monitoramento e análise de afundamentos momentâneos de tensão
TRANSCRIPT
Monitoramento e Análise de Afundamentos Momentâneos de Tensão
Filipe Dias de Oliveira .
Universidade Federal de Minas Gerais Escola de Engenharia
Departamento de Engenharia Elétrica Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Belo Horizonte
Fevereiro de 2015
1
Monitoramento e Análise de Afundamentos Momentâneos de Tensão
Filipe Dias de Oliveira .
Dissertação submetida à banca examinadora designada pelo colegiado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica.
Universidade Federal de Minas Gerais Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Professor Orientador: Braz de Jesus Cardoso Filho, PhD.
Submetida em 23/02/2015
2
Banca Examinadora:
Prof. Braz de Jesus Cardoso Filho, PhD. (Orientador) Departamento de Engenharia Elétrica da UFMG Prof. Sidelmo Magalhães Silva, Dr. Departamento de Engenharia Elétrica da UFMG Prof. Igor Amariz Pires, Dr. Departamento de Engenharia Eletrônica da UFMG
3
DEDICATÓRIA
A Deus, pela vida.
Aos meus pais, José Afonso e Ana Dias, pelo apoio, afeto, amor e exemplo de vida.
4
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, pela vida, pelos caminhos e pela saúde.
Aos meus pais, José Afonso e Ana Dias, pelo apoio, afeto, amor e exemplo de vida.
Aos meus irmãos, Rafael e Guilherme, pelo privilégio da convivência.
Michelle, pela compreensão, amizade e cumplicidade.
Ao Professor Braz de Jesus Cardoso Filho pela primeira acolhida na UFMG, boa vontade
na transmissão dos conhecimentos, paciência, amizade e confiança depositada.
Aos amigos do Tesla Engenharia de Potência pelo trabalho em equipe e cooperação.
Aos professores Sidelmo Magalhães e Igor Pires pela orientação, apoio e amizade.
À CAPES e ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica pela oportunidade de
realização de trabalhos em minha área de pesquisa e pelo suporte financeiro.
5
RESUMO
Os afundamentos momentâneos de tensão têm sido reportados como os mais frequentes
distúrbios responsáveis pela degradação da qualidade da energia elétrica fornecida aos
consumidores industriais. Os prejuízos causados pelas paradas indesejadas, provocadas
pela ocorrência de Afundamentos de Tensão, chegam, em muitos casos, a cifras bastante
elevadas que incluem custos de produtividade, reinício do processo produtivo, redução
na qualidade do produto e atrasos de entregas. Diante desse cenário, a monitoração do
sistema elétrico representa um procedimento indispensável para a avaliação da
qualidade da energia elétrica, sobretudo para a determinação de alternativas de
soluções de problemas. Este trabalho apresenta uma análise dos resultados de
monitoramento da qualidade da energia elétrica compreendidos entre abril/2011 e
março/2014.
6
ABSTRACT
The momentary voltage sags have been reported as the most frequent disturbances
responsible for the degradation of the power quality to industrial constumers . The
damage caused by unwanted shutdowns caused by the occurrence of voltage sags in
many cases. Reach very high figures including productivity costs, restart the production
process, reduced product quality and delivery delays. Given this scenario, monitoring
the electrical system is an indispensable procedure for the assessment of power quality,
especially for the determination of alternative problem solutions. This work presents an
analysis of momentary voltage sags monitoring results from April / 2011 to March /
2014 .
7
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................................................ 9
LISTA DE TABELAS ..................................................................................................................................... 10
LISTA DE ABREVIATURAS .......................................................................................................................... 11
1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 12
1.1 RELEVÂNCIA DO TEMA .......................................................................................................................... 13 1.2 OBJETIVOS E CONTRIBUIÇÕES DA DISSERTAÇÃO....................................................................................... 14 1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ................................................................................................................ 16
2. AFUNDAMENTOS MOMENTÂNEOS DE TENSÃO .............................................................................. 18
2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ....................................................................................................................... 19 2.2 CONCEITOS E DEFINIÇÕES ...................................................................................................................... 19 2.3 MEDIÇÃO DE AFUNDAMENTOS MOMENTÂNEOS DE TENSÃO ...................................................................... 24 2.4 CARACTERIZAÇÃO CONVENCIONAL DE AFUNDAMENTOS DE TENSÃO........................................................... 26
2.4.1 EVENTOS MONOFÁSICOS .............................................................................................................................................. 26 2.4.2 AFUNDAMENTOS TRIFÁSICOS ...................................................................................................................................... 27
2.5 ORIGEM DOS AFUNDAMENTOS DE TENSÃO ............................................................................................... 29 2.6 PARÂMETROS QUE AFETAM AS CARACTERÍSTICAS DO AMT ........................................................................ 30
2.6.1 TIPO DE FALTA ............................................................................................................................................................... 31 2.6.2 LOCAL DA FALTA ............................................................................................................................................................ 32 2.6.3 TENSÃO PRÉ-FALTA ....................................................................................................................................................... 32 2.6.4 IMPEDÂNCIA DA FALTA ................................................................................................................................................. 33 2.6.5 CONEXÃO DOS TRANSFORMADORES ........................................................................................................................... 34 2.6.6 SISTEMA DE PROTEÇÃO ................................................................................................................................................ 35
2.7 CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................................................................... 36
3. CARACTERIZAÇÃO E INDICADORES DE AMT .................................................................................. 38
3.1 MÉTODO DA DISTÂNCIA CRÍTICA ............................................................................................................. 39 3.2 MÉTODO DAS POSIÇÕES DE FALTA ........................................................................................................... 41 3.3 INDICADORES DE AFUNDAMENTOS MOMENTÂNEOS DE TENSÃO................................................................. 43 3.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................................................................... 46
4. RESULTADOS DE MONITORAÇÃO .................................................................................................... 47
4.1 RESULTADOS DE MONITORAÇÃO .............................................................................................................. 48 4.2 SISTEMA DE MEDIÇÃO............................................................................................................................ 49 4.3 NÚMERO DE EVENTOS REGISTRADOS POR MÊS DURANTE O PERÍODO ........................................................... 51 4.4 EVENTOS POR TIPO DE AFUNDAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DOS DISTÚRBIOS .................................................... 52 4.5 EVENTOS REGISTRADOS POR HORA DO DIA ............................................................................................... 54 4.6 NÚMERO DE EVENTOS POR DURAÇÃO DO AMT ........................................................................................... 55 4.7 NÚMERO DE EVENTOS POR NÍVEL DE TENSÃO RESIDUAL ............................................................................ 55 4.8 FORMAS DE ONDA SELECIONADAS ........................................................................................................... 56 4.9 CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................................................................... 58
5. ANÁLISE DOS RESULTADOS .............................................................................................................. 59
5.1 CORRELAÇÃO AFUNDAMENTO MOMENTÂNEO DE TENSÃO X PRECIPITAÇÃO ................................................ 60 5.2 NÚMERO DE EVENTOS POR FASE ............................................................................................................. 61 5.3 INDICADOR DE AMT - PADRÃO IEEE 1346-1988................................................................................... 63 5.4 CURVA ITIC .......................................................................................................................................... 67 5.5 ANÁLISE DOS RESULTADOS DO ANO DE 2012 E 2013 ............................................................................... 68
5.5.1 EVENTOS POR TIPO DE AFUNDAMENTO (2012 X 2013) ....................................................................................... 70
8
5.5.2 NÚMERO DE EVENTOS POR FASE (2012 X 2013) .................................................................................................. 71 5.5.3 NÚMERO DE EVENTOS POR DURAÇÃO (2012 X 2013) ......................................................................................... 72 5.5.4 NÚMERO DE EVENTOS POR NÍVEL DE TENSÃO RESIDUAL (2012 X 2013) ........................................................ 73
6. PROPOSTA DE COMPENSAÇÃO PARA AFUNDAMENTOS MOMENTÂNEOS DE TENSÃO .............. 74
6.1 COMPENSAÇÃO PARA EQUIPAMENTOS MONOFÁSICOS ............................................................................... 75 6.2 COMPENSAÇÃO PARA EQUIPAMENTOS TRIFÁSICOS ................................................................................... 76 6.3 COMPENSADOR DE ONDA QUADRADA ....................................................................................................... 77
7. CONSULTA PÚBLICA ANEEL N° 018/2014 ...................................................................................... 78
8. CONCLUSÕES E PROPOSTAS DE CONTINUIDADE ........................................................................... 82
8.1 CONCLUSÕES SOBRE O TRABALHO ........................................................................................................... 83 8.2 PROPOSTAS DE CONTINUIDADE ............................................................................................................... 84
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................................... 85
9
LISTA DE FIGURAS
Figura 2-1 – Distribuição das causas de faltas. ..................................................................... 23
Figura 2-2 – Medição do AMT para medidores com referências distintas. ........................ 25
Figura 2-3 – Afundamento Monofásico ................................................................................. 26
Figura 2-4 – Agregação pela união de fases. ......................................................................... 28
Figura 2-5 – Agregação por parâmetros críticos. ................................................................. 28
Figura 2-6 – Agregação por fase crítica ................................................................................. 29
Figura 3-1 – Diagrama Simplificado PAC .............................................................................. 39
Figura 3-2 – Método da distância crítica para circuitos paralelos. ..................................... 41
Figura 3-3 - Histograma tridimensional para as caracteristicas do afundamrnto.............44 Figura 4-1 – Malha de distribuição centro da CEMIG. ......................................................... 48
Figura 4-2 – Participação do Consumo por classe ............................................................... 49
Figura 4-3 – Sistema de Medição ........................................................................................... 50
Figura 4-4 – Número de Eventos, por mês, registrados no período. .................................. 52
Figura 4-5 – Precipitação registrada, por mês, em Belo Horizonte no período. ................ 52
Figura 4-6 – Distribuição dos distúrbios por tipo de Afundamento. .................................. 53
Figura 4-7 – Distribuição dos distúrbios para eventos bifásicos. ....................................... 53
Figura 4-8 – Distribuição dos distúrbios para eventos Monofásicos. ................................. 54
Figura 4-9 – Número de eventos por hora do dia. ................................................................ 54
Figura 4-10 - Número de eventos por duração do AMT ...................................................... 55
Figura 4-11 – Número de eventos por nível de tensão residual ......................................... 56
Figura 4-12 – Formas de onda selecionadas. ........................................................................ 57
Figura 5-1 – Correlação AMT x Precipitação. ....................................................................... 60
Figura 5-2 – Número de Eventos por Fase. ........................................................................... 62
Figura 5-3 – Curva de contorno, por ano, para o desempenho do sistema. ....................... 64
Figura 5-4 – Número de desligamentos do PLC ................................................................... 65
Figura 5-5 – Número de desligamentos ASD (5hp) ............................................................. 66
Figura 5-6 – Número de desligamentos do PC ..................................................................... 66
Figura 5-7 – Número de desligamentos Relé eletromecânico. ............................................ 67
Figura 5-8 – Curva ITIC x Curvas de coordenação ............................................................... 68
Figura 5-9 – Eventos registrados no Ano de 2012. .............................................................. 69
Figura 5-10 – Eventos registrados no Ano de 2013 ............................................................. 69
Figura 5-11 – Distribuição dos distúrbios, por tipo de Afundamento, no Ano de 2012 e 2013. ........................................................................................................................ 70
Figura 5-12 – Distribuição dos distúrbios, para eventos bifásicos, anos 2012 e 2013. .... 70
Figura 5-13 – Distribuição dos distúrbios para eventos bifásicos, anos 2012 e 2013. ..... 71
Figura 5-14 – Número de Eventos por Fase (2012 x 2013) ................................................ 72
Figura 5-15 – Porcentagem de Eventos por duração ........................................................... 73 Figura 5-16 – Porcentagem de Eventos por Nível de Tensão Residual ................................... 73
Figura 6-1 – Compensador Dinâmico de Tensão Monofásico para Sistemas Trifásicos (Cargas Monofásicas) ............................................................................................. 75
Figura 6-2 – Compensador Dinâmico de Tensão Monofásico para Sistemas Trifásicos
(Cargas Trifásicas) ................................................................................................... 76
Figura 6-3 - Compensador Monofásico de Onda Quadrada para proteção de Sistemas Trifásicos ................................................................................................................. 77
10
LISTA DE TABELAS
Tabela 2-1 – Classificação de VTCD conforme o PRODIST. ................................................. 21
Tabela 3-1 – Exemplo de Registro de Ocorrências............................................................... 43
Tabela 3-2 – Número de ocorrências por duração e amplitude do AMT ........................... 44
Tabela 5-1 - Memória de Cálculo para determinação de eventos por fase ........................ 61
Tabela 5-2 – Distribuição dos distúrbios no período de monitoramento. ......................... 63
Tabela 5-3 – Tabela de distribuição acumulada de distúrbios. ........................................... 63
Tabela 5-4 – Tabela de distribuição média de distúrbios por ano. ..................................... 64
Tabela 5-5 – Sensibilidade de Equipamentos. ...................................................................... 65
Tabela 5-6 – Número de desligamentos, por ano, por equipamento. ................................. 67
Tabela 5-7 – Eventos por fase (Ano 2012) ........................................................................... 71
Tabela 5-8 - Eventos por fase (Ano 2013) ............................................................................ 72
Tabela 7-1 – Limites mensais propostos para VTCD ........................................................... 81
Tabela 7-2 – Registros para o mês de dezembro de 2011 ................................................... 81
11
LISTA DE ABREVIATURAS
AMT: Afundamento Momentâneo de Tensão.
ANEEL: Agência Nacional de Energia Elétrica
ASD: Acionamento a Velocidade Variável
ATT: Afundamento Temporário de Tensão
CAPES: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
CEMIG: Companhia Energética de Minas Gerais
IEC: International Electrotechnical Commission
IEEE: Institute of Electric and Electronics Engineers
RA: Religamento Automático
SE: Subestação
SEP: Sistema Elétrico de Potência
PPGEE: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
PRODIST: Procedimentos de Distribuição
UFMG: Universidade Federal de Minas Gerais
VTCD: Variação de Tensão de Curta Duração
12
1. INTRODUÇÃO
Este capítulo apresenta uma visão geral da dissertação. Nas seções seguintes a relevância
do tema, os objetivos e as contribuições da pesquisa são apresentados. Por fim, a
organização do texto é descrita.
13
1.1 RELEVÂNCIA DO TEMA
A qualidade de energia elétrica é uma característica de um sistema elétrico que se
apresenta isento ou com número restrito de distúrbios manifestados através de desvios
de tensão, em sua forma de onda, amplitude, frequência ou fase angular, que poderiam
ocasionar em falha ou operação inadequada de um equipamento consumidor [1].
Entretanto, um vasto número de fenômenos eletromagnéticos estão presentes no
cotidiano desses sistemas. Manobras de chaveamento de equipamentos e linhas de
transmissão, curtos-circuitos e descargas atmosféricas são as principais causas destes
fenômenos, os quais podem afetar processos industriais e equipamentos de
consumidores. Tais distúrbios podem, em parte, ser evitados ou ter seus efeitos
atenuados através do uso de dispositivos de proteção.
Afundamentos Momentâneos de Tensão (AMT) representam 68% dos problemas,
relacionados à qualidade da energia, encontrados por consumidores industriais [1] e
estão associados, principalmente, com faltas no sistema elétrico e pela energização de
cargas pesadas ou partida de grandes motores.
O uso crescente de equipamentos eletrônicos sensíveis, principalmente em instalações
industriais modernas, tem suscitado uma incompatibilidade destas cargas aos
fenômenos mencionados. Como consequência, um elevado número de paradas de
processos industriais, sem interrupção no fornecimento de energia elétrica, tem se
verificado como resultado desses distúrbios.
Apesar de serem fenômenos de curta duração, causam prejuízos elevados. Em geral, não
provocam danos ao equipamento, mas interrompem processos industriais, com perdas
14
de qualidade e no tempo para retomada de produção [2]-[3]. No Brasil, apenas
recentemente, tem sido realizados estudos que contabilizam os prejuízos provocados
pelos AMT, como é o caso de [4], [5] e [6].
Nestes casos, a monitoração da qualidade de energia elétrica representa uma
providência essencial para a caracterização e identificação dos fenômenos
eletromagnéticos envolvidos que afetam as cargas sensíveis dos consumidores. Com tais
informações é possível se obter um diagnóstico do problema.
A partir do diagnóstico obtido, pode-se identificar um universo de alternativas para
compatibilizar os fenômenos intrínsecos do sistema elétrico às características de
sensibilidade das cargas do consumidor. Algumas dessas alternativas podem ser
executadas pelas concessionárias de energia elétrica no sentido de reduzir o número de
ocorrências ou atenuar a severidade dos mesmos.
Pelo lado do consumidor, as medidas a serem adotadas envolvem, via de regra, a
minimização da sensibilidade dos processos e dispositivos de proteção associados, além
do uso de equipamentos condicionadores [7]. Várias tecnologias têm sido investigadas
como solução do problema, conforme tratado em [8]. Neste contexto, o compensador
série em onda quadrada para afundamentos de tensão se destaca pela eficácia e boa
relação custo X benefício [9]-[10].
1.2 OBJETIVOS E CONTRIBUIÇÕES DA DISSERTAÇÃO
Os afundamentos de tensão, conhecidos na literatura internacional como “voltage sags”
ou “voltage dips”, representam, atualmente, o principal desafio a ser enfrentado por
concessionárias de energia, fornecedores de equipamentos elétricos e consumidores de
15
um modo geral. Ocorrências de afundamentos de tensão, combinadas com a
sensibilidade dos equipamentos, têm resultado em um número expressivo de
interrupções de processos industriais.
Os AMT são inevitáveis e inerentes à operação do sistema elétricos devido a vasta
extensão e vulnerabilidade das linhas aéreas de transmissão e distribuição. As
concessionárias de energia elétrica passarão a ter maiores custos com prováveis
ressarcimentos de prejuízos a consumidores decorrentes da falta de qualidade de
energia tendo em vista a Consulta Pública N° 018/2014, em aberto, da ANEEL para
regulamentação dos fenômenos que afetam a qualidade da energia incluindo AMT.
As informações a respeito da sensibilidade de equipamentos frente a AMT podem ser
obtidas através de testes laboratoriais ou diretamente com os fabricantes. Geralmente,
procura-se definir curvas de sensibilidade, delimitando regiões de susceptibilidade ou
tolerância aos AMT.
Por outro lado, o desempenho do sistema pode ser medido, estimado ou ainda avaliado
através de uma combinação destes. Certamente, a melhor maneira de se estimar o
desempenho dos sistemas elétricos é através das medições.
Portanto, é necessário que sejam desenvolvidos, através de medições, novos
procedimentos que auxiliem com o fornecimento de subsídios para compensação de
Afundamentos Momentâneos de Tensão.
