apostila - qualidade energia

1 INTRODUOA qualidade da energia eltrica constitui na atualidade um fator crucial para a competitividade de praticamente todos os setores industriais e dos servios. O setor da energia eltrica encontra-se, sobretudo nas duas ltimas dcadas, a atravessar profundas mudanas devido a um nmero considervel de fatores como (a) a alterao da natureza de cargas consumidoras e da forma como a energia eltrica hoje utilizada, (b) a liberalizao, desregulamentao (ou re-regulamentao) em curso a nvel mundial, (c) a proliferao de autoprodutores, (d) o aparecimento de novas tecnologias de gerao e (e) o peso crescente das questes ambientais associadas s tecnologias de gerao, tm provocado grandes alteraes no modo de funcionamento do setor (http://www.ipv.pt/millenium/20_arq1.htm).

1.1 O fornecimento da energiaA energia eltrica, trmica e/ou nuclear deixa as usinas geradoras a cada instante de tempo do dia e transportada por uma complexa rede de linhas areas e/ou de cabos subterrneos at alcanar seus centros consumidores. A Figura 1 esquematiza de uma forma simplificada todo este processo desde quando a energia deixa a sua fonte geradora (1), passando por uma subestao de elevao da tenso (2), pelo seu transporte por longas linhas de transmisso at as reas onde h a sua necessidade nos centros consumidores. Uma vez neste ponto, o nvel de tenso rebaixado por outra subestao (4) sendo que as linhas do sistema de distribuio (5) encarregam-se de direcionar a energia eltrica at as residncias, centros comerciais e industriais (http://www.we-currentresource.com/pqbasics). No entanto, para manter o nvel de tenso dentro de certos limites operacionais aceitveis, tanto ao nvel de transmisso como de distribuio, so necessrias medidas de controle e de acompanhamento tanto dos rgos de fiscalizao como das concessionrias fornecedoras de energia. Isto se deve ao fato de que, tanto os sistemas de distribuio como de transmisso esto constantemente sujeitos a ocasionais variaes de tenso. Estas variaes, mesmo dentro de limites

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pr-estabelecidos, podem causar operaes incorretas de sensveis equipamentos eltricos nos diversos setores.

Figura 1- O fornecimento da energia Para avaliar o quanto um sistema est operando fora de suas condies normais, duas grandezas eltricas bsicas podem ser empregadas. So elas: a tenso e a freqncia. A freqncia em um sistema interligado situa-se na faixa de 60 0,5Hz. Por outro lado, em relao tenso, trs aspectos principais devem ser observados: Forma de onda, a qual deve ser o mais prximo possvel de senide; Simetria do sistema eltrico e Magnitudes das tenses dentro de limites aceitveis. Entretanto, existem alguns fenmenos, aleatrios ou intrnsecos, que ocorrem no sistema eltrico fazendo com que os aspectos acima citados sofram alteraes, deteriorando a qualidade do fornecimento de energia eltrica. Dentre os fenmenos podemos citar: afundamentos e/ou elevaes de tenses, as interrupes, distores harmnicas, flutuaes de tenso, oscilaes, rudos, sobretenses, subtenses, etc. Tais fenmenos bem como as provveis causas dos mesmos sero mais bem explanados a partir do captulo 2 deste material.


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Para este contexto, cabe salientar que at bem pouco tempo atrs, a maioria dos consumidores industriais entendia que gerenciar a energia eltrica significava controlar a demanda, o fator de potncia, e administrar os contratos junto concessionria. Pouco se falava em superviso de grandezas como tenses, correntes, potncias e muito menos, em distores harmnicas ou transientes. Alguns especialistas garantem que nos prximos cinco anos, a evoluo dos sistemas de gerenciamento de energia ser to grande quanto foi nos ltimos 30 anos. Por esta razo, as empresas que hoje pretendem apenas acompanhar a tenso e a corrente em tempo real logo manifestaro uma grande preocupao com o nmero de interrupes no fornecimento, e o tempo mdio destas interrupes. Pouco tempo depois, estes mesmos usurios desejaro acompanhar a forma de onda da tenso entregue pela concessionria, de modo a analisar, por exemplo, transitrios, correntes harmnicas e afundamentos de tenso. No entanto, esta almejada anlise depende da definio apropriada de indicadores que representem o desempenho dos servios prestados pelas concessionrias envolvidas. No que segue, comentrios bsicos que dizem respeito a uma boa qualidade da energia e sobre os ndices de continuidade associados ao assunto sero apresentados.

1.2 Qualidade da EnergiaComo so de conhecimento, as interrupes, que podem ser provocadas tanto por fenmenos aleatrios como pela falta de manuteno preventiva dos sistemas eltricos, causam a diminuio da produtividade dos consumidores ocasionando a interrupo na operao dos equipamentos. Para o consumidor residencial, o que ele tem em mente como baixa qualidade da energia eltrica realmente a falta de energia. Desde que essa falta no seja muito demorada, no haver grandes aborrecimentos ou mesmo perdas econmicas por parte do consumidor. Se faltar tenso em sua casa durante trs minutos, em princpio, no tem problema nenhum. Se faltar durante trs horas, passa a ser diferente. Para o consumidor industrial, no entanto, se faltar energia durante meio segundo, a fbrica pra e o processo industrial tem que ser reiniciado, o que causa grandes prejuzos financeiros. Suponha que o processo seja a fabricao de tecido: a interrupo momentnea de tenso pode partir os fios do tecido. Para reiniciar o processo, ser preciso emendar todos os fios que se partiram, e isso leva um certo tempo, com perda de produo. Se fosse um processoQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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de estamparia, por exemplo, o tecido seria refugado uma vez que a estampa ficaria fora dos padres. Nos processos de laminao de ao, quando as mquinas param, os operrios tm que "desentupir" o laminador, cortando os vares de ao com maaricos, alm de manipul-los sob altas temperaturas, etc. Como dado ilustrativo, constata-se pelos registros dos eventos, que uma interrupo na energia eltrica ou uma queda de 30% na tenso fornecida por um curto perodo pode zerar os controladores programveis acarretando em inmeras situaes no desejveis ao sistema integrado. Em virtude destas interrupes operacionais, destaca-se ento, uma das principais razes para os estudos relacionados QE: o valor econmico. Sendo que h impactos econmicos considerveis nas companhias, em seus consumidores/clientes e fornecedores de equipamentos. No ramo industrial, sente-se um impacto econmico direto j que, nos ltimos tempos, houve uma grande revitalizao das indstrias com a automao e a incluso de modernos equipamentos. Tem-se ento que, para se estabelecer padres de qualidade adequados necessrio definir a real expectativa dos consumidores, isto , identificar o quanto sociedade est disposta a pagar pelos custos dos mesmos, pois a melhoria do nvel de qualidade implica em aumento dos custos. Cabe, para o momento, definirmos o que seria ento um problema de QE. No existe uma conveno ou consenso sobre este conceito. Por causa da rpida evoluo dos sistemas nos ltimos anos, este conceito tambm vem sofrendo alteraes periodicamente. O conceito de Qualidade da Energia est relacionado a um conjunto de alteraes que podem ocorrer no sistema eltrico. Entre muitos apontamentos da literatura, podemos ento apresentar o assunto como qualquer problema manifestado na tenso, corrente ou desvio de freqncia, que resulta em falha ou m operao de equipamento dos consumidores (DUGAN et al., 19961). Tais alteraes podem ocorrer em vrias partes do sistema de energia, seja nas instalaes de consumidores ou no sistema supridor da concessionria. Como causas mais comuns pode-se citar: perda de linha de transmisso, sada de unidades geradoras, chaveamentos de bancos1

Esta ser a referncia bsica adotada no decorrer do trabalho. Quando conveniente outras referncias sero citadas. Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz) 4

de capacitores, curto-circuito nos sistemas eltricos, operao de cargas com caractersticas no-lineares, etc. Quanto ao nvel da QE requerido, este que possibilita uma devida operao do equipamento em determinado meio para o qual foi projetado. Usualmente, h padro muito bem definido de medidas para a tenso, de onde convencionalmente associa-se a QE qualidade de tenso, j que o fornecedor de energia pode somente controlar a qualidade da tenso, mas no tem controle sobre a corrente que cargas particulares e ou especficas podem requerer. Portanto, o padro aceito com respeito QE direcionado a manter o fornecimento de tenso dentro de certos limites. No passado, os problemas causados pela m qualidade no fornecimento de energia no eram to expressivos, visto que, os equipamentos existentes eram pouco sensveis aos efeitos dos fenmenos ocorridos e no se tinham instalados, em grandes quantidades, dispositivos que causavam a perda da qualidade da energia. Entretanto, com o desenvolvimento tecnolgico, principalmente da eletrnica de potncia, consumidores e concessionrias de energia eltrica tm-se preocupado muito com a qualidade da energia. Isto se justifica, principalmente, pelos seguintes motivos: Os equipamentos hoje utilizados so mais sensveis s variaes na qualidade da energia. Muitos deles possuem controles baseados em microprocessadores e dispositivos eletrnicos sensveis a muitos tipos de distrbios; O crescente interesse pela racionalizao e conservao da energia eltrica, com vistas a otimizar a sua utilizao, tem aumentado o uso de equipamentos que, em muitos casos, aumentam os nveis de distores harmnicas e podem levar o sistema a condies de ressonncia; Maior conscientizao dos consumidores em relao aos fenmenos ligados qualidade da energia, visto que aqueles, esto se tornando mais informados a respeito de fenmenos como interrupes, subtenses, transitrios de chaveamentos, etc., passando a exigir que as concessionrias melhorem a qualidade da energia fornecida; Integrao dos processos, significando que a falha de qualquer componente tem conseqncias muito mais importantes para o sistema eltrico;Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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As conseqncias da qualidade da energia sobre a vida til doscomponentes eltricos. A ttulo de esclarecimento, a Figura 2 ilustra um levantamento feito nos EUA, mostrando o crescimento das cargas eletrnicas em relao potncia instalada de um sistema tpico, com previso at o ano 2000 [Projeto SIDAQEE2].

250 200 150 100 50 0

Potncia Instalada [GW]

1960

1970 Concessionria

1980 Ano

1990

2000

Cargas Eletrnicas

Figura 2- Crescimento de cargas eletrnicas Para exemplificar os impactos econmicos da qualidade da energia, a Figura 3 mostra os custos associados a interrupes eltricas de at 1 minuto para diferentes setores econmicos.

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Todas as ilustraes apresentadas neste documento foram obtidas do projeto referenciado. 6


Figura 3 - Custo estimado - Interrupo de at 1 min

Dentro do exposto, fica evidente a importncia de uma anlise e diagnstico da qualidade da energia eltrica, no intuito de determinar as causas e as conseqncias dos distrbios no sistema, alm de apresentar medidas tcnicas e economicamente viveis para solucionar o problema.

