Estudo da Importância da Monitoração da Qualidade de Energia Elétrica nos Sistemas de Distribuição. Priscila Maciel Pimentel.

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1 UFPA Estudo da Importância da Monitoração da Qualidade de Energia Elétrica nos Sistemas de Distribuição Priscila Maciel Pimentel 2º Período/2010 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA TUCURUÍ PARÁ

2 Universidade Federal do Pará Campus Universitário de Tucuruí Faculdade de Engenharia Elétrica Priscila Maciel Pimentel Estudo da Importância da Monitoração da Qualidade de Energia Elétrica nos Sistemas de Distribuição Trabalho de Conclusão de Curso submetido ao colegiado do curso de engenharia elétrica como parte dos requisitos para obtenção de graduado em Engenheiro Eletricista. Tucuruí, junho de 2010 ii

3 Estudo da Importância da Monitoração da Qualidade de Energia Elétrica nos Sistemas de Distribuição Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado em 10 de junho de 2010 adequado para a obtenção de grau em Engenheiro Eletricista e aprovado em sua forma final pela banca examinadora que atribuiu o conceito excelente. Prof. MSc. Claudomiro Fábio de Oliveira Barbosa Orientador FEE/ CTUC/ UFPA Prof. Dr. João Paulo Abreu Vieira Membro FEE/ CTUC/ UFPA Prof. MSc. Hallan Max Silva Souza Membro FACET/ UFPA Prof. MSc. Cleison Daniel Silva Diretor da Faculdade de Engenharia Elétrica FEE/ CTUC/ UFPA iii

4 Dedicatória Dedico este trabalho a Deus por ter me dado sabedoria e a oportunidade de viver de novo, a minha família pelo apoio e incentivo e a todos os meus amigos que estiveram presente nesta etapa de minha vida. iv

5 Agradecimentos A Deus pela nova vida e força para continuar esta caminhada. A meu esposo José Cândido e a minha família pelo apoio e incentivo. Ao meu professor e orientador Claudomiro Fábio de Oliveira Barbosa, pela orientação e apoio. Ao professor Hallan Max pelo apoio neste trabalho. A banca examinadora composta pelos professores Hallan Max e João Paulo. A todos meus amigos que direta ou indiretamente me ajudaram na conclusão deste trabalho. v

6 Índice Lista de Figuras ix Lista de Tabelas x Abreviaturas xiii Resumo xiv Capítulo 1 - Introdução Motivação Objetivo Estrutura do Trabaho Capítulo 2 - Qualidade de Energia Elétrica Introdução Definição Fenômenos que caracterizam a Qualidade de Energia Transitórios Impulsivo Oscilatórios Variação de Tensão de Longa Duração - VTLD Sobretensões Subtensões Interrupções sustentadas Variação de Tensão de Curta Duração - VTCD Interrupção Afundamento de tensão ("Sag") Elevação de tensão ("Swell") Desequilíbrio de Tensão Distorção na forma de onda DC "Offset" Harmônicos Interharmônicos Recorte ("Notching") Ruído Flutuação vi

7 2.3.6 Variação na frequência Índices de Continuidade do serviço Capítulo 3 - Importância da Monitoração Por que Monitorar? Normatização Nacional e Internacional Normatização: Definição Normatização Nacional sobre QEE Obrigatoriedade do uso de normas Entidades Normativas Evolução normativa nacional sobre QEE Parâmetros da QEE no sistema elétrico nacional Normatização Internacional sobre QEE Evolução normativa internacional sobre QEE A IEC Normas da IEC relacionadas à QEE Capítulo 4 - Instrumentos de Monitoração Tipos de instrumentos de monitoração Oscilógrafo e analisador de energia CE Analisador de energia MARH - VI Multimedidor PowerLogic ION Analisador de energia Minipa ET Analisador VEGA Sistema de monitoramento Descrição física do sistema Topologia do sistema Metodologia de medição Transmissão de dados Sistema de gerenciamento Análise e apresentação de medições Capítulo 5 - Programas de Monitoração da Qualidade da Energia Elétrica Experiência Internacional Experiência Canadense Experiência Americana Experiência Espanhola vii

8 5.2 Experiência Nacional Programa de Monitoração da COELCE Programa de Monitoração da CELPE Programa de Monitoração da CPFL Programa de Monitoração da CELPA Indicações de aplicação de um Programa de Monitoração em Parauapebas Considerações finais Capítulo 6 - Conclusões Comentários finais Sugestões de trabalhos futuros Referências Bibliográficas viii

9 Lista de Figuras Figura 2.1 Transitório impulsivo de corrente causado por raio Figura 2.2 Transitório impulsivo em p.u Figura 2.3 Transitório oscilatório devido a chaveamento de capacitor Figura 2.4 Transitório oscilatório de baixa freq. causado por energização de banco de capacitor Figura 2.5 Transitório oscilatório de baixa frequência causado por ferroresonância de um transformador sem carga Figura 2.6 Forma de onda de Brownout Figura 2.7 Variação do valor RMS para interrupçao momentânea Figura 2.8 Afundamento de Tensão Sag Figura 2.9 Variação do valor RMS para um Swell Figura 2.10 Desequilíbrio na fase B de 2% Figura 2.11 Representação da série de Fourier para uma onda distorcida Figura 2.12 Forma de onda da tensão em uma fase Figura 2.13 Espectro de frequência de lâmpada de vapor de sódio Figura 2.14 Sinal de Tensão e Corrente da Lâmpada de vapor de sódio Figura 2.15 Espectro de potência de um forno de indução Figura 2.16 Tensão Notching causada pela operação de conversores Figura 2.17 Ruído elétrico superposto na forma de onda da tensão em p.u Figura 2.18 Flutuação da tensão em p.u Figura 2.19 Variação da frequência na forma de onda da tensão Figura 2.20 Média do índice de continuidade DEC por região (ano 2009) Figura 2.21 Média do índice FEC por região (ano 2009) Figura 2.22 Conta de energia elétrica com índices de continuidade Figura 3.1 Princípio da Normatização Figura 3.2 Desenvolvimento de uma norma brasileira Figura 3.3 Faixas de limites de tensão Figura 3.4 Curva da ITIC revisada no ano Figura 3.5 Marca de Certificação CE Figura 3.6 Marca de Certificação C-tick Figura 3.7 Marca de Certificação INMETRO Figura 3.8 Organograma da IEC ix

10 Figura 4.1 Estrutura do instrumento CE Figura 4.2 Analisador de energia MARH - VI Figura 4.3 Multimedidor PowerLogic ION Figura 4.4 Analisador ET Figura 4.5 Analisador VEGA Figura 4.6 Topologia - célula de monitoramento Figura 4.7 Detalhamento do núcleo da célula de monitoramento Figura 4.8 Topologia servidor de dados Figura 4.9 Assuntos envolvidos ao "Data Mining" Figura 4.10 Afundamento de tensão registrado por um medidor nas 3 fases Figura 4.11 Interrupção de tensão registrada por um programa de QEE Figura 4.12 Sobretensão registrada por um programa de QEE Figura 4.13 Espectro de desequilíbrio de tensão medido na Subestação Figura 4.14 Ambiente gráfico do programa Figura 4.15 Distorção harmônica registrada no motor de indução a vazio Figura 4.16 Espectros harmônicos de tensão e da corrente obtidos de um motor Figura 4.17 Perfil de DHT de tensão e corrente por fase de um trafo Figura 4.18 Afundamento de tensão em uma indústria (ponto B) Figura 5.1 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD por mês na indústria Figura 5.2 Porcentagem de sítios X nº médio de VTCD por mês por sítio Figura 5.3 Porcentagem cumulativa de VTCD versus nº médio VTCD por mês/ sítio Figura 5.4 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD/mês/ sítio 120/208V Figura 5.5 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD/mês/ sítio 347/600V Figura 5.6 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD/ mês/ sítio em comércio Figura 5.7 Porcentagem Cumulativa VTCD X nº médio VTCD/ mês/ sítio Figura 5.8 Histograma da DHTV de umas 3 semanas de monitoração Figura 5.9 Histograma das interrupções e o total de VTCD Figura 5.10 Histograma das durações dos VTCD e Swells x

11 Figura 5.11 Ligação do 3720 ACM à Estação via Modem e rede telefônica Figura 5.12 Localização dos pontos de monitoramento da COELCE em Fortaleza Figura 5.13 Localização dos pontos de monitoramento da COELCE no interior do Ceará Figura 5.14 Valores máximos de desequilíbrio por subestação monitorada Figura 5.15 Percentual de 95% da DHTV por subestação Figura 5.16 Percentual de 95% de 5ª harmônica por subestação Figura 5.17 Valor correspondente à probabilidade acumulada de 95% Figura 5.18 Tela com os indicadores DV95d para Subestação Piedade para uma semana Figura 5.19 Tela com os indicadores DV95d para Subestação Piedade Figura 5.20 Tela com números de ocorrências por fase e faixa de duração Figura 5.21 Arquitetura do sistema de Gestão da Qualidade de energia Figura 5.22 Sistema de Gestão Figura 5.23 Diagrama físico do sistema de monitoramento da Qualidade de energia Figura 5.24 Tela de abertura do Programa Softcom Figura 5.25 Sistema de monitoramento em projeto piloto Figura 5.26 Programa Softcom Figura 5.27 Mapa do município de Parauapebas Figura 5.28 Vista aerea do município de Parauapebas, ano Figura 5.29 Indicadores de Continuidade mensal (Ano 2009) Figura 5.30 Média dos indicadores de Continuidade de Fornecimento de energia, ano Figura 5.31 Indicador de continuidade DEC, ano Figura 5.32 Indicador de continuidade FEC, ano Figura 5.33 Foto da subestação de Parauapebas Figura 5.34 Empresa RIP Serviços Industriais Figura 5.35 Empresa Integral Construções e Comércio Figura 5.36 Motor queimado por sobretensão Figura 5.37 Pontos de monitoramento sugerido Figura 5.38 Detalhes da instalação de um analisador de energia Figura 5.39 Topologia da rede de monitoramento xi