Este trabalho apresenta uma experiência de 3 anos, compreendidos de abril/2011 a
março/2014, de monitoração da qualidade da energia elétrica, em particular,
afundamentos momentâneos de tensão com os objetivos de: (i) conhecer e caracterizar,
de forma precisa, os eventos mais frequentes; (ii) quantificar o número de eventos,
16
durante o período, que afetariam equipamentos eletroeletrônicos típicos utilizados em
plantas industriais; (iii) propor soluções de baixo custo e eficazes para compensação dos
eventos; e (iv) analisar a proposta da ANEEL, através da Consulta Pública n° 018/2014,
na definição de limites para Variações Momentâneas de Tensão, em especial AMT.
As principais contribuições deste trabalho estão concentradas nos resultados que foram
obtidos e em suas análises.
1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
Esta dissertação foi organizada em duas Partes. Na primeira parte, o trabalho
acadêmico, devidamente descrito com o desenvolvimento, resultados, análises e
discussões. Na segunda parte, os principais artigos publicados durante a realização da
pesquisa.
A Parte (A) é composta de 8 capítulos com temas, conforme descrito abaixo:
- O Capítulo 2 apresenta conceitos e definições sobre Afundamentos Momentâneos de
Tensão, caracterização de AMT em que mais de uma fase é afetada, medição dos eventos
e os principais fatores de influência sobre os Afundamentos Momentâneos de Tensão.
- No Capítulo 3, são apresentados 02 métodos de caracterização de Afundamentos
Momentâneos de Tensão e indicadores do distúrbio.
- No Capítulo 4, são apresentados os resultados do monitoramento realizado no período
de abril/2011 a março/2014. O Sistema de medição utilizado é apresentado e são
caracterizados AMT por tipo, duração e magnitude.
17
- No Capítulo 5, uma análise dos resultados de monitoração é apresentada onde se
observa uma forte correlação entre o número de eventos registrados e a precipitação no
período. Além disso, verifica-se que as Fases não são igualmente afetadas.
- No Capítulo 6, são apresentadas propostas de compensação de Afundamentos
Momentâneos de Tensão com base nos resultados e análises do monitoramento.
- No Capítulo 7, é apresentada uma proposta de limites de AMT com base em estudos
técnicos, através da Consulta Pública n° 018/2014. Adicionalmente, é realizada uma
comparação dos limites propostos com os resultados obtidos.
Por fim, o Capítulo 8 contém as conclusões sobre o trabalho e as propostas de
continuidade.
18
2. AFUNDAMENTOS MOMENTÂNEOS DE TENSÃO
Neste capítulo, são apresentados conceitos e definições sobre Afundamentos Momentâneos
de Tensão, caracterização de AMT em que mais de uma fase é afetada, medição dos
eventos e os principais fatores de influência sobre os AMT.
19
2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Neste capítulo são abordados os principais conceitos e definições relacionados aos
Afundamentos Momentâneos de Tensão visando apresentar os requisitos para a
compreensão da metodologia proposta. Dentre os tópicos apresentados, destacam-se:
• Conceitos e definições: Esta seção apresenta três propostas de conceituação para os
afundamentos de tensão e define qual proposta será utilizada neste trabalho.
Adicionalmente, descreve brevemente os principais parâmetros a serem analisados e
discute as principais causas das ocorrências deste distúrbio. Por fim, há uma breve
explanação sobre a medição do afundamento.
• Caracterização convencional de afundamentos de tensão: Aqui é descrita a maneira
como se deve proceder para a caracterização dos parâmetros dos AMT quando se têm
eventos monofásicos. Em seguida, são apresentadas três possibilidades de se
caracterizar também os eventos que envolvam afundamentos em mais de uma fase
(agregação);
• Parâmetros que afetam os afundamentos de tensão: Neste item são apresentados os
principais fatores de influência sobre as características dos AMT.
2.2 CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Atualmente, existem duas definições internacionais no que se refere a afundamentos de
tensão. A primeira, estabelecida pelo “Institute of Electric and Electronics Engineers” –
IEEE (EUA); e a segunda, pela “International Electrotechnical Commission” – IEC
(Europa).
20
O IEEE, através do padrão IEEE 1159 - 1995 [11] que trata da monitoração dos
fenômenos de qualidade de energia elétrica, define afundamento de tensão, ou “voltage
sag”, como sendo a redução do valor eficaz da tensão para um valor entre 0,10 e 0,90
p.u., durante um período de tempo compreendido entre 1/2 ciclo e 1 minuto. Neste caso,
a intensidade do afundamento, é definida pela menor tensão remanescente durante a
ocorrência do distúrbio. Um evento cuja intensidade é inferior a 0,10 p.u. é considerado
como sendo uma interrupção. Adicionalmente, o IEEE classifica os afundamentos de
tensão, segundo a sua duração, em três categorias:
• Instantâneos: entre 1/2 ciclo e 30 ciclos;
• Momentâneos: entre 30 ciclos e 3 segundos;
• Temporários: entre 3 segundos e 1 minuto.
A IEC [12], por outro lado, classifica a intensidade do afundamento de tensão pela ótica
da queda do valor eficaz da tensão. Neste caso, é classificado como afundamento um
evento onde ocorra uma queda do valor eficaz da tensão entre 0,10 e 0,99 p.u., durante
um período de tempo compreendido entre 1/2 ciclo e alguns segundos. Distúrbios com
queda de tensão acima de 0,99 p.u., o que equivale a tensões remanescentes abaixo de
0,01 p.u., são considerados pela IEC como interrupções.
Outras referências [3], [13] caracterizam o afundamento como sendo a redução do valor
eficaz da tensão de suprimento para o limite abaixo de 0,90 p.u., contemplando inclusive
o intervalo de 0 a 0,10 p.u.
O Modulo 8 dos Procedimentos de Distribuição – PRODIST [14] classifica as Variações de
Tensão de Curta Duração – VTCD conforme Tabela 2.1 abaixo:
21
Tabela 2-1 – Classificação de VTCD conforme o PRODIST.
Observa-se que os afundamentos de tensão são classificados, de acordo com [14], como
momentâneos e temporários. Os Afundamentos Momentâneos de Tensão – AMT são
eventos em que o valor eficaz da tensão é superior ou igual a 0,10 p.u. e inferior a
0,90 p.u. e cuja duração é superior ou igual a um ciclo e inferior ou igual a 3 segundos.
Já os Afundamentos Temporários de Tensão – ATT são os eventos em que o valor eficaz
da tensão é superior ou igual a 0,10 p.u. e inferior a 0,90 p.u. cuja duração é superior a 3
segundos e inferior a 3 minutos.
É objeto desse trabalho apenas os Afundamentos Momentâneos de Tensão conforme
definido no Modulo 8 dos Procedimentos de Distribuição, ou seja, uma interrupção
momentânea, ou temporária, não será considerada como sendo um afundamento de
tensão.
22
Os principais parâmetros que caracterizam um afundamento de tensão monofásico são a
intensidade e a duração, os quais, somados à frequência de ocorrência, fornecem
informações satisfatórias sobre o fenômeno [15].
No entanto, quando se trata de afundamentos de tensão trifásicos, mais variáveis e
outros parâmetros devem ser analisados, onde se destacam a assimetria, ângulo de
deslocamento e o desequilíbrio. De forma complementar, o comportamento dinâmico
associado à evolução da forma de onda, também pode ser empregado para caracterizar
tanto os Afundamentos de Tensão monofásicos como os trifásicos.
Adicionalmente, um ponto necessário, e importante, no tratamento de eventos trifásicos
é a necessidade de relacionar apenas um conjunto de parâmetros (por exemplo,
intensidade e duração) a cada evento. Este processo é denominado agregação de fases e
será apresentado mais adiante.
Segundo [14], a intensidade e duração dos afundamentos não caracterizam
completamente um evento, porém são as características indispensáveis na determinação
do comportamento dos equipamentos.
Os afundamentos de tensão no sistema elétrico são provenientes da partida de motores
de grande porte [16], energização de transformadores e ocorrência de curtos-circuitos
[17], [18] e [19].
As faltas no sistema elétrico, são a principal causa dos afundamentos de tensão,
sobretudo no sistema da concessionária, devido à existência de milhares de quilômetros
de linhas aéreas de transmissão e de distribuição, sujeitas a toda a sorte de fenômenos
naturais. Curtos-circuitos também ocorrem em subestações terminais de linhas e em
sistemas industriais, porém, com menor frequência. Em sistemas industriais, por
23
exemplo, a distribuição primária e secundária é tipicamente realizada através de cabos
isolados que possuem reduzida taxa de falta se comparados às linhas aéreas [20] e [21].
As faltas em linhas aéreas ocorrem, principalmente, devido à incidência de descargas
atmosféricas. Nos sistemas de distribuição, o problema é mais crítico porque esses são,
em geral, desprovidos de cabos guarda. Portanto, pode-se deduzir que a ocorrência de
afundamentos de tensão está fortemente correlacionada com o índice ceráunico da
região onde as linhas aéreas se encontram instaladas.
O trabalho apresentado em [22] faz uma avaliação do impacto do Afundamento de
Tensão baseado nas características da falta. Durante um período de 4 (quatro) anos
foram monitorados 5.000km, no sistema de transmissão da CEMIG, e a figura 2.1 ilustra
as principais causas das faltas. Observa-se que as descargas atmosféricas são
responsáveis pela maior parte das ocorrências, quase 50%.
Figura 2-1 – Distribuição das causas de faltas.
24
No entanto, é bom lembrar que nem todas as descargas atmosféricas resultam em
curtos-circuitos e, consequentemente, em afundamentos de tensão. Outras causas
significativas na ocorrência de curtos-circuitos são as queimadas em plantações,
vendavais, contatos por animais e aves, etc.
2.3 MEDIÇÃO DE AFUNDAMENTOS MOMENTÂNEOS DE TENSÃO
Um aspecto importante relativo aos AMT consiste no método ou protocolo de sua
medição. A oscilografia da tensão, durante um AMT, deve ser analisada de forma a serem
avaliados os valores eficazes de tensão ao longo do tempo.
Medidores digitais geralmente computam o valor eficaz a partir de amostras de valores
instantâneos. O procedimento de cálculo pode diferir, entre um instrumento e outro, em
termos de taxa de amostragem, janela de integração, periodicidade do cálculo do valor
eficaz, inicio da integração e fórmula de cálculo. A expressão mais simples, onde N é o
número de amostras na janela é dada por:
N
k
k
N
k
k
T
t
ef vN
tvtN
dttvT
V1
2
1
2
0
2 )(1
)(1
)(1
(2.1)
A janela de 1 (um) ciclo, sendo deslocada a cada amostra, é também denominada janela
deslizante. Assim, os valores da tensão eficaz podem ser calculados de forma adequada a
cada amostra, a partir do valor eficaz para o ciclo imediatamente anterior.
25
Outros métodos de medição definem duração de janelas distintas. Além disso, o valor
eficaz não necessariamente precisa ser atualizado (e registrado) a cada amostra,
podendo ser calculado a cada ½ ciclo, 1 ciclo, etc. Os trabalhos [23,24] analisam estas
variáveis e seus impactos na determinação dos principais parâmetros dos AMT,
magnitude e duração.
Desta forma, o valor eficaz, que é ligado a um ciclo da forma de onda, passa por uma
grandeza instantânea, ou seja, com valor calculado a cada amostra. Os medidores
apresentam um ajuste de tensão de disparo, geralmente 90% do valor nominal, tal que
quando o valor eficaz da tensão cai abaixo deste valor o evento é registrado.
A duração do evento, para cada fase afetada, será contabilizada a partir do instante de
disparo, naquela fase, até o instante no qual o valor eficaz da tensão passe a ser superior
ao valor da tensão de disparo. A figura 2.2 ilustra este procedimento para dois
medidores com duas referências distintas.
Figura 2-2 – Medição do AMT para medidores com referências distintas.
26
2.4 CARACTERIZAÇÃO CONVENCIONAL DE AFUNDAMENTOS DE
TENSÃO
2.4.1 EVENTOS MONOFÁSICOS
A partir da evolução do valor eficaz da tensão em função do tempo, determina-se a
magnitude e a duração do evento. A magnitude do afundamento de tensão, seguindo o
PRODIST [14], é o menor valor da tensão remanescente durante a ocorrência do evento
também conhecida como tensão residual. A duração, por outro lado, é o tempo durante
o qual o valor eficaz da tensão permanece abaixo do patamar de 0,90 p.u. da tensão de
referência, por exemplo 90% da tensão nominal. Os conceitos de intensidade e duração
do afundamento de tensão são mostrados na Figura 2.3.
Figura 2-3 – Afundamento monofásico.
27
2.4.2 AFUNDAMENTOS TRIFÁSICOS
Uma ocorrência no Sistema Elétrico de Potência – SEP pode afetar uma, duas ou até as
três fases. A magnitude e a duração, do afundamento de tensão, resultante em cada fase
pode diferenciar-se substancialmente, sobretudo em sistemas de distribuição onde
podem ocorrer curtos-circuitos monofásicos seguidos de curtos-circuitos trifásicos.
Para fins de cálculo de indicadores e avaliação do impacto dos fenômenos sobre
equipamentos, utiliza-se o procedimento chamado de agregação de fases, que consiste
em atribuir um par de parâmetros (amplitude e duração) a uma ocorrência que
provoque registro em mais de uma fase. Algumas propostas de agregação de fases são
descritas no texto. A amplitude do evento obtida após o processo de agregação de fases,
segundo qualquer das propostas, corresponde ao mínimo valor da tensão remanescente
entre as três fases.
I. Agregação pela União das Fases
A duração do evento é definida como o intervalo de tempo decorrido entre o instante em
que a primeira das fases fica abaixo de um determinado limite, por exemplo, 0,90 p.u., e
o instante em que a última das fases volta a superar este limite. A Figura 2.4 ilustra esta
situação, onde se observa um afundamento de tensão cuja amplitude corresponde a ‘U’ e
a duração ‘T’ é determinada pelo início do distúrbio na fase C e pelo término da fase A.
28
Figura 2-4 – Agregação pela união de fases.
II. Agregação pelos parâmetros críticos
Segundo este critério, a duração do afundamento deve ser calculada para cada uma das
fases individualmente. Então, de posse dos três valores, no caso de um evento trifásico, a
duração é definida como a máxima duração entre as três fases, conforme mostra a
Figura 2.5.
Figura 2-5 – Agregação por parâmetros críticos.
29
Agregação pela fase crítica
O critério de agregação de fases pela fase crítica estabelece que a duração do evento está
associada à duração da fase crítica, ou seja, aquela fase que apresentou a menor tensão
remanescente. Uma ilustração deste critério de agregação de fases é mostrada na Figura
2.6, onde a fase crítica é a fase C.
Figura 2-6 – Agregação por fase crítica
2.5 ORIGEM DOS AFUNDAMENTOS DE TENSÃO
Os afundamentos de tensão no sistema elétrico são originados por: partida de motores
de grande porte [16], energização de transformadores e ocorrência de curtos-circuitos
na rede [17]-[19].
As faltas no sistema elétrico são a principal causa dos afundamentos de tensão,
sobretudo no sistema da concessionária de energia elétrica, devido à existência de
milhares de quilômetros de linhas aéreas de transmissão e de distribuição, sujeitas a
fenômenos naturais.
30
Curtos-circuitos também ocorrem, com menor frequência de ocorrência, em
subestações, terminais de linhas e em sistemas industriais. Em sistemas industriais, por
exemplo, a distribuição primária e secundária é tipicamente realizada através de cabos
isolados, que possuem reduzida taxa de falta se comparados às linhas aéreas.
As faltas em linhas aéreas ocorrem principalmente devido à incidência de descargas
atmosféricas conforme já ilustrado na figura 2.1. As faltas podem ser de natureza
temporária ou permanente.
As faltas temporárias são, em sua grande maioria, devido à ocorrência de descargas
atmosféricas, temporais juntamente com vendavais, que não provocam geralmente
danos permanentes ao sistema de isolação, sendo que o sistema pode ser prontamente
restabelecido por meio de Religamentos Automáticos – RA.
As faltas permanentes são causadas por danos físicos em algum elemento de isolação do
sistema, sendo necessária a intervenção da equipe de manutenção.
Quando da ocorrência do curto-circuito, o afundamento de tensão transcorre durante
todo o tempo de permanência da falta, ou seja, desde o instante inicial do defeito até à
atuação do sistema de proteção ou à completa eliminação do defeito.
2.6 PARÂMETROS QUE AFETAM AS CARACTERÍSTICAS DO AMT
A análise do afundamento de tensão pode ser considerada complexa, pois envolve uma
diversidade de fatores, alguns aleatórios, que afetam as suas características [20],[25] e
[26], dentre eles:
• Tipo de falta;
• Local da falta;
31
• Tensão pré-falta;
• Impedância de falta;
• Conexão dos transformadores;
• Característica do Sistema de proteção;
2.6.1 TIPO DE FALTA
As faltas no sistema elétrico podem ser: trifásicas, trifásicas à terra, bifásicas, bifásicas à
terra e fase-terra.
As faltas trifásicas e trifásicas à terra são simétricas e geram, portanto, afundamentos de
tensão também simétricos. Neste caso, produzem afundamentos de tensão mais severos,
contudo, são menos frequentes.
As faltas bifásicas, bifásicas a terra, e principalmente, as fase-terra apresentam as
maiores taxas de ocorrência, gerando afundamentos de tensão menos severos se
comparados aos trifásicos, porém, desequilibrados e assimétricos.
A título de exemplificação, em [22] é apresentada as taxas de ocorrência de 887 curtos-
circuitos registrados no sistema de transmissão da CEMIG em um período de 4 anos, as
faltas fase-terra, ou monofásicas, representaram 72,3% dos eventos.
As linhas de transmissão são os componentes do sistema elétrico mais susceptíveis à
ocorrência de curtos-circuitos por sua maior exposição à natureza (descargas
atmosféricas, ventos e temporais), se comparadas com os equipamentos instalados nas
subestações terminais, barras, transformadores, chaves, etc.
32
2.6.2 LOCAL DA FALTA
A localização da falta no sistema elétrico influencia, significativamente, o impacto do
afundamento de tensão sobre os consumidores. As faltas no sistema de transmissão
afetam um número maior de consumidores se comparadas com as faltas no sistema de
distribuição.
Este fato deve-se, principalmente, às características dos sistemas de transmissão que são
normalmente malhados e abrangem uma maior extensão geográfica. Os sistemas de
distribuição são mais concentrados geograficamente e possuem configuração radial,
sendo que, curtos-circuitos nos ramais de uma subestação de distribuição causam
impacto apenas nos consumidores alimentados pelos ramais adjacentes e dificilmente
provocarão afundamentos de tensão significativos no sistema de transmissão,
sobretudo, aqueles dotados de alta capacidade de curto-circuito.
2.6.3 TENSÃO PRÉ-FALTA
Em condições normais de operação, as concessionárias de energia buscam suprir seus
consumidores com tensões de operação dentro dos limites normatizados (0,95 - 1,05
p.u.). Basicamente, o perfil de tensão em regime permanente é função da curva de carga
do sistema elétrico e, também, da disponibilidade de equipamentos destinados à
regulação de tensão, como compensadores síncronos, banco de capacitores, reatores de
linha, etc.
