Ferramenta Computacional para Análise de Variações Momentâneas de Tensão

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1 1 Ferramenta Computacional para Análise de Variações Momentâneas de Tensão Anésio de Leles F. Filho* (Msc), Marco A. de Oliveira (PhD), Samuel S. T. Soares, Arthur Assumpção, Cláudio A. F. Matos. Resumo-- Este trabalho visa apresentar uma ferramenta computacional criada a partir da linguagem de programação do MatLab, para a análise das variações momentâneas de tensão. A partir de medições utilizando-se os mais variados tipos de instrumentos, são formados bancos de dados que poderão ser caracterizados, classificados, analisados e interpretados segundo diversas normas e recomendações. Para a quantificação e qualificação dos afundamentos e elevações, foi idealizada e desenvolvida uma metodologia que, dentre várias ações, ilustra gráficos com os valores de tensão em função do tempo, com a distribuição de probabilidade de ocorrências de afundamentos versus a amplitude do afundamento, e com a distribuição de probabilidade de ocorrências de afundamento versus o tempo de duração do fenômeno. Indubitavelmente, esta ferramenta tende a consolidar-se como uma metodologia de grande utilidade para concessionárias, universidades e profissionais interessados na apreciação deste importante fenômeno. Palavras Chave Afundamentos de tensão, Elevações de tensão, Caracterização e Classificação de eventos O I. INTRODUÇÃO assunto Qualidade da Energia Elétrica, ou simplesmente Qualidade de Energia (QE), ganhou maior destaque nos dias de hoje com a evolução tecnológica dos equipamentos eletrônicos que demandam um sinal isento de imperfeições na tensão e na corrente para manterem um perfeito padrão de funcionamento [1]. Aliado ao desenvolvimento tecnológico cada vez mais presente nas sociedades veio um incremento no grau de exigência da qualidade da energia necessária à preservação dos equipamentos e da manutenção da produção sem interrupções surpresas. Neste ínterim, e diante de um mercado globalizado, cada vez mais competitivo, torna-se indispensável a busca pelo desenvolvimento e melhoria da energia provida aos usuários, reduzindo-se as supressões econômicas advindas da poluição elétrica [1]. Ademais, um elevado número de interrupções nos processos industriais, mesmo sem interrupção no Samuel Sá Teles Soares, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Brasília, Brasília, DF, Brasil ( samuelsateles@gmail.com). Arthur Assumpção, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Brasília, Brasília, DF, Brasil ( arthurene@gmail.com). Cláudio Alexandre Faustino Matos, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Brasília, Brasília, DF, Brasil. fornecimento de energia elétrica, têm sido verificados como resultado de distúrbios causados por defeitos muitas vezes a grandes distâncias do consumidor. Tais defeitos provocam, dependendo da natureza da anomalia ocorrida no sistema, afundamentos ou elevações momentâneas de tensão. Nesses casos, a monitoração da qualidade da energia elétrica representa uma providência essencial para a caracterização e identificação precisa dos fenômenos eletromagnéticos envolvidos que afetam as cargas sensíveis do consumidor. A partir de um diagnóstico obtido pode-se identificar um universo de alternativas para melhor compatibilizar os fenômenos intrínsecos do sistema elétrico às características de sensibilidade das cargas do consumidor. Algumas dessas podem ser implementadas pelas empresas de energia no sentido de reduzir o número de ocorrências ou atenuar a severidade das mesmas. Neste contexto, surgiu a idéia de desenvolvimento deste trabalho que visa apresentar uma ferramenta computacional com o propósito de auxiliar na geração de resultados numéricos e gráficos da monitoração de unidades consumidoras, quanto aos níveis dos afundamentos e elevações momentâneos de tensão. Com sua utilização é possível gerar um diagnóstico que, analisado, possibilitará a implementação de um universo de alternativas para melhor compatibilizar os fenômenos intrínsecos do sistema elétrico às características de sensibilidade das cargas do consumidor. Para a quantificação e qualificação dos afundamentos e elevações, foi idealizada e desenvolvida uma metodologia que, dentre várias ações, visa ilustrar gráficos com os valores de tensão em função do tempo, e com a distribuição de probabilidade de ocorrências de afundamentos versus a amplitude e duração dos afundamentos. Adicionalmente, são identificados os possíveis efeitos oriundos destes fenômenos, e as causas que os geraram. Este trabalho é de importância evidente, tendo considerado que o conhecimento do comportamento de fenômenos como afundamentos e elevações momentâneos de tensão, culmina em ações que poderão minimizar os danosos efeitos dos mesmos sobre o sistema de potência, bem como preparar a universidade para uma nova era onde a nova legislação voltada para a qualidade da energia, provavelmente exigirá, monitoração e acompanhamento na sua rede elétrica.

