SCQ/ a 26 de Outubro de 2001 Campinas - São Paulo - Brasil

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1 SCQ/2 21 a 26 de Outubro de 21 Campinas - São Paulo - Brasil STE INTERFERÊNCIAS, COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA E QUALIDADE DE ENERGIA INVESTIGAÇÃO E DIAGNÓSTICO DE SUBTENSÕES DE CURTA DURAÇÃO EM CIRCUITO DE BAIXA-TENSÃO Hermes R.P.M de Oliveira* Nelson C. de Jesus Fausto B. Líbano Carlos E.C. Figueiredo Edson L. Batista Guilherme A.D. Dias AES SUL UNIJUÍ PUC/RS RESUMO Apresenta-se neste trabalho, a análise e o diagnóstico de um caso com subtensões de curta duração relatadas por consumidores comercias/residenciais da AES SUL, alimentados através de um determinado circuito de baixa-tensão. Após diversos monitoramentos da tensão de alimentação do principal consumidor reclamante, realizados com analisadores específicos e de uma detalhada e criteriosa investigação, determinou-se que a causa das perturbações tinham origem no próprio sistema do consumidor comercial, em virtude da operação inadequada de uma de suas máquinas. Mostra-se, então, os principais passos utilizados na análise e as medições que conduziram a identificação dos problemas. PALAVRAS-CHAVE Monitoramento. Diagnóstico. Subtensões de curta duração. Perturbações. Qualidade de energia INTRODUÇÃO Diversos problemas na qualidade de energia afetam de modo significativo a operação de equipamentos sensíveis dos mais variados tipos de consumidores. Esses, por sua vez, partem do princípio que a Concessionária é a responsável pela origem dos problemas que podem ser ocasionados. Casos com grandes consumidores são estudados e amplamente divulgados na literatura técnica, e de um modo geral, envolve tanto o consumidor quanto as empresas fornecedoras, visando alcançar a solução dos problemas e a melhor relação Consumidor Concessionária, provocando grandes envolvimentos entre as partes. Como estes tipos de clientes são em número relativamente reduzido, tendo em vista o total de clientes das empresas de distribuição de energia elétrica, torna-se mais fácil o seu atendimento pela concessionária. Para determinar as causas de problemas na qualidade de energia, utiliza-se como ferramenta fundamental os analisadores específicos (conhecidos como qualímetros ) que auxiliam de forma decisiva nas investigações necessárias de serem efetuadas. Alguns desses equipamentos são capazes até de fornecer informações acerca do sentido mais provável da origem dos distúrbios (3). Outros fatores também são importantes na identificação das origens e causas, como levantamento preciso de informações sobre as perturbações, além da identificação de casos semelhantes existentes na literatura técnica, ao iniciar a análise de possíveis problemas na qualidade da tensão de suprimento (1). Essas experiências adquiridas durante monitoramentos de problemas correlatos muito colaboram no sentido de encontrar as soluções, possibilitando menor tempo na análise e solução dos distúrbios (2). Os medidores são de custos elevados, onerando de forma profunda as despesas de operação das concessionárias (normalmente são serviços contratados), principalmente se for levado em consideração a quantidade de clientes de baixa-tensão (consumidores residenciais, comerciais e pequenas indústrias). Deve-se realçar também os custos de profissionais qualificados da concessionária ou mesmo consultores externos a empresa, envolvidos nos levantamentos, análises e soluções dos problemas. Inclusive, de forma cada vez mais freqüente, tem-se a existência de equipamentos nas instalações internas desses tipos de consumidores que podem levar a um comprometimento da qualidade da energia elétrica fornecida pela companhia distribuidora. Rua Presidente Roosevelt, nº 68, São Leopoldo/RS, CEP: Tel: XX - (51) , Fax: XX - (51) hpoliveira@aessul.com.br

