XVIII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica. Compensação Reativa em Circuitos Secundários Aéreos de Baixa Tensão.

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1 XVIII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI a 10 de outubro Olinda - Pernambuco - Brasil Compensação Reativa em Circuitos Secundários Aéreos de Baixa Tensão. Alessandro Gomes Martins Jules Renato V. Carneiro Helio Tadeu M. de Oliveira Enersul Energias do Brasil Escelsa Energias do Brasil Enersul Energias do Brasil alessandro.martins@enbr.com.br jules.carneiro@enbr.com.br heliotadeu@enbr.com.br José Rubens Macedo Jr. Energias do Brasil Palavras-chave Capacitores BT Conformidade dos níveis de tensão Redução de custos Resolução ANEEL Nº. 505 Resumo alessandro.martins@enbr.com.br O presente trabalho tem por objetivo mostrar a viabilidade técnica e econômica da aplicação de compensação reativa em circuitos secundários aéreos de baixa tensão, através da aplicação de capacitores trifásicos BT, para solução de problemas relacionados à conformidade dos níveis de tensão em regime permanente, visando a atendimento rápido, e de baixo custo, à Resolução ANEEL Nº Como exemplificação, será mostrado caso real de aplicação em empresas do Grupo Energias do Brasil como Enersul (MS) e Escelsa (ES). 1. Introdução Ao final do ano de 2001, foi publicada pela ANEEL a resolução nº. 505, que trata das regras e procedimentos que as concessionárias de energia devem obedecer em relação a conformidade de tensão em regime permanente. Desde sua publicação até o ano de 2007 esta resolução sofreu algumas alterações, contudo alguns pontos chave permaneceram em sua composição, sendo um deles os prazos apertados para solução das não conformidades de tensão detectadas em medições associadas a reclamações e medições determinadas pela ANEEL em amostragens remetidas trimestralmente às concessionárias. Associada aos itens já regulados na resolução nº. 505, temos ainda um cenário futuro mais desafiador sendo desenhado pelos Procedimentos de Distribuição (PRODIST), que em seu módulo 8, propõe a criação de novos indicadores de conformidade e promove a multiplicação em quatro vezes as compensações pagas aos clientes por violação do prazo de atendimento.

2 Para atender as necessidades já existentes e, antevendo os cenários futuros, as Empresas do Grupo Energias do Brasil, adotam práticas que visam minimizar a quantidade de obras em redes BT (Baixa Tensão), dentre elas a utilização de bancos de capacitores BT. Com esta metodologia pode-se, também, promover a melhoria dos níveis de tensão em regime permanente junto ao circuito compensado, de forma a adequar o mesmo aos limites de tensão estabelecidos pela referida Resolução. A aplicação de capacitores em circuitos secundários aéreos de distribuição, é uma técnica de rápida implementação e, principalmente, de baixo custo. 2. Fundamentos Teóricos Os fundamentos da compensação reativa são de conhecimento geral do setor elétrico. Contudo, no intuito de buscar um nivelamento do leitor quanto a estes fundamentos, apresenta-se a seguir um breve equacionamento acerca desses fundamentos. A figura 1 apresenta um circuito secundário genérico, para o qual pretende-se verificar o efeito da conexão de um banco de capacitores junto à barra D, conforme indicado na figura. Figura 1 Circuito secundário genérico. A situação encontrada para queda de tensão no circuito secundário representado na Figura 1 antes e depois do acoplamento do banco de capacitores no ponto de BT encontra-se representada nas equações (1) e (2) respectivamente: Antes: V = ( R + j. X ). I = ( R + j. X )(. I R j. I X ) V = ( R. I ) ( j. R. I ) + ( j. X. I ) + ( X. I ) R X Depois: V = R + j. X. I = R + j. X. I j. I + j. I R ( ) ( )( R X CAP ) ( R. I ) ( j. R. I ) + ( j. R. I ) + ( j. X. I ) + ( X. I ) ( X I ) V =. R X CAP R X X CAP Equação ( 1) Equação ( 2) A representação gráfica das equações acima segue na Figura 2:

3 C R.IX ICAP R.I CAP X.ICAP C X.IR O θ IR VD D R.IR X.IX IX I V Figura 2 Diagrama fasorial V. 2.1 Estudos de Fluxo de Carga Uma etapa importante na aplicação de banco de capacitores BT, trata-se da realização de estudos através de fluxo de cargas em circuitos de baixa tensão onde se deseja aplicar a correção dos níveis de tensão através de compensação reativa. Tomando-se como exemplo o circuito genérico da Figura 3, o primeiro passo a ser observado deve ser o ganho de tensão nas barras (pontos notáveis) ao longo do circuito BT. Na Figura 4 temos o um exemplo comparativo relativo ao circuito genérico da Figura 3: Figura 3 Circuito secundário genérico para estudo de fluxo de carga. Figura 4 Resultado das tensões nas barras antes e após a aplicação de capacitores BT. Ainda com relação ao fluxo de carga, é possível identificar os benefícios esperados relativos à redução das perdas no circuito e do carregamento no transformador de distribuição em função da instalação do banco de capacitores. A Tabela 1 e a Figura 5 apresentam um resumo do cálculo de redução das perdas no circuito:

