Qualidade de Energia Elétrica

O fornecimento da energia. Qualidade da energia. O controle da qualidade da energia elétrica. Continuidade de fornecimento. Evolução do desempenho da continuidade. Interrupção sustentada. VARIAÇÃO DE TENSÃO DE CURTA DURAÇÃO. Interrupção de curta duração. Afundamento de tensão. Elevação de tensão. INTRODUÇÃO A qualidade da energia elétrica constitui na atualidade um fator crucial para a competitividade de praticamente todos os setores industriais e dos serviços. O setor da energia elétrica encontra-se, sobretudo nas duas últimas décadas, a atravessar profundas mudanças devido a um número considerável de fatores como (a) a alteração da natureza de cargas consumidoras e da forma como a energia elétrica é hoje utilizada, (b) a liberalização, desregulamentação (ou re-regulamentação) em curso a nível mundial, (c) a proliferação de autoprodutores, (d) o aparecimento de novas tecnologias de geração e (e) o peso crescente das questões ambientais associadas às tecnologias de geração, têm provocado grandes alterações no modo de funcionamento do setor (http://www.

ipv. pt/millenium/20_arq1. htm). Figura 1- O fornecimento da energia 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 à 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.

No que segue, comentários básicos que dizem respeito a uma “boa qualidade da energia” e sobre os índices de continuidade associados ao assunto serão apresentados. Qualidade da Energia Como são de conhecimento, as interrupções, que podem ser provocadas tanto por fenômenos aleatórios como pela falta de manutenção preventiva dos sistemas elétricos, causam a diminuição da produtividade dos consumidores ocasionando a interrupção na operação dos equipamentos. Para o consumidor residencial, o que ele tem em mente como baixa qualidade da energia elétrica é realmente a falta de energia. Desde que essa falta não seja muito demorada, não haverá grandes aborrecimentos ou mesmo perdas econômicas por parte do consumidor. Se faltar tensão em sua casa durante três minutos, em princípio, não tem problema nenhum.

Sendo que há impactos econômicos consideráveis nas companhias, em seus consumidores/clientes e fornecedores de equipamentos. No ramo industrial, sente-se um impacto econômico direto já que, nos últimos tempos, houve uma grande revitalização das indústrias com a automação e a inclusão de modernos equipamentos. Tem-se então que, para se estabelecer padrões de qualidade adequados é necessário definir a real expectativa dos consumidores, isto é, identificar o quanto a sociedade está disposta a pagar pelos custos dos mesmos, pois a melhoria do nível de qualidade implica em aumento dos custos. Cabe, para o momento, definirmos o que seria então um problema de QE. Não existe uma convenção ou consenso sobre este conceito. Usualmente, há padrão muito bem definido de medidas para a tensão, de onde convencionalmente associa-se a QE à qualidade de tensão, já que o fornecedor de energia pode somente controlar a qualidade da tensão, mas não tem controle sobre a corrente que cargas particulares e ou específicas podem requerer.

Portanto, o padrão aceito com respeito à QE é direcionado a manter o fornecimento de tensão dentro de certos limites. 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 têm-se preocupado muito com a qualidade da energia. Isto se justifica, principalmente, pelos seguintes motivos: • Os equipamentos hoje utilizados são mais sensíveis às variações na qualidade da energia. O controle da qualidade da energia elétrica O texto apresentado a seguir foi retirado do trabalho: “Continuidade nos Serviços de Distribuição de Energia Elétrica”, Conj.

