XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GRUPO X GRUPO DE ESTUDO DE DESEMPENHO DE SISTEMAS ELÉTRICOS - GDS

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1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão a 25 Novembro de 2009 Recife - PE GRUPO X GRUPO DE ESTUDO DE DESEMPENHO DE SISTEMAS ELÉTRICOS - GDS UTILIZAÇÃO DE COMPENSADOR ESTÁTICO PARA MITIGAÇÃO DA PERTURBAÇÃO CAUSADA NA OPERAÇÃO DE FORNO A ARCO: ESTUDO DE CASO REAL NA CPFL PAULISTA Reinaldo de Freitas Fachada (*) COMPANHIA PAULISTA DE FORÇA E LUZ RESUMO O objetivo desse artigo é apresentar os resultados obtidos no desempenho do sistema elétrico da CPFL Paulista antes e depois da entrada em operação de um Compensador Estático em paralelo com um forno a arco de 130 toneladas, confirmando sua eficácia na mitigação dos problemas causados pela operação do forno. Em decorrência da experiência vivida, a CPFL trabalhou na confecção de uma Norma Técnica para cargas perturbadoras, intitulada Requisitos para conexão de cargas potencialmente perturbadoras ao sistema elétrico da CPFL, estando hoje vigente e disponibilizada na Internet através do site PALAVRAS-CHAVE Qualidade de energia, Flutuação de tensão, Forno a Arco, Compensador Estático INTRODUÇÃO A holding CPFL Energia já se transformou em uma das maiores empresas privadas do setor elétrico brasileiro, com atuação destacada nos segmentos de geração, comercialização e distribuição de energia elétrica. Dentre as empresas da holding CPFL Energia, destaca-se a Companhia Paulista de Força e Luz.Trata-se de uma sociedade por ações de capital aberto, concessionária do serviço público, que atua na distribuição de energia elétrica. Sua área de concessão abrange 234 municípios do interior do Estado de São Paulo. Entre os principais municípios estão Campinas, Ribeirão Preto, Piracicaba, Bauru e São José do Rio Preto. A indústria siderúrgica onde está instalado o forno a arco de 130 toneladas localiza-se no município de Piracicaba, no sistema de transmissão da CPFL Sudeste SISTEMA ELÉTRICO DA CPFL SUDESTE A CPFL Sudeste tem como principais centros de carga as regiões de Campinas, Americana e Piracicaba. As subestações da CPFL nessas áreas são atendidas através de linhas de 138 kv, que derivam das transformações 440/138 kv das subestações Santa Bárbara (4x300 MVA) e Sumaré (3x300 MVA) da CTEEP e da transformação 345/138 kv da subestação Campinas (5x150 MVA), de FURNAS. (*) Rodovia Campinas Mogi Mirim km 2,5 Bloco II 3º andar CEP Campinas, SP, Brasil Tel: (+55 19) Fax: (+55 19) fachada@cpfl.com.br

2 2 A principal fonte de suprimento para a região de Piracicaba é a SE Santa Bárbara CTEEP. Do barramento de 138 kv dessa subestação derivam quatro circuitos para Piracicaba, sendo três expressos e um via SE Saltinho. Ver Figura 1. Da subestação Piracicaba deriva uma linha de circuito duplo em 138 kv, com 800 metros de comprimento, para atendimento da indústria siderúrgica. Dentro da gleba da indústria a tensão é rebaixada para atender o forno a arco e demais cargas. O transformador do forno a arco é suprido em tensão primária de 33 kv. FIGURA 1 - Sistema de 138 kv da CPFL Sudeste para a região de Piracicaba ANÁLISES PRELIMINARES PARA A CONEXÃO DO FORNO A ARCO No início de 2001 a CPFL foi contatada para analisar uma solicitação de aumento de demanda da siderúrgica, em função da substituição do antigo forno a arco por uma nova unidade de 130 toneladas. O contrato de demanda na época era de 57 MW e a siderúrgica solicitou aumento de demanda para 100 MW. Estudos de fluxo de potência em regime permanente foram realizados, com a utilização do programa ANAREDE (1), do CEPEL, não sendo verificadas a médio prazo (5 