Alessandra Pinho Carreira
1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Centro de Ciências Exatas e Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica Grupo de Qualidade e Racionalização da Energia Elétrica CAPÍTULO II QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA: DEFINIÇÃO E ANÁLISE DOS ITENS DE QUALIDADE 2.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS O conceito de Qualidade da Energia está relacionado a um conjunto de alterações que podem ocorrer no sistema elétrico. A referência [3] define um problema de Power Quality da seguinte forma: Qualquer problema de energia manifestado na tensão, corrente ou nas variações de freqüência que resulte em falha ou má operação de equipamentos de consumidores. Tais alterações podem ocorrer em várias partes do sistema de energia, seja nas instalações de consumidores ou no sistema supridor da concessionária. Como causas mais comuns pode-se citar: perda de linha de transmissão, saída de unidades geradoras, chaveamentos de bancos de capacitores, curto-circuito nos sistemas elétricos, operação de cargas com características não-lineares, etc.. Pág. 21
2 No passado, os problemas causados pela má qualidade no fornecimento de energia não eram tão expressivos, visto que, os equipamentos existentes eram pouco sensíveis aos efeitos dos fenômenos ocorridos e não se tinham instalados, em grandes quantidades, dispositivos que causavam a perda da qualidade da energia. Entretanto, com o desenvolvimento tecnológico, principalmente da eletrônica de potência, consumidores e concessionárias de energia elétrica têmse preocupado muito com a qualidade da energia. Isto se justifica, principalmente, pelos seguintes motivos [3]: Os equipamentos hoje utilizados são mais sensíveis às variações na qualidade da energia. Muitos deles possuem controles baseados em microprocessadores e dispositivos eletrônicos sensíveis a muitos tipos de distúrbios; O crescente interesse pela racionalização e conservação da energia elétrica, com vistas a otimizar a sua utilização, tem aumentado o uso de equipamentos que, em muitos casos, aumentam os níveis de distorções harmônicas e podem levar o sistema a condições de ressonância; Maior conscientização dos consumidores em relação aos fenômenos ligados à qualidade da energia, visto que aqueles, estão se tornando mais informados a respeito de fenômenos como interrupções, subtensões, transitórios de chaveamentos, etc., passando a exigir que as concessionárias melhorem a qualidade da energia fornecida; Integração dos processos, significando que a falha de qualquer componente tem conseqüências muito mais importantes para o sistema elétrico; As conseqüências da qualidade da energia sobre a vida útil dos componentes elétricos. Pág. 22
3 A título de esclarecimento, a figura 2.1 ilustra um levantamento feito nos EUA, mostrando o crescimento das cargas eletrônicas em relação à potência instalada de um sistema típico, com previsão até o ano 2000 [4]. Potência Instalada [GW] Ano Concessionária Cargas Eletrônicas Figura 2.1- Crescimento de cargas eletrônicas. Para exemplificar os impactos econômicos da qualidade da energia, a figura 2.2 mostra os custos associados a interrupções elétricas de até 1 minuto para diferentes setores econômicos [4]. Figura Custo estimado - Interrupção de até 1 min. Pág. 23
4 Dentro do exposto, fica evidente a importância de uma análise e diagnóstico da qualidade da energia elétrica, no intuito de determinar as causas e as conseqüências dos distúrbios no sistema, além de apresentar medidas técnica e economicamente viáveis para solucionar o problema. Para avaliar o quanto um sistema está operando fora de suas condições normais, duas grandezas elétricas básicas podem ser empregadas. São elas: a tensão e a freqüência. A freqüência em um sistema interligado situa-se na faixa de 60 ± 0,5Hz. Por outro lado, em relação a tensão, três aspectos principais devem ser observados: Forma de onda, a qual deve ser o mais próximo possível de senóide; Simetria do sistema elétrico; e Magnitudes das tensões dentro de limites aceitáveis. Entretanto, existem alguns fenômenos, aleatórios ou intrínsecos, que ocorrem no sistema elétrico fazendo com que os aspectos acima citados sofram alterações, deteriorando a qualidade do fornecimento de energia elétrica. A definição destes fenômenos, aqui chamados de itens de qualidade, bem como as suas origens, conseqüências e sugestões para solução, são os objetivos deste capítulo e são relatados a seguir. Pág. 24
5 2.2. ITENS DE QUALIDADE A tabela 2.1, extraída da referência [5], mostra as categorias dos itens de qualidade e as características típicas dos fenômenos que contribuem para a perda da qualidade de um suprimento elétrico. Tabela Categorias e características típicas de fenômenos eletromagnéticos nos sistema elétricos. Categoria Conteúdo Espectral Típico Duração Típica Amplitude de Tensão Típica Transitórios 1.1 Impulsivos Nanosegundo 5 ns < 50 ns Microsegundo 1 µs 50 ns - 1 ms Milisegundo 0,1 ms > 1 ms 1.2 Oscilatórios Baixa Freqüência < 5 khz 3-50 ms 0,4 pu Média Freqüência khz 20 µs 0,4 pu Alta Freqüência 0,5-5 MHz 5 µs 0,4 pu Variações de Curta Duração Instantânea Sag ciclos 0,1 0,9 pu Swell ciclos 1,1 1,8 pu Momentânea Interrupção 0.5 ciclos -3 s < 0.1 pu Sag 30 ciclos - 3 s 0,1 0,9 pu Swell 30 ciclos - 3 s 1,1 1,4 pu Temporária Interrupção 3 s - 1 minuto < 0,1 pu Sag 3 s - 1 minuto 0,1 0,9 pu Swell 3 s - 1 minuto 1,1 1,2 pu Variações de Longa Duração Interrupção Sustentada > 1 minuto 0,0 pu Subtensão Sustentada > 1 minuto 0,8 0,9 pu Sobretensão Sustentada > 1 minuto 1,1 1,2 pu Desequilíbrio de Tensão regime permanente 0,5-2% Distorção da Forma de Onda Nível CC regime permanente 0 0,1% 5.2 Harmônicos de ordem regime permanente 0 20% Interharmônicos 0-6 khz regime permanente 0 2% Notching regime permanente Ruído faixa ampla regime permanente 0 1% Flutuação de Tensão < 25 Hz intermitente 0,1-7% Variação da Freqüência do Sistema < 10 s Pág. 25
