impacto de sistemas eólicos na qualidade de energia_apresentação

Eloi Rufato JuniorMarcos José Rodrigues dos Santos

IMPACTO DE SISTEMAS EÓLICOS NA QUALIDADE DE ENERGIA

Estudo complementar realizado no âmbito da disciplina de pós graduação Desempenho de Linhas Aéreas Frente a Descargas Atmosféricas – USP/IEE

Coordenador:

Prof. Dr. Alexandre Piantini

maio/2011

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Tópicos tratados

Evolução da capacidade de geração eólica instalada no mundo

Algumas peculiaridades da geração eólica

Qualidade da Energia – principais indicadores Potência reativa

Variação de tensão

Nível de potência de curto circuito

Cintilação ou “flikers”

Harmônicas

Operações de chaveamento

Considerações finais

Relatório da Nona Conferência Mundial de Energia Eólica (2009)

Evolução da capacidade instalada entre 2001 e 2009

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24 31 39 47 59 74 93 120 159 203 1900 (2020)

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Liderança mundial em capacidade instalada: EUA: 22% China: 16,3%. EUA, China, Alemanha, Espanha e Índia: 72,9%.

Energia eólica: Resp. por apenas 2% da demanda mundial de Eletricidade. Países com Indicadores de demanda mais relevantes:

Dinamarca: 20% Portugal: 15% Espanha: 14% Alemanha: 9%

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Potência instalada na América Latina (2006 a 2009): Maior crescimento do mundo(113%) Alcançou 1406 Megawatt Desenvolvimento se deve principalmente ao Brasil (aumento de

78,5%, total de 600 Megawatts) e México (372,9%, 402 Megawatt)

Potencial eólico brasileiro: ordem de 272 TWh/ano de energia elétrica = 64% do consumo nacional de energia elétrica = 424 TWh/ano (fonte: Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 30, n. 1, 1304 (2008).


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Figura 3 – Oferta Interna de energia Elétrica por fonte – 2009Fonte: Balanço Energético Nacional 2010 (ano base 2009)

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Mar: Instalado: 1,2% Crescimento de 30% em 2009, com destaque para a Dinamarca,

Alemanha, Inglaterra, Suécia e China.


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Em quatro anos, o setor de energia eólica mais do que duplicou o número de empregado (diretos e indiretos) em todo o mundo. Passou de 235.000 no ano de 2005 a 550.000 em 2009. Espera-se 1minhão de empregados e 2012

Futuro: está sendo prevista a fabricação de turbinas de 10 MW, bem maiores do que as turbinas de 2,5 – 3 MW fabricadas atualmente. Essas turbinas, têm hélices com até 245 metros de diâmetro e devem ser colocadas em mar aberto pelos EUA, Noruega e Inglaterra


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Algumas peculiaridades da geração eólica

Dimensões reduzidas - caso das turbinas de vento individuais -(WT) São ligadas a redes de distribuição de baixa ou média tensão ao invés

de redes de transmissão de alta tensão - implica especial atenção: fluxos de energia e com a proteção do sistema

Natureza variável do vento Adequados cuidados no projeto, associados à tecnologia atualmente

utilizada permitem que sejam enfrentados poucos problemas

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Algumas peculiaridades daageração eólica

Tipo de gerador elétrico

Inicialmente: geradores síncronos Atualmente: geradores de indução*

(*) Considerando-se a evolução da eletrônica de potência (ex: PWM - Pulse WidthModulation)

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TIPOS DE GERAÇÃO EÓLICA

Utilizados desde os anos 80Baseado no gerador de indução de gaiola, diretamente ligado à redeSua velocidade só pode variar 1% ou 2%Fabricante: Suzion, Nordex, Siemens, EcotecniaMercado Europeu: 30%

Introduzido e utilizado pela Vestas nos anos 80 e 90Baseado no gerador de indução com rotor bobinado, estator conectado diretamente à rede e resistência do rotor controlada por conversor de energiaSua velocidade só pode variar 10% durante rajadas de vento para maior qualidade de energia e redução do estresse da caixa de engrenagensControle Pich das pásFabricante: Vestas (V27, V34, V47)Mercado Europeu: 10%