anos), restrições para o atendimento do aumento de demanda solicitado, tanto em condição normal de operação como em emergências, considerando o critério n-1 adotado pelas Empresas do setor elétrico. Por se tratar de carga perturbadora, a CPFL também realizou estudo de curto-circuito, ampliando as análises para condições específicas de atendimento a fornos a arco. A tabela abaixo informa os valores de curto-circuito que foram previstos para 2003 e 2007, calculados em 2001, com o auxílio do programa ANAFAS (2), do CEPEL e com os dados e informações da época. TABELA 1 - Níveis de curto circuito estimados Curto-circuito estimado nos barramentos de 138 kv Ano Santa Bárbara CTEEP Piracicaba Siderúrgica MVA KA MVA KA MVA KA Análises preliminares consideraram um transformador de 80 MVA para atender o forno, assim como previsão de potência de curto-circuito trifásica de 3.650MVA no barramento de 138 kv da SE Piracicaba CPFL, para Para determinar rapidamente se uma instalação de forno a arco pode ser ligada a uma rede elétrica de alta tensão, pode-se considerar, em primeira análise, a relação entre a potência de curto circuito no ponto de acoplamento comum, Scc, e a potência aparente nominal do transformador do forno, Snf. Na prática, uma maneira simples de

3 3 verificar se o forno provocará perturbação na rede, consiste em se utilizar o gráfico extraído do documento Qualidade de energia elétrica (continuação): RT 415/ Versão 1 da GSI Engenharia e consultoria Ltda. [3]. Para o caso estudado, tem-se: Snf / Scc: 80/3.650 = 0,022. Ver Figura 2. FIGURA 2 - Gráfico que relaciona a Potência nominal do forno equivalente com a razão entre a Potência do forno e o Nível de curto no Ponto de Acoplamento Comum. NOTA - traçando uma linha de seqüência da faixa de tolerância, o ponto de cruzamento entre as relações dos eixos horizontal e vertical sinaliza final do setor insatisfatório com início da faixa da tolerância. Em maio de 2002, uma avaria no conjunto de filtros do antigo forno provocou a retirada daquele equipamento. Cerca de 20 dias após o problema, o banco de capacitor do filtro voltou a operar, mas o filtro de harmônicos não. As previsões da siderúrgica eram de que os novos equipamentos (banco e filtro) voltariam a operar com a entrada do novo forno, em junho de Em dezembro de 2003 as áreas técnicas da CPFL se reuniram para analisar as reclamações de oscilação de tensão em consumidores atendidos por uma SE de 138 kv da CPFL próxima da Siderúrgica.Medições foram realizadas e se confirmou que a ausência dos filtros contribuía para o aumento das oscilações. Em junho de 2004, entrou em operação, na siderúrgica, o forno de fusão a arco de 130 toneladas, alimentado por um transformador de 102 MVA, em substituição a um forno de 45 MVA FLUTUAÇÃO DE TENSÃO Flutuação de tensão (4,5) é a variação aleatória, repetitiva ou esporádica, do valor eficaz da tensão. De um modo geral podem-se relacionar as flutuações aleatórias e repetitivas com a operação de cargas não lineares que apresentem consumo de potência variável no tempo, enquanto as flutuações esporádicas relacionam-se com manobras de rede ou de carga. As flutuações de tensão nos barramentos, provocadas pela operação das cargas não lineares nos consumidores livres ou alimentadas pelos agentes de distribuição, podem provocar uma série de distúrbios ao se propagarem através da rede, como por exemplo a cintilação luminosa (flicker). Os níveis de severidade de cintilação, causados pela flutuação de tensão, são quantificados pelos indicadores Indicador de Severidade de Cintilação de Curta Duração Pst e Indicador de Severidade de Cintilação de Longa Duração Plt, conforme descrição e recomendação da Comissão Internacional de Eletrotécnica na Publicação IEC (International Electrotechinical Commision) (Flickermeter Functional and design specifications). O indicador Pst representa a severidade dos níveis de cintilação associados à flutuação de tensão verificada num período contínuo de 10 (dez) minutos e é calculado a partir dos níveis instantâneos de cintilação, medidos conforme a seguinte expressão: Pst = 0,0314P 0,1 + 0,0525P1 + 0,0657P3 + 0,28P10 + 0,08P50, onde