2 2 Este informe técnico apresenta um caso real, com problemas relacionados a um consumidor de baixa tensão, localizado na região metropolitana de Porto Alegre, pertencente a área de concessão da AES SUL - Distribuidora Gaúcha de Energia S/A DESCRIÇÃO E PROCEDIMENTOS ADOTADOS Durante cerca de um ano, um dos consumidores do circuito de BT vinha reclamando constantemente sobre problemas existentes na tensão de alimentação fornecida pela concessionária. Esta por sua vez, durante este período, verificou por diversas vezes as condições técnicas do circuito, tais como: estado do condutor da rede secundária, ramal de ligação, estabilidade da rede secundária, aterramentos existentes na rede de distribuição, quedas de tensão em regime permanente, etc, não encontrando nessas investigações problemas de qualquer natureza. Tendo em vista a continuidade das reclamações, a AES SUL procurou investigar mais detalhadamente o caso. O circuito apresentava constantes variações de curta duração na tensão, as quais solicitavam demasiadamente os estabilizadores de tensão utilizados para alimentação de computadores do consumidor. Visualmente podiam ser observados através das lâmpadas fluorescentes existentes na instalação, com a presença de constantes oscilações na tensão. Realizou-se, então, medições para verificar as características das variações e indicar a provável origem das mesmas. Inicialmente, registrou-se o comportamento da tensão fase-neutro em um setor das instalações que apresentava severas perturbações. Após o início do monitoramento, a concessionária, objetivando deixar claro em curto prazo de tempo que não era a responsável pelos problemas, trocou o consumidor reclamante de circuito. Caso as oscilações neste continuassem, por exclusão, tornaria-se muito provável que ele mesmo as estavam causando. Instalou-se o analisador na medição da concessionária, verificando-se que as variações continuavam a ocorrer fortemente em uma das fases do circuito, sinalizando que a carga do cliente reclamante deveria ser a causadora das perturbações. Outros consumidores deste circuito que antes não observavam problemas, após ser conectado o consumidor reclamante, passaram a queixar-se de problemas de cintilação nas lâmpadas. Retornou-se, então, o consumidor ao antigo circuito que o alimentava, e iniciou-se uma série de medições visando constatar o ponto exato do problema. Em primeiro lugar investigou-se os aterramentos existentes na instalação e verificou-se dois aterramentos isolados para conexão de equipamentos de telefonia, fax e impressoras, além do terra da concessionária no ponto de entrega (medição). Utilizou-se como parâmetro básico nesse ponto a amplitude das oscilações, que poderia apontar o circuito em que estava conectada a carga. Neste momento, realizou-se a delimitação dos circuitos internos de alimentação das cargas e através de uma investigação das correntes de fase, concluiu-se que os problemas decorriam de excessivas correntes demandadas durante a falha de um certo equipamento. Finalmente, realizou-se o teste decisivo em campo, quando os problemas cessaram após o desligamento do referido equipamento. Os procedimentos de monitoramento realizados colaboraram no sentido de alcançar o objetivo final, resolvendo o caso após a eliminação dos problemas e definição que a operação inadequada de uma máquina copiadora causava os constantes distúrbios RESULTADOS DAS MEDIÇÕES Os resultados obtidos durante o monitoramento são apresentados e mostram de forma ilustrativa os passos adotados durante a análise. A seguir, apresenta-se os principais resultados registrados durante a investigação, os quais forneceram subsídios para a determinação da origem dos problemas Medição 1 (tensão fase-neutro) Como os problemas eram constantes e quase permanentes, a primeira medição já indicou as variações que perturbavam a operação do consumidor. A Figura 1 mostra a tensão fase-neutro medida em um ponto da instalação, utilizado para a alimentação de computadores. Observa-se um comportamento com variações repetitivas, as quais afetavam significativamente a operação dos equipamentos sensíveis. Durante o referido período, as tensões mínima, média e máxima, foram respectivamente de 17, 125,7 e 127,9 [V], o que representa um afundamento de 15,75% em relação ao valor nominal. Portanto, caracteriza-se as perturbações como eventos de relativa intensidade, além de uma freqüência de ocorrência bastante alta. Durante alguns períodos as variações na tensão diminuíam, conforme relato do consumidor. A Figura 2 mostra um detalhe das variações RMS, onde verifica-se as características e típicos intervalos entre os distúrbios TENSÃO FASE-NEUTRO (RMS) 15 11:15 11:3 11:45 12: 12:15 12:3 12:45 13: 13:15 13:3 CHA Vrms MEDIÇÃO 1 - AES SUL 11/5/ 11:15:, - 11/5/ 13:3:, FIGURA 1 - Comportamento da tensão fase-neutro