Baseado no gerador de indução de rotor bobinado. O estator é ligado diretamente à rede. O rotor é ligado àrede atráves de um conversor de tensão back-to-back para controlar o sistema de excitação.Controle de potência ativa e reativa, controle ativo de tensão. A alimentação através de conversor é de aprox. 40% do total. Velocidade pode variar: ± 40% da velocidade síncronaFabricante: GE, Repower, Vestas, Nordex, Gamesa,

Ecotecnia, Suzion.Mercado Europeu: 30%

Geradores síncronos com base no rotor bobinado e um gerador de indução tipo gaiola.Completamente dissociado da rede, com amplo controle de potência reativa e tensão.Tecnologia de conversores variáveis de pontes duplas SCR (conversores de fonte de corrente) para os tipos mais antigos - anos 90. Para modernos: conversores de fonte de tensão de alta potência (> 2MW).Fabricante: ABB, Enercon, MG, GE, Winwind, Siemens,

Made, Leitner, Areva, outros.Mercado Europeu: 15%

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Turbinas tipo D

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Turbinas tipo D

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TIPOS DE GERAÇÃO EÓLICATurbinas tipo D

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Principais indicadores da qualidade da energia

Qualidade de energia de turbinas eólicas

O termo qualidade de energia de uma turbina eólica (WT) descreve o desempenho elétrico da turbina no sistema de geração de eletricidade. É o reflexo das interferências da geração na rede e, assim, a influência de um gerador eólico sobre a qualidade da tensão da rede

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Parâmetros de qualidade

Potência Reativa

Tensão no estado estacionário

Flicker ( até 35 Hz)

Harmônicos

Operações de Chaveamentos

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INTERFERÊNCIAS NA REDE CAUSADAS POR TURBINAS EÓLICAS

OPERAÇÕES DE CHAVEAMENTOPICOS E AFUNDAMENTOS DE TENSÃO

COMPONENTES INDUTIVAS OU GERADORES SINCRONOSCONSUMO DE POTÊNCIA REATIVA

CONTROLES TIRISTORIZADOS

INVERSOR DE FREQUÊNCIAHARMÔNICOS

FLUTUAÇÕES NA VELOCIDADE DO VENTO

FLUTUAÇÕES NA VELOCIDADE DO VENTO

CISALHAMENTO DO VENTO

ERRO DE GUINADA

ERRO DE PASSO DE PÁ

EFEITOS DE SOMBRA DE TORRES

OPERAÇÕES DE CHAVEAMENTO

FLUTUAÇÃO DE TENSÃO E FLICKER

PRODUÇÃO DE ENERGIAAUMENTO DE TENSÃO

CAUSASPARÂMETROS

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Potência Reativa

Tipos de geradores Geradores de indução consomem energia reativa (60% em plena

carga) Geradores síncronos consomem energia reativa (sub excitados) Geradores síncronos produzem energia reativa (super excitados)

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Perda associadas à potência reativa

A corrente associada ao fluxo de potência reativa é perpendicular (ou defasado de 90 graus) à corrente associada à potência ativa

Devido a esta perpendicularidade, a corrente total resultante é a raiz da soma ao quadrado das duas correntes

As perdas no sistema são proporcionais ao quadrado da corrente total. Corrente reativa deve ser minimizada, pois contribui tanto para as

perdas do sistema como a corrente ativa. Corrente reativa também provoca queda de tensão no sistema


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Turbinas eólicas de velocidade fixa com geradores de indução acoplado direto:A demanda de potência reativa do gerador assíncrono é parcialmente compensada pelos bancos de capacitores. Assim, o fator de potência da turbina eólica, que é a relação entre potência ativa e aparente, é, em geral na faixa acima de 0,96.