Planej. Salvador: SEI, n. p. Fev 2003 (César D. A continuidade corresponde ao grau de disponibilidade de energia elétrica ao consumidor. O ideal é que não haja interrupção no fornecimento de energia elétrica, ou, se houver, que seja a mínima possível e informada ao consumidor em tempo hábil, a fim de prevenir possíveis prejuízos decorrentes da falta de energia. Dentre os parâmetros de qualidade podemos considerar a continuidade o de maior relevância, porque afeta o cotidiano das pessoas e causa grandes transtornos por comprometer serviços essenciais. Continuidade de fornecimento Como anteriormente comentado, o controle da qualidade depende da definição apropriada de indicadores que representam o desempenho dos serviços prestados pelas concessionárias de energia. No que se refere à continuidade, os indicadores utilizados permitem o controle e monitoração do fornecimento de energia elétrica, a comparação de valores constatados ao longo de períodos determinados e, a partir de metas de qualidade definidas, a verificação dos resultados atingidos.

Esses fatos, aliados à evolução dos recursos tecnológicos, tornaram imperativa a revisão desta portaria. Com a finalidade de atingir este objetivo foi editada a Resolução no 024/2000 da ANEEL, que introduziu novos avanços, e reformulou os procedimentos de controle de qualidade sobre os aspectos da continuidade. Entre as medidas mais significativas estão a criação de procedimentos auditáveis, a uniformização do método de coleta de dados e registros dos mesmos, a forma de apresentação e a periodicidade do envio destes à ANEEL, de modo a possibilitar a análise e acompanhamento dos mesmos. Outra melhoria foi a introdução dos indicadores individuais, que tornou possível a avaliação das ocorrências de interrupção por unidade consumidora, o acompanhamento da agência reguladora e também do próprio consumidor.

Atualmente esses índices podem ser solicitados às concessionárias. Essas metas são possíveis de renegociação quando das revisões tarifárias. Dos avanços obtidos pela resolução, podemos ainda ressaltar a exigência do envio dos indicadores à ANEEL, a imposição de penalidade por descumprimento das metas, o estabelecimento de prazos para o aviso de interrupção aos consumidores com a antecedência necessária e a obrigatoriedade da informação dos indicadores na fatura. Também determinou-se a disponibilização do serviço de atendimento gratuito e permanente para o registro de reclamações dos consumidores e as solicitações de providências para serviços emergenciais. Os índices de continuidade adotados pelo órgão regulador são: A. Coletivos a) DEC: Duração equivalente de interrupção por unidade consumidora b) FEC: Freqüência equivalente de interrupção por unidade consumidora B.

Após a implantação da resolução, entre 2000 a 2001, no Brasil o DEC e FEC ficaram com uma redução de 48%, e na Bahia uma redução no DEC de 13%, porém com um ligeiro aumento no FEC de 4,83%. A ANEEL vem implantando um sistema de monitoração da qualidade da energia elétrica, que dará à agência acesso direto e automático às informações sobre SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 11 a qualidade no fornecimento, sem que dependa de dados encaminhados pelas empresas. Por via telefônica, o sistema permite imediata recepção dos dados sobre interrupção e restabelecimento do fornecimento de energia elétrica e conformidade dos níveis de tensão nos pontos em que os equipamentos de monitoração estão instalados.

Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 12 dos materiais e padrões de instalação, e isto principalmente na área rural, onde se dá expansão das redes elétricas. Certamente, todos os consumidores merecem o mesmo nível de qualidade. Porém, cabe avaliar se num mesmo momento é melhor utilizar um padrão de continuidade menos exigente, do que o prolongamento da exclusão dos benefícios da energia elétrica de uma parcela da sociedade. O desafio atual do setor elétrico, no que tange ao controle da qualidade de distribuição, é encontrar padrões e metas para seus indicadores, que possam redundar em melhoria nos serviços de distribuição, sem com isso criar barreiras à expansão do setor. Termos e definições O objetivo desta seção é o de apresentar as definições aceitas para muitos dos termos encontrados na literatura nacional e internacional relacionados à qualidade da energia.

