Qualidade de Energia Elétrica

Loading...

Flash Player 9 (or above) is needed to view presentations.
We have detected that you do not have it on your computer. To install it, go here.

0 comments

Post a comment

    Post a comment
    Embed Video
    Edit your comment Cancel

    7 Favorites

    Qualidade de Energia Elétrica - Presentation Transcript

    1. Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Qualidade de Energia Elétrica Prof. Jim Silva Naturesa 1) Introdução A Resolução 456 de 2000 da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) estabelece as seguintes classes dos consumidores de distribuição: - Residências; - Comerciais; - Industriais; - Iluminação pública; - Poderes e serviços públicos e; - Rural. A demanda de energia de um determinado consumidor é o valor médio da potência ativa consumida em um intervalo de tempo definido - normalmente 15 minutos. A representação gráfica da demanda em função do tempo é a curva de carga, que pode ser diária, semanal ou anual. O fornecimento de energia elétrica pode ser entendido como um produto e não como uma prestação de serviço. Logo há a necessidade de definir sua qualidade. Para que se possa medir a qualidade de energia elétrica, o Estado (ou órgão regulador) deve estabelecer indicadores; permitindo comparações com a energia elétrica fornecida pelas concessionárias. O conceito de qualidade de energia elétrica pode ser analisado de três formas: qualidade do produto, qualidade do serviço e qualidade comercial. Por qualidade do produto entendem-se as características técnicas, como por exemplo, a forma de onda da tensão e freqüência. Uma energia de boa qualidade deve, basicamente, apresentar tensões e freqüências constantes e forma de onda senoidal sem a presença de distorções harmônicas (Grimoni, 2004). Alguns indicadores são: 1
    2.  Nível de tensão: valor eficaz no ponto de entrega;  Função distribuição: refere-se à distribuição de ocorrências no nível de tensão;  Freqüência equivalente de violação de tensão: representa o número de vezes que o nível de tensão foi violado em relação a um grupo de consumidores;  Distorção harmônica: múltiplos da freqüência fundamental da tensão entregue. A qualidade de serviço está relacionada com a operação e manutenção do sistema elétrico; estabelecendo níveis aceitáveis de interrupções (programadas ou não) aos consumidores (Grimoni, 2004). Os principais indicadores são:  Duração equivalente por consumidor (DEC): indica o tempo que cada consumidor de um determinado grupo ficou, em média, sem atendimento de eletricidade;  Freqüência equivalente por consumidor (FEC): apresenta o número de interrupções, em média, que cada consumidor de um certo grupo sofreu;  Tempo médio de atendimento (TMA): mostra o tempo médio gasto para restabelecer o fornecimento de energia após a ocorrência de um defeito;  Duração de interrupção individual (DIC): exprime o tempo que um determinado consumidor foi privado de energia elétrica;  Freqüência de interrupção individual (FIC): apresenta o número de vezes que um determinado consumidor ficou sem eletricidade. Deve-se destacar que esses indicadores levam em consideração ocorrências coletivas e individuais. Dessa forma, possibilita uma classificação e controle mais apurado das interrupções e um melhor atendimento. A qualidade comercial refere-se a cobranças indevidas, atendimentos a novos clientes, perdas comerciais, fraudes, ressarcimento por danos e tempo de religação (Grimoni, 2004). Alguns indicadores são:  Revisão de faturamentos por reclamações procedentes (RFR): mostra o número de cobranças indevidas realizadas pela concessionária de energia;  Tempo médio de ligação nova em baixa tensão (TML): apresenta o tempo médio gasto para ligar um novo cliente; 2
