Aplicativo Computacional para Análise da Consistência de Solicitações de Ressarcimento por Danos Elétricos: A Relevância dos Aterramentos

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1 Aplicativo Computacional para Análise da Consistência de Solicitações de Ressarcimento por Danos Elétricos: A Relevância dos Aterramentos F. Gadenz, J.N. Quadrado Jr., O.A. da Silva, J. C. de Oliveira, A. C. Delaiba, C. E. Tavares, I. N. Gondim, M.V.B. Mendonça* Universidade Federal de Uberlândia - UFU, *Universidade de Brasília - UnB gadenz@ager.mt.gov.br, jose.junior@redenergia.com, orlandosilva@ager.mt.gov.br, jcoliveira@ufu.br, delaiba@ufu.br, cetavares@yahoo.com.br, gondim.isaque@gmail.com, marcus@ene.unb.br Resumo - Este artigo tem por objetivo apresentar os resultados de investigações conduzidas através de um aplicativo computacional desenvolvido para emissão de parecer sobre Pedidos de Indenização por Danos (PID s), enfatizando o comportamento das instalações quando submetidas a distúrbios originados no sistema de distribuição supridor e, considerando ainda, a presença ou não de aterramento nas supracitadas instalações. Visando consubstanciar os estudos foram selecionados casos reais para os quais a distribuidora local realizou, via procedimentos clássicos, a análise e tomada de decisões sobre um conjunto de solicitações. Através do mencionado aplicativo procedeu-se a identificação da unidade consumidora, modelagem do respectivo alimentador, aplicação do distúrbio registrado, definição dos equipamentos contemplados no pedido e, por fim, a determinação da correlação entre os esforços dielétricos e térmicos impostos aos equipamentos levando em consideração a presença do aterramento nos pontos chave ou sua ausência. Palavras-chave-- Aplicativo computacional, Qualidade da energia, Ressarcimento de danos, Simulação de ocorrências, Aterramento. I. INTRODUÇÃO A utilização crescente de aparelhos eletroeletrônicos sensíveis nos diversos setores da sociedade [1] aliada a reestruturação verificada no setor elétrico brasileiro na década passada e a conscientização dos consumidores quanto a seus direitos [6], tiveram grande influência sobre as questões vinculadas com os chamados Pedidos de Indenização por Danos Elétricos (PID s). Ante este quadro, reconhece-se a importância do desenvolvimento e provisão de procedimentos orientativos, fundamentados em princípios científicos e tecnológicos consistentes, que conduzam as análises a indicativos sobre a coerência ou não do nexo causal das solicitações de ressarcimento de danos comumente formuladas às distribuidoras, de forma a melhor consubstanciar e acelerar o processo decisório. Visando contemplar tal desafio, as referências [3], [4], [9] e [10] propõem uma estratégia computacional para análise de pedidos de ressarcimento de danos, onde os cálculos e os processamentos internos utilizam as rotinas da plataforma ATP (Alternative Transients Program) para execução dos cálculos no domínio do tempo. O produto final, na forma de um software ou aplicativo, foi denominado por Analisador de Pedidos de Ressarcimento (APR). Os fundamentos desta proposta estão estruturados de forma a representar as redes elétricas em sua forma mais completa possível, desde um determinado ponto ou subestação de interesse até o consumidor final, inserindo-se todos os componentes que perfazem o complexo, inclusive dispositivos de proteção e manobra. No que tange aos consumidores, tal programa possui recursos que permitem representar, com boa exatidão, praticamente todos os dispositivos eletroeletrônicos encontrados em instalações residenciais, comerciais e mesmo industriais. Maiores informações sobre os fundamentos, desenvolvimento e utilização do aplicativo, dentre outras questões podem ser encontradas em [4]-[5] e [8]-[9]. O aplicativo em referência tem sido submetido a constantes atualizações com vistas a representar com máxima fidelidade situações reais de ocorrências de distúrbios verificadas em redes elétricas. Dentre algumas questões importantes ressalta-se que as primeiras versões do APR não contemplavam, por exemplo, a influência do sistema de aterramento no sistema de distribuição. Não obstante tal fato deve-se ressaltar as recomendações da NBR 14136, que estabelece nova padronização para plugues e tomadas de características nominais até 20 Ampères e 250 Volts. Atentando-se a esta situação, em [5] são apresentadas contribuições significativas ao estudo computacional de PID s com o apoio do aplicativo já mencionado contemplando os sistemas de aterramento como uma etapa do processo evolutivo do estudo do tema Ressarcimento de Danos Elétricos. Neste contexto se insere o presente artigo, cujo objetivo principal está centrado em pontos como: apresentação de uma síntese do modelagem dos sistemas de aterramentos inseridos no programa APR e a realização de estudos de desempenho no processo da simulação de solicitações de ressarcimento de danos a consumidores atendidos em baixa tensão com a utilização da versão mais recente do APR. Ainda, pretende-se verificar a influência da presença da conexão da instalação ao sistema de aterramento a fim de apurar a influência deste quando da avaliação do impacto de perturbações produzidas no sistema de alimentação externo e, ao final, na comparação entre os resultados obtidos computacionalmente com os pareceres emitidos pela distribuidora.