Turbinas eólicas de velocidade variável com inversor com largura de pulso modulada (PWM):Para turbinas eólicas com inversor com largura de pulso modulada a potência reativa pode ser controlado pelo inversor. Assim, as turbinas eólicas podem ter fator de potência de 1,00. Mas esses sistemas inversor também tem a possibilidade de controle de tensão, controlando a potência reativa (geração ou consumo de potência reativa)


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Consumo de Potência Reativa –gerador velocidade fixa

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Tensão em regime permanenteEm muitos dos casos, o aumento da tensão no estado permanente ou queda é o

principal problema para a ligação à rede

• Em redes fracas uma grande queda de tensão em Regime Permanente é causada por:

Linhas aéreas longas- demanda de potência reativa dos consumidores- demanda de potência reativa de turbinas eólicas• Método de cálculo

- cálculo do fluxo de complexos de carga (melhor solução)- De uma forma simplificada:


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Para minimizar as perdas:

instalação de capacitores próximos à carga indutiva, se for o caso

Compensação da turbinas de modo que trabalhe dentro dos limites de fator de potência entre as condições de marcha lenta e plena carga.

Controle da energia produzida por meio de inversores de largura de pulso modulada (PWM)


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Variação de Tensão Causada por flutuações de cargas e/ou de produção de energia

É a causa mais comum de reclamações sobre a qualidade da tensão.

Sob o ponto de vista da produção – “vilão”: são as variações cíclicas diárias do vento OBS: A caracterização do potencial eólico permite conhecer as variações

lentas da tensão e averiguar a eventual necessidade ações corretivas.


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Sob o ponto de vista da carga, grandes distúrbios podem ser causados por aparelhos de fusão, máquinas de solda a arco e partida de grandes motores.

Em sistemas bem projetados, lentas variações de tensão entre -10% e +6% do valor nominal (em degraus de 3%) são freqüentes (ocorrem algumas vezes por dia) e não são preocupantes, apesar de visíveis a olho nu.


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Diante de tensão fora dos padrões convém: Instalação de transformadores com regulação em carga

Instalação de bancos de capacitores variáveis e controláveis

Reajuste dos TAPs dos transformadores instalados

Ajuste da potência reativa fornecida localmente

Reforço da rede elétrica

Desligamento da central eólica (último caso)


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Nível de Potência de Curto Circuito

O nível de potência de curto circuito num dado ponto de uma rede de energia elétrica é um indicador da sua capacidade de absorver distúrbios sem se desequilibrar


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RSC = SSC / P é uma medida da força. A rede é forte em relação àinstalação se RSC é acima de 20 a 25 vezes e fraca para RSC abaixo de 8 a 10 vezes.


Figura 2 – circuito equivalente

Ssc = Usc2 / Zsc

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Cintilação ou “Flickers”

São pequenas e rápidas variações de tensão, normalmente provocadas por variações da velocidade do vento em escalas de tempo de milisegundos a minutos, aliadas a aspectos dinâmicos estruturais das turbinas eólicas.


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Coeficiente de flicker “C”

A distorção de cintilação para a operação contínua das turbinas eólicas podem ser calculadas por:

Sk = Potência de curto-circuito da rede no ponto de acoplamento comum (PCC).ψk: ângulo de impedância da rede no PCC

Va: velocidade do vento média anualSn: potência aparente do Gerador a potência Nominalc (Ψk, va): coeficiente de cintilaçãoPlt: distorção cintilação


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Há equações específicas para os casos de:

Emissão de “flicker” de uma única turbina eólica durante operação de mudança de gerador e partida da mesma

emissão “flicker” contínua de várias turbinas eólicas

Emissão de “flicker” de várias turbinas durante as operações de mudança de gerador e partida das mesmas


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FlickerVariações rápidas de tensão na faixa de freqüência até 35 Hz são chamados de

Flicker.A Pst = 1 dá a curva de nível, onde a cintilação visível é um fator preocupante para as pessoas. A freqüência mais sensível é de 8,8 Hz.


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Medições de flicker

Flickers avaliados e flutuação de tensão

Baseados na ICE 61000-4 - 15• Medição da corrente no Gerador Eólico

• Para converter a variação de tensão na rede com o parâmetro padrão• Avaliação de cintilação da flutuação de tensão calculada


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Medições de flicker para turbina de velocidade fixa de 500 kw


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Coeficiente de flicker “C”

O coeficiente c flicker dá uma medida adimensional normalizado da cintilação,independente da situação da rede e, portanto, adequados para comparar geradores eólicos de diferentes tamanhos e tipos.