    3.  Tempo médio de religação em baixa tensão (TMR): exprime o tempo gasto para religar um cliente após o pagamento das pendências que levaram ao corte de energia. 2) Definições Segundo Dungan (1996), quatro características são importantes em relação à distribuição de energia elétrica:  Atualmente, as cargas são mais sensíveis a variações de qualidade de energia elétrica do que no passado. Novas cargas possuem controles microprocessados sensíveis a vários tipos de distúrbios.  Aumento de aparelhos com eficiência energética elevada, tais como, controladores de motores de indução trifásicos e bancos de capacitores para a correção de fator de potência.  Os consumidores estão mais informados sobre questões relativas a interrupções, transientes etc.  Uma série de processos industriais utiliza redes de comunicação de dados que podem vir a falhar devido a problemas na qualidade de energia elétrica. Normalmente os novos equipamentos instalados para aumentar a produtividade do processo são também os que mais sofrem distúrbios; além disso, o próprio equipamento é uma nova fonte de problemas. Dungan (1996) define o problema de qualidade de energia elétrica como qualquer distúrbio que se manifesta na tensão, corrente ou freqüência que resulta em falhas ou em uma operação errônea do equipamento. Em vários casos, uma forma de solucionar o problema é tornar o equipamento menos sensível a variações de qualidade de energia elétrica. O pesquisador também afirma que os problemas de qualidade de energia são problemas de qualidade de tensão, pois é a única variável que a concessionária de energia pode controlar; visto que a corrente do sistema é função da impedância da carga que varia continuamente durante o dia. Os sistemas de potência foram projetados para operar com tensões senoidais com determinada freqüência e amplitude. Qualquer variação em desses parâmetros é um potencial problema de qualidade de energia. Como existe relação entre tensão e corrente elétrica, alguns distúrbios podem ser relatados:  Correntes devido a curto-circuitos podem causar subtensões; 3
    4.  Descargas atmosféricas nas instalações elétricas (induzidas ou conduzidas) podem ocasionar surtos de tensão e conseqüentemente curto-circuitos;  Correntes distorcidas por cargas produtoras de harmônicos também alteram a forma de onda da tensão.  A qualidade de energia elétrica possui um impacto econômico direto nas indústrias. Segundo Deckmann (2001) as condições ideais de operação de um sistema de energia elétrica são:  Tensões e corrente alternadas com formas de onda senoidias, assegurando a reversibilidade do processo de conversão eletromagnético (transformadores e máquinas elétricas rotativas);  Amplitudes constantes nos valores nominais, garantindo o nível de potência desejada para cargas passivas de impedância constante;  Freqüência constante no valor síncrono, mantendo o sincronismo entre os diversos geradores por meio de um sistema de controle de geração descentralizado;  Tensões trifásicas equilibradas, permitindo uma igual distribuição de potência entre as três fases;  Fator de potência unitário nas cargas, assegurando perdas menores relativas à potência reativa;  Perdas nulas na transmissão e distribuição, condição ideal para o transporte de energia elétrica. Deckmann observa que se a resistência elétrica fosse nula, não ocorreria a atenuação dos transitórios de chaveamento durante a energização das linhas de transmissão, transformadores e capacitores. 3) Discussão sobre eficiência energética versus qualidade de energia elétrica Após a crise energética de 2001 uma série de mediadas relativas à eficiência e conservação de energia elétrica foi adotada no país. A Tabela 1 apresenta os benefícios e efeitos da conservação sobre a qualidade de energia elétrica. Tabela 1 - Benefícios e efeitos da conservação sobre a qualidade de energia elétrica Ação Benefícios Efeitos Instalação de controladores de Economia de energia e (a) Geração de harmônicos velocidade variável possibilidade de gerência do (b) Eliminação de depressão de controle de fluxo tensão. Instalação de lâmpadas Economia de energia (a) Geração de harmônicos, 4