4 4 Pi corresponde ao nível de sensação de cintilação que foi ultrapassada durante i% do tempo, obtido a partir da função de distribuição acumulada complementar, de acordo com o procedimento estabelecido nas normas IEC O indicador Plt representa a severidade dos níveis de cintilação causados pela flutuação de tensão verificada num período contínuo de 2 (duas) horas e é calculado a partir dos registros de Pst conforme a seguinte expressão: 1 12 = 3 Plt = 3 12 x i ( Psti) 1 Por outro lado define-se PstD95% como sendo o valor do indicador Pst que foi superado em apenas 5% dos registros obtidos no período de 1 (um) dia (24 horas) e; PltS95% como sendo o valor do indicador Plt que foi superado em apenas 5% dos registros obtidos no período de uma semana, ou seja, de 7 (sete) dias completos e consecutivos. Limites globais: Os valores dos limites globais inferior e superior são considerados para avaliar a qualidade da tensão quanto à flutuação de tensão. Esses valores são expressos em função dos limites globais para tensão secundária de distribuição de 220 V e da atenuação esperada quando a flutuação de tensão se propaga dos barramentos de alta tensão para os barramentos da rede secundária de distribuição. Ver Tabela 2. TABELA 2 - Limites globais de flutuação de tensão Limite PstD95% PltS95% Limite global inferior 1pu/FT 0,8pu/FT Limite global superior 2pu/FT 0,6pu/FT Onde FT é o valor de transferência aplicável entre o barramento de alta tensão sob avaliação e o barramento da tensão secundária de distribuição eletricamente mais próximo. No caso de os FT entre os barramentos envolvidos não terem sido medidos, em princípio, podem ser aplicados fatores de transferência para a avaliação da flutuação de tensão nos barramentos de alta tensão. Ver Tabela 3. TABELA 3 - Fatores de transferência Barramento de tensão nominal > = 230 kv FT = 0,65 69 kv < = Barramento de tensão nominal < 230 kv FT = 0,80 Barramento de tensão nominal < 69 kv FT = 1,00 Retirado do módulo 8 do PRODIST [4] (Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional), Qualidade da energia elétrica, são definidos valores de referência. Ver Tabela 4. TABELA 4 - Valores de referência Valor de referência PstD95% PltS95% Adequado < 1 p.u. / FT < 0,8 p.u. / FT Precário 1 p.u. 2 p.u. / FT 0,8 p.u. 1,6 p.u. / FT Crítico > 2 p.u. / FT > 1,6 p.u. / FT Com medidores instalados na Subestação Piracicaba e na Estação Avançada (EA) Piracicaba desde 08/05/04, os valores medidos de PstD95% (Indicador de Severidade de Cintilação de Curta Duração) ficaram da ordem 3.0. A entrada em operação do forno de 130 toneladas elevou os valores de PstD95% em torno de 3.5. Baseado nos valores de referência da Tabela 4, assim como adotando os limites recomendados pelo Submódulo 2.8 Gerenciamento dos indicadores de desempenho da rede básica e de seus componentes, dos Procedimentos de Rede [5] do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) (até 1.0 sem problemas, de 1.0 até 2.0 recomenda-se ficar em observação e que acima de 2.0 cabe providências para se corrigir o valor do PstD95%), a CPFL permaneceu com o monitoramento dos índices, aguardando a entrada em operação do novo forno e do filtro de harmônicos.