1.3 O controle da qualidade da energia eltricaO texto apresentado a seguir foi retirado do trabalho: Continuidade nos Servios de Distribuio de Energia Eltrica, Conj. & Planej., Salvador: SEI, n. 105, p. 36-40, Fev 2003 (Csar D. A. Belisrio, Daniella A. Bahiense e Gec M. Oliveira). A qualidade do setor eltrico de distribuio em especfico a performance das concessionrias no fornecimento de energia eltrica; seus parmetros so: a conformidade, o atendimento ao consumidor e a continuidade. Esses parmetros so pontos bsicos para a definio dos diversos critrios de localizao e arranjo das subestaes, de critrios de escolha dos materiais e equipamentos de controle e proteo, regulao, e configurao da rede de distribuio. A conformidade est relacionada com os fenmenos associados forma de onda de tenso, tais como: flutuaes de tenso, distores harmnicas e variaes momentneas de tenso. O atendimento abrange a relao comercial existente entre as concessionrias e o consumidor, considera a cortesia, o tempo de atendimento, s solicitaes de servios, o grau de presteza e o respeito aos direitos do consumidor. A continuidade corresponde ao grau de disponibilidade de energia eltrica ao consumidor. O ideal que no haja interrupo no fornecimento de energia eltrica, ou, se houver, que seja a mnima possvel e informada ao consumidor em tempo hbil, a fim de prevenir possveis prejuzos decorrentes da falta de energia. Dentre os parmetros de qualidade podemos considerar a continuidade o de maior relevncia, porque afeta o cotidiano das pessoas e causa grandes transtornos por comprometer servios essenciais.Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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1.3.1 Continuidade de fornecimento Como anteriormente comentado, o controle da qualidade depende da definio apropriada de indicadores que representem o desempenho dos servios prestados pelas concessionrias de energia. No que se refere continuidade, os indicadores utilizados permitem o controle e monitorao do fornecimento de energia eltrica, a comparao de valores constatados ao longo de perodos determinados e, a partir de metas de qualidade definidas, a verificao do resultados atingidos. Os indicadores, alm de refletirem os nveis de qualidade, possibilitam a imposio de limites aceitveis de interrupo de fornecimento. Esses ndices so ainda utilizados pelas concessionrias de energia eltrica como valores de referncia para os processos de deciso nas etapas de planejamento, projeto, construo, operao e manuteno do sistema eltrico de distribuio. Em um contexto nacional, a ANEEL (Agncia Nacional de Energia Eltrica) tem o papel de promover a qualidade da energia, regulamentar os padres e garantir o atendimento aos mesmos, estimular melhorias, zelar direta e indiretamente pela observncia da legislao, punir quando necessrio, e tambm definir os indicadores para acompanhamento do desempenho das concessionrias. Cabe tambm ao rgo regulador estabelecer metas de melhoria de continuidade mediante contratos e/ou negociao com as concessionrias. A Portaria 046/78, do antigo DNAEE (Departamento Nacional de guas e Energia Eltrica), estabeleceu os primeiros dispositivos do controle da continuidade, os quais, com a evoluo do setor tornaram-se insuficientes. A implantao do novo modelo do setor eltrico configurou um monoplio natural regulado no segmento de distribuio, reforando ainda mais a necessidade de apurao dos controles sobre a qualidade. A regulao pelo preo em vigor incentiva a assimetria de informao, pois as concessionrias no tm estmulos para fornecer dados relativos aos seus custos. Como o nvel de qualidade implica em custos, a tendncia das concessionrias manter esse nvel no menor patamar possvel, de modo a maximizar seus ganhos, correspondentes margem entre o preo do servio e oQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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custo. Esses fatos, aliados evoluo dos recursos tecnolgicos, tornaram imperativa a reviso desta portaria. Com a finalidade de atingir este objetivo foi editada a Resoluo no 024/2000 da ANEEL, que introduziu novos avanos, e reformulou os procedimentos de controle de qualidade sobre os aspectos da continuidade. Entre as medidas mais significativas esto a criao de procedimentos auditveis, a uniformizao do mtodo de coleta de dados e registros dos mesmos, a forma de apresentao e a periodicidade do envio destes a ANEEL, de modo a possibilitar a anlise e acompanhamento dos mesmos. Outra melhoria foi introduo dos indicadores individuais, que tornou possvel a avaliao das ocorrncias de interrupo por unidade consumidora, o acompanhamento da agncia reguladora e tambm do prprio consumidor. Atualmente esses ndices podem ser solicitados s concessionrias. Entretanto, a partir de janeiro de 2005 ser obrigatrio incluso destes dados na fatura. A apurao dos dados de interrupo para os indicadores so realizadas com periodicidade mensal, trimestral e anual. Foram introduzidos novos critrios de formao de grupo de consumidores de caractersticas semelhantes e contguos, geralmente pertencentes a uma determinada rea de uma concessionria, que possibilitou o atendimento homogneo. Esses conjuntos foram propostos pelas concessionrias a ANEEL, que aps anlise e aprovao, gerou uma resoluo especfica para cada concessionria com dados validados. Na resoluo, estabeleceram-se padres de referncia baseados no levantamento de dados histricos de cada concessionria e a comparao destes entre as diversas empresas. O desenvolvimento de tcnicas de comparao de desempenho entre as empresas de distribuio permitiu a formulao desses novos padres e o estabelecimento de metas de melhoria dos ndices de continuidade. As metas para os indicadores de continuidade individuais, coletivos (para cada conjunto de unidades consumidoras), ou globais (para o total da concessionria) foram definidas atravs de negociao entre as concessionrias e a ANEEL. Foram estabelecidas por concessionrias, com base nos valores histricos dos indicadores para os agrupamentos de consumidores, na anlise comparativa de desempenho dasQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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empresas e nas metas de contratos de concesso, quando existentes. Essas metas so possveis de renegociao quando das revises tarifrias. Dos avanos obtidos pela resoluo, podemos ainda ressaltar a exigncia do envio dos indicadores a ANEEL, a imposio de penalidade por descumprimento das metas, o estabelecimento de prazos para o aviso de interrupo aos consumidores com a antecedncia necessria e a obrigatoriedade da informao dos indicadores na fatura. Tambm se determinou a disponibilizao do servio de atendimento gratuito e permanente para o registro de reclamaes dos consumidores e as solicitaes de providncias para servios emergenciais. Os ndices de continuidade adotados pelo rgo regulador so: A. Coletivos a) DEC: Durao equivalente de interrupo por unidade consumidora b) FEC: Freqncia equivalente de interrupo por unidade consumidora B. Individuais a) DIC: Durao de interrupo individual por unidade consumidora b) FIC: Freqncia de interrupo individual por unidade consumidora c) DMIC: Durao mxima de interrupo contnua por unidade consumidora Os indicadores coletivos so particularmente teis agncia reguladora para atender suas necessidades de avaliao das concessionrias, enquanto os individuais servem mais especificamente ao interesse dos consumidores para avaliar o seu atendimento pela distribuidora. Nas apuraes dos indicadores acima todas as concessionrias devem considerar interrupes iguais ou maiores que 3 (trs) minutos, e quando j estiver previsto no contrato de concesso, apurao com interrupes iguais ou maiores que 1 (um) minuto, ser apurado das duas formas. A partir de 2005 todas as empresas devero considerar somente as interrupes com intervalos iguais ou maiores que 1 (um) minuto, isto permite uma adequao de todas as distribuidoras ao padro nico de 1 (um) minuto no decorrer deste prazo, j que historicamente a maioria delas trabalhavam com interrupes iguais ou maiores a 3 (trs) minutos.Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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1.3.2 Evoluo do desempenho da continuidade Em quatro anos de atuao da ANEEL, o padro de continuidade do servio de energia eltrica apresentou um ganho de eficincia significativo. No Brasil, no ano de 1997, registrou-se um DEC de 27,19% horas e um FEC de 21,68 interrupes. Em 2001, esses valores foram de 9,05 horas e de 7,86 interrupes. Nas figuras 4 e 5 podem-se verificar as mdias dos indicadores DEC e FEC para o estado da Bahia (COELBA Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia) comparadas com os valores do Brasil. No Brasil, no perodo de 1996 a 2001, houve uma reduo dos DEC e FEC, em cerca de 65% horas e 64% interrupes, enquanto na Bahia, neste mesmo perodo, a reduo destes ndices ficou em cerca de 25% horas e 8% de interrupes. notria a ocorrncia de uma reduo acentuada nesses ndices a partir da introduo da resoluo no 24/00. No Brasil, no perodo aps a implantao da ANEEL, at antes da vigncia da referida resoluo, ou seja, at o ano de 1999, houve uma reduo dos DEC e FEC em cerca de 27% e 19% respectivamente, enquanto na Bahia, neste mesmo perodo, a reduo destes ndices ficou em cerca de 21% e 8%. Aps a implantao da resoluo, entre 2000 a 2001, no Brasil o DEC e FEC ficaram com uma reduo de 48%, e na Bahia uma reduo no DEC de 13%, porm com um ligeiro aumento no FEC de 4,83%. A ANEEL vem implantando um sistema de monitorao da qualidade da energia eltrica, que dar agncia acesso direto e automtico s informaes sobre a qualidade no fornecimento, sem que dependa de dados encaminhados pelas empresas. Por via telefnica o sistema permite imediata recepo dos dados sobre interrupo e restabelecimento do fornecimento de energia eltrica e conformidade dos nveis de tenso nos pontos em que os equipamentos de monitorao esto instalados. Assim ele mede os indicadores da qualidade do servio prestado pelas concessionrias de energia. Com o sistema, a ANEEL faz, numa determinada amostragem, o acompanhamento da qualidade de modo mais eficaz, alm de poder auditar os dados fornecidos pelas concessionrias. Os indicadores apurados pelo sistema so: os de interrupo (DEC, FEC, DIC e FIC) relativos durao e a freqncia por conjunto de consumidores e por consumidor individual e os dados de nvel de tenso.Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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1.3.3 Comentrios finais A Resoluo no 24 no esgota definitivamente o tema continuidade, devido abrangncia e importncia do assunto. Encontram-se em fase de elaborao, atravs de consulta pblica, uma minuta de resoluo com o objetivo de alterar e complementar a resoluo em vigor, considerando a necessidade de aperfeioar as regras estabelecidas. importante considerar o dimensionamento adequado do nvel de qualidade a ser alcanado, considerando o custo e o benefcio dos investimentos que certamente ser bancado pela sociedade, no momento em que preciso ponderar se a prioridade a melhoria dos ndices de continuidade ou, por exemplo, a universalizao dos servios de eletricidade. oportuno observar que o cenrio do setor eltrico aponta para uma matriz energtica com uma maior participao de componentes de fonte de combustveis fsseis e fontes alternativas, que representam, inicialmente, maiores custos para a sociedade. Vale considerar que para atender a universalizao sero necessrios grandes esforos em termos de investimentos. Na medida em que a regulamentao existente sinaliza a adoo de metas de continuidade gradativamente mais exigentes, haver sempre uma tendncia das concessionrias em adicionar aos investimentos uma sofisticao maior na qualidade dos materiais e padres de instalao, e isto principalmente na rea rural, onde se d expanso das redes eltricas. Certamente, todos os consumidores merecem o mesmo nvel de qualidade. Porm, cabe avaliar se num mesmo momento melhor utilizar um padro de continuidade menos exigente, do que o prolongamento da excluso dos benefcios da energia eltrica de uma parcela da sociedade. O desafio atual do setor eltrico, no que tange ao controle da qualidade de distribuio, encontrar padres e metas para seus indicadores, que possam redundar em melhoria nos servios de distribuio, sem com isso criar barreiras expanso do setor.