3 TENSÃO FASE-NEUTRO (RMS) TENSÕES INSTANTÂNEAS :19 11:2 11:21 11:22 11:23 11:24 11:25 11:26 CHA Vrms MEDIÇÃO 1 - AES SUL 11/5/ 11:19:, - 11/5/ 11:26:, FIGURA 2 - Detalhe das variações na tensão A Figura 3 ilustra as características na forma de onda da tensão durante um dos afundamentos ocorridos (Voltage Sags) TENSÃO INSTANTÂNEA -2 11:22:4,18 11:22:4,2 11:22:4,22 11:22:4,24 11:22:4,26 11:22:4,28 11:22:4,3 CHA MEDIÇÃO 1 - AES SUL AV RMS Lo to Norm at 11/5/ 11:22:4,275 Threshold Crossed: 12. V Out Of Limit Max/Min: V Duration Out Of Limits:.86 Sec. FIGURA 3 - Afundamento de Tensão -2 16:15:11,8 16:15:11,82 16:15:11,84 16:15:11,86 16:15:11,88 16:15:11,9 16:15:11,92 CHA CHB CHC MEDIÇÃO 2 - AES SUL AV RMS Lo to Norm at 11/5/ 16:15:11,881 Threshold Crossed: 12. V Out Of Limit Max/Min: V Duration Out Of Limits:.5 Sec. FIGURA 5 - Tensões fase-neutro com afundamento na fase A Tensão neutro-terra A variação da tensão neutro-terra do sistema pode dar suporte a análise e determinação da origem de distúrios. Neste caso, uma elevação deste potencial em função do aumento da corrente de neutro induz como provável origem do distúrbio a própria carga (2). A Figura 6 apresenta o comportamento da tensão neutro-terra durante um certo intervalo, onde sofre variações significativas, comprometendo, portanto, a característica da tensão RMS em uma das fases. A Figura 7 apresenta a tensão instantânea (neutro-terra) durante uma das perturbações Medicão Tensões trifásicas A Figura 4 apresenta os resultados da medição executada na entrada do consumidor durante sua operação normal, através da obtenção das tensões das fases A, B e C. Conforme os resultados anteriores, a fase A é aquela que apresenta variações mais significativas, entretanto, as demais fases também sofrem variações, com um pequeno aumento no valor eficaz. As formas de onda das tensões medidas durante uma das típicas variações de curta duração são mostradas na Figura 5. TENSÕES FASE-NEUTRO (RMS) 14 FIGURA 6 - Comportamento da tensão neutro-terra :6 16:7 16:8 16:9 16:1 16:11 16:12 16:13 16:14 16:15 16:16 MEDIÇÃO 2 - AES SUL 11/5/ 16:6:, - 11/5/ 16:16:, FIGURA 4 - Comportamento das tensões de fase na entrada do consumidor FIGURA 7 - Tensão neutro-terra

4 Medição 3 (circuito paralelo) Esta medição foi realizada após a alteração do circuito de baixa tensão e respectivo transformador de alimentação do consumidor. Neste caso, tem-se condições de avaliar a correlação entre o circuito de baixa tensão e os problemas relatados. Os resultados mostram que as variações permaneceram basicamente com o mesmo comportamento.. A Figura 8 mostra os resultados da medição através do comportamento dos valores RMS das tensões de fase TENSÕES DE FASE :53:59,995 1:54:, 1:54:,5 1:54:,1 1:54:,15 1:54:,2 CHA CHB CHC MEDIÇÃO 4 - AES SUL Timed event at 2/6/ 1:54:, FIGURA 1 -Tensões fase-neutro do transformador Medição 5 (circuito interno de distribuição) :25 17:3 17:35 17:4 17:45 17:5 MEDIÇÃO 3 - AES SUL 26/5/ 17:25:, - 26/5/ 17:5:, FIGURA 8 - Comportamento das tensões Esta medição permaneceu na entrada do quadro dos disjuntores de proteção do consumidor (CD), e mostra claramente que as perturbações ocorrem somente durante o período de funcionamento normal do cliente, indicando como causa a operação sob carga do consumidor. A Figura 11 ilustra o comportamento das tensões de fase, as quais sofrem as variações somente durante o horário comercial. A Figura 12 mostra mais um afundamento típico, registrado no final do período de expediente do consumidor Medição 4 (secundário do transformador) 13. Esta medição permaneceu aproximadamente por uma hora e refere-se ao ponto de suprimento logo na saída do transformador