TRABALHO DE CONDICIONAMENTO DE ENERGIA SETEMBRO/2011 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA

Transcrição

1 TRABALHO DE CONDICIONAMENTO DE ENERGIA SETEMBRO/2011 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA ANÁLISE E SOLUÇÕES DE DISTÚRBIOS EM TENSÃO DE REGIME PERMANENTE Adriano Marcelo de Campos José Eduardo Loureiro Pedro Oliveira e Silva Stéphanie Frémaux Gabriel José Rizzi Osório Martin Raphael Gunter Träsch Reinaldo Viana Alves Filho William Arnaud Pye Professor: José Maria de Carvalho Filho Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE) Resumo - Este artigo apresenta como a ANEEL estabelece os valores de referência e os critérios de amostragem para análise da tensão de regime permanente. Posteriormente apresenta-se procedimentos que podem ser tomados a fim de solucionar possíveis problemas sempre tendo como enfoque os sistemas de distribuição operando em regime permanente. Palavras-Chave: Tensão de regime permanente, Conformidade da tensão, Qualidade de energia Elétrica. I INTRODUÇÃO Qualidade é a combinação de características através das quais produtos e serviços atendem às expectativas do cliente. Os principais indicadores de qualidade de energia e- létrica são: Qualidade do atendimento: trata das relações do cotidiano entre o cliente e a concessionária de energia. Está ligado ao atendimento de emergência, que contempla as solicitações do consumidor, quando da ocorrência de problemas na rede. De modo geral, a qualidade do atendimento diz respeito à presteza e à eficiência do atendimento pela concessionária. Qualidade do serviço: é medida segundo a continuidade do fornecimento da energia elétrica. Do ponto de vista ideal, a qualidade de serviço deveria oferecer continuidade plena e oferta ilimitada de energia elétrica. Qualidade do produto: é a conformidade do produto, ou seja, é a capacidade do sistema elétrico em fornecer energia com tensões equilibradas, sem deformações na forma de onda, com amplitude e freqüência constantes. Dentro deste contexto os aspectos considerados da qualidade do produto em regime permanente ou transitório são: a) tensão em regime permanente; b) fator de potência; c) harmônico; d) desequilíbrio de tensão; e) flutuação de tensão; f) variações de tensão de curta duração; g) variação de frequência. II TENSÃO DE REGIME DE PERMANENTE No módulo 8 do PRODIST, que diz respeito à Qualidade da Energia Elétrica, são estabelecidos limites para os níveis de tensão em regime permanente além de indicadores individuais e coletivos de conformidade de tensão elétrica, critérios de medição, registro e prazos para regularização e compensação ao consumidor, caso as medições de tensão excedam os limites dos indicadores. Os limites de tensão em regime permanente lá estabelecidos (módulo 8 do PRODIST) são: -Faixa adequada: 0,92 à 1,05 PU -Faixa Precária: 0,86 à 0,92 ou 1,05 à 1,06 PU -Faixa Crítica: <0,86 ou >1,06 Neste caso serão abordados sistemas de distribuição para a classe de tensão inferior a 1kV (220/110V). Uma vez possuindo as faixas de classificação dos níveis de tensão em regime permanente, deve-se então estabelecer um conjunto de critérios para que as medições possam ser efetuadas. Esses critérios são também estabelecidos pelo PRODIST; sendo eles: 1

2 (3) -Critério para leitura: as leituras devem ser obtidas por meio de equipamentos que operem segundo o princípio da amostragem digital. -Equipamentos de medição devem atender os seguintes requisitos: -taxa amostral: 16 amostras/ciclo -conversor A/D (analógico/digital) de sinal de tensão: 12 bits. -precisão: até 1% da leitura -devem permitir a apuração das seguintes informações: -valores calculados dos indicadores individuais -tabela de medição -histograma da tensão III - INDICADORES INDIVIDUAIS E COLETIVOS DE CONFORMIDADE DE TENSÃO ELÉTRICA Individuais: O conjunto de leituras para gerar os indicadores individuais deverá compreender o registro de 1008 leituras válidas obtidas em intervalos consecutivos de 10 minutos cada. Após a obtenção do conjunto de leituras válidas devem ser calculados os índices de transgressão para tensão precária (DRP) e para tensão crítica (DRC) de acordo com as seguintes expressões (1) e (2): IV - CORREÇÃO DO NÍVEL DE TENSÃO EM UM SISTEMA ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO Os cálculos para o comportamento da tensão e das perdas de potência ativa são feitos no processo de planejamento, conforme limites de tensão definidos pelo PRODIST - Módulo 8. Caso