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1.4 Termos e definiesO objetivo desta seo o de apresentar as definies aceitas para muitos dos termos encontrados na literatura nacional e internacional relacionados qualidade da energia. Esta apenas se refere definies bsicas, tendo como intuito de apenas despertar ou formar uma idia inicial a respeito do assunto. Termos como os que seguem so empregados em uma variedade de diferentes documentos e esto freqentemente sujeitos a confuses. Definies mais precisas, quando convenientes, sero posteriormente apresentadas. Afundamento (Dip ou Sag): qualquer decrscimo na tenso de pequena durao (menor do que 1 minuto). Carga Crtica (Critical Load): dispositivos ou equipamentos identificados como importantes ou essenciais para a segurana de pessoas ou para a situao econmica do comrcio/indstria. Distoro da Forma de Onda (Waveform Distortion): qualquer variao na qualidade da energia representada nas formas de ondas das tenses e correntes trifsicas. Distoro Harmnica (Harmonic Distortion): alterao na forma padro da tenso ou corrente (onda senoidal) devido a um equipamento gerando freqncias diferentes das de 60 ciclos por segundo. Elevao (Swell): qualquer aumento de tenso de pequena durao (menor do que um minuto) . Interrupo (Interruption ou Outage): completa perda da energia eltrica Interrupo Momentnea (Momentary Outage): uma pequena interrupo na energia permanecendo entre 1/30 (dois ciclos) de um segundo a 3 segundos. Distrbio (Disturbance): uma variao de tenso. Comumente, aps a operao incorreta de determinado equipamento eltrico, por razes desconhecidas, o seu mal funcionamento ser relacionado ao distrbio de tenso. Oscilao ou Tremulao (Flicker): variao de tenso de pequena durao, mas longa o necessrio para ser percebida pelos olhos humanos como uma oscilao de tenso.


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Rudo (Noise): qualquer sinal eltrico indesejado de alta freqncia que altera a forma de tenso padro (onda senoidal). Sobretenso (Overvoltage): aumento do nvel de tenso acima do normal (10% ou mais), com durao superior a um minuto. Subtenso (Drop ou Undervoltage): queda ou diminuio de tenso devido partida de grandes motores ou perda de alimentadores ou transformadores sob carga. Algumas vezes empregado para descrever afundamentos de tenso (voltage sags) ou subtenses (undervoltages). Tenso Nominal ou Normal (Nominal ou Normal Voltage): tenso nominal ou normal contratada para um sistema de determinada classe de tenso. Transitrio (Transient, Spike ou Surge): um aumento inesperado no nvel de tenso que tipicamente permanece por menos do que 1/120 de um segundo.

1.5 Causas dos distrbiosAlguns distrbios relacionados qualidade da energia originam-se do prprio sistema da empresa. No entanto, as causas destes distrbios esto, geralmente, alm do controle das empresas. Como por exemplo, aes provocadas pela ao da natureza como: relmpagos, contato de galhos de rvores, ventos fortes, contatos de animais, gelo, etc. Alm destes, temos os eventos de causas aleatrias como: atividades de construo, acidentes envolvendo veculos motores, falhas de equipamentos. Somando-se ainda, as operaes normais da empresa como chaveamentos, operaes com bancos de capacitores e atividades de manuteno tambm podem gerar situaes que venham a provocar determinados distrbios sobre o sistema. Para limitar estes tipos de distrbios sobre o sistema a um menor nmero possvel de clientes, o sistema de distribuio das empresas emprega um considervel nmero de dispositivos tais como circuitos disjuntores, circuitos automticos de religamento, barramentos e seccionadores para auxiliar no isolamento do defeito. Uma grande percentagem dos distrbios relacionados qualidade da energia, na realidade, originam-se, de uma maneira geral, de dentro das instalaes industriais/comerciais.Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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Dos distrbios originados de dentro das instalaes dos usurios podemos destacar como principais fontes: a) nas instalaes comerciais: os sistemas de aquecimento ou resfriamento de motores; elevadores; refrigeradores, lmpadas fluorescentes; condutores inadequados e aterramentos imprprios; maquinrio de escritrio (copiadoras, fax, impressoras a laser, etc.); circuitos sobrecarregados e interferncia magntica. b) nas instalaes industriais: reguladores de velocidade ajustvel; capacitores para correo do fator de potncia; motores eltricos de grande porte; geradores de emergncia; condutores inadequados e aterramentos imprprios; circuitos sobrecarregados e interferncia magntica.

1.6 Tipos de distrbiosOs distrbios de energia podem ser originados tanto nos sistemas e /ou equipamentos das empresas concessionrias como dos consumidores. Estes distrbios podem ser classificados em categorias que podem variar quanto ao efeito, durao e intensidade. A Tabela 1 que segue, ilustra as categorias mais comuns dos distrbios, suas causas e algumas solues prticas.


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TABELA 1 Categorias de classificao dos distrbios considerando-se o seu efeito, durao e intensidade sobre determinado sistemaTipo do distrbio Interrupo de energia Descrio Possveis causas Efeitos Sada e/ou queda do sistema Perda de memria de controladores e computadores Solues Uninterruptible Power Supply (UPS) Suprimento de Fora ou Energia Ininterrompvel Gerador de emergncia (interrupo permanente)

Total interrupo Acidentes, aes da do fornecimento natureza, etc., os quais de energia: requerem a devida operao dos equipamentos da Interrupo concessionria momentnea: permanece de 0,5 (fusveis, religadores, etc.) s at 3 s

Avaria de Curto circuitos internos hardware Interrupo requerendo a devida temporria: permanece de 3 s operao de disjuntores Avaria de e fusveis ao nvel do produtos at 1 min consumidor. Interrupo permanente: permanece por um perodo superior a 1 min Tipo do distrbio Transitrio Descrio Alteraes sbitas nas formas CA, resultando um abrupto, mas breve aumento da tenso Possveis causas So causados por tempestades (relmpagos), operao de fusveis, religadores e disjuntores da concessionria Causas internas so a entrada ou sada de grandes equipamentos e chaveamento de capacitores Efeitos Erros de processamento e perda de dados.

Solues Pra-raios

Uninterruptible Power Supply Queima de placas (UPS) de circuitos, danos ao Transformadores isolamento e de isolao avarias nos equipamentos Transformador de eltricos tenso constante

Tipo do distrbio Descrio Afundamento/eleva Qualquer decrscimo o (afundamento) ou aumento (elevao) na tenso por um perodo de tempo entre meio ciclo a 3s Afundamentos de tenso correspondem a

Possveis causas Parada ou partida de pesados (grandes) equipamentos Curto circuitos Falhas de equipamentos ou chaveamentos da concessionria

Efeitos Solues Perda de Uninterruptible memria e erros Power Supply de dados (UPS) Parada de equipamentos Oscilaes luminosas Reduo da vida til e diminuio da 16 Transformador de tenso constante Reguladores de tenso


87% de todos os distrbios observados em um sistema de energia (de acordo com estudos do Bell Labs).

velocidade e/ou parada de motores

Tipo do distrbio Rudo

Descrio Sinal eltrico de alta freqncia indesejvel que altera a forma de onda de tenso convencional (forma senoidal)

Possveis causas

Efeitos

Solues Uninterruptible Power Supply (UPS) Transformadores de isolao Filtros de linha

Interferncia da Perda de dados e transmisso de rdio ou erros de televiso processamento Operao de equipamentos eletrnicos Recepo distorcida de udio e vdeo

Tipo do distrbio Distoro harmnica

Descrio

Possveis causas

Efeitos Aquecimento de equipamentos e condutores eltricos Decrscimo do desempenho de motores Operao indevida dos disjuntores, rels ou fusveis

Solues Filtros harmnicos Transformadores de isolao Melhoras nos condutores e aterramento Cargas isoladas Reatores de linha

Alterao no Dispositivos padro normal da eletrnicos e cargas tenso (forma no lineares senoidal) devido a equipamentos gerando freqncias diferentes das de 60 ciclos por segundo

Tipo do distrbio Sub e Sobretenso

Descrio Qualquer alterao abaixo ou acima do valor nominal da tenso que persista por mais de um min

Possveis causas Sobrecarga nos equipamentos e condutores Flutuao de grandes cargas ou taps dos transformadores incorretamente ajustados Condutor desenergizado ou faltoso ou conexes eltricas indevidas

Efeitos Ofuscamento ou brilho da luz Parada de equipamentos Sobreaqueciment o de motores

Solues Uninterruptible Power Supply (UPS) Transformadores de tenso constante

Distribuio de Vida ou eficincia equipamentos reduzida dos equipamentos Motores de tenso reduzidas


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A Tabela 2 mostra as categorias e caractersticas tpicas de fenmenos eletromagnticos que contribuem para a perda da qualidade da energia em um determinado sistema eltrico. Grande parte destes fenmenos j receberam comentrios iniciais quando da apresentao da Tabela 1. Esta Tabela (2) estar referenciada a todos os demais captulos que dizem respeito a cada fenmeno em especfico. A mesma uma sntese de todos os distrbio que eventualmente possam a vir a ocorrer sobre determinado sistema eltrico, trazendo as principais caractersticas pelas quais os fenmenos so definidos. No que segue, todos estes distrbios sero novamente apresentados, procurando-se melhor caracteriz-los conforme o seu efeito, durao e intensidade sobre determinado sistema eltrico.