2 2 II. VARIAÇÕES MOMENTÂNEAS DE TENSÃO 2.1 Conceitos e Definições Em grande parte das normas são consideradas variações momentâneas de tensão, variações acima de 10% em relação à tensão de referência. Os afundamentos de tensão representam uma queda de tensão abaixo de 90 % da tensão de suprimento. Este valor pode variar de acordo com a metodologia utilizada para análise, e também, para o caso de monitoração, com a configuração pré-estabelecida para o medidor. Estes fenômenos podem provocar desligamento de aparelhos e paradas na produção em fábricas. Os principais parâmetros para a classificação dos afundamentos são a intensidade e a duração do evento [2]. Os afundamentos são geralmente provocados por partida de grandes motores, energização de transformadores e curto-circuito no sistema de transmissão de energia (na maioria das vezes provocadas por ocorrência de descargas atmosféricas). As elevações momentâneas de tensão representam um aumento em relação à tensão de referência. Na maioria das recomendações são permitidas variações de até 10% acima da tensão de referência (não consideradas como elevações de tensão). Estes eventos, a exemplo dos afundamentos de tensão, são também caracterizados principalmente pela sua duração e intensidade [3] e [4]. As elevações de tensão são mais incomuns no sistema elétrico. Porém a ocorrência de elevações de grande intensidade ou longa duração provocará a imediata queima de cargas sensíveis. 2.2 Normas e Recomendações As normas e recomendações que versam sobre a caracterização e classificação das variações apresentam algumas diferenças no que diz respeito às metodologias empregadas para a extração dos parâmetros intensidade e duração. A seguir, têm-se, sucintamente, os procedimentos adotados por algumas normas ao redor do mundo, para a caracterização e classificação Caracterização Método EPRI/ELECTROTEK A intensidade é definida pela mínima tensão remanescente registrada durante o evento, explicitada em seu valor percentual. Já a duração é extraída pelo período em que a fase onde ocorre o maior desvio viola um limite específico de tensão indicado para avaliar o distúrbio. Método UNIPEDE Neste caso, a intensidade é ilustrada pelo maior desvio percentual em relação à tensão nominal, e a duração pelo período decorrido a partir do instante em que a tensão de uma das fases for inferior ao limite de 90%, até o instante em que a tensão de todas as fases seja superior a este limite. Assim sendo, pode-se observar como resultado da aplicação desta metodologia a agregação (embaralhamento) das fases. Método NRS-048 Define intensidade como o maior desvio percentual em relação à tensão nominal. A duração é associada à fase que apresenta o maior desvio. Método de caracterização por um parâmetro O método intensidade versus duração para a caracterização do evento leva a dois parâmetros. Várias outras propostas têm sido apresentadas para caracterizar os eventos através de um único parâmetro. Embora isto leve a perda de informação, o método a um parâmetro simplifica a comparação entre eventos, entre desempenho de locais específicos (barras), e finalmente entre sistemas. A seguir são apresentados estes métodos: - Método da perda de tensão A perda da tensão (LV) é definida como o integral da queda de tensão durante o afundamento, de acordo com a equação (1). Onde: Vnom - tensão nominal no local de medição; V(t) valor RMS da tensão durante o afundamento. - Método da perda de Energia A perda de energia (LE) é definida como a integral da queda de energia durante o evento, considerando a carga como sendo do tipo impedância constante. A equação (2) mostra como pode ser realizado este cálculo. - Método Proposto por Thallam A proposta de Thallam define a Energia do Afundamento de Tensão conforme equação (3): (1) (2) (3)

