qualidade da energia eléctrica: perturbações e ... · de electrotecnia 3 especificidades do ......

Qualidade da Energia Eléctrica: Perturbações e Soluções Reparadoras

Luís Oliveira

Jornadas Técnicas de Electrotecnia07-11-2012

Departamento Engenharia Electrotécnica

Jornadas Técnicas de Electrotecnia

2

Conceito de Qualidade da Energia Eléctrica

Qualidade de Energia Eléctrica (QEE):

A energia fornecida por um sistema eléctrico tem

qualidade quando garante o funcionamento do

equipamento eléctrico, sem que se verifiquem

alterações de desempenho significativas.

Fonte: Manual da Qualidade de Energia Eléctrica, EDP.


3

Especificidades do produto electricidade

O produto electricidade:Armazenamento muito limitado – é produzido praticamente ao mesmo tempo que é consumido.

Consumidores diferentes têm exigências de qualidade de serviço diferentes

A qualidade pode ser afectada pelo fornecedor, pelo distribuidor ou pelo cliente

A rede de distribuição tem um forte impacto na qualidade da electricidade

São frequentes e imprevisíveis os acidentes com forte impacto na qualidade


4

Importância da Qualidade da Energia Eléctrica

Utilização do termo "Power Quality" em títulos/resumos/palavras‐chave de artigos publicados


5

Importância da Qualidade da Energia Eléctrica

Custos inerentes às interrupções de tensão:

Fonte: Manual da Qualidade de Energia Eléctrica, EDP.


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O que é a qualidade no produto energia?

Continuidade de serviço (Fiabilidade)

Ausências de interrupções (continuidade de tensão, caracterizada pela frequência e duração das interrupções de fornecimento de energia eléctrica)

Qualidade da onda

Amplitude constante com valor nominal

Frequência constante

Sistema de tensões equilibrado e simétrico

Distorção harmónica

Qualidade comercial

Atendimento (presencial ou telefónico)

Informação disponibilizada (Contratos, opções, serviços, reclamações, facturação, etc)

Padrões para a qualidade comercial

Fonte: Humberto Jorge; Acetatos da disciplina de Qualidade de Energia; DEEC-FCTUC


7

Alteração da natureza das cargas

Desde o início do século XX até 1970’s

Sector em permanente expansão e sem grandes problemas com a Qualidade de Energia

Cargas robustas e pouco poluidoras

Cargas lineares: resistivas, indutivas e capacitivas

Não Lineares: fornos a arco, transformadores …

Após 1970

Aparecimento do transístor (e tiristor) e electrónica de potência

Proliferação de cargas não lineares, altamente poluidoras

Cargas simultaneamente mais sensíveis e mais perturbadoras da qualidade de energia



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Perturbações na Qualidade de Energia

Processo ainda assente maioritariamente em grandes centros produtores.

Funcionamento síncrono.

Oferta = procura em cada instante.

Sistema Distribuído de T&D até às cargas.

A QEE no local de geração.

Degradação introduzida pelo sistema de T&D.

Degradação introduzida pelas cargas.

Fontes: Traça de Almeida, Qualidade de Energia Eléctrica, ISR, (www.edp.pt)


9

Tipos de perturbações na QEE

Algumas perturbações:

Interrupções (curtas ou longas)

Cavas de tensão

Sobretensão momentânea

Tensões harmónicas

Ruído (interferência electromagnética)

Inter-harmónicos

Tremulação (flicker);

Micro-cortes

Sobretensões transitórias;

Desequilíbrio da tensão trifásica;

Oscilações da frequência

Tensão

1 min Duração3 min

100 %110 %

1 %

Cavasde

tensão

Transitórios

Flutuações de tensãoFlutuações de tensão

Interrupções breves Interrupções longas

Abaixamentos de tensão

Sobretensões

10 ms

90 %

Fonte: A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt).


10

Perturbações registadas em MT em Portugal

Caracterização das perturbações à entrada de uma instalação industrial Região Centro de Portugal, ano de 2003.

Número de perturbações


11

Perturbações na QEE: Interrupção momentânea

Interrupção momentânea: a tensão de alimentação, no ponto de entrega ao Cliente, é inferior a 1% da tensão declarada:

Classificada consoante a duração:

longa: (duração superior a 3 minutos) provocada por um defeito permanente;

breve: (duração não superior a 3 minutos) provocada por um defeito transitório.

Classificada consoante o tipo:

interrupção prevista

interrupção acidental

Fontes:J. L. Afonso e J. S. Martins, "Qualidade da energia eléctrica"; Revista o Electricista, 2004.