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Tabela 2 - Classes e caractersticas tpicas de fenmenos eletromagnticos nos sistema eltricosFenmeno Transitrios - Impulsivos ns s ms - Oscilatrios Baixa Freqncia Mdia Freqncia Alta Freqncia Variaes de Curta Durao - Instantnea Afundamento Elevao - Momentnea Interrupo Afundamento Elevao - Temporria Interrupo Afundamento Elevao Variaes de Longa Durao Interrupo Sustentada Sub-tenso Sustentada Sobre-tenso Sustentada Desequilbrio de Tenso Distoro da Forma de Onda Nvel CC Harmnicos Inter-Harmnicos Notching Rudo Flutuao de Tenso Variao da Freqncia do Sistema < 5 kHz 5 500 kHz 0,5 - 5 MHz 3 - 50 ms 20 s 5 s 0,4 p.u. 0,4 p.u. 0,4 p.u. 5 ns 1 s 0,1 ms < 50 ns 50 ns - 1 ms > 1 ms Contedo Espectral Tpico Durao Tpica Amplitude de Tenso Tpica

0.5 - 30 ciclos 0.5 - 30 ciclos 0.5 ciclos -3 s 30 ciclos - 3 s 30 ciclos - 3 s 3 s - 1 min 3 s - 1 min 3 s - 1 min > 1 min > 1 min > 1 min RP RP RP RP RP RP intermitente < 10 s

0,1 0,9 p.u. 1,1 1,8 p.u. < 0,1 p.u. 0,1 0,9 p.u. 1,1 1,4 p.u. < 0,1 p.u. 0,1 0,9 p.u. 1,1 1,2 p.u. 0,0 p.u. 0,8 0,9 p.u. 1,1 1,2 p.u. 0,5 - 2% 0 0,1% 0 20% 0 2% 0 1% 0,1 - 7%

de ordem 0-100 0 - 6 kHz faixa ampla < 25 Hz

RP Regime Permanente


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2TRANSITRIOSConforme DUGAN et al. (1996), o termo transitrio tem sido aplicado a anlise das variaes do sistema de energia para denotar um evento que indesejvel, mas momentneo, em sua natureza. Ou ainda, entende-se por transitrios eletromagnticos as manifestaes ou respostas eltricas locais ou nas adjacncias, oriundas de alteraes sbitas nas condies operacionais de um sistema de energia eltrica. Geralmente, a durao de um transitrio muito pequena, mas de grande importncia, uma vez que os equipamentos presentes nos sistemas eltricos estaro submetidos a grandes solicitaes de tenso e/ou corrente. Os fenmenos transitrios podem ser classificados em dois grupos, os chamados transitrios impulsivos, causados por descargas atmosfricas, e os transitrios oscilatrios, causados por chaveamentos.

2.1 Transitrio impulsivoUm transitrio impulsivo uma sbita alterao no desejvel no sistema, que se encontra em condio de regime permanente, refletido nas formas de ondas da tenso e corrente, ou ambas, sendo unidirecional na sua polaridade (primeiramente positivo ou negativo). Normalmente causado por descargas atmosfricas com freqncias bastante diferentes daquela da rede eltrica. A Figura 6 ilustra uma corrente tpica de um transitrio impulsivo, oriundo de uma descarga atmosfrica. Os transitrios impulsivos so normalmente caracterizados pelos seus tempos de aumento e decaimento, os quais podem ser revelados pelo contedo espectral do sinal em anlise. Como exemplo, um transitrio impulsivo 1,2x50-s 2000-V nominalmente aumenta de zero at seu valor de pico de 2000 V em 1,2 s e decai a um valor mdio do seu pico em 50 s. Como anteriormente citado, a causa maisQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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comum de transitrios impulsivos a descarga atmosfrica. Devido alta freqncia do sinal resultante, a forma dos transitrios impulsivos pode ser alterada rapidamente pelos componentes do circuito e apresentar caractersticas significantes quando observadas de diferentes partes do sistema de energia.

Figura 6 - Corrente transitria impulsiva oriunda de uma descarga atmosfrica Por se tratarem de transitrios causados por descargas atmosfricas, de fundamental importncia se observar qual o nvel da tenso no ponto de ocorrncia da descarga. Em sistemas de distribuio o caminho mais provvel para as descargas atmosfricas atravs de um condutor fase, no primrio ou no secundrio, causando altas sobretenses no sistema. Uma descarga diretamente na fase geralmente causa flashover na linha prxima ao ponto de incidncia e pode gerar no somente um transitrio impulsivo, mas tambm uma falta acompanhada de afundamentos de curta durao e interrupes. Altas sobretenses transitrias podem tambm ser geradas por descargas que fluem ao longo do condutor terra. Existem numerosos caminhos atravs dos quais as correntes de descarga podem fluir pelo sistema de aterramento, tais como o terra do primrio, o terra do secundrio e as estruturas do sistema de distribuio. Os principais problemas de qualidade da energia causados por estas correntes no sistema de aterramento so os seguintes:Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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Elevao do potencial do terra local, em relao a outros terras, em vrios kV. Equipamentos eletrnicos sensveis que so conectados entre duas referncias de terra, tal como um computador conectado ao telefone atravs de um modem, podem falhar quando submetidos aos altos nveis de tenso. Induo de altas tenses nos condutores fase, quando as correntes passam pelos cabos a caminho do terra. Em se tratando de descargas em pontos de extra alta tenso, o surto se propaga ao longo da linha em direo aos seus terminais podendo atingir os equipamentos instalados em subestaes de manobra ou abaixadoras. Entretanto, a onda de tenso ao percorrer a linha, desde o ponto de incidncia at as subestaes abaixadoras para a tenso de distribuio, tem o seu valor de mximo consideravelmente atenuado, e assim, consumidores ligados na baixa tenso no sentiro os efeitos advindos de descargas atmosfricas ocorridas a nvel de transmisso. Contudo, os consumidores atendidos em tenso de transmisso e supostamente localizados nas proximidades do ponto de descarga, estaro sujeitos a tais efeitos, podendo ocorrer danificao de alguns equipamentos de suas respectivas instalaes.

2.2 Transitrio oscilatrioTambm como para o caso anterior, um transitrio oscilatrio uma sbita alterao no desejvel da condio de regime permanente da tenso, corrente ou ambas, onde as mesmas incluem valores de polaridade positivos ou negativos. caracterizado pelo seu contedo espectral (freqncia predominante), durao e magnitude da tenso (Tabela 2). Estes transitrios so decorrentes da energizao de linhas, corte de corrente indutiva, eliminao de faltas, chaveamento de bancos de capacitores e transformadores, etc.. Um transitrio com um componente de freqncia primrio menor do que 5 kHz, e uma durao de 0,3 a 50 ms, considerado um transitrio oscilatrio de baixa freqncia. Estes transitrios so freqentemente encontrados nos sistemas de subtransmisso e de distribuio das concessionrias e so causados por vrios tipos de eventos. O mais comum provem da energizao de uma banco deQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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capacitores, que tipicamente resulta em uma tenso transitria oscilatria com uma freqncia primria entre 300 e 900 Hz. O pico da magnitude pode alcanar 2,0 p.u., mas tipicamente 1,3 a 1,5 p.u. com uma durao entre 0,5 e 3 ciclos dependendo do amortecimento do sistema. A Figura 7 ilustra o resultado da simulao da energizao de um banco de 600 kVAr na tenso de 13,8 kV.

(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 (V) : t(s) 5m (1)p2a 10m 15m 20m 25m 30m 35m 40m t(s)

Figura 7 - Transitrio proveniente do chaveamento de um banco de capacitores Transitrios oscilatrios com freqncias primrias menor do que 300 Hz tambm podem ser encontrados em sistemas de distribuio. Estes so geralmente associados com a ferroressonncia e a energizao de transformadores. Transitrios envolvendo capacitores em srie podem ser includos nesta categoria. Estes ocorrem quando o sistema responde pela ressonncia com componentes de baixa freqncia na corrente de magnetizao do transformador (segunda e terceira harmnica) ou quando condies no usuais resultam em ferroressonncia. Oscilaes de ferroressonncia podem aparecer no TPC devido possibilidade de uma capacitncia entrar em ressonncia com algum valor particular de indutncia dos componentes que contem ncleo de ferro. Esta situao no desejvel no caso dos TPCs, uma vez que informaes indesejveis poderiam ser transferidas aos rels e aos instrumentos de medio.Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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A Figura 8 ilustra o fenmeno da ferroressonncia envolvendo um transformador a vazio.

Figura 8 - Transitrio oscilatrio de baixa freqncia causado pelo fenmeno da ferroressonncia em um transformador a vazio Um transitrio com componentes de freqncia entre 5 e 500 kHz, com uma durao medida em microssegundos (ou vrios ciclos da freqncia principal), referenciado como transitrio oscilatrio de mdia freqncia. Estes podem ser causados pelo chaveamento de disjuntores para a eliminao de faltas e podem tambm ser o resultado de uma resposta do sistema um transitrio impulsivo. A ttulo de ilustrao, toma-se como referncia as Figuras 9 e 10, as quais ilustram um circuito equivalente para o estudo de tenses transitrias de restabelecimento (TRV) e a resposta do sistema operao do disjuntor respectivamente.


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Figura 9 - Circuito equivalente para o estudo das tenses transitrias de restabelecimento quando da eliminao de uma falta

Figura 10 - Sobretenso decorrente da eliminao de uma falta Como se pode observar, na figura 10, o pico de tenso pode atingir, no mximo, 2 vezes o valor de pico nominal. Estas sobretenses, como j foi dito para transitrios de baixa freqncia, quando aplicadas a equipamentos, podem ocasionar uma srie de efeitos indesejveis. Transitrios oscilatrios com um componente de freqncia maior do que 500 kHz e com uma durao tpica medida em microssegundos (ou vrios ciclos da freqncia principal) so considerados transitrios oscilatrios de alta freqncia. Estes transitrios so freqentemente resultados de uma resposta local do sistema a um impulso transitrio. Podem ser causados por descargas atmosfricas ou por chaveamento de circuitos indutivos. A desenergizao de cargas indutivas pode gerar impulsos de alta freqncia. Apesar de serem de curta durao, estes transitrios podem interferir na operao de cargas eletrnicas. Filtros de alta-frequncia e transformadores isoladores podem ser usados para proteger as cargas contra este tipo de transitrio. Considerando o crescente emprego de capacitores pelas concessionrias para a manuteno dos nveis de tenso, e pelas indstrias com vistas correo do fator de potncia, tem-se tido uma preocupao especial no que se refere possibilidade de se estabelecer uma condio de ressonncia, devido s oscilaes de altasQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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freqncias, entre o sistema da concessionria e a indstria, e assim ocorrer uma amplificao das tenses transitrias, bem superiores s citadas anteriormente, podendo atingir nveis de 3 a 4 p.u. Um procedimento comum para limitar a magnitude da tenso transitria transformar os bancos de capacitores do consumidor, utilizados para corrigir o fator de potncia, em filtros harmnicos. Uma indutncia em srie com o capacitor reduzir a tenso transitria na barra do consumidor a nveis aceitveis. No sistema da concessionria, utiliza-se o chaveamento dos bancos com resistores de prinsero. Com a entrada deste resistor no circuito, o primeiro pico do transitrio, o qual causa maiores prejuzos, significativamente amortecido. Conforme apresentado, algumas tcnicas podem ser utilizadas na tentativa de se reduzir os nveis dos transitrios causados seja por chaveamentos ou por descargas atmosfricas. Entretanto, em alguns casos, como por exemplo, os transitrios oriundos de surtos de chaveamento em redes de distribuio, podem ter seu grau de incidncia e magnitudes reduzidas atravs de uma reavaliao das filosofias de proteo e investimentos para melhorias nas redes. Esta ltima medida visa o aumento da capacidade da rede, portanto, evitando que bancos de capacitores venham a ser exigidos.


