IMPACTO DA TRANSMISSÃO DA COPA DO MUNDO 2010 PARA A QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA NOS SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO

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1 IMPACTO DA TRANSMISSÃO DA COPA DO MUNDO 2010 PARA A QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA NOS SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO José Rubens Macedo Jr. 1, André Luis Z. de Grandi 2 Maria Jovita V. Siqueira 3, Jules Renato V. Carneiro 4 e Paulo F. Ribeiro Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia MG, 2 - EDP Bandeirante, Mogi das Cruzes SP, 3 - EDP Bandeirante, Mogi das Cruzes SP, 4 - EDP Escelsa, Serra ES, 5 - Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, The Netherlands, Resumo O presente trabalho tem por objetivo promover uma análise técnica detalhada do impacto da transmissão dos jogos da Seleção Brasileira de Futebol, durante a Copa do Mundo FIFA 2010, para a qualidade da energia elétrica nos sistemas de distribuição, notadamente no que se refere às frequências harmônicas de corrente e tensão. Para este propósito foram realizadas medições de parâmetros de qualidade de energia elétrica em dois diferentes sistemas de distribuição brasileiros. As análises realizadas demonstram que, ao contrário do esperado, a redução de carga na frequência fundamental é a maior responsável pela elevação dos níveis de distorção harmônica percentual nos sistemas de distribuição, e não o aumento acentuado das injeções de correntes harmônicas decorrentes da grande incidência de aparelhos de TV ligados simultaneamente durante a transmissão dos jogos da seleção brasileira de futebol. Finalmente, os resultados obtidos sugerem que regulamentações futuras deverão contemplar situações de atipicidade, como no caso de grandes eventos televisivos, durante os quais vários limites de indicadores da qualidade do produto serão seguramente ultrapassados. Palavras-chaves Harmônicas de Tensão e Corrente, Copa do Mundo FIFA, Qualidade da Energia Elétrica. THE IMPACT OF FIFA WORLD CUP 2010 ON POWER QUALITY IN THE ELECTRIC DISTRIBUTION SYSTEMS Finally, the results suggest that future regulations should address situations of non typical behavior, as in the case of major televised events, during which various thresholds for indicators of power quality will surely be exceeded. Keywords Voltage and current harmonics, FIFA World Cup 2010, Power Quality. I. INTRODUÇÃO Os aparelhos de televisão, sejam eles modernos ou não, apresentam características fortemente não lineares quando da análise do relacionamento matemático entre a tensão aplicada e a corrente circulante no circuito de alimentação televisor [1]. A figura 1 mostra as formas de onda da tensão e da corrente, assim como o espectro de frequências da corrente e a característica v x i para um aparelho de TV, evidenciando as características não lineares do equipamento. Assim, em algumas situações específicas, nas quais milhões de aparelhos televisores conectados a um mesmo sistema elétrico operam de forma simultânea, pode ocorrer uma maximização, em termos absolutos, das injeções harmônicas de corrente nas redes elétricas do sistema supridor. Um exemplo típico desta situação é a transmissão dos jogos da seleção brasileira de futebol durante a Copa do Mundo da FIFA. Abstract The present work aims to promote a detailed technical analysis related to the impact of 2010 FIFA World Cup broadcasting on the power quality in the electric distribution systems. For this purpose some measurements of power quality parameters were done in two different distribution systems. The analysis carried out show that, contrary to expectations, reducing the load on the fundamental frequency is most responsible for the elevation of the percentage of harmonic distortion in distribution systems, against the sharp increase in the injection of harmonic currents due to high incidence of TV sets simultaneously connected during the transmission of the games of the Brazilian National Team. Fig. 1. (a) Formas de onda da tensão e corrente em aparelho de TV, (b) espectro de frequências da corrente e (c) característica v x i do televisor.