12

Regulamento de Qualidade de Serviço

Energia Não Fornecida (ENF), em Watt‐hora

Tempo de Interrupção Equivalente (TIE), em minutos

Tempo de Interrupção Equivalente da Potência Instalada (TIEPI), em minutos

System Average Interruption Frequency Index (SAIFI) – Frequência Média das Interrupções do Sistema, em número de interrupções por ponto de entrega

System Average Interruption Duration Index (SAIDI) – Duração Média de Interrupções do Sistema, em minutos

Momentary Average Interruption Frequency Index (MAIFI) – Frequência Média das Interrupções Breves do Sistema, em número de interrupções por ponto de entrega

Average Service Availability Index (ASAI) – Disponibilidade Média do Sistema, em %

Costumer Average Interruption Duration Index (CAIDI) – Duração Média das Interrupções no Ponto de Entrega, em minutos por interrupção

Indicadores de continuidade de tensão


13

Perturbações na QEE: Cavas de tensão

Cavas de tensão (voltage sag ou voltage dip)

Diminuição brusca da tensão para valores

entre 90% e 1% do valor nominal. A maior

parte das cavas de tensão dura menos de 1

minuto e tem uma amplitude inferior a 60%

As causas mais frequentes são os defeitos e as manobras na rede, as anomalias nas instalações dos consumidores, a ligação/desligação de cargas importantes

Fonte:Schneider-Electric, Cahier Technique no. 199, Power Quality.


14

Cavas de tensão: origem

Origem das cavas de tensão em redes de T&D

AT

MT

Saída 2

Saída 1

t1

U1Un

tI1

In

tU2Un

t0 t

Cliente alimentado pela saída 2

Caso de um defeito permanente

U1Un

tI1

In

tU2

Un

t0 t1 t


Caso de um defeito transitório



t2

t3 t4 t5t2

Caso de defeito permanente



15

Cavas de tensão: exemplos

Amplitude: 32% Duração: 95ms





16

Cargas mais sensíveis a cavas

Cargas mais sensíveis a cavasEquipamentos electrónicos

Baseados em microprocessadores (computadores e periféricos),

Redes de comunicação

Sistemas de telecomunicações

Controladores lógicos, autómatos (reset)

Accionamentos com variadores electrónicos de velocidade

V I

Contactores

Iluminação

Transformadores (sobrecorrente transitória no restabelecimento)



Transformadores: sobrecorrente transitória pós‐cava

17

Tensões

Correntes


18

Curvas CBEMA e ITIC

Curva CBEMA (Computer and Business Equipment Manufacturers Association):

estabelece os limites admissíveis, para os quais o equipamento informático e de escritório

deve funcionar adequadamente. Esta curva, indicativa, apresenta os limites de tolerância do

equipamento para cavas de tensão, interrupções breves e sobretensões.

Região segura de operação

Zona proibida de baixa perigosidade

Zona proibida de alta perigosidade

106%

87%

1000100Ciclos

101 1000,10,001 0,01

Tensãonominal %

100%

50%

0%

150%

200%

250%

300%

20 mseg. 200 mseg. 2 seg. 20 seg.2 mseg.200microseg.

2

1

3

1

Tensão dentro dos limites.

Sobretensão de muito curta duração.

Cava de longa duração.

Interrupção de 2 segundos.

10 seg.

0,5

3

1

2

4

4

Banda de variação permitida 87 – 106% Valor Nominal

Base da EN 50160, do RQS, ...


19

Curva ITIC

Curva ITIC (Information Technology Industry Council):

A curva CBEMA foi revista em 1996, surgindo uma nova versão conhecida como CBEMA

96 ou curva ITIC. Posteriormente, em 2000, também esta curva foi revista.

Zona de robustezdas cargas


20

Perturbações na QEE: Sobretensão transitória

0.85 0.9 0.95 1 1.05‐30

‐20

‐10

0

10

20

30

(s)

iL1iL2iL3

Sobretensão transitória (voltage swell):

Pode ser provocada, entre

outros casos, por situações

de defeito ou operações de

comutação de equipamentos

ligados à rede eléctrica.


