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__________________________________________
UFPA______________________________________
Estudo da Importância da
Monitoração da Qualidade de
Energia Elétrica nos Sistemas de
Distribuição
Priscila Maciel Pimentel
2º Período/2010
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
TUCURUÍ – PARÁ
______________________________________
ii
Universidade Federal do Pará
Campus Universitário de Tucuruí
Faculdade de Engenharia Elétrica
Priscila Maciel Pimentel
Estudo da Importância da
Monitoração da Qualidade de
Energia Elétrica nos Sistemas de
Distribuição
Trabalho de Conclusão de Curso
submetido ao colegiado do curso
de engenharia elétrica como
parte dos requisitos para
obtenção de graduado em
Engenheiro Eletricista.
Tucuruí, junho de 2010
iii
Estudo da Importância da Monitoração da
Qualidade de Energia Elétrica nos Sistemas de
Distribuição
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado em 10 de junho de
2010 adequado para a obtenção de grau em Engenheiro Eletricista
e aprovado em sua forma final pela banca examinadora que atribuiu
o conceito excelente.
________________________________________________
Prof. MSc. Claudomiro Fábio de Oliveira Barbosa
Orientador – FEE/ CTUC/ UFPA
____________________________________________
Prof. Dr. João Paulo Abreu Vieira
Membro – FEE/ CTUC/ UFPA
_____________________________________________
Prof. MSc. Hallan Max Silva Souza
Membro – FACET/ UFPA
_______________________________________________
Prof. MSc. Cleison Daniel Silva
Diretor da Faculdade de Engenharia Elétrica – FEE/ CTUC/ UFPA
iv
Dedicatória
“Dedico este trabalho a Deus por ter me dado sabedoria e a
oportunidade de viver de novo, a minha família pelo apoio e incentivo e a todos
os meus amigos que estiveram presente nesta etapa de minha vida.”
v
Agradecimentos
A Deus pela nova vida e força para continuar esta caminhada.
A meu esposo José Cândido e a minha família pelo apoio e incentivo.
Ao meu professor e orientador Claudomiro Fábio de Oliveira Barbosa, pela
orientação e apoio.
Ao professor Hallan Max pelo apoio neste trabalho.
A banca examinadora composta pelos professores Hallan Max e João Paulo.
A todos meus amigos que direta ou indiretamente me ajudaram na conclusão
deste trabalho.
vi
Índice
Lista de Figuras --------------------------------------------------------------------------------------- ix
Lista de Tabelas---------------------------------------------------------------------------------------- x
Abreviaturas -------------------------------------------------------------------------------------------xiii
Resumo -------------------------------------------------------------------------------------------------xiv
Capítulo 1 - Introdução ------------------------------------------------------------------------------1
1.1 Motivação -------------------------------------------------------------------------------------------1
1.2 Objetivo----------------------------------------------------------------------------------------------2
1.3 Estrutura do Trabaho ---------------------------------------------------------------------------3
Capítulo 2 - Qualidade de Energia Elétrica ---------------------------------------------------4
2.1 Introdução-------------------------------------------------------------------------------------------4
2.2 Definição --------------------------------------------------------------------------------------------4
2.3 Fenômenos que caracterizam a Qualidade de Energia-----------------------------7
2.3.1 Transitórios ------------------------------------------------------------------------------------10
2.3.1.1 Impulsivo-------------------------------------------------------------------------------------11
2.3.1.2 Oscilatórios----------------------------------------------------------------------------------13
2.3.2 Variação de Tensão de Longa Duração - VTLD ----------------------------------15
2.3.2.1 Sobretensões-------------------------------------------------------------------------------16
2.3.2.2 Subtensões ---------------------------------------------------------------------------------16
2.3.2.3 Interrupções sustentadas --------------------------------------------------------------17
2.3.3 Variação de Tensão de Curta Duração - VTCD-----------------------------------17
2.3.3.1 Interrupção ----------------------------------------------------------------------------------18
2.3.3.2 Afundamento de tensão ("Sag") -----------------------------------------------------19
2.3.3.3 Elevação de tensão ("Swell") ---------------------------------------------------------21
2.3.4 Desequilíbrio de Tensão ------------------------------------------------------------------22
2.3.5 Distorção na forma de onda -------------------------------------------------------------24
2.3.5.1 DC "Offset" ----------------------------------------------------------------------------------25
2.3.5.2 Harmônicos ---------------------------------------------------------------------------------25
2.3.5.3 Interharmônicos ---------------------------------------------------------------------------29
2.3.5.4 Recorte ("Notching") ---------------------------------------------------------------------30
2.3.5.5 Ruído------------------------------------------------------------------------------------------31
2.3.5.6 Flutuação ------------------------------------------------------------------------------------32
vii
2.3.6 Variação na frequência --------------------------------------------------------------------32
2.4 Índices de Continuidade do serviço------------------------------------------------------33
Capítulo 3 - Importância da Monitoração ----------------------------------------------------37
3.1 Por que Monitorar? ----------------------------------------------------------------------------37
3.2 Normatização Nacional e Internacional-------------------------------------------------39
3.2.1 Normatização: Definição ------------------------------------------------------------------41
3.2.2 Normatização Nacional sobre QEE ---------------------------------------------------42
3.2.2.1 Obrigatoriedade do uso de normas -------------------------------------------------42
3.2.2.2 Entidades Normativas -------------------------------------------------------------------42
3.2.2.3 Evolução normativa nacional sobre QEE -----------------------------------------46
3.2.2.4 Parâmetros da QEE no sistema elétrico nacional -----------------------------52
3.2.3 Normatização Internacional sobre QEE ---------------------------------------------59
3.2.3.1 Evolução normativa internacional sobre QEE-----------------------------------60
3.2.3.2 A IEC ------------------------------------------------------------------------------------------64
3.2.3.3 Normas da IEC relacionadas à QEE -----------------------------------------------66
Capítulo 4 - Instrumentos de Monitoração --------------------------------------------------69
4.1 Tipos de instrumentos de monitoração -------------------------------------------------69
4.1.1 Oscilógrafo e analisador de energia CE-3000-------------------------------------72
4.1.2 Analisador de energia MARH - VI------------------------------------------------------74
4.1.3 Multimedidor PowerLogic ION 7650 --------------------------------------------------76
4.1.4 Analisador de energia Minipa ET - 5060---------------------------------------------78
4.1.5 Analisador VEGA 76------------------------------------------------------------------------80
4.2 Sistema de monitoramento -----------------------------------------------------------------84
4.2.1 Descrição física do sistema --------------------------------------------------------------85
4.2.2 Topologia do sistema-----------------------------------------------------------------------85
4.2.3 Metodologia de medição ------------------------------------------------------------------88
4.2.4 Transmissão de dados---------------------------------------------------------------------90
4.2.5 Sistema de gerenciamento ---------------------------------------------------------------91
4.3 Análise e apresentação de medições ---------------------------------------------------92
Capítulo 5 - Programas de Monitoração da Qualidade da Energia Elétrica -----99
5.1 Experiência Internacional--------------------------------------------------------------------99
5.1.1 Experiência Canadense -------------------------------------------------------------------99
5.1.2 Experiência Americana ------------------------------------------------------------------ 107
5.1.3 Experiência Espanhola ------------------------------------------------------------------ 111
viii
5.2 Experiência Nacional------------------------------------------------------------------------ 114
5.2.1 Programa de Monitoração da COELCE ------------------------------------------- 114
5.2.2 Programa de Monitoração da CELPE ---------------------------------------------- 125
5.2.3 Programa de Monitoração da CPFL ------------------------------------------------ 133
5.2.4 Programa de Monitoração da CELPA ---------------------------------------------- 139
5.3 Indicações de aplicação de um Programa de Monitoração em
Parauapebas---------------------------------------------------------------------------------------- 143
5.4 Considerações finais------------------------------------------------------------------------ 155
Capítulo 6 - Conclusões------------------------------------------------------------------------- 157
6.1 Comentários finais --------------------------------------------------------------------------- 157
6.2 Sugestões de trabalhos futuros --------------------------------------------------------- 159
Referências Bibliográficas ---------------------------------------------------------------------- 160
ix
Lista de Figuras
Figura 2.1 Transitório impulsivo de corrente causado por raio ----------------------12
Figura 2.2 Transitório impulsivo em p.u.-----------------------------------------------------12
Figura 2.3 Transitório oscilatório devido a chaveamento de capacitor ------------13
Figura 2.4 Transitório oscilatório de baixa freq. causado por energização de
banco de capacitor ----------------------------------------------------------------------------------14
Figura 2.5 Transitório oscilatório de baixa frequência causado por
ferroresonância de um transformador sem carga ----------------------------------------15
Figura 2.6 Forma de onda de “Brownout” ---------------------------------------------------16
Figura 2.7 Variação do valor RMS para interrupçao momentânea -----------------19
Figura 2.8 Afundamento de Tensão Sag ----------------------------------------------------20
Figura 2.9 Variação do valor RMS para um “Swell” -------------------------------------22
Figura 2.10 Desequilíbrio na fase B de 2%-------------------------------------------------24
Figura 2.11 Representação da série de Fourier para uma onda distorcida -----26
Figura 2.12 Forma de onda da tensão em uma fase ------------------------------------27
Figura 2.13 Espectro de frequência de lâmpada de vapor de sódio ---------------28
Figura 2.14 Sinal de Tensão e Corrente da Lâmpada de vapor de sódio--------28
Figura 2.15 Espectro de potência de um forno de indução ---------------------------30
Figura 2.16 Tensão Notching causada pela operação de conversores -----------31
Figura 2.17 Ruído elétrico superposto na forma de onda da tensão em p.u. ---31
Figura 2.18 Flutuação da tensão em p.u. ---------------------------------------------------32
Figura 2.19 Variação da frequência na forma de onda da tensão ------------------32
Figura 2.20 Média do índice de continuidade DEC por região (ano 2009) ------35
Figura 2.21 Média do índice FEC por região (ano 2009) ------------------------------35
Figura 2.22 Conta de energia elétrica com índices de continuidade---------------36
Figura 3.1 Princípio da Normatização --------------------------------------------------------45
Figura 3.2 Desenvolvimento de uma norma brasileira----------------------------------46
Figura 3.3 Faixas de limites de tensão-------------------------------------------------------53
Figura 3.4 Curva da ITIC revisada no ano 2000 ------------------------------------------62
Figura 3.5 Marca de Certificação CE ---------------------------------------------------------63
Figura 3.6 Marca de Certificação C-tick -----------------------------------------------------63
Figura 3.7 Marca de Certificação INMETRO -----------------------------------------------64
Figura 3.8 Organograma da IEC ---------------------------------------------------------------65
x
Figura 4.1 Estrutura do instrumento CE - 3000 -------------------------------------------72
Figura 4.2 Analisador de energia MARH - VI ----------------------------------------------75
Figura 4.3 Multimedidor PowerLogic ION 7650 -------------------------------------------77
Figura 4.4 Analisador ET - 5060----------------------------------------------------------------79
Figura 4.5 Analisador VEGA 76 ----------------------------------------------------------------81
Figura 4.6 Topologia - célula de monitoramento------------------------------------------86
Figura 4.7 Detalhamento do núcleo da célula de monitoramento-------------------86
Figura 4.8 Topologia servidor de dados -----------------------------------------------------86
Figura 4.9 Assuntos envolvidos ao "Data Mining"----------------------------------------88
Figura 4.10 Afundamento de tensão registrado por um medidor nas 3 fases --92
Figura 4.11 Interrupção de tensão registrada por um programa de QEE --------93
Figura 4.12 Sobretensão registrada por um programa de QEE ---------------------93
Figura 4.13 Espectro de desequilíbrio de tensão medido na Subestação---- ---94
Figura 4.14 Ambiente gráfico do programa -------------------------------------------------94
Figura 4.15 Distorção harmônica registrada no motor de indução a vazio ------95
Figura 4.16 Espectros harmônicos de tensão e da corrente obtidos de um
motor-----------------------------------------------------------------------------------------------------95
Figura 4.17 Perfil de DHT de tensão e corrente por fase de um trafo -------------96
Figura 4.18 Afundamento de tensão em uma indústria (ponto B) ------------------96
Figura 5.1 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD por mês na
indústria----------------------------------------------------------------------------------------------- 101
Figura 5.2 Porcentagem de sítios X nº médio de VTCD por mês por sítio----- 101
Figura 5.3 Porcentagem cumulativa de VTCD versus nº médio VTCD por mês/
sítio ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 102
Figura 5.4 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD/mês/ sítio
120/208V --------------------------------------------------------------------------------------------- 103
Figura 5.5 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD/mês/ sítio
347/600V --------------------------------------------------------------------------------------------- 103
Figura 5.6 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD/ mês/ sítio em
comércio---------------------------------------------------------------------------------------------- 104
Figura 5.7 Porcentagem Cumulativa VTCD X nº médio VTCD/ mês/ sítio----- 104
Figura 5.8 Histograma da DHTV de umas 3 semanas de monitoração--------- 108
Figura 5.9 Histograma das interrupções e o total de VTCD ------------------------ 109
Figura 5.10 Histograma das durações dos VTCD e “Swells”----------------------- 110
xi
Figura 5.11 Ligação do 3720 ACM à Estação via Modem e rede telefônica -- 115
Figura 5.12 Localização dos pontos de monitoramento da COELCE em
Fortaleza---------------------------------------------------------------------------------------------- 119
Figura 5.13 Localização dos pontos de monitoramento da COELCE no interior
do Ceará---------------------------------------------------------------------------------------------- 120
Figura 5.14 Valores máximos de desequilíbrio por subestação monitorada -- 121
Figura 5.15 Percentual de 95% da DHTV por subestação -------------------------- 122
Figura 5.16 Percentual de 95% de 5ª harmônica por subestação ---------------- 122
Figura 5.17 Valor correspondente à probabilidade acumulada de 95% -------- 127
Figura 5.18 Tela com os indicadores DV95d para Subestação Piedade para
uma semana ---------------------------------------------------------------------------------------- 130
Figura 5.19 Tela com os indicadores DV95d para Subestação Piedade------- 132
Figura 5.20 Tela com números de ocorrências por fase e faixa de duração -- 132
Figura 5.21 Arquitetura do sistema de Gestão da Qualidade de energia ------ 134
Figura 5.22 Sistema de Gestão--------------------------------------------------------------- 135
Figura 5.23 Diagrama físico do sistema de monitoramento da Qualidade de
energia ------------------------------------------------------------------------------------------------ 140
Figura 5.24 Tela de abertura do Programa “Softcom” -------------------------------- 141
Figura 5.25 Sistema de monitoramento em projeto piloto --------------------------- 142
Figura 5.26 Programa “Softcom” ------------------------------------------------------------- 143
Figura 5.27 Mapa do município de Parauapebas -------------------------------------- 144
Figura 5.28 Vista aerea do município de Parauapebas, ano 2009 --------------- 144
Figura 5.29 Indicadores de Continuidade mensal (Ano 2009) --------------------- 145
Figura 5.30 Média dos indicadores de Continuidade de Fornecimento de
energia, ano 2009 --------------------------------------------------------------------------------- 146
Figura 5.31 Indicador de continuidade DEC, ano 2009 ------------------------------ 146
Figura 5.32 Indicador de continuidade FEC, ano 2009 ------------------------------- 147
Figura 5.33 Foto da subestação de Parauapebas ------------------------------------- 148
Figura 5.34 Empresa RIP Serviços Industriais ------------------------------------------ 149
Figura 5.35 Empresa Integral Construções e Comércio ----------------------------- 149
Figura 5.36 Motor queimado por sobretensão ------------------------------------------- 150
Figura 5.37 Pontos de monitoramento sugerido ---------------------------------------- 152
Figura 5.38 Detalhes da instalação de um analisador de energia ---------------- 153
Figura 5.39 Topologia da rede de monitoramento ------------------------------------- 154
xii
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 Categorias e características de fenômenos eletromagnéticos--------9
Tabela 2.2 Sequência dos componentes harmônicos ----------------------------------26
Tabela 4.1 Resumo dos fenômenos e equipamentos de monitoramento--------95
Tabela 5.1 Resultados de um caso real para ilustrar o conceito de VTCD
incidente ---------------------------------------------------------------------------------------------- 102
Tabela 5.2 Quadro resumo dos indicadores de qualidade de energia elétrica na
COELCE---------------------------------------------------------------------------------------------- 121
Tabela 5.3 Indicadores diários de probabilidade do parâmetro P de tensão-- 125
Tabela 5.4 Indicadores semanais de máximo dos índices diários do Parâmetro
P de tensão------------------------------------------------------------------------------------------ 125
Tabela 5.5 Indicadores para cada local monitorado para um ano ---------------- 126
Tabela 5.6 Indicadores para conjunto de locais monitorados para um ano --- 127
Tabela 5.7 Resumo dos resultados de 12 subestações------------------------------ 134
Tabela 5.8 Dados da Subestação de Parauapebas ----------------------------------- 144
xiii
Abreviaturas
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica
IEC - International Electrotechnical Commission
IEEE - Institute Electrical and Electronics Engineers
ITU - International Telecommunication Union
ISO - International Organization for Standardization
WTO - World Trade Organization (Organização Mundial do Comércio)
TBT - Technical Barriers to Trade (Acordo de Barreiras Técnicas)
ANSI - American National Standards Institute
NEMA - National Electrical Manufactureis Association
ITIC - Information Technology Industry Council
CBEMA - Computer and Business Equipment Manufacturers Association
DEC - Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora
FEC - Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora
DIC - Duração de Interrupção por Unidade Consumidora
FIC - Frequência de Interrupção por Unidade Consumidora
DMIC - Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora
xiv
Resumo
O presente trabalho no primeiro momento faz um estudo sobre a
qualidade de energia elétrica, bem como apresentando suas diversas
definições, sua importância e os fenômenos que a afetam, além de seus
indicadores de continuidade de fornecimento. Em um segundo momento é
mostrado a evolução da normatização nacional e internacional, os diferentes
tipos de instrumentos, rede de monitoração, análise e apresentação de dados,
isto é, o funcionamento de um sistema de monitoramento da qualidade de
energia. Em um terceiro momento é apresentado os diferentes programas de
monitoração implantados tanto a nível nacional como internacional. No quarto e
último momento é feito um estudo sobre os distúrbios de energia elétrica no
município de Parauapebas no estado do Pará, bem como motivações para a
implantação de um sistema de monitoramento da qualidade de energia elétrica
no pólo industrial desta cidade, em virtude do fornecimento de energia elétrica
estar com qualidade inadequada.
A indicação de um programa de monitoração da qualidade de energia
elétrica que será apresentado neste trabalho é de grande importância para a
concessionária de energia elétrica local. Pois a determinação de indicadores
que expressem a qualidade de energia nos pontos de conexão com a
distribuidora, e em pontos estratégicos do ponto de vista da qualidade, permite
estabelecer relações de causa – efeito que podem subsidiar ações de caráter
preventivo ou corretivo para operação do sistema elétrico ou mesmo no
planejamento da operação e expansão do sistema elétrico.
1
Capítulo 1
Introdução
“O temor do Senhor é o princípio da sabedoria”.
(Sl 111.10).
1.1.Motivação
O principal interesse pela Qualidade de Energia Elétrica está na procura
do aumento da produtividade e melhores condições de vida pelos
consumidores, pois a disponibilidade da energia elétrica representa um
incremento na qualidade de vida das populações. Num primeiro momento em
que se implanta um sistema de distribuição de energia elétrica, a população
local imediatamente passa a constar com inúmeros benefícios, tanto do ponto
de vista de maior conforto doméstico como de melhores possibilidades de
emprego e produção.
À medida que os benefícios da energia elétrica passam a fazer parte do
dia-a-dia das pessoas, é natural que se inicie um processo de discussão
quanto à qualidade do produto. Numa análise inicial preocupa-se com a
continuidade do serviço, já que fica evidente que qualquer interrupção do
fornecimento implicará em transtornos de toda ordem. A questão da qualidade
da energia elétrica como um produto comercial, não é tão evidente quando não
há interrupções. Isso normalmente só é percebido de forma um pouco difusa,
através de falhas de funcionamento em alguns equipamentos, principalmente
os mais sofisticados.
A monitoração do sistema elétrico representa um importante
procedimento para a avaliação da qualidade da energia elétrica, essencial para
se obter os elementos necessários para o diagnóstico dos problemas nesta
área, o conhecimento das características de sensibilidade dos equipamentos
dos consumidores e, sobretudo para a determinação de alternativas de
soluções dos problemas.
2
As principais vantagens da implantação de sistemas para o
monitoramento da qualidade da energia elétrica, principalmente no setor
industrial de processos contínuos de produção e serviços, são: a possibilidade
de avaliar os indicadores das cargas perturbadoras; o monitoramento das
cargas sensíveis, como motores, dispositivos de controle e automação e
microcomputadores; e a fácil detecção dos distúrbios provenientes do sistema
elétrico da concessionária.
Além do fato de que permite reduzir todos os custos envolvidos em
interrupções forçadas, e aqueles ocasionados por perdas na instalação,
desgaste e redução da vida útil dos equipamentos importantes.
1.2.Objetivos
O presente trabalho tem por objetivos:
 Definir a expressão qualidade da energia elétrica, bem como apresentar
os principais fenômenos que a afetam;
 Apresentar a importância da monitoração da qualidade da energia
elétrica no sistema elétrico de distribuição, bem como nas indústrias.
Mostrar como vem sendo tratado este termo em nível de normatização
nacional e internacional;
 Apresentar alguns tipos de instrumentos de monitoração e um tipo de
sistema de monitoração, bem como mostrar alguns exemplos de
registros e análise de dados de alguns programas de monitoração;
 Propor indicações de implantação de um programa de monitoração da
qualidade da energia elétrica na cidade de Parauapebas, apresentando
a importância da monitoração dos indicadores que expressam a
qualidade da energia elétrica no sistema elétrico de distribuição e
principalmente nas indústrias.
3
1.3.Estrutura do Trabalho de Conclusão de
Curso
Neste primeiro capítulo são apresentados os principais objetivos e
motivação buscados neste trabalho, os quais englobam a importância do tema
discutido, ressaltando os benefícios de um programa de monitoração contínua
da qualidade da energia para a prestação de um serviço de melhor qualidade
aos consumidores.
No segundo capítulo são abordadas as diversas definições do assunto
Qualidade de Energia Elétrica, além de se fazer uma discussão sobre os
principais fenômenos que afetam a qualidade da energia elétrica, sendo
também apresentados os índices de continuidade do serviço.
A importância da monitoração da qualidade de energia elétrica e sua
normatização nacional e internacional são apresentadas no terceiro capítulo.
O quarto capítulo apresenta os tipos de instrumentos utilizados para
monitorar, as redes de monitoração e seu funcionamento, e alguns exemplos
de monitoração, nos quais são apresentados os dados e suas análises.