Normalmente, o perfil de tensão do sistema segue a variação da curva de carga diária,
observando-se elevações de tensão durante períodos de carga leve e reduções de tensão
nos períodos de carga pesada.
33
Geralmente, nos estudos de curto-circuito em sistemas elétricos adota-se tensão pré-
falta igual a 1,0 p.u.. No entanto, em função da curva de carga do sistema, esta premissa,
na maioria das vezes, não é verdadeira, incorrendo-se em erros significativos de cálculo.
Este item adquire uma maior relevância quando se está analisando o impacto sobre a
carga, pois, uma queda de tensão de 0,40 p.u. poderá afetar uma carga cujo limiar de
sensibilidade é 0,60 p.u. em função do valor da tensão pré-falta.
Se a tensão pré-falta da barra é 0,95 p.u., a tensão remanescente durante o afundamento
será de 0,55 p.u., sensibilizando a carga analisada.
O controle da tensão tem sido uma das maneiras de mitigar o efeito dos afundamentos
de tensão. Em sistemas onde existem cargas sensíveis, a tensão de operação pode ser
elevada, de forma intencional, para minimizar o efeito dos afundamentos de tensão. No
entanto, esta prática poderá resultar em sobretensões em determinados locais da rede
elétrica, razão pela qual cada caso deve ser analisado de forma cuidadosa.
2.6.4 IMPEDÂNCIA DA FALTA
Raramente os curtos-circuitos no sistema possuem resistência de falta igual a zero.
Desprezar a resistência de falta significa obter valores de afundamentos de tensão mais
severos, sobretudo em sistemas de distribuição, onde este efeito é mais pronunciado.
Normalmente, a resistência de falta é constituída pela associação dos seguintes
elementos:
• Resistência do arco elétrico entre o condutor e a terra, para defeitos fase terra ou entre
dois ou mais condutores, para defeitos envolvendo fases;
• Resistência de contato devido à oxidação no local da falta;
34
• Resistência do pé-de-torre, para defeitos englobando terra.
A resistência do arco elétrico não é linear e pode ser empiricamente calculada por [27].
Contudo, valores de resistência de falta da ordem de 1 a 5 Ω são mencionados em [28],
observando, em casos extremos, valores de até 70 Ω.
2.6.5 CONEXÃO DOS TRANSFORMADORES
Na análise e no cálculo dos afundamentos de tensão, o tipo de conexão dos
transformadores existentes entre o ponto de falta e o barramento do consumidor irá
influenciar, as características do distúrbio percebido pela carga.
Basicamente, os transformadores podem ser agrupados em três categorias:
• Categoria I: aqueles cujas tensões nas bobinas em um dos enrolamentos é função da
diferença fasorial (tensão composta) entre duas tensões aplicadas nas bobinas do outro
enrolamento. Esta classe de transformadores, os de conexão Y-Δ, Δ-Y, Yaterrado-Δ e Δ-
Yaterrado, além de filtrar a componente de sequência zero da tensão, de frequência
fundamental, introduz defasamento angular nas componentes de sequência positiva e
negativa;
• Categoria II: são os transformadores que somente filtram as componentes de
sequência zero da tensão de frequência fundamental e que, geralmente, do ponto de
vista construtivo, são fabricados de modo a não introduzir defasamento angular nas
demais sequências, ou seja, são aqueles com conexões Y-Y, Δ-Δ, Yaterrado-Y e Y-Yaterrado;
• Categoria III: são aqueles que não filtram as componentes de sequência zero e,
geralmente, devido às mesmas razões citadas anteriormente, não introduzem
35
defasamento angular nas demais sequências. Pertencem a esta categoria os
transformadores com as conexões Yaterrado-Yaterrado.
De forma complementar, em [29] os autores enfatizam que os valores dos afundamentos
de tensão, vistos pela carga em decorrência de uma falta no sistema elétrico, dependem
do efeito combinado da forma de conexão tanto do transformador como da carga.
2.6.6 SISTEMA DE PROTEÇÃO
A duração dos afundamentos de tensão é diretamente dependente do desempenho do
sistema de proteção. Este desempenho é caracterizado pelo tempo de sensibilização e de
atuação dos relés, somado ao tempo de abertura e extinção de arco dos disjuntores.
O tempo de atuação dos relés é função de suas características de resposta no plano
tempo versus corrente, bem como da filosofia e dos ajustes implantados para se obter a
seletividade desejada. O tempo de abertura e de extinção da corrente de curto-circuito
dos disjuntores é função das características construtivas destes equipamentos.
Nos sistemas de transmissão (230, 345, 500 kV, etc), as linhas são tipicamente
protegidas por meio de relés de distância, associados ou não às lógicas de teleproteção.
Quando a teleproteção não é aplicada, utilizam-se proteções de distância com duas ou
três zonas. A primeira zona é, normalmente, ajustada para atuar instantaneamente em
defeitos localizados em até 85% do comprimento da LT. Já a segunda zona é ajustada
com temporização intencional, para proteger o trecho restante da primeira linha e
também para oferecer proteção de retaguarda para a linha de transmissão subsequente.
Como desvantagens, ressalta-se que esta prática de proteção introduz um retardo no
tempo de atuação da proteção para defeitos próximos às extremidades da linha, não
36
cobertos pela proteção de primeira zona. Outra particularidade é que, para estes pontos
de defeito, os terminais da linha serão abertos em instantes diferentes.
Nos sistemas de subtransmissão (69, 88 e 138 kV), tradicionalmente, são utilizados os
seguintes esquemas:
• Sobrecorrente de fase e de neutro para linhas radiais que alimentam Subestações de
distribuição, Subestações industriais e também no lado da fonte em circuitos paralelos;
• Direcional de fase e de neutro no lado da carga quando os circuitos são paralelos e
também em circuitos operando com configuração em anel;
• Distância de fase e de neutro em circuitos paralelos e em anel de linhas de 138 kV.
Ressalta-se que em linhas de 69 e 88 kV estes esquemas têm sido pouco utilizados.
Nos sistemas de distribuição, as concessionárias adotam, geralmente, relés de
sobrecorrente de fase e de neutro. Nos alimentadores primários são utilizados
religadores e, normalmente, nos ramais de distribuição, são utilizadas chaves
seccionadoras - fusíveis.
Destaca-se que no padrão IEEE 493-1997 [30], capítulo 9, são apresentados os
resultados de vários trabalhos, os quais apresentam as durações de afundamentos de
tensão sob a forma de distribuição de probabilidade acumulada. Tais resultados
mostram que a grande maioria dos eventos apresentam duração, que é diretamente
dependente do sistema de proteção, inferior a 200ms.
2.7 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste capítulo foram apresentados os conceitos básicos sobre os afundamentos de
tensão, tais como: intensidade, duração, medição, caracterização e os fatores que afetam
37
estes parâmetros que permitirão compreender os assuntos que serão abordados nos
capítulos subsequentes.
38
3. CARACTERIZAÇÃO E INDICADORES DE AMT
Neste capítulo são apresentados 02 (dois) métodos de caracterização de Afundamento de
Tensão e indicadores utilizados do distúrbio.
39
3.1 MÉTODO DA DISTÂNCIA CRÍTICA
Devido ao seu grau de simplicidade, este método é adequado para aplicações em
sistemas de transmissão e distribuição tipicamente radiais. Seu princípio está baseado
na determinação da posição da falta no alimentador que vai gerar um valor pré-
determinado de afundamento de tensão numa barra de interesse.
O cálculo é realizado de forma analítica. A distância deste ponto até a barra de interesse
é denominada de distância crítica, sendo que os afundamentos de tensão mais severos
estarão associados à ocorrência de curtos-circuitos aquém da distância crítica calculada.
Adotando-se a barra mostrada, no diagrama da Figura 3.1, como sendo o ponto de
acoplamento comum (PAC), a intensidade do afundamento de tensão registrado nesta
barra, devido a uma falta trifásica no ponto indicado, pode ser calculada por intermédio
da expressão (3.1), adotando-se tensão pré-falta de 1 p.u..
Figura 3-1 – Diagrama Simplificado PAC.
S
Fs
FPAC V
ZZ
ZV
(3.1)
40
Onde:
Zs: Impedância do Sistema;
ZF : Impedância do Ponto de Falta ao PAC;
VS : Tensão pré-falta;
Considerando que ZF se deve a linha de transmissão de comprimento “L” e impedância
por comprimento “z” temos:
S
s
PAC VLzZ
LzV
(3.2)
A distância crítica (Lcritica) pode ser determinada em função da tensão crítica admitida
(Vcritica), de acordo com a equação (3-3).
criticoS
criticoScritico
VV
V
z
ZL
(3.3)
Os dados necessários para executar uma análise completa num sistema de distribuição
são os seguintes:
• Número de alimentadores que saem da subestação;
• Impedância por unidade de comprimento de cada um dos alimentadores;
• Comprimento total dos alimentadores;
• Taxas de falta dos alimentadores e sua composição segundo o tipo de falta.
41
Para a utilização do método da distância crítica em sistemas não radiais devem ser feitas
algumas adaptações [31]. Em sistemas de subtransmissão, a rede é constituída de várias
malhas e a carga é normalmente alimentada por várias linhas originárias de uma mesma
fonte. Esta topologia reduz o número de interrupções mas aumenta o número de
afundamentos.
A Figura 3.2 mostra um exemplo de circuito de subtransmissão, onde ZA e ZB são as
impedâncias das linhas que interligam as barras e ZS é a impedância da fonte. Neste
exemplo, será aplicado o método da distância crítica para faltas na linha “A”, a uma
distância “p” da barra terminal à esquerda.
Figura 3-2 – Método da distância crítica para circuitos paralelos.
Concluindo, o método da distância crítica é eficaz na análise de sistemas radiais ou
pouco malhados. Para grandes redes este método não é apropriado.
3.2 MÉTODO DAS POSIÇÕES DE FALTA
O método das posições de falta, também conhecido como curto-circuito deslizante, tem
sido amplamente utilizado no cálculo de afundamentos de tensão em sistemas elétricos
de potência de grande porte, contemplando tanto sistemas radiais como malhados.
42
Seu princípio está baseado na sistemática de simular faltas em posições diferentes ao
longo do sistema elétrico, principalmente nas linhas de transmissão e distribuição e
observar o comportamento da tensão nos barramentos de interesse. Desta maneira,
pode-se avaliar a influência da posição da falta tanto na amplitude como na duração dos
eventos.
Para o cálculo da tensão remanescente durante a falta devido a defeitos fase-terra, fase-
fase e fase-fase-terra, são utilizadas equações onde são introduzidas as tensões e
impedâncias de sequência positiva, negativa e zero.
Dessa forma, o método das posições de falta pode ser, basicamente, descrito pelo
seguinte procedimento:
• Determinar a área do sistema onde os curtos-circuitos serão aplicados;
• Dividir esta área em pequenas porções; cada um destes segmentos será representado
por apenas uma posição de falta, visto que curtos-circuitos dentro do mesmo segmento
irão causar AMT com características semelhantes;
• Determinar as taxas de curtos-circuitos por ano em cada segmento;
• Calcular as características do AMT para cada posição de falta, tendo como base o
modelo elétrico do sistema em questão;
Dentro do processo de cálculo, alguns fatores podem afetar os resultados de forma
relevante, tais como a distância entre as posições de falta e a extensão da área de
aplicação das faltas.
A influência do primeiro destes fatores pode ser observada na curva de tensão que
mostra as intensidades de AMT em função do local de aplicação da falta.
43
A escolha de apenas uma posição de falta para representar um conjunto de possíveis
faltas, parte do pressuposto que a magnitude do afundamento para todo o conjunto é
igual àquela correspondente à posição escolhida. É possível notar que o erro cometido é
maior quando a falta é próxima da barra que está sendo monitorada.
Portanto, nesta região é necessária uma alta densidade de posições de falta. Para faltas
em pontos remotos, a curva se torna menos inclinada e o erro diminui, permitindo
reduzir a quantidade de posições de falta nesta região.
3.3 INDICADORES DE AFUNDAMENTOS MOMENTÂNEOS DE TENSÃO
Para um determinado ponto do sistema elétrico, suponha que sejam registrados todos
os Afundamentos Momentâneos de Tensão onde, em cada fase, são avaliadas a
magnitude e a duração do distúrbio. A partir da agregação, registram-se os valores de
duração e magnitude dos AMT, conforme ilustrado na Tabela 3.1
Tabela 3-1 – Exemplo de Registro de Ocorrências
Data/Horário Magnitude(pu) Duração(ms) Tipo do AMT ¹ Informações Adicionais ² 26/12/2013
17h30m10s
0,78 180 Trifásico *
(1) Indica o número de Fases Afetadas
(2) Informações Adicionais: Podem indicar quais fases foram afetadas, forma de onda selecionada, etc.
44
A Tabela 3.1, pode ser organizada num histograma, no qual são contados o número de
eventos, em uma determinada faixa de magnitude de tensão e duração do evento. A
tabela 3-2 e a figura 3-3 ilustram os histogramas mencionados.
Tabela 3-2 – Número de ocorrências por duração e amplitude do AMT
Tempo (s)
Magnitude 0.2 0.2 - 0.4 0.4 - 0.6 0.6 - 0.8 0.8 Soma
80% - 90% 76 25 8 8 8 125
70% - 80% 41 15 7 3 2 68
60% - 70% 27 9 4 2 2 44
50% - 60% 17 5 2 2 1 27
40% - 50% 16 2 2 0 1 21
30% - 40% 9 3 0 0 0 12
20% - 30% 0 0 0 0 0 0
10% - 20% 0 0 0 0 0 0
Soma 186 59 23 15 14 297
Figura 3-3 – Histograma tridimensional para as características do afundamento.
45
O indicador mais utilizado para analise do desempenho de uma barra ou um sistema
elétrico, para analise quanto a AMT, é denominado SARFI, do inglês, “System Average
RMS Frequency Index”, ou índice médio de frequência de valores eficazes do sistema
[32]. O numero total de afundamentos de tensão, com o valor de tensão de referência, de
0,90 p.u., em um dado período de tempo é chamado de SARFI90%. Este indicador pode ser
obtido, por exemplo, pelo somatório das frequências de todas as ocorrências de AMT,
independente da duração dos eventos, ou seja, somando-se todas as células internas da
tabela 3-2.
Generalizando, o índice SARFIx% contabiliza o número de afundamentos de tensão cujos
valores de magnitude de tensão são iguais ou inferiores a x%. Por exemplo, SARFI70%
representa do número de AMT com magnitude igual ou inferior a 70%, e pode ser um
índice interessante para equipamentos ou processos que são imunes para afundamentos
de tensão até 70% e sensíveis para afundamentos de tensão de magnitude igual ou
inferior a este valor.
Assim, por exemplo da Tabela 3-2, pode-se inferir diretamente que:
SARFI90% = 297
SARFI70% = 172
SARFI50% = 60
O indicador SARFI também pode ser generalizado para o sistema. Para tanto, em cada
evento deve ser contabilizado o número de consumidores atingidos, ou seja:
T
i
XN
NSARFI
%
(3.4)
46
Onde:
X – Tensão Eficaz de Referência: 0,9pu; 0,8pu; 0,7pu; 0,5pu e 0,1pu;
Ni – Número de clientes que são afetados por variações cuja magnitude é menor que o
valor de referência X;
NT – número de clientes supridos pelo alimentador, barra ou sistema.
3.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste capítulo foram apresentados 02 (dois) métodos para o cálculo do afundamento de
tensão: método da distância crítica e método das posições de falta. Por fim, foi
apresentado o indicador SARFI amplamente utilizado para análise do desempenho de
uma barra ou sistema elétrico.
47
4. RESULTADOS DE MONITORAÇÃO
Neste capítulo são apresentados os resultados do monitoramento realizado no período de
abril/2011 a março/2014. O Sistema de medição utilizado é apresentado e são
caracterizados AMT por tipo, duração e magnitude.
48
4.1 RESULTADOS DE MONITORAÇÃO
Nesta seção, são apresentados diversos resultados de um período de monitoração de 36
(trinta e seis) meses, compreendidos de abril/2011 a março/2014. No período foram
registrados 297 (duzentos e noventa e sete) afundamentos momentâneos de tensão.
O sistema de medição foi instalado no campus Pampulha da UFMG, situado na malha de
distribuição centro da CEMIG. O campus é atendido por dois alimentadores da
Subestação Maracanã (SE Maracanã). A SE Maracanã está, aproximadamente, a 47 km da
SE Neves 1, e a 16 km da SE Taquaril que são as maiores subestações da malha. A figura
4.1 ilustra a malha de distribuição centro, da CEMIG, com destaque para as subestações
Maracanã, Neves 1 e Taquaril.
Figura 4-1 – Malha de distribuição centro da CEMIG.
49
A malha de distribuição centro, da CEMIG, é composta por quase dois milhões de
consumidores. A figura 4.2 ilustra a participação de consumo por classe na malha de
distribuição centro. Observa-se que a classe industrial é responsável por 44% do
consumo.
Figura 4-2 – Participação do Consumo por classe
4.2 SISTEMA DE MEDIÇÃO
O sistema de medição, utilizado neste trabalho desenvolvido em [33], é composto por
um sistema condicionador de sinais, um microcomputador, com Nobreak, e uma placa
de aquisição que trabalha diretamente no barramento do micro tornando-se fácil gravar
os dados na forma de arquivo no HD do micro, evitando assim a utilização de protocolos
dedicados e perdas de tempo com a transferência de dados.
O sistema condicionador de sinais permite a aquisição de 12 (doze) sinais de tensão de
até 440V utilizando uma frequência de amostragem de 2kHz. A placa de aquisição
utilizada é um modelo DAQCard 6062E da National Instruments [34].
50
O software para aquisição e análise da qualidade da energia é amigável e dispõe de
vários recursos que facilitam a visualização e análise dos sinais adquiridos. Todos os
recursos do hardware são configurados pelo software.
Além disso, apesar da tensão da rede estar sendo monitorada, a todo tempo, o recurso
de disparo, ou “trigger”, é programado de forma a armazenar apenas os eventos de AMT.
A figura 4.3 ilustra o sistema de medição utilizado.
Figura 4-3 – Sistema de Medição – Sag Captor.
51
Os 297 eventos registrados são disponibilizados, pelo software, através de um arquivo
de pontos em formato de texto. Os arquivos de pontos, dos eventos registrados, foram
processados através do Matlab® considerando:
I. Para o cálculo do valor eficaz uma janela de 01 (um) ciclo;
II. Caracterização dos Afundamentos Momentâneos de Tensão através de
magnitude e duração e;
III. Para eventos trifásicos e bifásicos o critério de agregação pela união de
fases. A magnitude é dada pela menor tensão remanescente entre as três
fases, e a duração é o tempo no qual a tensão da fase crítica, aquela que
apresentou o menor valor remanescente, permanece abaixo de 90% do
valor nominal.