que alimenta o consumidor. Destaca-se que a intensidade e propagação de distúrbios dependem de sua localização e do ponto de monitoramento (2). A Figura 9 mostra o comportamento da tensão nos terminais do transformador da rede de distribuição, que apresenta comportamento normal e basicamente equilibrado. Portanto, mais um indicativo importante, confirmando a suspeita que a origem dos problemas seja interna ao consumidor. A Figura 1 ilustra as ondas das tensões de fase, as quais são praticamente senoidais sem as típicas variações intermitentes :2 1:3 1:4 1:5 11: 11:1 11:2 MEDIÇÃO 4 - AES SUL 2/6/ 1:2:, - 2/6/ 11:2:, FIGURA 9 - Tensões terminal do transformador : 2: 22: : 2: 4: 6: 8: 1: MEDIÇÃO 5 - AES SUL 2/6/ 18::, - 21/6/ 1::, FIGURA 11 - Comportamento das tensões de fase no consumidor (CD) TENSÕES DE FASE -2 18:1:35,56 18:1:35,58 18:1:35,6 18:1:35,62 18:1:35,64 18:1:35,66 18:1:35,68 CHA CHB CHC MEDIÇÃO 5 - AES SUL BV RMS Lo to Norm at 2/6/ 18:1:35,635 Threshold Crossed: 116. V Out Of Limit Max/Min: V Duration Out Of Limits:.32 Sec. FIGURA 12 - Tensões fase-neutro sob carga (afundamento de tensão)

5 Medição 6 (diagnóstico final) Procedendo no sentido de encontrar a real localização dos distúrbios, foram também realizadas medições observando o comportamento da corrente que alimenta o circuito sob investigação. Após restringir a análise na fase que apresentava as variações mais severas, foram realizados testes nos respectivos circuitos, quando verificou-se que um determinado setor e equipamento ( máquina copiadora), solicitava excessivas correntes exatamente nos momentos das subtensões de curta duração (Voltage Sags) CORRENTE DE FASE (RMS) A Figura 13 mostra as tensões RMS obtidas durante este monitoramento. A partir das 17: hs, quando ocorriam diversas perturbações, efetuou-se testes para comprovação final do equipamento perturbador. Às 17:6 hs foi aberto o disjuntor que alimentava o circuito da máquina copiadora, sendo que as tensões voltaram a condição normal. Após aproximadamente 1 minutos, conectou-se novamente a copiadora, e as tensões voltaram a apresentar variações significativas. Neste instante, definiu-se que a causa das perturbações era decorrente do mal funcionamento da copiadora, a qual foi desligada por volta das 17:49 hs e novamente interrompeu a seqüência dos constantes afundamentos na tensão de uma das fases : 17:1 17:2 17:3 17:4 17:5 18: CHB Irms 21/6/ 17::, - 21/6/ 18::, FIGURA 14 - Corrente de fase no circuito de alimentação da copiadora Após a correta determinação do equipamento responsável pelos distúrbios, comprova-se que a causa das subtensões momentâneas são as elevadas correntes solicitadas durante a operação inadequada do mesmo. As Figuras seguintes destacam simultaneamente as tensões e correntes de diversos eventos que mostram as variações momentâneas de tensão em função das respectivas elevações de corrente : 17:1 17:2 17:3 17:4 17:5 18: 21/6/ 17::, - 21/6/ 18::, FIGURA 13 - Comportamento das tensões no quadro de distribuição Relata-se que elevações da corrente na mesma fase foram monitoradas durante quase todo o período desta medição e coincidem com os instantes dos distúrbios, conforme ilustra a Figura 14. A referida copiadora, funcionando em modo Stand-By solicitava aproximadamente um valor de,5 [A], e, subitamente, drenava uma excessiva corrente durante alguns ciclos, corrente esta que provocava as subtensões momentâneas. Deve-se salientar, que os valores máximos das correntes não foram registrados pelo equipamento de medição em função da saturação do transformador de corrente. Neste caso, estima-se que as correntes (valores de pico) durante os distúrbios ficaram superiores a 5 [A] :1:4,88 17:1:4,9 17:1:4,92 17:1:4,94 17:1:4,96 17:1:4,98 17:1:4, CHB CHB BV RMS Norm to Lo at 21/6/ 17:1:4,931 Threshold Crossed: 116. V FIGURA 15 - Tensão e corrente da fase com distúrbios :1:34,69 17:1:34,7 17:1:34,71 17:1:34,72 17:1:34,73 17:1:34,74 17:1:34,75 CHB CHB BV RMS Norm to Lo at 21/6/ 17:1:34,712 Threshold Crossed: 116. V 4 FIGURA 16 - Tensão e corrente da fase com distúrbios