5 5 FIGURA 3 - Medições de PstD95% na EA Piracicaba NOTA - A seta indica data de entrada em operação do forno FIGURA 4 - Medições de PstD95% na Subestação (SE) Piracicaba NOTA - A seta indica data de entrada em operação do forno A entrada em operação do novo forno também provocou variação de 2 kv no barramento de 138 kv da SE Santa Bárbara CTEEP, provocando maior número de comutações nas transformações 440/138 kv da SE Santa Bárbara CTEEP. Para reduzir a atuação do comutador a primeira medida adotada foi a ampliação da faixa de controle de tensão para o barramento de 138 kv e no período de carga leve. Foram também monitoradas as variações nas tensões no barramento de 15 kv da SE Piracicaba CPFL, para o período entre os dias 14 e 18 de novembro. Ver Figura 5. FIGURA 5 - Variação de tensão no barramento de 15 kv da subestação Piracicaba NOTA - O gráfico à esquerda, FIGURA 5 - (a), corresponde ao dia 14 de novembro de Neste dia o forno a arco da siderúrgica estava em operação, refletindo variação de tensão ao longo do dia em até 800 volts no barramento de 15 kv da subestação Piracicaba. O gráfico à direita, FIGURA 5 (b) corresponde ao perfil de tensão verificado para os dias 17 e 18 de novembro de Por volta das 06 horas da manhã do dia 17, o forno a arco saiu de operação, permanecendo assim até por volta da meia noite do dia 17 (em destaque, no círculo verde), voltando a operar a partir de então. Pode-se verificar que a variação de tensão no barramento de 15 kv da subestação Piracicaba ficou em torno de 500 volts. Em função dos resultados obtidos, foram realizadas, ao longo de 2005, diversas reuniões entre a CPFL e a siderúrgica, no sentido de propor medidas para a equalização do problema.para tanto, foram consideradas três ações principais: 1) De caráter provisório, no curto prazo (até 18 meses) (responsabilidade da siderúrgica): redução da potência do forno no início da fusão; redução do fator de potência do forno no início da fusão; manutenção de escória espumante durante todo o processo; injeção de oxigênio durante o processo; redução do tamanho das sucatas; aumento da potência do forno no final da fusão e no refino;

6 6 2) De caráter provisório, no curto prazo (até 18 meses) (responsabilidade da CPFL): alteração da configuração ao atendimento do forno a arco pela CPFL, utilizando uma linha exclusiva para o forno (derivando da SE Santa Bárbara CTEEP), ficando as demais cargas da siderúrgica atendidas pela SE Piracicaba. Ver figura 6. FIGURA 6 - Diagrama unifilar simplificado NOTA - Utilizou-se um dos circuitos em 138 kv da LT Santa Bárbara CTEEP Piracicaba 1,2 para atender com exclusividade o forno a arco. Para tanto, o circuito de nº01 foi conectado diretamente em um circuito que atende a siderúrgica, através de um jumper na subestação Piracicaba. O barramento de 138 kv da siderúrgica também foi dividido, através da abertura de um disjuntor seccionador de barras. As demais cargas da siderúrgica continuaram atendidas pela SE Piracicaba CPFL. 3) De caráter definitivo, após cerca de 18 meses (responsabilidade da siderúrgica): instalação de um compensador estático de 150 Mvar, 33 kv, na siderúrgica, para operar em paralelo com o forno a arco COMPENSADOR ESTÁTICO Em 05 de outubro de 2006 o Compensador Estático entrou em operação. Foram monitoradas as solicitações de Potência Reativa do forno a arco no sistema de 138 kv da CPFL antes e depois da entrada em operação do compensador estático. Ver Figuras 7 e 8. FIGURA 7 Mvar suprida pela rede 138 kv da CPFL para o forno a arco NOTA - Foram verificados valores máximos de até 100 Mvar, sendo que os valores médios ficaram entre 20 e 40 Mvar.