6 A seguir são apresentados as definições e outros aspectos importantes, como causas e conseqüências, relacionados a cada item da tabela Transitórios Entende-se por transitórios eletromagnéticos as manifestações ou respostas elétricas locais ou nas adjacências, oriundas de alterações súbitas nas condições operacionais de um sistema de energia elétrica. Geralmente, a duração de um transitório é muito pequena, mas de grande importância, uma vez que os equipamentos presentes nos sistemas elétricos estarão submetidos a grandes solicitações de tensão e/ou corrente. Os fenômenos transitórios podem ser classificados em dois grupos, os chamados transitórios impulsivos, causados por descargas atmosféricas, e os transitórios oscilatórios, causados por chaveamentos Transitórios Impulsivos Normalmente causado por descargas atmosféricas, um transitório impulsivo pode ser definido como uma alteração repentina nas condições de regime permanente da tensão corrente ou ambas, caracterizando-se por apresentar impulsos unidirecionais em polaridade (positivo ou negativo) e com freqüência bastante diferente daquela da rede elétrica. A figura 2.3 ilustra uma corrente típica de um transitório impulsivo, oriundo de uma descarga atmosférica. Pág. 26
7 Os transitórios impulsivos geralmente são definidos por um tempo de subida e outro de descida do impulso, os quais, também, podem ser expressos pelo seu conteúdo espectral. Para exemplificar, um impulso transitório definido como 1,2 x 50 µs e 2000V, significa que o impulso atinge seu valor máximo de 2000V em um tempo de 1,2 µs e, posteriormente, decai até a metade de seu valor máximo, no tempo de 50 µs. Figura Corrente transitória impulsiva oriunda de uma descarga atmosférica Por se tratarem de transitórios causados por descargas atmosféricas, é de fundamental importância se observar qual o nível da tensão no ponto de ocorrência da descarga. Em sistemas de distribuição o caminho mais provável para as descargas atmosféricas é através de um condutor fase, no primário ou no secundário, causando altas sobretensões no sistema. Uma descarga diretamente na fase geralmente causa flashover na linha próxima ao ponto de incidência e pode gerar não somente um transitório impulsivo, mas também uma falta acompanhada de subtensões de curta duração ( Voltage Sag ) e interrupções. Pág. 27
8 Altas sobretensões transitórias podem também ser geradas por descargas que fluem ao longo do condutor terra. Existem numerosos caminhos através dos quais as correntes de descarga podem penetrar no sistema de aterramento, tais como o terra do primário, o terra do secundário e as estruturas do sistema de distribuição. Os principais problemas de qualidade de energia causados por estas correntes no sistema de aterramento são os seguintes: Elevam o potencial do terra local, em relação a outros terras, em vários kv. Equipamentos eletrônicos sensíveis que são conectados entre duas referências de terra, tal como um computador conectado ao telefone através de um modem, podem falhar quando submetidos a altos níveis de tensão. Induzem altas tensões nos condutores fase, quando as correntes passam pelos cabos a caminho do terra. Em se tratando de descargas em pontos de extra alta tensão, o surto se propaga ao longo da linha em direção aos seus terminais podendo atingir os equipamentos instalados em subestações de manobra ou abaixadoras. Entretanto, a onda de tensão ao percorrer a linha, desde o ponto de incidência até as subestações abaixadoras para a tensão de distribuição, tem a sua crista atenuada consideravelmente, e assim, consumidores ligados na baixa tensão não sentirão os efeitos advindos de descargas atmosféricas ocorridas a nível de transmissão. Contudo, os consumidores atendidos em tensão de transmissão, e supostamente localizados nas proximidades do ponto de descarga, estarão sujeitos a tais efeitos, podendo ocorrer a danificação de alguns equipamentos de suas respectivas instalações. Pág. 28
9 Transitórios Oscilatórios Um transitório oscilatório é caracterizado por uma alteração repentina nas condições de regime permanente da tensão e/ou corrente possuindo valores de polaridade positiva e negativa. A tabela 2.1 define os tipos de transitórios oscilatórios em função do conteúdo espectral, duração e magnitude da tensão. Estes transitórios são decorrentes de energização de linhas, corte de corrente indutiva, eliminação de faltas, chaveamento de bancos de capacitores e transformadores, etc.. Os transitórios oscilatórios de baixa freqüência são freqüentemente encontrados em sistemas de subtransmissão e distribuição e são causados por vários tipos de eventos. O mais freqüente é a energização de bancos de capacitores, o qual geralmente resulta em oscilações de tensão com freqüência entre 300 e 900Hz, com magnitude máxima por volta de 2,0 pu, sendo valores típicos de 1,3 a 1,5pu com uma duração entre 0,5 e 3 ciclos dependendo das características de amortecimento do sistema [3]. A figura 2.4 ilustra o resultado da simulação de energização de um banco de 600 kvar na tensão de 13,8 kv. Considerando o crescente emprego de capacitores pelas concessionárias para a manutenção dos níveis de tensão, e pelas indústrias com vistas à correção do fator de potência, tem-se tido uma preocupação especial no que se refere à possibilidade de se estabelecer uma condição de ressonância, devido às oscilações de altas freqüências, entre o sistema da concessionária e a indústria, e assim ocorrer uma amplificação das tensões transitórias, bem superiores às citadas anteriormente, podendo atingir níveis de 3 a 4 pu. Pág. 29
10 (V) 22.5k 20k 17.5k 15k 12.5k 10k 7.5k 5k 2.5k 0-2.5k -5k -7.5k -10k -12.5k 0 5m 10m 15m 20m 25m 30m 35m 40m t(s) (V) : t(s) (1)p2a Figura Transitório proveniente do chaveamento de um banco de capacitores. Um procedimento comum para limitar a magnitude da tensão transitória é transformar os bancos de capacitores do consumidor, utilizados para corrigir o fator de potência, em filtros harmônicos. Uma indutância em série com o capacitor reduzirá a tensão transitória na barra do consumidor a níveis aceitáveis. No sistema da concessionária, utiliza-se o chaveamento dos bancos com resistores de pré-inserção. Com a entrada deste resistor no circuito, o primeiro pico do transitório, o qual causa maiores prejuízos, é significativamente amortecido [3]. Transitórios oscilatórios com freqüências menores do que 300 Hz podem também ser encontrados nos sistemas de distribuição. Estes estão, geralmente, associados aos fenômenos de ferroressonância e energização de transformadores. A figura 2.5, obtida da referência [3], ilustra o fenômeno da ferroressonância envolvendo um transformador a vazio. Pág. 30
