivas.

Empregando-se o banco de capacitores apresentado neste trabalho, o fator de potência seria corrigido e assim, possíveis sansões da concessória de energia seriam evitadas. Dada a situação encontrada no trabalho, propõe-se um estudo focado na área de consumo inteligente, que, junto com o perfil da carga, torna-se possível analisar uma maneira de fazer com que a curva de demanda se torne o mais estável possível.

Este trabalho foi realizado no Supermercado Escola, que é parte integrante de um complexo da unidade consumidora Universidade Federal de Viçosa, onde orienta-se a realização do mesmo estudo nas diversas atividades desse complexo, como em laboratórios, departamentos, unidades de beneficiamento de produtos, salas de aulas, irrigação, entre outros considerados relevantes no que tange a possibilidade de distorções de parâmetros elétricos.

VI.REFERÊNCIAS

[1] "IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality," IEEE Std 1159-1995, p. i, 1995.

[2] CAMPOS, J. C. da C. Estratégias de Conservação e Qualidade de Energia Aplicadas na Indústria. Tese (Doutorado) — Unicamp, Campinas, SP, 2001.

[3] PRODIST - Módulo 8 - Qualidade da Energia Elétrica, Revisão 2, ANEEL, Brasil, 2011.

[4] Colnago, G.P, Macedo Jr., J.S., Vieira, J.L.F., Sousa, G.C.D. A Nova Norma de Qualidade da Energia Elétrica Brasileira e um Medidor de Baixo Custo.

[5]G. P. Colnago; J. L. F. Vieira; G. C. D. Sousa; J. R. Macedo Jr., “A Norma de Qualidade da Energia Elétrica Brasileira e um Medidor de

Baixo Custo”

[6] Almeida, Thiago Resende de. Efeito de Distorção Harmônicas Sobre um Banco de Transformadores Monofásicos - Universidade Federal De Viçosa - 2011.

[7] Dugan, R. C., McGranaghan, M. F., Santoso, S., Beaty, H. W.. Electrical Power Systems Quality, second edition, 2002.

[8]G. P. Colnago, “Desenvolvimento e Implementação de um Sistema de Monitoramento em Tempo Real da Tensão da Rede com Acesso

Remoto,” Dissertação de Mestrado, Dept. Eng. Elétrica, UFES, Vitória, 2009. [IEEE STD 1159-1995. IEEE Recommended practice for monitoring electric power quality, page.

[9] Neves, Ana Bárbara Fernandes. Análise dos efeitos do equilíbrio e da distorção harmônica de tensão no conjugado e no rendimento de um MIT. Dissertação de Mestrado, Dept. Eng. Elétrica, UNE/FT/UnB, Distrito Federal, 2014.

[10] IEC 61000-4-15: 2003, Edition 1.1. “Electromagnetic Compatibility

(EMC) – Part 4-15: Testing and Measurement techniques – Functional and design specifications.”

[11] F. O. Dias; J. R. Macedo Jr,“Análise da amplificação do fenômeno da flutuação de tensão em condições deressonância paralela nã destrutiva.”

[12] International Standard. IEC 61000-4-30.

[13]Ragazzi, G.G. Estudo e análise dos indicadores referentes à flutuação de tensão em sistemas de distribuição de energia elétrica. 2014. 46F. Trabalho de conclusão de curso – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 2014.

[14] Dardengo, V. P. Análise de variações de tensão de curta duração em uma

planta industrial. 2011. Monografia – Universidade Federal de Viçosa.

[15] Unicamp, Distúrbios que afetam a qualidade de energia. Disponível em:

<http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/qualidade/a2.pdf> Acesso em 7 de fevereiro de 2015.

[16]WEG, Weg-Correção do fator de potência. Disponível em