ocorra a possibilidade de níveis de tensão em regime permanente inadequados, deverão ser feitas ações para a correção desses valores. O nível de tensão no consumidor é determinado pela tensão na subestação de distribuição e pelas quedas de tensão nas linhas e transformadores, variando com flutuações nos níveis de consumo, com o fator de potência das cargas e flutuações na tensão nas subestações. As concessionárias de distribuição de energia e- létrica enfrentam dificuldades para controlar o fator de potência do sistema de distribuição, manter níveis de tensões adequados e patamares aceitáveis de perdas ativas do sistema. Para mitigar esses problemas utiliza-se a instalação de reguladores de tensão (OLTC-On Load Tap Changer Transformadores Reguladores com Comutação Sob Carga ),conforme Figura 1, ao longo dos alimentadores, ou através da racionalização da potência reativa do sistema, com a instalação de bancos de capacitores (shunt ou série), sendo a decisão de instalação desses equipamentos, definida conforme as características da rede de distribuição. (1) (2) onde: nlp e nlc representam o maior valor entre as fases de leituras situadas nas faixas precária e crítica, respectivamente. De acordo com o PRODIST tem-se que: -DRP fica estabelecido em 3%, ou seja, no máximo 3% dos valores medidos podem estar na faixa precária; -DRC fica estabelecido em 0,5%, ou seja, no máximo 0,5% dos valores medidos podem estar na faixa crítica; Coletivos: Com base nas medições amostrais efetuadas em um determinado trimestre, será calculado o índice de U- nidades Consumidoras com Tensão Crítica (ICC), utilizando a fórmula (3). onde: N C = total de unidades consumidoras com DRC não nulo; N L = total trimestral de unidades consumidoras objeto de medição. Fig 1 2

3 A localização desses equipamentos, reguladores de tensão (RT1), capacitor shunt ou derivação (CAP.1) e capacitores série (CAP.2), em uma rede de distribuição de energia elétrica padrão, estão mostrados na Figura 2: Fig 2 -Topologia padrão de uma rede de distribuição de média tensão A escolha dos melhores locais para instalação de capacitores fixos ou chaveados (isto é, com possibilidade de fornecer níveis diferentes de energia reativa), e suas respectivas capacidades, é realizada nos procedimentos de planejamento. O maior volume de perdas ocorre nos sistemas de distribuição de energia elétrica. Capacitores shunt são largamente utilizados nos alimentadores primários dos sistemas de distribuição para compensar potência reativa e conseqüentemente obter melhor perfil de tensão, reduções das perdas de potência e energia, e aumento da capacidade da rede de distribuição em atender carga ativa.. O Planejamento em um sistema elétrico de distribuição (SED) preocupa-se com a previsão da queda de tensão e das perdas de potência ativa que podem ocorrer nestas redes. Na etapa do planejamento de análise técnica é feito o cálculo da queda de tensão, da confiabilidade e carregamento dos condutores, através da simulação das condições operativas do sistema elétrico previsto em cada alternativa. Os valores de tensão são definidos conforme as regras do PRODIST - Módulo 8. O nível de tensão de uma rede de distribuição de energia elétrica é determinado pela tensão na subestação e pelas quedas de tensão nas linhas e transformadores, variando com flutuações nos níveis de consumo, e por flutuações na tensão nas subestações, oriundas do SDAT- (Sistema de Distribuição de Alta Tensão). V - CORREÇÃO DE TENSÃO EM UMA LINHA DE DISTRIBUIÇÃO Os equipamentos mais usados para correção de tensão no SED são os capacitores e reguladores de tensão. Os capacitores podem ser instalados em série ou paralelo (Shunt). Normalmente são estáticos, ou seja, ficam normalmente energizados, independentemente do nível de controle de tensão desejado para o sistema em dado momento. Existem também os bancos de capacitores chaveados, que podem ser energizados parcialmente, de a- cordo com a necessidade do sistema para o controle de tensão, mas deverá ser estabelecida uma filosofia de controle hierárquico, considerando as características da carga de cada subestação de distribuição, dos sistemas regionais de subtransmissão e do sistema de transmissão, porém são muito mais caros, e normalmente são preteridos em prol dos reguladores de tensão. Em relação aos equipamentos utilizados para correção de tensão em um Sistema Elétrico de Distribuição, é importante destacar que alguns têm capacidade apenas de executar correções