11 Figura Transitório oscilatório de baixa frequência causado pelo fenômemo da ferroressonância em um transformador a vazio. Em relação aos transitórios oscilatórios de média-frequência, estes podem ser causados por: energização de capacitor back-to-back resultando em correntes transitórias de dezenas de khz, chaveamento de disjuntores para eliminação de faltas e podem também ser o resultado de uma resposta do sistema a um transitório impulsivo. A título de ilustração, toma-se como referência as figuras 2.6 e 2.7, as quais ilustram um circuito equivalente para o estudo de tensões transitórias de restabelecimento (TRV) e a resposta do sistema à operação do disjuntor respectivamente. Figura Circuito equivalente para o estudo das tensões transitórias de restabelecimento quando da eliminação de uma falta. Pág. 31
12 Figura Sobretensão decorrente da eliminação de uma falta. Como pode-se observar, na figura 2.7., o pico de tensão pode atingir, no máximo, 2 vezes o valor de pico nominal. Estas sobretensões, como já foi dito para transitórios de baixa freqüência, quando aplicadas a equipamentos, podem ocasionar uma série de efeitos indesejáveis. Já os transitórios oscilatórios de alta freqüência, estes são geralmente o resultado de uma resposta do sistema a um transitório impulsivo [3]. Isto é, podem ser causados por descargas atmosféricas ou por chaveamento de circuitos indutivos. A desenergização de cargas indutivas pode gerar impulsos de alta freqüência. Apesar de serem de curta duração, estes transitórios podem interferir na operação de cargas eletrônicas. Filtros de alta-frequência e transformadores isoladores podem ser usados para proteger as cargas contra este tipo de transitório. Pág. 32
13 Conforme apresentado, algumas técnicas podem ser utilizadas na tentativa de se reduzir os níveis dos transitórios causados seja por chaveamentos ou por descargas atmosféricas. Entretanto, em alguns casos, como por exemplo os transitórios oriundos de surtos de chaveamento em redes de distribuição, podem ter seu grau de incidência e magnitudes reduzidas através de uma reavaliação das filosofias de proteção e investimentos para melhorias nas redes. Esta última medida visa o aumento da capacidade da rede, portanto, evitando que bancos de capacitores venham a ser exigidos Variações de Curta Duração As variações de tensão de curta duração podem ser caracterizadas por alterações instantâneas, momentâneas ou temporárias, dependendo da duração conforme está definido na tabela 2.1. Tais variações de tensão são, geralmente, causadas por condições de falta, energização de grandes cargas as quais requerem altas correntes de partida ou por intermitentes falhas nas conexões dos cabos de sistema. Dependendo do local da falta e das condições do sistema, a falta pode causar tanto uma queda de tensão temporária ( sag ), como uma elevação de tensão ( swell ) ou mesmo uma interrupção completa do sistema elétrico [3]. Cada um destes ítens serão analisados com maiores detalhes a seguir Interrupção Uma interrupção de curta duração ocorre quando a tensão de suprimento decresce para um valor menor que 0,1 pu por um período de tempo não superior a 1 minuto. Pág. 33
14 Este tipo de interrupção pode ser causado por faltas no sistema de energia, falhas de equipamentos e mal funcionamento de sistemas de controle. A duração de uma interrupção, devido a uma falta no sistema da concessionária, é determinada pelo tempo de operação dos dispositivos de proteção. Religadores programados para operar instantaneamente, geralmente, limitam a interrupção a tempos inferiores a 30 ciclos. Religadores temporizados podem originar interrupções momentâneas ou temporárias, dependendo da escolha das curvas de operação do equipamento. A duração de uma interrupção devido ao mal funcionamento de equipamentos é irregular [3]. Algumas interrupções podem ser precedidas por um voltage sag quando estas são devidas a faltas no sistema supridor. O voltage sag ocorre no período de tempo entre o início de uma falta e a operação do dispositivo de proteção do sistema. A figura 2.8 mostra uma interrupção momentânea devido a um curtocircuito, sendo precedida por um voltage sag. Observa-se que a tensão cai para um valor de 20%, com duração de 3 ciclos e, logo após, ocorre a perda total do suprimento num período de 1,8 segundos até a atuação do religador. Pág. 34
15 Figura Interrupção momentânea devido a um curto-circuito e subsequente religamento. Seja, por exemplo, o caso de um curto-circuito no sistema supridor da concessionária. Logo que o dispositivo de proteção detecta a corrente de curtocircuito, ele comanda a desenergização da linha com vistas a eliminar a corrente de falta. Somente após um curto intervalo de tempo, o religamento automático do disjuntor ou religador é efetuado. Entretanto, pode ocorrer que, após o religamento, o curto persista e uma seqüência de religamentos pode ser efetuada com o intuito de eliminar a falta. A figura 2.9 ilustra uma seqüência de religamentos com valores típicos de ajustes do atraso. Pág. 35
16 Isc Ciclos Segundos Segundos Segundos Figura Seqüência de manobras efetuadas por dispositivos automáticos de proteção. Sendo a falta de caráter temporário, o equipamento de proteção não completará a seqüência de operações programadas e o fornecimento de energia não é interrompido. Assim, grande parte dos consumidores, principalmente em áreas residenciais, não sentirão os efeitos da interrupção. Porém, algumas cargas mais sensíveis do tipo computadores e outras cargas eletrônicas estarão sujeitas a tais efeitos, a menos que a instalação seja dotada de unidades UPS ( Uninterruptible Power Supply ), as quais evitarão maiores conseqüências na operação destes equipamentos, na eventualidade de interrupção de curta duração. Alguns dados estatísticos revelam que 75% das faltas em redes aéreas são de natureza temporária. No passado, este percentual não era considerado preocupante. Entretanto, com o crescente emprego de cargas eletrônicas, como inversores, computadores, videocassetes, etc., este número passou a ser relevante nos estudos de otimização do sistema, pois é, agora, tido como Pág. 36