2 II. CONSIDERAÇÕES SOBRE MODELAGEM E IMPLEMENTAÇÃO COMPUTACIONAL DE SISTEMAS DE ATERRAMENTO Alguns distúrbios que podem conduzir a pedidos de ressarcimento por danos podem estar associados com a circulação de correntes pelos sistemas de aterramento. Em conseqüência disto, podem ser originadas diferenças de potencial significativas entre aterramentos distintos e ainda entre o neutro e o terra remoto. Diante de tal realidade, a referência [5] apresenta uma proposta de modelagem para representação do aterramento desenvolvida por meio do ATP. O modelo proposto considera duas formas de representação de sistemas de aterramento: eletrodos a partir de modelos lineares e não-lineares. O primeiro é caracterizado pela representação por uma ou mais resistências com valores constantes, o que facilita sua representação computacional. A segunda está vinculada a ocorrência de fenômenos que provoquem a circulação de uma elevada corrente passando pelo eletrodo, situação em que o campo elétrico nas áreas próximas do mesmo pode produzir descargas parciais, com consequente ionização do solo nos arredores do eletrodo, conforme mostra a Fig. 1. Fig. 1. Modelo não-linear para aterramentos concentrados. Ante a complexidade da representação computacional do comportamento do aterramento conforme descrito na segunda situação, diversos autores formularam propostas para modelagem do mesmo. Após a realização de sucessivas investigações computacionais balizadas em importantes trabalhos desenvolvidos sobre o tema em destaque, a opção feita recaiu sobre o modelo proposto por [11]. Este descreve a variação da resistividade do solo, quando submetido a correntes impulsivas, através de um comportamento exponencial. Adicionalmente, a resistência de aterramento, levando em consideração um eletrodo de comprimento l, é calculada com base nos elementos diferenciais de superfície de comprimento dr (Fig. 1). A expressão (1) é utilizada para esta finalidade. dr dr 2 (1) 2 r 2 r l De forma a permitir a utilização de tal modelo no ATP e posteriormente no APR, foi utilizada a linguagem de programação MODELS. O produto final está disponível na forma de um novo ícone na interface gráfica do APR, de forma a permitir sua utilização de forma amigável pelo usuário. III. AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DA METODOLOGIA Visando aferir o desempenho da modelagem acima estabelecida foram selecionados dois casos reais de solicitações de ressarcimento de danos formuladas a uma distribuidora. Os dois casos escolhidos referem-se a um consumidor classificado como residencial e outro comercial. Para cada caso, foi estabelecido o procedimento de identificar o alimentador ao qual está conectada a unidade consumidora e a caracterização do distúrbio citado nos registros da concessionária como causa provável do dano ao equipamento reclamado. Na sequência, os esforços dielétricos obtidos através do aplicativo APR são comparados aos limites de suportabilidade nos termos definidos pelas referências [7]- [8], as quais estabelecem diferentes origens e particularidades quanto aos valores limites admissíveis. Por fim, a mesma ocorrência é simulada em duas situações distintas: considerando ou não o efeito do aterramento. A. 1 Caso Consumidor Residencial O primeiro caso examinado corresponde a uma solicitação de ressarcimento por danos causados a um aparelho refrigerador. Conforme a análise técnica do processo interno da concessionária, a ocorrência registrada seria atribuída a uma manobra monopolar no transformador de distribuição que atende a unidade consumidora do reclamante. Tal fenômeno teria ocorrido em consequência de um cabo partido na rede primária do circuito ao qual está conectado o mencionado transformador. A Fig. 2 mostra o arranjo da rede de alimentação responsável pelo suprimento do consumidor. Um ponto importante que deve ser esclarecido refere-se aos barramentos do sistema. As barras representam um conjunto das fases A, B, C, neutro e ponto de conexão ao terra. Fig. 2. Representação unifilar do sistema de distribuição do 1 Caso. Os principais parâmetros necessários à modelagem estabelecida no APR e associados à rede de distribuição em foco são fornecidos na Tabela I. TABELA I DADOS DOS COMPONENTES DO SISTEMA ELÉTRICO DO 1 CASO Concessionária Tensão 138 kv de curto-circuito 2576 MVA80,93º Transformador de potência 20 MVA 138/13,8kV Impedância 8,66% Carregamento 35%