O quinto capítulo apresenta a experiência com alguns programas de
monitoração da qualidade de energia elétrica com aplicação tanto nacional
como internacional. Neste capítulo também é apresentada as indicações da
aplicação de um programa de monitoração no município de Parauapebas,
Estado do Pará.
No sexto e último capítulo são apresentadas as principais conclusões
tiradas deste trabalho, além das sugestões para trabalhos futuros.
4
Capítulo 2
Qualidade de Energia Elétrica
“A preguiça é a mãe do progresso. Se o homem não tivesse preguiça de
caminhar, não teria inventado a roda.”
Mário Quintana
2.1.Introdução
Este capítulo apresentará inicialmente a definição de Qualidade de
Energia Elétrica (QEE), bem como o aumento do interesse por este tema.
Seguindo a seqüência serão apresentados e classificados os principais
fenômenos associados a esta, sejam estes distúrbios ou variações em regime
permanente tais como transitórios, variações de curta e longa duração,
desequilíbrio de tensão, distorção de forma de onda e outros, os quais se
caracterizam como problemas de qualidade de energia, de acordo com as
normas internacionais, principalmente a [1] e a [2] e a norma nacional através
do [3]. Para cada fenômeno de qualidade de energia serão citados as principais
causas e seus efeitos no sistema de energia e nas cargas conectadas ao
sistema.
As definições apresentadas neste capítulo servirão de base para os
capítulos seguintes, tanto em relação à importância da monitoração quanto
para os programas utilizados para monitorar.
2.2.Definição
A expressão Qualidade da energia elétrica (“Power Quality”) pode ser
definida como a disponibilidade de energia elétrica com forma de onda senoidal
pura, sem alterações na amplitude, emanando de uma fonte de potência
infinita. Deste ponto de vista, pode-se caracterizar como um problema de
qualidade de energia qualquer distúrbio ou ocorrência manifestada nos níveis
5
de tensão, nas formas de onda de tensão ou corrente que possam resultar em
insuficiência, má operação, falha ou defeito permanente em equipamentos de
um sistema elétrico.
Assim, pode-se dizer que qualidade da energia elétrica é a ausência
relativa de variações de tensão e freqüência provocadas pelo sistema elétrico
da concessionária, isto é, particularmente a ausência de desligamentos,
flutuações de tensão, surtos e harmônicos, os quais são medidos no ponto de
entrega da energia.
No Brasil, segundo entendimento da [3], a qualidade de energia elétrica
engloba tanto a qualidade de produto quanto a qualidade de serviço. A primeira
está relacionada aos fenômenos de qualidade de energia (conformidade),
enquanto a segunda diz respeito à confiabilidade, através de indicadores de
continuidade.
Atualmente no Brasil, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL)
verifica a qualidade de atendimento das concessionárias através de
indicadores de continuidade. Os indicadores de continuidade globais
regulamentados são o DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade
Consumidora) e o FEC (Freqüência Equivalente de Interrupção por Unidade
Consumidora), enquanto que os indicadores de continuidade individuais são o
DIC (Duração de Interrupção por Unidade Consumidora), FIC (Freqüência de
Interrupção por Unidade Consumidora) e o DMIC (Duração Máxima de
Interrupção por Unidade Consumidora). As metas destes indicadores a serem
observados pelas concessionárias são estabelecidas nos Contratos de
Concessão com a ANEEL, como revisões periódicas. Caso estes índices não
sejam cumpridos são aplicadas penalidades às concessionárias [4].
Segundo o atual presidente da ANEEL, Jerson Kelman, a agência
estuda implementar um método de cálculo das tarifas diferenciadas entre
clientes de uma mesma distribuidora dentro de uma mesma faixa de tensão:
“Estamos estudando se o nível de qualidade do atendimento pode ou não ser
importante para definição da tarifa”, diz. Dois novos critérios estão em estudo
na ANEEL, no primeiro, consumidores de áreas com serviços inferiores
6
pagariam tarifa menor. No segundo, deveria haver uma universalização dos
serviços, ou seja, qualidade idêntica para todos os consumidores [5].
A seguir são mensuradas algumas causas relacionadas à qualidade da
energia elétrica:
i. Novas tecnologias implementadas nos sistemas de geração. O controle
microprocessado e os dispositivos de eletrônica de potência são mais
sensíveis às variações na qualidade de energia, do que os
equipamentos antes utilizados;
ii. O aumento da eficiência no sistema como um todo faz crescer o número
de aplicações que reduzem perdas, como equipamentos com alta
eficiência, dispositivos de controle de velocidade de motores e a
instalação de banco de capacitores para a correção do fator de potência.
Este fato tem como conseqüência um aumento nos níveis de
harmônicos nos sistemas de energia, trazendo consigo preocupações
sobre os impactos futuros da capacidade dos sistemas;
iii. Os consumidores estão mais conscientes sobre o assunto qualidade de
energia, desafiando as empresas do setor elétrico a melhorarem o nível
de qualidade da energia fornecida aos consumidores;
iv. Muitos sistemas, não só elétricos, estão interconectados em rede.
Processos integrados significam que uma falha em um componente tem
maiores conseqüências.
Para [6] e [7], o uso de equipamentos mais sensíveis a distúrbios, tanto
pelos consumidores como pelos produtores do sistema de energia, tem
aumentado o interesse pela qualidade de energia. Outro fator que contribui
para as discussões na área de QEE, é que os problemas em uma peça ou
equipamento geram um problema cada vez mais severo, tendo em vista o
contínuo aumento das interconexões entre a rede de energia e os processos
industriais.
Embora um sistema de energia seja projetado para fornecer tensões
senoidais de suprimento perfeitamente equilibradas, com amplitude e
freqüência constantes, na realidade tal configuração não existe. Pois embora a
tensão gerada seja muito próxima da onda senoidal, a própria operação de
7
transmissão e distribuição de energia e o seu uso pelos consumidores causam
distorções das condições ideais de fornecimento, prejudicando a qualidade da
energia.
A qualidade de energia elétrica não pode ser completamente controlada
pelas empresas de energia elétrica, pois os sistemas de energia são bastante
susceptíveis aos fenômenos naturais (descargas atmosféricas, vendaval, etc.),
e também aqueles inerentes à própria operação do sistema, como curto-circuito
causado por defeitos do equipamento, vandalismo, queimadas embaixo das
linhas de transmissão, etc. Tais distúrbios são muito difíceis, senão impossíveis
de controlar.
Um dos mais importantes parâmetros que afetam a qualidade de energia
elétrica está relacionado à sensibilidade dos equipamentos dos consumidores,
tal fato comprova que a qualidade de energia elétrica depende tanto das
empresas fornecedoras de energia elétrica quanto dos consumidores e
também dos fabricantes de equipamentos.
2.3.Fenômenos que caracterizam a Qualidade
de Energia Elétrica.
Define-se como fenômeno de qualidade de energia elétrica qualquer
ação ou distúrbio que produz resultados indesejados para a carga conectada
ao sistema [8]. Como se sabe, entretanto, um amplo espectro de fenômenos
eletromagnéticos está presente no cotidiano desses sistemas elétricos. Um
problema de qualidade de energia é um conjunto destes eventos. A
característica do fenômeno de qualidade de energia identifica o tipo de
problema de qualidade de energia elétrica.
Os sistemas de suprimento de energia elétrica são projetados para
fornecer um adequado e confiável suprimento de tensão que satisfaça as
necessidades de todos os usuários. Normalmente os sistemas de geração,
transmissão e distribuição de energia são sujeitos a inesperadas variações
momentâneas, naturais ou provocadas pelo homem. Como resultado, o
sistema elétrico irá experimentar certas perturbações de tensão.
8
Perturbações de tensão podem ser problemas para certos usuários com
equipamentos sensíveis se elas causam perdas ou dados espúrios, disparos
falsos, ou falha no equipamento. Muitas dessas perturbações são geradas por:
 Equipamentos nas próprias instalações do usuário;
 Eventos sobre o sistema da distribuidora de energia, tais como raios e
chaveamentos de equipamentos;
 Equipamentos de outros usuários sobre circuitos adjacentes.
Perturbações no sistema de energia são aumentos ou diminuições na
tensão ou na freqüência do sistema, além do que é considerado tolerância
normal. As mudanças na tensão podem ir da completa perda desta, com
duração de segundos, minutos, ou até mesmo horas, a altas magnitudes,
impulsos de curta duração de 50 ou mais vezes a tensão normal do sistema
não durando mais que uns poucos milésimos de segundo. Algumas dessas
perturbações podem ter um efeito indesejável sobre os equipamentos
conectados ao sistema de energia, incluindo os dispositivos de proteção.
O IEEE, através da [2] (práticas recomendadas na monitoração da
qualidade de energia elétrica), classifica os fenômenos eletromagnéticos
observados na qualidade de energia elétrica, conforme a tabela 2.1.
9
Tabela 2.1 – Categorias e Características Típicas de Fenômenos
Eletromagnéticos em Sistemas de Energia Elétrica [2].
Categorias Espectro típico Duração típica Tensão típica
1. Transitórios
1.1 Impulsivos
1.1.1 Nanossegundos 5ns ascensão < 50ns
1.1.2 Microssegundos 1µs ascensão 50ns – 1ms
1.1.3 Milissegundos 0,1ms ascensão > 1ms
1.2 Oscilatórios
1.2.1 Baixa Freqüência < 5 kHz 0,3 – 50ms 0 – 4 p.u.
1.2.2 Média Freqüência 5 – 500 kHz 20µs 0 – 8 p.u.
1.2.3 Alta Freqüência 0,5 – 5 MHz 5µs 0 – 4 p.u.
2.Variações de Tensão de Curta Duração
2.1 Instantâneas
2.1.1 Sag (Afundamento) 0,5 – 30 ciclos 0,1 – 0,9 p.u.
2.1.2 Swell (Elevação) 0,5 – 30 ciclos 1,1 – 1,8 p.u.
2.2 Momentâneas
2.2.1 Interrupção 0,5 ciclos – 3s < 0,1 p.u.
2.2.2 Sag ( Afundamento) 30 ciclos – 3s 0,1 – 0,9 p.u.
2.2.3 Swell (Elevação) 30 ciclos – 3s 1,1 – 1,4 p.u.
2.3 Temporárias
2.3.1 Interrupção 3s – 1 min < 0,1 p.u.
2.3.2 Sag (Afundamento) 3s – 1 min 0,1 – 0,9 p.u.
2.3.3 Swell (Elevação) 3s – 1 min 1,1 – 1,2 p.u.
3. Variações de Tensão de Longa Duração
3.1 Interrupção Sustentada > 1 min 0,0 p.u.
3.2 Subtensão > 1 min 0,8 – 0,9 p.u.
3.3 Sobretensão > 1 min 1,1 – 1,2 p.u.
4.Desequilíbrio de Tensão
Estado
Estacionário
0,5 – 2%
5.Distorção da Forma de Onda
5.1 DC Offset
Estado
Estacionário
0 – 0,1%
5.2 Harmônicas
Estado
Estacionário
0 – 20%
5.3 Interharmônicas
Estado
Estacionário
0 – 2%
5.4 Notching (Corte de Tensão)
Estado
Estacionário
5.5 Ruído
Estado
Estacionário
0 – 1%
6.Flutuação de Tensão Intermitente 0,1 – 7%
7.Variação de Freqüência < 10s
10
Para [6] e [7], [9] e [10] as variações de qualidade de energia que podem
causar problemas em cargas sensíveis dividem-se em dois grupos básicos:
distúrbios e variações em regime permanente.
O primeiro é detectado quando ocorrem anomalias na tensão ou
corrente, tais como tensões transitórias e variações na tensão eficaz. O
segundo, que inclui distorção harmônica e variações normais na tensão eficaz,
é monitorado a todo o instante, e causa problemas ao ultrapassar limites
técnicos.
Dentre os distúrbios de qualidade de energia elétrica, destacam-se como
principais:
 Sobretensões transitórias (transitório impulsivo e transitório oscilatório);
 Oscilações de tensão (“sag”, “swell”, sobretensões, subtensões e
interrupções);
 Distorções da forma de onda (“DC offset”, harmônicos, interharmônicos,
“notching” e ruído);
 Flutuação de tensão (“flicker”);
 Desequilíbrio de tensão;
 Variações de freqüência.
No Brasil, o “sag” também é definido como afundamento de tensão,
enquanto que o “swell” é conhecido por elevação de tensão. As Variações de
Tensão de Curta Duração (VTCD), que incluem além dos afundamentos e
elevações, as interrupções.
2.3.1. Transitórios
O termo transitório tem sido usado na análise de sistemas de energia
para caracterizar eventos de natureza momentânea. Isto é, desvios
momentâneos indesejados na tensão de fornecimento ou na corrente de carga.
Os transitórios são sinais com duração finita, ou seja, referem-se ao
aumento ou diminuição repentina da tensão ou corrente, que freqüentemente
se dissipam rapidamente [11].
11
Transitórios podem ser gerados externa e internamente. Os transitórios
externos são aqueles gerados fora das instalações elétricas e levados para
dentro das instalações pelos condutores da rede. Enquanto os transitórios
internos são gerados dentro das instalações pelo próprio equipamento do
usuário.
Os transitórios se caracterizam como fenômenos de alta freqüência, pois
apresentam componentes de tensão acima da freqüência fundamental, sendo
suas principais características:
 Os picos no nível de tensão;
 Conteúdo de energia (área compreendida pelo sinal);
 A razão de mudança da tensão com o tempo (tempo de subida dv/dt);
 Ângulo de fase (local da ocorrência na senóide);
 Freqüência de ocorrência.
As principais fontes de distúrbios de alta freqüência podem ser causadas
por sobretensões transitórias, tais como chaveamento de cargas, operação de
relés e contatores, chaveamento de capacitores para correção do fator de
potência e descargas atmosféricas nas proximidades da rede elétrica.
Os transitórios podem ser classificados em duas categorias: impulsivo e
oscilatório, os quais se refletem nas formas de onda da tensão ou da corrente.
2.3.1.1. Impulsivos
Um transitório impulsivo é caracterizado por uma mudança repentina nas
condições de estado permanente da tensão, corrente ou ambas, sem alteração
da freqüência, com polaridade unidirecional (positiva ou negativa). Os
transitórios impulsivos possuem um tempo de subida e um tempo de
decaimento.
A causa mais comum dos transitórios impulsivos são as descargas
atmosféricas, devido à alta freqüência, sendo estes amortecidos rapidamente
em decorrência da resistência presente nos componentes dos sistemas de
transmissão e distribuição que restringem a sua propagação, pois amortecem
12
as correntes transitórias. A figura 2.1 mostra um típico transitório impulsivo de
corrente causado por um raio.
Figura 2.1 – Transitório impulsivo de corrente causado por raio.
Os principais problemas causados pelas correntes devido a transitórios
impulsivos são a elevação do potencial de terra local (em relação a outros
pontos de terra) em vários kilovolts e a introdução de altas tensões nos
condutores fase, quando as correntes passam pelos cabos a caminho da terra.
Outros impactos podem ser falhas em transformadores, em pára-raios e danos
a equipamentos dos consumidores, devido à reflexão na baixa tensão.
Por ser um fenômeno de alta freqüência, o formato do transitório
impulsivo pode mudar rapidamente devido aos componentes do circuito, e até
mesmo possuir características significativamente diferentes ao ser observado
em posições distintas do sistema de energia, conforme mostra a figura 2.2.
Figura 2.2 – Transitório impulsivo em p.u.
13
Na maioria dos casos, as sobretensões transitórias não são conduzidas
para longe do ponto onde tiveram origem, entretanto, em algumas situações
podem ser conduzidas por distâncias consideráveis, pelas linhas de
transmissão.
Transitórios impulsivos podem excitar circuitos ressonantes no sistema
de energia e produzir um transitório oscilatório.
2.3.1.2. Oscilatórios
Um transitório oscilatório é ocasionado por uma rápida mudança nas
condições de regime permanente da onda de tensão e/ou corrente, sem
alteração da freqüência por uma onda que contenha as duas polaridades e
alternam suas amplitudes rapidamente (negativa e positiva). A causa mais
comum de um transitório oscilatório é o chaveamento de banco capacitores
para a correção do fator de potência. A figura 2.3 ilustra a corrente resultante
do chaveamento “back-to-back” de um capacitor
Figura 2.3 – Transitório oscilatório devido ao chaveamento de um capacitor.
Os transitórios oscilatórios de alta freqüência são aqueles em que a
componente de freqüência principal é maior que 500 kHz possuem uma
duração típica mensurada em microssegundos (ou alguns ciclos da freqüência
principal). Para estes a causa principal é a resposta do sistema local a um
transitório impulsivo, pois o sinal irradiado pode atingir equipamentos
eletrônicos sensíveis.
14
Um transitório que apresenta freqüência entre 5 e 500 kHz com duração
medida em décimos de microssegundos (ou alguns ciclos da freqüência
fundamental) é denominado de transitório oscilatório de média freqüência.
Transitórios com componente de freqüência principal menor do que 5
kHz, e duração de 0,3 a 50 milissegundos são considerados transitórios de
baixa freqüência. Esta categoria de fenômenos é freqüentemente encontrada
nos sistemas de subtransmissão e distribuição e são causados por diversos
tipos de eventos. Sendo o mais freqüente a energização de banco de
capacitores, o qual normalmente resulta em transitórios oscilatórios de tensão
com freqüência principal entre 300 e 900 Hz, conforme apresentado na figura
2.4. A magnitude máxima pode aproximar-se de 2,0 p.u., mas os valores típicos
são entre 1,3 e 1,5 p.u., com duração entre 0,5 e 3 ciclos, dependendo do
amortecimento do sistema [12].
Figura 2.4 – Transitório oscilatório de baixa freqüência causado por
energização de banco de capacitores.
Em sistemas de distribuição também são encontrados transitórios
oscilatórios com freqüência fundamental menor que 300 Hz. Geralmente, estes
transitórios estão associados com ferroressonância, energização de
transformadores e capacitores em série. Este último ocorre quando o sistema
responde por ressonância, com os componentes de baixa freqüência das
correntes drenadas pelos transformadores (segunda e terceira harmônicas) ou
quando condições não usuais resultam em ferroressonância. A figura 2.5 ilustra
um transitório de baixa freqüência por ferroresonância de um transformador
sem carga.
15
Figura 2.5 – Transitório oscilatório de baixa freqüência causado por
ferroresonância de um transformador sem carga.
É importante comentar ainda, que as tensões transitórias causadas por
raios ou operações de chaveamento podem resultar em degradação ou falha
dielétrica imediata em todas as classes de equipamentos. A alta magnitude e o
rápido tempo de subida contribuem para quebrar a isolação de equipamentos
elétricos como máquinas rotativas, transformadores, capacitores, cabos,
transformadores de corrente (TC’s), transformadores de potencial (TP’s), e
chaves de distribuição. Ademais, a aplicação de transitórios de baixa
magnitude, repetidamente, a esses tipos de equipamentos, causa lenta
degradação e eventual falha de isolação, diminuindo o tempo médio entre
falhas do equipamento. Em equipamentos eletrônicos as falhas nos
componentes da fonte de alimentação, podem resultar de um único transitório
de magnitude relativamente modesta.
2.3.2. Variações de Tensão de Longa Duração
(VTLD)
As variações de tensão de longa duração englobam variações do valor
eficaz da tensão durante um tempo superior a 1 minuto, conforme apresentado
na tabela 2.1. Portanto, são consideradas como distúrbios de regime
permanente. Comumente, estas variações estão associadas a variações de
carga ou a perda de interligações no sistema elétrico.
As variações de longa duração são classificadas como interrupções
sustentadas, sobretensões e subtensões, dependendo da causa da variação.
Geralmente, sobretensões e subtensões não são resultados de faltas no
16
sistema, e sim das variações de carga e operações de chaveamento no
sistema. Estas são caracterizadas pela variação da tensão RMS no tempo.
2.3.2.1. Sobretensões
Sobretensão é o aumento no valor eficaz RMS da tensão em corrente
alternada (CA), maior que 110% na freqüência do sistema e de duração maior
que 1 minuto (tabela 2.1).
Normalmente são conseqüências de chaveamento de cargas,
desligamento de grandes cargas e de ajustes incorretos nos tap’s de
transformadores de distribuição. As sobretensões também podem resultar de
variações na compensação de reativos no sistema (introdução de bancos de
capacitores). Além disso, um deficiente controle ou regulação de tensão do
sistema pode originar às sobretensões.
2.3.2.2. Subtensões
A subtensão apresenta características contrárias à sobretensão,
podendo ser caracterizada pelo decréscimo no valor eficaz da tensão de
corrente CA, abaixo de 90% na freqüência do sistema e com duração maior
que 1 minuto (tabela 2.1).
O termo “Brownout” é utilizado com freqüência para caracterizar um
período de subtensão sustentada (figura 2.6).
Figura 2.6 – Forma de onda de “Brownout”.
A subtensão é causada por eventos como: carregamento excessivo de
circuitos alimentadores devido às quedas de tensão inerentes ao sistema;
17
chaveamento de bancos de capacitores; sobrecargas de alguns equipamentos;
e excesso de reativo conduzido por este sistema. Estes eventos podem causar
a subtensão até que os equipamentos de regulação de tensão do sistema
possam trazer de volta a tensão para dentro da tolerância.
2.3.2.3. Interrupções sustentadas
Interrupções sustentadas ocorrem quando a tensão eficaz de
alimentação tem valor nulo por um período maior que 1 minuto (tabela 2.1).
Para a monitoração da qualidade de energia, o termo interrupção não
tem qualquer relação com a confiabilidade e continuidade de serviço do
sistema. Este termo é utilizado para especificar a ausência de tensão por
longos períodos.
Interrupção de tensão maior que 1 minuto é freqüentemente de natureza
permanente e requer intervenção manual para restauração. Este tipo de
interrupção pode ser de natureza planejada ou inesperada. A primeira vem das
manutenções preventivas no sistema de distribuição ou de manobras
complexas para transferência de fonte de alimentação. As interrupções
sustentadas inesperadas são provenientes de falhas em disjuntores,
sobrecargas no sistema, queima de fusíveis, entre outros.
2.3.3. Variações de Tensão de Curta Duração
(VTCD)
As variações de tensão de curta duração englobam os desvios na onda
de tensão por períodos menores ou iguais a 1 minuto. Variações de curta
duração são quase sempre causadas por condições de faltas, energização de
grandes cargas que requerem altas correntes de partida, ou conexões frouxas
intermitentes nos cabos de energia.
Dependendo da localização da falta e condições do sistema, a falta pode
causar temporariamente uma elevação da tensão “swell”, uma queda de tensão
(sag), ou uma completa perda de tensão, interrupção.