21

Sobretensões

Classificação de sobretensõesBaixa frequência – Quando ocorrem à frequência do sistema (50Hz)

Alta frequência – Apresentam frequências muito superiores a 50Hz

Sobretensões transitóriasVariações extremamente rápidas da tensão, com durações tipicamente compreendidas entre os micro e os milisegundos

Duração Frequência (ou taxa de crescimento)

Amortecimento com a distância

Descargas atmosféricas Muito curta (s) Muito alta ( até 1.000 kV/s) Forte Descargas electrostáticas Muito curta (ns) Alta (10MHz) Muito forte

Comutação Curta (ms) Média (1 a 200 kHz) Médio Sobretensões temporárias à frequência do sistema

Longa (s) ou Muito longa (h) 50 Hz Não existe



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No Sistema Eléctrico (fornecedor)

Comutação de Condensadores

Muito comuns na compensação do factor de potência

Amplificação devido a fenómenos de ressonância no sistema deenergia

Descargas Atmosféricas

Nas instalações do utilizador final

Dispositivos de electrónica de potência

Iluminação

Fenómenos de comutação de cargas

Fontes de Sobretensões Transitórias


23

Comutação de baterias de condensadores


24

Comutação de baterias de condensadores

Reguladorestempo real

Cartas de controlo

Comutação com conversortiristorizado

Comutação electromecânica

Bateria de condensadores regulada por sistema de electrónica de potência

Ausência de transitórios

Comutação em tempo real


25

Perturbações na QEE: Distorção harmónica

Distorção harmónica: :

Distorção harmónica: quando existem cargas não lineares ligadas à rede eléctrica

a corrente que circula nas linhas contém harmónicos e as quedas de tensão

provocadas pelos harmónicos nas impedâncias das linhas faz com que as tensões

de alimentação fiquem também distorcidas.



26

Distorção harmónica

Origem da distorção harmónicaCargas não-lineares – Apresentam impedância variável emfunção da tensão de alimentação A corrente absorvida não éproporcional à tensão, assumindo formas de onda não sinusoidais

Fontes de alimentação electrónicas

Lâmpadas de descarga

Transformadores em regime de saturação


27

Harmónicos ‐ análise de Fourier


Influência da carga na distorção da tensão

Medido na Alemanha em 30/06/ 2002, 14:30

Final do mundial Alemanha‐Brazil!

Fonte: Stefan Fassbinder: New Loads on Old Systems

Tens

ão s

impl

esTe

nsão

com

post

a


29

Distorção harmónica total (THD)

A distorção harmónica total (THD) da tensão está a crescer a uma taxa de 1% em cada 10 anos

Distorção harmónica total (desactualizada)

Distorção harmónica total IEEE 519 – 1992 e NP EN 50160

2( )2 2 2 2 2

( ) 1( ) 2( ) 3( ) 4( )2

( ) ( ) ( )(%)

h efef ef ef ef efh

ef ef ef

GG G G G G

THDG G G

2( )2 2 2 2 2

1( ) 2( ) 3( ) 4( )2

1( ) 1( ) 1( )(%)

h efef ef ef ef efh

ef ef ef

GG G G G G

THDG G G

: tensão ou correnteG

IEC, “International Electrotechnical Vocabulary- chapter 131: Electric and magnetic circuits,” 1978.


30

Origem da distorção harmónica

Rectificadores

Variadores electrónicos de velocidade


31

Origem da distorção harmónica

Sistemas de iluminaçãoBalastros tradicionais: THDi entre 15 % a 20 %

Balastros electrónicos: THDi 40 % (antigos) … 10 % (modernos)

Lâmpadas fluorescentes compactas (CFL): THDi até 150 %

CFL


32

Consequências da distorção harmónica

Equipamento electrónico

Bastante sensível … e, frequentemente, o mais perturbador

Perdas por efeito de Joule

Perdas por efeito pelicularA circulação de uma corrente alternada num condutor tende a ser efectuada na sua periferia, aumentando a resistênciado condutor comparativamente com uma corrente contínua

Este fenómeno aumenta com a frequência…

Consequência em baterias de condensadores

A presença de harmónicas de tensão faz circular

nos circuitos com condensadores correntes superiores

à corrente nominal porque

12CX

fC


33

Consequências dos harmónicos em baterias de condensadores


mA

NL1 L2 L3

Uma carga convencional, aproximadamente linear, RL


Efeitos no condutor de neutro

Duas cargas convencionais, aproximadamente lineares, RLTrês cargas convencionais, aproximadamente lineares, RL

Corrente no neutro

Tensão de fase

Jornadas Técnicas de ElectrotecniaUma carga electrónica

mA

N

Duas cargas electrónicas

L1 L2 L3

Três cargas electrónicas


Corrente no neutro

Tensão de fase


36

Efeitos no condutor de neutro

Detecção com recurso a termografia


37

Consequências em transformadores de potência

Aumento da vibração e do ruído audível

Aumento das perdasRedução da potência nominal: factor K (CENELEC)


38

Consequências em equipamento de medida

TRMS Convencional


39

Perturbações na QEE: interferência electromagnética

Ruído (interferência electromagnética):

Ruído (interferência electromagnética): corresponde ao ruído electromagnético de

alta-frequência, que pode, por exemplo, ser produzido pelas comutações rápidas

dos conversores electrónicos de potência.


