CENTRO DE ENSINO SUPERIOR DOS CAMPOS GERAIS ENGENHARIA ELÉTRICA SISTEMAS DE POTÊNCIA I DEISE SOARES DE CAMPOS FELIPE RAUTTER NETO GILNEI ALMEIDA DE SOUZA MARCELO COELHO GOMES SADI ROBERTO SCHIAVON
DISTÚRBIOS DISTÚRBIOS NO SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA
Trabalh Trabalho o apresen apresentado tado como como requisito requisito parcial parcial de avaliação da disciplina de Sistema Elétrico de Potência, ministrado ao 8º período noturno, Curso de Engenharia Elétrica, do Centro de Ensin nsino o Super perior ior dos Campos Gera Gerais is – CESCAGE. Prof.: Ricardo Wazen
PONTA GROSSA 2011
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO...................................................................................... ..................... 3 2 TIPOS DE DISTÚRBIOS............................................................................................4 2.1 Características gerais dos distúrbios......................................................... .............4 2.2 Tipos de distúrbios................................................................................. .................4 3 TRANSITÓRIOS.............................................................................. ..........................5 3.1 Transitórios impulsivos........................................................................................... 6. 3.2 TRANSITÓRIOS OSCILATÓRIOS.......................................................... ...............7 3.3 Variação de tensão de curta duração ........................................................ .............7 3.3.1 Interrupções.............................................................................................8 3.3.2 AFUNDAMENTO DE TENSÃO DE CURTA DURAÇÃO.................................... 8 3.3.3 ELEVAÇÃO DE TENSÃO DE CURTA DURAÇÃO.........................................10
3.4 VARIAÇÃO DE TENSÃO DE LONGA DURAÇÃO...............................................11 3.4.1 INTERRUPÇÕES SUSTENTADAS..............................................................11
3.5 DESEQUILÍBRIOS DE TENSÃO................................................................. .........12 3.6 DISTORÇÕES NA FORMA DE ONDA.......................................................... .......12 3.6.1 NÍVEL DE CORRENTE CONTÍNUA............................................................. 13 3.6.2 DISTORÇÃO HARMÔNICA........................................................................ 13 3.6.3 INTERHARMÔNICAS................................................................................14 3.6.4 NOTCHING............................................................................................. 14 3.6.5 RUÍDOS.................................................................................................. 14
3.7 FLUTUAÇÕES DE TENSÃO.............................................................. ..................15 BIBLIOGRAFIA............................................................................... ........................... 18
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INTRODUÇÃO
Distúrbio, perturbação ou ainda disfunção, são sinônimos que expressam uma alteração da anormalidade de um dado sistema. No Sistema Elétrico de Potência SEP, segundo a resolução 61/2004 da Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL, perturbação é: “Modificação das condições que caracterizam a operação de um sistema elétrico fora da faixa de variação permitida para seus valores nominais, definidos nos regulamentos de qualidade dos serviços de energia elétrica vigentes”
A qualidade no fornecimento de energia elétrica é caracterizada pela sua disponibilidade, fornecimento ininterrupto e isenções de distúrbios no sistema. Segundo Coury, manter o SEP livre de distúrbio é: “Esta tarefa é dificultada pela variedade de cargas ligadas à rede elétrica, ocasionando flutuações nas tensões e distorções na forma senoidal pura. Neste sentido, a concessionária deve monitorar
continuamente
os
distúrbios,
ajudando
os
consumidores a ligar corretamente seus equipamentos e, sobretudo, agir para que os problemas de um usuário não se propagem via rede elétrica.”
Para Dungan (1996), o problema na qualidade da energia está sempre relacionado a qualidade de tensão, sendo esta a única variável que a concessionária de energia possui controle, visto que a corrente do sistema está em função das características da carga. Ele lembra ainda, que os sistemas de potências são projetados para operarem com tensões senoidais de freqüência e amplitude específicas, onde as variações destes parâmetros podem ser consideradas como problemas potenciais na qualidade de energia. Grimoni (2004), complementa que uma energia de boa qualidade, deve estar isenta da presença de distorções Harmônicas.
Em alguns ramos de atividade, como as indústrias têxtil, siderúrgica e petroquímica, os impactos econômicos da qualidade da energia são enormes. Nestes setores, uma interrupção elétrica de até 1 minuto pode ocasionar enormes prejuízos. Diante deste potencial de prejuízos possíveis, 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 técnicas e economicamente viáveis para solucionar o problema.