O coeficiente c flicker determina a relação entre a potência de curto-circuito e a potência aparente do gerador para um nível de cintilação a longo prazo de Plt= 1.

Com a potência de curto circuito conhecida, potência nominal, o ângulo deimpedância da rede e do ângulo de fase do gerador o nível de cintilação pode ser calculado a partir de c para um determinado ponto de acoplamento comum:


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Limites de valores de flicker conforme normas IECPlt < 0.25 (IEC 61000-3-7)Pst < 0.35 (IEC 61000-3-7)Pst – Cálculo de Flicker para Tempo Curto até 10 minutosPlt – Cálculo de Flicker para Tempo Longo = 2 horas


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Harmônicos

É um fenômeno associado à distorção da onda senoidal fundamental da rede tensões, que por sua vez, é puramente senoidal na situação ideal.

Josef Fourier: qualquer função periódica pode ser expressa como uma soma de curvas senoidais com diferentes freqüências que vão desde a freqüência fundamental - a primeira harmônica – atéos seus múltiplos inteiros, onde o inteiro designa a ordem da harmônica.


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Figura 3 - Distorção harmônica de terceira ordemFonte: Energie - Wind Turbine Grid Connection and Interaction

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Perturbações Harmônicas: Emitidas por vários equipamentos

Dependendo de sua ordem: diferentes tipos de danos a diferentes tipos de equipamentos

Causam aumento da corrente circulante, implicando possível superaquecimento em capacitores

Como harmônicos com ordem três e múltiplos ímpares mais elevados do que três estão em fase em uma rede trifásica equilibrada, não podem se cancelar entre as fases, o que causa correntes circulantes nos enrolamentos de transformadores conectados em delta, novamente implicando um possível superaquecimento de componentes do sistema.

Harmônicos mais altos podem ainda dar origem a um aumento do ruído nos circuitos de telefones analógicos.


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Cargas mais antigas são mais propensas a gerar harmônicos, pois se utilizam conversores de freqüência com base na tecnologia de tiristores(chaveamento do sinal uma vez em cada meio período = gera grandes quantidades de harmônicas de ordens menores...até N = 40)

Atualmente: “Pulse Width Modulation” (PWM) – INVERSOR COM MODULAÇÃO DE PULSO - executa o chaveamento do sinal muitas vezes por ciclo - passa a produzir harmônicas a partir do ponto onde a tecnologia antiga para (2kHz). A amplitude do sinal produzido épequena - facilmente suprimida por filtragem

IEC 61000-03-06 estabelece diretrizes para níveis de compatibilização e planejamento no que se refere a redes de média e alta tensão. Também apresenta métodos para avaliação da contribuição de individual em relação ao nível de distúrbio total.


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Os inversores PWM geram Harmônicos de Corrente na ordem de KHz (múltiplos de 3)


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Onde, Un são as harmônicas individuais e U1 a amplitude fundamental (ou valor RMS).

A distorção é expressa como Distorção Harmônica Total (THD) e o nível de compatibilidade recomendada em um sistema de média tensão é de 8%, enquanto os níveis indicativos de planejamento para um sistema de média tensão é de 6,5% e 3% em um sistema de alta tensão.

Com base nas amplitudes (ou valores RMS) dos harmônicos presentes na tensão, a THD pode ser calculada por:

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Limites de harmônicos de corrente Alemanha


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Limites de harmônicos de corrente Dinamarca


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Limites de harmônicosDe tensão COPEL

0,5> 12

0,512

0,510

0,58

0,56

14

22Pares

0,5> 21

0,521

0,515

1,59

53Impares múltiplas

de 3

1> 25

1,525

1,523

1,519

217

313

3,511

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65Impares não múltiplas de 3

1 kV < Vn ≤ 13,8 kV

Harmônica

Distorção Harmônica Individual de Tensão [%]

Ordem Harmônica

613,8 kV < Vn ≤ 69 kV

81 kV ≤ Vn ≤ 13,8 kV

DISTORÇÃO HARMONICA TOTAL DE TENSÃO (DTT) [%]

TENSÃO NOMINAL DO BARRAMENTO

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Operações de Chaveamento Conexão e desconexão de equipamentos elétricos e máquinas de

indução geram: Perturbações na rede

Elevados picos de torque no acionamento de uma turbina de vento ligada diretamente a um gerador de indução.