7 7 FIGURA 8 Mvar suprida pela rede 138 kv da CPFL para o forno a arco NOTA - Pode-se verificar que a entrada do compensador estático reduziu os picos máximos de solicitação para em torno de 50 Mvar e que os valores médios ficaram em torno de 0 (zero) Mvar. Também foram monitoradas os valores de PstD95% na EA Piracicaba antes e depois da entrada em operação do compensador estático. Ver Figuras 9 e 10. FIGURA 9 - Medições de PstD95% na EA Piracicaba NOTA - Seta aponta data em que o compensador estático entrou em operação Os valores de PstD95% foram reduzidos, para valores médios abaixo de 1.0 p.u., ficando, portanto, dentro da zona considerada adequada, onde a perturbação não é notada pelos demais consumidores. FIGURA 10 - Medições de PstD95% na EA Piracicaba NOTA Seta aponta data em que o compensador estático saiu de operação

8 8 A saída de operação do forno foi devido a um curto nos terminais de um reator do compensador estático. Pode-se observar que os valores de PstD95% aumentaram muito, ultrapassando a faixa de 2.0 p.u. em algumas medições, entrando na zona considerada inadequada, onde a perturbação deve ser corrigida. Durante o período em que o compensador estático esteve em manutenção, as medidas de caráter provisório, tanto por parte da CPFL como por parte da siderúrgica foram novamente adotadas. O compensador estático voltou a operar no dia 20 de outubro de A fim de formalizar procedimentos para novos estudos de conexão de acessantes que demandem cargas perturbadoras, a CPFL trabalhou na confecção de uma Norma Técnica, intitulada Requisitos para conexão de cargas potencialmente perturbadoras ao sistema elétrico da CPFL, estando hoje vigente e disponibilizada na Internet através do site CONCLUSÃO Analisando os resultados das medições que foram realizadas antes e após a entrada em operação do compensador estático, incluindo também o período em que ele esteve fora de operação, verificou-se que o equipamento operou de maneira satisfatória, atendendo as expectativas quanto à redução da flutuação de tensão e solicitação de reativos da rede de 138 kv da CPFL, comprovando a eficácia do compensador estático para reduzir os efeitos de cargas não lineares, no caso fornos a arco, nos sistemas elétricos das concessionárias e consequentemente nos demais consumidores atendidos por esses sistemas REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) CENTRO DE PESQUISA DE ENERGIA ELÉTRICA (CEPEL), ANAREDE Programa de Análise de Redes, versões diversas. (2) CENTRO DE PESQUISA DE ENERGIA ELÉTRICA (CEPEL), ANAFAS Programa de Análise de Faltas Simultâneas, versões diversas. (3) GSI Engenharia e Consultoria Ltda, Qualidade de energia elétrica (continuação); RT 415/ versão 1, CD39-03 p.16, 2003,. (4) AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL), PROCEDIMENTOS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO SISTEMA ELÉTRICO NACIONAL (PRODIST), Módulo 8 Qualidade da Energia Elétrica, (5) OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA ELÉTRICO (ONS), PROCEDIMENTOS DE REDE, módulo 2 Requisitos mínimos para instalações e gerenciamento de indicadores de desempenho da rede básica e de seus componentes. Submódulo 2.8 Gerenciamento dos indicadores de desempenho da rede básica e de seus componentes, DADOS BIOGRÁFICOS Nome: Reinaldo de Freitas Fachada Nascimento: São Paulo, 1962 Graduação: Rio de Janeiro PUC-RJ, 1985 Especialização: Curso de Engenharia de Sistemas Elétricos (CESE) Itajubá EFEI 1989 Curso de Gestão e Estratégicas de Empresas Campinas UNICAMP 2002 Experiência profissional: Trabalha há 23 anos na CPFL. Atuou como Engenheiro de Projetos e Operação. Atualmente trabalha como Engenheiro de Planejamento na Divisão de Planejamento do Sistema Elétrico da CPFL.