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TIPOS DE DISTÚRBIOS
2.1 Características gerais dos distúrbios Os distúrbios podem ser divididos em quatro grupos: •
Duração do evento (curta e longa duração);
•
Faixa de freqüência;
•
Efeitos (aquecimento, vibração, cintilação luminosa e etc..);
•
Intensidade do impacto (pequeno médio ou grande).
2.2 Tipos de distúrbios Alguns tipos de distúrbios estão caracterizados abaixo: •
TRANSITÓRIOS: Tipos impulsivos ou oscilatórios;
•
VARIAÇÕES DE TENSÃO DE CURTA DURAÇÃO: Afundamentos de tensão (SAG) e elevação de tensão (SWELL);
•
VARIAÇÕES DE TENSÃO DE LONGA DURAÇÃO: Podem ser interrupções, subtensões sustentadas ou sobretensões sustentadas;
•
DESEQUILÍBRIOS DE TENSÃO: São causados pela má distribuição de cargas monofásicas, e fazem surgir no circuito tensões de seqüência negativa.
•
DISTORÇÕES DA FORMA DE ONDA: Podem ser classificadas em nível CC, harmônicos, inter-harmônicos, "notching" e ruídos.
•
OSCILAÇÕES DE TENSÃO: São variações sistemáticas dos valores eficazes da tensão de suprimento (dentro da faixa compreendida entre 0,95 e 1,05 pu), e que podem ser aleatórias, repetitivas ou esporádicas.
•
VARIAÇÕES DA FREQUÊNCIA DO SISTEMA: São definidas como sendo desvios no valor da freqüência fundamental deste sistema (50 ou 60 Hz).
A figura 1 expressa algumas formas de ondas típicas dos distúrbios acima mencionados.
Figura 1
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TRANSITÓRIOS
A análise dos fenômenos transitórios é de extrema importância, pois são em transitórios que os equipamentos elétricos são submetidos a condições muito severas, que podem fazer com que os equipamentos ultrapassem suas capacidades nominais. Mesmo que o SEP opere quase que sua totalidade em regime permanente, é de extrema importância que o sistema possa superar os regimes transitórios (curto-circuito, rejeição de carga, chaveamentos, descargas atmosféricas e etc.) sem sofrerem danos. Para tanto, é imprescindível que algumas características destes fenômenos sejam conhecidas, tais como, amplitude, duração e características referentes a cada tipo de transitório.
3.1 Transitórios impulsivos Normalmente causado por descargas atmosféricas, o transitório impulsivo pode ser definido pela alteração repentina das condições de regime permanente da tensão, corrente ou ambas, sendo caracterizados impulsos unidirecionais em polaridade positiva ou negativa e freqüência bastante diferenciada.
Figura 2 - Corrente impulsiva oriunda de uma descarga elétrica Uma descarga atmosférica na alta tensão causa uma sobretensão na linha próxima ao ponto de incidência e pode gerar não somente um transitório impulsivo, mas também uma falta acompanhada de afundamentos de tensão de curta duração e interrupções. Em se tratando de descargas atmosféricas em pontos de extra alta tensão, o surto se propaga ao longo da linha em direção aos terminais, podendo atingir os equipamentos instalados subestações. Entretanto, a onda de tensão ao percorrer a linha, desde o ponto da incidência até as subestações abaixadoras para a tensão de distribuição, tem sua crista atenuada consideravelmente, o que tende a eliminar o efeito da descarga atmosférica ocorrida no âmbito da transmissão nos consumidores ligados em baixa tensão.
3.2 TRANSITÓRIOS OSCILATÓRIOS Um transitório oscilatório é caracterizado por uma alteração repentina nas condições de regime permanente da tensão e corrente, ou ambas, possuindo valores de polaridade positiva e negativa. Estes transitórios normalmente são decorrentes de energização de linhas, corte de corrente indutiva, eliminação de faltas, chaveamento de bancos de capacitores Considerando o crescente emprego de capacitores pelas concessionárias para a manutenção dos níveis de tensão, e pelas indústrias com vistas à correção do fator transformando esse transitório em um evento diário.
Figura 3 - Transitório banco de capacitor 600 kVar 13,8 kV.