2 Com o objetivo de se analisar o impacto da transmissão dos jogos da seleção brasileira de futebol durante a Copa do Mundo FIFA 2010, diversas medições foram realizadas em dois distintos sistemas de distribuição de energia elétrica. A figura 2 ilustra a estrutura de uma das medições realizadas em uma determinada subestação de distribuição. Conforme pode ser observado, foi instalado um registrador de parâmetros da qualidade da energia elétrica no secundário do transformador de força da subestação, o qual fornece energia a cargas predominantemente residenciais. Fig. 2. Diagrama unifilar do sistema de distribuição monitorado. Da análise da figura 3, observa-se que durante o período de transmissão do jogo a corrente de carga fundamental apresentou uma redução máxima da ordem de 40% em relação a um dia útil normal. Outra grandeza monitorada foi a distorção harmônica total de corrente (DTC%). A figura 4 apresenta o respectivo resultado de medição, na qual se pode observar que a DTC% máxima registrada aumentou cerca de 120% quando comparada com um dia útil normal, sem transmissão de jogos. Complementando a análise relativa à corrente medida no secundário do transformador de força da subestação de distribuição monitorada, a figura 5 mostra as principais correntes harmônicas individuais, em valores absolutos, fisicamente presentes na composição da corrente total medida. Dessa forma, são apresentadas as correntes de ordens harmônicas 3, 5, 7, 9 e 11. As demais ordens harmônicas apresentaram amplitudes muito pequenas, podendo as mesmas ser desprezadas na presente análise. Os tópicos seguintes apresentam os resultados obtidos para cada uma das grandezas elétricas monitoradas em diferentes subestações. II. RESULTADOS DE MEDIÇÃO Para o sistema ilustrado na figura 2 foi realizada a monitoração de diversos parâmetros elétricos, dentre eles a corrente de carga na frequência fundamental em dois dias distintos: o dia de transmissão da partida entre Brasil e Coréia do Norte e um dia útil sem jogos da seleção brasileira. A figura 3 mostra os resultados obtidos. Fig. 4. Comportamento da Distorção Harmônica Total de Corrente (DTC%). Fig. 3. Registros da corrente fundamental (60 Hz). A figura 5 mostra que as correntes com ordens harmônicas nas frequências de 300 e 420 Hz, 5 a e 7 a harmônicas, respectivamente, são as mais impactadas pela transmissão dos jogos da seleção brasileira. Estranhamente, a figura 1 mostra que a componente de corrente de 3 a harmônica gerada pelos aparelhos de TV é a mais expressiva dentre todas as demais. Assim, por que motivo a mesma não apresentou impacto relevante durante a transmissão dos jogos? A resposta a esta pergunta está na própria topologia da rede, mais especificamente no tipo de conexão dos transformadores de distribuição. A conexão em delta no lado primário dos transformadores de distribuição funciona como um bloqueio natural para correntes de sequência zero e, predominantemente, as correntes de terceira harmônica são de sequência zero. É bem verdade que uma determinada parcela da corrente de terceira harmônica se desloca para o

3 lado de média tensão (através da conexão em delta do transformador de distribuição) sem maiores problemas, porém, nesse caso específico as mesmas apresentam sequência negativa ou positiva e são originadas pelo desequilíbrio intrínseco do circuito. Em circuitos perfeitamente equilibrados (o que na prática não existe nos sistemas de distribuição de energia elétrica), nenhuma corrente de terceira harmônica seria esperada no lado primário do transformador de distribuição. durante a transmissão dos jogos, qual seria a contribuição de cada um desses eventos (número de aparelhos de TV ligados simultaneamente e redução da carga fundamental) no crescimento da distorção harmônica total de corrente (DTC%) durante a transmissão dos jogos da seleção brasileira de futebol? Conforme mostrado pela equação (1), a DTC% relaciona-se diretamente com o incremento das correntes harmônicas (numerador da expressão) e indiretamente com o aumento da corrente de carga na frequência fundamental (denominador da expressão). h= 2 2 Ih DTC% = (1) I 1 Considerando-se apenas as frequências harmônicas relevantes para o caso estudo, a equação (1) pode ser reescrita conforme mostrado em (2) I3 + I5 + I7 + I9 + I11 DTC% (2) I 1 Fazendo-se uma análise apenas para o período de transmissão dos jogos (compreendido entre o início e o fim de cada partida) em dias normais e dias com jogos, foi possível elaborar a tabela I com os valores médios registrados para as correntes indicadas na expressão (2). TABELA I Análise das componentes médias da DTC% Fig. 5. Comportamento das correntes harmônicas individuais. Finalmente, apesar de uma pequena parcela de corrente de terceira harmônica passar pela conexão em delta do transformador, em função do desequilíbrio tipicamente verificado nos circuitos secundários de distribuição, a mesma (para o caso monitorado) não foi suficiente para impactar de forma relevante a distorção de corrente de terceira harmônica durante a transmissão dos jogos, conforme mostrado na figura 5. As figuras 3 e 5 evidenciam, portanto, uma redução na carga fundamental, assim como um aumento nas correntes harmônicas injetadas na rede, respectivamente. Dessa forma, partindo-se do princípio de que o aumento verificado nos valores absolutos das correntes harmônicas individuais de 5 a e 7 a ordem está diretamente relacionado com o aumento da quantidade de aparelhos de TV ligados simultaneamente, A tabela I mostra que o aumento médio da DTC% durante o período de transmissão do jogo, em relação ao mesmo período de tempo em um dia útil sem jogo, foi de 92,02%. Assim, pode-se verificar que o aumento da DTC% diretamente associada à injeção de correntes harmônicas decorrentes de uma maior quantidade de televisores ligados simultaneamente é igual a 29,27%, estando o mesmo representado pelo numerador da expressão de cálculo da DTC%. Finalmente, o aumento da DTC% diretamente relacionado com a redução da carga na frequência