17 responsável pela saída de operação de diversos equipamentos, interrompendo o processo produtivo e causando enormes prejuízos às indústrias. Atentos a este problema, algumas concessionárias têm mudado a filosofia de proteção com o objetivo de diminuir o número de consumidores afetados pelas interrupções. Na filosofia de proteção coordenada, o dispositivo de proteção do alimentador principal, seja o religador ou o disjuntor, sempre opera uma ou duas vezes antes da operação do dispositivo à jusante, geralmente, um fusível. Como pode ser observado na figura 2.10, nesta filosofia todos os consumidores do alimentador sentiriam as curtas interrupções, fazendo aumentar o índice de freqüência de interrupção por consumidor (FEC), o qual é monitorado pelas concessionárias. Ramal Alim. Principal Ramal Defeituoso Figura Diagrama unifilar de um sistema de distribuição nova filosofia de proteção Subtensão de Curta Duração ( Voltage Sag ) As subtensões de curta duração são caracterizadas por uma redução no valor eficaz da tensão, entre 0,1 e 0,9 pu, na freqüência fundamental, com duração entre 0,5 ciclo e 1 minuto. Pág. 37
18 Quedas de tensão com período inferior a 10ms e abaixo de 10% não são levadas em consideração. Segundo a referência [6], isto se explica pelo fato de que os distúrbios com período de duração abaixo de 10ms são considerados como transitórios e, quedas de tensão menores que 10% são toleradas pela maioria dos equipamentos elétricos. Este tipo de distúrbio está associado, principalmente, a curto-circuitos ocorridos nas redes de distribuição. Mas pode também ser causado pela energização de grandes cargas, partida de grandes motores e pela corrente inrush de um transformador. A figura 2.11, extraída da referência [5], ilustra uma subtensão de curta duração típica, causada por uma falta fase-terra. Observa-se um decréscimo de 80% na tensão por um período de aproximadamente 3 ciclos, até que o equipamento de proteção da subestação opere e elimine a corrente de falta. Neste caso, de acordo com a tabela 2.1, a subtensão é de caráter instantâneo. Entretanto, as características e o número de subtensões diante de uma determinada falta dependem de vários fatores como: a natureza da falta, sua posição relativa a outros consumidores ligados na rede e o tipo de filosofia de proteção adotada no sistema. Pág. 38
19 Figura Voltage Sag causado por uma falta fase-terra. Nesta situação, observa-se a concessionária afetando os consumidores. Porém, pode ocorrer uma situação em que o curto-circuito se localize dentro de uma instalação industrial ou comercial e, desta forma, causar subtensões em consumidores localizados em outros pontos da rede. Ressalta-se que, neste caso, as quedas de tensão são de níveis menores devido a impedância do transformador de entrada que limita a corrente de curto-circuito. Acrescenta-se ainda que, em transformadores de conexão -Y, a corrente de seqüência zero, oriunda de faltas assimétricas, é eliminada do circuito. Para ilustrar a subtensão causada pela partida de um motor de indução e comparar com o caso anterior, tem-se a figura 2.12, extraída da referência [5]. Como é conhecido, durante a partida de um motor de indução, este absorve uma corrente de 6 a 10 vezes a corrente nominal, resultando em uma queda Pág. 39
20 significativa na tensão de suprimento. Observa-se que, neste caso, a tensão cai rapidamente para 0,8 pu e, num período de aproximadamente 3 segundos, retorna ao seu valor nominal. Figura Voltage Sag causado pela partida de um motor. Como efeito destes distúrbios tem-se, principalmente, a má operação de equipamentos eletrônicos, em especial os computadores, que tem sido alvo de preocupações em órgãos de pesquisa em Power Quality. Entretanto, determinar os níveis de sensibilidade de tais equipamentos torna-se uma tarefa difícil, devido ao grande número de medições necessárias para a coleta de dados, e ainda, as dificuldades de se ter equipamentos de medição em condições reais de campo. Pág. 40
21 Os níveis de sensibilidade apresentados a seguir foram determinados a partir de um estudo de casos realizado pelo EPRI, com exceção daqueles referentes a computadores os quais foram estabelecidos pela ANSI/IEEE: Controladores de resfriamento Estes apresentam uma sensibilidade muito grande às subtensões, quando estas atingem níveis em torno de 80% da nominal, desconsiderando o período de duração. Testadores de chips eletrônicos Estes são muito sensíveis às variações de tensão e, devido à complexidade envolvida, freqüentemente requerem 30 minutos ou mais para reiniciarem a linha de testes. Tais testadores, compostos de cargas eletrônicas tipo: impressoras, computadores, monitores, etc., normalmente saem de operação se a tensão excursionar abaixo de 85% da nominal. Acionadores CC São utilizados em grande escala em processos industriais, desta forma é importante que se mantenha uma qualidade no suprimento de energia destas cargas. A partir de resultados preliminares de monitorações, estes mostram-se sensíveis quando a tensão é reduzida para próximo de 88% da nominal, ou seja, apresentam um alto nível de sensibilidade. PLC s Controladores Lógicos Programáveis robustos, pertencendo, portanto, a uma geração mais antiga, admitem zero de tensão por até 15 ciclos. Pág. 41
22 Porém, os mais modernos, dotados de uma eletrônica mais sofisticada, começam a apresentar problemas na faixa de 50-60% da tensão nominal. Robôs Robôs geralmente requerem uma tensão estritamente constante, para garantir uma operação apropriada e segura. Portanto, estes tipos de máquinas são freqüentemente ajustadas para saírem de operação, ou desconectadas do sistema de distribuição, quando a tensão atinge níveis de 90% da nominal. Computadores Conforme mencionado anteriormente, os computadores configuram-se a principal fonte de preocupação no que se refere às subtensões, uma vez que os dados armazenados na memória podem ser totalmente perdidos em condições de subtensões indesejáveis. Assim, foi estabelecido pela ANSI/IEEE, limites de tolerância para computadores relativos a distúrbios no sistema elétrico. Estes trabalhos conduziram à figura 2.13, onde os níveis de tensão abaixo da nominal representam os limites, dentro dos quais, um computador típico pode resistir a distúrbios de subtensões sem apresentar falhas. Nota-se que a suportabilidade de um computador é grandemente dependente do período de duração do distúrbio. Pág. 42