18
Mudanças na corrente, as quais caem dentro das categorias
supracitadas, em duração e magnitude são também incluídas como variações
de curta duração. Os problemas mais comuns associados com interrupções,
“sags”, e “swells” são as paralisações dos equipamentos. Em muitas indústrias
com processos críticos, freqüentemente, fenômenos de curta duração podem
causar interrupções no processo, requerendo horas para o restabelecimento, o
que resulta em elevados prejuízos financeiros.
2.3.3.1. Interrupções
Uma interrupção ocorre quando o suprimento de tensão ou de corrente
na carga decresce abaixo de 0,1 pu. por um período de tempo não excedendo
1 minuto. As interrupções podem ser classificadas como instantâneas,
momentâneas e temporárias (tabela 2.1).
Interrupções são resultados de faltas em sistemas, falhas em
equipamentos e mau funcionamento do sistema de controle. Normalmente, a
duração de uma interrupção devido a uma falta sobre a rede é determinada
pelos dispositivos de proteção da rede e pelo evento em particular que causou
a falta. Enquanto que a duração de uma interrupção devido ao mau
funcionamento de equipamentos ou conexões frouxas pode ser irregular.
Como mencionado anteriormente, a duração da interrupção depende,
entre outros fatores, da capacidade de restabelecimento dos dispositivos de
proteção. Restabelecimentos instantâneos irão limitar a falta não permanente
para menos de 30 ciclos. Entretanto, atrasos no restabelecimento do
dispositivo de proteção podem causar interrupção momentânea ou temporária.
A figura 2.7 mostra uma interrupção momentânea durante a qual a tensão cai
por aproximadamente 2,3 s.
19
Figura 2.7 – Variação do valor RMS para uma interrupção momentânea devido
a uma falta e subseqüente operação de restabelecimento.
Interrupções instantâneas podem afetar equipamentos eletrônicos e de
iluminação, causando má operação ou interrupção. Esses equipamentos
eletrônicos incluem fontes e controladores, computadores, e controle de
máquinas rotativas. Interrupções momentâneas e temporárias causarão quase
sempre a interrupção da operação. Ademais, podem causar a dessexcitação
de contatores de motores de indução. Salienta-se ainda que em alguns casos,
as interrupções podem danificar equipamentos eletrônicos de “soft-start” [12].
2.3.3.2. Afundamentos de tensão (“Sags”)
O conceito de afundamento de tensão é a diminuição da tensão eficaz
variando entre 0,1 a 0,9 p.u., de amplitude e com duração entre meio ciclo a 1
minuto. Os afundamentos de tensão, ou “sag”, ou queda de tensão, ou
subtensão são divididos em três categorias: instantâneo, momentâneo e
temporário, conforme suas durações (tabela 2.1).
Afundamentos de tensão são usualmente associadas com faltas no
sistema, chaveamento de pesadas cargas, partida de grandes motores, ou
energização de transformadores. Motores de indução quando da partida,
chegam a drenar de 6 a 10 vezes sua corrente nominal, isso causa uma queda
20
de tensão através da impedância do sistema. Se a magnitude da corrente de
falta é grande em relação à corrente de falta disponível no sistema, a queda de
tensão pode ser significativa.
As subtensões que duram menos que 0,5 ciclo não podem ser
caracterizadas efetivamente como uma mudança no valor RMS na freqüência
fundamental. Portanto, esses eventos são considerados como transitórios
(subseção 2.3.1). Já as subtensões que duram mais que 1 minuto caraterizam-
se como variações de longa duração (subseção 2.3.2).
Subtensões de curta duração, em particular causam numerosos
processos de interrupção. Freqüentemente, o “sag” é sentido por controladores
eletrônicos de processos equipados com circuitos de detecção de falhas, o qual
inicia o desligamento de outra carga menos sensível.
Uma solução comum para este problema é suprir o controlador
eletrônico com um transformador de tensão constante, ou outro dispositivo
mitigador, para fornecer tensão adequada durante o “sag”. O desafio é manter
o controlador eletrônico durante “sag” que não irá danificar o equipamento
protegido pelo circuito de falta, enquanto simultaneamente reduz incômodos
desligamentos.
A figura 2.8 mostra um típico “sag” associado com uma falta monofásica
para a terra.
Figura 2.8– Afundamento de tensão.
21
Equipamentos tais como transformadores, cabos, barramentos, chaves
seccionadoras, TC’s e TP’s não devem sofrer danos ou mau funcionamento
devido à “sag”. Uma ligeira mudança de velocidade de máquinas de indução,
uma ligeira redução na saída de bancos de capacitores e uma breve redução
da saída de luz visível de alguns dipositivos de iluminação podem ocorrer
durante um “sag”.
2.3.3.3. Elevações de Tensão (“Swells”)
Uma elevação de tensão, ou sobretensão, ou “swells”, é definida como
um aumento do valor eficaz da tensão na freqüência fundamental da rede com
duração de 0,5 ciclo a 1 minuto. As magnitudes típicas estão entre 1,1 a 1,8
p.u.
A elevação de tensão é em geral associada a condições de falta
desequilibrada no sistema, saída de grandes blocos de carga e entrada de
bancos de capacitores. Com relação às condições de faltas no sistema, a
severidade de uma sobretensão durante estas é função da localização da falta,
da impedância do sistema e condições do aterramento. Por exemplo, em
sistemas isolados, a tensão fase-terra para as fases sãs será 1,73 pu., durante
a condição de curto-circuito fase-terra. Por outro lado, perto da subestação, em
sistemas aterrados, não haverá acréscimo de tensão nas fases não
defeituosas, porque o transformador da subestação é usualmente conectado
em delta estrela aterrado, provendo um caminho de baixa impedância de
seqüência zero para a corrente de falta.
A figura 2.9 mostra a variação do valor RMS para uma sobretensão
causada por uma falta monofásica a terra.
22
Figura 2.9 – Variação do valor RMS para um swell de tensão causado por uma
falta monofásica para a terra.
A seguir são elecandos possíveis danos causados por elevações de
tensão:
 Dispositivos eletrônicos, incluindo drives de velocidade ajustável,
computadores e controladores eletrônicos podem exibir imediato modo
de falha durante essas condições;
 Transformadores, cabos, “switchgear”, TC’s, TP’s e máquinas rotativas
podem sofrer redução da vida útil;
 Alguns relés de proteção podem resultar em operações indesejáveis,
enquanto outros não irão ser afetados;
 A saída visível de luz de alguns dispositivos de iluminação pode ser
aumentada durante um “swell” temporário;
 Dispositivos de grampeamento de proteção de surto (varistores ou
diodos de avalanche) podem ser destruídos.
2.3.4. Desequilíbrio de Tensão
Para [13] o desequilíbrio de tensão é o fenômeno associado a alterações
nos padrões trifásicos do sistema de distribuição. Tanto para [3] como para [2],
o desequilíbrio de tensão é dado pela razão entre magnitude de tensão de
seqüência negativa (RMS), ou seqüência zero (RMS), pela magnitude de
tensão de seqüência positiva (RMS).
23
Em geral, nos sistemas de energia, a tensão de seqüência negativa, ou
zero, é o resultado de desequilíbrio de carga, o que origina o fluxo de corrente
de seqüência negativa ou zero.
O desequilíbrio de tensão pode ser estimado como o máximo desvio da
média das tensões trifásicas, ou correntes, divididas pela média das tensões,
ou correntes, das três fases, expressas em porcentagem (equação 2.1).
Desequilíbrio de Tensão= (
|vfasesrms
-vmédia|
máx
vmédia
) ×100 [%] (2.1)
Uma forma mais rigorosa de determinar o desequilíbrio de tensão é pela
teoria dos componentes simétricos, onde a razão entre os componentes de
seqüência negativa, ou zero, sobre o componente de seqüência positiva é
utilizado para expressar o desequilíbrio em percentual, conforme equações 2.2
e 2.3 [14].
Desequilíbrio Tensão Negativo= (
Comp.sequência negativa
Comp.sequência positiva
) ×100 [%] (2.2)
Desequilíbrio Tensão Zero= (
Comp.sequência zero
Comp.sequência positiva
)×100 [%] (2.3)
Desequilíbrios de tensão são caracterizados por variações entre 0,5 a
2% em regime permanente (estado estacionário), como observado na tabela
2.1. Segundo [2] os desequilíbrios de tensão maiores que 5% são definidos
como severos, sendo oriundos de uma única fase.
A principal fonte causadora do desequilíbrio de tensão é a distribuição
não uniforme das cargas monofásicas no sistema trifásico. Anomalias em
banco de capacitores, como por exemplo, a queima de fusíveis em uma das
fases em banco trifásicos, também podem causar este distúrbio. Outras
possíveis causas são contatos e conexões oxidados ou transformadores com
impedâncias diferentes entre fases.
Muitos equipamentos, especialmente motores, podem tolerar
desbalanço de tensão da ordem de 2%, conforma ilustra a figura 2.10.
Desequilíbrios maiores que 2% causam sobreaquecimento de motores e
transformadores. Isto porque a corrente desbalanceada em um dispositivo
24
indutivo varia com o cubo da tensão desbalanceada aplicada aos terminais.
Outro possível efeito dos desequilíbrios de tensão são erros de disparo em
tiristores de equipamentos eletrônicos.
Figura 2.10 – Desequilíbrio na fase B de 2% (VB = 125 Vrms e VA=VC=127 Vrms).
A qualidade do fornecimento de energia, idealizada pela concessionária
é prejudicada pelo desbalanço de carga. Desta forma, alguns consumidores
têm em seu fornecimento de energia um desequilíbrio de tensão, o qual se
manifesta de três formas distintas:
 Amplitudes diferentes;
 Assimetria nas fases;
 Assimetria conjunta de amplitudes e fases.
Destas formas, apenas a primeira, é freqüentemente evidenciada no
sistema elétrico.
2.3.5. Distorção na Forma de Onda
A definição de distorção na forma de onda é o desvio em regime
permanente de uma forma de onda senoidal considerada ideal na freqüência
fundamental caracterizada principalmente pelo conteúdo espectral do desvio
[11].
Conforme mostra a tabela 2.1, as distorções na forma de onda são
divididas em cinco tipos:
 Nível CC (“DC offset”);
 Harmônicos;
25
 Interharmônicos;
 Recorte (“Notching”);
 Ruído (“Noise”).
2.3.5.1. “DC offset”
A presença de componentes de tensão em corrente contínua (CC) em
um sistema de energia CA é chamada “offset”. Este fenômeno pode ocorrer
como resultado de uma perturbação geomagnética ou devido ao efeito de
retificação de meia-onda. Corrente contínua em redes de corrente alternada
pode ser prejudicial devido a um aumento na saturação de transformadores,
resultando em perdas e redução de sua vida útil e a corrosão eletrolítica dos
eletrodos e conectores de aterramento, além do “stress” adicional de isolação,
e outros efeitos adversos.
2.3.5.2. Harmônicos
Harmônicos são senóides de componentes de tensão ou corrente com
freqüência múltipla inteira da freqüência do sistema de suprimento que foi
projetado para operar. Esta freqüência do sistema de suprimento é chamada
de freqüência fundamental (usualmente 50 ou 60 Hz). Harmônicos combinados
com a tensão ou corrente fundamental produzem distorções na forma de onda
e são conseqüências das características não lineares de dispositivos e,
especialmente, das cargas no sistema de energia. Em outras palavras, as
distorções harmônicas resultam da queda de tensão originada pela circulação
de correntes harmônicas na impedância do sistema.
As cargas não lineares são normalmente modelados como fontes de
corrente que injetam correntes harmônicas no sistema de energia.
Distorção harmônica é uma das grandes preocupações para muitos
consumidores e para o sistema de energia como um todo, devido à crescente
aplicação de equipamentos de potência eletrônicos.
A classificação dos harmônicos é feita pela sua ordem, ou seja, o
múltiplo da freqüência fundamental. Considerando 60 Hz como a freqüência
26
fundamental a tabela 2.2 apresenta a divisão de harmônicos até o 10º
harmônico [11].
Tabela 2.2 – Seqüência dos componentes harmônicos.
Ordem Freqüência (Hz)
1º - Fundamental 60
2º 120
3º 180
4º 240
5º 300
6º 360
7º 420
8º 480
9º 540
10º 600
A somatória dos componentes senoidais harmônicos com o componente
senoidal fundamental resulta em uma onda não – senoidal distorcida, conforme
se observa na figura 2.11.
Figura 2.11 – Representação da série de Fourier para uma onda distorcida.
Atualmente, a maioria das cargas presente no sistema de distribuição de
energia são cargas não-lineares, tendo assim uma grande contribuição para o
aumento das distorções harmônicas neste sistema (figura 2.12). Como
exemplo tem-se as máquinas de solda, conversores CA/CA, fontes chaveadas
27
de computadores ou outros equipamentos de escritórios ou eletrodomésticos,
“no-breaks”, etc.
Figura 2.12 – Forma de onda da tensão em uma fase.
Os níveis de distorção harmônica podem ser caracterizados pelo
espectro harmônico incluindo magnitudes e ângulos de fase de cada
componente harmônico individual. É também comum usar uma única
quantidade, a Distorção Harmônica Total (DHT) em porcentagem, como uma
medida da magnitude da distorção harmônica.
Grandes níveis de distorção harmônica causam problemas tanto para as
redes de distribuição das concessionárias quanto para os consumidores. As
conseqüências destes problemas são muitas, desde falhas em motores ou
fontes de pequeno porte até a parada de grandes equipamentos, resultando
em perdas de produtividade e de vendas.
Os principais impactos das distorções harmônicas são:
 Redução da vida útil das máquinas rotativas: aquecimento, torques
pulsantes, ruído, etc.;
 Redução da vida útil das lâmpadas: flutuação da potência e
conseqüentemente da intensidade luminosa;
 Erros nos medidores de energia elétrica e equipamentos de medição;
 Má operação de relés e equipamentos de proteção elétrica;
 Redução da vida útil de transformadores: aumento das perdas por
aquecimento, saturação, ressonância, vibrações, etc;
28
 Má operação de dispositivos controlados por semicondutores – disparos
indevidos;
 Redução da vida útil de capacitores: aumento das perdas por
aquecimento;
 Interferências eletromagnéticas nos equipamentos de comunicação e
controle;
 Aumento das perdas nos alimentadores elétricos.
As figuras 2.13 e 2.14 ilustram a distorção harmônica causada por uma
lâmpada a vapor de sódio.
Figura 2.13 – Espectro de freqüências da lâmpada a vapor de sódio.
Figura 2.14 – Sinais de tensão e corrente da lâmpada a vapor de sódio obtidos
por equipamento de medição.
A seguir são elencados os indicadores considerados indispensáveis para
determinação de ações corretivas, pois permitem quantificar e avaliar a
distorção harmônica de ondas de tensão e corrente, e são divididos em:
 Fator de potência;
29
 Fator de crista;
 Potência de distorção;
 Espectro em freqüência;
 Taxa de distorção harmônica.
2.3.5.3. Interharmônicos
Como apresentado na subseção anterior, harmônico é uma onda
periódica expressa pela soma de ondas senoidais puras de diferentes
amplitudes, onde a freqüência de cada onda senoidal é um inteiro múltiplo
(harmônico) do componente de freqüência fundamental da onda periódica.
Por analogia, interharmônico é o componente de formação da onda
periódica cuja freqüência não é um inteiro múltiplo do componente de
freqüência fundamental [2].
Portanto, as ondas de tensão ou corrente podem apresentar
componentes de freqüência que não são múltiplos inteiros da onda de
freqüência fundamental do sistema. Os interharmônicos podem ser
apresentados como freqüências discretas ou largas faixas espectrais, podendo
ser encontradas em diferentes classes de tensões.
As principais fontes de geração de interharmônicos são os conversores
estáticos, motores de indução e equipamentos que utilizam arco elétrico para
seu funcionamento, como exemplo os fornos elétricos das siderúrgicas. A
figura 2.15 mostra os componentes interharmônicos discretos dispostos no
domínio da freqüência, com maior amplitude entre as freqüências 240 Hz e 360
Hz, de um forno de indução.
30
Figura 2.15 – Espectro de potência de um forno de indução.
A propagação de interharmônicos pode causar efeitos de aquecimento,
oscilações torsionais, “flicker”, sobrecarga de filtros convencionais,
interferências em equipamento eletrônico, ondulação em receptores de controle
e sistemas de telecomunicações.
Porém, um dos mais importantes efeitos de interharmônicos é o impacto
sobre o fluxo luminoso de lâmpadas. Devido às freqüências interharmônicas
não estarem sincronizadas com a componente fundamental do sistema de
energia, elas afetam os valores de pico e RMS da tensão. Essas flutuações de
tensão podem produzir “flicker” (efeito fisiológico desagradável) em lâmpadas
se o nível de interharmônicos ultrapassar certos níveis de imunidade [15].
2.3.5.4. Recorte (“Notching”)
Recorte ou “notching” é uma perturbação periódica de tensão causada
pela operação de dispositivos eletrônicos de potência quando a corrente é
comutada de uma fase para outra.
Tensões “notching” representam um caso especial que acontece entre
transitórios e distorção harmônica. Como “notching” ocorrem continuamente
(estado de regime), eles podem ser caracterizados através do espectro
harmônico da tensão afetada. Contudo, as componentes de freqüência
associadas com “notching” podem ser bastante altas e podem não ser
prontamente caracterizada com equipamentos de medição normalmente
usados para análise harmônica. A figura 2.17 mostra um exemplo de tensão
“notching” causada pela operação de conversores.
31
Figura 2.16 – Tensão “notching” causada pela operação de conversores.
2.3.5.5. Ruído (“Noise”)
Ruído ou “noise” são definidos como qualquer distorção indesejada nas
ondas de tensão ou corrente, formado pela superposição de uma onda com
conteúdo espectral abaixo de 200 kHz com a onda fundamental. Este tipo de
distúrbio pode ser encontrado nos condutores de fase, neutro ou sinais.
As causas mais comuns dos ruídos elétricos são os dispositivos
eletrônicos, equipamentos que funcionem com base em arcos elétricos e
conversores estáticos. Os problemas mais graves causados pelos ruídos são
os impactos negativos nos equipamentos eletrônicos que operam com
microcontroladores, onde um ruído intenso poderá até danificá-los.
Geralmente os problemas causados pelos ruídos são amenizados por
um sistema conveniente de aterramento, podendo chegar ao uso de filtros
passivos e transformadores de isolação. Na figura 2.17 é apresentado um
exemplo de onda senoidal de tensão contendo ruído.
Figura 2.17 – Ruído elétrico superposto na forma de onda da tensão em pu.
32
2.3.5.6. Flutuação de Tensão
Flutuações de tensão são variações sistemáticas nos valores eficazes
da tensão ou uma série aleatória de mudanças, onde a magnitude da onda
permanece entre 0,93 e 1,07 pu. (tabela 2.1).
Um exemplo de flutuação do valor eficaz da tensão pode ser visto
analisando-se a alteração da amplitude da onda em função do tempo da figura
2.18.
Figura 2.18 – Flutuação da tensão em pu.
Em determinadas cargas, quando alimentadas por ondas que sofrem
variações na amplitude da corrente ou tensão de forma continua e rápida, é
presenciado o “flicker” (cintilação).
2.3.6. Variações na Freqüência
Variações na freqüência são definidas como alterações na freqüência
fundamental do sistema. Freqüência esta, relacionada diretamente com a
velocidade de rotação dos geradores.
Devem-se considerar pequenas variações na freqüência do sistema
devido às alterações de carga e geradores, onde estas amplitudes e durações
dependem da robustez do sistema de controle do sistema de geração às
mudanças de carga.
Variações de tensão consideráveis e freqüentes são comumente vistas
nos sistemas supridos por concessionárias isoladas. Nos sistemas
33
interconectados de geração e distribuição de energia estas variações são de
ocorrência muito baixa.
As variações de freqüência são principalmente geradas por faltas no
sistema de transmissão, desconexão de grandes cargas ou de grandes fontes
de geração ou pela falha dos controles de geradores. Pode-se observar na
figura 2.19 um exemplo de onda de tensão com variação na sua freqüência.
Figura 2.19 – Variação da freqüência na forma de onda da tensão.
2.4.Índices de Continuidade do Serviço de
Energia Elétrica
O desempenho das concessionárias quanto à continuidade do serviço
prestado de energia elétrica é medido pela ANEEL com base em indicadores
específicos, denominados de DEC (Duração Equivalente de Interrupção por
Unidade Consumidora) e FEC (Freqüência Equivalente de Interrupção por
Unidade Consumidora).
O DEC indica o número de horas em média que um consumidor fica sem
energia elétrica durante um período, geralmente mensal. Já o FEC indica
quantas vezes, em média, houve interrupção na unidade consumidora
(residência, comércio, indústria etc.).
34
O DEC pode ser calculado por:
DEC=
∑ Ca(i)×T(i)n
i=1
Cs
(2.4)
onde:
 𝑖 = número de interrupções, de 1 a 𝑛;
 𝑇( 𝑖) = tempo de duração de cada interrupção do conjunto de
consumidores considerados, em horas;
 𝐶𝑎( 𝑖) = número de consumidores do conjunto considerado, atingido nas
interrupções;
 𝐶𝑠 = número total de consumidores do conjunto considerado.
O FEC pode ser calculado por:
FEC=
∑ Ca(i)n
i=1
Cs
(2.5)
Os componentes da equação são os mesmos do cálculo da DEC.
As metas de DEC e FEC a serem observadas pelas concessionárias
estão definidas em Resolução específica da ANEEL, que podem ser
encontradas na “home-page” da ANEEL [39], as metas do DIC e FIC estão
sendo publicadas mensalmente na conta de energia elétrica do consumidor. A
figura 2.20 apresenta a média do índice de continuidade DEC por região,
conforme se observa a região norte apresenta o maior índice DEC em relação
ao DEC padrão para esta região, estabelecido pela ANEEL.
35
Figura 2.20 – Média do índice DEC por região, ano 2009 [49].
A figura 2.21 ilustra o gráfico referente aos valores médios do índice de
continuidade FEC para o ano de 2009, de acordo com os dados obtidos da
ANEEL [39] observa-se que apenas a região norte apresenta índice superior ao
estabelecido pela ANEEL.
Figura 2.21 – Média do índice FEC por Região, ano 2009 [49].