12 Lista de Tabelas Tabela 2.1 Categorias e características de fenômenos eletromagnéticos Tabela 2.2 Sequência dos componentes harmônicos Tabela 4.1 Resumo dos fenômenos e equipamentos de monitoramento Tabela 5.1 Resultados de um caso real para ilustrar o conceito de VTCD incidente Tabela 5.2 Quadro resumo dos indicadores de qualidade de energia elétrica na COELCE Tabela 5.3 Indicadores diários de probabilidade do parâmetro P de tensão Tabela 5.4 Indicadores semanais de máximo dos índices diários do Parâmetro P de tensão Tabela 5.5 Indicadores para cada local monitorado para um ano Tabela 5.6 Indicadores para conjunto de locais monitorados para um ano Tabela 5.7 Resumo dos resultados de 12 subestações Tabela 5.8 Dados da Subestação de Parauapebas xii

13 Abreviaturas ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica IEC - International Electrotechnical Commission IEEE - Institute Electrical and Electronics Engineers ITU - International Telecommunication Union ISO - International Organization for Standardization WTO - World Trade Organization (Organização Mundial do Comércio) TBT - Technical Barriers to Trade (Acordo de Barreiras Técnicas) ANSI - American National Standards Institute NEMA - National Electrical Manufactureis Association ITIC - Information Technology Industry Council CBEMA - Computer and Business Equipment Manufacturers Association DEC - Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora FEC - Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora DIC - Duração de Interrupção por Unidade Consumidora FIC - Frequência de Interrupção por Unidade Consumidora DMIC - Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora xiii

14 Resumo O presente trabalho no primeiro momento faz um estudo sobre a qualidade de energia elétrica, bem como apresentando suas diversas definições, sua importância e os fenômenos que a afetam, além de seus indicadores de continuidade de fornecimento. Em um segundo momento é mostrado a evolução da normatização nacional e internacional, os diferentes tipos de instrumentos, rede de monitoração, análise e apresentação de dados, isto é, o funcionamento de um sistema de monitoramento da qualidade de energia. Em um terceiro momento é apresentado os diferentes programas de monitoração implantados tanto a nível nacional como internacional. No quarto e último momento é feito um estudo sobre os distúrbios de energia elétrica no município de Parauapebas no estado do Pará, bem como motivações para a implantação de um sistema de monitoramento da qualidade de energia elétrica no pólo industrial desta cidade, em virtude do fornecimento de energia elétrica estar com qualidade inadequada. A indicação de um programa de monitoração da qualidade de energia elétrica que será apresentado neste trabalho é de grande importância para a concessionária de energia elétrica local. Pois a determinação de indicadores que expressem a qualidade de energia nos pontos de conexão com a distribuidora, e em pontos estratégicos do ponto de vista da qualidade, permite estabelecer relações de causa efeito que podem subsidiar ações de caráter preventivo ou corretivo para operação do sistema elétrico ou mesmo no planejamento da operação e expansão do sistema elétrico. xiv

15 Capítulo 1 Introdução O temor do Senhor é o princípio da sabedoria. (Sl ) Motivação O principal interesse pela Qualidade de Energia Elétrica está na procura do aumento da produtividade e melhores condições de vida pelos consumidores, pois a disponibilidade da energia elétrica representa um incremento na qualidade de vida das populações. Num primeiro momento em que se implanta um sistema de distribuição de energia elétrica, a população local imediatamente passa a constar com inúmeros benefícios, tanto do ponto de vista de maior conforto doméstico como de melhores possibilidades de emprego e produção. À medida que os benefícios da energia elétrica passam a fazer parte do dia-a-dia das pessoas, é natural que se inicie um processo de discussão quanto à qualidade do produto. Numa análise inicial preocupa-se com a continuidade do serviço, já que fica evidente que qualquer interrupção do fornecimento implicará em transtornos de toda ordem. A questão da qualidade da energia elétrica como um produto comercial, não é tão evidente quando não há interrupções. Isso normalmente só é percebido de forma um pouco difusa, através de falhas de funcionamento em alguns equipamentos, principalmente os mais sofisticados. A monitoração do sistema elétrico representa um importante procedimento para a avaliação da qualidade da energia elétrica, essencial para se obter os elementos necessários para o diagnóstico dos problemas nesta área, o conhecimento das características de sensibilidade dos equipamentos dos consumidores e, sobretudo para a determinação de alternativas de soluções dos problemas. 1

16 As principais vantagens da implantação de sistemas para o monitoramento da qualidade da energia elétrica, principalmente no setor industrial de processos contínuos de produção e serviços, são: a possibilidade de avaliar os indicadores das cargas perturbadoras; o monitoramento das cargas sensíveis, como motores, dispositivos de controle e automação e microcomputadores; e a fácil detecção dos distúrbios provenientes do sistema elétrico da concessionária. Além do fato de que permite reduzir todos os custos envolvidos em interrupções forçadas, e aqueles ocasionados por perdas na instalação, desgaste e redução da vida útil dos equipamentos importantes Objetivos O presente trabalho tem por objetivos: Definir a expressão qualidade da energia elétrica, bem como apresentar os principais fenômenos que a afetam; Apresentar a importância da monitoração da qualidade da energia elétrica no sistema elétrico de distribuição, bem como nas indústrias. Mostrar como vem sendo tratado este termo em nível de normatização nacional e internacional; Apresentar alguns tipos de instrumentos de monitoração e um tipo de sistema de monitoração, bem como mostrar alguns exemplos de registros e análise de dados de alguns programas de monitoração; Propor indicações de implantação de um programa de monitoração da qualidade da energia elétrica na cidade de Parauapebas, apresentando a importância da monitoração dos indicadores que expressam a qualidade da energia elétrica no sistema elétrico de distribuição e principalmente nas indústrias. 2

17 1.3. Estrutura do Trabalho de Conclusão de Curso Neste primeiro capítulo são apresentados os principais objetivos e motivação buscados neste trabalho, os quais englobam a importância do tema discutido, ressaltando os benefícios de um programa de monitoração contínua da qualidade da energia para a prestação de um serviço de melhor qualidade aos consumidores. No segundo capítulo são abordadas as diversas definições do assunto Qualidade de Energia Elétrica, além de se fazer uma discussão sobre os principais fenômenos que afetam a qualidade da energia elétrica, sendo também apresentados os índices de continuidade do serviço. A importância da monitoração da qualidade de energia elétrica e sua normatização nacional e internacional são apresentadas no terceiro capítulo. O quarto capítulo apresenta os tipos de instrumentos utilizados para monitorar, as redes de monitoração e seu funcionamento, e alguns exemplos de monitoração, nos quais são apresentados os dados e suas análises. O quinto capítulo apresenta a experiência com alguns programas de monitoração da qualidade de energia elétrica com aplicação tanto nacional como internacional. Neste capítulo também é apresentada as indicações da aplicação de um programa de monitoração no município de Parauapebas, Estado do Pará. No sexto e último capítulo são apresentadas as principais conclusões tiradas deste trabalho, além das sugestões para trabalhos futuros. 3

18 Capítulo 2 Qualidade de Energia Elétrica A preguiça é a mãe do progresso. Se o homem não tivesse preguiça de caminhar, não teria inventado a roda. Mário Quintana 2.1. Introdução Este capítulo apresentará inicialmente a definição de Qualidade de Energia Elétrica (QEE), bem como o aumento do interesse por este tema. Seguindo a seqüência serão apresentados e classificados os principais fenômenos associados a esta, sejam estes distúrbios ou variações em regime permanente tais como transitórios, variações de curta e longa duração, desequilíbrio de tensão, distorção de forma de onda e outros, os quais se caracterizam como problemas de qualidade de energia, de acordo com as normas internacionais, principalmente a [1] e a [2] e a norma nacional através do [3]. Para cada fenômeno de qualidade de energia serão citados as principais causas e seus efeitos no sistema de energia e nas cargas conectadas ao sistema. As definições apresentadas neste capítulo servirão de base para os capítulos seguintes, tanto em relação à importância da monitoração quanto para os programas utilizados para monitorar Definição A expressão Qualidade da energia elétrica ( Power Quality ) pode ser definida como a disponibilidade de energia elétrica com forma de onda senoidal pura, sem alterações na amplitude, emanando de uma fonte de potência infinita. Deste ponto de vista, pode-se caracterizar como um problema de qualidade de energia qualquer distúrbio ou ocorrência manifestada nos níveis 4