3 Condutores de média tensão Condutor 185 mm 2 CA 0,17 km Condutor 336,4 CA 0,03 km Condutor 4/0 CA 0,72 km Condutores de baixa tensão Condutor 70 mm 2 0,66 km Condutor 33 mm 2 0,03 km Transformador de distribuição 112,5kVA 13,8/0,22kV Impedância 3,5% Carregamento 60% Ocorrência Distúrbio Manobra monopolar Consumidor Equipamento danificado Refrigerador Esquema de aterramento TN-S A partir de informações obtidas junto à concessionária responsável, constatou-se que o distúrbio ocorrido na rede está relacionado com uma manobra monopolar na fase B, através da qual estaria a alimentação do aparelho refrigerador do reclamante. De forma a representar tal evento, a Fig. 3 evidencia a utilização de uma chave fusível que viabiliza abertura e fechamento em instantes diferentes para cada uma das fases. Fig. 5. Corrente na entrada do refrigerador - manobra de abertura de chave monopolar no alimentador em 13,8kV 1 Caso. As Figs. 6 e 7 apresentam os gráficos que expressam as solicitações dielétricas e térmicas impostas ao equipamento e vinculadas com a situação avaliada. Vale observar que o desconhecimento dos limites de suportabilidade específicos para o equipamento orientou para a inserção de curvas disponibilizadas pelo APR e que representam situações genéricas. O mesmo procedimento foi utilizado para os demais estudos. Fig. 6. Resultado para os esforços dielétricos calculados e os limites adotados como admissíveis 1 Caso refrigerador com aterramento.. Fig. 3. Parametrização do distúrbio associado com o 1 Caso manobra monopolar da chave fusível. Uma vez configurado e parametrizado o caso em pauta, procedeu-se o processamento do APR com vistas a obter as tensões e correntes computacionais que ocorreriam no ponto de entrada do consumidor, com destaque a fase B do sistema, considerando a presença do aterramento dos lados secundários dos transformadores e na instalação consumidora. Estes são indicados nas Figs. 4 e 5, respectivamente. Fig. 4. Tensão na entrada do refrigerador - manobra de abertura de chave monopolar no alimentador em 13,8kV 1 Caso. Fig. 7. Resultados para os esforços térmicos calculados e os limites adotados como admissíveis 1 Caso refrigerador com aterramento. Os resultados mostrados nas duas últimas figuras permitem constatar que: Após 500,2 ms ocorre a violação dos níveis de tensão admissíveis pelo refrigerador. Tal constatação se deve ao fato que a curva da solicitação dielétrica supera os limites de tolerância recomendados pelas referências [7] e [8]. Portanto, no tocante às questões dielétricas, fica evidenciada a possibilidade de danos físicos na forma de rompimento da isolação do equipamento; Em nenhum momento houve violação dos limites térmicos tolerados pelo equipamento. Portanto, com respeito a questões associadas com as elevações de correntes e respectivos impactos térmicos pode-se