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3VARIAES DE LONGA DURAO NA TENSODos problemas relacionados s variaes na tenso, citamos os efeitos de longa durao por um perodo superior a 1 min, que podem ser caracterizados como desvios que ocorrem no valor eficaz da tenso, na freqncia do sistema. Estas variaes podem estar associadas sobre ou subtenso e faltas sustentadas. No caso de sobre ou subtenso, geralmente, no resultam de falhas do sistema, mas so causadas por variaes na carga e ou operaes de chaveamento sobre o mesmo. Tais variaes so tipicamente apresentadas e analisadas como grficos do sinal de tenso (rms root mean square) versus o tempo .

3.1 SobretensoPodemos designar uma sobretenso como sendo um aumento no valor eficaz da tenso CA, maior do que 110% (valores tpicos entre 1,1 e 1,2 p.u.) na freqncia do sistema, por uma durao maior do que 1 min (Tabela 2). Sobretenses, usualmente resultam do desligamento de grandes cargas ou energizao de um banco de capacitores. Taps dos transformadores incorretamente conectados tambm podem resultar em sobretenses no sistema. Geralmente, so instalados nas indstrias bancos de capacitores, normalmente fixos, para correo do fator de potncia ou mesmo para elevao da tenso nos circuitos internos da instalao. Nos horrios de ponta, quando h grandes solicitaes de carga, o reativo fornecido por estes bancos desejvel. Entretanto, no horrio fora de ponta, principalmente no perodo noturno, tem-se um excesso de reativo injetado no sistema, o qual se manifesta por uma elevao da tenso. Com relao s conseqncias das sobretenses de longa durao, estas podem resultar em falha dos equipamentos. Os dispositivos eletrnicos podem sofrer danos durante condies de sobretenses, embora transformadores, cabos, disjuntores, TCs, TPs e mquinas rotativas, geralmente, no apresentam falhas imediatas. Entretanto, tais equipamentos, quando submetidos a repetidas sobretenses, podero ter as suas vidas teis reduzidas. Rels de proteo tambm podero apresentar falhas de operao durante as sobretenses. Uma observaoQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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importante, diz respeito potncia reativa fornecida pelos bancos de capacitores, que aumentar com o quadrado da tenso, durante uma condio de sobretenso. Dentre algumas opes para a soluo de tais problemas, destaca-se a troca de bancos de capacitores fixos por bancos automticos, tanto em sistemas das concessionrias como em sistemas industriais, possibilitando um maior controle do nvel da tenso e a instalao de compensadores estticos de reativos.

3.2 SubtensoJ a subtenso apresenta caractersticas opostas, sendo que agora, um decrscimo no valor eficaz da tenso AC para menos de 90% na freqncia do sistema, tambm com uma durao superior a 1 min, caracterizado (Tabela 1). As subtenses so decorrentes, principalmente, do carregamento excessivo de circuitos alimentadores, os quais so submetidos a determinados nveis de corrente que, interagindo com a impedncia da rede, do origem a quedas de tenso acentuadas. Outros fatores que contribuem para as subtenses so: a conexo de cargas rede eltrica, o desligamento de bancos de capacitores e, conseqentemente, o excesso de reativo transportado pelos circuitos de distribuio, o que limita a capacidade do sistema no fornecimento de potncia ativa e ao mesmo tempo eleva a queda de tenso. A queda de tenso por fase funo da corrente de carga, do fator de potncia e dos parmetros R e X da rede, sendo obtidos atravs da equao (1).

V = I(Rcos + Xsen )onde:

(1)

V- queda de tenso por fase;I - corrente da rede; R - resistncia por fase da rede; X - reatncia por fase da rede; cos - fator de potncia. A partir da equao (1) pode-se concluir que aqueles consumidores mais distantes da subestao estaro submetidos a menores nveis de tenso. Alm disso,


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quanto menor for o fator de potncia, maiores sero as perdas reativas na distribuio, aumentando a queda de tenso no sistema. Para evidenciar a influncia do fator de potncia na tenso, a Figura 11 ilustra o perfil de tenso ao longo de um alimentador. Dentre os problemas causados por subtenses de longa durao, destacam-se: Reduo da potncia reativa fornecida por bancos de capacitores ao sistema; Possvel interrupo da operao de equipamentos eletrnicos, tais como computadores e controladores eletrnicos; Reduo de ndice de iluminamento para os circuitos de iluminao incandescente, conforme ilustra a Figura 12; Elevao do tempo de partida das mquinas de induo, o que contribui para a elevao de temperatura dos enrolamentos e Aumento nos valores das correntes do estator de um motor de induo quando alimentado por uma tenso inferior nominal, como mostra a Figura 13. Desta forma tem-se um sobreaquecimento da mquina, o que certamente reduzir a expectativa de vida til da mesma.

V[%]0 -2 -4 -6 -8

Distncia Fp. Mdio=0.85 Fp. Mdio=0.7

Figura 11 - Perfil de tenso ao longo de um alimentador em funo do fator de potncia.


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120 100 80 60 40 20 0

Potncia Consumida [W]

Nominal

Queda - 2.5%

Queda - 5%

Queda - 7.5% Queda - 10%

Figura 12 - Potncia consumida por uma lmpada incandescente de 100W para diferentes valores de tenso.Elevao da Corrente [%]

14 12 10 8 6 4 2 0

Queda - 5%

Queda - 10%

Queda - 15%

Figura 13 - Elevao de corrente num motor de induo de 5CV em funo da tenso de alimentao. Para minimizar estes problemas, as medidas corretivas geralmente envolvem uma compensao da impedncia Z, ou a compensao da queda de tenso IR + jIX, causada pela impedncia. As opes para o melhoramento da regulao de tenso so: instalar reguladores de tenso para elevar o nvel da tenso; instalar capacitores shunt para reduzir a corrente do circuito; instalar capacitores srie para cancelar a queda de tenso indutiva (IX); instalar cabos com bitolas maiores para reduzir a impedncia Z;Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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mudar o transformador de servio para um de capacidade maior reduzindo assim a impedncia Z; e instalar compensadores estticos de reativos, os quais tem os mesmos objetivos que os capacitores, para mudanas bruscas de cargas. Existe uma variedade de dispositivos usados para regulao de tenso. Tais dispositivos so tipicamente divididos em trs classes: Transformadores de tap varivel: Existem transformadores de tap varivel com acionamento mecnico ou eletrnico. A maioria destes so do tipo autotransformador, embora existam numerosas aplicaes de transformadores de dois e trs enrolamentos com comutadores de tap. Os do tipo mecnico so para cargas que variam lentamente, enquanto que os eletrnicos podem responder rapidamente s mudanas de tenso. Dispositivos de isolao com reguladores de tenso independentes: Dispositivos de isolao incluem sistemas UPS (Uninterruptible Power Supply), transformadores ferroressonantes (tenso constante), conjuntos M-G, etc. Estes so equipamentos que isolam a carga da fonte de suprimento atravs de algum mtodo de converso de energia. Assim, a sada do dispositivo pode ser separadamente regulada e manter constante a tenso, desprezando as variaes provenientes da fonte principal.

Dispositivos de compensao de impedncia: Capacitores shunt ajudama manter a tenso pela reduo da corrente de linha ou atravs da compensao de circuitos indutivos. Estes capacitores podem ser fixos ou chaveados dependendo do tipo e da necessidade do sistema. Capacitores em srie so relativamente raros, mas so muito teis em algumas cargas impulsivas como britadeiras, etc. Estes capacitores compensam grande parte da indutncia dos sistemas. Se o sistema altamente indutivo, a impedncia significativamente reduzida. Se o sistema no altamente indutivo, mas tem uma alta proporo de resistncia, os capacitores srie no sero muito efetivos. Compensadores estticos de reativos podem ser aplicados tanto em sistemas das concessionrias como industriais. Eles ajudam a regular a tenso pela rpida resposta ao suprir ou consumir energia reativa. Existem trs tipos principais de compensadores estticosQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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de reativos: o reator controlado a tiristor, o capacitor chaveado a tiristor e o reator a ncleo saturado. Estes equipamentos so muito usados em cargas geradoras de oscilaes (flicker), tais como fornos a arco e em outras cargas que variam randomicamente.

3.3 Interrupes sustentadasQuando o fornecimento de tenso permanece em zero por um perodo de tempo que excede 1 min, a variao de tenso de longa durao considerada como uma interrupo sustentada. As interrupes maiores do que 1 mim so geralmente permanentes e requerem interveno humana para reparar e retornar o sistema operao normal no fornecimento de energia (Tabela 2). As interrupes sustentadas podem ocorrer de forma inesperada ou de forma planejada. A maioria delas ocorre inesperadamente e as principais causas so falhas nos disjuntores, queima de fusveis; falha de componentes de circuito alimentador, etc. J as interrupes planejadas so feitas geralmente para executar manuteno na rede, ou seja, servios como troca de cabos e postes, mudana do tap do transformador, alterao dos ajustes de equipamentos de proteo, etc. Seja a interrupo de natureza sustentada ou inesperada, o sistema eltrico deve ser projetado e operado de forma a garantir que: o nmero de interrupes seja mnimo; uma interrupo dure o mnimo possvel e

o nmero de consumidores afetados seja pequeno.Ao ocorrer uma falta de carter permanente, o dispositivo de proteo do alimentador principal executa 3 ou 4 operaes na tentativa de se restabelecer o sistema, at que o bloqueio definitivo seja efetuado. A durao desta interrupo pode atingir de vrios minutos a horas (em mdia 2 horas), dependendo do local da falta, do tipo de defeito na rede e tambm da operacionalidade da equipe de manuteno. Em redes areas, a localizao do defeito no demora muito tempo, ao passo que em redes subterrneas necessita-se de um tempo considervel, o que contribui para o comprometimento da qualidade do fornecimento. Entretanto, a probabilidade de ocorrer uma falta em redes subterrneas muito menor do que em redes areas.Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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A conseqncia de uma interrupo sustentada o desligamento dos equipamentos, exceto para aquelas cargas protegidas por sistemas no-breaks ou por outras formas de armazenamento de energia. Como j foi colocado anteriormente, no caso de interrupes de curta durao, o desligamento de equipamentos acarreta grandes prejuzos s indstrias. No caso de interrupo sustentada o prejuzo ainda maior, visto que o tempo de durao da interrupo muito grande, comparado com o da interrupo de curta durao, retardando a retomada do processo produtivo.