19 de tensão, nas formas de onda de tensão ou corrente que possam resultar em insuficiência, má operação, falha ou defeito permanente em equipamentos de um sistema elétrico. Assim, pode-se dizer que qualidade da energia elétrica é a ausência relativa de variações de tensão e freqüência provocadas pelo sistema elétrico da concessionária, isto é, particularmente a ausência de desligamentos, flutuações de tensão, surtos e harmônicos, os quais são medidos no ponto de entrega da energia. No Brasil, segundo entendimento da [3], a qualidade de energia elétrica engloba tanto a qualidade de produto quanto a qualidade de serviço. A primeira está relacionada aos fenômenos de qualidade de energia (conformidade), enquanto a segunda diz respeito à confiabilidade, através de indicadores de continuidade. Atualmente no Brasil, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) verifica a qualidade de atendimento das concessionárias através de indicadores de continuidade. Os indicadores de continuidade globais regulamentados são o DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) e o FEC (Freqüência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora), enquanto que os indicadores de continuidade individuais são o DIC (Duração de Interrupção por Unidade Consumidora), FIC (Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora) e o DMIC (Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora). As metas destes indicadores a serem observados pelas concessionárias são estabelecidas nos Contratos de Concessão com a ANEEL, como revisões periódicas. Caso estes índices não sejam cumpridos são aplicadas penalidades às concessionárias [4]. Segundo o atual presidente da ANEEL, Jerson Kelman, a agência estuda implementar um método de cálculo das tarifas diferenciadas entre clientes de uma mesma distribuidora dentro de uma mesma faixa de tensão: Estamos estudando se o nível de qualidade do atendimento pode ou não ser importante para definição da tarifa, diz. Dois novos critérios estão em estudo na ANEEL, no primeiro, consumidores de áreas com serviços inferiores 5

20 pagariam tarifa menor. No segundo, deveria haver uma universalização dos serviços, ou seja, qualidade idêntica para todos os consumidores [5]. A seguir são mensuradas algumas causas relacionadas à qualidade da energia elétrica: i. Novas tecnologias implementadas nos sistemas de geração. O controle microprocessado e os dispositivos de eletrônica de potência são mais sensíveis às variações na qualidade de energia, do que os equipamentos antes utilizados; ii. O aumento da eficiência no sistema como um todo faz crescer o número de aplicações que reduzem perdas, como equipamentos com alta eficiência, dispositivos de controle de velocidade de motores e a instalação de banco de capacitores para a correção do fator de potência. Este fato tem como conseqüência um aumento nos níveis de harmônicos nos sistemas de energia, trazendo consigo preocupações sobre os impactos futuros da capacidade dos sistemas; iii. Os consumidores estão mais conscientes sobre o assunto qualidade de energia, desafiando as empresas do setor elétrico a melhorarem o nível de qualidade da energia fornecida aos consumidores; iv. Muitos sistemas, não só elétricos, estão interconectados em rede. Processos integrados significam que uma falha em um componente tem maiores conseqüências. Para [6] e [7], o uso de equipamentos mais sensíveis a distúrbios, tanto pelos consumidores como pelos produtores do sistema de energia, tem aumentado o interesse pela qualidade de energia. Outro fator que contribui para as discussões na área de QEE, é que os problemas em uma peça ou equipamento geram um problema cada vez mais severo, tendo em vista o contínuo aumento das interconexões entre a rede de energia e os processos industriais. Embora um sistema de energia seja projetado para fornecer tensões senoidais de suprimento perfeitamente equilibradas, com amplitude e freqüência constantes, na realidade tal configuração não existe. Pois embora a tensão gerada seja muito próxima da onda senoidal, a própria operação de 6

21 transmissão e distribuição de energia e o seu uso pelos consumidores causam distorções das condições ideais de fornecimento, prejudicando a qualidade da energia. A qualidade de energia elétrica não pode ser completamente controlada pelas empresas de energia elétrica, pois os sistemas de energia são bastante susceptíveis aos fenômenos naturais (descargas atmosféricas, vendaval, etc.), e também aqueles inerentes à própria operação do sistema, como curto-circuito causado por defeitos do equipamento, vandalismo, queimadas embaixo das linhas de transmissão, etc. Tais distúrbios são muito difíceis, senão impossíveis de controlar. Um dos mais importantes parâmetros que afetam a qualidade de energia elétrica está relacionado à sensibilidade dos equipamentos dos consumidores, tal fato comprova que a qualidade de energia elétrica depende tanto das empresas fornecedoras de energia elétrica quanto dos consumidores e também dos fabricantes de equipamentos Fenômenos que caracterizam a Qualidade de Energia Elétrica. Define-se como fenômeno de qualidade de energia elétrica qualquer ação ou distúrbio que produz resultados indesejados para a carga conectada ao sistema [8]. Como se sabe, entretanto, um amplo espectro de fenômenos eletromagnéticos está presente no cotidiano desses sistemas elétricos. Um problema de qualidade de energia é um conjunto destes eventos. A característica do fenômeno de qualidade de energia identifica o tipo de problema de qualidade de energia elétrica. Os sistemas de suprimento de energia elétrica são projetados para fornecer um adequado e confiável suprimento de tensão que satisfaça as necessidades de todos os usuários. Normalmente os sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia são sujeitos a inesperadas variações momentâneas, naturais ou provocadas pelo homem. Como resultado, o sistema elétrico irá experimentar certas perturbações de tensão. 7

22 Perturbações de tensão podem ser problemas para certos usuários com equipamentos sensíveis se elas causam perdas ou dados espúrios, disparos falsos, ou falha no equipamento. Muitas dessas perturbações são geradas por: Equipamentos nas próprias instalações do usuário; Eventos sobre o sistema da distribuidora de energia, tais como raios e chaveamentos de equipamentos; Equipamentos de outros usuários sobre circuitos adjacentes. Perturbações no sistema de energia são aumentos ou diminuições na tensão ou na freqüência do sistema, além do que é considerado tolerância normal. As mudanças na tensão podem ir da completa perda desta, com duração de segundos, minutos, ou até mesmo horas, a altas magnitudes, impulsos de curta duração de 50 ou mais vezes a tensão normal do sistema não durando mais que uns poucos milésimos de segundo. Algumas dessas perturbações podem ter um efeito indesejável sobre os equipamentos conectados ao sistema de energia, incluindo os dispositivos de proteção. O IEEE, através da [2] (práticas recomendadas na monitoração da qualidade de energia elétrica), classifica os fenômenos eletromagnéticos observados na qualidade de energia elétrica, conforme a tabela

23 Tabela 2.1 Categorias e Características Típicas de Fenômenos Eletromagnéticos em Sistemas de Energia Elétrica [2]. Categorias Espectro típico Duração típica Tensão típica 1. Transitórios 1.1 Impulsivos Nanossegundos 5ns ascensão < 50ns Microssegundos 1µs ascensão 50ns 1ms Milissegundos 0,1ms ascensão > 1ms 1.2 Oscilatórios Baixa Freqüência < 5 khz 0,3 50ms 0 4 p.u Média Freqüência khz 20µs 0 8 p.u Alta Freqüência 0,5 5 MHz 5µs 0 4 p.u. 2.Variações de Tensão de Curta Duração 2.1 Instantâneas Sag (Afundamento) 0,5 30 ciclos 0,1 0,9 p.u Swell (Elevação) 0,5 30 ciclos 1,1 1,8 p.u. 2.2 Momentâneas Interrupção 0,5 ciclos 3s < 0,1 p.u Sag ( Afundamento) 30 ciclos 3s 0,1 0,9 p.u Swell (Elevação) 30 ciclos 3s 1,1 1,4 p.u. 2.3 Temporárias Interrupção 3s 1 min < 0,1 p.u Sag (Afundamento) 3s 1 min 0,1 0,9 p.u Swell (Elevação) 3s 1 min 1,1 1,2 p.u. 3. Variações de Tensão de Longa Duração 3.1 Interrupção Sustentada > 1 min 0,0 p.u. 3.2 Subtensão > 1 min 0,8 0,9 p.u. 3.3 Sobretensão > 1 min 1,1 1,2 p.u. 4.Desequilíbrio de Tensão Estado Estacionário 0,5 2% 5.Distorção da Forma de Onda 5.1 DC Offset Estado Estacionário 0 0,1% 5.2 Harmônicas Estado Estacionário 0 20% 5.3 Interharmônicas Estado Estacionário 0 2% 5.4 Notching (Corte de Tensão) Estado Estacionário 5.5 Ruído Estado Estacionário 0 1% 6.Flutuação de Tensão Intermitente 0,1 7% 7.Variação de Freqüência < 10s 9