4 verificar que o APR não evidencia a possibilidade de danos físicos na forma de sobreaquecimentos. Visando apurar a influência da ausência do aterramento na instalação sob enfoque, ante o mesmo distúrbio ora simulado, repetiu-se o processamento do caso estudado considerando esta nova situação. Os novos resultados computacionais das solicitações dielétricas e térmicas impostas ao equipamento sob análise, são visualizadas nas Figs. 8 e 9. Fig. 8. Resultados para os esforços dielétricos calculados e os limites admissíveis - 1 Caso refrigerador sem aterramento. ocorrência de curto-circuito monofásico envolvendo a terra na rede de média tensão. Este fenômeno ocorreu na rede de distribuição indicada na Fig. 10, enquanto que a Fig. 11 evidencia o curto-circuito no sistema e sua respectiva parametrização exigida pelo APR. Os parâmetros para os componentes que constituem a rede em pauta encontram-se identificados na Tabela II. TABELA II DADOS DOS COMPONENTES DO SISTEMA ELÉTRICO DO 2 CASO Concessionária Tensão 138 kv de curto-circuito 2576 MVA80,93º Transformador de potência 20 MVA 138/13,8kV Impedância 8,57% Carregamento 72% Condutores de média tensão Condutor 336,4 CA 0,69 km Condutor 4/0 CA 1,70 km Condutores de baixa tensão Condutor 70 mm 2 0,03 km Transformador de distribuição 75 kva 13,8/0,22kV Impedância 3,5% Carregamento 68% Ocorrência Distúrbio Curto-circuito Consumidor Equipamento danificado Ar Condicionado Esquema de aterramento TN-S Fig. 9. Resultados para os esforços térmicos calculados e os limites adotados como admissíveis 1 Caso refrigerador sem aterramento. A partir das figuras acima apresentadas, fica evidenciado que: Os níveis de sobretensões verificados na entrada do equipamento para a segunda situação simulada apresentam valores muito superiores se comparados a situação em que o aterramento está presente na instalação do consumidor e nos secundários dos transformadores. Não foi verificada alteração no patamar da solicitação térmica a que o equipamento é submetido, em comparação com a primeira situação. Fig. 10. Representação unifilar do sistema de distribuição do 2 Caso. B. 2 Caso Consumidor Comercial O segundo caso se refere a uma solicitação de indenização referente a danos ocorridos com um aparelho condicionador de ar. Para este caso, o pedido foi formulado por um consumidor classificado como do tipo comercial. Nos documentos internos da concessionária, que identificam as ocorrências no período reclamado, e que, eventualmente poderiam justificar o pedido, consta a

5 Fig. 14. Resultados para os esforços dielétricos calculados e os limites admissíveis 2 Caso condicionador de ar com aterramento. Fig. 11. Parametrização do distúrbio associado com o 2 Caso curtocircuito fase-terra. Após implementação do arranjo, o aplicativo APR conduziu, para o distúrbio identificado, as tensões e correntes mostradas nas Figs. 12 e 13, respectivamente, como as grandezas manifestadas na entrada do consumidor, considerando o efeito do aterramento nos mesmos pontos identificados no caso anteriormente estudado. Fig. 15. Resultados para os esforços térmicos calculados e os limites admissíveis 2 Caso condicionador de ar com aterramento. Fig. 12. Tensão na entrada do ar condicionado curto-circuito fase-terra no alimentador em 13,8kV 2 Caso. Fig. 13. Corrente na entrada do ar condicionado curto-circuito fase-terra no alimentador em 13,8kV 2 Caso. Os resultados obtidos por meio do APR conduzem às seguintes conclusões: Ocorreu violação dos padrões de tolerância a danos recomendados pela referência [7] para o aparelho condicionar de ar. Portanto, no que tange aos resultados computacionais, há evidências que o fenômeno ocorrido no campo pode ter ocasionado danos no produto em questão; Os limites térmicos do equipamento não foram ultrapassados, ratificando, sob o ponto de vista de dissipação de calor, que o efeito analisado não poderia ser responsabilizado pelo ocorrido com o aparelho condicionador de ar. A exemplo do primeiro caso estudado procedeu-se a mesma simulação considerando a ausência do sistema de aterramento. Considerando-se a situação descrita, as Figs. 16 e 17 demonstram os resultados computacionais das solicitações dielétricas e térmicas impostas ao equipamento sob análise, respectivamente. As Figs. 14 e 15 evidenciam a correlação entre as solicitações dielétricas e térmicas impostas ao produto sob análise.