    5. fluorescentes susceptibilidade ao Flicker (b) Redução do fator de potência da carga Instalação de banco de Melhoria do fator de potência (a) Geração de transitórios capacitores (b) Amplificação de harmônicos Controle de iluminação através Melhoria do fator de carga (a) Redução do fator de potência de dimmers (b) Geração de harmônicos (c) Melhoria de tensão de regime permanente Fonte: Conservação de Energia - Eficiência Energética de Instalações e Equipamentos, 2001. A Tabela 2 apresenta o efeito da distorção harmônica THDi (Total Harmonic Distortion) da corrente no fator de potência. Percebe-se que com o aumento da distorção harmônica há um acréscimo de corrente e uma diminuição do fator de potência. Tabela 2 - Influência dos harmônicos nacorrente e no fator de potência Distorção na corrente Acréscimo de corrente (%) Fator de potência THDi (%) 0 0 1 5 0,125 0,999 10 0,5 0,995 30 4,4 0,958 50 11,8 0,894 70 22,07 0,819 90 34,54 0,743 100 41,42 0,707 120 56,2 0,64 130 64,01 0,61 150 80,28 0,555 170 97,23 0,507 200 123,61 0,447 Fonte: Conservação de Energia - Eficiência Energética de Instalações e Equipamentos, 2001. Resultado: prejuízos para a indústria, comércio e residências. Problemas (Dias, 1998): Interrupções transitórias; Variações de tensão; Distúrbios oscilatórios; Distorções harmônicas; Corte; Flicker (cintilação); Rádio-interferência; 5
    6. Fonte: Deckmann, 2001. 3.1) Quadro Resumo das características gerais dos dis túrbios. 6
    7. Fonte: Delmont Filho, 2003. 3.2) Curvas características: Curva CBEMA (Computer and Business Manufactures Association). 7
    8. Fonte: Deckmann, 2001. Curva ITIC. Fonte: Deckmann, 2001. 3.3) Ferramentas para análise. Softwares utilizados no mercado: TOP (The Output Procesor for Time and Frequency Domain Analysis of Electric Power System) e PSCAD (Power Systems Computer Aided Des ign). 8
    9. Processamento digital de sinais: Séries de Fourier. 4) Exemplo Tabela 3 - Tipos de clientes e distúrbios Clientes Industrial Comercial Residencial Efeito Harmônicas, Sobretensão Subtensão, Sobretensão, Sobretensão, e Surtos. Interrupções Interrupções momentâneas e momentâneas e temporárias. temporárias. Possíveis Causas Descargas atmosféricas, Manobras na linha de Manobras na linha de Manobras na linha de energia elétrica. energia elétrica. energia elétrica etc. Questão: Como podemos estimar os prejuízos devido a problemas na rede de energia elétrica de baixa tensão? 5) Monitoramento da Qualidade de Energia Elétrica Para uma rede de baixa tensão, algumas questões são relevantes (Deckmann, 2001):  Quais os problemas que se pode encontrar?  Quais as condições físicas dos locais onde esses distúrbios se manifestam?  Medir e registrar as variáveis/grandezas onde aparecem esses problemas;  Analisar os dados e compará-los com estudos e/ou simulações matemáticas;  Diagnosticar o problema, assim como sua possível causa e propor soluções. Instrumentos de medidas: tipos e fabricantes. Modelos de Simulações. A figura a seguir apresenta uma tabela como os principais equipamentos utilizados para medir a qualidade de energia. 9
    10. Fonte: Dugan et al., 1996. 6) Caracterização dos distúrbios Os distúrbios podem ser caracterizados por (Deckmann, 2001):  Duração do evento (curta, média e longa duração);  Faixa de freqüência (baixa, média ou alta freqüência);  Efeitos (aquecimento, vibração, cintilação luminosa etc);  Intensidade do impacto (pequeno, médio ou grande). 7) Tipos de Distúrbios Os principais tipos de distúrbios são (Deckmann, 2001): - Afundamento ou mergulho de tensão (voltage sag); - Cintilação luminosa (Flicker); - Colapso de tensão - média ou alta tensão; - Descarga eletrostática; - Desequilíbrio de tensões; - Distorções harmônicas; - Distorções inter-harmônicas; - Elevação de tensão (voltage swell); - Flutuações de tensão; - Interferência eletromagnética - Interferência telefônica; 10