Interrupção (Interruption): completa perda da energia elétrica Interrupção Momentânea (Momentary Outage): uma pequena interrupção na energia permanecendo entre 1/30 de um segundo (dois ciclos) a 3 segundos. Distúrbio (Disturbance): uma variação de tensão. Comumente, após a operação incorreta de determinado equipamento elétrico, por razões desconhecidas, o seu mau funcionamento será relacionado ao distúrbio de tensão. Oscilação ou Tremulação (Flicker): variação de tensão de pequena duração, mas longa o necessário para ser percebida pelos olhos humanos como uma oscilação de tensão. Ruído (Noise): qualquer sinal elétrico indesejado de alta freqüência que altera a forma de tensão padrão (onda senoidal). Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 14 equipamentos.

Somando-se ainda, as operações normais da empresa como chaveamentos, operações com bancos de capacitores e atividades de manutenção também podem gerar situações que venham a provocar determinados distúrbios sobre o sistema. Para limitar estes tipos de distúrbios sobre o sistema a um menor número possível de clientes, o sistema de distribuição das empresas emprega um considerável número de dispositivos tais como circuitos disjuntores, circuitos automáticos de religamento, barramentos e seccionadores para auxiliar no isolamento do defeito. Uma grande percentagem dos distúrbios relacionados à qualidade da energia, na realidade, originam-se, de uma maneira geral, de dentro das instalações industriais e ou comerciais. Dos distúrbios originados de dentro das instalações dos usuários podemos destacar como principais fontes: a) nas instalações comerciais: os sistemas de aquecimento ou resfriamento de motores; elevadores; refrigeradores, lâmpadas fluorescentes; condutores inadequados e aterramentos impróprios; maquinário de escritório (copiadoras, fax, impressoras a laser, etc.

Interrupção permanente: permanece por um período superior a 1 min Tipo do distúrbio Transitório Descrição Possíveis causas Efeitos Alterações súbitas nas formas CA, resultando um abrupto, mas breve aumento da tensão São causados por tempestades (relâmpagos), operação de fusíveis, religadores e disjuntores da concessionária Erros de processamento e perda de dados. Causas internas são a entrada ou saída de grandes equipamentos e chaveamento de capacitores SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE Gerador de emergência (interrupção permanente) Soluções Pára-raios Uninterruptible Power Supply Queima de placas (UPS) de circuitos, danos ao Transformadores isolamento e de isolação avarias nos equipamentos Transformador de elétricos tensão constante 16 Tipo do distúrbio Descrição Afundamento/elevação Qualquer decréscimo (afundamento) ou aumento (elevação) na tensão por um período de tempo entre meio ciclo a 1 min.

Possíveis causas Parada ou partida de pesados (grandes) equipamentos Efeitos Perda de memória e erros de dados Soluções Uninterruptible Power Supply (UPS) Curto circuitos Parada de equipamentos Transformador de tensão constante Falhas de equipamentos ou chaveamentos da concessionária Descrição Sinal elétrico de alta freqüência indesejável que altera a forma de onda de tensão convencional (forma senoidal) Reguladores de tensão Redução da vida útil e diminuição da velocidade e/ou parada de motores Afundamentos de tensão correspondem a 87% de todos os distúrbios observados em um sistema de energia (de acordo com estudos do Bell Labs). u. p. u. p. u. – 1,4 p. u. s - 1 min 3 s - 1 min 3 s - 1 min < 0,1 p. u. – 0,9 p. Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 19 2 TRANSITÓRIO Conforme DUGAN et al.

o termo transitório tem sido aplicado à análise das variações do sistema de energia para denotar um evento que é indesejável, mas momentâneo, em sua natureza. Ou ainda, 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. Figura 4 - 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 afundamentos de curta duração e interrupções. 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 fluir pelo sistema de aterramento, tais como o terra do primário, o terra do secundário e as estruturas do sistema de SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof.