3.3 Variação de tensão de curta duração As variações de tensão de curta duração podem ser caracterizadas por alterações instantâneas, momentâneas ou temporárias. Tais variações de tensão são, geralmente, causadas pela energização de grandes cargas que requerem altas correntes de partida, ou por intermitentes falhas nas conexões dos cabos de sistema. Dependendo do local da falha e das condições do sistema, o resultado
pode ser uma queda de tensão temporária ("sag"), uma elevação de tensão ("swell"), ou mesmo uma interrupção completa do sistema elétrico. 3.3.1 Interrupções
Interrupção de curta duração é quando a tensão de suprimento cai para um valor menor que 0,1 pu por um período de tempo não superior a 1 minuto, o que geralmente ocorre por faltas no sistema de energia, falhas de equipamentos e mal funcionamento de sistemas de controle. Algumas interrupções podem ser precedidas por um "sag" quando estas são devidas a faltas no sistema supridor. O "sag" ocorre no período de tempo entre o início de uma falta e a operação do dispositivo de proteção do sistema.
Figura 4 - Interrupção momentânea precedida por afundamento de tensão
3.3.2 AFUNDAMENTO DE TENSÃO DE CURTA DURAÇÃO Os afundamentos de tensão de curta duração (SAG) são caracterizados por uma redução do valor eficaz da tensão, entre 0,1 e 0,9 pu na freqüência fundamental, com duração entre 0,5 ciclo e 1 minuto. Afundamentos de tensão com período inferior a 10 ms e abaixo de 10% não são levadas em consideração.
Por exemplo, o caso de um curto-circuito no sistema supridor da concessionária. Logo que o dispositivo de proteção detecta a corrente de curto-circuito, 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 religamento pode ser efetuada com o intuito de eliminar a falta. A figura 5 ilustra uma seqüência de religamento com valores típicos de ajustes do atraso. 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, a maior parte dos consumidores (principalmente os residenciais) não sentirá os efeitos da interrupção. Porém, algumas cargas mais sensíveis (ex: computadores e outras cargas eletrônicas) estarão sujeitas a tais efeitos, a menos que a instalação seja dotada de unidades UPS (no-breaks), que evitarão maiores conseqüências na operação destes equipamentos. 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, etc., este número passou a ser relevante nos estudos de otimização do sistema, pois é, agora, tido como responsável pela saída de operação de diversos equipamentos, interrompendo o processo produtivo, e causando enormes prejuízos às indústrias.
Figura 5 - Tentativas de religamento
A figura 6 demonstra um afundamento de tensão de aproximadamente 3 segundos em virtude da partida de um motor de indução, que absorve uma corrente de partida entre 6 e 10 vezes a corrente nominal.
Figura 6 - Afundamento de tensão decorrente a partida de MIT
3.3.3 ELEVAÇÃO DE TENSÃO DE CURTA DURAÇÃO Uma sobretensão de curta duração ou "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. Os "swells" estão geralmente associados com condições de falta no sistema. A figura 7 ilustra uma "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 7 - Sobretensão de curta duração
3.4 VARIAÇÃO DE TENSÃO 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 superior a 1 minuto. Atualmente, índices que caracterizam variações de tensão de longa duração encontram-se definidos na Resolução 505 da ANEEL. Estas variações de tensão podem se dar como afundamentos de tensão, elevações de tensão ou interrupções sustentadas. Todas elas são geralmente causadas por variações de carga e operações de chaveamento no sistema.
3.4.1 INTERRUPÇÕES SUSTENTADAS Quando o suprimento de energia deixar de existir por mais de 1 minuto já é considerado como interrupção sustentada, geralmente variações de tensão de longa duração exigem a intervenção da concessionária para reparar o fornecimento. As
interrupções sustentadas podem ocorrer devido à manutenção programada ou não. A maioria delas ocorrem de forma não programada e as principais causas são falhas nos disjuntores, queima de fusíveis, falha de componentes de circuito alimentador, etc..
3.5 DESEQUILÍBRIOS DE TENSÃO 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. 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. A figura 8 mostra um circuito desequilibrado
Figura 8 - Tensões desequilibradas em magnitude e fase
3.6 DISTORÇÕES NA FORMA DE ONDA A distorção da forma de onda é definida como um desvio, em regime permanente, da forma de onda puramente senoidal, na freqüência fundamental, e é caracterizada principalmente pelo seu conteúdo espectral. Existem cinco tipos principais de distorções da forma de onda •
Nível de corrente contínua;
•
Distorção Harmônica;
•
Interharmônicas;
•
Notching;
•
Ruídos.