24 Para [6] e [7], [9] e [10] as variações de qualidade de energia que podem causar problemas em cargas sensíveis dividem-se em dois grupos básicos: distúrbios e variações em regime permanente. O primeiro é detectado quando ocorrem anomalias na tensão ou corrente, tais como tensões transitórias e variações na tensão eficaz. O segundo, que inclui distorção harmônica e variações normais na tensão eficaz, é monitorado a todo o instante, e causa problemas ao ultrapassar limites técnicos. Dentre os distúrbios de qualidade de energia elétrica, destacam-se como principais: Sobretensões transitórias (transitório impulsivo e transitório oscilatório); Oscilações de tensão ( sag, swell, sobretensões, subtensões e interrupções); Distorções da forma de onda ( DC offset, harmônicos, interharmônicos, notching e ruído); Flutuação de tensão ( flicker ); Desequilíbrio de tensão; Variações de freqüência. No Brasil, o sag também é definido como afundamento de tensão, enquanto que o swell é conhecido por elevação de tensão. As Variações de Tensão de Curta Duração (VTCD), que incluem além dos afundamentos e elevações, as interrupções Transitórios O termo transitório tem sido usado na análise de sistemas de energia para caracterizar eventos de natureza momentânea. Isto é, desvios momentâneos indesejados na tensão de fornecimento ou na corrente de carga. Os transitórios são sinais com duração finita, ou seja, referem-se ao aumento ou diminuição repentina da tensão ou corrente, que freqüentemente se dissipam rapidamente [11]. 10

25 Transitórios podem ser gerados externa e internamente. Os transitórios externos são aqueles gerados fora das instalações elétricas e levados para dentro das instalações pelos condutores da rede. Enquanto os transitórios internos são gerados dentro das instalações pelo próprio equipamento do usuário. Os transitórios se caracterizam como fenômenos de alta freqüência, pois apresentam componentes de tensão acima da freqüência fundamental, sendo suas principais características: Os picos no nível de tensão; Conteúdo de energia (área compreendida pelo sinal); A razão de mudança da tensão com o tempo (tempo de subida dv/dt); Ângulo de fase (local da ocorrência na senóide); Freqüência de ocorrência. As principais fontes de distúrbios de alta freqüência podem ser causadas por sobretensões transitórias, tais como chaveamento de cargas, operação de relés e contatores, chaveamento de capacitores para correção do fator de potência e descargas atmosféricas nas proximidades da rede elétrica. Os transitórios podem ser classificados em duas categorias: impulsivo e oscilatório, os quais se refletem nas formas de onda da tensão ou da corrente Impulsivos Um transitório impulsivo é caracterizado por uma mudança repentina nas condições de estado permanente da tensão, corrente ou ambas, sem alteração da freqüência, com polaridade unidirecional (positiva ou negativa). Os transitórios impulsivos possuem um tempo de subida e um tempo de decaimento. A causa mais comum dos transitórios impulsivos são as descargas atmosféricas, devido à alta freqüência, sendo estes amortecidos rapidamente em decorrência da resistência presente nos componentes dos sistemas de transmissão e distribuição que restringem a sua propagação, pois amortecem 11

26 as correntes transitórias. A figura 2.1 mostra um típico transitório impulsivo de corrente causado por um raio. Figura 2.1 Transitório impulsivo de corrente causado por raio. Os principais problemas causados pelas correntes devido a transitórios impulsivos são a elevação do potencial de terra local (em relação a outros pontos de terra) em vários kilovolts e a introdução de altas tensões nos condutores fase, quando as correntes passam pelos cabos a caminho da terra. Outros impactos podem ser falhas em transformadores, em pára-raios e danos a equipamentos dos consumidores, devido à reflexão na baixa tensão. Por ser um fenômeno de alta freqüência, o formato do transitório impulsivo pode mudar rapidamente devido aos componentes do circuito, e até mesmo possuir características significativamente diferentes ao ser observado em posições distintas do sistema de energia, conforme mostra a figura 2.2. Figura 2.2 Transitório impulsivo em p.u. 12

27 Na maioria dos casos, as sobretensões transitórias não são conduzidas para longe do ponto onde tiveram origem, entretanto, em algumas situações podem ser conduzidas por distâncias consideráveis, pelas linhas de transmissão. Transitórios impulsivos podem excitar circuitos ressonantes no sistema de energia e produzir um transitório oscilatório Oscilatórios Um transitório oscilatório é ocasionado por uma rápida mudança nas condições de regime permanente da onda de tensão e/ou corrente, sem alteração da freqüência por uma onda que contenha as duas polaridades e alternam suas amplitudes rapidamente (negativa e positiva). A causa mais comum de um transitório oscilatório é o chaveamento de banco capacitores para a correção do fator de potência. A figura 2.3 ilustra a corrente resultante do chaveamento back-to-back de um capacitor Figura 2.3 Transitório oscilatório devido ao chaveamento de um capacitor. Os transitórios oscilatórios de alta freqüência são aqueles em que a componente de freqüência principal é maior que 500 khz possuem uma duração típica mensurada em microssegundos (ou alguns ciclos da freqüência principal). Para estes a causa principal é a resposta do sistema local a um transitório impulsivo, pois o sinal irradiado pode atingir equipamentos eletrônicos sensíveis. 13

28 Um transitório que apresenta freqüência entre 5 e 500 khz com duração medida em décimos de microssegundos (ou alguns ciclos da freqüência fundamental) é denominado de transitório oscilatório de média freqüência. Transitórios com componente de freqüência principal menor do que 5 khz, e duração de 0,3 a 50 milissegundos são considerados transitórios de baixa freqüência. Esta categoria de fenômenos é freqüentemente encontrada nos sistemas de subtransmissão e distribuição e são causados por diversos tipos de eventos. Sendo o mais freqüente a energização de banco de capacitores, o qual normalmente resulta em transitórios oscilatórios de tensão com freqüência principal entre 300 e 900 Hz, conforme apresentado na figura 2.4. A magnitude máxima pode aproximar-se de 2,0 p.u., mas os valores típicos são entre 1,3 e 1,5 p.u., com duração entre 0,5 e 3 ciclos, dependendo do amortecimento do sistema [12]. Figura 2.4 Transitório oscilatório de baixa freqüência causado por energização de banco de capacitores. Em sistemas de distribuição também são encontrados transitórios oscilatórios com freqüência fundamental menor que 300 Hz. Geralmente, estes transitórios estão associados com ferroressonância, energização de transformadores e capacitores em série. Este último ocorre quando o sistema responde por ressonância, com os componentes de baixa freqüência das correntes drenadas pelos transformadores (segunda e terceira harmônicas) ou quando condições não usuais resultam em ferroressonância. A figura 2.5 ilustra um transitório de baixa freqüência por ferroresonância de um transformador sem carga. 14

29 Figura 2.5 Transitório oscilatório de baixa freqüência causado por ferroresonância de um transformador sem carga. É importante comentar ainda, que as tensões transitórias causadas por raios ou operações de chaveamento podem resultar em degradação ou falha dielétrica imediata em todas as classes de equipamentos. A alta magnitude e o rápido tempo de subida contribuem para quebrar a isolação de equipamentos elétricos como máquinas rotativas, transformadores, capacitores, cabos, transformadores de corrente (TC s), transformadores de potencial (TP s), e chaves de distribuição. Ademais, a aplicação de transitórios de baixa magnitude, repetidamente, a esses tipos de equipamentos, causa lenta degradação e eventual falha de isolação, diminuindo o tempo médio entre falhas do equipamento. Em equipamentos eletrônicos as falhas nos componentes da fonte de alimentação, podem resultar de um único transitório de magnitude relativamente modesta Variações de Tensão de Longa Duração (VTLD) As variações de tensão de longa duração englobam variações do valor eficaz da tensão durante um tempo superior a 1 minuto, conforme apresentado na tabela 2.1. Portanto, são consideradas como distúrbios de regime permanente. Comumente, estas variações estão associadas a variações de carga ou a perda de interligações no sistema elétrico. As variações de longa duração são classificadas como interrupções sustentadas, sobretensões e subtensões, dependendo da causa da variação. Geralmente, sobretensões e subtensões não são resultados de faltas no 15

30 sistema, e sim das variações de carga e operações de chaveamento no sistema. Estas são caracterizadas pela variação da tensão RMS no tempo Sobretensões Sobretensão é o aumento no valor eficaz RMS da tensão em corrente alternada (CA), maior que 110% na freqüência do sistema e de duração maior que 1 minuto (tabela 2.1). Normalmente são conseqüências de chaveamento de cargas, desligamento de grandes cargas e de ajustes incorretos nos tap s de transformadores de distribuição. As sobretensões também podem resultar de variações na compensação de reativos no sistema (introdução de bancos de capacitores). Além disso, um deficiente controle ou regulação de tensão do sistema pode originar às sobretensões Subtensões A subtensão apresenta características contrárias à sobretensão, podendo ser caracterizada pelo decréscimo no valor eficaz da tensão de corrente CA, abaixo de 90% na freqüência do sistema e com duração maior que 1 minuto (tabela 2.1). O termo Brownout é utilizado com freqüência para caracterizar um período de subtensão sustentada (figura 2.6). Figura 2.6 Forma de onda de Brownout. A subtensão é causada por eventos como: carregamento excessivo de circuitos alimentadores devido às quedas de tensão inerentes ao sistema; 16