Estes transitórios são decorrentes da energização de linhas, corte de corrente indutiva, eliminação de faltas, chaveamento de bancos de capacitores e transformadores, etc. Um transitório com um componente de freqüência primário menor do que 5 kHz, e uma duração de 0,3 a 50 ms, é considerado um transitório oscilatório de SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 22 baixa freqüência. Estes transitórios são freqüentemente encontrados nos sistemas de subtransmissão e de distribuição das concessionárias e são causados por vários tipos de eventos. k 10k 7. k 5k 2. k 0 -2. k -5k -7. k -10k -12. Estes podem ser causados pelo chaveamento de disjuntores para a eliminação de faltas e podem também ser o resultado de uma resposta do sistema á um transitório impulsivo.

A título de ilustração, tomam-se como referência as Figuras 7 e 8, 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. SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 24 Figura 7 - Circuito equivalente para o estudo das tensões transitórias de restabelecimento quando da eliminação de uma falta Figura 8 - Sobretensão decorrente da eliminação de uma falta Como se pode observar, na Figura 8, o pico de tensão pode atingir, no máximo, 2 vezes o valor de pico nominal. u. 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 préinserção. Com a entrada deste resistor no circuito, o primeiro pico do transitório, o qual causa maiores prejuízos, é significativamente amortecido. u. na freqüência do sistema, por uma duração maior do que 1 min (Tabela 2). Sobretensões, usualmente resultam do desligamento de grandes cargas ou energização de um banco de capacitores. Taps dos transformadores incorretamente conectados também podem resultar em sobretensões no sistema. Geralmente, 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.

Subtensão Já a subtensão apresenta características opostas, sendo que agora, um decréscimo no valor eficaz da tensão AC para menos de 90% na freqüência do sistema, também com uma duração superior a 1 min, é caracterizado (Tabela 1). 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, conseqüentemente, 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 (1). ΔV = I(Rcosφ + Xsenφ ) (1) onde: Δ V- queda de tensão por fase; I - corrente da rede; R - resistência por fase da rede; X - reatância por fase da rede; cos φ - fator de potência. Médio=0. Figura 9 - Perfil de tensão ao longo de um alimentador em SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 29 função do fator de potência. Potência Consumida [W] 120 100 80 60 40 20 0 Nominal Queda - 2. Os do tipo mecânico são para cargas que variam lentamente, enquanto que os eletrônicos podem responder rapidamente às mudanças de tensão.

• Dispositivos de isolação com reguladores de tensão independentes: Dispositivos de isolação incluem sistemas UPS (Uninterruptible Power Supply), 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 manter constante a tensão, desprezando as variações provenientes da fonte principal. • Dispositivos de compensação de impedância: Capacitores “shunt” ajudam a manter a tensão pela redução da corrente de linha ou através da compensação de circuitos indutivos. Estes equipamentos são muito usados em cargas geradoras de oscilações (flicker), tais como fornos a arco e em outras cargas que variam randomicamente.

Interrupção sustentada Quando o fornecimento de tensão permanece em zero por um período de tempo que excede 1 min, a variação de tensão de longa duração é considerada como uma interrupção sustentada. As interrupções maiores do que 1 mim são geralmente permanentes e requerem intervenção humana para reparar e retornar o sistema à operação normal no fornecimento de energia (Tabela 2). 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 alimentador, etc. No caso de interrupção sustentada o prejuízo é ainda maior, visto que o tempo de duração da interrupção é muito grande, comparado com o da interrupção de curta duração, retardando a retomada do processo produtivo.

SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 33 4 VARIAÇÕES DE TENSÃO DE CURTA DURAÇÃO Estas variações podem ser designadas como instantâneas (0,5 a 30 ciclos), momentâneas (30 ciclos a 3 s) ou temporárias (3 s a 1 min), conforme definido na Tabela 2. Variações de tensão de curta duração são causadas por condições de faltas, energização de grandes cargas que requerem altas correntes de partida, ou a perda intermitente de conexões nos cabos do sistema. Religadores temporizados podem originar interrupções momentâneas ou temporárias, dependendo da escolha das curvas de operação do equipamento. A duração de uma interrupção devido ao mau funcionamento de equipamentos é irregular. Algumas interrupções podem ser precedidas por um afundamento de tensão (item 4.

quando estas são devidas a faltas no sistema supridor. O afundamento SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. A Figura 13 ilustra uma seqüência de religamentos com valores típicos de ajustes do atraso. Isc 30 Ciclos 5 Segundos 15 Segundos 30 Segundos Figura 13 - 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 uma interrupção de curta duração.