3.6.1 NÍVEL DE CORRENTE CONTÍNUA A presença de tensão ou corrente CC em um sistema elétrico CA pode ocorrer como o resultado da operação ideal de retificadores de meia-onda. O nível CC em redes de corrente alternada pode levar à saturação de transformadores, resultando em perdas adicionais e redução da vida útil do equipamento. 3.6.2 DISTORÇÃO HARMÔNICA
É a combinação da tensão (ou corrente) fundamental com componentes de freqüência múltipla inteira. Normalmente é causada por dispositivos não-lineares de conversão com espectro harmônico característico, como ponte de retificadores, compensadores controlados a tiristores; ciclo-conversores, etc. A figura a seguir mostra a corrente (traço superior) em um retificador monofásico a diodos com filtro capacitivo. Esta forte distorção na corrente leva a uma distorção na tensão no PAC (traço intermediário), devido à queda de tensão na impedância equivalente do alimentador. O traço inferior é a potência instantânea da carga.
Figura 9 - Distorção Harmônica
3.6.3 INTERHARMÔNICAS Combinação da tensão (ou corrente) fundamental com componentes não múltiplas inteiras. São produzidas em geral por cargas não-lineares, com espectro contínuo. Fornos a arco são exemplos típicos que produzem distorção devido a harmônicas e interharmônicas A figura 10, mostra um exemplo de distorção interharmônica:
Figura 10 - Distorção Interharmônica
3.6.4 NOTCHING Notching é um distúrbio de tensão causado pela operação normal de equipamentos
de eletrônica de potência quando a corrente é comutada de uma fase para outra. Este fenômeno pode ser detectado através do conteúdo harmônico da tensão afetada. As componentes de freqüência associadas com os notchings são de alto valor e, desta forma, não podem ser medidas pelos equipamentos normalmente utilizados para análise harmônica.
3.6.5 RUÍDOS São componentes espectrais de larga faixa de freqüência observados na tensão ou corrente fundamentais. Do ponto de vista do sistema de 60 Hz, no qual a faixa de avaliação vai até a 50ª harmônica (3 kHz), tudo que estiver acima disso é considerado ruído. Em sistemas telefônicos essa faixa realmente representa ruído audível (até 20 kHz), daí a necessidade da ponderação pela curva de sensibilidade auditiva.
A figura 11 mostra a presença de um ruído de alta freqüência (aproximadamente 40kHz, de acordo com o espectro mostrado na mesma figura). Neste caso, tal ruído é devido à presença de reatores eletrônicos de lâmpadas fluorescentes tubulares, os quais operam nesta freqüência. A contaminação da tensão da rede se deve ao não aterramento do reator, sem o qual o filtro de entrada não atua corretamente, permitindo que componentes de alta freqüência, estejam presentes, indevidamente, na tensão da rede, podendo afetar o funcionamento de outros equipamentos conectados na mesma rede .
Figura 11 - Ruído de alta freqüência sobreposto à tensão da rede
3.7 FLUTUAÇÕES DE TENSÃO Os principais efeitos nos sistemas elétricos, resultados das oscilações causadas pelos equipamentos mencionados anteriormente são: •
Oscilações de potência e torque das máquinas elétricas;
•
Queda de rendimento dos equipamentos elétricos;
•
Interferência nos sistemas de proteção e
•
Efeito flicker (cintilação luminosa).
O fenômeno flicker consiste no efeito mais comum provocado pelas oscilações de tensão. Este tema merece especial atenção, uma vez que o desconforto visual associado à perceptibilidade do olho humano às variações da intensidade
luminosa é, em toda sua extensão, indesejável. A figura 12 demonstra um gráfico da curva da sensibilidade do olho humano.
Figura 12 - Sensibilidade do olho humano
Figura 13 - Variação de tensão ocasionada pela operação de um forno a arco.
A tabela 1 traz um resumo sobre os fenômenos relacionados com a qualidade da energia elétrica, com suas causas, seus efeitos e relaciona algumas soluções para mitigar os fenômenos do sistema elétrico de potência.
Tabela 1
BIBLIOGRAFIA http://www.aneel.gov.br/cedoc/ren2004061.pdf , acesso em 17/11/2011; DISTÚRBIO DA ENERGIA ELÉTRICA – EDSON MARTINHO EDITORA ÉRICA