de tensão (banco de capacitores), e não controle de tensão (reguladores de tensão). Além dos métodos de correção nos níveis de queda de tensão citados anteriormente (instalação de capacitores e reguladores de tensão), existem intervenções através de melhorias na rede ou manobras, que podem ser feitas nos Sistema de Distribuição de Média Tensão (1 kv até < 69 kv) e Sistema de Distribuição de Baixa Tensão(< 1 kv) para possibilitar melhorias nessas redes. VI - AÇÕES PARA MELHORIAS DE TENSÃO NO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE BAIXA TENSÃO a) Equilíbrio de fases: O desequilíbrio de carregamento das fases de um circuito secundário provoca maior queda de tensão na fase mais carregada, e o mau funcionamento de aparelhos e equipamentos trifásicos. b) Deslocamento de transformadores: Um mau posicionamento do transformador na rede pode acarretar queda de tensão em cargas mais distantes desse centro de carga. c) Fechamento em anel: Manobras na rede podem redistribuir o fluxo de potência nessas redes. d) Redivisão de circuitos: Pode-se transferir cargas entre circuitos, ou instalar novos transformadores. e) Mudança de tap do transformador: Em casos isolados (circuitos rurais), pode se alterar o tap de transformadores. f) Lançamento de fases: Substituição de circuitos 1Ø por 3Ø, pode resultar na diminuição da corrente e conseqüentemente da queda de tensão. g) Substituição de transformadores: A substituição de transformadores 1Ø por 3Ø, ou substituição de transformadores por outros de maior potência, podem resultar na diminuição da queda de tensão. 3

4 h) Troca de condutores; Com o crescimento da carga, a troca de condutores por outro de maior bitola, poderá reduzir as perdas. VII - AÇÕES PARA MELHORIAS DE TENSÃO NO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE MÉDIA TENSÃO a) Equilíbrio de fases: Os circuitos desequilibrados podem acarretar sobrecarga no transformador da SE, reguladores de tensão, etc, mesmo que a carga instalada seja menor que a potência nominal dos equipamentos. pois pode ocorrer desequilíbrio na fase mais carregada do circuito a ponto de causar uma sobrecarga somente nessa fase. b) Redivisão de circuitos: Alimentadores mais carregados podem comprometer circuitos menos carregados, criando também boas condições para transferência de carga. c) Lançamento de fase: Em alimentadores monofásicos a queda de tensão na fase é adicional à queda de tensão no neutro, e a alteração para um trifásico (total ou parcial), permitirá um crescimento de carga bastante considerável. d) Troca de bitola de condutores: A troca de condutores irá acarretar numa maior capacidade de carga no alimentador. A queda de tensão ao longo de um alimentador pode ser obtida através da equação (4): Onde: (4) I : Corrente do trecho considerado; R : Resistência do condutor em Ω/km; X : Reatância do condutor em Ω/km; cos Ø : Fator de potência no trecho considerado; sen Ø : Seno do ângulo do fator de potência no trecho considerado; d : Comprimento total do trecho. f) Instalação de Banco de Capacitores: Os bancos de capacitores quando instalados no SED, causam uma elevação de tensão ao longo do alimentador, devido à melhoria no fator de potência dessa rede. g) Mudança de tap fixo no transformador da subestação: As maiorias dos transformadores instalados nas subestações de distribuição possuem tapes fixos, normalmente no lado de alta tensão, que podem alterar a relação de transformação em +/- 2 tapes de 2,5%, totalizando uma capacidade de 10%. Porém, devido a esses tapes serem fixos, tornase necessário o desligamento do transformador para executar essa alteração. Esse recurso normalmente é verificado na fase de planejamento. h) Instalação de reguladores de tensão: São normalmente instalados ao longo do alimentador, onde os níveis de tensão não se encontram nos níveis adequados. VIII - CORREÇÃO DE TENSÃO USANDO CAPACI- TOR SHUNT - Ø : Ângulo entre a tensão e a corrente na carga. A aplicação de capacitores de potência em sistema de distribuição produz a melhoria do fator de potência e conseqüentemente melhoria da tensão. Considere o circuito da Figura 2, onde: - VS : Tensão na fonte; - VR : Tensão na barra regulada da subestação; - Vq : Queda de tensão no circuito; - I : Corrente no circuito; - R : Resistência da LD; - X : Reatância da LD; - IR : Corrente devido à potência ativa; - IX : Corrente devido à potência reativa; Logicamente, com a troca de cabos com bitolas maiores, haverá menor impedância, e consequentemente menor queda de tensão. e) Construção de novos alimentadores ou subestações: Similar a redivisão de circuitos, permitirá um melhor aproveitamento do carregamento do alimentador. Fig. 2 - Diagrama de um circuito de uma LD. Considerando a queda de tensão Vq, tem-se: (5) 4