Alguns dados estatísticos revelam que 75% das faltas em redes aéreas são de natureza temporária. Afundamento de tensão Dependendo da localização da falta e das condições do sistema, a falta pode causar um decréscimo temporário de 10-90% no valor eficaz da tensão do sistema (0,1 e 0,9 p. u. na freqüência fundamental), podendo permanecer por um período de meio ciclo até 1 min. Tabela 2). Afundamentos de tensão são usualmente associados às faltas no sistema (curtos-circuitos ocorridos nas redes de distribuição), mas podem também ser causados pela energização de grandes cargas ou a partida de grandes motores e pela corrente de magnetização de um transformador. Figura 15 – Afundamento de tensão 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, venha a causar subtensões em SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 38 consumidores localizados em outros pontos da rede. Ressalta-se que, neste caso, as quedas de tensão são de níveis menores devido à impedância do transformador de entrada que limita a corrente de curto-circuito. Os níveis de sensibilidade apresentados a seguir foram determinados a partir de um estudo de casos realizado pelo EPRI (Electric Power Research Institute), com exceção daqueles referentes a computadores, os quais foram estabelecidos pela ANSI (American National Standards Institute) e IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - (Projeto SIDAQEE): a) Controladores de resfriamento Estes apresentam uma sensibilidade muito grande aos afundamentos, quando estas atingem níveis em torno de 80% da nominal, desconsiderando o período de duração.

Exemplos: torres de resfriamento e condensadores. b) 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. Estes trabalhos conduziram à Figura 17, onde os níveis de tensão abaixo da nominal representam os limites, dentro dos quais, um computador típico pode resistir a distúrbios de afundamentos sem apresentar falhas. Nota-se que a suportabilidade de um computador é grandemente dependente do período de duração do distúrbio. Tensão [%] 400 300 Nível de Tensão Passível de Ruptura 200 100 Envoltória da Tensão de Tolerância do Computador Falta de Energia de Armazenamento 0 0.

Tempo em Ciclos (60 Hz) 87% 1000 Figura 17 - Tolerâncias típicas de tensão para computadores (curva CBEMA – Computer Business Equipment Manufacturers Association) g) Videocassetes, forno de microondas e relógios digitais Estas cargas são essencialmente domésticas e, de certa forma, apresentam-se pouco sensíveis às variações de tensão, o que pode ser verificado através da Figura 18. SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 42 Figura 19 - Transformador ferroressonante A Figura 20 mostra o melhoramento obtido em um controlador de processos aumentando a sua capacidade de suportar afundamentos. O controlador de processos pode suportar um afundamento abaixo de 30% da nominal dispondo de um transformador ferroressonante de 120VA. Sem o seu uso, este percentual fica em torno de 82%. Sem Com SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof.

Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 44 Figura 22 - UPS Standby 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 23. Banco Figura 23 - UPS Híbrida. c) 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. Estas práticas podem reduzir o número e/ou a duração de interrupções momentâneas e afundamentos, mas as faltas nos sistemas das concessionárias nunca podem ser eliminadas completamente. f) Adotar medidas de prevenção contra faltas no sistema da concessionária Estas medidas incluem atividades como poda de árvores, colocar pára-raios de linha, manutenção dos isoladores, blindagem de cabos, modificar o espaçamento entre condutores e melhorar o sistema de aterramento.