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4VARIAES DE TENSO DE CURTA DURAOEstas variaes podem ser designadas como instantneas (afundamentos e elevaes de 0,5 a 30 ciclos), momentneas (interrupes de 0,5 a 3 s e afundamentos/elevaes de 30 ciclos a 3 s), ou temporrias (interrupes e afundamentos/elevaes de 3 s a 1 min), conforme definido na Tabela 2. Variaes de tenso de curta durao so causadas por condies de faltas, energizao de grandes cargas que requerem altas correntes de partida, ou a perda intermitente de conexes nos cabos do sistema. Dependendo da localizao da falta e das condies do sistema, a falta pode ou causar um decrscimo da tenso (afundamento) ou um aumento da tenso (elevao), ou ainda, a completa perda da tenso (interrupo). A condio de falta pode estar prxima ou longe do ponto de interesse. Em ambos os casos, o impacto da tenso durante a condio de falta, uma variao de curta durao at que os dispositivos de proteo operem para limpar a falta.

4.1 Interrupes de curta duraoUma interrupo ocorre quando o fornecimento de tenso ou corrente de carga decresce para um valor menor do que 0,1 p.u. por um perodo de tempo que no excede 1 mim. As interrupes podem ser resultantes de faltas no sistema de energia, falhas nos equipamentos e mal funcionamento de sistemas de controle. As interrupes so medidas pela sua durao desde que a magnitude da tenso sempre menor do que 10% da nominal. A durao de uma interrupo, devido a uma falta sobre o sistema da concessionria, determinado pelo tempo de operao dos dispositivos de proteo empregados. Religadores programados para operar instantaneamente, geralmente, limitam a interrupo a tempos inferiores a 30 ciclos. Religadores temporizados podem originar interrupes momentneas ou temporrias, dependendo da escolha das curvas de operao do equipamento. A durao de uma interrupo devido ao mal funcionamento de equipamentos irregular. Algumas interrupes podem ser precedidas por um afundamento de tenso (item 4.2) quando estas so devidas a faltas no sistema supridor. O afundamentoQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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ocorre no perodo de tempo entre o incio de uma falta e a operao do dispositivo de proteo do sistema. A Figura 14 mostra uma interrupo momentnea devido a um curto-circuito, sendo precedida por um afundamento. Observa-se que a tenso cai para um valor de 20%, com durao de 3 ciclos e, logo aps, ocorre perda total do suprimento por um perodo de 1,8 s at a atuao do religador.

Figura 14 - Interrupo momentnea devido a um curto-circuito e subseqente religamento Seja, por exemplo, o caso de um curto-circuito no sistema supridor da concessionria. Logo que o dispositivo de proteo detecta a corrente de curtocircuito, ele comanda a desenergizao da linha com vistas a eliminar a corrente de falta. Somente aps um curto intervalo de tempo, o religamento automtico do disjuntor ou religador efetuado. Entretanto, pode ocorrer que, aps o religamento, o curto persista e uma seqncia de religamentos pode ser efetuada com o intuito de eliminar a falta. A Figura 15 ilustra uma seqncia de religamentos com valores tpicos de ajustes do atraso.Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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Isc

30 Ciclos

5 Segundos

15 Segundos

30 Segundos

Figura 15 - Seqncia de manobras efetuadas por dispositivos automticos de proteo Sendo a falta de carter temporrio, o equipamento de proteo no completar a seqncia de operaes programadas e o fornecimento de energia no interrompido. Assim, grande parte dos consumidores, principalmente em reas residenciais, no sentiro os efeitos da interrupo. Porm, algumas cargas mais sensveis do tipo computadores e outras cargas eletrnicas estaro sujeitas a tais efeitos, a menos que a instalao seja dotada de unidades UPS (Uninterruptible Power Supply), as quais evitaro maiores conseqncias na operao destes equipamentos, na eventualidade de uma interrupo de curta durao. Alguns dados estatsticos revelam que 75% das faltas em redes areas so de natureza temporria. No passado, este percentual no era considerado preocupante. Entretanto, com o crescente emprego de cargas eletrnicas, como inversores, computadores, videocassetes, etc., este nmero passou a ser relevante nos estudos de otimizao do sistema, pois , agora, tido como responsvel pela sada de operao de diversos equipamentos, interrompendo o processo produtivo e causando enormes prejuzos s indstrias. Atentos a este problema, algumas concessionrias tm mudado a filosofia de proteo com o objetivo de diminuir o nmero de consumidores afetados pelas interrupes. Na filosofia de proteo coordenada, o dispositivo de proteo do alimentador principal, seja o religador ou o disjuntor, sempre opera uma ou duasQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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vezes antes da operao do dispositivo jusante, geralmente, um fusvel. Como pode ser observado na Figura 16, nesta filosofia, todos os consumidores do alimentador sentiriam as curtas interrupes, fazendo aumentar o ndice de freqncia de interrupo por consumidor (FEC), o qual monitorado pelas concessionrias.

Ramal Alim. Principal

Ramal Defeituoso

Figura 16 - Diagrama unifilar de um sistema de distribuio, nova filosofia de proteo

4.2 Afundamento de tensoDependendo da localizao da falta e das condies do sistema, a falta pode causar um decrscimo temporrio de 10-90% no valor eficaz da tenso do sistema (0,1 e 0,9 p.u., na freqncia fundamental), podendo permanecer por um perodo de meio ciclo at 1 min (Tabela 2). Afundamentos de tenso so usualmente associados faltas no sistema (curtos-circuitos ocorridos nas redes de distribuio), mas podem tambm ser causados pela energizao de grandes cargas ou a partida de grandes motores e pela corrente de magnetizao de um transformador. Segundo a literatura consultada (HUANG et al., 1998), quando a tenso do sistema cai de 30% ou mais, o estado deste considerado crtico. Dependendo da sua durao estes eventos podem estar associados a trs categorias, sendo estas: instantneas, momentneas e temporrias, as quais coincidem com as trs categorias das interrupes e elevaes j comentadas. Estes tempos de permanncia sobre o sistema correspondem aos tempos de operao tpicos dos dispositivos de proteo das concessionrias, to bem como as divises recomendadas pelas organizaes tcnicas internacionais.Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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A Figura 16 ilustra uma subtenso de curta durao tpica, causada por uma falta fase-terra. Observa-se um decrscimo de 80% na tenso por um perodo de aproximadamente 3 ciclos, at que o equipamento de proteo da subestao opere e elimine a corrente de falta. Neste caso, de acordo com a Tabela 2, a subtenso de carter instantneo. Entretanto, as caractersticas e o nmero de subtenses diante de uma determinada falta dependem de vrios fatores como: a natureza da falta, sua posio relativa a outros consumidores ligados na rede e o tipo de filosofia de proteo adotada no sistema.

Figura 16 Afundamento de tenso causado por uma falta fase-terra Nesta situao, observa-se a concessionria afetando os consumidores. Porm, pode ocorrer uma situao em que o curto-circuito se localize dentro de uma instalao industrial ou comercial e, desta forma, venha a causar subtenses em consumidores localizados em outros pontos da rede. Ressalta-se que, neste caso, as quedas de tenso so de nveis menores devido impedncia do transformador de entrada que limita a corrente de curto-circuito. Acrescenta-se ainda que, em transformadores de conexo -Y, a corrente de seqncia zero, oriunda de faltas assimtricas, eliminada do circuito.Qualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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Para ilustrar a subtenso causada pela partida de um motor de induo e comparar com o caso anterior, tem-se a Figura 17. Como de conhecimento, durante a partida de um motor de induo, este absorve uma corrente de 6 a 10 vezes a corrente nominal, resultando em uma queda significativa na tenso fornecida. Observa-se que, neste caso, a tenso cai rapidamente para 0,8 p.u. e, num perodo de aproximadamente 3 s, retorna ao seu valor nominal.

Figura 17 Afundamento de tenso causado pela partida de um motor de induo Como efeito destes distrbios tem-se, principalmente, a m operao de equipamentos eletrnicos, em especial os computadores, que tem sido alvo de preocupaes em rgos de pesquisa em qualidade da energia. Entretanto, determinar os nveis de sensibilidade de tais equipamentos torna-se uma tarefa difcil, devido ao grande nmero de medies necessrias para a coleta de dados, e ainda, as dificuldades de se ter equipamentos de medio em condies reais de campo. Os nveis de sensibilidade apresentados a seguir foram determinados a partir de um estudo de casos realizado pelo EPRI (Electric Power Research Institute), com exceo daqueles referentes a computadores, os quais foram estabelecidos pela ANSIQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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(American Nacional Standarsds Institute) e IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - (Projeto SIDAQEE): a) Controladores de resfriamento Estes apresentam uma sensibilidade muito grande as subtenses, quando estas atingem nveis em torno de 80% da nominal, desconsiderando o perodo de durao. Exemplos: torres de resfriamento e condensadores. b) Testadores de chips eletrnicos Estes so muito sensveis s variaes de tenso e, devido complexidade envolvida, freqentemente requerem 30 minutos ou mais para reiniciarem a linha de testes. Tais testadores, compostos de cargas eletrnicas tipo: impressoras, computadores, monitores, etc., normalmente saem de operao se a tenso excursionar abaixo de 85% da nominal. c) Acionadores CC So utilizados em grande escala em processos industriais, desta forma importante que se mantenha uma qualidade no suprimento de energia destas cargas. A partir de resultados preliminares de monitoraes, estes se mostram sensveis quando a tenso reduzida para prximo de 88% da nominal, ou seja, apresentam um alto nvel de sensibilidade. d) PLCs Controladores Lgicos Programveis robustos, pertencendo, portanto, a uma gerao mais antiga, admitem zero de tenso por at 15 ciclos. Porm, os mais modernos, dotados de uma eletrnica mais sofisticada, comeam a apresentar problemas na faixa de 50-60% da tenso nominal. e) Robs Robs geralmente requerem uma tenso estritamente constante, para garantir uma operao apropriada e segura. Portanto, estes tipos de mquinas so freqentemente ajustadas para sarem de operao, ou desconectadas do sistema de distribuio, quando a tenso atinge nveis de 90% da nominal. f) Computadores Conforme mencionado anteriormente, os computadores configuram-se a principal fonte de preocupao no que se refere as subtenses, uma vez que os dados armazenados na memria podem ser totalmente perdidos emQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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condies de subtenses indesejveis. Assim, foi estabelecido pela ANSI/IEEE, limites de tolerncia para computadores relativos a distrbios no sistema eltrico. Estes trabalhos conduziram Figura 18, onde os nveis de tenso abaixo da nominal representam os limites, dentro dos quais, um computador tpico pode resistir a distrbios de subtenses sem apresentar falhas. Nota-se que a suportabilidade de um computador grandemente dependente do perodo de durao do distrbio.