A ANEEL implantou no ano 2000 mais três indicadores destinados a
aferir a qualidade do serviço prestado diretamente ao consumidor, a saber:
 DIC (Duração de Interrupção por Unidade Consumidora);
 FIC (Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora);
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Região
Norte
Região
Nordeste
Região
Centro
Oeste
Região
Sudeste
Região
Sul
93.17
26.5
39.63
15.38
33.55
60.62
34.96 36.58
13.42
29.65
Horas
Média do DEC por Região (Ano 2009)
DEC
DEC Padrão
0
10
20
30
40
50
60
Região
Norte
Região
Nordeste
Região
Centro
Oeste
Região
Sudeste
Região
Sul
57.06
12.9
28.57
9.31
16.74
55.49
25.51
32.24
12.47
22.35
Vezes
Média do índice FEC por Região (Ano 2009)
FEC
FEC Padrão
36
 DMIC (Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora).
Os indicadores DIC e FIC indicam por quanto tempo e o número de
vezes respectivamente que uma unidade consumidora ficou sem energia
elétrica durante um período considerado. O DMIC é um indicador que limita o
tempo máximo de cada interrupção, impedindo que a concessionária deixe o
consumidor sem energia elétrica durante um período muito longo. Esse
indicador passou a ser controlado a partir de 2003 [16].
As metas para os indicadores DIC, FIC e DMIC estão publicadas na [16],
esses indicadores já estão sendo informados na conta de energia elétrica do
consumidor (figura 2.22).
Figura 2.22 – Conta de energia elétrica (Fonte: Conta de energia da Rede
CELPA).
37
Capítulo 3
Importância da Monitoração
A monitoração é necessária para definir o atual nível de qualidade de
fornecimento de acordo com os indicadores de qualidade.
(Autor desconhecido)
3.1.Por que monitorar?
O principal interesse pela monitoração da qualidade de energia elétrica
está na procura do aumento da produção de bens e da oferta de serviços. As
indústrias, por exemplo, buscam maquinários mais eficientes, rápidos e
produtivos. As concessionárias de energia, por sua vez, encorajam estas
medidas, de forma a propiciar aumento do fornecimento e, conseqüentemente,
ganho nos seus lucros. Entretanto, os maquinários modernos utilizados na
aceleração da produtividade e associados com a redução de perdas e aumento
da eficiência, caracterizam-se por equipamentos mais sensíveis a falhas e
distúrbios dos sistemas de energia. Ao mesmo tempo, o crescimento da
economia e o aumento das condições de desenvolvimento humano trazem
consigo uma tendência de crescimento na demanda de energia.
De fato, a incidência de distúrbios sobre os consumidores industriais
resulta em grandes prejuízos, face aos elevados investimentos destinados às
áreas de automação e modernização do parque industrial. Estas áreas,
estruturadas com equipamentos constituídos essencialmente por componentes
eletrônicos, são extremamente sensíveis aos efeitos de um suprimento de
energia inadequado. Prejuízos enormes podem surgir, simplesmente com uma
única e curta interrupção no fornecimento de energia, ou ainda com a presença
de significativos níveis de distorções harmônicas e transitórios.
A ocorrência destes problemas determina a necessidade de uma busca
mútua de soluções, entre todas as partes que atuam no mercado de energia
elétrica (as concessionárias, os consumidores, os fabricantes de equipamentos
38
e os prestadores de serviços), para a realização de medidas adequadas,
práticas e econômicas. Todos estes estão cada vez mais preocupados com as
características do suprimento de energia e, o termo “Qualidade da Energia
Elétrica” tem se tornado a palavra chave nos últimos anos.
Sabe-se que estes fenômenos de qualidade de energia não são
necessariamente recentes e estão sendo atualmente analisados não mais
como causas e efeitos isolados, mas como problemas correlacionados.
Ademais, devido ao crescente interesse pelo tema, encontram-se
definições distintas em função dos anseios e necessidades envolvidos no
problema. Para as concessionárias de energia, a definição leva a uma
equivalência com a confiabilidade do suprimento elétrico. Por sua vez,
fabricantes de máquinas e equipamentos elétricos definem a qualidade do
suprimento energético, a partir das características necessárias à fonte de
alimentação, garantindo, sobretudo a operação adequada dos seus aparelhos.
Quanto aos consumidores residenciais, estes não detêm conhecimento técnico
para reconhecerem todos os distúrbios, entretanto, tornaram-se parte do
problema em função do elevado número de aparelhos eletrônicos não-lineares
instalados.
Percebe-se então que a monitoração da qualidade de energia elétrica é
necessária não apenas para definir o atual nível de qualidade de fornecimento,
mas também para definir a necessidade contínua do consumidor e da
concessionária para assegurar o cumprimento dos índices, indicadores, limites
e outras características dos contratos diferenciados estipulados entre
consumidores, concessionárias e órgão regulador.
Assim, é de fundamental importância a questão cultural que envolve a
utilização de energia elétrica. Nos países europeus, existe uma preocupação
com o bem comum, e se paga até mais caro por uma “energia limpa” [11]. Em
contrapartida, nas nações em desenvolvimento o apelo gira mais em torno da
“economia” trazida pelo uso inteligente da energia, uma vez que a consciência
ambiental ainda não é tão clara. Tanto nestes quanto naqueles países é
imprescindível que os governos atuem no sentido de educar a população e
também de incentivar instituições a usar a energia de maneira eficiente.
39
Na atualidade a monitoração da qualidade de energia elétrica surge
como um efetivo meio de obtenção de dados usados para caracterizar
sistemas elétricos e solucionar os problemas vividos pelas cargas sensíveis à
má qualidade de energia elétrica. Instrumentos de medição cada vez mais
modernos, e desenvolvidos especificamente para a realização de medições de
qualidade da energia, possibilitam o registro de uma grande variedade de
fenômenos de forma eficiente e confiável.
Em resumo, a investigação da qualidade de energia elétrica requer
monitoração, tanto para identificar os problemas como para verificar as
soluções implementadas que visem minimizar os efeitos danosos da má
qualidade da onda de tensão ou corrente.
3.2.Normatização Nacional e Internacional
Uma das principais causas de problemas relacionados com a QEE está
ligada à evolução da tecnologia e ao aumento das necessidades dos
consumidores em controle da energia, o que levaram ao crescimento das
cargas não-lineares instaladas no sistema elétrico. Com uma maior quantidade
destes equipamentos instalados aumentaram-se os problemas referentes à
qualidade da onda de tensão e da corrente.
A evidência do aumento de problemas relativos à QEE somado aos
prejuízos financeiros leva a um esforço na busca de soluções práticas e
economicamente viáveis entre as principais áreas de atuação do setor elétrico
(concessionárias fabricantes de equipamentos e consumidores).
Por estas áreas de atuação do setor elétrico possuirem suas próprias
características, necessidades e anseios com relação aos parâmetros, formas
de medição e penalidades referentes à QEE, as mesmas ainda não chegaram
ao consenso e definições sobre o assunto.
Para as concessionárias, a confiabilidade do suprimento elétrico em
níveis aceitáveis de tensão equivale à qualidade da energia elétrica fornecida.
Estas vêm sofrendo desgastes na sua imagem empresarial e tem aumentado
os gastos com pedidos de ressarcimento de prejuízos sofrido pelos
40
consumidores, muitas das vezes gerados pelos equipamentos instalados pelos
próprios consumidores.
Para os fabricantes de equipamentos, a qualidade do suprimento de
energia que atendam às necessidades de suas fontes de alimentação para
garantir a operação adequada de seus produtos é a sua prioridade em termos
de qualidade da energia elétrica utilizada. Devido ao mercado de equipamentos
ser altamente competitivo, buscando custos cada vez menores, há um
desinteresse na flexibilização das características dos equipamentos produzidos
quanto à suportabilidade e proteção dos distúrbios provenientes e/ou gerados à
rede. Alguns fabricantes, por exemplo, desconhecem ou simplesmente ignoram
estes problemas, alocando a responsabilidade de possíveis falhas para as
concessionárias ou para os próprios consumidores (uso inadequado).
Por sua vez, para os consumidores, a qualidade da energia está
vinculada ao suprimento contínuo de uma energia elétrica senoidal dentro de
uma faixa que não cause danos ou falhas em seus equipamentos. Entretanto,
como mencionado anteriormente, os consumidores, devido à deficiência de um
conhecimento técnico adequado para o reconhecimento e análise de
problemas no sistema elétrico, além de aumentarem o problema referente à
grande quantidade de equipamentos não-lineares, sofrem com as perdas de
produção e danos em suas máquinas.
Nos últimos anos, tem-se intensificado os estudos dos fenômenos que
envolvem qualidade da energia elétrica pelas concessionárias junto às
instituições de pesquisas, aos fabricantes de equipamentos e ainda junto aos
consumidores, buscando minimizar os prejuízos causados pelos distúrbios no
sistema de energia. Devido às características deste sistema serem muito
amplas e os fenômenos referentes à QEE não poderem ser analisados como
causas e efeitos isolados em uma determinada área, os pesquisadores
realizam os estudos observando as correlações entre todas elas.
A nova realidade do setor elétrico baseia-se nas necessidades do
mercado e na competição, a qualidade do produto eletricidade é determinada
para os clientes que buscam ter suas necessidades atendidas, para que por
sua vez possam atender às exigências em satisfação e produtividade do
41
mercado. Sendo assim muitas definições, esclarecimentos e soluções ainda
são necessários, o que associado à falta de uma concordância dificulta a
elaboração de uma padronização para as necessidades do sistema elétrico
quanto à QEE.
Todavia, já existem experiências mundiais em normatizações sobre a
QEE, as quais são apresentadas nesta seção.
3.2.1. Normatização: Definição
A normatização desde a antiguidade tem a finalidade de definir, unificar,
simplificar, ou seja, padronizar elementos utilizados nas fabricações de
diversos produtos. Sua importância pode ser constatada em várias atividades
desenvolvidas por pessoas e instituições, como por exemplo, o formato de
papéis, parâmetros para construções, instalações e funcionamento de
equipamentos, etc.
A normatização busca a definição, a unificação e a simplificação, de
forma racional, quer dos produtos acabados, quer dos elementos que se
empregam para produzir, através do estabelecimento de documentos
chamados Normas. O termo definição significa precisar qualitativamente todos
os materiais, objetos e elementos que se utilizam, bem como os próprios
produtos finais. Os termos unificação e simplificação têm em vista a redução,
ao mínimo, das variedades dos materiais, das ferramentas e das operações do
processo produtivo e ainda dos produtos acabados.
As normas definem características de bens ou serviços, tais como os
níveis de qualidade ou de eficiência, a segurança ou as dimensões. Deve
registrar-se que, embora, normalmente a sua aplicação não seja obrigatória, as
normas têm hoje um papel relevante nas relações industriais e comerciais. A
utilização da marca de conformidade com as normas dá, aos consumidores,
uma determinada garantia de qualidade dos respectivos bens ou serviços.
42
3.2.2. Normatização Nacional sobre QEE
3.2.2.1. Obrigatoriedade do uso de normas
As normas brasileiras são desenvolvidas e utilizadas voluntariamente.
Elas tornam-se obrigatórias somente quando explicitadas em um documento de
Poder Público (lei, decreto, portaria, etc.), ou quando citadas em contratos.
Mesmo não sendo obrigatórias, as normas são sistematicamente
adotadas em questões judiciais por conta do inciso VIII do Artigo 39 do Código
de Defesa do Consumidor [17], estabelecendo que:
“É vedado ao fornecedor de produtos ou serviços, dentre outras práticas
abusivas, colocar, no mercado de consumo, qualquer produto ou serviço em
desacordo com as normas expedidas pelos órgãos oficiais competentes ou, se
Normas específicas não existirem, pela Associação Brasileira de Normas
Técnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho Nacional de Metrologia,
Normalização e Qualidade Industrial – CONMETRO”.
3.2.2.2. Entidades Normativas
SINMETRO
O Sistema Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial
(SINMETRO) é o sistema brasileiro que exerce atividades referentes à
metrologia, normatização, qualidade industrial e certificação da conformidade,
sendo formado de entidades públicas e privadas.
O SINMETRO foi instituído pela lei nº 5.966 de 11 de dezembro de 1973
para criar uma infraestrutura de serviços tecnológicos capaz de avaliar e
certificar a qualidade de produtos, processos e serviços através de organismos
de certificação, laboratórios de ensaios e de calibração, organismos de
treinamento, organismos de ensaios de proficiência e organismos de inspeção,
sendo todos eles credenciados junto ao Instituto Nacional de Metrologia,
Normalização e Qualidade Industrial (INMETRO).
43
Uma das atividades do SINMETRO é a de elaborar normas para dar
suporte à regulamentação técnica, facilitar o comércio e fornecer a base para
melhorar a qualidade de processos, produtos e serviços.
Esse sistema tem apoio dos organismos de normatização, os
laboratórios de metrologia científica e industrial e os institutos de metrologia
legal dos estados. Esta estrutura está formada para atender as necessidades
da indústria, do comércio, do governo e do consumidor.
A seguir são elencadas as principais organizações entre as que
compõem o SINMETRO:
 Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial
(CONMETRO) e seus comitês técnicos;
 INMETRO;
 Organismos de Certificação Credenciados (OCC) - Sistemas de
Qualidade, Sistemas de Gestão Ambiental, Produtos e Pessoal;
 Organismos de Inspeção Credenciados (OIC);
 Organismos de Treinamento Credenciados (OTC);
 Organismo Provedor de Ensaio de Proficiência Credenciado (OPP);
 Laboratórios Credenciados – Calibrações e Ensaios (RBC/RBLE);
 Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT);
 Institutos Estaduais de Pesos e Medidas (IPEM);
 Redes Metrológicas Estaduais.
Na área de avaliação da conformidade, o SINMETRO oferece aos
consumidores, fabricantes, governos e exportadores uma infraestrutura
tecnológica baseada em princípios internacionais, considerada de grande
confiabilidade.
Associação Brasileira de Normas Técnicas
(ABNT)
A ABNT é uma entidade privada, sem fins lucrativos e de utilidade
pública, fundada em 1940, é membro fundador da “International Organization
for Standardization” (ISO), da Comissão Panamericana de Normas Técnicas
44
(COPANT) e da Associação Mercosul de Normalização (AMN), sendo
responsável pela gestão do processo de elaboração de normas e certificação
de produtos e sistemas. Tem como missão harmonizar os interesses da
sociedade brasileira, provendo-a de referenciais através da normatização e
atividades afins.
A ABNT é o organismo reconhecido pelo CONMETRO como o fórum
único de normatização no Brasil, em que suas normas podem ser utilizadas
para defesa do mercado nacional e para facilitar o acesso de empresas
brasileiras ao mercado internacional. Neste último caso, a ABNT, por exemplo,
é associada da “International Electrotechnical Commission” (IEC).
As normas brasileiras elaboradas e gerenciadas pela ABNT recebem
prefixo NBR (Norma Brasileira).
Pelo Acordo de Barreiras Técnicas da Organização Mundial do
Comércio (OMC), somente poderão ser estabelecidos requisitos em um
regulamento técnico se estes estiverem de acordo com a norma mundial. O
país tem, portanto, que ter sua própria normatização para levá-la ao
conhecimento da ISO, a fim de influenciar as normas mundiais.
Toda normatização levada à ABNT parte de um trabalho voluntário. A
norma deve ser feita por entidades representativas do setor, ser simples e
manter uma paridade na sua discussão, levando em conta interesses das
diversas áreas da sociedade, dos órgãos governamentais, dos setores públicos
e privados e dos consumidores. Sua aprovação é obtida através de um
consenso entre estas entidades em reuniões ordinárias da ABNT, como
representado na figura 3.1
45
Figura 3.1 – Princípio da Normatização.
A ABNT possui atualmente 54 Comitês Técnicos de Normatização e 4
Organismos de Normatização Setorial, trabalhando em suas respectivas áreas
gerenciando os processos de criação e divulgação de normas.
O Comitê Técnico responsável pela coordenação e participação dos
processos de criação de normas, e certificação de produtos e sistemas, no
contexto referentes aos trabalhos e processos no campo da eletricidade,
eletrônica e telecomunicações é o Comitê Técnico de Normatização em
Eletricidade - CB- 3 [11], o qual compreende a geração, a transmissão e a
distribuição de energia; as instalações elétricas e equipamentos eletro-
eletrônicos, inclusive para atmosferas explosivas; os dispositivos e acessórios
elétricos; a instrumentação; os bens de consumo; os condutores elétricos; a
iluminação; a compatibilidade eletromagnética, no que concerne a terminologia,
requisitos, métodos de ensaio e generalidades.
Para a preparação de uma norma brasileira em eletricidade, o CB-03
executa as fases apresentadas na figura 3.2.
Consenso
Paridade
Representativ idade
Simplificação
Voluntariedade
46
Figura 3.2 – Desenvolvimento de uma norma brasileira
3.2.2.3. Evolução normativa nacional sobre
QEE
No [18] foi feita a primeira citação sobre qualidade de energia,
informando que o suprimento de energia deveria ser entregue de forma
adequada.
O [19], no contexto de continuidade de serviço e [20] sobre os níveis de
tensões de fornecimento e limites de variações de tensão, regulamentando
assim tanto a área técnica quanto a área de qualidade do serviço a serem
seguidas por todas as áreas do sistema elétrico. Estas portarias foram
realizadas devido às muitas reclamações dos consumidores, na década de
1970, referentes à qualidade do fornecimento de energia elétrica quanto às
interrupções. Com base nestas reclamações o Departamento Nacional de
Águas e Energia Elétrica (DNAEE) parametrizou os níveis de tensão e
qualidade de fornecimento de energia elétrica.
Desde então, os índices referentes à continuidade do serviço, que são
utilizados até hoje, permitiram o acompanhamento das durações e quantidades
de faltas de energia.
Na seqüência, o DNAEE escreveu a [21], que estabeleceu os índices de
continuidade de serviço com relação ao suprimento, onde foi descrita a
metodologia a ser utilizada pelas concessionárias para avaliação dos índices
de continuidade de fornecimento de energia.
Sociedade manifesta a necessidade
Comissão de Estudo elabora o Projeto de Norma
Projeto de Norma é submetido a consulta pública
Norma é aprovada e colocada a disposição da
sociedade
47
A Portaria DNAEE [20] foi revisada em 1989, alterando os limites de
variações de tensões para índices mais compatíveis com as tecnologias e
produtos da época, porém não foram estabelecidas penalidades para as
variações fora destes limites.
Após a revisão da [20], muitas discussões foram geradas entre as áreas
do setor elétrico principalmente entre as concessionárias, os fabricantes de
equipamentos e os consumidores. Durante estas discussões houve grande
reivindicação por parte dos consumidores para participar no processo de
definição dos padrões de qualidade de energia. Houve também, grandes
contribuições das instituições de pesquisa nestas discussões, onde os estudos
até então desenvolvidos focavam a influência das cargas dos consumidores e
as influências das cargas não-lineares e seus controles, nos problemas de
qualidade de energia.
Com a globalização da economia mundial, foi notória a necessidade de
um programa que melhorasse a eficiência do setor elétrico. No contexto deste
programa, os índices de continuidade de fornecimento apresentados na [19]
seriam muito importantes. Nesta situação, o DNAEE publicou a [22], onde
regulamentou a criação de um grupo de trabalho para reavaliar os índices
existentes e moldá-los à realidade do país. Os membros deste grupo eram
representantes da ELETROBRÁS, do Comitê Coordenador de Operações do
Norte/Nordeste (CCON), da Associação Brasileira de Concessionários de
Energia Elétrica (ABCE), do Grupo Técnico Operacional da Região Norte
(GTON) e do Comitê de Distribuição (CODI). Este grupo de trabalho, após
estudos na área de qualidade de energia elétrica, apresentou ao DNAEE a
edição da [23], que aumentou a abrangência dos estudos solicitados na [22].
O I Seminário Brasileiro sobre Qualidade de Energia Elétrica (SBQEE)
foi realizado em 1996. Neste seminário foi discutido amplamente o tema, que
levou principalmente a uma grande troca de informações e o alinhamento de
pensamentos entre os diversos pesquisadores da área. Sendo assim, houve
um grande progresso na distribuição e unificação das informações causando
uma melhor interação entre as áreas do setor elétrico, principalmente entre os
fabricantes de equipamentos.
48
Em Janeiro de 1998, ocorreu a emissão do [24] pela Agência Nacional
de Energia Elétrica (ANEEL). Este manual teve a função de apresentar: as
fórmulas para cálculo dos índices de qualidade, as metodologias detalhadas
para obtenção dos parâmetros relacionados e o procedimento de coleta,
transmissão, tratamento e exposição dos dados para as informações
pertinentes.
A Secretaria de Energia do Estado de São Paulo, através da Comissão
de Serviços Públicos de Energia do Estado de São Paulo (CSPE), criou em
1998, um documento conhecido por Qualidade do Fornecimento de Energia
Elétrica – Manual da Implantação da Qualidade, que apresentou uma
metodologia para controlar os parâmetros que influenciam diretamente na
qualidade da prestação do serviço de energia elétrica [24].
O documento apresentado pela CSPE proporcionou as premissas para
formação dos índices de qualidade, pois como pontos principais têm-se os
cálculos dos componentes do sistema em diferentes níveis de agregação
(global, regional, local, por modo de falha, etc.). Houve também um
atendimento às empresas com portes distintos, sendo apresentados novos
indicadores de continuidade e conformidade do suprimento de energia elétrica,
além do índice de satisfação do consumidor.
Num contexto mais atual do setor energético brasileiro ocorreu o
desmembramento de várias empresas vinculadas ao setor elétrico, onde foi
reduzida a força do Estado nas funções empresariais. Daí surgiu constantes
privatizações das empresas existentes e apresentou-se um novo modelo de
instituições especializadas para executar e fiscalizar as funções de regulação,
do planejamento da expansão, da operação e do financiamento do setor. Pode-
se destacar o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) e a ANEEL como
os dois principais órgãos que surgiram, nos últimos anos, diante dos
acontecimentos dinâmicos das empresas vinculadas ao mercado de energia
elétrica.
Com a criação da ANEEL, em 1997, o DNAEE foi extinto, porém a busca
da melhoria da qualidade de energia não cessou e os estudos sobre este tema
ainda são desenvolvidos. A ANEEL em Novembro de 2000 criou a [25] para
49
unificar diversas portarias do DNAEE e atualizar as disposições referentes às
condições gerais do fornecimento de energia elétrica [3]. Esta resolução
unificou as legislações existentes, principalmente as que tratam do
relacionamento entre as áreas do setor elétrico.
A [16] apresentada pela ANEEL em Janeiro de 2000, estabeleceu
disposições referentes à continuidade da distribuição de energia elétrica. Nesta
resolução foram apresentados novos índices de avaliação das interrupções
individuais das unidades consumidoras e esta descreveu os cálculos dos
índices de continuidade individuais e coletivos, as metas de continuidade e a
forma de cálculo das penalidades por variações fora do estabelecido.