Elevação de tensão Outro distúrbio pode ser caracterizado por um aumento da tensão eficaz do sistema (aumento este entre 10-80% da tensão, na freqüência da rede, com duração de meio ciclo a 1 min, Tabela 2) ocorrendo freqüentemente nas fases sãs de um circuito trifásico, quando da ocorrência de um curto circuito em uma única fase. O termo sobretensão momentânea é empregado por vários autores como sinônimo para o termo “elevação de tensão”. Como para o item anterior, elevações são usualmente associadas às condições de faltas no sistema, mas não são tão comuns como afundamentos de tensão. Em situações de elevações oriundas de saídas de grandes cargas ou energização de grandes bancos de capacitores, o tempo de duração das elevações depende do tempo de resposta dos dispositivos reguladores de tensão das unidades geradoras.

Tem-se ainda o tempo de resposta dos transformadores de tap variável e da atuação dos dispositivos compensadores de reativos e síncronos em sistemas de potência e compensadores síncronos que porventura existam. Figura 25 - Elevação de tensão devido a uma falta fase-terra SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 48 Como conseqüência das elevações de curta duração em equipamentos, podese citar falhas dos componentes, dependendo da freqüência de ocorrência do distúrbio. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 49 5 DESEQUILÍBRIO DE TENSÃO Desequilíbrio de tensão é muitas vezes definido como o desvio máximo dos valores médios das tensões ou correntes trifásicas, dividido pela média dos mesmos valores, expresso em percentagem.

O desequilíbrio também pode ser definido usando-se a teoria de componentes simétricos. A razão entre os componentes ou de seqüência negativo ou zero, com o componente de seqüência positivo pode ser usado para especificar a percentagem do desequilíbrio. 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. N. m) 140 120 Conjugado do motor 100 80 60 40 20 0 Conjugado da carga -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 0 (N. m) : t(s) 200m (1)t(mt_ind2. m1) 400m 600m 800m 1 1.

tc(mt_ind2. No enrolamento de campo, estas correntes com freqüência duplicada distorcerão o campo magnético produzido pela corrente de excitação que, por sua SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 52 vez, deformará a forma de onda da tensão gerada, interferindo, portanto, na atuação do regulador de tensão. c) 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. Este pode ocorrer como resultado de um distúrbio ou devido à 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. Pode também causar corrosão eletrolítica dos eletrodos de aterramento e de outros conectores. Harmônico Tecnicamente, um harmônico é um componente de uma onda periódica cuja freqüência é um múltiplo inteiro da freqüência fundamental (no caso da energia elétrica, de 60 Hz). Harmônicos são fenômenos contínuos, e não devem ser confundidos com fenômenos de curta duração, os quais duram apenas alguns ciclos. As conseqüências podem chegar até à parada total de importantes equipamentos na linha de produção acarretando em prejuízos econômicos. Dentre eles, de maior importância estão a perda de produtividade e de vendas devido a paradas de produção, causadas por inesperadas falhas em motores, acionamentos, fontes ou simplesmente pelo "repicar" de disjuntores.

Para a quantificação do grau de distorção presente na tensão e/ou corrente, lança-se mão da ferramenta matemática conhecida por série de Fourier. As vantagens de se usar a série de Fourier para representar formas de onda distorcidas é que, cada componente harmônica pode ser analisada separadamente e, a distorção final é determinada pela superposição das várias componentes constituintes do sinal distorcido. SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. DHII - distorção harmônica individual de corrente. Para fins práticos, geralmente, os componentes harmônicos de ordens elevadas (acima da 50ª ordem, dependendo do sistema) são desprezíveis para análises de sistemas de potência. Apesar de poderem causar interferência em dispositivos eletrônicos de baixa potência, elas usualmente não representam perigo aos sistemas de potência.