5 Instalando-se o capacitor C1, em derivação no ponto da carga, conforme Figura 3, tem-se: Fig.3 - Diagrama de um circuito de uma LD com capacitor C1. O novo valor da queda de tensão será: Com a ligação do capacitor a queda de tensão diminui de I C.X L, ou seja, a tensão foi elevada em I C X L, se VS permaneceu constante. Então, V qa seria o acréscimo de tensão devido à instalação do capacitor C1. Se, nas expressões anteriores, R for a resistência de um condutor de um circuito trifásico e X L sua reatância, a elevação de tensão em porcentagem de tensão V R será: O problema para alocação de banco de capacitores é que os alimentadores das redes de distribuição de grande porte podem possuir milhares de nós elétricos e dezenas de quilômetros de comprimento. Suponha o circuito do alimentador de forma uniforme, conforme a Figura 4 Fig. 4 - Localização de bancos de capacitores: (a) Localização física, (b) Perfil de tensão com carregamento pesado e (c) Perfil de tensão com carregamento leve. Observa-se que para diferentes perfis de carregamento o alimentador comporta-se de maneira diferente quanto ao perfil de tensão exibido. A instalação de capacitores fixos, durante períodos de carga pesada, pode inclusive implicar uma sobretensão em períodos de carga leve. A solução para esse tipo de problema é a instalação de capacitores chaveados, ou seja, capacitores com estágios discretos de compensação reativa para serem operados conforme o carregamento do alimentador. Para a instalação de capacitores chaveados é necessário um estudo sobre a demanda reativa diária, a partir da qual pode-se determinar o valor dos estágios fixos e chaveados. IX - CORREÇÃO DE TENSÃO USANDO CAPACI- TOR SÉRIE A aplicação de sistemas de compensação série é amplamente utilizada em sistemas de transmissão. Em um SED, quando se tem linhas longas, a compensação série pode contribuir para: Aumento da capacidade de transmissão de potência; Controle de tensão auto-regulado, contínuo e instantâneo; Melhoria no fator de potência; Diminuição das perdas das linhas. Na maioria dos casos a utilização de reguladores ou capacitores Shunt representa um menor custo em relação a capacitores série, mas nos casos citados a compensação série passa a ser competitiva. A idéia da aplicação do capacitor série na distribuição é muito antiga, e visa compensar, ou até sobrecompensar a parcela da reatância indutiva das linhas. A sobrecompensação pode ainda proporcionar, se tomados os devidos cuidados, melhores resultados, pois além de compensar a indutância da linha compensa parte dos reativos da carga, reduzindo a corrente que circula na linha, minimizando as perdas e ampliando a faixa de regulação do banco série. Isto permite que a compensação série seja, em muitos casos, uma alternativa para a- tendimento, quando a mesma exigir investimentos para a regulação de tensão, quando comparada com alternativas convencionais, como instalação de reguladores de tensão, bancos de capacitores shunt, recondutoramento de linhas, construção de alimentadores, subestações e até ramais de linhas de transmissão. 5

6 Para condições de regime permanente a avaliação dos efeitos da compensação série é muito fácil e perceptível, bastando analisar um diagrama fasorial, partindo de dados físicos da linha, dados da carga, incluindo fator de potência. Mas no caso de regime transitório, como, por exemplo, energização de linhas, transformadores, e alimentação de cargas oscilantes, pode trazer problemas de oscilação de tensão para o sistema. Ou seja, a solução que atende o regime permanente pode não atender ao regime transitório, e vice-versa. Sendo assim, as soluções devem ser avaliadas de forma separada, e definida aquela que resolva o problema na condição de regime permanente e não cause problemas na condição de regime transitório. Porém, o aumento de tensão causado pelo capacitor shunt depende da reatância da linha, enquanto o aumento de tensão pela compensação série depende principalmente da potência reativa da carga. Essa é a grande diferença entre eles. Tanto o capacitor shunt quanto o série, tem o mesmo objetivo: a melhoria da tensão e redução das perdas, através da compensação de fase. Convém salientar