400 300Nvel de Tenso Passvel de Ruptura

Tenso [%]

200

100

0 0.001

Envoltria da Tenso de Tolerncia do Computador Falta de Energia de Armazenamento

115%

106% 87% 1000

0.01

30% 0.1 0.5 1.0 6 10 30 100 Tempo em Ciclos (60 Hz)

Figura 18 - Tolerncias tpicas de tenso para computadores (curva CBEMA Computer Business Equipment Manufacturers Association) g) Videocassetes, forno de microondas e relgios digitais Estas cargas so essencialmente domsticas e, de certa forma, apresentam-se pouco sensveis s variaes de tenso, o que pode ser verificado atravs da Figura 19.


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Tenso (% da Nominal)

100 80 60 40 20 0 0.1 1 10 100 Tempo em ciclos 1000

Regio de M Operao: VCRs Fornos de Microondas Relgios Digitais

Figura 19 - Limiares de tenso para operao segura de vdeos, microondas e relgios digitais Diante de tais problemas, as variaes de tenso constituem-se num importante item de qualidade, merecendo ateno por parte das concessionrias, fabricantes de equipamentos e consumidores, alm de pesquisadores da rea de qualidade da energia eltrica. Existem vrias medidas que podem ser tomadas no sentido de diminuir o nmero e a severidade das subtenses de curta durao. Algumas destas so: a) Utilizao de transformadores ferroressonantes, conhecidos tambm como CVTs (Constant Voltage Transformers) Este equipamento pode contornar a maioria das condies de afundamentos. So utilizados especialmente para cargas com potncias constantes e de pequenos valores. Transformadores ferroressonantes so basicamente transformadores de relao de transformao 1:1, altamente excitados em suas curvas de saturao, fornecendo assim uma tenso de sada que no significativamente afetada pelas variaes da tenso de entrada. A Figura 20 ilustra um circuito tpico de transformadores ferroressonantes.


42

Figura 20 - Transformador ferroressonante

A Figura 21 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


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Figura 21 - Melhoramento contra afundamentos atravs de um transformador ferroressonante. b) Utilizao de UPSs Os tipos bsicos de UPSs (Uninterruptile Power Supply) fundamentam-se nas operaes on-line e standby. A UPS hbrida, que corresponde a uma variao da UPS standby, tambm pode ser usada para interrupes de longa durao. A Figura 22 mostra uma configurao tpica de uma UPS on-line. Nesta topologia, onde a carga sempre alimentada atravs da UPS, tenso CA de entrada convertida em tenso CC, a qual carrega um banco de baterias, sendo esta ento, invertida novamente para tenso CA. Ocorrendo uma falha no sistema CA de entrada, o inversor alimentado pelas baterias e continua suprindo a carga.

Figura 22 - UPS on-line

Uma unidade UPS standby, mostrada na Figura 23, s vezes chamada de UPS off-line, visto que o suprimento normal de energia usado para energizar o equipamento at que um distrbio seja detectado. Uma chave transfere a carga para o conjunto bateria-inversor.


44

Figura 23 - UPS Standby Similarmente topologia standby, a unidade UPS hbrida utiliza um regulador de tenso na sada para prover a regulao e manter momentaneamente o suprimento, quando da transferncia de fonte convencional para a fonte UPS. Este arranjo mostrado na Figura 24.

Banco

Figura 24 - UPS Hbrida.

c)

Utilizao

de

um

dispositivo

magntico

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 5 MJ so chamados de micro-SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage). A principal vantagem deles a grande reduo do espao fsico necessrio ao magneto, se esta soluo comparada ao espao para as baterias. Os projetos iniciais dos micro-SMES esto sendo testados emQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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vrios locais nos EUA com resultados favorveis. A Figura 25 mostra um diagrama on-line deste dispositivo.

Figura 25 - Diagrama on-line de um dispositivo supercondutor de armazenamento de energia d) Utilizao de mtodos de partida de motores Dentre os mais utilizados pode-se citar os seguintes mtodos de partida: - Partida suave (Soft Started); - Partida por meio de autotransformadores; - Partida por meio de resistncia e reatncia; - Partida por meio de enrolamento parcial e - Partida pelo mtodo estrela-tringulo.

e) Melhorar as prticas para o restabelecimento do sistema da concessionria em caso de faltas Isto implica em adicionar religadores de linha, eliminar as operaes rpidas de religadores e/ou disjuntores, adicionar sistemas do tipo Network e melhorar o projeto do alimentador. Estas prticas podem reduzir o nmeroQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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e/ou a durao de interrupes momentneas e afundamentos, mas as faltas nos sistemas das concessionrias nunca podem ser eliminadas completamente.

f) Adotar medidas de preveno contra faltas no sistema da concessionria Estas medidas incluem atividades como poda de rvores, colocar pra-raios de linha, manuteno dos isoladores, blindagem de cabos, modificar o espaamento entre condutores e melhorar o sistema de aterramento.

4.3 Elevao de tensoOutro distrbio pode ser caracterizado por um aumento da tenso eficaz do sistema (aumento este entre 10-80% da tenso, na freqncia da rede, com durao de meio ciclo a 1 min, Tabela 2) ocorrendo freqentemente nas fases ss de um circuito trifsico, quando da ocorrncia de um curto circuito em uma nica fase. O termo sobretenso momentnea empregado por vrios autores como sinnimo para o termo elevao de tenso. Como para o item anterior, elevaes so usualmente associadas condies de faltas no sistema, mas no so to comuns como afundamentos de tenso. Um meio ilustrativo de como uma elevao pode ocorrer do aumento temporrio da tenso em fases no faltosas durante uma falta envolvendo uma fase com conexo a terra. A Figura 26 ilustra uma elevao de tenso causada por uma falta fase-terra. Este fenmeno pode tambm estar associado sada de grandes blocos de cargas ou a energizao de grandes bancos de capacitores, porm, com uma incidncia pequena se comparada com as sobretenses provenientes de faltas fase-terra nas redes de transmisso e distribuio. As elevaes so caracterizadas pela sua magnitude (valor eficaz) e durao. A severidade deste distrbio durante uma condio de falta uma funo da localizao da falta, impedncia do sistema e do aterramento. Em um sistema no aterrado com impedncia de seqncia zero infinita, as tenses fase terra das fases no aterradas sero 1,73 por unidade durante uma condio de falta envolvendo uma fase com conexo terra. Prxima a subestao em um sistema aterrado, haver umQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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pequeno ou nenhum aumento nas fases no faltosas porque o transformador da subestao usualmente conectado em delta-estrela, provendo um baixo caminho de impedncia de seqncia zero para a corrente de falta. A durao da elevao est intimamente ligada aos ajustes dos dispositivos de proteo, natureza da falta (permanente ou temporria) e sua localizao na rede eltrica. Em situaes de elevaes oriundas de sadas de grandes cargas ou energizao de grandes bancos capacitores, o tempo de durao das elevaes depende do tempo de resposta dos dispositivos reguladores de tenso das unidades geradoras, do tempo de resposta dos transformadores de tap varivel e da atuao dos dispositivos compensadores de reativos e sncronos em sistemas de potncia e compensadores sncronos que porventura existam.

Figura 26 - Elevao de tenso devido a uma falta fase-terra Como conseqncia das elevaes de curta durao em equipamentos, podese citar falhas dos componentes, dependendo da freqncia de ocorrncia do distrbio. Dispositivos eletrnicos incluindo ASDs (Adjustable Speed Drivers), computadores e controladores eletrnicos, podem apresentar falhas imediatas duranteQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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estas condies. Contudo, transformadores, cabos, barramentos, dispositivos de chaveamento, TPs, TCs e mquinas rotativas podem ter a vida til reduzida. Um aumento de curta durao na tenso em alguns rels pode resultar em m operao enquanto outros podem no ser afetados. Uma elevao de tenso em um banco de capacitores pode, freqentemente, causar danos no equipamento. Aparelhos de iluminao podem ter um aumento da luminosidade durante uma elevao. Dispositivos de proteo contra surto como um circuito de fixao da amplitude (clamping circuit) podem ser destrudos quando submetidos a elevaes que excedam suas taxas de MCOV (Maximum Continuous Operating Voltage). Dentro do exposto, a preocupao principal recai sobre os equipamentos eletrnicos, uma vez que estas elevaes podem vir a danificar os componentes internos destes equipamentos, conduzindo-os m operao, ou em casos extremos, completa inutilizao. Vale ressaltar mais uma vez que, a suportabilidade de um equipamento no depende apenas da magnitude da elevao, mas tambm do seu perodo de durao, conforme ilustra a Figura 18, a qual mostra a tolerncia de microcomputadores s variaes de tenso.