4 fundamental é igual a 48,54% (1/(1-0,3268)) e está indicado no denominador da expressão de cálculo da DTC%. Diante do exposto, e ao contrário do que poderia ser imaginado, o crescimento da distorção harmônica total de corrente (DTC%) durante a transmissão dos jogos da seleção brasileira está muito mais fortemente associada com a redução da carga na frequência fundamental do que com o aumento da injeção de correntes harmônicas proporcionada pelo grande número de aparelhos de TV ligados simultaneamente. O mesmo comportamento observado para a distorção harmônica total de corrente foi também observado para a distorção harmônica total de tensão (DTT%). A figura 6 mostra o comportamento da DTT% em todos os dias com jogos da seleção brasileira durante a Copa FIFA 2010, comparativamente ao valor de referência estabelecido no módulo 8 dos Procedimentos de Distribuição (PRODIST) [3]. Fig. 6. Distorção harmônica total de tensão (DTT%) registrada durante os dias com jogos da seleção brasileira de futebol na Copa do Mundo FIFA A similaridade do comportamento da DTC% e da DTT% ao longo dos dias sugere um comportamento aproximadamente constante para as impedâncias nas ordens harmônicas predominantes (quinta e sétima harmônicas). Contudo, em função de limitações técnicas, o comportamento da impedância da rede durante a transmissão dos jogos não foi objeto de monitoração no presente trabalho, ficando a referida análise a ser tratada em trabalhos futuros. Da análise da figura 6 resulta uma observação extremamente importante, a ser considerada pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) quando da definição de limites para as distorções harmônicas de tensão. Vale ressaltar que os valores atuais publicados no módulo 8 dos Procedimentos de Distribuição são apenas referenciais, não devendo os mesmos serem utilizados em embates judiciais ou mesmo em processos de mediação entre consumidores e distribuidoras de energia elétrica. Dessa forma, regulamentações futuras deverão considerar indicadores estatísticos para as distorções harmônicas de tensão, contemplando desvios de até 2 horas (tempo médio de duração dos jogos de futebol) dos valores regulamentados. Como exemplo prático, e partindo-se da figura 6, caso o limite para a DTT% fosse regulamentado em 5%, haveria violação dos referidos limites durante a transmissão dos jogos. Por esse motivo, portanto, os limites a serem futuramente estabelecidos deverão ser baseados em indicadores estatísticos, de forma a contemplar eventuais alterações provocadas por grandes eventos televisivos. Nesse sentido, uma boa solução seria a criação de faixas precárias e críticas para as distorções harmônicas de tensão, a exemplo do que se encontra em vigência para o caso das variações de tensão em regime permanente [3]. Dentro desse contexto, a referência [4] apresenta uma proposta de indicadores estatísticos para as distorções harmônicas de tensão. A figura 7 mostra o comportamento da DTT% em um dia com transmissão de jogos da seleção brasileira, assim como em um dia útil normal. Conforme observado, a elevação máxima da DTT% no dia da transmissão do jogo foi da ordem de 40% em relação ao dia sem jogo.