4 Tabela 1 Cálculo das perdas no circuito com e sem a instalação do capacitor. Perdas kw (%) KWh/Mês KWh/Ano Sem compensação 1,36 2,79% Com compensação 1,10 2,26% Diferença 0,26 0,53% Figura 5 Redução percentual das perdas no circuito secundário com a compensação reativa. Por sua vez, a Tabela 2 e a Figura 8 mostram a redução obtida, via simulação de fluxo de carga, no carregamento do transformador de distribuição. Tabela 2 Cálculo do carregamento do transformador de distribuição com e sem a instalação do capacitor. Carregamento do trafo kva kw kvar Sem compensação 58,86 48,75 33,00 Com compensação 54,89 48,35 25,98 Redução (%) 6,74% 0,82% 21,27% Figura 6 Redução em kva do transformador do circuito com e sem a compensação reativa. Observe que a redução percentual no carregamento do transformador é um pouco superior ao índice médio de crescimento vegetativo anual esperado para o segmento de baixa tensão, podendo tornar viável a postergação de investimentos de maior vulto no circuito secundário. A seguir estaremos mostrando os resultados de aplicação em caso real no sistema de Distribuição de Energia em uma das concessionárias do Grupo Energias do Brasil. 2.2 Aplicação Real de Capacitor BT Para demonstração de caso real da aplicação de capacitores BT em sistemas de distribuição de energia elétrica, iremos utilizar um caso de medição amostral da ANEEL onde foi verificada a não conformidade de tensão através de medição digital desta grandeza na cidade de Dourados (MS). Dentre os clientes sorteados pela ANEEL para verificação dos níveis de tensão de atendimento, um dos circuitos apresentou tensão na faixa precária, ultrapassando o valor permitido de DRPm, conforme gráfico de tensão da Figura 7.

5 Figura 7 Gráfico de tensão de medição amostral determinada pela ANEEL. A partir do momento da verificação da não conformidade de tensão, foram iniciados os estudos para normalização da tensão no circuito objeto da medição. Ao verificar o comportamento da tensão já exibida na Figura 1, identificou-se a possibilidade de aplicação de compensação reativa para melhora dos níveis de tensão. O primeiro passo no estudo segue a orientação do tópico 2.1, ou seja, a realização do fluxo de carga do sistema, primeiramente na configuração normal e posteriormente aplicando-se o banco de capacitor no circuito BT para observação do ganho de tensão nas barras do sistema. Na Figura 8 abaixo segue o comportamento simulado do circuito antes e após a instalação do capacitor BT. Figura 8 Fluxo de carga antes e após a instalação de capacitor BT. O valor a ser aproveitado nesta simulação trata-se do ganho de tensão de 1,3% ou 1,65 volts para tensão nominal de 127 volts. Aplicando-se o ganho de 1,65 volts aos níveis de tensão da Figura 5 e recalculando o valor de DRP para os novos valores de tensão, verificou-se que os valores ficaram dentro dos limites estabelecidos pela Resolução nº 505 da ANEEL, conforme poder ser visualizado na Figura 9.

6 Figura 9 Gráfico de tensão de medição amostral determinada pela ANEEL acrescida de 1,65 volts. Finalizadas as simulações, os próximos passos consistem em instalar o banco de capacitor BT na rede e realizar nova medição para constatação dos ganhos nos níveis de tensão. Na Figura 10 temos o esquema de ligação do capacitor BT bem como imagem do capacitor instalado à rede. Figura 10 Esquema de ligação do capacitor BT à rede. Conforme determina a ANEEL na Resolução nº 505, após a ação corretiva foi instalada nova medição para comprovação da correção nos valores de tensão do ponto de medição amostral. Na Figura 11 temos o comportamento da tensão medida após a instalação do capacitor, bem como o novo valor de DRP, ficando comprovada desta forma a solução do problema através da compensação reativa em circuito BT.