4.3 NÚMERO DE EVENTOS REGISTRADOS POR MÊS DURANTE O
PERÍODO
A figura 4.4 ilustra o número de eventos registrados por mês, compreendidos de
abril/2011 a março/2014. A figura 4.5 ilustra os níveis de precipitação mensal, em mm,
na região metropolitana de Belo Horizonte para o mesmo período de monitoração. Os
dados da figura 4.5 foram obtidos através do Instituto Nacional de Meteorologia - INMET
em [35]. Observa-se que os meses com mais eventos registrados foram os meses mais
chuvosos havendo, portanto, uma forte corelação entre o número de distúrbios
registrados e os níveis de precipitação.
52
Figura 4-4 – Número de Eventos, por mês, registrados no período.
Figura 4-5 – Precipitação registrada, por mês, em Belo Horizonte no período.
4.4 EVENTOS POR TIPO DE AFUNDAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DOS
DISTÚRBIOS
A figura 4.6 ilustra a distribuição dos distúrbios por tipo de afundamento (Trifásico,
Bifásico e Monofásico). Dos 297 eventos registrados, 53% (157) resultaram em
afundamentos monofásicos, 26% (77) em afundamentos bifásicos (apenas duas fases
afetadas) e 21% (63) em afundamentos trifásicos.
53
Figura 4-6 – Distribuição dos distúrbios por tipo de afundamento.
A figura 4.7 ilustra a distribuição dos distúrbios para eventos em que apenas duas fases
são afetadas (eventos bifásicos). Dos 77 (setenta e sete) eventos bifásicos, 48% (37)
foram registrados nas fases A e B, 36% (28) foram registrados nas fases C e A e 16%
(12) registrados nas fases B e C.
Figura 4-7 – Distribuição dos distúrbios para eventos bifásicos.
A figura 4.8 ilustra a distribuição dos distúrbios para eventos em que apenas uma fase é
afetada (eventos monofásicos). Dos 157 (cento e cinquenta e sete) eventos monofásicos,
56% (88) foram registrados na fase A, 34% (54) foram registrados na fase C e 10% (15)
registrados na fase B.
54
Figura 4-8 – Distribuição dos distúrbios para eventos monofásicos.
4.5 EVENTOS REGISTRADOS POR HORA DO DIA
A figura 4.9 ilustra o número de eventos registrados por hora do dia. Destaca-se que
67% (199) dos eventos foram registrados em horário comercial (8h-18h).
Figura 4-9 – Número de eventos por hora do dia.
55
4.6 NÚMERO DE EVENTOS POR DURAÇÃO DO AMT1
A figura 4.10 ilustra o número de eventos registrados por duração do AMT. Eventos com
duração entre meio ciclo e 100ms representam 41% (121) de todos os distúrbios. Os
eventos com duração entre meio ciclo e 300ms representam mais de 75% (223) de
todos os distúrbios registrados.
Figura 4-10 - Número de eventos por duração do AMT.
4.7 NÚMERO DE EVENTOS POR NÍVEL DE TENSÃO RESIDUAL
A figura 4.11 ilustra o número de eventos registrados por nível de tensão residual. Os
AMT de tensão entre 70% e 90% de tensão residual representam 65% (197) de todos os
distúrbios registrados.
1 Para eventos trifásicos e bifásicos foi utilizado o critério de agregação de fases para determinar a duração.
56
Figura 4-11 – Número de eventos por nível de tensão residual.
4.8 FORMAS DE ONDA SELECIONADAS
A figura 4.12 apresenta três formas de onda para de diferentes afundamentos
momentâneos de tensão registrados. A figura 4.12(a) ilustra um afundamento
monofásico com duração de 100ms e tensão residual de 60%. A figura 4.12(b) ilustra um
afundamento bifásico, duas fases afetadas, com duração de 85ms e tensão residual de
80%.
Por fim, a figura 4.12(c) ilustra um afundamento trifásico, três fases afetadas, com
duração de 150ms e tensão residual de 60%. Destaca-se a assimetria do evento em que
nos instantes iniciais do afundamento apenas uma das fases foi afetada.
As durações apresentadas nas figuras 4.12(b) e 4.12(c) foram calculadas considerando o
critério de agregação de fases.
57
(a)
(b)
(c)
Figura 4-12 – Formas de onda selecionadas. (a) Evento Monofásico, (b) Evento Bifásico e (c) Evento Trifásico.
58
4.9 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste capítulo foi apresentado o sistema de medição, com seu respectivo local de
instalação, e diversos resultados do monitoramento realizado no período de medição:
Número de eventos registrados por mês durante o período; Eventos por tipo de
afundamento e distribuição dos distúrbios; Eventos registrados por hora do dia; Eventos
por duração do AMT; Eventos por nível de tensão residual e formas de onda
selecionadas.
59
5. ANÁLISE DOS RESULTADOS
Neste capítulo uma análise dos resultados de monitoração é apresentada onde se observa
uma forte correlação entre o número de eventos registrados e a precipitação no período.
Além disso, verifica-se que as Fases não são igualmente afetadas.
60
5.1 CORRELAÇÃO AFUNDAMENTO MOMENTÂNEO DE TENSÃO X
PRECIPITAÇÃO
Através das figuras 4.4 e 4.5 foi observado no, item 4.2, uma forte relação entre o
número de distúrbios registrados e os níveis de precipitação. A figura 5.1 ilustra o
diagrama de dispersão referente às variáveis X (Precipitação) e Y (Número de Eventos).
O diagrama mostra uma relação direta entre as variáveis, ou seja, o crescimento de Y
(Número de Eventos) está diretamente ligado ao crescimento de X (Precipitação).
Adicionalmente, a figura 5.1 ilustra a reta de regressão em que a equação é exibida no
gráfico.
8086,40266,0 XY (5.1)
Onde:
Y: Número de Eventos
X: Precipitação
Figura 5-1 – Correlação AMT x Precipitação.
61
O coeficiente de determinação (R2) deve ser interpretado como a proporção de variação
total da variável dependente Y que é explicada pela variação da variável independente X.
Tomando o exemplo acima se pode concluir que 96,54 % das variações de Y são
explicadas pela variação de X.
O coeficiente de determinação é igual ao quadrado do coeficiente de correlação. Assim a
partir do valor do coeficiente de determinação podemos obter o valor do coeficiente de
correlação. Para um coeficiente de determinação R2 = 0,9654 obtemos o coeficiente de
correlação, R = 0,98. Valores de R igual ou próximos a 1 indicam uma forte correlação
entre as variáveis.
5.2 NÚMERO DE EVENTOS POR FASE
Considerando o universo de 297 distúrbios, a tabela 5.1 contém a memória de cálculo
para determinação do número de eventos registrados por fase. Observa-se que a fase
mais afetada, no período, foi a Fase A com 216 (73%) distúrbios. Em seguida, a Fase C
com 157 (53%) distúrbios e a Fase B sendo a menos afetada com apenas 127 (43%)
distúrbios registrados.
Tabela 5-1 - Memória de Cálculo para determinação de eventos por fase
Trifásico ( 63) Bifásico (77) Monofásico (157) SOMA %
FASE A 63 65 88 216 73%
FASE B 63 49 15 127 43%
FASE C 63 40 54 157 53%
A figura 5.2 ilustra o número de eventos por fase no período de monitoramento.
62
Figura 5-2 – Número de Eventos por Fase.
De acordo com o Manual de Distribuição da CEMIG – Projetos de Redes de Distribuição
[36] a sequencia de fases na saída da subestação, considerando-se o observador de
costas para o pórtico de saída, deve ser, da direita para a esquerda:
- Placa Vermelha – Fase A
- Placa Azul – Fase B
- Placa Branca – Fase C
Ao observar a disposição física dos cabos da rede de distribuição, em estudo,
identificamos que a Fase B, por estar sempre entre as fases A e C, está susceptível a
menos distúrbios. Tal fato sugere o menor número de eventos encontrado na Fase B.
63
5.3 INDICADOR DE AMT - PADRÃO IEEE 1346-1988.
O padrão IEEE 1346-1998 [37] define a “curva de coordenação para afundamentos de
tensão”. A construção da curva de coordenação para afundamentos de tensão tem como
ponto de partida a tabela de distribuição de distúrbios. Baseado em [37] e com os
resultados apresentados nas Figuras 4.10 e 4.11, a tabela 5.2 ilustra a distribuição de
distúrbios no período total de monitoramento.
Tabela 5-2 – Distribuição dos distúrbios no período de monitoramento2.
Tempo (s)
Magnitude 0.2 0.2 - 0.4 0.4 - 0.6 0.6 - 0.8 0.8 Soma 80% - 90% 76 25 8 8 8 125 70% - 80% 41 15 7 3 2 68 60% - 70% 27 9 4 2 2 44 50% - 60% 17 5 2 2 1 27 40% - 50% 16 2 2 0 1 21 30% - 40% 9 3 0 0 0 12 20% - 30% 0 0 0 0 0 0 10% - 20% 0 0 0 0 0 0
Soma 186 59 23 15 14 297
A partir da tabela de distribuição de distúrbios, obtém-se a tabela 5.3 de distribuição
acumulada de distúrbios para o período de 3 anos. Esta tabela traz informações sobre o
número de afundamentos iguais ou piores aos indicados pelas características das linhas
e colunas.
Tabela 5-3 – Tabela de distribuição acumulada de distúrbios.
Tempo (s)
Magnitude 0 0.2 0.4 0.6 0.8 90% 297 111 52 29 14 80% 172 62 28 13 6 70% 104 35 16 8 4 60% 60 18 8 4 2 50% 33 8 3 1 1 40% 12 3 0 0 0 30% 0 0 0 0 0 20% 0 0 0 0 0
2 A tabela 5.2 é a mesma já apresentada na seção 3.2. O histograma equivalente é apresentado no figura 3.3.
64
Considerando a distribuição acumulada de distúrbios, no período de monitoramento,
obtém-se a distribuição acumulada, média, de distúrbios por ano ilustrada na tabela 5.4.
Tabela 5-4 – Tabela de distribuição média de distúrbios por ano.
Tempo (s)
Magnitude 0 0.2 0.4 0.6 0.8 90% 99 37 17 10 5 80% 57 21 9 4 2 70% 35 12 5 3 1 60% 20 6 3 1 1 50% 11 3 1 0 0 40% 4 1 0 0 0 30% 0 0 0 0 0 20% 0 0 0 0 0
Da tabela de distribuição acumulada de distúrbios, por ano, obtêm-se, por interpolação
linear, as curvas de contorno para o desempenho do sistema em estudo, relativo a
afundamentos de tensão. A Figura 5.3 ilustra as curvas encontradas.
Figura 5-3 – Curva de contorno, por ano, para o desempenho do sistema.
65
O padrão IEEE 1346-1998 [37] também fornece a informação sobre o comportamento
de alguns equipamentos industriais, conforme Tabela 5.5 abaixo:
Tabela 5-5 – Sensibilidade de Equipamentos.
Baseado na tolerância média dos equipamentos, Tabela 5.5, e na curva de coordenação
de AMT, figura 5.3, obtém-se a informação do número anual de desligamentos dos
equipamentos sumarizados na Tabela 5.6. As figuras de 5.4 a 5.7 ilustram o número de
desligamentos do PLC, ASD (5hp), PC e Relés eletromecânicos, respectivamente.
Figura 5-4 – Número de desligamentos do PLC
66
Figura 5-5 – Número de desligamentos ASD (5hp)
Figura 5-6 – Número de desligamentos do PC
67
Figura 5-7 – Número de desligamentos do Relé eletromecânico.
A tabela 5.6 sumariza o número de desligamentos, por ano, de cada equipamento
baseado na curva média de tolerância da tabela 5.5.
Tabela 5-6 – Número de desligamentos, por ano, por equipamento.
Equipamento Referência Número de desligamento
PLC IEEE 1346 5 ASD IEEE 1346 35 PC IEEE 1346 15
Relé Eletromecânico IEEE 1346 25
Observa-se que os equipamentos que sofreriam maiores desligamentos seriam os
Acionamentos a Velocidade Variável – ASD e os Relés Eletromecânicos.
5.4 CURVA ITIC
A curva ITIC (Information Technology Industry Council) [38] vem sendo amplamente
utilizada como referência para classificação das Variações de Tensão de Curta Duração
68
(VTCD). Desse modo, recomenda-se que a curva ITIC seja utilizada para analisar se os
eventos foram graves o suficiente para provocarem a parada ou mau funcionamento de
equipamentos eletroeletrônicos.
Com o conhecimento da curva ITIC [38] e da curva de coordenação de AMT, ilustrada na
figura 5-3, obtém-se, na figura 5-8 a informação do número de desligamentos que
ocorreriam durante o período de um ano em equipamentos baseados na curva ITIC.
Figura 5-8 – Curva ITIC x Curvas de coordenação
Pela metodologia apresentada, observa-se que equipamentos baseados na curva ITIC
seriam desligados, ou apresentariam mau funcionamento, em 16 vezes por ano
provocando a parada de processos e prejuízos.
5.5 ANÁLISE DOS RESULTADOS DO ANO DE 2012 E 2013
Neste item, deseja-se comparar as medições, e análises, dos anos de 2012 e 2013. No ano
de 2012 foram registrados 95 distúrbios enquanto em 2013 foram registrados 100
69
distúrbios. A figura 5.9 ilustra o número de eventos registrados, por mês, no ano de
2012. A figura 5.10 ilustra ao eventos registrados, por mês, no ano de 2013.
Figura 5-9 – Eventos registrados no Ano de 2012.
Figura 5-10 – Eventos registrados no Ano de 2013.
70
Existe uma diferença significativa nos meses de março e dezembro. No entanto, o
número total de AMT registrados teve uma diferença de apenas 5 eventos.
5.5.1 EVENTOS POR TIPO DE AFUNDAMENTO (2012 X 2013)
A figura 5.11 ilustra a distribuição dos distúrbios por tipo de afundamento (Trifásico,
Bifásico e Monofásico) nos Anos de 2012 e 2013. Para afundamentos monofásicos houve
uma diferença de 4%, para eventos Bifásicos 2% de diferença e para eventos Trifásicos
4%.
Figura 5-11 – Distribuição dos distúrbios, por tipo de Afundamento, no Ano de 2012 e 2013.
A figura 5.12 ilustra a distribuição dos distúrbios para eventos em que apenas duas fases
são afetadas (Eventos Bifásicos) para os Anos de 2012 e 2013.
Figura 5-12 – Distribuição dos distúrbios, para eventos bifásicos, anos 2012 e 2013.
71
Observa-se uma diferença de 5%, comparando o ano de 2012 com 2013, para eventos
em que duas fases foram afetadas.
A figura 5.13 ilustra a distribuição de distúrbios para os eventos em que apenas uma
fase é afetada nos Anos de 2012 e 2013. Observa-se uma diferença de 6% na fase A, 4%
na fase B e 2% na Fase C.
Figura 5-13 – Distribuição dos distúrbios para eventos bifásicos, anos 2012 e 2013.
5.5.2 NÚMERO DE EVENTOS POR FASE (2012 X 2013)
Considerando o número de 95 distúrbios para o Ano de 2012 e 100 distúrbios para o
Ano de 2013 a tabela 5.7 contém a memória de cálculo para determinação do número de
eventos registrados, por fase, no Ano de 2012 e a tabela 5.8 apresenta a memória de
cálculo para o Ano de 2013.
Tabela 5-7 – Eventos por fase (Ano 2012)
ANO 2012 – 95 distúrbios
19% 26% 55%
Trifásico ( 18) Bifásico (25) Monofásico (52) SOMA %
FASE A 18 21 31 70 74%
FASE C 18 13 17 48 51%
FASE B 18 17 4 39 41%
72
Tabela 5-8 - Eventos por fase (Ano 2013)
ANO 2013 – 100 distúrbios
21% 28% 51%
Trifásico ( 21) Bifásico (28) Monofásico (51) SOMA %
FASE A 21 24 27 72 72%
FASE C 21 14 18 53 53%
FASE B 21 18 6 45 45%
A figura 5-14 ilustra o número de eventos, por Fase, para os anos de 2012 e 2013.
Observa-se, novamente, que as fases não estão sendo igualmente afetadas. No Ano de
2012, enquanto a Fase A foi submetida a 70 eventos, a Fase B foi submetida a apenas 39
distúrbios, 44% a menos que a Fase A (Fase mais afetada).
Figura 5-14 – Número de Eventos por Fase (2012 x 2013)
No ano de 2013 a Fase B, novamente, foi a menos afetada. Dos 100 distúrbios
registrados, apenas 45 ocorreram na Fase B, 37,5% a menos que a Fase A (Fase mais
afetada).
5.5.3 NÚMERO DE EVENTOS POR DURAÇÃO (2012 X 2013)
A figura 5-15 ilustra a porcentagem de eventos por duração do evento. Observa-se que a
diferença é inferior a 5% para todos os casos.
73
Figura 5-15 – Porcentagem de Eventos por duração
5.5.4 NÚMERO DE EVENTOS POR NÍVEL DE TENSÃO RESIDUAL (2012 X 2013)
A figura 5-16 ilustra a porcentagem de eventos por nível de tensão residual. Observa-se
que a diferença é inferior a 5% para todos os casos.
Figura 5-16 – Porcentagem de Eventos por Nível de Tensão Residual
74
6. PROPOSTA DE COMPENSAÇÃO PARA AFUNDAMENTOS MOMENTÂNEOS DE TENSÃO
Neste capítulo são apresentadas propostas de compensação de Afundamentos
Momentâneos de Tensão com base nos resultados e análises do monitoramento no período.
Adicionalmente, a topologia do Compensador de Onda Quadrada é apresentada.
75
6.1 COMPENSAÇÃO PARA EQUIPAMENTOS MONOFÁSICOS
Proposta 1: Considerando as informações apresentadas no item 5.2 (número de
eventos por fase) equipamentos monofásicos, inicialmente conectados na Fase A, ao
serem substituídos para a Fase B sofreriam uma redução de cerca 45% no número de
distúrbios em que estariam sendo submetidos. Passariam de 216 para 127 distúrbios no
período monitorado.
Ressalta-se que neste caso reduziríamos o número de distúrbios em que o equipamento
estaria sendo submetido e, consequentemente o número de desligamentos ou mau
funcionamento, a custo extremamente reduzido ou zero.
Proposta 2: Alternativamente, a segunda proposta é a utilização de um compensador
monofásico na fase menos afetada (Fase B). Neste caso, alcançaríamos um elevado
índice de disponibilidade na Fase B a um custo bastante reduzido. A figura 6.1 ilustra a
ideia proposta.
Figura 6-1 – Compensador Dinâmico de Tensão Monofásico para Sistemas Trifásicos (Cargas Monofásicas)
76
6.2 COMPENSAÇÃO PARA EQUIPAMENTOS TRIFÁSICOS
Proposta 3: Os equipamentos trifásicos foram submetidos a todos os 297 distúrbios
registrados. Ora eventos trifásicos, ora bifásicos e monofásicos. Considerando os
resultados apresentados no capítulo 5 a proposta, neste caso, é instalar um
compensador dinâmico de tensão na Fase mais afetada (Fase A). A figura 6-2 ilustra a
ideia proposta.