    11. - Interrupção momentânea; - Interrupção temporária; - Interrupção permanente (outage); - Micro- interrupção; - Modulação da amplitude; - Oscilações eletromecânicas - média ou alta tensão; - Oscilação transitória; - Recortes de Comutação (notches); - Ressonância sub-síncrona - média ou alta tensão; - Ruídos; - Sobre-tensão; - Subtensão; - Surto de tensão (voltage surge). Classificação dos distúrbios segundo faixas de freqüência (Deckmann, 2001): a) Baixa freqüência ou sub-síncrono (f < 60 Hz): colapso de tensão, oscilação eletromecânica, cintilação e ressonância sub-síncrona; b) Média freqüência (60 ≤ f ≤ 9 kHz): distorção harmônica e inter-harmônica, interferência telefônica e ressonâncias paralelas entre transformadores, cargas e compensadores; c) Alta freqüência (9 kHz < f ≤ 30 MHz): chaveamentos rápidos de disjuntores e conversores eletrônicos, descargas eletrostáticas, surtos de tensão e interferências eletromagnéticas conduzidas e irradiadas. 11
    12. Fonte: Deckmann, 2001. Possíveis soluções: utilização de dispositivos FACTS (Flexible AC Transmission Systems) em rede de baixa tensão:  Distribution STATCOM (Static Compensator),  DVR (Dynamic Voltage Restorer),  Filtros Ativos,  Chaves eletrônicas (Solid State Switches). 8) Detalhes. 8.1) Transitórios oscilatórios. São decorrentes da energização de linhas, corte de carga (indutiva), eliminação de faltas, chaveamentos de bancos de capacitores e transformadores. São frequentemente encontrados em sistemas de subtransmissão e distribuição de energia (Delmont Filho, 2003). 12
    13. Fonte: Delmont Filho, 2003. 8.2) Sag ou afundamento de tensão. A figura abaixo apresenta um afundamento de tensão (ou sag) devido a um curto-circuito fase- terra. Há um decréscimo de 30 % na tensão por aproximadamente 4 ciclos. Este tipo de distúrbio também pode ser causado pela partida de grandes motores trifásicos de indução (figura seguinte) ou pela corrente de energização de um transformador. 13
    14. Fonte: Delmont Filho, 2003. Fonte: Delmont Filho, 2003. 14
    15. 8.3) Swell ou elevação de tensão. As elevações de tensão estão associadas com condições de falta no sistema. Esse fenômeno também pode estar relacionado à saída de um grande bloco de cargas. Na figura a seguir nota-se um acréscimo de 60 % na tensão por um período de aproximadamente 4 ciclos (Delmont Filho, 2003). A severidade da falta depende do local onde ela ocorreu, da impedância do sistema e do valor da resistência do aterramento. Quanto à duração do evento está ligada aos ajustes dos dispositivos de proteção e a natureza da falta (permanente ou transitória). Para surtos de tensão (voltage surges) - elevação de tensão transitória, podem-se utilizar os Dispositivos de Proteção contra Surtos de Tensão (DPS). Fonte: Delmont Filho, 2003. 8.4) Interrupção Uma interrupção de curta duração ocorre quando a tensão decresce para um valor menor que 0,1 pu (por unidade) por um período não superior a 1 minuto. A figura a seguir apresenta interrupção devido a um curto-circuito, sendo precedida por um afundamento de tensão de 80 %. 15
    16. Fonte: Delmont Filho, 2003. 8.5) Harmônicas Harmônicas são tensões ou correntes senoidais de freqüências múltiplas inteiras da freqüência fundamental, sendo provocadas por cargas não lineares A figura abaixo apresenta as deformações na forma de onda (terceira e quinta ordem). Fonte: Delmont Filho, 2003. 16