6 Fig. 16. Resultados para os esforços dielétricos calculados e os limites admissíveis 2 Caso - sem aterramento. Os resultados obtidos enfatizaram que, os dois casos investigados produziram, por meio do APR, pareceres concordantes com os posicionamentos da concessionária, ou seja, o dano reclamado foi procedente. Além destas, observou-se que os esforços dielétricos experimentados pelos eletrodomésticos avaliados se mostram menos severos quando a rede de alimentação elétrica dos mesmos é suprida por esquema de aterramento adequado, fato este que evidencia a importância da inserção de modelos apropriados para a inserção deste efeito. Este fato foi verificado nos dois casos simulados, os quais compreendem perturbações elétricas impostas às unidades consumidoras com diferentes origens. Todavia, deve ser ressaltado que a estratégia e programa propostos encontram-se em fase de testes de desempenho e qualquer conclusão sobre seu parecer ainda é merecedor de trabalhos adicionais. Também deve ser salientado que os autores reconhecem que as pesquisas e o produto computacional aqui empregado se mostram promissores no sentido de se atingir um aplicativo que permita uma análise e emissão de pareceres sobre os PID s fundamentados em bases técnicas e científicas isentos de tendências ao favorecimento de uma ou outra parte. Somente após tal período de testes e maturação do processo será atingida a necessária credibilidade técnica e jurídica para esta área tão controversa. REFERÊNCIAS Fig. 17. Resultados para os esforços térmicos calculados e os limites admissíveis 2 Caso sem aterramento. Os resultados ilustrados nas figuras levam às conclusões a seguir: Em comparação à configuração com aterramento, observam-se patamares mais severos de solicitação dielétrica (aprox. 2 vezes) a que o equipamento é submetido. Adicionalmente, nota-se que na situação sem o aterramento, também é violado o limite de suportabilidade sugerido em [8]. Não se constata modificação significativa nos níveis solicitação térmica imposta ao aparelho de ar condicionado, em comparação com a situação com aterramento. IV. CONCLUSÕES Este artigo concentrou esforços na realização de estudos investigativos associados com a questão de pedidos de indenização por danos em equipamentos eletroeletrônicos, os quais teriam ocorridos devido a fenômenos manifestados nas redes de distribuição e que justificariam o nexo-causal para os PID s em foco. Investigou-se ainda, o comportamento do sistema de distribuição, quando da presença ou não do sistema de aterramento no secundário dos transformadores e nas instalações (ponto de entrega) do reclamante. Dentro da estratégia utilizada para a análise da consistência ou não das solicitações feitas pelos consumidores, foi analisada a correlação entre a representação dos fenômenos ocorridos no sistema elétrico da concessionária, a determinação dos respectivos impactos dielétricos e térmicos sobre os equipamentos reclamados e, por fim, estudos contemplando a influência do aterramento nas redes elétricas focalizadas. [1] R. C. Dugan, M. F. McGranaghan., S. Santoso., H. W. Beaty, Electrical Power Systems Quality, 2nd Edition. USA: McGraw-Hill, [2] A. S. Jucá, "Avaliação do Relacionamento entre Consumidores e Concessionárias na Solução de Conflitos por Danos Elétricos: Proposta de adequação", Tese de Doutorado em Engenharia Elétrica, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, USP, São Paulo/SP, [3] C. E. Tavares, J. C. de Oliveira, M. V. B. Mendonça, A. C. Delaiba, R. M. T. 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