Figura 6-2 – Compensador Dinâmico de Tensão Monofásico para Sistemas Trifásicos
(Cargas Trifásicas)
Os distúrbios registados na Fase A foram mais severos que os registrados na Fase B.
Com isso, o compensador projetado, neste caso, deve ter maior capacidade de
compensação. Oportunamente, considerando o compensador dinâmico colocado na fase
com maior número de distúrbios, coloca-se na Fase A as cargas monofásicas mais
sensíveis do processo.
77
Ressalta-se que caso as cargas envolvidas no processo sejam ainda mais críticas, incluir
mais um compensador dinâmico na Fase B.
6.3 COMPENSADOR DE ONDA QUADRADA
Neste contexto, o compensador série em onda quadrada para afundamentos de tensão
se destaca pela eficácia, associado a uma ótima relação custo X benefício [9]-[10]. A
figura 6-3 ilustra o compensador monofásico, em onda quadrada, para sistemas
trifásicos.
A figura ilustra o item 6.1 para proteção de equipamentos monofásicos em que a Fase B
é a menos afetada.
Figura 6-3 - Compensador Monofásico de Onda Quadrada para proteção de Sistemas Trifásicos
78
7. CONSULTA PÚBLICA ANEEL N° 018/2014
Neste capítulo é apresentada uma proposta de limites de AMT com base em estudos
técnicos, através da Consulta Pública n° 018/2014. Adicionalmente, é realizada uma
comparação dos limites propostos com os resultados obtidos.
79
Está em discussão na ANEEL a revisão da Seção 8.1 do Módulo 8 do PRODIST para
regulamentação dos fenômenos que afetam a qualidade de energia incluindo
Afundamentos Momentâneos de Tensão.
Na versão vigente do Módulo 8 do PRODIST existem valores de referência para todos os
fenômenos, exceto para os AMT. Estabeleceu-se que os limites só seriam definidos após
três anos de apuração e análise das medições previstas na seção 8.3 – Disposições
Transitórias.
A disposição transitória existe desde a primeira versão do PRODIST, aprovada em 2008.
Ocorre que na época da aprovação do PRODIST, o conhecimento dos valores de medição
dos fenômenos em estudo era escasso e considerou-se prudente a realização da
campanha de medição para se obter um diagnóstico dos fenômenos no Brasil e só então
estabelecer limites.
Nesse momento considera-se mais importante o acompanhamento dos indicadores,
porém a existência de limites, mesmo que conservadores, é essencial para a efetiva
aplicação do regulamento.
Desde 2008 já existem valores de referência para quase todos os fenômenos e a
prestação de um bom serviço de distribuição parte do pressuposto do acompanhamento
da qualidade do produto que está sendo entregue aos consumidores.
Antes de iniciar a campanha de medição prevista no PRODIST, considerou-se prudente a
análise das informações que já existem de medições realizadas por várias distribuidoras
e o desempenho dos equipamentos devido aos distúrbios analisados.
Ao longo dos anos, verificou-se que várias distribuidoras já vêm realizando medição dos
fenômenos relacionados à qualidade do produto, seja através de medições esporádicas
80
realizadas através de programas de Pesquisa e Desenvolvimento, seja através da
implantação de medição contínua em pontos de alta tensão.
Foi elaborada uma proposta de limites para os indicadores baseada na correlação entre
o desempenho de equipamentos sob a ação de suprimentos não ideais. Maiores detalhes
da proposta podem ser obtidos no Relatório 4 [39].
Ao analisar a consistência dos limites propostos diante das medições encaminhadas
pelas distribuidoras, pode-se concluir que a maioria das medições foi considerada
adequada e em alguns casos os limites foram conservadores. Foram encaminhadas
informações de medições realizadas pela Elektro, Bandeirante, Escelsa, Enersul e Grupo
Energisa (Borborema, Paraíba, Sergipe, Nova Friburgo e Minas Gerais).
Sobre a proposta para as VTCD, incluindo AMT, a Consultoria expôs duas opções. A
primeira foi definir o número de eventos máximos por região previamente definida, ao
longo de um mês de medições. Tal proposta é interessante por possibilitar o
acompanhamento mais detalhado das VTCDs. Porém, seria necessária a criação de
vários indicadores relacionados a um único fenômeno. A opção alternativa foi a criação
de um indicador único, através do Fator de Impacto - FI.
A segunda opção não inviabiliza a primeira, porque para obter o FI é preciso contabilizar
o número de eventos por região. No entanto, considera-se neste momento a proposta do
indicador FI a melhor opção. Esse é um ponto de importante contribuição, considerando
a relevância e a dificuldade da regulamentação das VTCDs.
Os limites propostos para a avaliação dos VTCD, em função das regiões previamente
definidas, estão apresentados na Tabela 7-1. O número de ventos máximo, por região,
corresponde exatamente aos indicativos numéricos fornecidos. Esta estratégia
81
corresponde a primeira opção para a definição dos limites de VTCDs ao longo de 01 mês
de medições.
Tabela 7-1 – Limites mensais propostos para VTCD
Comparativamente, apresentamos os resultados para o mês de dezembro de 2011, mês
que apresentou o maior número de distúrbios.
Tabela 7-2 – Registros para o mês de dezembro de 2011
Comparativamente, conclui-se que em dezembro de 2011, a Concessionaria de Energia
não atenderia os limites propostos pela Consulta Pública.
82
8. CONCLUSÕES E PROPOSTAS DE CONTINUIDADE
Este capítulo contém as conclusões sobre o trabalho e as propostas de continuidade.
83
8.1 CONCLUSÕES SOBRE O TRABALHO
Há uma forte correlação entre o número de afundamentos momentâneos de tensão
registrados, no ponto do sistema elétrico em estudo, e o índice pluviométrico na região
metropolitana de Belo Horizonte. O índice de correlação identificado foi de 0,98.
Os afundamentos mais frequentes registrados foram os afundamentos monofásicos, com
duração de até 200ms entre 80% e 90% de tensão residual.
Os equipamentos com curva de susceptibilidade baseada na curva ITIC teriam
apresentado mau funcionamento em 16 eventos no ano, 48 no período de
monitoramento, e poderiam ter provocado a parada de processos e perdas na produção.
Uma importante contribuição deste trabalho foi identificar que as fases não são afetadas
na mesma proporção. No período de monitoramento, registramos na Fase A 216
distúrbios, enquanto na Fase B foram identificados apenas 127, cerca de menos 45%.
Considerando que as fases não estão sendo afetadas igualmente, propomos algumas
soluções para os distúrbios. Para equipamentos monofásicos, uma simples substituição
de Fases reduziria, significativamente, o número de eventos em que o equipamento
estaria sendo submetido.
Alternativamente, propomos a utilização de compensadores monofásicos em Sistemas
Trifásicos. Para proteção de cargas monofásicas sugerimos a utilização de 1(um)
compensador na Fase menos afetada. Para proteção de cargas Trifásicas , a proposta foi
a utilizar 1(um) compensador na Fase mais afetada.
84
Por fim, comparamos os resultados obtidos com a Proposta de Limites de VTCD
proposto pela Consulta Pública n° 018/2014 – ANEEL. No mês de dezembro de 2011 a
Concessionária de Distribuição não atenderia os limites propostos pela ANEEL.
8.2 PROPOSTAS DE CONTINUIDADE
Durante o desenvolvimento deste trabalho, muitas questões interessantes sobre o tema
foram pontuadas, algumas das quais foram colocadas como propostas de continuidade,
relacionadas a seguir:
Investigação, mais aprofundada, para causas e motivos pelos quais as fases não
estão sendo afetadas na mesma proporção;
Reprodução dos eventos registrados, em um Gerador de Afundamento, e
verificação das curvas de susceptibilidade de equipamentos sensíveis;
Propor metodologia que defina a fase menos afetada e a fase mais afetada em um
curto espaço de tempo;
Instalação de Compensadores Monofásicos, em Sistemas Trifásicos, em Plantas
Industriais e monitoramento dos distúrbios;
Localização de faltas a partir de Medições de AMT.
85
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Bollen, M. H, “Understanding Power Quality Problems – Voltage Sags and Interruptions,” IEEE Press, New York, USA, 2000.
[2] Dugan, R. C; McGranaghem, M. F; Beaty, H. W; “Electrical Power System Quality,” Ed. McGraw-Hill, 1996.
[3] M. F. McGranaghan, D. R. Mueller, and M. J. Samotyj, “Voltage sags in industrial systems,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol.29, no. 2, pp 397-403, march/april 1993.
[4] Costa, Janaína G. “Avaliação do Impacto Econômico do Afundamento de Tensão na Indústria,”Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Dissertação de Mestrado, Belo Horizonte, 150p.,2003.
[5] Alves, Mario F.; Costa, Janaína G.; Fonseca, Viviane R.C, “Impacto Econômico do afundamento de tensão na Indústria: Uma Metodologia aplicada a grandes redes elétricas,” V SBQEE, Agosto de 2003.
[6] Maia, Reinaldo M. “Caracterização das Variações de Tensão de Curta Duração e seus impactos em uma planta da Indústria Alimentícia,” PPGEE/UFMG, Dissertação de Mestrado, Belo Horizonte, 2011.
[7] Ramos, Álvaro J. P.; Lira, Daniel P. C. P.; Bronzeado, Herivelto S. “Monitoração da Qualidade da Energia Elétrica – Aspectos Práticos,” II SBQEE, São Lourenço /MG, 1997.
[8] Pires, Igor A. “Compensadores Séries de Tensão em Onda Quadrada: Aplicação na Mitigação de Afundamentos de Tensão,” PPGEE/UFMG, Tese de Doutorado, Belo Horizonte, 2011.
[9] I. A. Pires, B. J. Cardoso Filho, e S. M. Silva. “Compensador série de tensão em onda quadrada para mitigação de afundamentos de tensão,” Revista da Sociedade Brasileira de Automática, 2011.
[10] I. A. Pires, B. J. Cardoso Filho e S. M. Silva, “Design Aspects of a Square-Wave Series Voltage Compensator,” IEEE Energy Conversion Conference and Exposition, Phoenix, AZ, USA, 2011.
[11] IEEE Standars Board, “IEEE Std 1159 - 1995 - Recommended Pratice For Monitoring Eletric Power Quality,” USA, 1995.
[12] International Electrotecnical Commission - IEC, “Electromagnetic Compatibility”, IEC Standard 61000, 1996.
[13] Conrad, L. E., Bollen, M. H. J., “Voltage Sag Coordination for Reliable Plant Operation”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 33, No. 6, Nov/Dec 1997.
86
[14] AGÊNCIA NACIONA DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL, Procedimentos de Distribuição, PRODIST, 2009.
[15] José Maria Carvalho Filho, “Uma Contribuição á Avaliação do Atendimento a Consumidores com Cargas Sensíveis – Proposta de Novos Indicadores”, Tese de Doutorado, Escola Federal de Engenharia de Itajubá, Dezembro de 2000.
[16] M. H. J. Bollen, “The Influence of Motor Reaceleration on Voltage sags”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.30, No.3, May/Jun 1994, pp.805-821.
[17] Ayello, F.P., Carvalho Filho, J.M., et al., “Influência do Sistema de Proteção na Qualidade da Energia”, III CONLADIS - Congresso Latino Americano de Distribuição de Energia Elétrica – USP - SP, 1999.
[18] Conrad, L., Little, K., Grigg, C., “Predicting and Preventing Problems Associated with Remote Fault - Clearing Voltage Dips”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 27, No. 1, p.167-172, Jan/Feb 1991.
[19] T. H. Ortmeyer, T. Hiyama, H. Salehfar, “Power Quality Effects of Distribution System Faults”, Electrical Power & Energy Systems, Vol. 18, No. 5, 1996, pp. 323-329.
[20] Leborgne, Roberto Chouhy. “Uma Contribuição à Caracterização da Sensibilidade de Processos Industriais Frente a Afundamentos de Tensão”, UNIFEI, Dissertação de Mestrado, Itajubá/MG, Maio de 2003.
[21] Oliveira, Thiago Clé de. “Afundamentos de Tensão: Avaliação Estatística de Resultados de Medição com base em simulações”, UNIFEI, Tese de Doutorado, Itajubá/MG, Dezembro de 2008.
[22] - Thiago Clé de Oliveira, José Maria de Carvalho Filho, Gustavo Tomio Watanabe, José Policarpo G. de Abreu, “Avaliação do Impacto do Afundamento de Tensão Baseado nas Características da Falta”, Itajubá – MG.
[23] N. Kagan, E. L. Ferrari, N. M. Matsuo, S. X. Duarte, J. L. Cavaretti, U. F. Castellano, A. Tenório. “Influence of RMS variation measurement protocols on electrical system performance índices for voltage sags and swells. Ninth International Conference on Harmonics and Quality of Power”; p790-795, Orlando, Florida, EUA, 2000.
[24] N. Kagan, E. L. Ferrari, N. M. Matsuo, S. X. Duarte, J. L. Cavaretti, U. F. Castellano, A. Tenório. “Respostas de Diferentes Protocolos para Detecção de VMTs e Medição de Seus Parâmetros Característicos”
[25] J. M. Carvalho Filho, J. Policarpo G. Abreu, Roberto C. Leborgne, T. Clé Oliveira, D. M. Correia, Jeder F. de Oliveira, “Comparative Analysis between Measurements and Simulations of Voltage Sags”, IEEE – PES – 10th International Conference on Harmonics and Quality of Power, Rio de Janeiro, Brasil, Outubro 2002.
[26] José M. C. Filho, José P. G. Abreu, Roberto C. Leborgne, Thiago C. Oliveira, “Softwares e Procedimentos Para Simulação de Afundamentos de Tensão”, CBA 2002, Natal, Brasil, Setembro 2002.
87
[27] A. R. Warrington, C. Van, “Protective Relays; their theory and practice”, Ed. London, Chapman and Hall.
[28] J. L. Blackburn, “Protective Relaying”, New York, Marcel Deckker, 1987, (Electrical Engineering and Electronics, No. 37).
[29] Thiago Clé de Oliveira, José Maria de Carvalho Filho, José Policarpo Gonçalves de Abreu, Roberto Chouhy Leborgne, “Análise da Influência da Conexão de Transformadores Δ/Yaterrado na Propagação de Afundamentos de Tensão.
[30] IEEE Std. 493. (1997), “IEEE Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power System ,” New York.
[31] M. H. J. Bollen, “Fast Assessment Methods for Voltage Sags in Distribution Systems”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.32, No.6, Nov/Dec 1996, pp.1414-1423.
[32] D. L. Brooks, R. C. Dungan, M. Waclawiak, A. Sundaram, “Indices for Assessing Utility Distribution System RMS Variation Performance”, IEEE PES Distribution Sub-committee Meeting, Las Vegas, Fevereiro 2000.
[33] Silva, Sidelmo Magalhães, “Estudo e Projeto de um Restaurador Dinâmico de Tensão”, PPGEE/UFMG, Dissertação de Mestrado, Belo Horizonte/MG, Agosto de 1999.
[34] National Instruments, “NI-DAQ – User Manual”, National Instruments, 1997.
[35] Instituto Nacional de Meteorologia. Disponível em: http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=tempo/graficos. Acesso em 20 de janeiro de 2015.
[36] COMPANHIA ENERGETICA DE MINAS GERAIS – CEMIG, Manual de Distribuição CEMIG, 2010.
[37] IEEE Std. 1346. (1998), “IEEE Recommended Practice for Evaluating Electric Power System Compatibility with Electronic Process Equipment,” New York.
[38] Information Technology Industry Council (ITIC). (2000). ITIC (CBEMA) Application Note.
[39] AGÊNCIA NACIONA DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL, Consulta Pública n°018/2014, Relatório Técnico 4/8, Definição dos Padrões de Referencias; Março 2014.
88
PARTE B
LISTA DE PUBLICAÇÕES
I. Monitoramento e Análise da Qualidade da Energia Elétrica – Induscon 2010
II. Barramento CA resiliente a Afundamentos de Tensão utilizando Compensadores Série de Tensão em Onda Quadrada – CBQEE 2013
III. Monitoramento, Caracterização e Compensação de Afundamentos Momentâneos de Tensão – CBQEE 2013
Monitoramento e Análise da Qualidade da Energia
Elétrica
Filipe Dias de Oliveira (1)
, Leonardo Müller V. Starling (2)
, Sidelmo M. Silva (3)
e Braz J. Cardoso Filho (4)
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Universidade Federal de Minas Gerais
Belo Horizonte, Brasil (1)
[email protected], (2)
[email protected], (3)
[email protected], (4)
Abstract—The power quality is becoming, every day, an
important topic of discussion in the Brazilian society. Nowadays,
voltage sags have been presented as one of the most frequent
problems, responsible for the quality degradation of the
electricity supplied to consumers. Voltage sags are caused
primarily by lightning strikes, switching maneuvers and short
circuits. These disturbances cause malfunctioning of electronic
circuits and unwanted stop of industrial processes, resulting in
high financial losses. Given this scenario, monitoring the
electrical system is an important procedure for the assessment of
power quality, especially for the determination of alternative
solutions to problems. This paper presents the result of twelve
months of voltage sag recording and an analysis of the
disturbances against the sensitivity of electronic equipment used
in industries.
Resumo—A qualidade da energia elétrica vem se tornando, a
cada dia, um importante tema de discussão na sociedade
brasileira. Atualmente, os afundamentos de tensão têm se
apresentado como um dos mais frequentes problemas,
responsáveis pela degradação da qualidade da energia elétrica
fornecida aos consumidores. Os afundamentos de tensão têm sua
origem, principalmente, em descargas atmosféricas, manobras
de chaveamento e curtos-circuitos. Estes distúrbios provocam o
mau funcionamento de circuitos eletrônicos e a parada
indesejada de processos, provocando prejuízos elevados. Diante
desse cenário, a monitoração do sistema elétrico representa um
relevante procedimento para a avaliação da qualidade da
energia elétrica, sobretudo para a determinação de alternativas
de soluções de problemas. Este trabalho apresenta uma
experiência de doze meses de registros e uma análise dos
distúrbios frente à sensibilidade de equipamentos
eletroeletrônicos utilizados em indústrias.
I. INTRODUÇÃO
A qualidade de energia elétrica é uma característica de um sistema elétrico que se apresenta isento ou com número restrito de distúrbios manifestados através de desvios de tensão, em sua forma de onda, amplitude, frequência ou fase angular, que poderiam ocasionar em falha ou operação inadequada de um equipamento consumidor [1].
Entretanto, um vasto número de fenômenos eletromagnéticos estão presentes no cotidiano desses sistemas. Manobras de chaveamento de equipamentos e linhas de transmissão, curtos-circuitos e descargas atmosféricas são as principais causas destes fenômenos, os quais podem afetar processos industriais e equipamentos de consumidores. Tais distúrbios podem, em parte, ser evitados ou ter seus efeitos atenuados através do uso de dispositivos de proteção.