    17. As componentes harmônicasde ordens elevadas são desprezíveis para análises dos sistemas de potência. As cargas com características não lineares, também chamadas de carga elétricas especiais, podem ser divididas em três grandes grupos (Delmont Filho,2003): Cargas de conexão direta ao sistema:  Motores de corrente alternada (motores de indução do tipo gaiola);  Transformadores;  Circuitos de iluminação com lâmpadas de descarga;  Fornos a arco. Cargas conectadas através de conversores:  Motores de corrente contínua controlados por retificadores;  Motores de indução trifásicos controlados por inversores de freqüência;  Processos de eletrólise através de retificadores não-controlados;  Fornos de indução de alta freqüência. Reguladores:  Fornos de indução controlados por reatores saturados;  Cargas de aquecimento controladas por tiristores;  Reguladores de tensão a núcleo saturado. 8.6) Flutuações ou oscilações de tensão As flutuações de tensão correspondem a variação dos valores eficazes de tensão de suprimento dentro da faixa compreendida entre 0,95 a 1,05 pu. As flutuações podem ser divididas em: Flutuações aleatórias: a principal fonte são os fornos a arco. Flutuações repetitivas: máquinas de solda, elevadores e ferrovias. Flutuações esporádicas: partida direta de grandes motores. Os principais efeitos dessas flutuações são: Oscilações de potência e torque em máquinas elétricas; Interferência nos sistemas de proteção; Efeito flicker ou cintilação luminosa. 17
    18. O fenômeno flicker se refere à percepção, pelo olho humano, das variações luminosas provocadas pela flutuação da tensão de alimentação. Testes demonstraram que a sensibilidade do olho humano às variações luminosas se restringe a uma faixa de 0 a 30 Hz; com um valor máximo em torno de 8,8 Hz - caso de uma lâmpada incandescente (Deckmann,2001). Veja figura a seguir. Fonte: Deckmann, 2001. 9) Soluções para interrupções permanentes 9.1) Fontes Ininterruptas de Energia Convencionais. As fontes ininterruptas (UPS – Uninterruptible Power Supply), também conhecidas como nobreaks, caracterizam-se por manter a tensão na carga crítica independente da condição da tensão da rede. As UPS podem ser divididas em duas categorias: eletromecânicas (ou rotativas) e as estáticas (eletrônicas). 9.1.1) UPS estáticas Fonte: Saraiva Filho, 2002. 18
    19. As principais características da fonte ininterrupta com tempo de transferência são:  O inversor não precisa ser dimensionado para alimentar a carga continuamente – aproximadamente 15 minutos;  O rendimento global é relativamente alto, em torno de 90 %;  São utilizados em sistemas que toleram pequenas interrupções de energia e aceitam uma variação acima da faixa normal da tensão de trabalho (- 22 % a + 14 % do valor nominal). A figura a seguir apresenta uma fonte ininterrupta sem tempo de transferência. Fonte: Saraiva Filho, 2002. A figura a seguir mostra uma fonte ininterrupta interativa com a rede. A alimentação da carga é feita diretamente através do primário do transformador Triport (1). A carga é conectada no secundário do transformador – indicado por (2). Quando ocorre uma falha, o inversor que alimenta o terceário do transformador (3) assume a carga (Saraiva Filho, 2002). Fonte: Saraiva Filho, 2002. 19
    20. 10) Soluções para surtos de tensão (voltage surges). 10.1) Sistemas de baixa tensão Abaixo está representado um surto de tensão devido a um chaveamento de um capacitor. Fonte: Dugan et al., 1996. A figura a seguir mostra os diversos pontos de incidência das descargas atmosféricas. Fonte: Dugan et al., 1996. A figura abaixo mostra um surto de tensão devido à indução. 20
    21. Fonte: Dugan et al., 1996. Na figura a seguir está representado os princípios de proteção para sistemas de baixa tensão. Os pontos principais são: a presença de dois DPS (Dispositivos de Proteção contra Surtos ou Arrester) – um próximo a fonte de tensão e o outro próximo a carga, um filtro passa baixa (low-pass filter) – formado pela impedância de linha (line impedance) e o aterramento (ground impedance). Fonte: Dugan et al., 1996. A figura a seguir apresenta um surto de tensão ocorrido no primário atingindo o secundário do transformador devido à conexão dos seus aterramentos. 21