23 400 Tensão [%] Envoltória da Tensão de Tolerância do Computador Falta de Energia de Armazenamento Nível de Tensão Passível de Ruptura 115% 0 30% Tempo em Ciclos (60 Hz) 106% 87% Figura Tolerâncias típicas de tensão para computadores (curva CBEMA). Videocassetes, forno de microondas e relógios digitais Estas cargas são essencialmente domésticas e, de certa forma, mostram ser pouco sensíveis às variações de tensão, o que pode ser verificado através da figura Tensão (% da Nominal) Tempo em ciclos Região de Má Operação: VCR s Fornos de Microondas Relógios Digitais Figura Limiares de tensão para operação segura de vídeos, microondas e relógios digitais. Pág. 43
24 Diante de tais problemas, as variações de tensão constituem-se num importante item de qualidade, merecendo grandes preocupações por parte de concessionárias, fabricantes de equipamentos e consumidores, além de pesquisadores da área de qualidade da energia elétrica. Existem várias medidas que podem ser tomadas por parte de consumidores, concessionárias e fabricantes de equipamentos no sentido de diminuir o número e a severidade das subtensões de curta duração. Algumas destas são [3]: Utilização de transformadores ferroressonantes, conhecidos também como CVTs ( Constant Voltage Transformers ). Este equipamento pode controlar a maioria das condições de voltage sag. São utilizados especialmente para cargas com potências constantes e de pequenos valores. Transformadores ferroressonantes são basicamente transformadores de relação de transformação 1:1, altamente excitados em suas curvas de saturação, fornecendo assim uma tensão de saída que não é significativamente afetada pelas variações da tensão de entrada. A figura 2.15 ilustra um circuito típico de transformadores ferroressonantes. Figura Transformador ferroressonante. Pág. 44
25 A figura 2.16 mostra o melhoramento obtido em um controlador de processos aumentando a sua capacidade de suportar voltage sags. O controlador de processos pode suportar uma voltage sag abaixo de 30% da nominal com um transformador ferroressonante de 120VA, contra 82% sem ele [3]. Figura Melhoramento contra Voltage Sag através de transformador ferroressonante. Utilização de UPS s. Os tipos básicos de UPS s fundamentam-se nas operações on-line e standby. Estes dispositivos podem ser usados para períodos de interrupção acima de 15 minutos de duração. A UPS híbrida, que corresponde a uma variação da UPS standby, também pode ser usada para interrupções de longa duração. Pág. 45
26 A figura 2.17 mostra uma configuração típica de uma UPS on-line. Nesta topologia, onde a carga é sempre alimentada através da UPS, a tensão CA de entrada é convertida em tensão CC, a qual carrega um banco de baterias, sendo esta então invertida novamente para tensão CA. Ocorrendo uma falha no sistema CA de entrada, o inversor é alimentado pelas baterias e continua suprindo a carga. Figura UPS On line. Uma unidade UPS standby, mostrada na figura 2.18, é às vezes chamada de UPS off-line, visto que o suprimento normal de energia é usado para energizar o equipamento até que um distúrbio seja detectado. Uma chave transfere a carga para o conjunto bateria-inversor. Figura UPS Standby. Pág. 46
27 Similarmente à topologia standby, a unidade UPS híbrida utiliza um regulador de tensão na saída para prover a regulação e manter momentaneamente o suprimento, quando da transferência de fonte convencional para a fonte UPS. Este arranjo é mostrado na figura Figura UPS Híbrida. Utilização de conjuntos motor-gerador (M-G). Estes conjuntos existem em uma grande variedade de potências e configurações. Este conjunto é capaz de suprir uma saída constante. A inércia do volante ( flywheel ) faz com que o rotor do gerador mantenha a rotação caso ocorra a falta de energia. Utilização de um dispositivo magnético supercondutor de armazenamento de energia. Este dispositivo utiliza um magneto supercondutor para armazenar energia da mesma forma que uma UPS utiliza baterias. Os projetos na faixa de 1 a 5MJ são chamados de micro-smes ( Superconducting magnetic energy storage ). A principal vantagem deles é a grande redução do espaço físico necessário ao magneto, se esta solução é Pág. 47
28 comparada ao espaço para as baterias. Os projetos iniciais dos micro- SMES estão sendo testados em vários locais nos EUA com resultados favoráveis. A figura 2.20 mostra um diagrama on-line deste dispositivo. Figura Diagrama on-line de um dispositivo supercondutor de armazenamento de energia. Utilização de métodos de partida de motores. Dentre os mais utilizados pode-se citar os seguintes métodos de partida: - Partida suave ( Soft Started ); - Partida por meio de autotransformadores; - Partida por meio de resistência e reatância; - Partida por meio de enrolamento parcial; - Partida pelo método estrela-triângulo. Pág. 48
29 Melhorar as práticas para o restabelecimento do sistema da concessionária em caso de faltas. Isto implica em adicionar religadores de linha, eliminar as operações rápidas de religadores e/ou disjuntores, adicionar sistemas do tipo Network e melhorar o projeto do alimentador. Estas práticas podem reduzir o número e/ou a duração de interrupções momentâneas e voltage sags, mas as faltas em sistemas de concessionárias nunca podem ser eliminadas completamente. Adotar medidas de prevenção contra faltas no sistema da concessionária. Estas medidas incluem atividades como poda de árvores, colocar páraraios de linha, manutenção dos isoladores, blindagem de cabos, modificar o espaçamento entre condutores e melhorar o sistema de aterramento Sobretensão de Curta Duração ( Voltage Swell ) Uma sobretensão de curta duração ou voltage swell é definida como um aumento entre 1,1 e 1,8 pu na tensão eficaz, na freqüência da rede, com duração entre 0,5 ciclo a 1 minuto. Assim como os voltage sags, os voltage swells estão geralmente associados com as condições de falta no sistema, principalmente no que diz respeito ao curto-circuito fase-terra, visto que nestas condições as fases não defeituosas experimentam uma elevação de tensão. Esta sobretensão pode atingir, num sistema a 4 fios e multi-aterrado, por exemplo, valores próximos a 1,25 pu [6]. A Pág. 49