A ANEEL, em Novembro de 2001, estabeleceu a [13], onde foram
revisadas as [20] e [26], apresentado as disposições relativas à conformidade
dos níveis de tensão de energia elétrica em regime permanente. Esta
resolução trata em detalhes a classificação das tensões de suprimento, as
fórmulas de cálculo dos indicadores individuais e coletivos, os critérios de
medições e registros dos dados, bem como dos equipamentos de medição e
penalidade pelo fornecimento de um serviço que não esteja adequado ao
estabelecido na mesma.
O ONS trabalhou com vários agentes do setor energético nacional na
elaboração de um Procedimento de Rede, para melhoria e o controle da QEE.
Este documento apresentou os procedimentos e requisitos técnicos que devem
ser utilizados para planejamento, implantação, uso e operação do sistema
elétrico interligado, bem como definiu as responsabilidades dos agentes e do
próprio ONS. As metodologias apresentadas nos Procedimentos de Rede
influenciam diretamente os padrões de qualidade das instalações de
transmissão, distribuição e subtransmissão do setor elétrico. Estes
Procedimentos de rede tiveram sua aprovação por meio da Resolução
Normativa de nº 372 de 05 de agosto de 2009 [27].
O submódulo 2.8 – Gerenciamento dos indicadores de desempenho da
rede básica e de seus componentes, desta [27] tem como objetivo atribuir
responsabilidades e estabelecer princípios e diretrizes ao gerenciamento de
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Tcc qualidade de energia

  • 1. __________________________________________ UFPA______________________________________ Estudo da Importância da Monitoração da Qualidade de Energia Elétrica nos Sistemas de Distribuição Priscila Maciel Pimentel 2º Período/2010 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA TUCURUÍ – PARÁ ______________________________________
  • 2. ii Universidade Federal do Pará Campus Universitário de Tucuruí Faculdade de Engenharia Elétrica Priscila Maciel Pimentel Estudo da Importância da Monitoração da Qualidade de Energia Elétrica nos Sistemas de Distribuição Trabalho de Conclusão de Curso submetido ao colegiado do curso de engenharia elétrica como parte dos requisitos para obtenção de graduado em Engenheiro Eletricista. Tucuruí, junho de 2010
  • 3. iii Estudo da Importância da Monitoração da Qualidade de Energia Elétrica nos Sistemas de Distribuição Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado em 10 de junho de 2010 adequado para a obtenção de grau em Engenheiro Eletricista e aprovado em sua forma final pela banca examinadora que atribuiu o conceito excelente. ________________________________________________ Prof. MSc. Claudomiro Fábio de Oliveira Barbosa Orientador – FEE/ CTUC/ UFPA ____________________________________________ Prof. Dr. João Paulo Abreu Vieira Membro – FEE/ CTUC/ UFPA _____________________________________________ Prof. MSc. Hallan Max Silva Souza Membro – FACET/ UFPA _______________________________________________ Prof. MSc. Cleison Daniel Silva Diretor da Faculdade de Engenharia Elétrica – FEE/ CTUC/ UFPA
  • 4. iv Dedicatória “Dedico este trabalho a Deus por ter me dado sabedoria e a oportunidade de viver de novo, a minha família pelo apoio e incentivo e a todos os meus amigos que estiveram presente nesta etapa de minha vida.”
  • 5. v Agradecimentos A Deus pela nova vida e força para continuar esta caminhada. A meu esposo José Cândido e a minha família pelo apoio e incentivo. Ao meu professor e orientador Claudomiro Fábio de Oliveira Barbosa, pela orientação e apoio. Ao professor Hallan Max pelo apoio neste trabalho. A banca examinadora composta pelos professores Hallan Max e João Paulo. A todos meus amigos que direta ou indiretamente me ajudaram na conclusão deste trabalho.
  • 6. vi Índice Lista de Figuras --------------------------------------------------------------------------------------- ix Lista de Tabelas---------------------------------------------------------------------------------------- x Abreviaturas -------------------------------------------------------------------------------------------xiii Resumo -------------------------------------------------------------------------------------------------xiv Capítulo 1 - Introdução ------------------------------------------------------------------------------1 1.1 Motivação -------------------------------------------------------------------------------------------1 1.2 Objetivo----------------------------------------------------------------------------------------------2 1.3 Estrutura do Trabaho ---------------------------------------------------------------------------3 Capítulo 2 - Qualidade de Energia Elétrica ---------------------------------------------------4 2.1 Introdução-------------------------------------------------------------------------------------------4 2.2 Definição --------------------------------------------------------------------------------------------4 2.3 Fenômenos que caracterizam a Qualidade de Energia-----------------------------7 2.3.1 Transitórios ------------------------------------------------------------------------------------10 2.3.1.1 Impulsivo-------------------------------------------------------------------------------------11 2.3.1.2 Oscilatórios----------------------------------------------------------------------------------13 2.3.2 Variação de Tensão de Longa Duração - VTLD ----------------------------------15 2.3.2.1 Sobretensões-------------------------------------------------------------------------------16 2.3.2.2 Subtensões ---------------------------------------------------------------------------------16 2.3.2.3 Interrupções sustentadas --------------------------------------------------------------17 2.3.3 Variação de Tensão de Curta Duração - VTCD-----------------------------------17 2.3.3.1 Interrupção ----------------------------------------------------------------------------------18 2.3.3.2 Afundamento de tensão ("Sag") -----------------------------------------------------19 2.3.3.3 Elevação de tensão ("Swell") ---------------------------------------------------------21 2.3.4 Desequilíbrio de Tensão ------------------------------------------------------------------22 2.3.5 Distorção na forma de onda -------------------------------------------------------------24 2.3.5.1 DC "Offset" ----------------------------------------------------------------------------------25 2.3.5.2 Harmônicos ---------------------------------------------------------------------------------25 2.3.5.3 Interharmônicos ---------------------------------------------------------------------------29 2.3.5.4 Recorte ("Notching") ---------------------------------------------------------------------30 2.3.5.5 Ruído------------------------------------------------------------------------------------------31 2.3.5.6 Flutuação ------------------------------------------------------------------------------------32
  • 7. vii 2.3.6 Variação na frequência --------------------------------------------------------------------32 2.4 Índices de Continuidade do serviço------------------------------------------------------33 Capítulo 3 - Importância da Monitoração ----------------------------------------------------37 3.1 Por que Monitorar? ----------------------------------------------------------------------------37 3.2 Normatização Nacional e Internacional-------------------------------------------------39 3.2.1 Normatização: Definição ------------------------------------------------------------------41 3.2.2 Normatização Nacional sobre QEE ---------------------------------------------------42 3.2.2.1 Obrigatoriedade do uso de normas -------------------------------------------------42 3.2.2.2 Entidades Normativas -------------------------------------------------------------------42 3.2.2.3 Evolução normativa nacional sobre QEE -----------------------------------------46 3.2.2.4 Parâmetros da QEE no sistema elétrico nacional -----------------------------52 3.2.3 Normatização Internacional sobre QEE ---------------------------------------------59 3.2.3.1 Evolução normativa internacional sobre QEE-----------------------------------60 3.2.3.2 A IEC ------------------------------------------------------------------------------------------64 3.2.3.3 Normas da IEC relacionadas à QEE -----------------------------------------------66 Capítulo 4 - Instrumentos de Monitoração --------------------------------------------------69 4.1 Tipos de instrumentos de monitoração -------------------------------------------------69 4.1.1 Oscilógrafo e analisador de energia CE-3000-------------------------------------72 4.1.2 Analisador de energia MARH - VI------------------------------------------------------74 4.1.3 Multimedidor PowerLogic ION 7650 --------------------------------------------------76 4.1.4 Analisador de energia Minipa ET - 5060---------------------------------------------78 4.1.5 Analisador VEGA 76------------------------------------------------------------------------80 4.2 Sistema de monitoramento -----------------------------------------------------------------84 4.2.1 Descrição física do sistema --------------------------------------------------------------85 4.2.2 Topologia do sistema-----------------------------------------------------------------------85 4.2.3 Metodologia de medição ------------------------------------------------------------------88 4.2.4 Transmissão de dados---------------------------------------------------------------------90 4.2.5 Sistema de gerenciamento ---------------------------------------------------------------91 4.3 Análise e apresentação de medições ---------------------------------------------------92 Capítulo 5 - Programas de Monitoração da Qualidade da Energia Elétrica -----99 5.1 Experiência Internacional--------------------------------------------------------------------99 5.1.1 Experiência Canadense -------------------------------------------------------------------99 5.1.2 Experiência Americana ------------------------------------------------------------------ 107 5.1.3 Experiência Espanhola ------------------------------------------------------------------ 111
  • 8. viii 5.2 Experiência Nacional------------------------------------------------------------------------ 114 5.2.1 Programa de Monitoração da COELCE ------------------------------------------- 114 5.2.2 Programa de Monitoração da CELPE ---------------------------------------------- 125 5.2.3 Programa de Monitoração da CPFL ------------------------------------------------ 133 5.2.4 Programa de Monitoração da CELPA ---------------------------------------------- 139 5.3 Indicações de aplicação de um Programa de Monitoração em Parauapebas---------------------------------------------------------------------------------------- 143 5.4 Considerações finais------------------------------------------------------------------------ 155 Capítulo 6 - Conclusões------------------------------------------------------------------------- 157 6.1 Comentários finais --------------------------------------------------------------------------- 157 6.2 Sugestões de trabalhos futuros --------------------------------------------------------- 159 Referências Bibliográficas ---------------------------------------------------------------------- 160
  • 9. ix Lista de Figuras Figura 2.1 Transitório impulsivo de corrente causado por raio ----------------------12 Figura 2.2 Transitório impulsivo em p.u.-----------------------------------------------------12 Figura 2.3 Transitório oscilatório devido a chaveamento de capacitor ------------13 Figura 2.4 Transitório oscilatório de baixa freq. causado por energização de banco de capacitor ----------------------------------------------------------------------------------14 Figura 2.5 Transitório oscilatório de baixa frequência causado por ferroresonância de um transformador sem carga ----------------------------------------15 Figura 2.6 Forma de onda de “Brownout” ---------------------------------------------------16 Figura 2.7 Variação do valor RMS para interrupçao momentânea -----------------19 Figura 2.8 Afundamento de Tensão Sag ----------------------------------------------------20 Figura 2.9 Variação do valor RMS para um “Swell” -------------------------------------22 Figura 2.10 Desequilíbrio na fase B de 2%-------------------------------------------------24 Figura 2.11 Representação da série de Fourier para uma onda distorcida -----26 Figura 2.12 Forma de onda da tensão em uma fase ------------------------------------27 Figura 2.13 Espectro de frequência de lâmpada de vapor de sódio ---------------28 Figura 2.14 Sinal de Tensão e Corrente da Lâmpada de vapor de sódio--------28 Figura 2.15 Espectro de potência de um forno de indução ---------------------------30 Figura 2.16 Tensão Notching causada pela operação de conversores -----------31 Figura 2.17 Ruído elétrico superposto na forma de onda da tensão em p.u. ---31 Figura 2.18 Flutuação da tensão em p.u. ---------------------------------------------------32 Figura 2.19 Variação da frequência na forma de onda da tensão ------------------32 Figura 2.20 Média do índice de continuidade DEC por região (ano 2009) ------35 Figura 2.21 Média do índice FEC por região (ano 2009) ------------------------------35 Figura 2.22 Conta de energia elétrica com índices de continuidade---------------36 Figura 3.1 Princípio da Normatização --------------------------------------------------------45 Figura 3.2 Desenvolvimento de uma norma brasileira----------------------------------46 Figura 3.3 Faixas de limites de tensão-------------------------------------------------------53 Figura 3.4 Curva da ITIC revisada no ano 2000 ------------------------------------------62 Figura 3.5 Marca de Certificação CE ---------------------------------------------------------63 Figura 3.6 Marca de Certificação C-tick -----------------------------------------------------63 Figura 3.7 Marca de Certificação INMETRO -----------------------------------------------64 Figura 3.8 Organograma da IEC ---------------------------------------------------------------65
  • 10. x Figura 4.1 Estrutura do instrumento CE - 3000 -------------------------------------------72 Figura 4.2 Analisador de energia MARH - VI ----------------------------------------------75 Figura 4.3 Multimedidor PowerLogic ION 7650 -------------------------------------------77 Figura 4.4 Analisador ET - 5060----------------------------------------------------------------79 Figura 4.5 Analisador VEGA 76 ----------------------------------------------------------------81 Figura 4.6 Topologia - célula de monitoramento------------------------------------------86 Figura 4.7 Detalhamento do núcleo da célula de monitoramento-------------------86 Figura 4.8 Topologia servidor de dados -----------------------------------------------------86 Figura 4.9 Assuntos envolvidos ao "Data Mining"----------------------------------------88 Figura 4.10 Afundamento de tensão registrado por um medidor nas 3 fases --92 Figura 4.11 Interrupção de tensão registrada por um programa de QEE --------93 Figura 4.12 Sobretensão registrada por um programa de QEE ---------------------93 Figura 4.13 Espectro de desequilíbrio de tensão medido na Subestação---- ---94 Figura 4.14 Ambiente gráfico do programa -------------------------------------------------94 Figura 4.15 Distorção harmônica registrada no motor de indução a vazio ------95 Figura 4.16 Espectros harmônicos de tensão e da corrente obtidos de um motor-----------------------------------------------------------------------------------------------------95 Figura 4.17 Perfil de DHT de tensão e corrente por fase de um trafo -------------96 Figura 4.18 Afundamento de tensão em uma indústria (ponto B) ------------------96 Figura 5.1 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD por mês na indústria----------------------------------------------------------------------------------------------- 101 Figura 5.2 Porcentagem de sítios X nº médio de VTCD por mês por sítio----- 101 Figura 5.3 Porcentagem cumulativa de VTCD versus nº médio VTCD por mês/ sítio ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 102 Figura 5.4 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD/mês/ sítio 120/208V --------------------------------------------------------------------------------------------- 103 Figura 5.5 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD/mês/ sítio 347/600V --------------------------------------------------------------------------------------------- 103 Figura 5.6 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD/ mês/ sítio em comércio---------------------------------------------------------------------------------------------- 104 Figura 5.7 Porcentagem Cumulativa VTCD X nº médio VTCD/ mês/ sítio----- 104 Figura 5.8 Histograma da DHTV de umas 3 semanas de monitoração--------- 108 Figura 5.9 Histograma das interrupções e o total de VTCD ------------------------ 109 Figura 5.10 Histograma das durações dos VTCD e “Swells”----------------------- 110
  • 11. xi Figura 5.11 Ligação do 3720 ACM à Estação via Modem e rede telefônica -- 115 Figura 5.12 Localização dos pontos de monitoramento da COELCE em Fortaleza---------------------------------------------------------------------------------------------- 119 Figura 5.13 Localização dos pontos de monitoramento da COELCE no interior do Ceará---------------------------------------------------------------------------------------------- 120 Figura 5.14 Valores máximos de desequilíbrio por subestação monitorada -- 121 Figura 5.15 Percentual de 95% da DHTV por subestação -------------------------- 122 Figura 5.16 Percentual de 95% de 5ª harmônica por subestação ---------------- 122 Figura 5.17 Valor correspondente à probabilidade acumulada de 95% -------- 127 Figura 5.18 Tela com os indicadores DV95d para Subestação Piedade para uma semana ---------------------------------------------------------------------------------------- 130 Figura 5.19 Tela com os indicadores DV95d para Subestação Piedade------- 132 Figura 5.20 Tela com números de ocorrências por fase e faixa de duração -- 132 Figura 5.21 Arquitetura do sistema de Gestão da Qualidade de energia ------ 134 Figura 5.22 Sistema de Gestão--------------------------------------------------------------- 135 Figura 5.23 Diagrama físico do sistema de monitoramento da Qualidade de energia ------------------------------------------------------------------------------------------------ 140 Figura 5.24 Tela de abertura do Programa “Softcom” -------------------------------- 141 Figura 5.25 Sistema de monitoramento em projeto piloto --------------------------- 142 Figura 5.26 Programa “Softcom” ------------------------------------------------------------- 143 Figura 5.27 Mapa do município de Parauapebas -------------------------------------- 144 Figura 5.28 Vista aerea do município de Parauapebas, ano 2009 --------------- 144 Figura 5.29 Indicadores de Continuidade mensal (Ano 2009) --------------------- 145 Figura 5.30 Média dos indicadores de Continuidade de Fornecimento de energia, ano 2009 --------------------------------------------------------------------------------- 146 Figura 5.31 Indicador de continuidade DEC, ano 2009 ------------------------------ 146 Figura 5.32 Indicador de continuidade FEC, ano 2009 ------------------------------- 147 Figura 5.33 Foto da subestação de Parauapebas ------------------------------------- 148 Figura 5.34 Empresa RIP Serviços Industriais ------------------------------------------ 149 Figura 5.35 Empresa Integral Construções e Comércio ----------------------------- 149 Figura 5.36 Motor queimado por sobretensão ------------------------------------------- 150 Figura 5.37 Pontos de monitoramento sugerido ---------------------------------------- 152 Figura 5.38 Detalhes da instalação de um analisador de energia ---------------- 153 Figura 5.39 Topologia da rede de monitoramento ------------------------------------- 154
  • 12. xii Lista de Tabelas Tabela 2.1 Categorias e características de fenômenos eletromagnéticos--------9 Tabela 2.2 Sequência dos componentes harmônicos ----------------------------------26 Tabela 4.1 Resumo dos fenômenos e equipamentos de monitoramento--------95 Tabela 5.1 Resultados de um caso real para ilustrar o conceito de VTCD incidente ---------------------------------------------------------------------------------------------- 102 Tabela 5.2 Quadro resumo dos indicadores de qualidade de energia elétrica na COELCE---------------------------------------------------------------------------------------------- 121 Tabela 5.3 Indicadores diários de probabilidade do parâmetro P de tensão-- 125 Tabela 5.4 Indicadores semanais de máximo dos índices diários do Parâmetro P de tensão------------------------------------------------------------------------------------------ 125 Tabela 5.5 Indicadores para cada local monitorado para um ano ---------------- 126 Tabela 5.6 Indicadores para conjunto de locais monitorados para um ano --- 127 Tabela 5.7 Resumo dos resultados de 12 subestações------------------------------ 134 Tabela 5.8 Dados da Subestação de Parauapebas ----------------------------------- 144
  • 13. xiii Abreviaturas ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica IEC - International Electrotechnical Commission IEEE - Institute Electrical and Electronics Engineers ITU - International Telecommunication Union ISO - International Organization for Standardization WTO - World Trade Organization (Organização Mundial do Comércio) TBT - Technical Barriers to Trade (Acordo de Barreiras Técnicas) ANSI - American National Standards Institute NEMA - National Electrical Manufactureis Association ITIC - Information Technology Industry Council CBEMA - Computer and Business Equipment Manufacturers Association DEC - Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora FEC - Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora DIC - Duração de Interrupção por Unidade Consumidora FIC - Frequência de Interrupção por Unidade Consumidora DMIC - Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora
  • 14. xiv Resumo O presente trabalho no primeiro momento faz um estudo sobre a qualidade de energia elétrica, bem como apresentando suas diversas definições, sua importância e os fenômenos que a afetam, além de seus indicadores de continuidade de fornecimento. Em um segundo momento é mostrado a evolução da normatização nacional e internacional, os diferentes tipos de instrumentos, rede de monitoração, análise e apresentação de dados, isto é, o funcionamento de um sistema de monitoramento da qualidade de energia. Em um terceiro momento é apresentado os diferentes programas de monitoração implantados tanto a nível nacional como internacional. No quarto e último momento é feito um estudo sobre os distúrbios de energia elétrica no município de Parauapebas no estado do Pará, bem como motivações para a implantação de um sistema de monitoramento da qualidade de energia elétrica no pólo industrial desta cidade, em virtude do fornecimento de energia elétrica estar com qualidade inadequada. A indicação de um programa de monitoração da qualidade de energia elétrica que será apresentado neste trabalho é de grande importância para a concessionária de energia elétrica local. Pois a determinação de indicadores que expressem a qualidade de energia nos pontos de conexão com a distribuidora, e em pontos estratégicos do ponto de vista da qualidade, permite estabelecer relações de causa – efeito que podem subsidiar ações de caráter preventivo ou corretivo para operação do sistema elétrico ou mesmo no planejamento da operação e expansão do sistema elétrico.
  • 15. 1 Capítulo 1 Introdução “O temor do Senhor é o princípio da sabedoria”. (Sl 111.10). 1.1.Motivação O principal interesse pela Qualidade de Energia Elétrica está na procura do aumento da produtividade e melhores condições de vida pelos consumidores, pois a disponibilidade da energia elétrica representa um incremento na qualidade de vida das populações. Num primeiro momento em que se implanta um sistema de distribuição de energia elétrica, a população local imediatamente passa a constar com inúmeros benefícios, tanto do ponto de vista de maior conforto doméstico como de melhores possibilidades de emprego e produção. À medida que os benefícios da energia elétrica passam a fazer parte do dia-a-dia das pessoas, é natural que se inicie um processo de discussão quanto à qualidade do produto. Numa análise inicial preocupa-se com a continuidade do serviço, já que fica evidente que qualquer interrupção do fornecimento implicará em transtornos de toda ordem. A questão da qualidade da energia elétrica como um produto comercial, não é tão evidente quando não há interrupções. Isso normalmente só é percebido de forma um pouco difusa, através de falhas de funcionamento em alguns equipamentos, principalmente os mais sofisticados. A monitoração do sistema elétrico representa um importante procedimento para a avaliação da qualidade da energia elétrica, essencial para se obter os elementos necessários para o diagnóstico dos problemas nesta área, o conhecimento das características de sensibilidade dos equipamentos dos consumidores e, sobretudo para a determinação de alternativas de soluções dos problemas.
  • 16. 2 As principais vantagens da implantação de sistemas para o monitoramento da qualidade da energia elétrica, principalmente no setor industrial de processos contínuos de produção e serviços, são: a possibilidade de avaliar os indicadores das cargas perturbadoras; o monitoramento das cargas sensíveis, como motores, dispositivos de controle e automação e microcomputadores; e a fácil detecção dos distúrbios provenientes do sistema elétrico da concessionária. Além do fato de que permite reduzir todos os custos envolvidos em interrupções forçadas, e aqueles ocasionados por perdas na instalação, desgaste e redução da vida útil dos equipamentos importantes. 1.2.Objetivos O presente trabalho tem por objetivos:  Definir a expressão qualidade da energia elétrica, bem como apresentar os principais fenômenos que a afetam;  Apresentar a importância da monitoração da qualidade da energia elétrica no sistema elétrico de distribuição, bem como nas indústrias. Mostrar como vem sendo tratado este termo em nível de normatização nacional e internacional;  Apresentar alguns tipos de instrumentos de monitoração e um tipo de sistema de monitoração, bem como mostrar alguns exemplos de registros e análise de dados de alguns programas de monitoração;  Propor indicações de implantação de um programa de monitoração da qualidade da energia elétrica na cidade de Parauapebas, apresentando a importância da monitoração dos indicadores que expressam a qualidade da energia elétrica no sistema elétrico de distribuição e principalmente nas indústrias.