3 3 - Método Proposto por Heydt Heydt considera que a curva de sensibilidade dos equipamentos representa uma curva de energia constante. Eventos localizados abaixo da curva de sensibilidade possuem um valor de energia menor ao limiar de sensibilidade da carga e, portanto, provocam o desligamento da mesma. (4) Recomendação NRS-048 Esta metodologia apresenta uma relação entre as regiões delimitadas para a classificação e as possíveis causas, conseqüências e tempo de atuação dos sistemas de proteção. Os eventos são somente classificados no intervalo de 20 milisegundos a 3 segundos. A tabela 3 apresenta a classificação dos eventos segundo essa recomendação. TAB. 3 - CLASSIFICAÇÃO DOS EVENTOS SEGUNDO A NORMA NRS Classificação Norma IEEE Nesta norma os afundamentos não são classificados pela sua intensidade. São apenas distinguidos pela sua duração. A tabela 1 apresenta a classificação dos eventos segundo esta norma. T AB. 1 CLASSIFICAÇÃO DOS EVENTOS SEGUNDO A N ORMA IEEE 1159 (1995) Categoria Duração Intensidade p.u. Instantâneo Afundamento 0,5 até 30 ciclos 0,1 até 0,9 Elevação 0,5 até 30 ciclos 1,1 até 1,8 Momentâneo Interrupção 0.5 ciclo até 3 s < 0,1 p.u. Afundamento 30 ciclos até 3 s 0,1 até 0,9 Elevação 30 ciclos até 3 s 1,1 até 1,8 Temporário Interrupção 3 s até 1 min < 0,1 p.u. Afundamento 3 s até 1 min 0,1 até 0,9 Elevação 3 s até 1 min 1,1 até 1,8 É importante destacar que as interrupções de tensão não devem ser confundidas com os afundamentos de tensão. Recomendação UNIPEDE Classifica o evento em consonância a uma faixa de intensidade e duração. Esta recomendação contempla somente afundamentos que apresentam um intervalo de tempo menor que 3 (três) minutos. A tabela 2 exibe a classificação dos eventos segundo essa recomendação. III. PROGRAMA COMPUTACIONAL Trata-se de uma ferramenta auxiliar, desenvolvida em linguagem MATLAB, e dotada de vários recursos no sentido de fornecer opções simples e objetivas na análise das variações momentâneas de tensão. A sua aplicação justificase, sobretudo, por se tratar de um programa bastante útil aos consumidores, à concessionária e aos fabricantes de equipamentos, quando da avaliação de problemas na rede elétrica vinculados à variações momentâneas de tensão. O aplicativo foi dividido em um módulo de entrada e ainda 4 módulos interdependentes e complementares. Em todos eles são apresentadas as principais características dos bancos de dados. A seguir, são descritos de forma sucinta, cada um dos módulos que compõem a estrutura geral da ferramenta. Módulo de entrada: Corresponde ao módulo de inicialização do aplicativo. Ele é responsável pela leitura do banco de dados e apresentação de suas principais características. A figura 1 apresenta os tópicos contidos neste item. TAB. 2 - CLASSIFICAÇÃO DOS EVENTOS SEGUNDO A NORMA UNIPEDE Fig. 1. Janela do módulo de entrada do programa (Banco de Dados)

4 4 Da figura 1, observa-se que após a abertura do banco de dados, o programa disponibiliza diversas informações vinculadas à sua a estrutura, como o período e o local de medição, a tensão nominal, a data do primeiro evento, data do último evento, o número de eventos, o número de afundamentos e número de elevação presentes no banco de dados. Módulo I - Características dos eventos: a partir deste tópico é possível obter a distribuição dos eventos em escala logarítmica, inseridos em gráficos de amplitude duração. De fato, o objetivo principal é permitir ao usuário verificar a quantidade, o momento da ocorrência, o tipo (afundamento ou elevação), a amplitude e a duração da VMT (disponibilizada em ciclos ou segundos) de acordo com as diversas normas sobre o assunto. Pode-se também, obter uma análise comparativa entre todas as metodologias de caracterização. As figuras 2 e 3 mostram, respectivamente, a tela inicial do módulo I e a de comparação entre as metodologias. Fig. 4. Evolução de um afundamento de tensão no tempo. Módulo II Estatísticas dos eventos: Possibilita ao usuário analisar e quantificar aspectos relacionados às variações momentâneas de tensão com o uso de ferramentas estatísticas, tais como histogramas e gráficos de barras em 3D. Conforme ilustra a figura 5, neste tópico pode-se selecionar alternadamente cada uma das seis opções disponíveis, a saber: distribuição dos horários dos eventos, distribuição dos eventos no tempo, intensidade x duração, distribuição dos eventos por fase, quantidade x intensidade e quantidade x duração. A figura 6 apresenta um dos gráficos disponíveis nesta etapa, qual seja, a intensidade x duração. Fig. 2. Janela do módulo de características dos eventos. Fig. 5. Janela do módulo de estatísticas dos eventos. Fig. 3. Tela da etapa de comparação entre os métodos de caracterização. Vale ainda ressaltar que, a partir da etapa ilustrada na figura 4, é possível selecionar cada um dos eventos expostos no plano, extrair seus principais parâmetros e visualizar sua evolução no tempo. Fig. 6. Gráfico intensidade x duração do módulo de estatística dos eventos.