30 figura 2.21 ilustra um voltage swell causado por uma falta fase-terra. Este fenômeno pode também estar associado à saída de grandes blocos de cargas ou à energização de grandes bancos de capacitores, porém, com uma incidência pequena se comparada com as sobretensões provenientes de faltas fase-terra nas redes de transmissão e distribuição. Figura Salto de tensão devido a uma falta fase-terra. As sobretensões de curta duração são caracterizadas pelas suas magnitudes (valores eficazes) e suas durações. A severidade de um voltage swell durante uma condição de falta é função do local da falta, da impedância do sistema e do aterramento. Em um sistema aterrado, com valor de impedância de seqüência zero e finita, as tensões de fase serão 1,73 pu durante as condições de falta faseterra [5]. A duração da sobretensão está intimamente ligada aos ajustes dos dispositivos de proteção, à natureza da falta (permanente ou temporária) e à sua localização na rede elétrica. Em situações de voltage swells oriundas de saídas Pág. 50
31 de grandes cargas ou energização de grandes bancos capacitores, o tempo de duração das sobretensões depende da resposta dos dispositivos reguladores de tensão das unidades geradoras, do tempo de resposta dos transformadores de tap variável e da atuação dos dispositivos compensadores como RCT s, CCT s e compensadores síncronos que porventura existam no sistema. Como conseqüência das sobretensões de curta duração em equipamentos, podese citar falhas dos componentes, dependendo da freqüência de ocorrência do distúrbio. Dispositivos eletrônicos incluindo ASD s, computadores e controladores eletrônicos, podem apresentar falhas imediatas durante estas condições. Contudo, transformadores, cabos, barramentos, dispositivos de chaveamento, TP s, TC s e máquinas rotativas podem ter a vida útil reduzida. Um aumento de curta duração na tensão em alguns relés pode resultar em má operação enquanto outros podem não ser afetados. Um voltage swell em um banco de capacitores pode, freqüentemente, causar danos no equipamento. Aparelhos de iluminação podem ter um aumento da luminosidade durante um voltage swell. Dispositivos de proteção contra surto do tipo clamping podem ser destruídos quando submetidos a swells que excedam suas taxas de MCOV ( Tensão de Operação Contínua Máxima) [3]. Dentro do exposto, a preocupação principal recai sobre os equipamentos eletrônicos, uma vez que estas sobretensões podem vir danificar os componentes internos destes equipamentos, conduzindo-os à má operação, ou em casos extremos, à completa inutilização. Vale ressaltar mais uma vez que, a suportabilidade de um equipamento não depende apenas da magnitude da sobretensão, mas também do seu período de duração, conforme ilustra a figura 2.13, a qual mostra a tolerância de microcomputadores às variações de tensão. Pág. 51
32 Diante de tais problemas causados por sobretensões de curta duração, este item de qualidade sugere que seja mantida uma atenção por parte de consumidores, fabricantes e concessionárias, no intuito de eliminar ou reduzir as conseqüências oriundas deste fenômeno Variações de Longa Duração As variações de tensão de longa duração podem ser caracterizadas como desvios que ocorrem no valor eficaz da tensão, na freqüência do sistema, com duração maior que 1 minuto. Estas variações de tensão podem se dar como subtensões, sobretensões ou interrupções sustentadas. Todas elas são geralmente causadas por variações de carga e operações de chaveamento no sistema Interrupções Sustentadas Quando a tensão de suprimento permanece em zero por um período de tempo superior a 1 minuto, a variação de tensão de longa duração é considerada uma interrupção sustentada. Interrupções de tensão por um tempo superior a 1 minuto são freqüentemente permanentes e requerem intervenção da concessionária para reparar o sistema e restaurar o fornecimento de energia. As interrupções sustentadas podem ocorrer de forma inesperada ou de forma planejada. A maioria delas ocorre inesperadamente e as principais causas são falhas nos disjuntores, queima de fusíveis; falha de componentes de circuito Pág. 52
33 alimentador, etc.. Já as interrupções planejadas são feitas geralmente para executar manutenção da rede, ou seja, serviços como troca de cabos e postes, mudança do tap do transformador, alteração dos ajustes de equipamentos de proteção, etc.. Seja a interrupção de natureza sustentada ou inesperada, o sistema elétrico deve ser projetado e operado de forma a garantir que: O número de interrupções seja mínimo; Uma interrupção dure o mínimo possível; e O número de consumidores afetados seja pequeno. Ao ocorrer uma falta de caráter permanente, o dispositivo de proteção do alimentador principal executa 3 ou 4 operações na tentativa de se restabelecer o sistema, até que o bloqueio definitivo seja efetuado. A duração desta interrupção pode atingir de vários minutos a horas (em média 2 horas), dependendo do local da falta, do tipo de defeito na rede e também da operacionalidade da equipe de manutenção. Em redes aéreas, a localização do defeito não demora muito tempo, ao passo que em redes subterrâneas necessita-se de um tempo considerável, o que contribui para o comprometimento da qualidade do fornecimento. Entretanto, a probabilidade de ocorrer uma falta em redes subterrâneas é muito menor do que em redes aéreas. A conseqüência de uma interrupção sustentada é o desligamento dos equipamentos, exceto para aquelas cargas protegidas por sistemas no-breaks ou por outras formas de armazenamento de energia. Como já foi colocado anteriormente, no caso de interrupções de curta duração, o desligamento de equipamentos acarreta grandes prejuízos às indústrias. No caso de interrupção sustentada o prejuízo é ainda maior, visto que o tempo de duração da interrupção Pág. 53