  • 17. 3 1.3.Estrutura do Trabalho de Conclusão de Curso Neste primeiro capítulo são apresentados os principais objetivos e motivação buscados neste trabalho, os quais englobam a importância do tema discutido, ressaltando os benefícios de um programa de monitoração contínua da qualidade da energia para a prestação de um serviço de melhor qualidade aos consumidores. No segundo capítulo são abordadas as diversas definições do assunto Qualidade de Energia Elétrica, além de se fazer uma discussão sobre os principais fenômenos que afetam a qualidade da energia elétrica, sendo também apresentados os índices de continuidade do serviço. A importância da monitoração da qualidade de energia elétrica e sua normatização nacional e internacional são apresentadas no terceiro capítulo. O quarto capítulo apresenta os tipos de instrumentos utilizados para monitorar, as redes de monitoração e seu funcionamento, e alguns exemplos de monitoração, nos quais são apresentados os dados e suas análises. O quinto capítulo apresenta a experiência com alguns programas de monitoração da qualidade de energia elétrica com aplicação tanto nacional como internacional. Neste capítulo também é apresentada as indicações da aplicação de um programa de monitoração no município de Parauapebas, Estado do Pará. No sexto e último capítulo são apresentadas as principais conclusões tiradas deste trabalho, além das sugestões para trabalhos futuros.
  • 18. 4 Capítulo 2 Qualidade de Energia Elétrica “A preguiça é a mãe do progresso. Se o homem não tivesse preguiça de caminhar, não teria inventado a roda.” Mário Quintana 2.1.Introdução Este capítulo apresentará inicialmente a definição de Qualidade de Energia Elétrica (QEE), bem como o aumento do interesse por este tema. Seguindo a seqüência serão apresentados e classificados os principais fenômenos associados a esta, sejam estes distúrbios ou variações em regime permanente tais como transitórios, variações de curta e longa duração, desequilíbrio de tensão, distorção de forma de onda e outros, os quais se caracterizam como problemas de qualidade de energia, de acordo com as normas internacionais, principalmente a [1] e a [2] e a norma nacional através do [3]. Para cada fenômeno de qualidade de energia serão citados as principais causas e seus efeitos no sistema de energia e nas cargas conectadas ao sistema. As definições apresentadas neste capítulo servirão de base para os capítulos seguintes, tanto em relação à importância da monitoração quanto para os programas utilizados para monitorar. 2.2.Definição A expressão Qualidade da energia elétrica (“Power Quality”) pode ser definida como a disponibilidade de energia elétrica com forma de onda senoidal pura, sem alterações na amplitude, emanando de uma fonte de potência infinita. Deste ponto de vista, pode-se caracterizar como um problema de qualidade de energia qualquer distúrbio ou ocorrência manifestada nos níveis
  • 19. 5 de tensão, nas formas de onda de tensão ou corrente que possam resultar em insuficiência, má operação, falha ou defeito permanente em equipamentos de um sistema elétrico. Assim, pode-se dizer que qualidade da energia elétrica é a ausência relativa de variações de tensão e freqüência provocadas pelo sistema elétrico da concessionária, isto é, particularmente a ausência de desligamentos, flutuações de tensão, surtos e harmônicos, os quais são medidos no ponto de entrega da energia. No Brasil, segundo entendimento da [3], a qualidade de energia elétrica engloba tanto a qualidade de produto quanto a qualidade de serviço. A primeira está relacionada aos fenômenos de qualidade de energia (conformidade), enquanto a segunda diz respeito à confiabilidade, através de indicadores de continuidade. Atualmente no Brasil, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) verifica a qualidade de atendimento das concessionárias através de indicadores de continuidade. Os indicadores de continuidade globais regulamentados são o DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) e o FEC (Freqüência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora), enquanto que os indicadores de continuidade individuais são o DIC (Duração de Interrupção por Unidade Consumidora), FIC (Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora) e o DMIC (Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora). As metas destes indicadores a serem observados pelas concessionárias são estabelecidas nos Contratos de Concessão com a ANEEL, como revisões periódicas. Caso estes índices não sejam cumpridos são aplicadas penalidades às concessionárias [4]. Segundo o atual presidente da ANEEL, Jerson Kelman, a agência estuda implementar um método de cálculo das tarifas diferenciadas entre clientes de uma mesma distribuidora dentro de uma mesma faixa de tensão: “Estamos estudando se o nível de qualidade do atendimento pode ou não ser importante para definição da tarifa”, diz. Dois novos critérios estão em estudo na ANEEL, no primeiro, consumidores de áreas com serviços inferiores
  • 20. 6 pagariam tarifa menor. No segundo, deveria haver uma universalização dos serviços, ou seja, qualidade idêntica para todos os consumidores [5]. A seguir são mensuradas algumas causas relacionadas à qualidade da energia elétrica: i. Novas tecnologias implementadas nos sistemas de geração. O controle microprocessado e os dispositivos de eletrônica de potência são mais sensíveis às variações na qualidade de energia, do que os equipamentos antes utilizados; ii. O aumento da eficiência no sistema como um todo faz crescer o número de aplicações que reduzem perdas, como equipamentos com alta eficiência, dispositivos de controle de velocidade de motores e a instalação de banco de capacitores para a correção do fator de potência. Este fato tem como conseqüência um aumento nos níveis de harmônicos nos sistemas de energia, trazendo consigo preocupações sobre os impactos futuros da capacidade dos sistemas; iii. Os consumidores estão mais conscientes sobre o assunto qualidade de energia, desafiando as empresas do setor elétrico a melhorarem o nível de qualidade da energia fornecida aos consumidores; iv. Muitos sistemas, não só elétricos, estão interconectados em rede. Processos integrados significam que uma falha em um componente tem maiores conseqüências. Para [6] e [7], o uso de equipamentos mais sensíveis a distúrbios, tanto pelos consumidores como pelos produtores do sistema de energia, tem aumentado o interesse pela qualidade de energia. Outro fator que contribui para as discussões na área de QEE, é que os problemas em uma peça ou equipamento geram um problema cada vez mais severo, tendo em vista o contínuo aumento das interconexões entre a rede de energia e os processos industriais. Embora um sistema de energia seja projetado para fornecer tensões senoidais de suprimento perfeitamente equilibradas, com amplitude e freqüência constantes, na realidade tal configuração não existe. Pois embora a tensão gerada seja muito próxima da onda senoidal, a própria operação de
  • 21. 7 transmissão e distribuição de energia e o seu uso pelos consumidores causam distorções das condições ideais de fornecimento, prejudicando a qualidade da energia. A qualidade de energia elétrica não pode ser completamente controlada pelas empresas de energia elétrica, pois os sistemas de energia são bastante susceptíveis aos fenômenos naturais (descargas atmosféricas, vendaval, etc.), e também aqueles inerentes à própria operação do sistema, como curto-circuito causado por defeitos do equipamento, vandalismo, queimadas embaixo das linhas de transmissão, etc. Tais distúrbios são muito difíceis, senão impossíveis de controlar. Um dos mais importantes parâmetros que afetam a qualidade de energia elétrica está relacionado à sensibilidade dos equipamentos dos consumidores, tal fato comprova que a qualidade de energia elétrica depende tanto das empresas fornecedoras de energia elétrica quanto dos consumidores e também dos fabricantes de equipamentos. 2.3.Fenômenos que caracterizam a Qualidade de Energia Elétrica. Define-se como fenômeno de qualidade de energia elétrica qualquer ação ou distúrbio que produz resultados indesejados para a carga conectada ao sistema [8]. Como se sabe, entretanto, um amplo espectro de fenômenos eletromagnéticos está presente no cotidiano desses sistemas elétricos. Um problema de qualidade de energia é um conjunto destes eventos. A característica do fenômeno de qualidade de energia identifica o tipo de problema de qualidade de energia elétrica. Os sistemas de suprimento de energia elétrica são projetados para fornecer um adequado e confiável suprimento de tensão que satisfaça as necessidades de todos os usuários. Normalmente os sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia são sujeitos a inesperadas variações momentâneas, naturais ou provocadas pelo homem. Como resultado, o sistema elétrico irá experimentar certas perturbações de tensão.
  • 22. 8 Perturbações de tensão podem ser problemas para certos usuários com equipamentos sensíveis se elas causam perdas ou dados espúrios, disparos falsos, ou falha no equipamento. Muitas dessas perturbações são geradas por:  Equipamentos nas próprias instalações do usuário;  Eventos sobre o sistema da distribuidora de energia, tais como raios e chaveamentos de equipamentos;  Equipamentos de outros usuários sobre circuitos adjacentes. Perturbações no sistema de energia são aumentos ou diminuições na tensão ou na freqüência do sistema, além do que é considerado tolerância normal. As mudanças na tensão podem ir da completa perda desta, com duração de segundos, minutos, ou até mesmo horas, a altas magnitudes, impulsos de curta duração de 50 ou mais vezes a tensão normal do sistema não durando mais que uns poucos milésimos de segundo. Algumas dessas perturbações podem ter um efeito indesejável sobre os equipamentos conectados ao sistema de energia, incluindo os dispositivos de proteção. O IEEE, através da [2] (práticas recomendadas na monitoração da qualidade de energia elétrica), classifica os fenômenos eletromagnéticos observados na qualidade de energia elétrica, conforme a tabela 2.1.
  • 23. 9 Tabela 2.1 – Categorias e Características Típicas de Fenômenos Eletromagnéticos em Sistemas de Energia Elétrica [2]. Categorias Espectro típico Duração típica Tensão típica 1. Transitórios 1.1 Impulsivos 1.1.1 Nanossegundos 5ns ascensão < 50ns 1.1.2 Microssegundos 1µs ascensão 50ns – 1ms 1.1.3 Milissegundos 0,1ms ascensão > 1ms 1.2 Oscilatórios 1.2.1 Baixa Freqüência < 5 kHz 0,3 – 50ms 0 – 4 p.u. 1.2.2 Média Freqüência 5 – 500 kHz 20µs 0 – 8 p.u. 1.2.3 Alta Freqüência 0,5 – 5 MHz 5µs 0 – 4 p.u. 2.Variações de Tensão de Curta Duração 2.1 Instantâneas 2.1.1 Sag (Afundamento) 0,5 – 30 ciclos 0,1 – 0,9 p.u. 2.1.2 Swell (Elevação) 0,5 – 30 ciclos 1,1 – 1,8 p.u. 2.2 Momentâneas 2.2.1 Interrupção 0,5 ciclos – 3s < 0,1 p.u. 2.2.2 Sag ( Afundamento) 30 ciclos – 3s 0,1 – 0,9 p.u. 2.2.3 Swell (Elevação) 30 ciclos – 3s 1,1 – 1,4 p.u. 2.3 Temporárias 2.3.1 Interrupção 3s – 1 min < 0,1 p.u. 2.3.2 Sag (Afundamento) 3s – 1 min 0,1 – 0,9 p.u. 2.3.3 Swell (Elevação) 3s – 1 min 1,1 – 1,2 p.u. 3. Variações de Tensão de Longa Duração 3.1 Interrupção Sustentada > 1 min 0,0 p.u. 3.2 Subtensão > 1 min 0,8 – 0,9 p.u. 3.3 Sobretensão > 1 min 1,1 – 1,2 p.u. 4.Desequilíbrio de Tensão Estado Estacionário 0,5 – 2% 5.Distorção da Forma de Onda 5.1 DC Offset Estado Estacionário 0 – 0,1% 5.2 Harmônicas Estado Estacionário 0 – 20% 5.3 Interharmônicas Estado Estacionário 0 – 2% 5.4 Notching (Corte de Tensão) Estado Estacionário 5.5 Ruído Estado Estacionário 0 – 1% 6.Flutuação de Tensão Intermitente 0,1 – 7% 7.Variação de Freqüência < 10s
  • 24. 10 Para [6] e [7], [9] e [10] as variações de qualidade de energia que podem causar problemas em cargas sensíveis dividem-se em dois grupos básicos: distúrbios e variações em regime permanente. O primeiro é detectado quando ocorrem anomalias na tensão ou corrente, tais como tensões transitórias e variações na tensão eficaz. O segundo, que inclui distorção harmônica e variações normais na tensão eficaz, é monitorado a todo o instante, e causa problemas ao ultrapassar limites técnicos. Dentre os distúrbios de qualidade de energia elétrica, destacam-se como principais:  Sobretensões transitórias (transitório impulsivo e transitório oscilatório);  Oscilações de tensão (“sag”, “swell”, sobretensões, subtensões e interrupções);  Distorções da forma de onda (“DC offset”, harmônicos, interharmônicos, “notching” e ruído);  Flutuação de tensão (“flicker”);  Desequilíbrio de tensão;  Variações de freqüência. No Brasil, o “sag” também é definido como afundamento de tensão, enquanto que o “swell” é conhecido por elevação de tensão. As Variações de Tensão de Curta Duração (VTCD), que incluem além dos afundamentos e elevações, as interrupções. 2.3.1. Transitórios O termo transitório tem sido usado na análise de sistemas de energia para caracterizar eventos de natureza momentânea. Isto é, desvios momentâneos indesejados na tensão de fornecimento ou na corrente de carga. Os transitórios são sinais com duração finita, ou seja, referem-se ao aumento ou diminuição repentina da tensão ou corrente, que freqüentemente se dissipam rapidamente [11].
  • 25. 11 Transitórios podem ser gerados externa e internamente. Os transitórios externos são aqueles gerados fora das instalações elétricas e levados para dentro das instalações pelos condutores da rede. Enquanto os transitórios internos são gerados dentro das instalações pelo próprio equipamento do usuário. Os transitórios se caracterizam como fenômenos de alta freqüência, pois apresentam componentes de tensão acima da freqüência fundamental, sendo suas principais características:  Os picos no nível de tensão;  Conteúdo de energia (área compreendida pelo sinal);  A razão de mudança da tensão com o tempo (tempo de subida dv/dt);  Ângulo de fase (local da ocorrência na senóide);  Freqüência de ocorrência. As principais fontes de distúrbios de alta freqüência podem ser causadas por sobretensões transitórias, tais como chaveamento de cargas, operação de relés e contatores, chaveamento de capacitores para correção do fator de potência e descargas atmosféricas nas proximidades da rede elétrica. Os transitórios podem ser classificados em duas categorias: impulsivo e oscilatório, os quais se refletem nas formas de onda da tensão ou da corrente. 2.3.1.1. Impulsivos Um transitório impulsivo é caracterizado por uma mudança repentina nas condições de estado permanente da tensão, corrente ou ambas, sem alteração da freqüência, com polaridade unidirecional (positiva ou negativa). Os transitórios impulsivos possuem um tempo de subida e um tempo de decaimento. A causa mais comum dos transitórios impulsivos são as descargas atmosféricas, devido à alta freqüência, sendo estes amortecidos rapidamente em decorrência da resistência presente nos componentes dos sistemas de transmissão e distribuição que restringem a sua propagação, pois amortecem
  • 26. 12 as correntes transitórias. A figura 2.1 mostra um típico transitório impulsivo de corrente causado por um raio. Figura 2.1 – Transitório impulsivo de corrente causado por raio. Os principais problemas causados pelas correntes devido a transitórios impulsivos são a elevação do potencial de terra local (em relação a outros pontos de terra) em vários kilovolts e a introdução de altas tensões nos condutores fase, quando as correntes passam pelos cabos a caminho da terra. Outros impactos podem ser falhas em transformadores, em pára-raios e danos a equipamentos dos consumidores, devido à reflexão na baixa tensão. Por ser um fenômeno de alta freqüência, o formato do transitório impulsivo pode mudar rapidamente devido aos componentes do circuito, e até mesmo possuir características significativamente diferentes ao ser observado em posições distintas do sistema de energia, conforme mostra a figura 2.2. Figura 2.2 – Transitório impulsivo em p.u.
  • 27. 13 Na maioria dos casos, as sobretensões transitórias não são conduzidas para longe do ponto onde tiveram origem, entretanto, em algumas situações podem ser conduzidas por distâncias consideráveis, pelas linhas de transmissão. Transitórios impulsivos podem excitar circuitos ressonantes no sistema de energia e produzir um transitório oscilatório. 2.3.1.2. Oscilatórios Um transitório oscilatório é ocasionado por uma rápida mudança nas condições de regime permanente da onda de tensão e/ou corrente, sem alteração da freqüência por uma onda que contenha as duas polaridades e alternam suas amplitudes rapidamente (negativa e positiva). A causa mais comum de um transitório oscilatório é o chaveamento de banco capacitores para a correção do fator de potência. A figura 2.3 ilustra a corrente resultante do chaveamento “back-to-back” de um capacitor Figura 2.3 – Transitório oscilatório devido ao chaveamento de um capacitor. Os transitórios oscilatórios de alta freqüência são aqueles em que a componente de freqüência principal é maior que 500 kHz possuem uma duração típica mensurada em microssegundos (ou alguns ciclos da freqüência principal). Para estes a causa principal é a resposta do sistema local a um transitório impulsivo, pois o sinal irradiado pode atingir equipamentos eletrônicos sensíveis.
  • 28. 14 Um transitório que apresenta freqüência entre 5 e 500 kHz com duração medida em décimos de microssegundos (ou alguns ciclos da freqüência fundamental) é denominado de transitório oscilatório de média freqüência. Transitórios com componente de freqüência principal menor do que 5 kHz, e duração de 0,3 a 50 milissegundos são considerados transitórios de baixa freqüência. Esta categoria de fenômenos é freqüentemente encontrada nos sistemas de subtransmissão e distribuição e são causados por diversos tipos de eventos. Sendo o mais freqüente a energização de banco de capacitores, o qual normalmente resulta em transitórios oscilatórios de tensão com freqüência principal entre 300 e 900 Hz, conforme apresentado na figura 2.4. A magnitude máxima pode aproximar-se de 2,0 p.u., mas os valores típicos são entre 1,3 e 1,5 p.u., com duração entre 0,5 e 3 ciclos, dependendo do amortecimento do sistema [12]. Figura 2.4 – Transitório oscilatório de baixa freqüência causado por energização de banco de capacitores. Em sistemas de distribuição também são encontrados transitórios oscilatórios com freqüência fundamental menor que 300 Hz. Geralmente, estes transitórios estão associados com ferroressonância, energização de transformadores e capacitores em série. Este último ocorre quando o sistema responde por ressonância, com os componentes de baixa freqüência das correntes drenadas pelos transformadores (segunda e terceira harmônicas) ou quando condições não usuais resultam em ferroressonância. A figura 2.5 ilustra um transitório de baixa freqüência por ferroresonância de um transformador sem carga.
  • 29. 15 Figura 2.5 – Transitório oscilatório de baixa freqüência causado por ferroresonância de um transformador sem carga. É importante comentar ainda, que as tensões transitórias causadas por raios ou operações de chaveamento podem resultar em degradação ou falha dielétrica imediata em todas as classes de equipamentos. A alta magnitude e o rápido tempo de subida contribuem para quebrar a isolação de equipamentos elétricos como máquinas rotativas, transformadores, capacitores, cabos, transformadores de corrente (TC’s), transformadores de potencial (TP’s), e chaves de distribuição. Ademais, a aplicação de transitórios de baixa magnitude, repetidamente, a esses tipos de equipamentos, causa lenta degradação e eventual falha de isolação, diminuindo o tempo médio entre falhas do equipamento. Em equipamentos eletrônicos as falhas nos componentes da fonte de alimentação, podem resultar de um único transitório de magnitude relativamente modesta. 2.3.2. Variações de Tensão de Longa Duração (VTLD) As variações de tensão de longa duração englobam variações do valor eficaz da tensão durante um tempo superior a 1 minuto, conforme apresentado na tabela 2.1. Portanto, são consideradas como distúrbios de regime permanente. Comumente, estas variações estão associadas a variações de carga ou a perda de interligações no sistema elétrico. As variações de longa duração são classificadas como interrupções sustentadas, sobretensões e subtensões, dependendo da causa da variação. Geralmente, sobretensões e subtensões não são resultados de faltas no
  • 30. 16 sistema, e sim das variações de carga e operações de chaveamento no sistema. Estas são caracterizadas pela variação da tensão RMS no tempo. 2.3.2.1. Sobretensões Sobretensão é o aumento no valor eficaz RMS da tensão em corrente alternada (CA), maior que 110% na freqüência do sistema e de duração maior que 1 minuto (tabela 2.1). Normalmente são conseqüências de chaveamento de cargas, desligamento de grandes cargas e de ajustes incorretos nos tap’s de transformadores de distribuição. As sobretensões também podem resultar de variações na compensação de reativos no sistema (introdução de bancos de capacitores). Além disso, um deficiente controle ou regulação de tensão do sistema pode originar às sobretensões. 2.3.2.2. Subtensões A subtensão apresenta características contrárias à sobretensão, podendo ser caracterizada pelo decréscimo no valor eficaz da tensão de corrente CA, abaixo de 90% na freqüência do sistema e com duração maior que 1 minuto (tabela 2.1). O termo “Brownout” é utilizado com freqüência para caracterizar um período de subtensão sustentada (figura 2.6). Figura 2.6 – Forma de onda de “Brownout”. A subtensão é causada por eventos como: carregamento excessivo de circuitos alimentadores devido às quedas de tensão inerentes ao sistema;
  • 31. 17 chaveamento de bancos de capacitores; sobrecargas de alguns equipamentos; e excesso de reativo conduzido por este sistema. Estes eventos podem causar a subtensão até que os equipamentos de regulação de tensão do sistema possam trazer de volta a tensão para dentro da tolerância. 2.3.2.3. Interrupções sustentadas Interrupções sustentadas ocorrem quando a tensão eficaz de alimentação tem valor nulo por um período maior que 1 minuto (tabela 2.1). Para a monitoração da qualidade de energia, o termo interrupção não tem qualquer relação com a confiabilidade e continuidade de serviço do sistema. Este termo é utilizado para especificar a ausência de tensão por longos períodos. Interrupção de tensão maior que 1 minuto é freqüentemente de natureza permanente e requer intervenção manual para restauração. Este tipo de interrupção pode ser de natureza planejada ou inesperada. A primeira vem das manutenções preventivas no sistema de distribuição ou de manobras complexas para transferência de fonte de alimentação. As interrupções sustentadas inesperadas são provenientes de falhas em disjuntores, sobrecargas no sistema, queima de fusíveis, entre outros. 2.3.3. Variações de Tensão de Curta Duração (VTCD) As variações de tensão de curta duração englobam os desvios na onda de tensão por períodos menores ou iguais a 1 minuto. Variações de curta duração são quase sempre causadas por condições de faltas, energização de grandes cargas que requerem altas correntes de partida, ou conexões frouxas intermitentes nos cabos de energia. Dependendo da localização da falta e condições do sistema, a falta pode causar temporariamente uma elevação da tensão “swell”, uma queda de tensão (sag), ou uma completa perda de tensão, interrupção.