31 chaveamento de bancos de capacitores; sobrecargas de alguns equipamentos; e excesso de reativo conduzido por este sistema. Estes eventos podem causar a subtensão até que os equipamentos de regulação de tensão do sistema possam trazer de volta a tensão para dentro da tolerância Interrupções sustentadas Interrupções sustentadas ocorrem quando a tensão eficaz de alimentação tem valor nulo por um período maior que 1 minuto (tabela 2.1). Para a monitoração da qualidade de energia, o termo interrupção não tem qualquer relação com a confiabilidade e continuidade de serviço do sistema. Este termo é utilizado para especificar a ausência de tensão por longos períodos. Interrupção de tensão maior que 1 minuto é freqüentemente de natureza permanente e requer intervenção manual para restauração. Este tipo de interrupção pode ser de natureza planejada ou inesperada. A primeira vem das manutenções preventivas no sistema de distribuição ou de manobras complexas para transferência de fonte de alimentação. As interrupções sustentadas inesperadas são provenientes de falhas em disjuntores, sobrecargas no sistema, queima de fusíveis, entre outros Variações de Tensão de Curta Duração (VTCD) As variações de tensão de curta duração englobam os desvios na onda de tensão por períodos menores ou iguais a 1 minuto. Variações de curta duração são quase sempre causadas por condições de faltas, energização de grandes cargas que requerem altas correntes de partida, ou conexões frouxas intermitentes nos cabos de energia. Dependendo da localização da falta e condições do sistema, a falta pode causar temporariamente uma elevação da tensão swell, uma queda de tensão (sag), ou uma completa perda de tensão, interrupção. 17

32 Mudanças na corrente, as quais caem dentro das categorias supracitadas, em duração e magnitude são também incluídas como variações de curta duração. Os problemas mais comuns associados com interrupções, sags, e swells são as paralisações dos equipamentos. Em muitas indústrias com processos críticos, freqüentemente, fenômenos de curta duração podem causar interrupções no processo, requerendo horas para o restabelecimento, o que resulta em elevados prejuízos financeiros Interrupções Uma interrupção ocorre quando o suprimento de tensão ou de corrente na carga decresce abaixo de 0,1 pu. por um período de tempo não excedendo 1 minuto. As interrupções podem ser classificadas como instantâneas, momentâneas e temporárias (tabela 2.1). Interrupções são resultados de faltas em sistemas, falhas em equipamentos e mau funcionamento do sistema de controle. Normalmente, a duração de uma interrupção devido a uma falta sobre a rede é determinada pelos dispositivos de proteção da rede e pelo evento em particular que causou a falta. Enquanto que a duração de uma interrupção devido ao mau funcionamento de equipamentos ou conexões frouxas pode ser irregular. Como mencionado anteriormente, a duração da interrupção depende, entre outros fatores, da capacidade de restabelecimento dos dispositivos de proteção. Restabelecimentos instantâneos irão limitar a falta não permanente para menos de 30 ciclos. Entretanto, atrasos no restabelecimento do dispositivo de proteção podem causar interrupção momentânea ou temporária. A figura 2.7 mostra uma interrupção momentânea durante a qual a tensão cai por aproximadamente 2,3 s. 18

33 Figura 2.7 Variação do valor RMS para uma interrupção momentânea devido a uma falta e subseqüente operação de restabelecimento. Interrupções instantâneas podem afetar equipamentos eletrônicos e de iluminação, causando má operação ou interrupção. Esses equipamentos eletrônicos incluem fontes e controladores, computadores, e controle de máquinas rotativas. Interrupções momentâneas e temporárias causarão quase sempre a interrupção da operação. Ademais, podem causar a dessexcitação de contatores de motores de indução. Salienta-se ainda que em alguns casos, as interrupções podem danificar equipamentos eletrônicos de soft-start [12] Afundamentos de tensão ( Sags ) O conceito de afundamento de tensão é a diminuição da tensão eficaz variando entre 0,1 a 0,9 p.u., de amplitude e com duração entre meio ciclo a 1 minuto. Os afundamentos de tensão, ou sag, ou queda de tensão, ou subtensão são divididos em três categorias: instantâneo, momentâneo e temporário, conforme suas durações (tabela 2.1). Afundamentos de tensão são usualmente associadas com faltas no sistema, chaveamento de pesadas cargas, partida de grandes motores, ou energização de transformadores. Motores de indução quando da partida, chegam a drenar de 6 a 10 vezes sua corrente nominal, isso causa uma queda 19

34 de tensão através da impedância do sistema. Se a magnitude da corrente de falta é grande em relação à corrente de falta disponível no sistema, a queda de tensão pode ser significativa. As subtensões que duram menos que 0,5 ciclo não podem ser caracterizadas efetivamente como uma mudança no valor RMS na freqüência fundamental. Portanto, esses eventos são considerados como transitórios (subseção 2.3.1). Já as subtensões que duram mais que 1 minuto caraterizamse como variações de longa duração (subseção 2.3.2). Subtensões de curta duração, em particular causam numerosos processos de interrupção. Freqüentemente, o sag é sentido por controladores eletrônicos de processos equipados com circuitos de detecção de falhas, o qual inicia o desligamento de outra carga menos sensível. Uma solução comum para este problema é suprir o controlador eletrônico com um transformador de tensão constante, ou outro dispositivo mitigador, para fornecer tensão adequada durante o sag. O desafio é manter o controlador eletrônico durante sag que não irá danificar o equipamento protegido pelo circuito de falta, enquanto simultaneamente reduz incômodos desligamentos. A figura 2.8 mostra um típico sag associado com uma falta monofásica para a terra. Figura 2.8 Afundamento de tensão. 20

35 Equipamentos tais como transformadores, cabos, barramentos, chaves seccionadoras, TC s e TP s não devem sofrer danos ou mau funcionamento devido à sag. Uma ligeira mudança de velocidade de máquinas de indução, uma ligeira redução na saída de bancos de capacitores e uma breve redução da saída de luz visível de alguns dipositivos de iluminação podem ocorrer durante um sag Elevações de Tensão ( Swells ) Uma elevação de tensão, ou sobretensão, ou swells, é definida como um aumento do valor eficaz da tensão na freqüência fundamental da rede com duração de 0,5 ciclo a 1 minuto. As magnitudes típicas estão entre 1,1 a 1,8 p.u. A elevação de tensão é em geral associada a condições de falta desequilibrada no sistema, saída de grandes blocos de carga e entrada de bancos de capacitores. Com relação às condições de faltas no sistema, a severidade de uma sobretensão durante estas é função da localização da falta, da impedância do sistema e condições do aterramento. Por exemplo, em sistemas isolados, a tensão fase-terra para as fases sãs será 1,73 pu., durante a condição de curto-circuito fase-terra. Por outro lado, perto da subestação, em sistemas aterrados, não haverá acréscimo de tensão nas fases não defeituosas, porque o transformador da subestação é usualmente conectado em delta estrela aterrado, provendo um caminho de baixa impedância de seqüência zero para a corrente de falta. A figura 2.9 mostra a variação do valor RMS para uma sobretensão causada por uma falta monofásica a terra. 21

36 Figura 2.9 Variação do valor RMS para um swell de tensão causado por uma falta monofásica para a terra. A seguir são elecandos possíveis danos causados por elevações de tensão: Dispositivos eletrônicos, incluindo drives de velocidade ajustável, computadores e controladores eletrônicos podem exibir imediato modo de falha durante essas condições; Transformadores, cabos, switchgear, TC s, TP s e máquinas rotativas podem sofrer redução da vida útil; Alguns relés de proteção podem resultar em operações indesejáveis, enquanto outros não irão ser afetados; A saída visível de luz de alguns dispositivos de iluminação pode ser aumentada durante um swell temporário; Dispositivos de grampeamento de proteção de surto (varistores ou diodos de avalanche) podem ser destruídos Desequilíbrio de Tensão Para [13] o desequilíbrio de tensão é o fenômeno associado a alterações nos padrões trifásicos do sistema de distribuição. Tanto para [3] como para [2], o desequilíbrio de tensão é dado pela razão entre magnitude de tensão de seqüência negativa (RMS), ou seqüência zero (RMS), pela magnitude de tensão de seqüência positiva (RMS). 22