5 5 Tais gráficos são de grande utilidade, pois possibilitam a visualização, de forma transparente e simples, dos períodos que apresentam a maior ocorrência de VMT e os horários do dia em que estas são encontradas com maior freqüência. A possibilidade de comparação entre as fases também se consolida como uma importante análise na busca de um fornecimento equilibrado e continuo da energia. Há ainda de se destacar a possibilidade de se visualizar as ocorrências dos eventos sobre diversos ângulos, sejam através de gráficos em três eixos, ou em gráficos bidimensionais que possibilitam uma análise mais especifica. Certamente, os resultados adquiridos nesta avaliação global do banco de dados caracterizam-se como parte necessária, sobretudo quando busca-se um panorama geral dos afundamentos e elevações momentâneos de tensão presentes no local em estudo. Módulo III Análise de Curvas Nesta etapa o programa dispõe os eventos do banco de dados sobre a curva CBEMA e também a curva ITIC. Elas relacionam o impacto causado pelas VMT com a sensibilidade de equipamentos eletroeletrônicos. Vale ressaltar que a curva CBEMA (publicada na norma IEEE-446) foi originalmente desenvolvida para a análise da sensibilidade de computadores mainframe. Observa-se na curva CBEMA e na curva ITIC, figuras 6 e 7, respectivamente, a existência de três regiões de operação. A região A representa a região de imunidade, ou seja, a ocorrência de eventos dentro desta área não representará problemas aos equipamentos. A região B: é denominada região de susceptibilidade. A ocorrência de elevações de tensão nesta área pode provocar danos aos equipamentos, como por exemplo, a ruptura da isolação. A região C é chamada região de sensibilidade. A ocorrência de afundamentos de tensão nesta área pode ocasionar a parada de operação. Contudo, ao contrário da região B, aqui não existe a possibilidade de danos ao equipamento. Fig. 8. Janela de análise da curva ITIC. A curva de causas busca identificar um possível motivo do afundamento de tensão de acordo com a duração e a intensidade. A Figura 8 mostra diversas regiões delimitadas, cujos números representam uma possível origem para a decorrência do afundamento [5]. Fig. 9. Janela de análise da curva de causas. Modulo IV Classificação dos Eventos Possibilita ao usuário classificar as variações momentâneas de tensão segundo as recomendações descritas anteriormente. Adicionalmente, permitem-se que sejam comparadas as diversas classificações utilizando-se das caracterizações UNIPEDE e NRS-048. A figura 9 ilustra a tela que apresenta os resultados da comparação entre as metodologias de classificação. Fig. 7. Janela de análise da curva CBEMA. Fig. 10. Janela de classificação dos eventos segundo o IEC. A ferramenta de comparação disponibilizada possibilita ao

6 6 usuário uma visualização das diferenças fundamentais entre os possíveis métodos de caracterização e suas suas conseqüências na classificação dos eventos, o que permite uma escolha adequada da metodologia a ser utilizada. IV. CONCLUSÃO A ferramenta computacional desenvolvida apresentou diversos métodos de análise dos resultados da monitoração. O aplicativo foi dividido em um módulo de entrada e outros 4 interependentes e ao mesmo tempo complementares. Na maioria das vezes, estes módulos foram sustentados por ferramentas estatísticas A partir do emprego de cada um deles é possível visualizar a forma de onda e o valor RMS para os eventos medidos. A curva ITIC e a curva de Causas ajudam a atribuir uma provável causa e um provável efeito aos eventos. São ainda disponibilizados no programa os seguintes gráficos: distribuição de eventos por período de medição, útil para a verificação da repetição de evento ao longo de um dia ou em um determinado horário em dias diferentes; distribuição de eventos por intensidade e duração, importante para verificar o tipo de evento que mais se repete durante o período de análise; e distribuição de probabilidade de afundamentos por intensidade, por duração e por fase, dentre vários outros. O programa computacional realiza todas as análises disponíveis com base em quatro metodologias de caracterização dos dados, a saber: Metodologias IEEE , UNIPEDE, NER/NRS-048 e EPRI/ELETROTEK. Para cada afundamento ou elevação de tensão são expostos resultados numéricos e gráficos. O programa mostrou-se simples, e sobretudo, capaz de propiciar análises baseadas em conceitos estatísticos. Com a utilização dos módulos que constituem a ferramenta computacional, é possível contribuir para o estabelecimento de diretrizes para nortear as campanhas de medição de afundamentos de tensão. Indubitavelmente, a metodologia apresentada pode ser de grande utilidade para empresas e profissionais interessados na quantificação e na qualificação dos afundamentos e elevações de tensão. V. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] J. L. Afonso, J. S. Martins, "Qualidade de Energia Elétrictrica", Revista o Electricista n. 09, Departamento de Electrónica industrial - Universidade do Minho, pp , [2] R. C. Dugan; M. F. Mcgranaghan; H. W. Beaty, Electrical Power Systems Quality. New York: McGraw-Hill, [3] J. C. D. Oliveira, "A Qualidade da Energia Elétrica," Apresentado na 7 a Semana de Engenharia Elétrica, UnB, Brasília, Brasil, [4] V. F. Silva, "Condicionador de Potência para Aplicação em Inversor de Frequência de Média Tensão," Dissertação de Doutorado, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, [5] M. H. J. Boollen, Understanding Power Quality Problems: Voltage Sag s and Interruptions, IEEE Press Power Egenering Series, Editora McGraw-Hill, EUA, 1998.