5 Fig. 7. Comportamento da Distorção Harmônica Total de Tensão (DTT%). Assim como obtido para o caso das correntes harmônicas individuais, as ordens predominantes para as tensões harmônicas individuais ocorreram nas frequências de 300 e 420 Hz, quinta e sétima harmônicas, respectivamente. A figura 8 ilustra o resultado da monitoração das componentes individuais das harmônicas de tensão. Também para o referido caso, a terceira harmônica de tensão não registrou alterações durante o período de transmissão dos jogos. Assim, partindo-se da premissa do comportamento constante das impedâncias harmônicas, resulta a interpretação de que as tensões harmônicas registradas estão diretamente associadas às correntes nas respectivas frequências harmônicas, valendo, assim, a mesma interpretação baseada na conexão em delta dos transformadores de distribuição, anteriormente explicada. Fig. 8. Comportamento das tensões harmônicas individuais. Finalmente, a figura 9 apresenta um comparativo da distorção harmônica total de tensão para duas edições consecutivas da Copa do Mundo FIFA, realizadas nos anos de 2006 e 2010, respectivamente. Os registros mostrados na figura 9 foram obtidos considerando-se um mesmo barramento de distribuição em 138 kv.

6 REFERÊNCIAS [1] MACEDO Jr., J. R., Martins, A. G., Vilela S., M. J., Carneiro, J. R. V., The impact of FIFA World Cup 2006 on Power Quality in the electric distribution systems. 9 th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation. EPQU Barcelona, Spain, October [2] RIBEIRO, P. F., L. C. A. Fonseca, J. S. M. Farias, R Ximenes, E. L. S. Melo and L. S. F. Lucena, Supervisão e Análise de Harmônicos na Operação do CE de Fortaleza. IX Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica SNPTEE. Belo Horizonte, MG, [3] ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica, Procedimentos de Distribuição PRODIST, Módulo 8, Qualidade da Energia Elétrica. [4] Di GRANDI, André Luiz Z., Carneiro, J. R. V., Caracterização das distorções harmônicas de tensão em circuitos secundários de distribuição. VIII Conferência Brasileira sobre Qualidade da Energia Elétrica. CBQEE Blumenau SC. Fig. 9. Comportamento da DTT% em duas diferentes edições da O aumento médio registrado para a DTT% em duas edições consecutivas da Copa do Mundo FIFA foi de 7,07%. Contudo, nesse momento não será realizada nenhuma análise acerca das causas associadas ao referido aumento. Apesar da grande possibilidade de aumento do número de televisores por parte da população, tal análise necessita de um maior número de informações, assim como de mais edições da Copa do Mundo FIFA possibilitando um aumento na base de dados para análise. III. CONCLUSÕES O presente trabalho apresentou aspectos qualitativos e quantitativos relacionados às distorções harmônicas de tensão e corrente, nos sistemas de distribuição de energia elétrica, quando da transmissão dos jogos da seleção brasileira de futebol durante a Copa do Mundo FIFA A primeira conclusão resultante dos dados monitorados foi que, ao contrário do esperado, o crescimento registrado para a distorção harmônica total de corrente e tensão está mais fortemente relacionada com a diminuição da carga na frequência fundamental do que com o aumento da corrente harmônica injetada no sistema em decorrência do grande número de aparelhos de TV ligados simultaneamente durante a transmissão dos jogos. Outra análise importante decorrente do presente trabalho é a necessidade de elaboração (para regulamentações futuras) de indicadores estatísticos para as distorções harmônicas de tensão, de forma a contemplar os desvios associados com grandes eventos televisivos. Finalmente, foi mostrado que em duas edições consecutivas da Copa do Mundo FIFA houve um aumento de 7,07% na distorção harmônica total de tensão registrada para um determinado barramento de distribuição em 138 kv.

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