37 Em geral, nos sistemas de energia, a tensão de seqüência negativa, ou zero, é o resultado de desequilíbrio de carga, o que origina o fluxo de corrente de seqüência negativa ou zero. O desequilíbrio de tensão pode ser estimado como o máximo desvio da média das tensões trifásicas, ou correntes, divididas pela média das tensões, ou correntes, das três fases, expressas em porcentagem (equação 2.1). Desequilíbrio de Tensão= v fasesrms -v média máx v média 100 % (2.1) Uma forma mais rigorosa de determinar o desequilíbrio de tensão é pela teoria dos componentes simétricos, onde a razão entre os componentes de seqüência negativa, ou zero, sobre o componente de seqüência positiva é utilizado para expressar o desequilíbrio em percentual, conforme equações 2.2 e 2.3 [14]. Desequilíbrio Tensão Negativo= Desequilíbrio Tensão Zero= Comp.sequência negativa Comp.sequência positiva Comp.sequência zero Comp.sequência positiva 100 % (2.2) 100 % (2.3) Desequilíbrios de tensão são caracterizados por variações entre 0,5 a 2% em regime permanente (estado estacionário), como observado na tabela 2.1. Segundo [2] os desequilíbrios de tensão maiores que 5% são definidos como severos, sendo oriundos de uma única fase. A principal fonte causadora do desequilíbrio de tensão é a distribuição não uniforme das cargas monofásicas no sistema trifásico. Anomalias em banco de capacitores, como por exemplo, a queima de fusíveis em uma das fases em banco trifásicos, também podem causar este distúrbio. Outras possíveis causas são contatos e conexões oxidados ou transformadores com impedâncias diferentes entre fases. Muitos equipamentos, especialmente motores, podem tolerar desbalanço de tensão da ordem de 2%, conforma ilustra a figura Desequilíbrios maiores que 2% causam sobreaquecimento de motores e transformadores. Isto porque a corrente desbalanceada em um dispositivo 23

38 indutivo varia com o cubo da tensão desbalanceada aplicada aos terminais. Outro possível efeito dos desequilíbrios de tensão são erros de disparo em tiristores de equipamentos eletrônicos. Figura 2.10 Desequilíbrio na fase B de 2% (V B = 125 V rms e V A =V C =127 V rms ). A qualidade do fornecimento de energia, idealizada pela concessionária é prejudicada pelo desbalanço de carga. Desta forma, alguns consumidores têm em seu fornecimento de energia um desequilíbrio de tensão, o qual se manifesta de três formas distintas: Amplitudes diferentes; Assimetria nas fases; Assimetria conjunta de amplitudes e fases. Destas formas, apenas a primeira, é freqüentemente evidenciada no sistema elétrico Distorção na Forma de Onda A definição de distorção na forma de onda é o desvio em regime permanente de uma forma de onda senoidal considerada ideal na freqüência fundamental caracterizada principalmente pelo conteúdo espectral do desvio [11]. Conforme mostra a tabela 2.1, as distorções na forma de onda são divididas em cinco tipos: Nível CC ( DC offset ); Harmônicos; 24

39 Interharmônicos; Recorte ( Notching ); Ruído ( Noise ) DC offset A presença de componentes de tensão em corrente contínua (CC) em um sistema de energia CA é chamada offset. Este fenômeno pode ocorrer como resultado de uma perturbação geomagnética ou devido ao efeito de retificação de meia-onda. Corrente contínua em redes de corrente alternada pode ser prejudicial devido a um aumento na saturação de transformadores, resultando em perdas e redução de sua vida útil e a corrosão eletrolítica dos eletrodos e conectores de aterramento, além do stress adicional de isolação, e outros efeitos adversos Harmônicos Harmônicos são senóides de componentes de tensão ou corrente com freqüência múltipla inteira da freqüência do sistema de suprimento que foi projetado para operar. Esta freqüência do sistema de suprimento é chamada de freqüência fundamental (usualmente 50 ou 60 Hz). Harmônicos combinados com a tensão ou corrente fundamental produzem distorções na forma de onda e são conseqüências das características não lineares de dispositivos e, especialmente, das cargas no sistema de energia. Em outras palavras, as distorções harmônicas resultam da queda de tensão originada pela circulação de correntes harmônicas na impedância do sistema. As cargas não lineares são normalmente modelados como fontes de corrente que injetam correntes harmônicas no sistema de energia. Distorção harmônica é uma das grandes preocupações para muitos consumidores e para o sistema de energia como um todo, devido à crescente aplicação de equipamentos de potência eletrônicos. A classificação dos harmônicos é feita pela sua ordem, ou seja, o múltiplo da freqüência fundamental. Considerando 60 Hz como a freqüência 25

40 fundamental a tabela 2.2 apresenta a divisão de harmônicos até o 10º harmônico [11]. Tabela 2.2 Seqüência dos componentes harmônicos. Ordem Freqüência (Hz) 1º - Fundamental 60 2º 120 3º 180 4º 240 5º 300 6º 360 7º 420 8º 480 9º º 600 A somatória dos componentes senoidais harmônicos com o componente senoidal fundamental resulta em uma onda não senoidal distorcida, conforme se observa na figura Figura 2.11 Representação da série de Fourier para uma onda distorcida. Atualmente, a maioria das cargas presente no sistema de distribuição de energia são cargas não-lineares, tendo assim uma grande contribuição para o aumento das distorções harmônicas neste sistema (figura 2.12). Como exemplo tem-se as máquinas de solda, conversores CA/CA, fontes chaveadas 26

41 de computadores ou outros equipamentos de escritórios ou eletrodomésticos, no-breaks, etc. Figura 2.12 Forma de onda da tensão em uma fase. Os níveis de distorção harmônica podem ser caracterizados pelo espectro harmônico incluindo magnitudes e ângulos de fase de cada componente harmônico individual. É também comum usar uma única quantidade, a Distorção Harmônica Total (DHT) em porcentagem, como uma medida da magnitude da distorção harmônica. Grandes níveis de distorção harmônica causam problemas tanto para as redes de distribuição das concessionárias quanto para os consumidores. As conseqüências destes problemas são muitas, desde falhas em motores ou fontes de pequeno porte até a parada de grandes equipamentos, resultando em perdas de produtividade e de vendas. Os principais impactos das distorções harmônicas são: Redução da vida útil das máquinas rotativas: aquecimento, torques pulsantes, ruído, etc.; Redução da vida útil das lâmpadas: flutuação da potência e conseqüentemente da intensidade luminosa; Erros nos medidores de energia elétrica e equipamentos de medição; Má operação de relés e equipamentos de proteção elétrica; Redução da vida útil de transformadores: aumento das perdas por aquecimento, saturação, ressonância, vibrações, etc; 27

42 Má operação de dispositivos controlados por semicondutores disparos indevidos; Redução da vida útil de capacitores: aumento das perdas por aquecimento; Interferências eletromagnéticas nos equipamentos de comunicação e controle; Aumento das perdas nos alimentadores elétricos. As figuras 2.13 e 2.14 ilustram a distorção harmônica causada por uma lâmpada a vapor de sódio. Figura 2.13 Espectro de freqüências da lâmpada a vapor de sódio. Figura 2.14 Sinais de tensão e corrente da lâmpada a vapor de sódio obtidos por equipamento de medição. A seguir são elencados os indicadores considerados indispensáveis para determinação de ações corretivas, pois permitem quantificar e avaliar a distorção harmônica de ondas de tensão e corrente, e são divididos em: Fator de potência; 28

43 Fator de crista; Potência de distorção; Espectro em freqüência; Taxa de distorção harmônica Interharmônicos Como apresentado na subseção anterior, harmônico é uma onda periódica expressa pela soma de ondas senoidais puras de diferentes amplitudes, onde a freqüência de cada onda senoidal é um inteiro múltiplo (harmônico) do componente de freqüência fundamental da onda periódica. Por analogia, interharmônico é o componente de formação da onda periódica cuja freqüência não é um inteiro múltiplo do componente de freqüência fundamental [2]. Portanto, as ondas de tensão ou corrente podem apresentar componentes de freqüência que não são múltiplos inteiros da onda de freqüência fundamental do sistema. Os interharmônicos podem ser apresentados como freqüências discretas ou largas faixas espectrais, podendo ser encontradas em diferentes classes de tensões. As principais fontes de geração de interharmônicos são os conversores estáticos, motores de indução e equipamentos que utilizam arco elétrico para seu funcionamento, como exemplo os fornos elétricos das siderúrgicas. A figura 2.15 mostra os componentes interharmônicos discretos dispostos no domínio da freqüência, com maior amplitude entre as freqüências 240 Hz e 360 Hz, de um forno de indução. 29

44 Figura 2.15 Espectro de potência de um forno de indução. A propagação de interharmônicos pode causar efeitos de aquecimento, oscilações torsionais, flicker, sobrecarga de filtros convencionais, interferências em equipamento eletrônico, ondulação em receptores de controle e sistemas de telecomunicações. Porém, um dos mais importantes efeitos de interharmônicos é o impacto sobre o fluxo luminoso de lâmpadas. Devido às freqüências interharmônicas não estarem sincronizadas com a componente fundamental do sistema de energia, elas afetam os valores de pico e RMS da tensão. Essas flutuações de tensão podem produzir flicker (efeito fisiológico desagradável) em lâmpadas se o nível de interharmônicos ultrapassar certos níveis de imunidade [15] Recorte ( Notching ) Recorte ou notching é uma perturbação periódica de tensão causada pela operação de dispositivos eletrônicos de potência quando a corrente é comutada de uma fase para outra. Tensões notching representam um caso especial que acontece entre transitórios e distorção harmônica. Como notching ocorrem continuamente (estado de regime), eles podem ser caracterizados através do espectro harmônico da tensão afetada. Contudo, as componentes de freqüência associadas com notching podem ser bastante altas e podem não ser prontamente caracterizada com equipamentos de medição normalmente usados para análise harmônica. A figura 2.17 mostra um exemplo de tensão notching causada pela operação de conversores. 30