  • 32. 18 Mudanças na corrente, as quais caem dentro das categorias supracitadas, em duração e magnitude são também incluídas como variações de curta duração. Os problemas mais comuns associados com interrupções, “sags”, e “swells” são as paralisações dos equipamentos. Em muitas indústrias com processos críticos, freqüentemente, fenômenos de curta duração podem causar interrupções no processo, requerendo horas para o restabelecimento, o que resulta em elevados prejuízos financeiros. 2.3.3.1. Interrupções Uma interrupção ocorre quando o suprimento de tensão ou de corrente na carga decresce abaixo de 0,1 pu. por um período de tempo não excedendo 1 minuto. As interrupções podem ser classificadas como instantâneas, momentâneas e temporárias (tabela 2.1). Interrupções são resultados de faltas em sistemas, falhas em equipamentos e mau funcionamento do sistema de controle. Normalmente, a duração de uma interrupção devido a uma falta sobre a rede é determinada pelos dispositivos de proteção da rede e pelo evento em particular que causou a falta. Enquanto que a duração de uma interrupção devido ao mau funcionamento de equipamentos ou conexões frouxas pode ser irregular. Como mencionado anteriormente, a duração da interrupção depende, entre outros fatores, da capacidade de restabelecimento dos dispositivos de proteção. Restabelecimentos instantâneos irão limitar a falta não permanente para menos de 30 ciclos. Entretanto, atrasos no restabelecimento do dispositivo de proteção podem causar interrupção momentânea ou temporária. A figura 2.7 mostra uma interrupção momentânea durante a qual a tensão cai por aproximadamente 2,3 s.
  • 33. 19 Figura 2.7 – Variação do valor RMS para uma interrupção momentânea devido a uma falta e subseqüente operação de restabelecimento. Interrupções instantâneas podem afetar equipamentos eletrônicos e de iluminação, causando má operação ou interrupção. Esses equipamentos eletrônicos incluem fontes e controladores, computadores, e controle de máquinas rotativas. Interrupções momentâneas e temporárias causarão quase sempre a interrupção da operação. Ademais, podem causar a dessexcitação de contatores de motores de indução. Salienta-se ainda que em alguns casos, as interrupções podem danificar equipamentos eletrônicos de “soft-start” [12]. 2.3.3.2. Afundamentos de tensão (“Sags”) O conceito de afundamento de tensão é a diminuição da tensão eficaz variando entre 0,1 a 0,9 p.u., de amplitude e com duração entre meio ciclo a 1 minuto. Os afundamentos de tensão, ou “sag”, ou queda de tensão, ou subtensão são divididos em três categorias: instantâneo, momentâneo e temporário, conforme suas durações (tabela 2.1). Afundamentos de tensão são usualmente associadas com faltas no sistema, chaveamento de pesadas cargas, partida de grandes motores, ou energização de transformadores. Motores de indução quando da partida, chegam a drenar de 6 a 10 vezes sua corrente nominal, isso causa uma queda
  • 34. 20 de tensão através da impedância do sistema. Se a magnitude da corrente de falta é grande em relação à corrente de falta disponível no sistema, a queda de tensão pode ser significativa. As subtensões que duram menos que 0,5 ciclo não podem ser caracterizadas efetivamente como uma mudança no valor RMS na freqüência fundamental. Portanto, esses eventos são considerados como transitórios (subseção 2.3.1). Já as subtensões que duram mais que 1 minuto caraterizam- se como variações de longa duração (subseção 2.3.2). Subtensões de curta duração, em particular causam numerosos processos de interrupção. Freqüentemente, o “sag” é sentido por controladores eletrônicos de processos equipados com circuitos de detecção de falhas, o qual inicia o desligamento de outra carga menos sensível. Uma solução comum para este problema é suprir o controlador eletrônico com um transformador de tensão constante, ou outro dispositivo mitigador, para fornecer tensão adequada durante o “sag”. O desafio é manter o controlador eletrônico durante “sag” que não irá danificar o equipamento protegido pelo circuito de falta, enquanto simultaneamente reduz incômodos desligamentos. A figura 2.8 mostra um típico “sag” associado com uma falta monofásica para a terra. Figura 2.8– Afundamento de tensão.
  • 35. 21 Equipamentos tais como transformadores, cabos, barramentos, chaves seccionadoras, TC’s e TP’s não devem sofrer danos ou mau funcionamento devido à “sag”. Uma ligeira mudança de velocidade de máquinas de indução, uma ligeira redução na saída de bancos de capacitores e uma breve redução da saída de luz visível de alguns dipositivos de iluminação podem ocorrer durante um “sag”. 2.3.3.3. Elevações de Tensão (“Swells”) Uma elevação de tensão, ou sobretensão, ou “swells”, é definida como um aumento do valor eficaz da tensão na freqüência fundamental da rede com duração de 0,5 ciclo a 1 minuto. As magnitudes típicas estão entre 1,1 a 1,8 p.u. A elevação de tensão é em geral associada a condições de falta desequilibrada no sistema, saída de grandes blocos de carga e entrada de bancos de capacitores. Com relação às condições de faltas no sistema, a severidade de uma sobretensão durante estas é função da localização da falta, da impedância do sistema e condições do aterramento. Por exemplo, em sistemas isolados, a tensão fase-terra para as fases sãs será 1,73 pu., durante a condição de curto-circuito fase-terra. Por outro lado, perto da subestação, em sistemas aterrados, não haverá acréscimo de tensão nas fases não defeituosas, porque o transformador da subestação é usualmente conectado em delta estrela aterrado, provendo um caminho de baixa impedância de seqüência zero para a corrente de falta. A figura 2.9 mostra a variação do valor RMS para uma sobretensão causada por uma falta monofásica a terra.
  • 36. 22 Figura 2.9 – Variação do valor RMS para um swell de tensão causado por uma falta monofásica para a terra. A seguir são elecandos possíveis danos causados por elevações de tensão:  Dispositivos eletrônicos, incluindo drives de velocidade ajustável, computadores e controladores eletrônicos podem exibir imediato modo de falha durante essas condições;  Transformadores, cabos, “switchgear”, TC’s, TP’s e máquinas rotativas podem sofrer redução da vida útil;  Alguns relés de proteção podem resultar em operações indesejáveis, enquanto outros não irão ser afetados;  A saída visível de luz de alguns dispositivos de iluminação pode ser aumentada durante um “swell” temporário;  Dispositivos de grampeamento de proteção de surto (varistores ou diodos de avalanche) podem ser destruídos. 2.3.4. Desequilíbrio de Tensão Para [13] o desequilíbrio de tensão é o fenômeno associado a alterações nos padrões trifásicos do sistema de distribuição. Tanto para [3] como para [2], o desequilíbrio de tensão é dado pela razão entre magnitude de tensão de seqüência negativa (RMS), ou seqüência zero (RMS), pela magnitude de tensão de seqüência positiva (RMS).
  • 37. 23 Em geral, nos sistemas de energia, a tensão de seqüência negativa, ou zero, é o resultado de desequilíbrio de carga, o que origina o fluxo de corrente de seqüência negativa ou zero. O desequilíbrio de tensão pode ser estimado como o máximo desvio da média das tensões trifásicas, ou correntes, divididas pela média das tensões, ou correntes, das três fases, expressas em porcentagem (equação 2.1). Desequilíbrio de Tensão= ( |vfasesrms -vmédia| máx vmédia ) ×100 [%] (2.1) Uma forma mais rigorosa de determinar o desequilíbrio de tensão é pela teoria dos componentes simétricos, onde a razão entre os componentes de seqüência negativa, ou zero, sobre o componente de seqüência positiva é utilizado para expressar o desequilíbrio em percentual, conforme equações 2.2 e 2.3 [14]. Desequilíbrio Tensão Negativo= ( Comp.sequência negativa Comp.sequência positiva ) ×100 [%] (2.2) Desequilíbrio Tensão Zero= ( Comp.sequência zero Comp.sequência positiva )×100 [%] (2.3) Desequilíbrios de tensão são caracterizados por variações entre 0,5 a 2% em regime permanente (estado estacionário), como observado na tabela 2.1. Segundo [2] os desequilíbrios de tensão maiores que 5% são definidos como severos, sendo oriundos de uma única fase. A principal fonte causadora do desequilíbrio de tensão é a distribuição não uniforme das cargas monofásicas no sistema trifásico. Anomalias em banco de capacitores, como por exemplo, a queima de fusíveis em uma das fases em banco trifásicos, também podem causar este distúrbio. Outras possíveis causas são contatos e conexões oxidados ou transformadores com impedâncias diferentes entre fases. Muitos equipamentos, especialmente motores, podem tolerar desbalanço de tensão da ordem de 2%, conforma ilustra a figura 2.10. Desequilíbrios maiores que 2% causam sobreaquecimento de motores e transformadores. Isto porque a corrente desbalanceada em um dispositivo
  • 38. 24 indutivo varia com o cubo da tensão desbalanceada aplicada aos terminais. Outro possível efeito dos desequilíbrios de tensão são erros de disparo em tiristores de equipamentos eletrônicos. Figura 2.10 – Desequilíbrio na fase B de 2% (VB = 125 Vrms e VA=VC=127 Vrms). A qualidade do fornecimento de energia, idealizada pela concessionária é prejudicada pelo desbalanço de carga. Desta forma, alguns consumidores têm em seu fornecimento de energia um desequilíbrio de tensão, o qual se manifesta de três formas distintas:  Amplitudes diferentes;  Assimetria nas fases;  Assimetria conjunta de amplitudes e fases. Destas formas, apenas a primeira, é freqüentemente evidenciada no sistema elétrico. 2.3.5. Distorção na Forma de Onda A definição de distorção na forma de onda é o desvio em regime permanente de uma forma de onda senoidal considerada ideal na freqüência fundamental caracterizada principalmente pelo conteúdo espectral do desvio [11]. Conforme mostra a tabela 2.1, as distorções na forma de onda são divididas em cinco tipos:  Nível CC (“DC offset”);  Harmônicos;
  • 39. 25  Interharmônicos;  Recorte (“Notching”);  Ruído (“Noise”). 2.3.5.1. “DC offset” A presença de componentes de tensão em corrente contínua (CC) em um sistema de energia CA é chamada “offset”. Este fenômeno pode ocorrer como resultado de uma perturbação geomagnética ou devido ao efeito de retificação de meia-onda. Corrente contínua em redes de corrente alternada pode ser prejudicial devido a um aumento na saturação de transformadores, resultando em perdas e redução de sua vida útil e a corrosão eletrolítica dos eletrodos e conectores de aterramento, além do “stress” adicional de isolação, e outros efeitos adversos. 2.3.5.2. Harmônicos Harmônicos são senóides de componentes de tensão ou corrente com freqüência múltipla inteira da freqüência do sistema de suprimento que foi projetado para operar. Esta freqüência do sistema de suprimento é chamada de freqüência fundamental (usualmente 50 ou 60 Hz). Harmônicos combinados com a tensão ou corrente fundamental produzem distorções na forma de onda e são conseqüências das características não lineares de dispositivos e, especialmente, das cargas no sistema de energia. Em outras palavras, as distorções harmônicas resultam da queda de tensão originada pela circulação de correntes harmônicas na impedância do sistema. As cargas não lineares são normalmente modelados como fontes de corrente que injetam correntes harmônicas no sistema de energia. Distorção harmônica é uma das grandes preocupações para muitos consumidores e para o sistema de energia como um todo, devido à crescente aplicação de equipamentos de potência eletrônicos. A classificação dos harmônicos é feita pela sua ordem, ou seja, o múltiplo da freqüência fundamental. Considerando 60 Hz como a freqüência
  • 40. 26 fundamental a tabela 2.2 apresenta a divisão de harmônicos até o 10º harmônico [11]. Tabela 2.2 – Seqüência dos componentes harmônicos. Ordem Freqüência (Hz) 1º - Fundamental 60 2º 120 3º 180 4º 240 5º 300 6º 360 7º 420 8º 480 9º 540 10º 600 A somatória dos componentes senoidais harmônicos com o componente senoidal fundamental resulta em uma onda não – senoidal distorcida, conforme se observa na figura 2.11. Figura 2.11 – Representação da série de Fourier para uma onda distorcida. Atualmente, a maioria das cargas presente no sistema de distribuição de energia são cargas não-lineares, tendo assim uma grande contribuição para o aumento das distorções harmônicas neste sistema (figura 2.12). Como exemplo tem-se as máquinas de solda, conversores CA/CA, fontes chaveadas
  • 41. 27 de computadores ou outros equipamentos de escritórios ou eletrodomésticos, “no-breaks”, etc. Figura 2.12 – Forma de onda da tensão em uma fase. Os níveis de distorção harmônica podem ser caracterizados pelo espectro harmônico incluindo magnitudes e ângulos de fase de cada componente harmônico individual. É também comum usar uma única quantidade, a Distorção Harmônica Total (DHT) em porcentagem, como uma medida da magnitude da distorção harmônica. Grandes níveis de distorção harmônica causam problemas tanto para as redes de distribuição das concessionárias quanto para os consumidores. As conseqüências destes problemas são muitas, desde falhas em motores ou fontes de pequeno porte até a parada de grandes equipamentos, resultando em perdas de produtividade e de vendas. Os principais impactos das distorções harmônicas são:  Redução da vida útil das máquinas rotativas: aquecimento, torques pulsantes, ruído, etc.;  Redução da vida útil das lâmpadas: flutuação da potência e conseqüentemente da intensidade luminosa;  Erros nos medidores de energia elétrica e equipamentos de medição;  Má operação de relés e equipamentos de proteção elétrica;  Redução da vida útil de transformadores: aumento das perdas por aquecimento, saturação, ressonância, vibrações, etc;
  • 42. 28  Má operação de dispositivos controlados por semicondutores – disparos indevidos;  Redução da vida útil de capacitores: aumento das perdas por aquecimento;  Interferências eletromagnéticas nos equipamentos de comunicação e controle;  Aumento das perdas nos alimentadores elétricos. As figuras 2.13 e 2.14 ilustram a distorção harmônica causada por uma lâmpada a vapor de sódio. Figura 2.13 – Espectro de freqüências da lâmpada a vapor de sódio. Figura 2.14 – Sinais de tensão e corrente da lâmpada a vapor de sódio obtidos por equipamento de medição. A seguir são elencados os indicadores considerados indispensáveis para determinação de ações corretivas, pois permitem quantificar e avaliar a distorção harmônica de ondas de tensão e corrente, e são divididos em:  Fator de potência;
  • 43. 29  Fator de crista;  Potência de distorção;  Espectro em freqüência;  Taxa de distorção harmônica. 2.3.5.3. Interharmônicos Como apresentado na subseção anterior, harmônico é uma onda periódica expressa pela soma de ondas senoidais puras de diferentes amplitudes, onde a freqüência de cada onda senoidal é um inteiro múltiplo (harmônico) do componente de freqüência fundamental da onda periódica. Por analogia, interharmônico é o componente de formação da onda periódica cuja freqüência não é um inteiro múltiplo do componente de freqüência fundamental [2]. Portanto, as ondas de tensão ou corrente podem apresentar componentes de freqüência que não são múltiplos inteiros da onda de freqüência fundamental do sistema. Os interharmônicos podem ser apresentados como freqüências discretas ou largas faixas espectrais, podendo ser encontradas em diferentes classes de tensões. As principais fontes de geração de interharmônicos são os conversores estáticos, motores de indução e equipamentos que utilizam arco elétrico para seu funcionamento, como exemplo os fornos elétricos das siderúrgicas. A figura 2.15 mostra os componentes interharmônicos discretos dispostos no domínio da freqüência, com maior amplitude entre as freqüências 240 Hz e 360 Hz, de um forno de indução.
  • 44. 30 Figura 2.15 – Espectro de potência de um forno de indução. A propagação de interharmônicos pode causar efeitos de aquecimento, oscilações torsionais, “flicker”, sobrecarga de filtros convencionais, interferências em equipamento eletrônico, ondulação em receptores de controle e sistemas de telecomunicações. Porém, um dos mais importantes efeitos de interharmônicos é o impacto sobre o fluxo luminoso de lâmpadas. Devido às freqüências interharmônicas não estarem sincronizadas com a componente fundamental do sistema de energia, elas afetam os valores de pico e RMS da tensão. Essas flutuações de tensão podem produzir “flicker” (efeito fisiológico desagradável) em lâmpadas se o nível de interharmônicos ultrapassar certos níveis de imunidade [15]. 2.3.5.4. Recorte (“Notching”) Recorte ou “notching” é uma perturbação periódica de tensão causada pela operação de dispositivos eletrônicos de potência quando a corrente é comutada de uma fase para outra. Tensões “notching” representam um caso especial que acontece entre transitórios e distorção harmônica. Como “notching” ocorrem continuamente (estado de regime), eles podem ser caracterizados através do espectro harmônico da tensão afetada. Contudo, as componentes de freqüência associadas com “notching” podem ser bastante altas e podem não ser prontamente caracterizada com equipamentos de medição normalmente usados para análise harmônica. A figura 2.17 mostra um exemplo de tensão “notching” causada pela operação de conversores.
  • 45. 31 Figura 2.16 – Tensão “notching” causada pela operação de conversores. 2.3.5.5. Ruído (“Noise”) Ruído ou “noise” são definidos como qualquer distorção indesejada nas ondas de tensão ou corrente, formado pela superposição de uma onda com conteúdo espectral abaixo de 200 kHz com a onda fundamental. Este tipo de distúrbio pode ser encontrado nos condutores de fase, neutro ou sinais. As causas mais comuns dos ruídos elétricos são os dispositivos eletrônicos, equipamentos que funcionem com base em arcos elétricos e conversores estáticos. Os problemas mais graves causados pelos ruídos são os impactos negativos nos equipamentos eletrônicos que operam com microcontroladores, onde um ruído intenso poderá até danificá-los. Geralmente os problemas causados pelos ruídos são amenizados por um sistema conveniente de aterramento, podendo chegar ao uso de filtros passivos e transformadores de isolação. Na figura 2.17 é apresentado um exemplo de onda senoidal de tensão contendo ruído. Figura 2.17 – Ruído elétrico superposto na forma de onda da tensão em pu.
  • 46. 32 2.3.5.6. Flutuação de Tensão Flutuações de tensão são variações sistemáticas nos valores eficazes da tensão ou uma série aleatória de mudanças, onde a magnitude da onda permanece entre 0,93 e 1,07 pu. (tabela 2.1). Um exemplo de flutuação do valor eficaz da tensão pode ser visto analisando-se a alteração da amplitude da onda em função do tempo da figura 2.18. Figura 2.18 – Flutuação da tensão em pu. Em determinadas cargas, quando alimentadas por ondas que sofrem variações na amplitude da corrente ou tensão de forma continua e rápida, é presenciado o “flicker” (cintilação). 2.3.6. Variações na Freqüência Variações na freqüência são definidas como alterações na freqüência fundamental do sistema. Freqüência esta, relacionada diretamente com a velocidade de rotação dos geradores. Devem-se considerar pequenas variações na freqüência do sistema devido às alterações de carga e geradores, onde estas amplitudes e durações dependem da robustez do sistema de controle do sistema de geração às mudanças de carga. Variações de tensão consideráveis e freqüentes são comumente vistas nos sistemas supridos por concessionárias isoladas. Nos sistemas
  • 47. 33 interconectados de geração e distribuição de energia estas variações são de ocorrência muito baixa. As variações de freqüência são principalmente geradas por faltas no sistema de transmissão, desconexão de grandes cargas ou de grandes fontes de geração ou pela falha dos controles de geradores. Pode-se observar na figura 2.19 um exemplo de onda de tensão com variação na sua freqüência. Figura 2.19 – Variação da freqüência na forma de onda da tensão. 2.4.Índices de Continuidade do Serviço de Energia Elétrica O desempenho das concessionárias quanto à continuidade do serviço prestado de energia elétrica é medido pela ANEEL com base em indicadores específicos, denominados de DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) e FEC (Freqüência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora). O DEC indica o número de horas em média que um consumidor fica sem energia elétrica durante um período, geralmente mensal. Já o FEC indica quantas vezes, em média, houve interrupção na unidade consumidora (residência, comércio, indústria etc.).
  • 48. 34 O DEC pode ser calculado por: DEC= ∑ Ca(i)×T(i)n i=1 Cs (2.4) onde:  𝑖 = número de interrupções, de 1 a 𝑛;  𝑇( 𝑖) = tempo de duração de cada interrupção do conjunto de consumidores considerados, em horas;  𝐶𝑎( 𝑖) = número de consumidores do conjunto considerado, atingido nas interrupções;  𝐶𝑠 = número total de consumidores do conjunto considerado. O FEC pode ser calculado por: FEC= ∑ Ca(i)n i=1 Cs (2.5) Os componentes da equação são os mesmos do cálculo da DEC. As metas de DEC e FEC a serem observadas pelas concessionárias estão definidas em Resolução específica da ANEEL, que podem ser encontradas na “home-page” da ANEEL [39], as metas do DIC e FIC estão sendo publicadas mensalmente na conta de energia elétrica do consumidor. A figura 2.20 apresenta a média do índice de continuidade DEC por região, conforme se observa a região norte apresenta o maior índice DEC em relação ao DEC padrão para esta região, estabelecido pela ANEEL.
  • 49. 35 Figura 2.20 – Média do índice DEC por região, ano 2009 [49]. A figura 2.21 ilustra o gráfico referente aos valores médios do índice de continuidade FEC para o ano de 2009, de acordo com os dados obtidos da ANEEL [39] observa-se que apenas a região norte apresenta índice superior ao estabelecido pela ANEEL. Figura 2.21 – Média do índice FEC por Região, ano 2009 [49]. A ANEEL implantou no ano 2000 mais três indicadores destinados a aferir a qualidade do serviço prestado diretamente ao consumidor, a saber:  DIC (Duração de Interrupção por Unidade Consumidora);  FIC (Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora); 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Região Norte Região Nordeste Região Centro Oeste Região Sudeste Região Sul 93.17 26.5 39.63 15.38 33.55 60.62 34.96 36.58 13.42 29.65 Horas Média do DEC por Região (Ano 2009) DEC DEC Padrão 0 10 20 30 40 50 60 Região Norte Região Nordeste Região Centro Oeste Região Sudeste Região Sul 57.06 12.9 28.57 9.31 16.74 55.49 25.51 32.24 12.47 22.35 Vezes Média do índice FEC por Região (Ano 2009) FEC FEC Padrão
  • 50. 36  DMIC (Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora). Os indicadores DIC e FIC indicam por quanto tempo e o número de vezes respectivamente que uma unidade consumidora ficou sem energia elétrica durante um período considerado. O DMIC é um indicador que limita o tempo máximo de cada interrupção, impedindo que a concessionária deixe o consumidor sem energia elétrica durante um período muito longo. Esse indicador passou a ser controlado a partir de 2003 [16]. As metas para os indicadores DIC, FIC e DMIC estão publicadas na [16], esses indicadores já estão sendo informados na conta de energia elétrica do consumidor (figura 2.22). Figura 2.22 – Conta de energia elétrica (Fonte: Conta de energia da Rede CELPA).