que a compensação série apesar de ser uma alternativa viável, tem seu uso limitado, sendo aplicado apenas em casos particulares, conforme listado anteriormente. CASO1: Ponto ao lado da subestação: Consumidor trifásico Pode-se notar que os dados obtidos na medição do consumidor trifásico, todos os dados estão dentro da faixa adequada, como mostra as figuras 5 já na figura 6 nota-se a que todas as leituras encontram-se na faixa de leitura adequada não apresentando medidas de DRP e nem DRC. Fig. 5 X - ESTUDO DE CASO Para o estudo de caso foram analisados dois pontos de interesse com consumidores que se localizassem próximos à subestação e próximos dos transformadores da rede de distribuição, esperando que nesses locais os resultados das leituras obtidas estivessem em sua maioria dentro da faixa de tensões adequadas. E, de modo análogo, buscou-se consumidores distantes da subestação e dos transformadores da rede de distribuição, podendo estes consumidores ser representantes de residências com valores de tensão fora da faixa de tensões adequadas. Outro fator para a escolha dos consumidores a serem estudados foi o tipo da instalação elétrica existente em suas residências, podendo ser: monofásico, bifásico ou trifásico. Contudo foram analisados dois pontos extremos: um logo ao lado da subestação de Itajubá, sendo um consumidor trifásico e outro ponto localizado a cerca de 3 km da subestação em um ponto denominado Fim de Linha. Segue abaixo os resultados obtidos nas leituras dos pontos de interesse: Fig. 6 CASO2: Ponto distante da subestação: Consumidor monofásico Já no caso do consumidor monofásico nota-se que os dados obtidos nas medições encontram-se nas faixas adequadas, precárias e alguns dados na faixa crítica, como mostrado na figura 7, já na figura 8 mostra-se que existem medidas de DRP e DRC acima do permitido pelo Módulo 8 do Prodist. 6

7 Fig. 7 outro transformador de forma a dividir a carga com o já instalado. Por mais que, o equilíbrio de fases, o fechamento em anel, a redivisão dos circuitos, o lançamento de fases e a troca de condutores são ações que podem perfeitamente resolver o problema considerou-se estas ações exageradas para o sistema apresentado. Em se tratando de ações no sistema de distribuição de média tensão, expostas no item VII, acredita-se que a instalação de banco de capacitores ou que a instalação de reguladores de tensão são as soluções mais práticas para o sistema apresentado. É importante ressaltar que se levou em conta o sistema de distribuição como radial, a não existência de cargas prioritárias naquele circuito e que todos os equipamentos instalados no sistema estejam em perfeito estado de funcionamento. Considerou-se também que tanto o consumidor do Caso 1 tanto o consumidor do Caso 2 estão conectados ao mesmo alimentador da subestação. XII REFERÊNCIAS Fig. 8 XI SOLUÇÕES PROPOSTAS PARA O ESTUDO DE CASO Não é tarefa fácil resolver um problema pontual quando não se tem uma visão global, por isso, este artigo não tem a menor pretensão de solucionar definitivamente os problemas mostrados no Caso 2 do item X, mas apenas tratar o problema com as soluções mais simples e mais utilizadas, em uma rede de distribuição de um sistema tipicamente radial. Adequar o consumidor, ou o grupo consumidor, a faixa de tensão padronizada como adequada está sempre associada a investimento financeiro que pode ser pequeno como enviar uma equipe para alterar o tap do transformador que atende aquele consumidor ou grande como construir uma nova subestação. Para determinar o que deve realmente ser feito carece-se de estudo sobre o sistema de distribuição como um todo ou, ao menos, do alimentador à que o consumidor seja beneficiário. Como exposto no Capítulo VI existem algumas ações a serem tomadas no sistema de distribuição de baixa tensão para a melhora da tensão em regime permanente. Dentre as expostas três ações nos pareceram mais viáveis técnica e economicamente, são elas a mudança do tap do transformador, o deslocamento do transformador para um ponto mais próximo ao centro de carga e a possibilidade de substituição deste transformador para um transformador de maior potência ou a instalação de Felber, Luis Antonio Regulação de tensão em subestações de distribuição de energia elétrica / por Luis Antonio Felber. -- Itajubá (MG) : [s.n.], Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL- Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional PRODIST Módulo 8 Qualidade da Energia Elétrica. 7