45 Figura 2.16 Tensão notching causada pela operação de conversores Ruído ( Noise ) Ruído ou noise são definidos como qualquer distorção indesejada nas ondas de tensão ou corrente, formado pela superposição de uma onda com conteúdo espectral abaixo de 200 khz com a onda fundamental. Este tipo de distúrbio pode ser encontrado nos condutores de fase, neutro ou sinais. As causas mais comuns dos ruídos elétricos são os dispositivos eletrônicos, equipamentos que funcionem com base em arcos elétricos e conversores estáticos. Os problemas mais graves causados pelos ruídos são os impactos negativos nos equipamentos eletrônicos que operam com microcontroladores, onde um ruído intenso poderá até danificá-los. Geralmente os problemas causados pelos ruídos são amenizados por um sistema conveniente de aterramento, podendo chegar ao uso de filtros passivos e transformadores de isolação. Na figura 2.17 é apresentado um exemplo de onda senoidal de tensão contendo ruído. Figura 2.17 Ruído elétrico superposto na forma de onda da tensão em pu. 31

46 Flutuação de Tensão Flutuações de tensão são variações sistemáticas nos valores eficazes da tensão ou uma série aleatória de mudanças, onde a magnitude da onda permanece entre 0,93 e 1,07 pu. (tabela 2.1). Um exemplo de flutuação do valor eficaz da tensão pode ser visto analisando-se a alteração da amplitude da onda em função do tempo da figura Figura 2.18 Flutuação da tensão em pu. Em determinadas cargas, quando alimentadas por ondas que sofrem variações na amplitude da corrente ou tensão de forma continua e rápida, é presenciado o flicker (cintilação) Variações na Freqüência Variações na freqüência são definidas como alterações na freqüência fundamental do sistema. Freqüência esta, relacionada diretamente com a velocidade de rotação dos geradores. Devem-se considerar pequenas variações na freqüência do sistema devido às alterações de carga e geradores, onde estas amplitudes e durações dependem da robustez do sistema de controle do sistema de geração às mudanças de carga. Variações de tensão consideráveis e freqüentes são comumente vistas nos sistemas supridos por concessionárias isoladas. Nos sistemas 32

47 interconectados de geração e distribuição de energia estas variações são de ocorrência muito baixa. As variações de freqüência são principalmente geradas por faltas no sistema de transmissão, desconexão de grandes cargas ou de grandes fontes de geração ou pela falha dos controles de geradores. Pode-se observar na figura 2.19 um exemplo de onda de tensão com variação na sua freqüência. Figura 2.19 Variação da freqüência na forma de onda da tensão Índices de Continuidade do Serviço de Energia Elétrica O desempenho das concessionárias quanto à continuidade do serviço prestado de energia elétrica é medido pela ANEEL com base em indicadores específicos, denominados de DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) e FEC (Freqüência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora). O DEC indica o número de horas em média que um consumidor fica sem energia elétrica durante um período, geralmente mensal. Já o FEC indica quantas vezes, em média, houve interrupção na unidade consumidora (residência, comércio, indústria etc.). 33

48 O DEC pode ser calculado por: DEC= n i=1 Ca i T i Cs (2.4) onde: = número de interrupções, de 1 a ; = tempo de duração de cada interrupção do conjunto de consumidores considerados, em horas; = número de consumidores do conjunto considerado, atingido nas interrupções; = número total de consumidores do conjunto considerado. O FEC pode ser calculado por: FEC= n i=1 Ca i Cs (2.5) Os componentes da equação são os mesmos do cálculo da DEC. As metas de DEC e FEC a serem observadas pelas concessionárias estão definidas em Resolução específica da ANEEL, que podem ser encontradas na home-page da ANEEL [39], as metas do DIC e FIC estão sendo publicadas mensalmente na conta de energia elétrica do consumidor. A figura 2.20 apresenta a média do índice de continuidade DEC por região, conforme se observa a região norte apresenta o maior índice DEC em relação ao DEC padrão para esta região, estabelecido pela ANEEL. 34

49 Média do DEC por Região (Ano 2009) Horas ,,17 Região Norte 60,62 39,63 34,,96 36,,58 33,55 26,5 29,65 15,38 13,42 Região Nordeste Região Centro Oeste Região Sudeste Região Sul DEC DEC Padrão Figura 2.20 Média do índice DEC por região, ano 2009 [49]. A figura 2.21 ilustra o gráfico referente aos valores médios do índice de continuidade FEC para o ano de 2009, de acordo com os dados obtidos da ANEEL [39] observa-se que apenas a região norte apresenta índice superior ao estabelecido pela ANEEL. Média do índice FEC por Região (Ano 2009) ,06 55,49 Vezes ,9 28,57 25,51 32,24 16,74 9,31 12,47 22,35 FEC FEC Padrão 0 Região Norte Região Nordeste Região Centro Oeste Região Sudeste Região Sul Figura 2.21 Média do índice FEC por Região, ano 2009 [49]. A ANEEL implantou no ano 2000 mais três indicadores destinados a aferir a qualidade do serviço prestado diretamente ao consumidor, a saber: DIC (Duração de Interrupção por Unidade Consumidora); FIC (Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora); 35

50 DMIC (Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora). Os indicadores DIC e FIC indicam por quanto tempo e o número de vezes respectivamente que uma unidade consumidora ficou sem energia elétrica durante um período considerado. O DMIC é um indicador que limita o tempo máximo de cada interrupção, impedindo que a concessionária deixe o consumidor sem energia elétrica durante um período muito longo. Esse indicador passou a ser controlado a partir de 2003 [16]. As metas para os indicadores DIC, FIC e DMIC estão publicadas na [16], esses indicadores já estão sendo informados na conta de energia elétrica do consumidor (figura 2.22). Figura 2.22 Conta de energia elétrica (Fonte: Conta de energia da Rede CELPA). 36

51 Capítulo 3 Importância da Monitoração A monitoração é necessária para definir o atual nível de qualidade de fornecimento de acordo com os indicadores de qualidade. (Autor desconhecido) 3.1. Por que monitorar? O principal interesse pela monitoração da qualidade de energia elétrica está na procura do aumento da produção de bens e da oferta de serviços. As indústrias, por exemplo, buscam maquinários mais eficientes, rápidos e produtivos. As concessionárias de energia, por sua vez, encorajam estas medidas, de forma a propiciar aumento do fornecimento e, conseqüentemente, ganho nos seus lucros. Entretanto, os maquinários modernos utilizados na aceleração da produtividade e associados com a redução de perdas e aumento da eficiência, caracterizam-se por equipamentos mais sensíveis a falhas e distúrbios dos sistemas de energia. Ao mesmo tempo, o crescimento da economia e o aumento das condições de desenvolvimento humano trazem consigo uma tendência de crescimento na demanda de energia. De fato, a incidência de distúrbios sobre os consumidores industriais resulta em grandes prejuízos, face aos elevados investimentos destinados às áreas de automação e modernização do parque industrial. Estas áreas, estruturadas com equipamentos constituídos essencialmente por componentes eletrônicos, são extremamente sensíveis aos efeitos de um suprimento de energia inadequado. Prejuízos enormes podem surgir, simplesmente com uma única e curta interrupção no fornecimento de energia, ou ainda com a presença de significativos níveis de distorções harmônicas e transitórios. A ocorrência destes problemas determina a necessidade de uma busca mútua de soluções, entre todas as partes que atuam no mercado de energia elétrica (as concessionárias, os consumidores, os fabricantes de equipamentos 37

52 e os prestadores de serviços), para a realização de medidas adequadas, práticas e econômicas. Todos estes estão cada vez mais preocupados com as características do suprimento de energia e, o termo Qualidade da Energia Elétrica tem se tornado a palavra chave nos últimos anos. Sabe-se que estes fenômenos de qualidade de energia não são necessariamente recentes e estão sendo atualmente analisados não mais como causas e efeitos isolados, mas como problemas correlacionados. Ademais, devido ao crescente interesse pelo tema, encontram-se definições distintas em função dos anseios e necessidades envolvidos no problema. Para as concessionárias de energia, a definição leva a uma equivalência com a confiabilidade do suprimento elétrico. Por sua vez, fabricantes de máquinas e equipamentos elétricos definem a qualidade do suprimento energético, a partir das características necessárias à fonte de alimentação, garantindo, sobretudo a operação adequada dos seus aparelhos. Quanto aos consumidores residenciais, estes não detêm conhecimento técnico para reconhecerem todos os distúrbios, entretanto, tornaram-se parte do problema em função do elevado número de aparelhos eletrônicos não-lineares instalados. Percebe-se então que a monitoração da qualidade de energia elétrica é necessária não apenas para definir o atual nível de qualidade de fornecimento, mas também para definir a necessidade contínua do consumidor e da concessionária para assegurar o cumprimento dos índices, indicadores, limites e outras características dos contratos diferenciados estipulados entre consumidores, concessionárias e órgão regulador. Assim, é de fundamental importância a questão cultural que envolve a utilização de energia elétrica. Nos países europeus, existe uma preocupação com o bem comum, e se paga até mais caro por uma energia limpa [11]. Em contrapartida, nas nações em desenvolvimento o apelo gira mais em torno da economia trazida pelo uso inteligente da energia, uma vez que a consciência ambiental ainda não é tão clara. Tanto nestes quanto naqueles países é imprescindível que os governos atuem no sentido de educar a população e também de incentivar instituições a usar a energia de maneira eficiente. 38