34 é muito grande, comparado com o da interrupção de curta duração, retardando a retomada do processo produtivo Subtensões Sustentadas Uma subtensão é caracterizada por um decréscimo no valor eficaz da tensão CA a valores menores que 0,9 pu, na freqüência da rede, e com período de duração maior que 1 minuto. As subtensões são decorrentes, principalmente, do carregamento excessivo de circuitos alimentadores, os quais são submetidos a determinados níveis de corrente que, interagindo com a impedância da rede, dão origem a quedas de tensão acentuadas. Outros fatores que contribuem para as subtensões são: a conexão de cargas à rede elétrica, o desligamento de bancos de capacitores e, consequentemente, o excesso de reativo transportado pelos circuitos de distribuição, o que limita a capacidade do sistema no fornecimento de potência ativa e ao mesmo tempo eleva a queda de tensão. A queda de tensão por fase é função da corrente de carga, do fator de potência e dos parâmetros R e X da rede, sendo obtidos através da equação (2.1). onde: V- queda de tensão por fase; I - corrente da rede; R - resistência por fase da rede; X - reatância por fase da rede; cosφ - fator de potência. V = I(Rcosφ + Xsen φ ) (2.1) Pág. 54
35 A partir da equação (2.1) pode-se concluir que aqueles consumidores mais distantes da subestação estarão submetidos a menores níveis de tensão. Além disso, quanto menor for o fator de potência, maiores serão as perdas reativas na distribuição, aumentando a queda de tensão no sistema. Para evidenciar a influência de fator de potência na tensão, a figura 2.22 ilustra o perfil de tensão ao longo de um alimentador. V 0 [%] Distância Fp. Médio=0.85 Fp. Médio=0.7 Figura Perfil de tensão ao longo de um alimentador em função do fator de potência. Dentre os problemas causados por subtensões de longa duração, destacam-se: Redução da potência reativa fornecida por bancos de capacitores ao sistema; Possível interrupção da operação de equipamentos eletrônicos, tais como computadores e controladores eletrônicos; Redução de índice de iluminamento para os circuitos de iluminação incandescente, conforme ilustra a figura 2.23; Pág. 55
36 120 Potência Consumida [W] Nominal Queda - 2.5% Queda - 5% Queda - 7.5% Queda - 10% Figura Potência consumida por uma lâmpada incandescente de 100W para diferentes valores de tensão. Elevação do tempo de partida das máquinas de indução, o que contribui para a elevação de temperatura dos enrolamentos; e Aumento nos valores das correntes do estator de um motor de indução quando alimentado por uma tensão inferior à nominal, como mostra a figura Desta forma tem-se um sobreaquecimento da máquina, o que certamente reduzirá a expectativa de vida útil da mesma. Elevação da Corrente [%] Queda - 5% Queda - 10% Queda - 15% Figura Elevação de corrente num motor de indução de 5CV em função da tensão de alimentação. Pág. 56
37 Para minimizar estes problemas, as medidas corretivas geralmente envolvem uma compensação da impedância Z, ou a compensação da queda de tensão IR + jix, causada pela impedância. As opções para o melhoramento da regulação de tensão são: Instalar reguladores de tensão para elevar o nível da tensão; Instalar capacitores shunt para reduzir a corrente do circuito; Instalar capacitores série para cancelar a queda de tensão indutiva (IX); Instalar cabos com bitolas maiores para reduzir a impedância Z; Mudar o transformador de serviço para um de tamanho maior para reduzir a impedância Z; e Instalar compensadores estáticos de reativos, os quais tem os mesmos objetivos que os capacitores, para mudanças bruscas de cargas. Existe uma variedade de dispositivos usados para regulação de tensão. Tais dispositivos são tipicamente divididos em três classes: Transformadores de tap variável; Dispositivos de isolação com reguladores de tensão independentes; e Dispositivos de compensação de impedância, tais como capacitores. Existem transformadores de tap variável com acionamento mecânico ou eletrônico. A maioria destes são do tipo autotransformador, embora existam numerosas aplicações de transformadores de dois e três enrolamentos com comutadores de tap. Os do tipo mecânico são para cargas que variam lentamente, enquanto que os eletrônicos podem responder rapidamente às mudanças de tensão. Pág. 57
38 Dispositivos de isolação incluem sistemas UPS, transformadores ferroressonantes (tensão constante), conjuntos M-G, etc. Estes são equipamentos que isolam a carga da fonte de suprimento através de algum método de conversão de energia. Assim, a saída do dispositivo pode ser separadamente regulada e mantém constante a tensão desprezando as variações da fonte principal. Capacitores shunt ajudam a manter a tensão pela redução da corrente de linha ou através da compensação de circuitos indutivos. Estes capacitores podem ser fixos ou chaveados dependendo do tipo e da necessidade do sistema. Capacitores série são relativamente raros, mas são muito úteis em algumas cargas impulsivas como britadeiras, etc.. Estes capacitores compensam grande parte da indutância dos sistemas. Se o sistema é altamente indutivo, a impedância é significativamente reduzida. Se o sistema não é altamente indutivo, mas tem uma alta proporção de resistência, os capacitores série não serão muito efetivos. Compensadores estáticos de reativos podem ser aplicados tanto em sistemas de concessionárias como industriais. Eles ajudam a regular a tensão pela rápida resposta ao suprir ou consumir energia reativa. Existem três tipos principais de compensadores estáticos de reativos: o reator controlado a tiristor, o capacitor chaveado a tiristor e o reator a núcleo saturado. Estes equipamentos são muito usados em cargas geradoras de flicker, tais como fornos a arco e em outras cargas que variam randonicamente, onde o sistema é fraco e o flicker resultante afeta os consumidores vizinhos. Pág. 58
39 Sobretensões Sustentadas Uma sobretensão é caracterizada por um aumento no valor eficaz da tensão CA acima de 1,1 pu (valores típicos entre 1,1 e 1,2 pu), na freqüência da rede, por um período de duração maior que 1 minuto. As sobretensões de longa duração podem ser o resultado do desligamento de grandes cargas ou da energização de um banco de capacitores. Transformadores cujos taps são conectados erroneamente também podem causar sobretensões. Geralmente, são instalados bancos de capacitores fixos nos sistemas de distribuição das concessionárias, com vistas a suprir energia reativa e, portanto, melhorar o perfil de tensão. Ao mesmo tempo são instalados nas indústrias bancos de capacitores, normalmente fixos, para correção do fator de potência ou mesmo para elevação da tensão nos circuitos internos da instalação. Nos horários de ponta, quando há grandes solicitações de carga, o reativo fornecido por estes bancos é sempre bem vindo. Entretanto, no horário fora de ponta, principalmente no período noturno, tem-se um excesso de reativo injetado no sistema, o qual se manifesta por uma elevação da tensão. Com relação às conseqüências das sobretensões de longa duração, estas podem resultar em falha dos equipamentos. Os dispositivos eletrônicos podem sofrer danos durante condições de sobretensões, embora transformadores, cabos, disjuntores, TC s, TP s e máquinas rotativas, geralmente não apresentam falhas imediatas. Entretanto, tais equipamentos, quando submetidos a sobretensões sustentadas, poderão ter as suas vidas úteis reduzidas. Relés de proteção também poderão apresentar falhas de operação durante as sobretensões. A potência reativa fornecida pelos bancos de capacitores aumentará com o quadrado da Pág. 59