6 :1:35,16 17:1:35,18 17:1:35,2 17:1:35,22 17:1:35,24 17:1:35,26 17:1:35,28 CHB CHB BI Peak Norm to Hi at 21/6/ 17:1:35,195 Threshold Crossed: 15. A 4 FIGURA 17 - Tensão e corrente da fase com distúrbios :21:33,45 17:21:33,5 CHB CHB 17:21:33,65 BV RMS Lo to Norm at 21/6/ 17:21:33,545 Threshold Crossed: 116. V Out Of Limit Max/Min: V Duration Out Of Limits:.32 Sec FIGURA 18 - Tensão e corrente da fase com distúrbios 4. - CONCLUSÕES Os resultados obtidos mostraram constantes variações de curta duração principalmente na tensão de uma das fases, o que implica em diversos transtornos operacionais aos consumidores. Durante a operação normal, verificou-se um forte desequilíbrio, através das medições instantâneas das correntes e conseqüente queda de tensão na respectiva fase. Foram realizados testes como desligamento do consumidor durante o monitoramento e investigação detalhada da origem dos distúrbios. Observou-se que somente após a energização do consumidor, as típicas variações de tensão voltaram a ocorrer. De qualquer modo, recomendou-se um remanejo e balanceamento da carga, já que a fase dos distúrbios era a mais solicitada. O comportamento das variações de tensão indicou uma interação, no momento de chaveamentos da carga e elevada corrente demandada, com consideráveis quedas momentâneas, suficientes até mesmo para afetar a operação de lâmpadas fluorescentes. Durante os testes, verificou-se também elevações da tensão neutro-terra durante os afundamentos de tensão, o que indica como provável causa a própria carga, (2). Recomendou-se a interconexão entre os circuitos de terra existentes, buscando obter desta forma uma equipotencialidade entre os pontos de aterramento. Salienta-se que mesmo após esta medida, as perturbações continuaram a ocorrer. Seguindo o monitoramento, observou-se as mesmas variações repetitivas, apesar que, neste caso, o circuito de alimentação do consumidor foi alterado, sendo suprido através de um diferente transformador e rede de baixa tensão. Os resultados indicaram que logo na saída do transformador não ocorriam as variações momentâneas de tensão. A medição realizada no circuito de distribuição das cargas, comprovou que as perturbações ocorriam somente durante o regime de funcionamento do consumidor, portanto, a carga apresenta influência direta nas perturbações registradas. Finalmente, a última medição mostrou as variações da corrente e tensão respectivas à fase problemática, onde conclui-se que a operação incorreta de uma máquina copiadora comum, solicitava excessivas correntes que geravam as subtensões momentâneas, e logo após seu desligamento, as tensões do sistema se normalizaram. Portanto, devese verificar os eventuais defeitos deste equipamento e realizar sua manutenção corretiva, para que o próprio consumidor e os demais clientes não sejam afetados com constantes afundamentos da tensão. Ressalta-se que somente após uma detalhada investigação e colaboração dos agentes envolvidos, pôde-se determinar a real causa dos distúrbios, que neste caso, apresentou como origem dos problemas a operação inadequada de um equipamento interno ao consumidor. Sendo assim, as medições realizadas foram fundamentais para eliminar com sucesso os problemas encontrados e mostram porque atualmente a qualidade de energia é um fator estratégico para as empresas de energia elétrica e seus consumidores. Um importante aspecto a destacar nesta investigação, refere-se ao envolvimento entre concessionária e consumidor com problemas na qualidade de energia, pois em função da origem e causa das perturbações, deveria-se estabelecer critérios e resoluções, contemplando, ou responsabilizando cada uma das partes, no que tange aos esforços, medidas e recomendações visando a eliminação dos distúrbios na qualidade de energia REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Dugan, R.C., Mcgranaghan, M.F., Beaty, H.W. Eletrical Power Systems Quality. Mcgraw-Hill, New York, (2) Jesus, N.C. Identificação e Diagnóstico com Analisadores de Qualidade da Energia. Revista Eletricidade Moderna, nº 311, Fev./2. (3) Dranetz Technologies, INC. The Dranetz Field Handbook for Power Quality Analysis