No passado não havia maiores preocupações com harmônicos. Cargas com características não lineares eram pouco utilizadas e os equipamentos eram mais resistentes aos efeitos provocados por harmônicas. Como já foi dito, as distorções harmônicas causadas pela operação de tais equipamentos e dispositivos, causam alguns efeitos indesejáveis ao sistema elétrico. Estes efeitos podem ser divididos em três grandes grupos. Nos dois primeiros estariam enquadrados, por exemplo, os problemas de perda da vida útil de transformadores, máquinas rotativas, bancos de capacitores, etc. No terceiro grupo estariam englobadas questões diversas que poderiam se traduzir numa operação errônea ou na falha completa de um equipamento. Nesta categoria estariam incluídos efeitos como: torques oscilatórios nos motores CA, erros nas respostas de equipamentos, aumento ou diminuição do consumo de kWh, etc.

Como ilustração, a Figura 30 mostra um perfil da vida útil de um transformador de corrente que se estabelece através de seus enrolamentos. Os resultados consideram que os componentes harmônicos, para cada situação, são superpostos a uma corrente fundamental igual a nominal do equipamento. x10 60 50 40 30 20 10 0 0 6 12 18 24 30 36 Distorção Harmônica Total de Corrente (%) Figura 30 - Vida útil de um transformador em função da SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 60 distorção harmônica de corrente. SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 62 2 ⎛ Vn ⎞ ∑ ⎜ ⎟ ≤ 1,3% a 3,5% n = 2⎝ n ⎠ ∞ (9) Máquinas Síncronas Pelo fato de estarem localizados distantes dos centros consumidores, as unidades geradoras, responsáveis por grandes blocos de energia, não sofrem de forma acentuada as conseqüências dos harmônicos injetados no sistema.

Entretanto, em sistemas industriais dotados de geração própria, que operam em paralelo com a concessionária, tem sido verificado uma série de anomalias no que se refere à operação das máquinas síncronas. Dentre estes efeitos destacam-se: • Sobreaquecimento das sapatas polares, causado pela circulação de correntes harmônicas nos enrolamentos amortecedores; • Torques pulsantes no eixo da máquina; e • Indução de tensões harmônicas no circuito de campo, que comprometem a qualidade das tensões geradas. Estes efeitos, isolados ou conjuntamente, resultam na diminuição da vida útil do capacitor. Uma equação empírica (11) estima a vida útil de um capacitor. ⎛ 1 ⎞ ⎟ VU = ⎜ ⎝S ⋅ T⎠ (11) onde: VU - vida útil em p. u. S - valor de pico da sobretensão em p. Dr.

Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE ≤ 83% (12) 65 Figura 33 - Vida útil versus Distorção de Tensão em Capacitores Medidores de Energia Elétrica Um outro efeito causado pelas distorções harmônicas refere-se à operação anormal ou indevida dos medidores de energia elétrica. O medidor de energia do tipo indução tem sua operação fundamentada no fenômeno da interação eletromagnética. O conjugado motor do medidor, associado ao registro de energia, é obtido em função da interação entre uma corrente “i” e um fluxo “φ”, este último oriundo da tensão aplicada ao medidor. Quando o medidor é submetido a tensões e correntes distorcidas, estas criam conjugados que fazem com que o disco acelere ou desacelere, ocasionando erros de medição. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 67 são instalados geralmente em paralelo com o sistema supridor, proporcionando um caminho de baixa impedância para as correntes harmônicas.

Podem ser utilizados para a melhoria do fator de potência, fornecendo o reativo necessário ao sistema. Entretanto, existem alguns problemas relacionados à utilização destes filtros, dentre os quais destacamse: o alto custo, a complexidade de sintonia e a possibilidade de ressonância paralela com a impedância do sistema elétrico. • Filtros ativos: um circuito ativo gera e injeta correntes harmônicas com defasagem oposta àquelas produzidas pela carga não linear. Assim, há um cancelamento das ordens harmônicas que se deseja eliminar. SEL 5749 - Qualidade da energia elétrica Prof. Dr. Mário Oleskovicz USP/EESC/SEL/LSEE 68 6. Notching Notching é um distúrbio periódico de tensão causado pela má operação dos dispositivos eletrônicos quando a corrente é comutada de uma fase para outra. Durante este período há um momentâneo curto circuito entre duas fases levando a tensão próxima a zero tanto quanto é permitido pelas impedâncias do sistema.