Neste contexto, as turbinas Eólicas classificam-se em: Primeiro grupo:

utilizam-se de eletrônica de potência, para conduzir toda a potência nominal do gerador num circuito principal.

Controlam a corrente de entrada continuamente de zero ao valor nominal. Geram perturbações mínimas durante a comutação


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Segundo grupo: Conduz somente uma pequena parcela da potência nominal

eletronicamente por meio de um circuito secundário - geralmente correspondente ao circuito do rotor de um gerador de indução.

A tecnologia adotada pode permitir a circulação de corrente de cinco a sete vezes a corrente nominal por menos de 100ms, onde os picos são de até 18 vezes a corrente nominal.


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Diminuição dos efeitos com a instalação de limitadores de corrente (ou “Soft Starter”) baseados na tecnologia de tiristores:

Limita a corrente a cerca de duas vezes a corrente nominal do gerador.

Tem uma capacidade limitada térmica e é curto circuitadopor um contator que pode conduzir a corrente de plena carga quando a ligação à rede for concluída.

Atenua os picos de torque no entreferro do gerador associadas com os picos de corrente e, conseqüentemente, reduz a cargas sobre a caixa de velocidades.


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Proteção com chaveamentos rápidosOs geradores eólicos são desconectados do sistema, quando do afundamento de tensão, provocados por curto circuitos ao longo da rede.

Algumas aplicações podem exigir que as falhas na rede, não afetem os sistemas de geração distribuída (por exemplo, onde a qualidade da energia é essencial)Neste caso, a comutação rápida, de estado sólido 3 fases podem ser usados para desconexão rápida da rede. Estes dispositivos incluem:- Interruptores AC • baseado em SCRs back-to-backabrindo em um ciclo da Rede – 16,67 ms

- Chaves do tipo Estado Sólido tipo GTO ou IGCT – abertura em 2 a 3 ms.


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Gerador eólico durante um curto na carga sem svc(recuperador estático de tensão)


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Interruptor de estado sólido


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Os acessantes de geração devem adotar medidas necessárias para que a flutuação de tensão decorrente da operação de seus equipamentos, bem como outros efeitos dentro de suas instalações não provoque no respectivo ponto de conexão a superação dos limites de PST (ProbabilityShort Time) e PLT (Probability Long Time) apresentados na Tabela XI:

FLUTUAÇÃO DE TENSÃO

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TERMINOLOGIA - PST (Probability Short Time) e PLT (Probability LongTime):

FLUTUAÇÃO DE TENSÃO

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Interfaces eletrônicas para a geração distribuída de energia estão se aproximando de uma estrutura comum.

Geradores de velocidade variável (turbinas eólicas e gás) estão evoluindo para alternadores conectados diretamente, especialmente na faixa de MW, e utilizando retificadores ativos ou passivos (diodos).

Fontes de energia renováveis (painéis fotovoltaicos, aerogeradores) são mais freqüentemente utilizadas em paralelo para atingir o nível de potência desejado.

A integração destas fontes podem ser realizadas num link DC como alternativa ao paralelo normal ( AC) a nível de rede. Neste caso inversores centralizados de alta potência são utilizados como interface com a rede.

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A questão da variação de tensão apresentou-se de forma polêmica, mas podemos admitir que se bem projetadas, as turbinas eólicas não oferecem, de fato, variações de tensão em níveis descontrolados

A julgar pelo potencial eólico brasileiro e pelo atual nível de domínio da tecnologia empregada em sistema eólicos, é razoável entender que a energia eólica tem um futuro promissor no Brasil e no mundo

FIMObrigado!!!

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