7 2.3 Análise Harmônica Figura 11 Gráfico de tensão com o capacitor em operação. Para verificação do comportamento harmônico do sistema foi instalada medição antes da ativação do capacitor com configuração de taxa de amostragem e gravação de 200ms. Observa-se um leve aumento no THDV em 0,5%, contudo, os valores apresentam-se em patamares aceitáveis dentro do limite de 10% propostos pelo PRODIST. Abaixo segue na Figura 12 o comportamento do THDV durante a ativação do banco de capacitor: Figura 12 THDV durante a ativação do banco. Basicamente, temos que as ordens harmônicas que contribuíram para o aumento do THDV são a 3ª, 5ª e 7ª ordem. Na figura 13 temos o espectro harmônico antes e após a entrada em operação do banco de capacitores.

8 Figura 13 Espectro harmônico de tensão. 2.4 Critérios Técnicos Para Utilização de Capacitores BT Um questionamento que pode surgir ao apresentarmos todas essas vantagens na utilização de capacitores BT pode levar ao leitor deste artigo a perguntar-se se não deveríamos sempre aplicar esta solução a problemas no nível de tensão. Um fato é que o volume de reclamações em que o capacitor BT pode ser aplicado para solucionar problemas de tensão se restringe a parte dos processos com necessidade de melhora nos níveis de tensão. Na Figura 14 podemos visualizar o ganho médio da aplicação de capacitores BT. Em um caso de violação precária temos a possibilidade de solução para problemas de nível de tensão, já para os casos de tensão na faixa crítica, dificilmente a compensação reativa poderia resolver a anomalia nos níveis de tensão. 140 V FAIXA CRÍTICA SUPERIOR FAIXA PRECÁRIA SUPERIOR 133 V FAIXA ADEQUADA 116 V 109 V FAIXA PRECÁRIA INFERIOR FAIXA CRÍTICA INFERIOR GANHO MÉDIO DE TENSÃO = 2,5 Volts GANHO MÉDIO DE TENSÃO = 2,5 Volts Figura 14 Ganho médio de tensão com utilização de capacitor BT. Este ganho deve-se ao fato de termos que limitar os valores de kvar a ser instalado no circuito BT. Esta limitação deve restringir a potência do capacitor a valores ligeiramente inferiores ao consumo do próprio circuito BT. Esta medida serve para evitar problemas como o aumento de perdas técnicas por excesso de reativo na rede, sobretensões nos terminais primários do transformador e no próprio ponto de acoplamento do cliente durante períodos de baixa carga no sistema secundário.

9 2.5 Análise Financeira Um dos pontos fortes da utilização de compensação reativa em baixa tensão está relacionado ao custo da utilização deste tipo de equipamento. A aquisição de capacitores BT gira em torno de R$ 500,00 e a instalação exige poucos equipamentos. Devido ao custo reduzido, a utilização de capacitores BT é uma alternativa extremamente vantajosa frente a obras de melhoria convencionais. Os custos médios de melhorias convencionais podem girar em torno de R$15.000,00, o que suplanta em várias vezes a utilização do banco de capacitor BT. Desta forma, se no período de um ano utilizarmos capacitores BT para atendimento a 10 reclamações, estaremos substituindo um custo de R$ ,00 por outro bem mais barato com montante próximo aos R$ 5.000,00. O simples fato da rápida solução ou mitigação de um problema no nível de tensão já é um ganho financeiro a concessionária, visto que em caso de violação no prazo de correção das anomalias as concessionárias de energia devem calcular e pagar uma compensação financeira ao reclamante e aos demais clientes ligados ao mesmo ponto do reclamante. 2.6 Medição de Carregamento do transformador e fator de potência Outros pontos fortes da utilização da compensação reativa em circuitos secundários são: Redução do carregamento do circuito BT; Aumento da vida útil dos condutores e do transformador; Redução das perdas técnicas; Melhora do fator de potência;etc. Os gráficos a seguir representam os ganhos obtidos no carregamento do transformador e no fator de potência do circuito, mostrando a situação antes e após a instalação do banco de capacitores no circuito. Figura 15 Carregamento em VA antes e após instalação do capacitor.

10 Figura 16 Fator de potência trifásico antes e após instalação do capacitor. 3. Conclusões Tendo as concessionárias a obrigação do cumprimento de prazos apertados para regularização dos níveis de tensão e, visando a redução de custos e otimização dos processos objetos da Resolução nº 505 da ANEEL, verifica-se que a utilização de compensação reativa em circuitos de baixa tensão é uma alternativa viável e bastante atrativa do ponto de vista financeiro e técnico. Temos ainda que outras técnicas já utilizadas no Grupo Energias do Brasil como a utilização de circuitos BT em anel podem ser associadas a compensação reativa visando aumentar o ganho de desempenho em sistemas secundários. 4. Referências bibliográficas e/ou bibliografia Resolução nº 505 ANEEL de 26 de Novembro de 2001.