O uso crescente de equipamentos eletrônicos sensíveis, principalmente em instalações industriais modernas, tem suscitado uma incompatibilidade destas cargas aos fenômenos mencionados. Como consequência, um elevado número de interrupções de processos industriais, sem interrupção no fornecimento de energia elétrica, tem se verificado como resultado desses distúrbios. Os prejuízos causados por estes distúrbios podem ser extremamente elevados dependendo da sensibilidade dos equipamentos e dos processos afetados [2].
Nestes casos, a monitoração da qualidade de energia elétrica representa uma providência essencial para a caracterização e identificação dos fenômenos eletromagnéticos envolvidos que afetam as cargas sensíveis dos consumidores. Com tais informações é possível se obter um conhecimento do problema.
A partir do conhecimento obtido pode-se identificar um universo de alternativas para compatibilizar os fenômenos, intrínsecos, do sistema elétrico às características de sensibilidade das cargas do consumidor. Algumas destas alternativas podem ser executadas pelas concessionárias de energia elétrica no sentido de reduzir o número de ocorrências ou atenuar a severidade dos mesmos.
Pelo lado do consumidor, as medidas a serem adotadas envolvem, via de regra, a minimização da sensibilidade dos processos e dispositivos de proteção associados além do uso de equipamentos condicionadores.
Este trabalho apresenta uma experiência de doze meses de monitoração da qualidade da energia elétrica, em particular, afundamentos momentâneos de tensão (AMT) com o objetivo principal de conhecer e caracterizar, de forma precisa, os
O presente trabalho foi realizado com o apoio financeiro da CAPES – Brasil.
eventos mais frequentes e avaliar seus efeitos em equipamentos eletroeletrônicos típicos utilizados em plantas industriais.
II. O SISTEMA ELÉTRICO EM ESTUDO
O sistema de medição foi instalado no campus Pampulha da UFMG, situado na malha de Distribuição Centro da CEMIG. O campus é atendido por dois alimentadores da Subestação Maracanã (SE Maracanã). A SE Maracanã está a aproximadamente 47 km da SE Neves 1, e a 16 km da SE Taquaril que são as maiores subestações da malha. A figura 1 ilustra o sistema elétrico em estudo.
Figura 1 – Sistema Elétrico em Estudo.
A malha de distribuição Centro é composta por quase dois milhões de consumidores, sendo a maioria consumidores industriais. A figura 2 ilustra a participação de consumo por classe na malha.
Figura 2 – Participação do Consumo por Classe.
III. O SISTEMA DE MEDIÇÃO
O sistema de medição é composto por um sistema condicionador de sinais, um microcomputador e uma placa de aquisição que trabalha diretamente no barramento do micro tornando-se fácil gravar os dados na forma de arquivo no HD do micro, evitando assim a utilização de protocolos dedicados e perdas de tempo com a transferência de dados.
O sistema condicionador de sinais permite a aquisição de 12 (doze) sinais de tensão de até 440V utilizando uma frequência de amostragem de 2kHz. A placa de aquisição utilizada é um modelo DAQCard 6062E da National Instruments [5].
O software para aquisição e análise da qualidade da energia é amigável e dispõe de vários recursos que facilitam a visualização e análise dos sinais adquiridos. Todos os recursos do hardware são configurados pelo software.
Além disso, apesar da tensão da rede estar, a todo tempo, sendo monitorada o recurso de disparo, ou “trigger”, é programado de forma a armazenar apenas os eventos de AMT. A figura 3 ilustra o sistema de monitoramento utilizando.
(a) (b)
Figura 3 – Sistema de monitoramento. (a) Condicionador de Sinais.
(b) Software de Análise
IV. RESULTADOS DE MONITORAÇÃO
Neste item, são apresentados diversos resultados de um período de monitoração de 12 (doze) meses, de abril/2011 a março/2012. No período, foram registrados 118 (cento e dezoito) afundamentos momentâneos de tensão.
A. Número de Eventos Registrados por Mês
A figura 4a ilustra o número de eventos registrados por mês de monitoramento. Os meses de outubro/2011à janeiro/2012 foram os meses que mais tiveram eventos registrados, reflexo do alto índice pluviométrico compreendido nestes meses na região metropolitana de Belo Horizonte, Figura 4b retirada de [6]. Conforme pode ser observado na figura 4, há uma forte correlação entre o número de distúrbios registrados e os níveis de precipitação.
(a)
(b)
Figura 4 – Correlação AMT x Precipitação. (a) - número de eventos registrados
no período. (b) - Precipitação em Belo Horizonte no período.
B. Eventos por Tipo de Afundamento.
Dos 118 eventos registrados, 39% resultaram em afundamentos trifásicos, 33% em afundamentos bifásicos e 28% em afundamentos monofásicos.
Nos afundamentos bifásicos, as fases menos afetadas foram as fases B e C (13% dos afundamentos bifásicos). Nos afundamentos monofásicos a fase menos afetada foi à fase C (5% dos afundamentos monofásicos). A figura 5 ilustra a distribuição percentual dos eventos por tipo de afundamento e fases afetadas.
(a)
(b)
(c)
Figura 5 – (a) Eventos por tipo de afundamento. (b) Fases afetadas em
eventos bifásicos. (c) Fases afetadas em eventos monofásicos.
C. Número de Eventos por Hora do Dia.
A figura 6 ilustra o número de eventos registrados por hora do dia. O maior número de eventos registrados estão compreendidos entre 9h-10h e 13h-14h.
Figura 6 – Número de eventos por hora do dia.
D. Número de Eventos por Duração do AMT
A figura 7 ilustra o número de eventos registrados por duração do AMT. Eventos com duração entre 8ms e 100ms representam 50% de todos os distúrbios. Os eventos com duração entre 8ms e 300ms representam quase 80% de todos os distúrbios.
Figura 7 – Número de eventos por duração do AMT.
E. Número de Eventos por Nível de Tensão Residual
A figura 8 ilustra o número de eventos registrados por
nível de tensão residual. Os AMT de tensão entre 80% e 90%
de tensão residual representam 53% de todos os distúrbios
registrados.
Figura 8 – Número de eventos por nível de tensão residual
F. Formas de Onda dos Eventos Registrados
A figura 9 ilustra três formas de ondas de diferentes afundamentos momentâneos de tensão registrados.
Figura 9 – Formas de onda registradas
V. ANÁLISE DOS RESULTADOS
A. Padrão IEEE 1346-1988.
O padrão IEEE 1346-1998 [7] define a “curva de coordenação para afundamentos de tensão”. A construção da curva de coordenação para afundamentos de tensão tem como ponto de partida a tabela de distribuição de distúrbios. Baseado em [7] e com os resultados apresentados nas figuras 7 e 8, a tabela I ilustra a distribuição de distúrbios do ponto de medição em estudo.
TABELA I – DISTRIBUIÇÃO DE DISTÚRBIOS.
Tempo (s)
Magnitude 0 - 0.2 0.2 - 0.4 0.4 - 0.6 0.6 - 0.8 0.8 Soma
80% - 90% 43 9 4 2 4 62
70% - 80% 15 3 1 1 2 22
60% - 70% 9 2 0 1 1 13
50% - 60% 7 1 1 1 0 10
40% - 50% 5 1 1 0 1 8
30% - 40% 2 1 0 0 0 3
20% - 30% 0 0 0 0 0 0
10% - 20% 0 0 0 0 0 0
Soma 81 17 7 5 8 118
A partir da tabela de distribuição de distúrbios, obtém-se a
tabela de distribuição acumulada de distúrbios apresentada na
Tabela II. Esta tabela traz informações sobre o número de
afundamentos iguais ou piores aos indicados pelas
características das linhas e colunas.
TABELA II – DISTRIBUIÇÃO ACUMULADA DE DISTÚRBIOS.
Tempo (s)
Magnitude 0 0.2 0.4 0.6 0.8
90% 118 37 20 13 8
80% 56 18 10 7 4
70% 34 11 6 4 2
60% 21 7 4 2 1
50% 11 4 2 1 1
40% 3 1 0 0 0
30% 0 0 0 0 0
20% 0 0 0 0 0
Da tabela de distribuição acumulada de distúrbios, obtêm-
se, por interpolação linear, as curvas de contorno para o
desempenho do sistema em estudo, relativo a afundamentos
de tensão. A Figura 10 ilustra as curvas encontradas.
Figura 10 – Curvas de coordenação AMT.
O padrão IEEE 1346 [7] também fornece a informação sobre o comportamento de alguns equipamentos industriais, conforme Tabela III abaixo:
TABELA III – SENSIBILIDADE DE EQUIPAMENTOS.
Equipamento
Tolerância de Tensão
Faixa
Superior
Média Faixa
Inferior
PLC 20ms, 75% 260ms, 60% 620ms, 45%
ASD (5hp) 30ms, 80% 50ms, 75% 80ms 60%
PC 30ms, 80% 50ms, 60% 70ms, 50%
Relés
eletromecânicos
10ms, 75% 20ms, 65% 30ms, 60%
Baseado na tolerância média dos equipamentos, Tabela III,
e na curva de coordenação de AMT, figura 10, obtém-se a
informação do número anual de desligamentos dos
equipamentos ilustradas nas Figuras de 11 a 14 e sumarizadas
na Tabela IV.
Figura 11 – PLC.
Figura 12 – ASD (5hp).
Figura 13 – PC.
Figura 14 – Relé eletromecânico.
TABELA IV – NÚMERO DE PARADAS.
Equipamento Referência Número de
paradas
PLC IEEE 1346 6
ASD (5hp) IEEE 1346 35
PC IEEE 1346 16
Relés
eletromecânicos
IEEE 1346 25
B. Curva ITIC
A curva ITIC (Information Technology Industry Council)
vem sendo amplamente utilizada como referência para
classificação das Variações de Tensão de Curta Duração
(VTCD). Desse modo, recomenda-se que a curva ITIC seja
utilizada para analisar se os eventos foram graves o suficiente
para provocarem a queima ou parada de equipamentos
eletroeletrônicos.
A partir da curva ITIC, pode-se classificar as VTCD em
três grandes grupos: (a) que se situam na zona central da
curva, e que não prejudicam os equipamentos; (b) as que se
situam na região acima da curva superior, indicando
elevações de tensão de maior intensidade e duração; e (c) as
que se situam abaixo da curva inferior, referindo-se à
afundamentos mais severos e de duração mais elevada.
Dos 118 eventos registrados, 85 eventos (72%) situam-se
na zona central da curva e não prejudicariam os
equipamentos. Porém, 33 eventos (28%) situam-se abaixo da
curva inferior onde, provavelmente, os equipamentos seriam
desligados ocasionando parada de processos podendo gerar
prejuízos elevados. A figura 15 ilustra a curva ITIC.
Figura 15 – Curva ITIC.
VI. CONCLUSÕES
Há uma forte correlação entre o número de afundamentos
de tensão e o índice pluviométrico. No ponto do sistema
elétrico, em estudo, os afundamentos mais frequentes são os
afundamentos trifásicos, com duração de até 100ms entre
80% e 90% de tensão residual.
Os equipamentos mais afetados no período de medição,
conforme padrão IEEE 1346, seriam os acionamentos à
velocidade variável (ASD) e os relés eletromecânicos. Os
equipamentos eletroeletrônicos, conforme curva ITIC, seriam
desligados 33 vezes podendo ocasionar paradas de processos
e prejuízos com cifras bastante elevadas.
O uso da fase C para cargas monofásicas, 8% dos
afundamentos registrados, e das fases B e C cargas bifásicas,
13% dos afundamentos registrados, reduziriam em número
expressivo o número de paradas. Além disso, com o
conhecimento dos eventos mais frequentes pode-se fazer um
ajuste de proteções reduzindo também o número de paradas.
A monitoração do sistema elétrico representa um
importante procedimento para a avaliação da qualidade da
energia elétrica, necessários para o conhecimento das
características de sensibilidade dos equipamentos dos
consumidores e, sobretudo para a determinação de
alternativas de soluções de problemas.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o Laboratório de Aplicações Industriais - UFMG e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CAPES – Brasil pelo apoio financeiro.
REFERÊNCIAS
[1] Bollen, M. H. Understanding Power Quality Problems – Voltage Sags and Interruptions. IEEE Press. New York, NY. USA. 2000.
[2] Costa, Janaína G. Avaliação do Impacto Econômico do Afundamento de Tensão na Indústria. Dissertação de Mestrado. Belo Horizonte, 2003. 150p. Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais
[3] IEEE Standars Board, IEEE Std 1159 - 1995 - Recommended Pratice For Monitoring Eletric Power Quality, USA, 1995.
[4] Dugan, R. C.; McGranaghem, M. F.; Beaty, H. W. Electrical Power System Quality, Ed. McGraw-Hill, 1996.
[5] National Instruments, “NI-DAQ – User Manual”, National Instruments, 1997.
[6] Instituto Nacional de Meteorologia. Disponível em: http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=tempo/graficos. Acesso em 03 de julho de 2012.
[7] IEEE Std. 1346. (1998), IEEE Recommended Practice for Evaluating
Electric Power System Compatibility with Electronic Process
Equipment. New York.
Barramento CA resiliente a Afundamentos de
Tensão utilizando Compensadores Série de Tensão
em Onda Quadrada
James H. Oliveira Junior ([email protected]), Igor A. Pires ([email protected]), Filipe D. Oliveira
([email protected]), Sidelmo M. Silva ([email protected]), Braz J. Cardoso Filho ([email protected])
Resumo Controladores Lógicos Programáveis (CLP), fontes
CA-CC e computadores, bem como elementos de acionamento,
tais como o contator, representam as cargas eletrônicas mais
sensíveis a afundamentos de tensão encontradas no ambiente
industrial. Proteger essas cargas é de suma importância uma vez
que seu funcionamento incorreto pode ocasionar paradas em
todo um processo de produção. Ao invés de utilizar-se de um
compensador série de alta potência para proteção de todo
processo industrial, uma ideia preferível é a proteção apenas dos
elementos mais sensíveis, normalmente de baixa potência,
através de um compensador série de tensão em onda quadrada.
Este compensador injeta onda quadrada ao invés da onda
senoidal, esta última produzida por um inversor de tensão
modulado em PWM em conjunto com um filtro de 2ª ordem. As
vantagens do compensador série em onda quadrada em relação
ao compensador série senoidal são o menor custo, simplicidade e
compactação. Este compensador criaria um barramento CA
resiliente a afundamentos de tensão, onde qualquer elemento
ligado a este barramento ficaria imune a este fenômeno de curta
duração. Este trabalho apresenta o compensador série em onda
quadrada com suas possibilidades topológicas e um exemplo
prático de aplicação com resultados experimentais, onde um
compensador foi instalado em um painel elétrico protegendo
seus contatores de acionamento.
Palavras-chaves Compensador Série, Mitigação, Afundamento
de Tensão, Sag, DVR, DySC, CVT.
I. INTRODUÇÃO
Afundamentos de tensão ou voltage sags, conforme
nomenclatura padrão IEE 1100-1992 (IEEE Emerald Book) e
voltage dips, segundo terminologia IEC, estão entre os
maiores problemas de qualidade de energia. Caracterizados
por um repentino decréscimo do valor rms da tensão para
valores entre 0,1 e 0,9 pu, com duração de 0,5 ciclos até 1
min [1], estes eventos, juntamente com transientes e
interrupções momentâneas, representam 92% dos problemas
relacionados à qualidade de energia encontrada por
consumidores industriais [2]. A Fig. 1 ilustra um destes
eventos com amplitude de 0,6 pu e duração de 100 ms.
Apesar da curta duração, os prejuízos relacionados a estes
fenômenos são grandes. Em ambiente industrial,
afundamentos de tensão podem resultar em custos
operacionais substanciais quando da parada de produção.
Estes custos incluem perda de produtividade, custos de
trabalho para limpeza da linha e reinício do processo
produtivo, danos aos produtos fabricados, redução da
qualidade do produto, atrasos em entregas e insatisfação dos
consumidores [3]. Nos Estados Unidos, estudos mostram que
os prejuízos relacionados ao afundamento de tensão podem
chegar a US$ 400 bilhões [4]. No Brasil, algumas pesquisas
mostram que, paradas devido a variações momentâneas de
tensão, apresentam uma média de US$5,3/kWh, chegando a
perdas anuais de US$200 mil [5], [6].
Cargas eletrônicas tipicamente encontradas em ambientes
industriais, tais como CLP´s e computadores, são bastante
sensíveis a afundamentos de tensão. Alguns números
encontrados na literatura [7] mostram que a susceptibilidade
de computadores varia entre 30 e 170 ms para afundamentos de 0,5 pu a 0,7 pu da tensão nominal. Já no caso de CLP’s,
suportam afundamentos de até 0,8 pu entre 2 a 4 ciclos.
Dependendo da profundidade do afundamento, alguns
processos, como acionamento de motores com grande inércia,
podem não ser afetados. Alguns exemplos são sistema de
bombeamento de fluido em altos-fornos [8] e laminadores a
quente [9].
Entretanto, este mesmo afundamento de tensão poderia
causar mal funcionamento em contatores, CLPs e
conversores de frequência, podendo, inclusive, parar todo um
processo de produção. Em situações onde o circuito de
potência possui capacidade de resistir a estes eventos, uma
alternativa efetiva e de custo reduzido é a proteção apenas
dos circuitos sensíveis no painel de controle.
Este trabalho fará uma análise da utilização de um
barramento ca resiliente a afundamentos de tensão. Serão
discutidas as vantagens de utilização de compensadores de
onda quadrada sobre outras tecnologias de proteção contra
afundamentos de tensão. Por fim, os resultados dos testes de
proteção, em um microcomputador e um conjunto de
contatores instalados em um painel de acionamento de 4
quadrantes, simulando um barramento ca protegido contra
afundamentos de tensão por um compensador de onda
quadrada, serão apresentados.
Fig. 1. Afundamento de tensão: 0.6pu @100 ms.
II. COMPENSADOR DE ONDA QUADRADA
Muitas soluções têm sido desenvolvidas para proteger
equipamentos contra afundamentos de tensão. Uma das
alternativas disponíveis é o Compensador Série de Tensão
(CST) [10], no qual se destacam duas topologias muito
conhecidas, o Restaurador Dinâmico de tensão (DVR) e o
Dynamic Sag CorrectorTM (DySC) [11]. O CST opera
adicionando uma tensão alternada em serie com a tensão
remanescente da rede, restaurando sua amplitude para o valor
original durante a ocorrência de um afundamento de tensão
[12], [13]. Outra solução, amplamente utilizada em CLPs, é o
Transformador de Tensão Constante (Constant Voltage
Transformer - CVT) [14]. Este dispositivo consiste em um
transformador ferro-ressonante operando na região de
saturação. A tensão de saída é mantida constante
independente de mudanças na tensão de entrada. Os
problemas principais desta solução são o peso, tamanho e a
baixa eficiência. Existe também uma solução específica para
contatores de corrente alternada, o ProContact [15]. Trata-se
de um dispositivo eletrônico que alimenta a bobina do
contator com corrente contínua de forma a produzir a mesma
força de atração obtida com correntes alternadas.