40 tensão durante uma condição de sobretensão, enquanto que o iluminamento poderá ser aumentado em tal condição [3]. Dentre algumas opções para a solução de tais problemas, destaca-se a troca de bancos de capacitores fixos por bancos automáticos, tanto em sistemas de concessionárias como em sistemas industriais, possibilitando um controle maior do nível da tensão e a instalação de compensadores estáticos de reativos Desequilíbrios ou Desbalanços Os desequilíbrios podem ser definidos como o desvio máximo da média das correntes ou tensões trifásicas, dividido pela média das correntes ou tensões trifásicas, expressado em percentual. Mas podem ser também caracterizados como a relação entre a componente de seqüência negativa pela componente de seqüência positiva [3]. As origens destes desequilíbrios estão geralmente nos sistemas de distribuição, os quais possuem cargas monofásicas distribuídas inadequadamente, fazendo surgir no circuito tensões de seqüência negativa. Este problema se agrava quando consumidores alimentados de forma trifásica possuem uma má distribuição de carga em seus circuitos internos, impondo correntes desequilibradas no circuito da concessionária. Tensões desequilibradas podem também ser o resultado da queima de fusíveis em uma fase de um banco de capacitores trifásicos. Tais fatores fazem com que a qualidade no fornecimento de energia, idealizada pela concessionária, seja prejudicada e desta forma alguns consumidores têm em Pág. 60
41 suas alimentações um desequilíbrio de tensão, o qual se manifesta sob três formas distintas: Amplitudes diferentes; Assimetria nas fases; e Assimetria conjunta de amplitudes e fases; Destas, apenas a primeira é freqüentemente evidenciada no sistema elétrico. A instalação elétrica de um consumidor, sujeito a desequilíbrios de tensão, pode apresentar problemas indesejáveis na operação de equipamentos, dentre os quais destacam-se [7]: Motores de Indução Para as análises dos efeitos de tensões desequilibradas aplicadas a um motor de indução, considera-se somente os efeitos produzidos pelas tensões de seqüência negativa, somados aos resultados da tensão de seqüência positiva. Os efeitos das tensões e correntes de seqüência zero não são comumente considerados, visto que a maioria dos motores não possue caminho para a circulação destas correntes, seja pela conexão estrela isolada ou em delta destes motores. Sabe-se que, quando tensões de seqüência negativa são aplicadas ao estator do motor, surge um correspondente campo magnético que gira no sentido contrário ao campo da seqüência positiva, ou seja, contrário ao sentido de rotação do rotor. Assim, tem-se estabelecido uma indesejável interação entre os dois campos, o que resulta num conjugado pulsante no eixo da máquina. Pág. 61
42 A figura 2.25 ilustra a curva do conjugado desenvolvido por um motor de indução (20cv, 220V, Y), bem como a curva de conjugado de carga, quando alimentado por tensões desequilibradas. (N.m) Conjugado do motor Conjugado da carga m 400m 600m 800m t(s) (N.m) : t(s) (1)t(mt_ind2.m1) (1)tc(mt_ind2.m1) Figura Resposta do motor à alimentação desequilibrada Ao mesmo tempo, as correntes de seqüência negativa causam um sobreaquecimento da máquina. Isto pode ser evidenciado através da figura 2.26, a qual apresenta elevações de temperatura típicas para motores de indução quando estes são submetidos a tensões desequilibradas. Pág. 62
43 Elevação da Temperatura [ o C] ,5 5 Desequilíbrio [%] Deseq. de Corrente Deseq. de Tensão Figura Elevação de temperatura de um motor de indução trifásico para diferentes níveis de desequilíbrio. Como conseqüência direta desta elevação de temperatura tem-se a redução da expectativa de vida útil dos motores, visto que o material isolante sofre uma deterioração mais acentuada na presença de elevadas temperaturas nos enrolamentos. Máquinas síncronas Como no caso anterior, a corrente de seqüência negativa fluindo através do estator de uma máquina síncrona, cria um campo magnético girante com velocidade igual à do rotor, porém, no sentido contrário ao de rotação definido pela seqüência positiva. Consequentemente, as tensões e correntes induzidas nos enrolamentos de campo, de amortecimento e na superfície do ferro do rotor, terão uma freqüência igual a duas vezes à da rede. Tais correntes aumentarão significativamente as perdas no rotor, principalmente no enrolamento de Pág. 63
44 amortecimento, que possui baixa impedância onde, consequentemente, a corrente será mais elevada. No enrolamento de campo, estas correntes com freqüência duplicada distorcerão o campo magnético produzido pela corrente de excitação que, por sua vez, deformará a forma de onda da tensão gerada, interferindo, portanto, na atuação do regulador de tensão. Retificadores Uma ponte retificadora CA/CC, controlada ou não, injeta na rede CA, quando esta opera sob condições nominais, correntes harmônicas características (de ordem 5, 7, 11, 13, etc). Entretanto, quando o sistema supridor encontra-se desequilibrado, os retificadores passam a gerar, além das correntes harmônicas características, o terceiro harmônico e seus múltiplos. A presença do terceiro harmônico e seus múltiplos no sistema elétrico é extremamente indesejável, pois possibilita manifestação de ressonâncias não previstas, visto que não é prática a instalação de filtros de terceiro harmônico em instalações desta natureza e, isto pode causar danos à uma série de equipamentos. A figura 2.27 mostra o espectro harmônico de um conversor de 6 pulsos a diodo, alimentado por tensões equilibradas e desequilibradas respectivamente. Pág. 64