Tabela 2). Cargas industriais que exibem variações contínuas e rápidas na magnitude da corrente de carga podem causar variações na tensão que são freqüentemente referidas como flicker ou oscilação. Para ser tecnicamente correto, flutuação de tensão é um fenômeno eletromagnético enquanto flicker é o resultado indesejável da flutuação de tensão em algumas cargas. Tais flutuações são geralmente causadas por cargas industriais e manifestamse de diferentes formas, a destacar: • Flutuações Aleatórias A principal fonte destas flutuações são os fornos a arco, onde as amplitudes das oscilações dependem do estado de fusão do material, bem como do nível de curto-circuito da instalação. • Flutuações Repetitivas Dentre as principais fontes geradoras de flutuações desta natureza tem-se: - Máquinas de solda; - Laminadores; - Elevadores de minas e - Ferrovias.

m) 140 120 Conjugado do motor 100 80 60 40 20 Conjugado da carga 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 0 (N. m) : t(s) 200m 400m (1)t(mt_ind2. m1) 600m 800m 1 1. tc(mt_ind2. m1) Figura 36 - Motor Submetido a Tensões Oscilantes Entretanto, o fenômeno flicker consiste no efeito mais comum provocado pelas oscilações de tensão. A freqüência do sistema de potência está diretamente relacionado à velocidade de rotação dos geradores que suprem o sistema. Há estreitas variações na freqüência com o balanço dinâmico entre cargas e mudanças na geração. A amplitude da variação e sua duração depende das características da carga e da resposta do sistema de controle de geração às alterações na carga. Variações na freqüência que ultrapassem dos limites para a operação em regime permanente podem ser causadas por faltas no sistema de transmissão, desconexão de um grande bloco de carga ou pela saída de operação de uma grande fonte de geração.

Nos modernos sistemas interconectados de energia, variações significantes de freqüência são raras. A. “Power quality event detection using Adaline”. Electric Power Systems Research, vol. ANGRISSANI, L. DAPONTE, P. COURY, D. V. CARNEIRO, A. A. F. DUGAN, R. C. MCGRANAGHAN, M. F. and WAYNE BEATY, H. “Power quality detection and classification using waveletmultiresolution signal decomposition”, IEEE Transaction on Power Delivery, vol. No. Oct. GAOUDA, A. M. HUANG, S. J. HSIEH, C. T. and HUANG, C. HWAN KIM, C. and AGGARWAL, R. “Wavelet transforms in power systems. Part 2 Examples of application to actual power systems transients”, Power Engineering Journal, pp. Aug. e COURY, D. V. “Algoritmos genéticos aplicados à estimação de componentes harmônicos em sistemas elétricos de potência”, XIV Congresso Brasileiro de Automática, Natal, RN, Anais do congresso.

MATH H. J. OLIVEIRA, R. C. L. BRANCO, T. M e BEZERRA, U. II, Universidade Federal de Uberlândia, Centro de Ciências Exatas e Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, Grupo de Qualidade e Racionalização da Energia Elétrica. POISSON, O. RIOUAL, P. and MEUNIER, M. “New signal processing tools applied to power quality analysis”, IEEE Transaction on Power Delivery, vol. SABIN & SUDARAM (1996) “Quality Enhances Reliability”, IEEE Spectrum, Feb. SANTOS,C. J. COURY,D. V. “Power quality assessment via wavelet transform analysis”, IEEE Transaction on Power Delivery, vol. No2, Apr. SANTOSO, S. GRADY, W. M. ZHENG, T. MAKRAM, E. B. and GIRGIS, A. A.