O Compensador Série de Onda Quadrada (CST-OQ)
adiciona uma tensão em onda quadrada para reduzir o
afundamento de tensão. Comparado com os CSTs senoidais,
o CST-OQ é uma solução mais simples. O inversor de saída
modula a amplitude da tensão de onda quadrada na mesma
frequência da tensão da rede, eliminando desta forma, as altas
frequências de chaveamento relacionadas à modulação por
largura de pulso e o filtro senoidal de segunda ordem. Estas
simplificações produzem um equipamento mais simples,
compacto, com menos problemas de compatibilidade
eletromagnética e de custo significativamente mais baixo. De
acordo com [16], os CST-OQ podem chegar a custar
aproximadamente 35% menos do que um CST senoidal.
Das topologias de CST de onda quadrada, destacam-se
três: a primeira baseada em conversor dc-dc, a segunda
baseada em uma topologia multinível em cascata, e a última
utilizando um retificador controlado. A primeira, detalhada
na Fig. 2, utiliza o conversor dc-dc para modular a tensão a
ser adicionada a tensão da rede para corrigir o afundamento
de tensão.
Fig. 2. CST-OQ com conversor dc-dc
A maior desvantagem desta solução é a necessidade de armazenamento de energia, aumentando o custo final do
dispositivo.
A segunda topologia baseia-se em módulos em cascata
produzindo um conversor multinível para modular a tensão a
ser adicionada a tensão da rede (Fig. 3). A utilização de
componentes de baixa tensão contribui para reduzir o custo
desta topologia [18]. Porém, comparada com a topologia que
utiliza o conversor dc-dc, o seu grande número de partes
contribui para um custo final mais elevado.
A topologia multinível procura reestabelecer a tensão em
uma faixa de 0.9 a 1.05pu. Estes valores, estabelecidos por
padrões internacionais, correspondem aos valores de tensão
para os quais os equipamentos eletrônicos são projetados para
operar em condições normais.
Fig. 3. Topologia Multinível em Cascata
Na Fig. 4 é apresentada a topologia de CST de onda
quadrada baseada em retificadores controlados. Como pode
ser observado, diferentes razões de transformação são obtidas
através das várias derivações do transformador. Desta forma,
consegue-se corrigir uma ampla faixa de afundamentos de
tensão através de uma solução de baixo custo.
Fig. 4. CST em onda quadrada com retificadores controlados
III. SIMULAÇÃO DO CST-OQ
O esquema do compensador série de tensão em onda
quadrada simulado está exibido na Fig. 5. O compensador
permanece em modo de espera, adicionando uma tensão de
0V a tensão fornecida a carga, até que ocorra um
afundamento de tensão. Na ocorrência deste evento, adiciona-
se o nível de tensão necessário para recuperação da tensão de
operação adequada do equipamento protegido. É importante
ressaltar que nesta topologia não há armazenadores de
energia, o capacitor serve apenas como filtro de ripple. A
potência ativa que o compensador entrega vem da própria
rede de energia. Também não há filtro de saída no inversor e transformador série, este último presente em alguns
compensadores.
Fig. 5. Compensador em onda quadrada.
Foram simulados dois afundamentos distintos, 0,8 e 0,6 pu
de tensão remanescente, visualizados nas Fig. 6 e 7. Nas duas figuras, são vistos a onda proveniente da rede (azul), a tensão
no barramento CC da carga protegida (verde), a tensão
injetada pelo compensador (preto) e a tensão aplicada nos
terminais da carga protegida (vermelho). Como anteriormente
citado, conforme a profundidade do afundamento escolhe-se
o nível adequado para a recuperação do pico de tensão
anterior ao afundamento.
Fig. 6. Compensação em onda quadrada para um afundamento de 0,8 pu –
Azul: onda proveniente da rede, verde: tensão no barramento CC da carga
protegida, preto: tensão injetada pelo compensador e vermelho: tensão
aplicada nos terminais da carga protegida.
Fig. 7. Compensação em onda quadrada para um afundamento de 0,6 pu –
Azul: onda proveniente da rede, verde: tensão no barramento CC da carga
protegida, preto: tensão injetada pelo compensador e vermelho: tensão
aplicada nos terminais da carga protegida.
IV. RESULTADOS
Uma vez que contatores e CLPs são as cargas sensíveis
mais comumente encontradas em painéis de controle de
processos industriais, foram realizados testes distintos para
analisar as vantagens de se utilizar um barramento ca
protegido contra afundamento de tensão em tais painéis de
controle. No primeiro teste o CST-OQ foi utilizado para
proteger um microcomputador Pentium 4, 2GHz, 512Mb de
Ram, HD de 80Gb e fonte de alimentação de 350W. No
segundo teste, a carga a ser protegida eram contatores em um painel de acionamento de 4 quadrantes.
O compensador CST-OQ foi montado (Fig. 8) com dois
níveis idênticos. Foram utilizados transformadores 120:24, o
que implica em 0,2 pu de tensão para cada nível de
compensação, um capacitor de 470uF/100V e um módulo
LMD18200 para o inversor. A seleção do nível de
compensação a ser injetado é feita através da comparação
entre um estimador, constituído de um sistema diodo-
capacitor-resistor que “emula” o que ocorre no equipamento
protegido e valores fixos de escolha do nível de
compensação.
Foi utilizado o LM311 como comparador. Para atingir o
nível do afundamento em 1 ciclo, tempo de susceptibilidade
típica de equipamentos eletrônicos, construiu-se o estimador
com um capacitor de 4,7uF e resistor de 5,6kΩ. A rede era de
127 Vrms, 60 Hz.
A. Proteção de um microcomputador pelo CST-OQ
O microcomputador apresentou uma susceptibilidade de
72% em 1 ciclo de duração, como apresentado na Fig. 9.
Nesta figura são apresentadas a tensão de afundamento
proveniente do gerador de afundamento (azul escuro), a
corrente de alimentação da placa mãe na tensão de 3,3V (azul
claro) e o barramento CC de entrada da fonte de alimentação (rosa). A carga foi submetida a um afundamento de 72% de
tensão remanescente com duração de 100ms. O computador
permanece ligado por 1,5 ciclo após o início do afundamento
de tensão e “reseta”, conforme pode ser observado na forma
de onda de corrente. O valor da corrente não atinge zero pois
o processador foi o único elemento a desligar. Para
afundamentos mais profundos notou-se que todos os
dispositivos se desligam, anulando o valor da corrente.
Fig. 8 – Compensador em Onda Quadrada
Módulo de Potência
Sistema de
Controle
Fonte
ca/cc
Fig. 9. Afundamento de 72% na carga avaliada (PC) – Azul escuro: Tensão
proveniente do gerador de afundamento, azul claro: corrente de alimentação
da placa mãe, rosa: barramento CC da fonte de alimentação
O computador se torna menos sensível com a presença do
compensador, conseguindo operar com afundamentos de até
58%, situação ilustrada na Fig. 10. Abaixo deste valor, a
tensão do barramento CC não era suficiente para que o
computador continuasse funcionando. Uma solução para o
aumento da suportabilidade seria a alteração no valor dos
níveis do compensador. A Fig. 11 mostra em detalhes a forma de onda proveniente do compensador.
Fig. 10. Afundamento de 58% na carga avaliada (PC) – Azul escuro:
Tensão proveniente do gerador de afundamento, azul claro: corrente de
alimentação da placa mãe, rosa: barramento CC da fonte de alimentação,
verde claro: tensão proveniente do compensador.
Fig. 11. Afundamento de 72% na carga avaliada (PC) – Azul escuro:
Tensão proveniente do gerador de afundamento, azul claro: corrente de
alimentação da placa mãe, rosa: barramento CC da fonte de alimentação,
verde claro: tensão proveniente do compensador.
B. Proteção de contatores pelo CST-OQ
A Fig. 12 mostra o painel e o gerador de afundamento de
tensão (à direita) utilizado nos experimentos. Em destaque observa-se os contatores (à esquerda), os módulos (à direita)
e os transformadores shunt do CST-OQ. Neste painel está
montado um acionamento de 4 quadrantes ou dinamômetro.
Três contatores são utilizados para e energização de outros
dispositivos e pré-carga do barramento cc. O CST-OQ foi
conectado ao painel para proteger estes contatores.
Fig. 12 – Painel do dinamômetro e Gerador de afundamento de tensão.
A Fig. 13 mostra o CST-OQ instalado no painel do
dinamômetro, para proteger o hardware de controle de
afundamentos de tensão.
Vários afundamentos de tensão foram utilizados para
caracterizar a sensitividade do conjunto de contatores a afundamentos e tensão. Os afundamentos que causaram
falhas no funcionamento dos contatores apresentaram tensão
remanescente de 0.6 pu. Foi também observado que
afundamentos de tensão de 0.7 pu provocavam mal
funcionamentos com frequência. O osciloscópio Tektronix
DPO2014 foi utilizado para medir a corrente na bobina do
contator e a tensão de saída do gerador de afundamento de
tensão. Uma fonte de 5V foi conectada à um contato
normalmente aberto do contator para indicar funcionamento
inadequado quando da abertura inesperada deste contato.
Fig. 13 – Compensador de onda quadrada instalado no painel do
dinamômetro para produzir um barramento protegido de afundamentos.
contatores
Trafo Shunt
do CST-OQ
CST-OQ
Gerador de
afundamento
Trafo Shunt
do CST-OQ
CST-OQ
A Fig. 14 mostra detalhes da tensão compensada durante o
afundamento de tensão. Pode ser observado da figura que a
tensão de pico não foi recuperada para 1pu (311V), mas para
0.9 pu (280V). O objetivo deste compensador é recuperar a
tensão de 0,9 pu até 1,05 pu, pois estes são os valores de
tensão sugeridos para operação dos equipamentos industriais
[17].
Fig. 14 – Detalhe da tensão após compensação. A tensão na carga é a soma
da tensão da rede (com afundamento) com a com a tensão de onda quadrado
injetada pelo compensador.
As Fig. 15 e 16 mostram a corrente no contator (laranja), o
sinal de 5V (azul) de teste e a tensão de saída (lilás). A Fig.
15(a) mostra o comportamento do contator quando submetido
a um afundamento de tensão de 0.6 pu sem a proteção pelo
CST-OQ. Neste experimento, o contato abriu e a corrente em sua bobina aumentou. O sinal de 5V demonstra que a força
eletromagnética não foi suficiente para manter o contato
fechado. Fig. 15(b) apresenta a mesma situação da Fig. 15(a),
porém, com a proteção do CST-OQ. Pode ser observado que
a corrente na bobina do contator praticamente não se altera e
que o sinal de teste de 5V não foi alterado durante e nem após
o evento. Fig. 16(a) e (b) mostram o afundamento mais
severo ao qual o sistema consegue manter o funcionamento
do contator, 0.3 pu de tensão remanescente da rede. Mais
uma vez, o sistema CST-OQ mantém o contator operando
corretamente.
(a) Sem a proteção do CST-OQ
(b) Com a proteção do CST-OQ
Fig. 15 – Contator submetido a afundamento de tensão de 0.6pu. Ch. 1 –
Corrente no contator: 2A/div (laranja). Ch. 2 - 5V sinal no contato
normalmente aberto: 10V/div (azul), Ch. 3 – Tensão de alimentação:
200V/div (rosa).
(a) Sem a proteção do CST-OQ
(a) Com a proteção do CST-OQ
Fig. 16 – Contator submetido a afundamento de tensão de 0.3pu. Ch. 1 –
corrente no contator: 2A/div (laranja). Ch. 2 - 5V sinal no contato
normalmente aberto: 10V/div (azul), Ch. 3 – Tensão de alimentação:
200V/div (rosa).
V. CONCLUSÕES
Neste artigo foi analisado o emprego de um barramento ca
resiliente a afundamentos de tensão para aumentar
capacidade de processos industriais de resistirem a estes
eventos. Em muitos casos as paralizações nos processos
industriais, ocasionados por afundamentos de tensão,
ocorrem apenas devido a falhas no sistema de controle,
contatores e CLPs. Desta forma, o emprego de compensador
série de tensão para criar barramentos protegidos de
afundamentos de tensão dentro dos painéis de controle é uma alternativa de menor custo comparada com o emprego de
dispositivos para proteger todo o processo industrial.
Entre as possibilidades de mitigação de afundamentos de
tensão apresentadas, o CST-OQ foi considerado a solução
mais atrativa para utilização em um barramento ca resiliente a
afundamentos de tensão. A operação em onda quadrada, em
detrimento da senoidal, traz simplicidade ao dispositivo,
reduzindo o tamanho e o custo.
O protótipo construído se mostrou eficaz, pois aumentou
consideravelmente a capacidade do microcomputador e do
sistema com contatores de resistir a afundamentos de tensão.
A susceptibilidade do computador é de 72% de afundamento durante um ciclo. Com o compensador essa susceptibilidade
caiu para 58% também para um ciclo. Considerando dados
estatísticos de afundamentos de tensão [19], com a proteção
pelo compensador ocorreu um aumento de 15% em sua
resiliência a afundamentos de tensão. Antes da adição do
sistema de proteção, o limite abaixo do qual os contatores
deixavam de operar corretamente estava entre 0.7 e 0.6 pu.
Com o sistema de proteção este limite foi para 0.3 pu.
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
Analisando estes resultados do ponto de vista estatístico,
conclui-se que, com a proteção, o sistema é capaz de suportar
99% dos afundamentos de tensão observados em Belo
Horizonte. Sem a proteção, o sistema falharia em 20% destes
eventos. Estes resultados demonstram que o uso de um
barramento ca resiliente a afundamentos de tensão, baseando
em CST-OQ, é uma excelente solução para o aumento da
robustez de painéis de controle a afundamentos de tensão.
VI. REFERÊNCIAS
[1] IEEE 1159 / 2009 - Recommended Practice for Monitoring Electric
Power Quality.
[2] W. Brumsickle,, R. S. Schneider, G. A. Luckjiff,, , D. M. Divan, , M. F.
Mcgranaghan, “Dynamic sag correctors - cost-effective industrial
powerline conditioning”, IEEE Transactions on Industrial Applications,
vol. 37, no. 1, January/February, 2001.
[3] M. F. McGranaghan, D. R. Mueller, and M. J. Samotyj. “Voltage sags in
industrial systems”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol.
29, no. 2, pp 397-403, march/april 1993.
[4] D. Hongfa, G. Jun, and D. Xianzhong. New concepts of dynamic voltage
restoration for three-phase distribution systems. Power Engineering
Society Summer Meeting, vol. 3, pp 1427-1432, 2000.
[5] J. J. A. Leitão and L. B. Reis. Avaliação econômica das perdas por
distúrbios na rede básica. V Seminário Brasileiro sobre Qualidade da
Energia Elétrica, vol. 2, pp. 495-502, 2003.
[6] C. H. N. Magalhães, M. R. Gouveia, F. A. T. Silva, C. M. V. Tahan, and
L. G. C. A. Filho. Avaliação do custo social de interrupção do
fornecimento de energia elétrica do lado da demanda do estado de são
paulo. XVI Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia
Elétrica, outubro, 2001.
[7] M. H. J. Bollen– Undestanding Power Quality Problems: Voltage Sags
and Interruptions, IEEE Press Series on Power Engineering, New York
2000.
[8] F. Carlsson, C. Sadarangani, B Widell “Impacts of voltage sags on a blast
furnace process”, Proceedings of the Cigre Symposium KTH,
Stockholm, Sweden, 2001.
[9] F. Carlsson, B. Widell, C. Sadarangani. “Ride-through investigations for
a hot rolling mill process”. Proceedings of the International Conference
on Power System Technology (PowerCon) pages 1605-1608 Perth,
Australia, 2000.
[10] J. G. Nielsen and, F. A Blaadjerg “Detailed Comparison of Systems
Topologies for Dynamic Voltage Restorer”, IEEE Transactions on
Industrial Applications, vol. 41, no. 5, September/October 2005.
[11]W.E. Brumsickle, et al.: “Dynamic sag correctors: cost-effective
industrial power line conditioning”, IEEE Transactions on Industrial
Applications, 2001, 37, (1), pp. 212–217.
[12]J. G. Nielsen and, F. A Blaadjerg “Detailed Comparison of Systems
Topologies for Dynamic Voltage Restorer”, IEEE Transactions on
Industrial Applications, vol. 41, no. 5, September/October 2005.
[13]Power Quality Solutions Inc. [online]. Available:
http://www.pqsi.com/cvts.html.
[14]S.M. Silva, M.F. Braga, T. de Fernandes, L. Milagres, “Analysis and
development of a ride-through device for ac contactors”. European
Conference on Power Electronics and Applications, pp. 1-9, 2007.
[15]I. A. Pires, B. J. Cardoso Filho e S. S. Silva: Design Aspects of a
Square-Wave Series Voltage Compensator, IEEE Energy Conversion
Conference and Exposition, 2011, Phoenix, AZ, USA
[16]W.E Cheng, et al. “Investigation of Voltage Dip Restorer Using
SquareWave Inverter”. 30th Annual Conference of IEEE Industrial
Electronics Society (IECON), pp. 204–208, 2004.
[17] F. Oliveira, L. Starling, S. Silva, B. Cardoso Filho, “Monitoramento e
Análise Da Qualidade Da Energia Elétrica”. 10th IEEE/IAS
International Conference on Industrial Applications – Induscon,
Fortaleza – Brazil, November 5-7, 2012.
[18] P. C. Loh, D. M. Vilathgamuwa. “Multilevel Dynamic Voltage
Restorer”. IEEE Power Electronics Letters, vol. 2, no. 4, december
2004.
[19] P. C. Loh, D. M. Vilathgamuwa. “Multilevel Dynamic Voltage
Restorer”. IEEE Power Electronics Letters, vol. 2, no. 4, december
2004.
Monitoramento, Caracterização e Compensação de
Afundamentos Momentâneos de Tensão
Filipe Dias de Oliveira (1)
, Igor Amariz Pires (2)
, Sidelmo Magalhães Silva (3)
e Braz de Jesus Cardoso Filho (4)
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – Universidade Federal de Minas Gerais
Av. Antônio Carlos 6627, 31270-901, Belo Horizonte, MG, Brasil (1)
[email protected], (2)
[email protected], (3)
[email protected], (4)
Resumo — Os afundamentos momentâneos de tensão (AMTs) têm
sido reportados como os mais frequentes distúrbios responsáveis
pela degradação da qualidade da energia elétrica fornecida aos
consumidores industriais. Os prejuízos causados pelas paradas
indesejadas, provocadas pela ocorrência de AMTs, chegam, em
muitos casos, a cifras bastante elevadas que incluem custos de
produtividade, reinicio do processo produtivo, redução na
qualidade do produto e atrasos de entregas. Diante desse cenário, a
monitoração do sistema elétrico representa um procedimento
indispensável para a avaliação da qualidade da energia elétrica,
sobretudo para a determinação de alternativas de soluções de
problemas. Este trabalho apresenta resultados de monitoramento
de AMTs, compreendidos de abril/2011 a dezembro/2012, e uma
proposta para compensação dos distúrbios registrados.