40

Perturbações na QEE: Inter‐harmónicos

Inter‐harmónicos:

surgem quando há componentes de corrente que não estão relacionadas com a

componente fundamental (50 Hz);

Fontes:J. L. Afonso e J. S. Martins, "Qualidade da energia eléctrica“Revista o Electricista, 2004.


41

Perturbações na QEE: Tremulação (flicker)

Tremulação ou Flutuação da tensão (flicker):

acontece devido a variações intermitentes de certas cargas, causando flutuações

nas tensões de alimentação (que se traduz, por exemplo, em oscilações na

intensidade da iluminação eléctrica).

Origem:

Fornos de arco

Equipamento de soldar

Motores de indução



42

Perturbações na QEE: Micro‐cortes de tensão

Micro‐cortes de tensão (notches):

consistem em pequenos cortes periódicos na forma de onda da tensão


43

Perturbações na QEE: Desequilíbrio da tensão

Desequilíbrio da tensão

Quando os valores eficazes das tensões nas fases ou as

desfasagens entre tensões de fases consecutivas, num sistema

trifásico, não são iguais.

Origem na má distribuição das cargas numa rede de distribuição, ou quando estamos em presença de significativascargas monofásicas.


44

Quantificação do desequilíbrio de tensões

Grau de desequilíbrio inverso:

Grau de desequilíbrio homopolar:

iinv

d

VuV

0homop

d

VuV

Alternativamente:


Exemplo de desequilíbrio de tensões

45


46

Consequências do desequilíbrio de tensões

Consequências em motores de indução


Algumas soluções reparadoras

47

Custo das soluções de QEE em função do ponto de intervenção

1 – Equipamento crítico

2 – Processo

3 – Instalação

4 – Rede de distribuição


48

Mitigação da distorção harmónica ‐ Filtros

Filtros harmónicos passivosSérie e paralelo


49

Filtros activos

Filtros activos


50

Filtros activos

Filtro activo paralelo


51

Filtros activos

Filtro activo série


52

Mitigação de interrupções – UPS

UPS estática

online

standby


53

Mitigação de interrupções – UPS

UPS dinâmica


54

Mitigação de interrupções – Armazenamento de energia

Baterias electroquímicas

Baterias electromecânicas ("Flywheels")


55

Mitigação de interrupções – Armazenamento de energia

Condensadores e supercondensadores

Bobinas supercondutoras

Supercondensador com 2500 F (7200 J)(dim. : 160x60x60 mm, peso : 720 g)

Com bobina supercondutora

Tempo

Tempo

Tensão Duração da falta ~8 s

Sem bobina supercondutora


56

QEE ‐ Perspectiva

Melhores tecnologias de UPS com Gen-Setse “Ride Through Capability”

3,15 segundos99,999997

Valor ideal para a qualidade da energia.3,15 milisegundos99,9999999910

Energia é efectivamente adequada às actuais aplicações da economia digital.

31,5 milisegundos99,99999999

Valor mínimo exigido pelas cargas da nova economia.

31,5 segundos99,99996

Valor máximo atingível com sistemas de P&T&D tradicionais.

52,5 minutos99,994

Valor disponibilizado pelo sistemas de P&T&D tradicionais

8,7 horas99,93

Tecnologias associadas / ExigênciasTempos de interrupção

por anoFiabilidade

(%)Nº de noves

Melhores tecnologias de UPS com Gen-Setse “Ride Through Capability”

3,15 segundos99,999997

Valor ideal para a qualidade da energia.3,15 milisegundos99,9999999910

Energia é efectivamente adequada às actuais aplicações da economia digital.

31,5 milisegundos99,99999999

Valor mínimo exigido pelas cargas da nova economia.

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Valor máximo atingível com sistemas de P&T&D tradicionais.

52,5 minutos99,994

Valor disponibilizado pelo sistemas de P&T&D tradicionais

8,7 horas99,93

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por anoFiabilidade

(%)Nº de noves

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