  • 51. 37 Capítulo 3 Importância da Monitoração A monitoração é necessária para definir o atual nível de qualidade de fornecimento de acordo com os indicadores de qualidade. (Autor desconhecido) 3.1.Por que monitorar? O principal interesse pela monitoração da qualidade de energia elétrica está na procura do aumento da produção de bens e da oferta de serviços. As indústrias, por exemplo, buscam maquinários mais eficientes, rápidos e produtivos. As concessionárias de energia, por sua vez, encorajam estas medidas, de forma a propiciar aumento do fornecimento e, conseqüentemente, ganho nos seus lucros. Entretanto, os maquinários modernos utilizados na aceleração da produtividade e associados com a redução de perdas e aumento da eficiência, caracterizam-se por equipamentos mais sensíveis a falhas e distúrbios dos sistemas de energia. Ao mesmo tempo, o crescimento da economia e o aumento das condições de desenvolvimento humano trazem consigo uma tendência de crescimento na demanda de energia. De fato, a incidência de distúrbios sobre os consumidores industriais resulta em grandes prejuízos, face aos elevados investimentos destinados às áreas de automação e modernização do parque industrial. Estas áreas, estruturadas com equipamentos constituídos essencialmente por componentes eletrônicos, são extremamente sensíveis aos efeitos de um suprimento de energia inadequado. Prejuízos enormes podem surgir, simplesmente com uma única e curta interrupção no fornecimento de energia, ou ainda com a presença de significativos níveis de distorções harmônicas e transitórios. A ocorrência destes problemas determina a necessidade de uma busca mútua de soluções, entre todas as partes que atuam no mercado de energia elétrica (as concessionárias, os consumidores, os fabricantes de equipamentos
  • 52. 38 e os prestadores de serviços), para a realização de medidas adequadas, práticas e econômicas. Todos estes estão cada vez mais preocupados com as características do suprimento de energia e, o termo “Qualidade da Energia Elétrica” tem se tornado a palavra chave nos últimos anos. Sabe-se que estes fenômenos de qualidade de energia não são necessariamente recentes e estão sendo atualmente analisados não mais como causas e efeitos isolados, mas como problemas correlacionados. Ademais, devido ao crescente interesse pelo tema, encontram-se definições distintas em função dos anseios e necessidades envolvidos no problema. Para as concessionárias de energia, a definição leva a uma equivalência com a confiabilidade do suprimento elétrico. Por sua vez, fabricantes de máquinas e equipamentos elétricos definem a qualidade do suprimento energético, a partir das características necessárias à fonte de alimentação, garantindo, sobretudo a operação adequada dos seus aparelhos. Quanto aos consumidores residenciais, estes não detêm conhecimento técnico para reconhecerem todos os distúrbios, entretanto, tornaram-se parte do problema em função do elevado número de aparelhos eletrônicos não-lineares instalados. Percebe-se então que a monitoração da qualidade de energia elétrica é necessária não apenas para definir o atual nível de qualidade de fornecimento, mas também para definir a necessidade contínua do consumidor e da concessionária para assegurar o cumprimento dos índices, indicadores, limites e outras características dos contratos diferenciados estipulados entre consumidores, concessionárias e órgão regulador. Assim, é de fundamental importância a questão cultural que envolve a utilização de energia elétrica. Nos países europeus, existe uma preocupação com o bem comum, e se paga até mais caro por uma “energia limpa” [11]. Em contrapartida, nas nações em desenvolvimento o apelo gira mais em torno da “economia” trazida pelo uso inteligente da energia, uma vez que a consciência ambiental ainda não é tão clara. Tanto nestes quanto naqueles países é imprescindível que os governos atuem no sentido de educar a população e também de incentivar instituições a usar a energia de maneira eficiente.
  • 53. 39 Na atualidade a monitoração da qualidade de energia elétrica surge como um efetivo meio de obtenção de dados usados para caracterizar sistemas elétricos e solucionar os problemas vividos pelas cargas sensíveis à má qualidade de energia elétrica. Instrumentos de medição cada vez mais modernos, e desenvolvidos especificamente para a realização de medições de qualidade da energia, possibilitam o registro de uma grande variedade de fenômenos de forma eficiente e confiável. Em resumo, a investigação da qualidade de energia elétrica requer monitoração, tanto para identificar os problemas como para verificar as soluções implementadas que visem minimizar os efeitos danosos da má qualidade da onda de tensão ou corrente. 3.2.Normatização Nacional e Internacional Uma das principais causas de problemas relacionados com a QEE está ligada à evolução da tecnologia e ao aumento das necessidades dos consumidores em controle da energia, o que levaram ao crescimento das cargas não-lineares instaladas no sistema elétrico. Com uma maior quantidade destes equipamentos instalados aumentaram-se os problemas referentes à qualidade da onda de tensão e da corrente. A evidência do aumento de problemas relativos à QEE somado aos prejuízos financeiros leva a um esforço na busca de soluções práticas e economicamente viáveis entre as principais áreas de atuação do setor elétrico (concessionárias fabricantes de equipamentos e consumidores). Por estas áreas de atuação do setor elétrico possuirem suas próprias características, necessidades e anseios com relação aos parâmetros, formas de medição e penalidades referentes à QEE, as mesmas ainda não chegaram ao consenso e definições sobre o assunto. Para as concessionárias, a confiabilidade do suprimento elétrico em níveis aceitáveis de tensão equivale à qualidade da energia elétrica fornecida. Estas vêm sofrendo desgastes na sua imagem empresarial e tem aumentado os gastos com pedidos de ressarcimento de prejuízos sofrido pelos
  • 54. 40 consumidores, muitas das vezes gerados pelos equipamentos instalados pelos próprios consumidores. Para os fabricantes de equipamentos, a qualidade do suprimento de energia que atendam às necessidades de suas fontes de alimentação para garantir a operação adequada de seus produtos é a sua prioridade em termos de qualidade da energia elétrica utilizada. Devido ao mercado de equipamentos ser altamente competitivo, buscando custos cada vez menores, há um desinteresse na flexibilização das características dos equipamentos produzidos quanto à suportabilidade e proteção dos distúrbios provenientes e/ou gerados à rede. Alguns fabricantes, por exemplo, desconhecem ou simplesmente ignoram estes problemas, alocando a responsabilidade de possíveis falhas para as concessionárias ou para os próprios consumidores (uso inadequado). Por sua vez, para os consumidores, a qualidade da energia está vinculada ao suprimento contínuo de uma energia elétrica senoidal dentro de uma faixa que não cause danos ou falhas em seus equipamentos. Entretanto, como mencionado anteriormente, os consumidores, devido à deficiência de um conhecimento técnico adequado para o reconhecimento e análise de problemas no sistema elétrico, além de aumentarem o problema referente à grande quantidade de equipamentos não-lineares, sofrem com as perdas de produção e danos em suas máquinas. Nos últimos anos, tem-se intensificado os estudos dos fenômenos que envolvem qualidade da energia elétrica pelas concessionárias junto às instituições de pesquisas, aos fabricantes de equipamentos e ainda junto aos consumidores, buscando minimizar os prejuízos causados pelos distúrbios no sistema de energia. Devido às características deste sistema serem muito amplas e os fenômenos referentes à QEE não poderem ser analisados como causas e efeitos isolados em uma determinada área, os pesquisadores realizam os estudos observando as correlações entre todas elas. A nova realidade do setor elétrico baseia-se nas necessidades do mercado e na competição, a qualidade do produto eletricidade é determinada para os clientes que buscam ter suas necessidades atendidas, para que por sua vez possam atender às exigências em satisfação e produtividade do
  • 55. 41 mercado. Sendo assim muitas definições, esclarecimentos e soluções ainda são necessários, o que associado à falta de uma concordância dificulta a elaboração de uma padronização para as necessidades do sistema elétrico quanto à QEE. Todavia, já existem experiências mundiais em normatizações sobre a QEE, as quais são apresentadas nesta seção. 3.2.1. Normatização: Definição A normatização desde a antiguidade tem a finalidade de definir, unificar, simplificar, ou seja, padronizar elementos utilizados nas fabricações de diversos produtos. Sua importância pode ser constatada em várias atividades desenvolvidas por pessoas e instituições, como por exemplo, o formato de papéis, parâmetros para construções, instalações e funcionamento de equipamentos, etc. A normatização busca a definição, a unificação e a simplificação, de forma racional, quer dos produtos acabados, quer dos elementos que se empregam para produzir, através do estabelecimento de documentos chamados Normas. O termo definição significa precisar qualitativamente todos os materiais, objetos e elementos que se utilizam, bem como os próprios produtos finais. Os termos unificação e simplificação têm em vista a redução, ao mínimo, das variedades dos materiais, das ferramentas e das operações do processo produtivo e ainda dos produtos acabados. As normas definem características de bens ou serviços, tais como os níveis de qualidade ou de eficiência, a segurança ou as dimensões. Deve registrar-se que, embora, normalmente a sua aplicação não seja obrigatória, as normas têm hoje um papel relevante nas relações industriais e comerciais. A utilização da marca de conformidade com as normas dá, aos consumidores, uma determinada garantia de qualidade dos respectivos bens ou serviços.
  • 56. 42 3.2.2. Normatização Nacional sobre QEE 3.2.2.1. Obrigatoriedade do uso de normas As normas brasileiras são desenvolvidas e utilizadas voluntariamente. Elas tornam-se obrigatórias somente quando explicitadas em um documento de Poder Público (lei, decreto, portaria, etc.), ou quando citadas em contratos. Mesmo não sendo obrigatórias, as normas são sistematicamente adotadas em questões judiciais por conta do inciso VIII do Artigo 39 do Código de Defesa do Consumidor [17], estabelecendo que: “É vedado ao fornecedor de produtos ou serviços, dentre outras práticas abusivas, colocar, no mercado de consumo, qualquer produto ou serviço em desacordo com as normas expedidas pelos órgãos oficiais competentes ou, se Normas específicas não existirem, pela Associação Brasileira de Normas Técnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial – CONMETRO”. 3.2.2.2. Entidades Normativas SINMETRO O Sistema Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (SINMETRO) é o sistema brasileiro que exerce atividades referentes à metrologia, normatização, qualidade industrial e certificação da conformidade, sendo formado de entidades públicas e privadas. O SINMETRO foi instituído pela lei nº 5.966 de 11 de dezembro de 1973 para criar uma infraestrutura de serviços tecnológicos capaz de avaliar e certificar a qualidade de produtos, processos e serviços através de organismos de certificação, laboratórios de ensaios e de calibração, organismos de treinamento, organismos de ensaios de proficiência e organismos de inspeção, sendo todos eles credenciados junto ao Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (INMETRO).
  • 57. 43 Uma das atividades do SINMETRO é a de elaborar normas para dar suporte à regulamentação técnica, facilitar o comércio e fornecer a base para melhorar a qualidade de processos, produtos e serviços. Esse sistema tem apoio dos organismos de normatização, os laboratórios de metrologia científica e industrial e os institutos de metrologia legal dos estados. Esta estrutura está formada para atender as necessidades da indústria, do comércio, do governo e do consumidor. A seguir são elencadas as principais organizações entre as que compõem o SINMETRO:  Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (CONMETRO) e seus comitês técnicos;  INMETRO;  Organismos de Certificação Credenciados (OCC) - Sistemas de Qualidade, Sistemas de Gestão Ambiental, Produtos e Pessoal;  Organismos de Inspeção Credenciados (OIC);  Organismos de Treinamento Credenciados (OTC);  Organismo Provedor de Ensaio de Proficiência Credenciado (OPP);  Laboratórios Credenciados – Calibrações e Ensaios (RBC/RBLE);  Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT);  Institutos Estaduais de Pesos e Medidas (IPEM);  Redes Metrológicas Estaduais. Na área de avaliação da conformidade, o SINMETRO oferece aos consumidores, fabricantes, governos e exportadores uma infraestrutura tecnológica baseada em princípios internacionais, considerada de grande confiabilidade. Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) A ABNT é uma entidade privada, sem fins lucrativos e de utilidade pública, fundada em 1940, é membro fundador da “International Organization for Standardization” (ISO), da Comissão Panamericana de Normas Técnicas
  • 58. 44 (COPANT) e da Associação Mercosul de Normalização (AMN), sendo responsável pela gestão do processo de elaboração de normas e certificação de produtos e sistemas. Tem como missão harmonizar os interesses da sociedade brasileira, provendo-a de referenciais através da normatização e atividades afins. A ABNT é o organismo reconhecido pelo CONMETRO como o fórum único de normatização no Brasil, em que suas normas podem ser utilizadas para defesa do mercado nacional e para facilitar o acesso de empresas brasileiras ao mercado internacional. Neste último caso, a ABNT, por exemplo, é associada da “International Electrotechnical Commission” (IEC). As normas brasileiras elaboradas e gerenciadas pela ABNT recebem prefixo NBR (Norma Brasileira). Pelo Acordo de Barreiras Técnicas da Organização Mundial do Comércio (OMC), somente poderão ser estabelecidos requisitos em um regulamento técnico se estes estiverem de acordo com a norma mundial. O país tem, portanto, que ter sua própria normatização para levá-la ao conhecimento da ISO, a fim de influenciar as normas mundiais. Toda normatização levada à ABNT parte de um trabalho voluntário. A norma deve ser feita por entidades representativas do setor, ser simples e manter uma paridade na sua discussão, levando em conta interesses das diversas áreas da sociedade, dos órgãos governamentais, dos setores públicos e privados e dos consumidores. Sua aprovação é obtida através de um consenso entre estas entidades em reuniões ordinárias da ABNT, como representado na figura 3.1
  • 59. 45 Figura 3.1 – Princípio da Normatização. A ABNT possui atualmente 54 Comitês Técnicos de Normatização e 4 Organismos de Normatização Setorial, trabalhando em suas respectivas áreas gerenciando os processos de criação e divulgação de normas. O Comitê Técnico responsável pela coordenação e participação dos processos de criação de normas, e certificação de produtos e sistemas, no contexto referentes aos trabalhos e processos no campo da eletricidade, eletrônica e telecomunicações é o Comitê Técnico de Normatização em Eletricidade - CB- 3 [11], o qual compreende a geração, a transmissão e a distribuição de energia; as instalações elétricas e equipamentos eletro- eletrônicos, inclusive para atmosferas explosivas; os dispositivos e acessórios elétricos; a instrumentação; os bens de consumo; os condutores elétricos; a iluminação; a compatibilidade eletromagnética, no que concerne a terminologia, requisitos, métodos de ensaio e generalidades. Para a preparação de uma norma brasileira em eletricidade, o CB-03 executa as fases apresentadas na figura 3.2. Consenso Paridade Representativ idade Simplificação Voluntariedade
  • 60. 46 Figura 3.2 – Desenvolvimento de uma norma brasileira 3.2.2.3. Evolução normativa nacional sobre QEE No [18] foi feita a primeira citação sobre qualidade de energia, informando que o suprimento de energia deveria ser entregue de forma adequada. O [19], no contexto de continuidade de serviço e [20] sobre os níveis de tensões de fornecimento e limites de variações de tensão, regulamentando assim tanto a área técnica quanto a área de qualidade do serviço a serem seguidas por todas as áreas do sistema elétrico. Estas portarias foram realizadas devido às muitas reclamações dos consumidores, na década de 1970, referentes à qualidade do fornecimento de energia elétrica quanto às interrupções. Com base nestas reclamações o Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica (DNAEE) parametrizou os níveis de tensão e qualidade de fornecimento de energia elétrica. Desde então, os índices referentes à continuidade do serviço, que são utilizados até hoje, permitiram o acompanhamento das durações e quantidades de faltas de energia. Na seqüência, o DNAEE escreveu a [21], que estabeleceu os índices de continuidade de serviço com relação ao suprimento, onde foi descrita a metodologia a ser utilizada pelas concessionárias para avaliação dos índices de continuidade de fornecimento de energia. Sociedade manifesta a necessidade Comissão de Estudo elabora o Projeto de Norma Projeto de Norma é submetido a consulta pública Norma é aprovada e colocada a disposição da sociedade
  • 61. 47 A Portaria DNAEE [20] foi revisada em 1989, alterando os limites de variações de tensões para índices mais compatíveis com as tecnologias e produtos da época, porém não foram estabelecidas penalidades para as variações fora destes limites. Após a revisão da [20], muitas discussões foram geradas entre as áreas do setor elétrico principalmente entre as concessionárias, os fabricantes de equipamentos e os consumidores. Durante estas discussões houve grande reivindicação por parte dos consumidores para participar no processo de definição dos padrões de qualidade de energia. Houve também, grandes contribuições das instituições de pesquisa nestas discussões, onde os estudos até então desenvolvidos focavam a influência das cargas dos consumidores e as influências das cargas não-lineares e seus controles, nos problemas de qualidade de energia. Com a globalização da economia mundial, foi notória a necessidade de um programa que melhorasse a eficiência do setor elétrico. No contexto deste programa, os índices de continuidade de fornecimento apresentados na [19] seriam muito importantes. Nesta situação, o DNAEE publicou a [22], onde regulamentou a criação de um grupo de trabalho para reavaliar os índices existentes e moldá-los à realidade do país. Os membros deste grupo eram representantes da ELETROBRÁS, do Comitê Coordenador de Operações do Norte/Nordeste (CCON), da Associação Brasileira de Concessionários de Energia Elétrica (ABCE), do Grupo Técnico Operacional da Região Norte (GTON) e do Comitê de Distribuição (CODI). Este grupo de trabalho, após estudos na área de qualidade de energia elétrica, apresentou ao DNAEE a edição da [23], que aumentou a abrangência dos estudos solicitados na [22]. O I Seminário Brasileiro sobre Qualidade de Energia Elétrica (SBQEE) foi realizado em 1996. Neste seminário foi discutido amplamente o tema, que levou principalmente a uma grande troca de informações e o alinhamento de pensamentos entre os diversos pesquisadores da área. Sendo assim, houve um grande progresso na distribuição e unificação das informações causando uma melhor interação entre as áreas do setor elétrico, principalmente entre os fabricantes de equipamentos.
  • 62. 48 Em Janeiro de 1998, ocorreu a emissão do [24] pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Este manual teve a função de apresentar: as fórmulas para cálculo dos índices de qualidade, as metodologias detalhadas para obtenção dos parâmetros relacionados e o procedimento de coleta, transmissão, tratamento e exposição dos dados para as informações pertinentes. A Secretaria de Energia do Estado de São Paulo, através da Comissão de Serviços Públicos de Energia do Estado de São Paulo (CSPE), criou em 1998, um documento conhecido por Qualidade do Fornecimento de Energia Elétrica – Manual da Implantação da Qualidade, que apresentou uma metodologia para controlar os parâmetros que influenciam diretamente na qualidade da prestação do serviço de energia elétrica [24]. O documento apresentado pela CSPE proporcionou as premissas para formação dos índices de qualidade, pois como pontos principais têm-se os cálculos dos componentes do sistema em diferentes níveis de agregação (global, regional, local, por modo de falha, etc.). Houve também um atendimento às empresas com portes distintos, sendo apresentados novos indicadores de continuidade e conformidade do suprimento de energia elétrica, além do índice de satisfação do consumidor. Num contexto mais atual do setor energético brasileiro ocorreu o desmembramento de várias empresas vinculadas ao setor elétrico, onde foi reduzida a força do Estado nas funções empresariais. Daí surgiu constantes privatizações das empresas existentes e apresentou-se um novo modelo de instituições especializadas para executar e fiscalizar as funções de regulação, do planejamento da expansão, da operação e do financiamento do setor. Pode- se destacar o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) e a ANEEL como os dois principais órgãos que surgiram, nos últimos anos, diante dos acontecimentos dinâmicos das empresas vinculadas ao mercado de energia elétrica. Com a criação da ANEEL, em 1997, o DNAEE foi extinto, porém a busca da melhoria da qualidade de energia não cessou e os estudos sobre este tema ainda são desenvolvidos. A ANEEL em Novembro de 2000 criou a [25] para
  • 63. 49 unificar diversas portarias do DNAEE e atualizar as disposições referentes às condições gerais do fornecimento de energia elétrica [3]. Esta resolução unificou as legislações existentes, principalmente as que tratam do relacionamento entre as áreas do setor elétrico. A [16] apresentada pela ANEEL em Janeiro de 2000, estabeleceu disposições referentes à continuidade da distribuição de energia elétrica. Nesta resolução foram apresentados novos índices de avaliação das interrupções individuais das unidades consumidoras e esta descreveu os cálculos dos índices de continuidade individuais e coletivos, as metas de continuidade e a forma de cálculo das penalidades por variações fora do estabelecido. A ANEEL, em Novembro de 2001, estabeleceu a [13], onde foram revisadas as [20] e [26], apresentado as disposições relativas à conformidade dos níveis de tensão de energia elétrica em regime permanente. Esta resolução trata em detalhes a classificação das tensões de suprimento, as fórmulas de cálculo dos indicadores individuais e coletivos, os critérios de medições e registros dos dados, bem como dos equipamentos de medição e penalidade pelo fornecimento de um serviço que não esteja adequado ao estabelecido na mesma. O ONS trabalhou com vários agentes do setor energético nacional na elaboração de um Procedimento de Rede, para melhoria e o controle da QEE. Este documento apresentou os procedimentos e requisitos técnicos que devem ser utilizados para planejamento, implantação, uso e operação do sistema elétrico interligado, bem como definiu as responsabilidades dos agentes e do próprio ONS. As metodologias apresentadas nos Procedimentos de Rede influenciam diretamente os padrões de qualidade das instalações de transmissão, distribuição e subtransmissão do setor elétrico. Estes Procedimentos de rede tiveram sua aprovação por meio da Resolução Normativa de nº 372 de 05 de agosto de 2009 [27]. O submódulo 2.8 – Gerenciamento dos indicadores de desempenho da rede básica e de seus componentes, desta [27] tem como objetivo atribuir responsabilidades e estabelecer princípios e diretrizes ao gerenciamento de