I. INTRODUÇÃO
Afundamentos momentâneos de tensão (AMTs) representam
68% dos problemas, relacionados à qualidade da energia,
encontrados por consumidores industriais [1] e estão
associados, principalmente, com faltas no sistema elétrico, mas
podem também ser causadas pela energização de cargas pesadas
ou partida de grandes motores.
Apesar de serem fenômenos de curta duração, causam
prejuízos elevados. Em geral, não provocam danos ao
equipamento, mas interrompem processos industriais, com
perdas de qualidade e no tempo para retomada de produção [2]-
[3]. No Brasil, apenas recentemente, tem sido realizados
estudos que contabilizam os prejuízos provocados pelos AMTs,
como é o caso de [4]-[6].
Nestes casos, a monitoração da qualidade da energia elétrica
representa uma providência essencial para a caracterização e
identificação dos distúrbios mais frequentes que afetam as
cargas sensíveis dos consumidores. Com tais informações é
possível se obter um conhecimento do problema.
A partir do conhecimento obtido pode-se identificar um
universo de alternativas para compatibilizar os distúrbios,
intrínsecos do sistema elétrico, às características de
sensibilidade das cargas do consumidor. Algumas destas
alternativas podem ser executadas pelas concessionárias de
energia elétrica no sentido de reduzir o número de ocorrências
ou atenuar a severidade dos mesmos.
Pelo lado do consumidor, as medidas a serem adotadas
envolvem, via de regra, a minimização da sensibilidade dos
processos e dispositivos de proteção associados além do uso de
equipamentos condicionadores [7]. Várias tecnologias têm sido
investigadas como solução do problema, conforme tratado em
[8]. Neste contexto, o compensador série em onda quadrada
para afundamentos de tensão se destaca pela eficácia, associado
a uma ótima relação custo X benefício [9]-[10].
Este trabalho, originado a partir de [11], apresenta uma
experiência de vinte e um meses de monitoração da qualidade
da energia elétrica, em particular, afundamentos momentâneos
de tensão com os objetivos de: (i) Conhecer e caracterizar, de
forma precisa, os eventos mais frequentes. (ii) Quantificar o
número de eventos que afetariam equipamentos
eletroeletrônicos típicos utilizados em plantas industriais e (iii)
Apresentar uma proposta para compensação dos distúrbios
registrados.
II. O SISTEMA ELÉTRICO EM ESTUDO
O sistema de medição, instalado no campus Pampulha da
UFMG, está situado na malha de Distribuição Centro da
CEMIG. O campus é atendido por dois alimentadores da
Subestação Maracanã (SE-Maracanã). A SE-Maracanã está a
aproximadamente 47 km da SE-Neves-1, e a 16 km da SE-
Taquaril que são as maiores subestações da malha. A Fig. 1
ilustra o sistema elétrico em estudo.
Fig. 1. Sistema Elétrico em Estudo.
O presente trabalho foi realizado com o apoio financeiro da CAPES – Brasil.
III. O SISTEMA DE MEDIÇÃO
O sistema de medição é composto por um sistema
condicionador de sinais, um microcomputador e uma placa de
aquisição que trabalha diretamente no barramento do
microcomputador. O sistema condicionador de sinais permite a
aquisição de 12 (doze) sinais de tensão de até 440V utilizando
uma frequência de amostragem de 2kHz. A placa de aquisição
utilizada é um modelo DAQCard 6062E da National
Instruments [12].
O software para aquisição e análise da qualidade da energia é
amigável e dispõe de vários recursos que facilitam a
visualização e análise dos sinais adquiridos. Todos os recursos
do hardware são configurados pelo software. A Fig. 2 ilustra o
sistema de monitoramento utilizado.
(a) (b)
Fig. 2. Sistema de monitoramento. (a) Condicionador de Sinais.
(b) Software de Análise.
IV. RESULTADOS DE MONITORAÇÃO
Neste item, são apresentados diversos resultados de um período de monitoração de 21 meses, compreendidos de abril/2011 a dezembro/2012. No período foram registrados 177 afundamentos momentâneos de tensão. Foram adotados os procedimentos de monitoração propostos em [13].
A. Número de Eventos Registrados por Mês
A Fig. 3(a) ilustra o número de eventos registrados por mês enquanto a Fig. 3(b) ilustra a chuva acumulada mensal, através de níveis de precipitação, na região metropolitana de Belo Horizonte para o mesmo período de monitoração [14]. Os meses com mais eventos registrados foram os meses mais chuvosos. Conforme pode ser observado na Fig. 4, há uma forte correlação entre o número de distúrbios registrados e os níveis de precipitação.
0
5
10
15
20
25
abr/
11
mai
/11
jun/1
1
jul/
11
ago
/11
set/
11
out/
11
nov
/11
dez
/11
jan
/12
fev/1
2
mar
/12
abr/
12
mai
/12
jun/1
2
jul/
12
ago
/12
set/
12
out/
12
nov
/12
dez
/12
Nú
mer
o d
e E
ven
tos
(a)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
abr/
11
mai
/11
jun/1
1
jul/
11
ago
/11
set/
11
out/
11
nov
/11
dez
/11
jan
/12
fev/1
2
mar
/12
abr/
12
mai
/12
jun/1
2
jul/
12
ago
/12
set/
12
out/
12
nov
/12
dez
/12
Pre
cipit
ação
(m
m)
(b)
Figure 1. Fig. 3. Correlação AMT x Precipitação. (a) - número de eventos
registrados no período. (b) - Precipitação em Belo Horizonte no período.
B. Eventos por Tipo de Afundamento e distribuição dos
dirtúrbios entre as fases.
A Fig. 4 ilustra a distribuição dos distúrbios por tipo de
afundamento. Dos 177 eventos registrados, 42% resultaram em
afundamentos monofásicos, 31% em afundamentos bifásicos
(apenas duas fases afetadas) e 27% em afundamentos trifásicos.
Nos afundamentos bifásicos, as fases menos afetadas foram
as fases B e C (19% dos afundamentos bifásicos). Nos
afundamentos monofásicos a fase menos afetada foi à fase C
(14% dos afundamentos monofásicos). A Fig. 5 ilustra a
distribuição percentual dos distúrbios, nas fases, para eventos
bifásicos e monofásicos. Nota-se que equipamentos bifásicos
conectados nas fases B e C e equipamentos monofásicos
conectados na fase C foram expostos a menos distúrbios no
período de monitoração.
Fig. 4. Eventos por tipo de afundamento.
34%
19%47%
AB BC CA
(a)
48%38%
14%
A B C
(b)
Fig. 5. (a) Distruibuição percentual das fases afetadas em eventos
bifásicos. (b) Distribuição percentual das fases afetadas em eventos
monofásicos.
C. Número de Eventos por Hora do Dia.
A Fig. 6 ilustra o número de eventos registrados por hora do dia. Os maiores números de eventos registrados estão compreendidos no horário comercial.
02468
1012141618
00
:00
- 0
1:0
0
01
:00
- 0
2:0
0
02
:00
- 0
3:0
0
03
:00
- 0
4:0
0
04
:00
- 0
5:0
0
05
:00
- 0
6:0
0
06
:00
- 0
7:0
0
07
:00
- 0
8:0
0
08
:00
- 0
9:0
0
09
:00
- 1
0:0
0
10
:00
- 1
1:0
0
11
:00
- 1
2:0
0
12
:00
- 1
3:0
0
13
:00
- 1
4:0
0
14
:00
- 1
5:0
0
15
:00
- 1
6:0
0
16
:00
- 1
7:0
0
17
:00
- 1
8:0
0
18
:00
- 1
9:0
0
19
:00
- 2
0:0
0
20
:00
- 2
1:0
0
21
:00
- 2
2:0
0
22
:00
- 2
3:0
0
23
:00
- 0
0:0
0
Fig. 6. Número de eventos por hora do dia.
D. Número de Eventos por Duração do AMT
A Fig. 7 ilustra o número de eventos registrados por duração do AMT. Eventos com duração entre meio ciclo e 100ms, 74 eventos registrados, representam 42% de todos os distúrbios. Os eventos com duração entre meio ciclo e 300ms, 134 eventos registrados, representam mais de 75% de todos os distúrbios.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Fig. 7. Número de eventos por duração do AMT.
E. Número de Eventos por Nível de Tensão Residual
A Fig. 8 ilustra o número de eventos registrados por nível de
tensão residual. Os AMT de tensão entre 70% e 90% de tensão
residual representam mais de 60% de todos os distúrbios
registrados.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
30% -
40%
40% -
50%
50% -
60%
60% -
70%
70% -
80%
80% -
90%
Fig. 8. Número de eventos por nível de tensão residual.
F. Formas de Onda dos Eventos Registrados
A Fig. 9 ilustra três formas de ondas de diferentes afundamentos momentâneos de tensão registrados.
Fig. 9. Formas de onda registradas.
V. ANÁLISE DOS RESULTADOS
A. Padrão IEEE 1346-1988.
O padrão IEEE 1346-1998 [15] define a “curva de coordenação para afundamentos de tensão”. A construção da curva de coordenação para afundamentos de tensão tem como ponto de partida a tabela de distribuição de distúrbios. Baseado em [15] e com os resultados apresentados nas Fig. 7 e 8, a tabela I ilustra a distribuição de distúrbios do ponto de medição em estudo.
TABELA I – DISTRIBUIÇÃO DE DISTÚRBIOS.
Magnitude 0 - 0.2 0.2 - 0.4 0.4 - 0.6 0.6 - 0.8 0.8 Soma
80% - 90% 48 15 5 3 5 76
70% - 80% 21 9 3 2 2 37
60% - 70% 16 5 2 1 2 26
50% - 60% 13 3 1 1 1 19
40% - 50% 9 1 1 0 1 12
30% - 40% 6 1 0 0 0 7
20% - 30% 0 0 0 0 0 0
10% - 20% 0 0 0 0 0 0
Soma 113 34 12 7 11 177
Tempo (s)
A partir da tabela de distribuição de distúrbios, obtém-se a
tabela de distribuição acumulada de distúrbios, conforme [15],
apresentada na Tabela II. Esta tabela traz informações sobre o
número de afundamentos iguais ou piores aos indicados pelas
características das linhas e colunas.
TABELA II – DISTRIBUIÇÃO ACUMULADA DE DISTÚRBIOS.
Magnitude 0 0.2 0.4 0.6 0.8
90% 177 64 30 18 11
80% 101 36 17 10 6
70% 64 20 10 6 4
60% 38 10 5 3 2
50% 19 4 2 1 1
40% 7 1 0 0 0
30% 0 0 0 0 0
20% 0 0 0 0 0
Tempo (s)
Da tabela de distribuição acumulada de distúrbios, obtêm-se,
por interpolação linear, as curvas de contorno para o
desempenho do sistema em estudo, relativo a afundamentos de
tensão. A Fig. 10 ilustra as curvas encontradas.
Fig. 10. Curvas de coordenação AMT.
B. Curva ITIC
A curva ITIC (Information Technology Industry Council)
[16] vem sendo amplamente utilizada como referência para
classificação das Variações de Tensão de Curta Duração
(VTCD). Desse modo, recomenda-se que a curva ITIC seja
utilizada para analisar se os eventos foram graves o suficiente
para provocarem a queima ou parada de equipamentos
eletroeletrônicos.
Com o conhecimento da curva ITIC [16] e da curva de
coordenação de AMT, ilustrada na Fig. 10, obtém-se, baseado
em [15], na Fig. 11 a informação do número de desligamentos
que ocorreriam durante o período de monitoramento.
Fig. 11. Curvas de coordenação X Curva ITIC.
Dos 177 distúrbios registrados, 26 poderiam ocasionar o mau
funcionamento de equipamentos baseados na curva ITIC
provocando a parada de processos e elevados prejuízos.
VI. COMPESAÇÃO DOS DISTÚRBIOS UTILIZANDO UM
COMPENSADOR SÉRIE DE ONDA QUADRADA
A Fig. 12 ilustra a estrutura básica do compensador série em
onda quadrada baseada em conversores multiníveis dispensando
a modulação PWM de alta frequência e o filtro de saída.
Fig. 12. Compensador série de onda quadrada.
O Compensador Série de Onda Quadrada adiciona uma
tensão em onda quadrada para reduzir o afundamento de tensão.
O inversor de saída modula a amplitude da tensão de onda
quadrada na mesma frequência da tensão da rede, eliminando
desta forma, as altas frequências de chaveamento relacionadas à
modulação por largura de pulso e o filtro senoidal. Estas
simplificações produzem um equipamento mais simples e
compacto [8].
A Tabela III [8] traz a relação entre os afundamentos
compensados e o número de células a serem utilizadas:
TABELA III – RELAÇÃO ENTRE NÚMERO DE CÉLULAS E AFUNDAMENTOS
COMPENSADOS
Número de células Faixa da tensão residual do AMT
1 75% a 90%
2 50% a 90%
3 32% a 90%
4 24% a 90%
5 19% a 90%
De acordo com as informações da Fig. 8, com apenas 2
células seriam compensados 170 eventos (90%) de um total de
177 registrados no período.
VII. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Testes, utilizando um compensador de onda quadrada com
duas células, foram realizados em um microcomputador
Pentium 4, 2Ghz, HD de 80Gb e fonte de alimentação de
350W. A susceptibilidade apresentada pelo microcomputador,
ilustrada na Fig. 13, foi para um AMT com 72% de tensão
residual e duração de 1,5 ciclo.
Fig. 13. Formas de onda, de tensão e corrente, no microcomputador para um
AMT de 72% com duração de 100ms.
Na Fig. 13 são apresentadas as formas de onda de: i) tensão
no barramento CC da fonte, ii) corrente de alimentação da placa
mãe e iii) AMT ao qual o equipamento foi submetido. Após o
início do distúrbio, o microcomputador permanece ligado por
1,5 ciclo e “falha”. Pela Fig. 13, pode-se perceber que houve
uma redução da tensão do barramento CC e da corrente de
alimentação da placa mãe.
A Fig. 14 ilustra, para um mesmo distúrbio, as formas de
onda de tensão e corrente no microcomputador sendo protegido
pelo compensador.
Fig. 14. Formas de onda, de tensão e corrente, no microcomputador sendo
protegido pelo compensador.
Neste caso, o microcomputador permaneceu funcionando
durante todo o distúrbio. Observa-se apesar da tensão no
barramento CC ter sido reduzida, nos instantes iniciais do
distúrbio, não houve mudança na corrente de alimentação da
placa mãe.
VIII. CONCLUSÕES
Há uma forte correlação entre o número de afundamentos
momentâneos de tensão registrados, no ponto do sistema
elétrico em estudo, e o índice pluviométrico na região
metropolitana de Belo Horizonte. Os afundamentos mais
frequentes foram os afundamentos monofásicos, com duração
de até 100ms entre 80% e 90% de tensão residual.
Foi verificado que as fases não estão sendo afetadas na
mesma proporção. Para eventos monofásicos, por exemplo, a
fase C compreende apenas 14% dos eventos. Para eventos em
que duas fases são afetadas, o uso das fases BC compreende
apenas 19% dos eventos. Logo, uma simples substituição da
fase que alimenta o equipamento pode reduzir
significativamente a quantidade de eventos que o equipamento
estará sujeito.
Os equipamentos com a curva de susceptibilidade baseada
na curva ITIC teriam apresentado mau funcionamento em 26
eventos e poderiam ter provocado a parada de processos e
perdas na produção.
O compensador série em onda quadrada apresentou-se como
uma boa alternativa para compensação dos distúrbios
registrados. O compensador, com um número reduzido de
células, se mostra como uma solução eficaz, simples e de baixo
custo.
A monitoração do sistema elétrico representa um
indispensável procedimento para a avaliação da qualidade da
energia elétrica, necessário para caracterização e identificação
dos distúrbios mais frequentes, conhecimento das
características de sensibilidade dos equipamentos e, sobretudo
para a determinação de alternativas de soluções de problemas.
REFERÊNCIAS
[1] Bollen, M. H, “Understanding Power Quality Problems – Voltage Sags and Interruptions,” IEEE Press, New York, USA, 2000.
[2] Dugan, R. C; McGranaghem, M. F; Beaty, H. W; “Electrical Power System Quality,” Ed. McGraw-Hill, 1996.
[3] M. F. McGranaghan, D. R. Mueller, and M. J. Samotyj, “Voltage sags in industrial systems,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol.29, no. 2, pp 397-403, march/april 1993.
[4] Costa, Janaína G. “Avaliação do Impacto Econômico do Afundamento de Tensão na Indústria,”Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Dissertação de Mestrado, Belo Horizonte, 150p.,2003.
[5] Alves, Mario F.; Costa, Janaína G.; Fonseca, Viviane R.C, “Impacto Econômico do afundamento de tensão na Indústria: Uma Metodologia aplicada a grandes redes elétricas,” V SBQEE, Agosto de 2003.
[6] Maia, Reinaldo M. “Caracterização das Variações de Tensão de Curta Duração e seus impactos em uma planta da Indústria Alimentícia,” PPGEE/UFMG, Dissertação de Mestrado, Belo Horizonte, 2011.
[7] Ramos, Álvaro J. P.; Lira, Daniel P. C. P.; Bronzeado, Herivelto S. “Monitoração da Qualidade da Energia Elétrica – Aspectos Práticos,” II SBQEE, São Lourenço /MG, 1997.
[8] Pires, Igor A. “Compensadores Séries de Tensão em Onda Quadrada: Aplicação na Mitigação de Afundamentos de Tensão,” PPGEE/UFMG, Tese de Doutorado, Belo Horizonte, 2011.
[9] I. A. Pires, B. J. Cardoso Filho, e S. M. Silva. “Compensador série de tensão em onda quadrada para mitigação de afundamentos de tensão,” Revista da Sociedade Brasileira de Automática, 2011.
[10] I. A. Pires, B. J. Cardoso Filho e S. M. Silva, “Design Aspects of a Square-Wave Series Voltage Compensator,” IEEE Energy Conversion Conference and Exposition, Phoenix, AZ, USA, 2011.
[11] F. Oliveira, L. Starling, S. Silva, B. Cardoso Filho, “Monitoramento e Análise Da Qualidade Da Energia Elétrica,” 10th IEEE/IAS International Conference on Industrial Applications, Fortaleza, CE, November 5-7, 2012.
[12] National Instruments, “NI-DAQ – User Manual”, National Instruments, 1997.
[13] IEEE Standars Board, “IEEE Std 1159 - 1995 - Recommended Pratice For Monitoring Eletric Power Quality,” USA, 1995.
[14] Instituto Nacional de Meteorologia. Disponível em: http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=tempo/graficos. Acesso em 20 de janeiro de 2013.
[15] IEEE Std. 1346. (1998), “IEEE Recommended Practice for Evaluating
Electric Power System Compatibility with Electronic Process
Equipment,” New York.
[16] Information Technology Industry Council (ITIC). (2000). ITIC (CBEMA)
Application Note.