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5DESEQUILBRIO DE TENSODesequilbrio de tenso muitas vezes definido como o desvio mximo dos valores mdios das tenses ou correntes trifsicas, dividido pela mdia dos mesmos valores, expresso em percentagem. O desequilbrio tambm pode ser definido usando-se a teoria de componentes simtricos. A razo entre os componentes ou de seqncia negativo ou zero, com o componente de seqncia positivo pode ser usado para especificar a percentagem do desequilbrio. As origens destes desequilbrios esto geralmente nos sistemas de distribuio, os quais possuem cargas monofsicas distribudas inadequadamente, fazendo surgir no circuito tenses de seqncia negativa. Este problema se agrava quando consumidores alimentados de forma trifsica possuem uma m distribuio de carga em seus circuitos internos, impondo correntes desequilibradas no circuito da concessionria. Tenses desequilibradas podem tambm ser o resultado da queima de fusveis em uma fase de um banco de capacitores trifsicos. Tais fatores fazem com que a qualidade no fornecimento de energia, idealizada pela concessionria, seja prejudicada e desta forma alguns consumidores tm em suas alimentaes um desequilbrio de tenso, o qual se manifesta sob trs formas distintas: a) amplitudes diferentes; b) assimetria nas fases; e c) assimetria conjunta de amplitudes e fases. Destas, apenas a primeira freqentemente evidenciada no sistema eltrico. A instalao eltrica de um consumidor, sujeito a desequilbrios de tenso, pode apresentar problemas indesejveis na operao de equipamentos, dentre os quais destacam-se: a) Motores de Induo: Para as anlises dos efeitos de tenses desequilibradas aplicadas a um motor de induo, considera-se somente os efeitos produzidos pelas tenses de seqncia negativa, somados aos resultados da tenso de seqncia positiva. Os efeitos das tenses e correntes de seqncia zero no so comumente considerados, visto que a maioria dos motores no possui caminho para aQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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circulao destas correntes, seja pela conexo estrela isolada ou em delta destes motores. Sabe-se que, quando tenses de seqncia negativa so aplicadas ao estator do motor, surge um correspondente campo magntico que gira no sentido contrrio ao campo da seqncia positiva, ou seja, contrrio ao sentido de rotao do rotor. Assim, tem-se estabelecido uma indesejvel interao entre os dois campos, o que resulta num conjugado pulsante no eixo da mquina. A Figura 27 ilustra a curva do conjugado desenvolvido por um motor de induo (20cv, 220V, Y), bem como a curva de conjugado de carga, quando alimentado por tenses desequilibradas.

(N.m) 140

120

100

80

Conjugado do motor

60

40

20

0

-20

Conjugado da carga

-40

-60

-80

-100

-120

-140 0 (N.m) : t(s) 200m (1)t(mt_ind2.m1) 400m 600m (1)tc(mt_ind2.m1) 800m 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 t(s)

Figura 27 - Resposta do motor alimentao desequilibrada

Ao mesmo tempo, as correntes de seqncia negativa causam um sobreaquecimento da mquina. Isto pode ser evidenciado atravs da Figura 28, a qual apresenta elevaes de temperatura tpicas para motores de induo quando estes so submetidos a tenses desequilibradas. Como conseqncia direta desta elevao deQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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temperatura, tem-se a reduo da expectativa de vida til dos motores, visto que o material isolante sofre uma deteriorao mais acentuada na presena de elevadas temperaturas nos enrolamentos.

100 80 60 40 20 0

Elevao da Temperatura [oC]

0

2

3,5 Desequilbrio [%]Deseq. de Tenso

5

Deseq. de Corrente

Figura 28 - Elevao de temperatura de um motor de induo trifsico para diferentes nveis de desequilbrio b) Mquinas sncronas: Como no caso anterior, a corrente de seqncia negativa fluindo atravs do estator de uma mquina sncrona, cria um campo magntico girante com velocidade igual do rotor, porm, no sentido contrrio ao de rotao definido pela seqncia positiva. Conseqentemente, as tenses e correntes induzidas nos enrolamentos de campo, de amortecimento e na superfcie do ferro do rotor, tero uma freqncia igual a duas vezes da rede. Tais correntes aumentaro significativamente as perdas no rotor, principalmente no enrolamento de amortecimento, que possui baixa impedncia onde, conseqentemente, a corrente ser mais elevada. No enrolamento de campo, estas correntes com freqncia duplicada distorcero o campo magntico produzido pela corrente de excitao que, por sua vez, deformar a forma de onda da tenso gerada, interferindo, portanto, na atuao do regulador de tenso.


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c) Retificadores: Uma ponte retificadora CA/CC, controlada ou no, injeta na rede CA, quando esta opera sob condies nominais, correntes harmnicas caractersticas (de ordem 5, 7, 11, 13, etc). Entretanto, quando o sistema supridor encontra-se desequilibrado, os retificadores passam a gerar, alm das correntes harmnicas caractersticas, o terceiro harmnico e seus mltiplos. A presena do terceiro harmnico e seus mltiplos no sistema eltrico extremamente indesejvel, pois possibilita manifestao de ressonncias no previstas, visto que no prtica a instalao de filtros de terceiro harmnico em instalaes desta natureza e, isto pode causar danos a uma srie de equipamentos. A Figura 29 mostra o espectro harmnico de um conversor de 6 pulsos a diodo, alimentado por tenses equilibradas e desequilibradas respectivamente.

120 100 80 60 40 20 0

Magnitude [%]

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

Ordem HarmnicaEquil. Deseq.

Figura 29 - Retificador alimentado por tenses equilibradas e desequilibradas, espectro harmnico


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6DISTORO DA FORMA DE ONDADistoro da forma de onda definido como um desvio da forma de onda puramente senoidal na freqncia fundamental, que caracterizado principalmente pelo seu contedo espectral. H cinco tipos principais de distores da forma de onda - Tabela 2: a) nvel CC; b) harmnicos; c) inter-harmnicas; d) notching e e) rudo.

6.1 Nvel CCA presena de um componente CC na tenso ou corrente em um sistema de energia CA denominado nvel CC. Este pode ocorrer como resultado de um distrbio ou devido operao ideal de retificadores de meia-onda. O nvel CC em redes de corrente alternada pode levar saturao de transformadores, resultando em perdas adicionais e reduo da vida til. Pode tambm causar corroso eletroltica dos eletrodos de aterramento e de outros conectores.

6.2 HarmnicosTecnicamente, um harmnico um componente de uma onda peridica cuja freqncia um mltiplo inteiro da freqncia fundamental (no caso da energia eltrica, de 60 Hz). Harmnicos so fenmenos contnuos, e no devem ser confundidos com fenmenos de curta durao, os quais duram apenas alguns ciclos. Distoro harmnica um tipo especfico de energia suja, que normalmente associada com a crescente quantidade de acionamentos estticos, fontes chaveadas e outros dispositivos eletrnicos nas plantas industriais. Estas perturbaes no sistema podem normalmente ser eliminadas com a aplicao de filtros de linha (supressores deQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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transitrios). Um filtro de harmnicos essencialmente um capacitor para correo do fator de potncia, combinado em srie com um reator (indutor). A Figura 30 mostra a tenso num barramento CA de alimentao de um conversor de seis pulsos, na qual evidencia-se as deformaes na forma de onda. A distoro harmnica vem contra os objetivos da qualidade do suprimento promovido por uma concessionria de energia eltrica, a qual deve fornecer aos seus consumidores uma tenso puramente senoidal, com amplitude e freqncia constantes. Entretanto, o fornecimento de energia a determinados consumidores que causam deformaes no sistema supridor, prejudicam no apenas o consumidor responsvel pelo distrbio, mas tambm outros conectados mesma rede eltrica. A natureza e a magnitude das distores harmnicas geradas por cargas nolineares dependem de cada carga em especfico, mas duas generalizaes podem ser assumidas: a) os harmnicos que causam problemas geralmente so os componentes de nmeros mpares e b) a magnitude da corrente harmnica diminui com o aumento da freqncia. Como comentado, altos nveis de distores harmnicas em uma instalao eltrica podem causar problemas para as redes de distribuio das concessionrias, para a prpria instalao e para os equipamentos ali instalados. As conseqncias podem chegar at parada total de importantes equipamentos na linha de produo acarretando em prejuzos econmicos. Dentre eles, de maior importncia esto a perda de produtividade e de vendas devido a paradas de produo, causadas por inesperadas falhas em motores, acionamentos, fontes ou simplesmente pelo "repicar" de disjuntores. Para a quantificao do grau de distoro presente na tenso e/ou corrente, lana-se mo da ferramenta matemtica conhecida por srie de Fourier. As vantagens de se usar a srie de Fourier para representar formas de onda distorcidas que, cada componente harmnica pode ser analisada separadamente e, a distoro final determinada pela superposio das vrias componentes constituintes do sinal distorcido.


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(V) 200

150

100

50

0

-50

-100

-150

-200 1.455 (V) : t(s) 1.46 (1)pa 1.465 1.47 1.475 1.48 1.485 1.49 1.495 1.5 1.505 t(s)

Figura 30 - Tenso de alimentao de um conversor CA/CC Conhecidos os valores de tenses e/ou correntes harmnicas presentes no sistema, utiliza-se de um procedimento para expressar o contedo harmnico de uma forma de onda. Um dos mais utilizados a Distoro Harmnica Total, a qual pode ser empregada tanto para sinais de tenso como para correntes. As equaes (1) e (2) apresentam tais definies:

nmx

DHVT = n >1 2 V1nmx

Vn2

100(%)

(1)

DHI T = n >1 I12onde:

2 In

100(%)

(2)


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DHVT = distoro harmnica total de tenso DHIT = distoro harmnica total de corrente Vn = valor eficaz da tenso de ordem n In = valor eficaz da corrente de ordem n V1 = valor eficaz da tenso fundamental I1 = valor eficaz da corrente fundamental n = ordem da componente harmnica A Distoro Harmnica Individual utilizada para a quantificao da distoro individual de tenso ou corrente, ou seja, para determinar a porcentagem de determinado componente harmnico em relao sua componente fundamental. As equaes (3) e (4) expressam tais definies.

DHVI =

Vn x100 (%) V1

(3)

I DHI I = n x100 (%) I1onde: DHVI - distoro harmnica individual de tenso. DHII - distoro harmnica individual de corrente.

(4)

Para fins prticos, geralmente, os componentes harmnicos de ordens elevadas (acima da 50 ordem, dependendo do sistema) so desprezveis para anlises de sistemas de potncia. Apesar de poderem causar interferncia em dispositivos eletrnicos de baixa potncia, elas usualmente no representam perigo aos sistemas de potncia. No passado no havia maiores preocupaes com harmnicos. Cargas com caractersticas no lineares eram pouco utilizadas e os equipamentos eram mais resistentes aos efeitos provocados por harmnicas. Entretanto, nos ltimos anos, com o rpido desenvolvimento da eletrnica de potncia e a utilizao de mtodos que buscam o uso mais racional da energia eltrica, o contedo harmnico presente nos sistemas tem-se elevado, causando uma srie de efeitos indesejveis em diversosQualidade da Energia Fundamentos bsicos (Mrio Oleskovicz)

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equipamentos ou dispositivos, comprometendo a qualidade e o prprio uso racional da energia eltrica. O problema ainda mais agravado pela utilizao de equipamentos e cargas mais sensveis qualidade da energia. Assim, de grande importncia citar aqui os vrios tipos de cargas eltricas com caractersticas no lineares, denominadas de Cargas Eltricas Especiais, que tm sido implantadas em grande quantidade no sistema eltrico brasileiro. Estas, de um modo geral, podem ser classificadas em trs grupos bsicos, a saber:a) Cargas de conexo direta ao sistema motores de corrente alternada; transformadores alimentadores; circuitos de iluminao com lmpadas de descarga (como a

apostila - qualidade energia

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