    22. Fonte: Dugan et al., 1996. A figura abaixo apresenta um DPS híbrido formado por um centelhador (Gas-type protector), um filtro e um varistor de óxido metálico (MOV – Metal Oxide Varistor). Fonte: Dugan et al., 1996. Fonte: NTE Electronics Inc., 2008. 22
    23. As próximas figuras apresentam alguns DPS comerciais. Fonte: APT (Advanced Protection Technology), 2008. Fonte: APT (Advanced Protection Technology), 2008. Fonte: APT (Advanced Protection Technology), 2008. 23
    24. Fonte: APT (Advanced Protection Technology), 2008. Fonte: Phoenix Contact, 2008. 24
    25. Fonte: Phoenix Contact, 2008. Fonte: Phoenix Contact, 2008. Fonte: Vishay, 2008. 25
    26. Fonte: Vishay, 2008. 10.2) Sistemas de média tensão. A figura abaixo apresenta o princípio de funcionamento do para-raio de média tensão. A figura seguinte mostra um para-raio em detalhes. 26
    27. Fonte: Dugan et al., 1996. Fonte: Dugan et al., 1996. Para minimizar os efeitos do chaveamento dos capacitores podem ser utilizados resistores de pré-inserção. A figura a seguir mostra um desses equipamentos. Por último, é apresentada uma tabela comprovando a eficácia de tal dispositivo. 27
    28. Fonte: Dugan et al., 1996. Fonte: Dugan et al., 1996. 10.3) Aterramento 28
    29. As próximas figuras mostram dois tipos de aterramento. Fonte: Dugan et al., 1996. Fonte: Dugan et al., 1996. Bibliografia Bollen, Math H. J. Understanding Power Quality Problems - Voltage Sags and Interruptions. The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 2000. 29
    30. Deckmann, Sigmar Maurer. Avaliação da Qualidade de Energia Elétrica. Apostila do curso. Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Campinas. Março, 2001. Delmont Filho, Odilon. Utilização da Transformada Wavelet para Caracterização de Distúrbios na Qualidade da Energia Elétrica. Dissertação de mestrado. Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. 2003. Dias, Guilherme Alfredo Dentzien. Harmônicas em Sistemas Industriais. EDIPUCRS. 1998. Dugan, R. C.; McGranaghan, M. F.; Beaty, H. W. Electrical Power Systems Quality. McGraw-Hill. 1996. Grimoni, J. A. B; Galvão, L. C. R. e Udaeta, M. E. M (Organizadores). Iniciação a Conceitos de Sistemas Energéticos para o Desenvolvimento Limpo. Edusp. 2004. Reis, Lineu Belico e Silveira, Semida (Organizadores). Energia Elétrica para o Desenvolvimento Sustentável. Edusp. 2001. Saraiva Filho, Francisco. Proposta de Recuperador Dinâmico para Correção de Afundamentos de Tensão. Dissertação de mestrado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 2002. Song, Y. H.; Jonhs, A. T. Flexible ac transmission system (FACTS). The Institution of Electrical Engineers. 1999. http://www.apttvss.com http://www.electrotek.com http://www.phoenixcontact.com.br http://www.pscad.com http://www.vishay.com 30

    + Jim NaturesaJim Naturesa, 11 months ago

    custom

    4403 views, 7 favs, 0 embeds more stats

    Tópicos: Qualidade de Energia Elétrica.

    More info about this document

    © All Rights Reserved

    Go to text version

    • Total Views 4403
      • 4403 on SlideShare
      • 0 from embeds
    • Comments 0
    • Favorites 7
    • Downloads 0
    Most viewed embeds

    more

    All embeds

    less

    Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
    Flag as inappropriate

    Select your reason for flagging this presentation as inappropriate. If needed, use the feedback form to let us know more details.

    Cancel
    File a copyright complaint
    Having problems? Go to our helpdesk?

    Categories