53 Na atualidade a monitoração da qualidade de energia elétrica surge como um efetivo meio de obtenção de dados usados para caracterizar sistemas elétricos e solucionar os problemas vividos pelas cargas sensíveis à má qualidade de energia elétrica. Instrumentos de medição cada vez mais modernos, e desenvolvidos especificamente para a realização de medições de qualidade da energia, possibilitam o registro de uma grande variedade de fenômenos de forma eficiente e confiável. Em resumo, a investigação da qualidade de energia elétrica requer monitoração, tanto para identificar os problemas como para verificar as soluções implementadas que visem minimizar os efeitos danosos da má qualidade da onda de tensão ou corrente Normatização Nacional e Internacional Uma das principais causas de problemas relacionados com a QEE está ligada à evolução da tecnologia e ao aumento das necessidades dos consumidores em controle da energia, o que levaram ao crescimento das cargas não-lineares instaladas no sistema elétrico. Com uma maior quantidade destes equipamentos instalados aumentaram-se os problemas referentes à qualidade da onda de tensão e da corrente. A evidência do aumento de problemas relativos à QEE somado aos prejuízos financeiros leva a um esforço na busca de soluções práticas e economicamente viáveis entre as principais áreas de atuação do setor elétrico (concessionárias fabricantes de equipamentos e consumidores). Por estas áreas de atuação do setor elétrico possuirem suas próprias características, necessidades e anseios com relação aos parâmetros, formas de medição e penalidades referentes à QEE, as mesmas ainda não chegaram ao consenso e definições sobre o assunto. Para as concessionárias, a confiabilidade do suprimento elétrico em níveis aceitáveis de tensão equivale à qualidade da energia elétrica fornecida. Estas vêm sofrendo desgastes na sua imagem empresarial e tem aumentado os gastos com pedidos de ressarcimento de prejuízos sofrido pelos 39

54 consumidores, muitas das vezes gerados pelos equipamentos instalados pelos próprios consumidores. Para os fabricantes de equipamentos, a qualidade do suprimento de energia que atendam às necessidades de suas fontes de alimentação para garantir a operação adequada de seus produtos é a sua prioridade em termos de qualidade da energia elétrica utilizada. Devido ao mercado de equipamentos ser altamente competitivo, buscando custos cada vez menores, há um desinteresse na flexibilização das características dos equipamentos produzidos quanto à suportabilidade e proteção dos distúrbios provenientes e/ou gerados à rede. Alguns fabricantes, por exemplo, desconhecem ou simplesmente ignoram estes problemas, alocando a responsabilidade de possíveis falhas para as concessionárias ou para os próprios consumidores (uso inadequado). Por sua vez, para os consumidores, a qualidade da energia está vinculada ao suprimento contínuo de uma energia elétrica senoidal dentro de uma faixa que não cause danos ou falhas em seus equipamentos. Entretanto, como mencionado anteriormente, os consumidores, devido à deficiência de um conhecimento técnico adequado para o reconhecimento e análise de problemas no sistema elétrico, além de aumentarem o problema referente à grande quantidade de equipamentos não-lineares, sofrem com as perdas de produção e danos em suas máquinas. Nos últimos anos, tem-se intensificado os estudos dos fenômenos que envolvem qualidade da energia elétrica pelas concessionárias junto às instituições de pesquisas, aos fabricantes de equipamentos e ainda junto aos consumidores, buscando minimizar os prejuízos causados pelos distúrbios no sistema de energia. Devido às características deste sistema serem muito amplas e os fenômenos referentes à QEE não poderem ser analisados como causas e efeitos isolados em uma determinada área, os pesquisadores realizam os estudos observando as correlações entre todas elas. A nova realidade do setor elétrico baseia-se nas necessidades do mercado e na competição, a qualidade do produto eletricidade é determinada para os clientes que buscam ter suas necessidades atendidas, para que por sua vez possam atender às exigências em satisfação e produtividade do 40

55 mercado. Sendo assim muitas definições, esclarecimentos e soluções ainda são necessários, o que associado à falta de uma concordância dificulta a elaboração de uma padronização para as necessidades do sistema elétrico quanto à QEE. Todavia, já existem experiências mundiais em normatizações sobre a QEE, as quais são apresentadas nesta seção Normatização: Definição A normatização desde a antiguidade tem a finalidade de definir, unificar, simplificar, ou seja, padronizar elementos utilizados nas fabricações de diversos produtos. Sua importância pode ser constatada em várias atividades desenvolvidas por pessoas e instituições, como por exemplo, o formato de papéis, parâmetros para construções, instalações e funcionamento de equipamentos, etc. A normatização busca a definição, a unificação e a simplificação, de forma racional, quer dos produtos acabados, quer dos elementos que se empregam para produzir, através do estabelecimento de documentos chamados Normas. O termo definição significa precisar qualitativamente todos os materiais, objetos e elementos que se utilizam, bem como os próprios produtos finais. Os termos unificação e simplificação têm em vista a redução, ao mínimo, das variedades dos materiais, das ferramentas e das operações do processo produtivo e ainda dos produtos acabados. As normas definem características de bens ou serviços, tais como os níveis de qualidade ou de eficiência, a segurança ou as dimensões. Deve registrar-se que, embora, normalmente a sua aplicação não seja obrigatória, as normas têm hoje um papel relevante nas relações industriais e comerciais. A utilização da marca de conformidade com as normas dá, aos consumidores, uma determinada garantia de qualidade dos respectivos bens ou serviços. 41

56 Normatização Nacional sobre QEE Obrigatoriedade do uso de normas As normas brasileiras são desenvolvidas e utilizadas voluntariamente. Elas tornam-se obrigatórias somente quando explicitadas em um documento de Poder Público (lei, decreto, portaria, etc.), ou quando citadas em contratos. Mesmo não sendo obrigatórias, as normas são sistematicamente adotadas em questões judiciais por conta do inciso VIII do Artigo 39 do Código de Defesa do Consumidor [17], estabelecendo que: É vedado ao fornecedor de produtos ou serviços, dentre outras práticas abusivas, colocar, no mercado de consumo, qualquer produto ou serviço em desacordo com as normas expedidas pelos órgãos oficiais competentes ou, se Normas específicas não existirem, pela Associação Brasileira de Normas Técnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial CONMETRO Entidades Normativas SINMETRO O Sistema Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (SINMETRO) é o sistema brasileiro que exerce atividades referentes à metrologia, normatização, qualidade industrial e certificação da conformidade, sendo formado de entidades públicas e privadas. O SINMETRO foi instituído pela lei nº de 11 de dezembro de 1973 para criar uma infraestrutura de serviços tecnológicos capaz de avaliar e certificar a qualidade de produtos, processos e serviços através de organismos de certificação, laboratórios de ensaios e de calibração, organismos de treinamento, organismos de ensaios de proficiência e organismos de inspeção, sendo todos eles credenciados junto ao Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (INMETRO). 42

57 Uma das atividades do SINMETRO é a de elaborar normas para dar suporte à regulamentação técnica, facilitar o comércio e fornecer a base para melhorar a qualidade de processos, produtos e serviços. Esse sistema tem apoio dos organismos de normatização, os laboratórios de metrologia científica e industrial e os institutos de metrologia legal dos estados. Esta estrutura está formada para atender as necessidades da indústria, do comércio, do governo e do consumidor. A seguir são elencadas as principais organizações entre as que compõem o SINMETRO: Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (CONMETRO) e seus comitês técnicos; INMETRO; Organismos de Certificação Credenciados (OCC) - Sistemas de Qualidade, Sistemas de Gestão Ambiental, Produtos e Pessoal; Organismos de Inspeção Credenciados (OIC); Organismos de Treinamento Credenciados (OTC); Organismo Provedor de Ensaio de Proficiência Credenciado (OPP); Laboratórios Credenciados Calibrações e Ensaios (RBC/RBLE); Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT); Institutos Estaduais de Pesos e Medidas (IPEM); Redes Metrológicas Estaduais. Na área de avaliação da conformidade, o SINMETRO oferece aos consumidores, fabricantes, governos e exportadores uma infraestrutura tecnológica baseada em princípios internacionais, considerada de grande confiabilidade. Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) A ABNT é uma entidade privada, sem fins lucrativos e de utilidade pública, fundada em 1940, é membro fundador da International Organization for Standardization (ISO), da Comissão Panamericana de Normas Técnicas 43

58 (COPANT) e da Associação Mercosul de Normalização (AMN), sendo responsável pela gestão do processo de elaboração de normas e certificação de produtos e sistemas. Tem como missão harmonizar os interesses da sociedade brasileira, provendo-a de referenciais através da normatização e atividades afins. A ABNT é o organismo reconhecido pelo CONMETRO como o fórum único de normatização no Brasil, em que suas normas podem ser utilizadas para defesa do mercado nacional e para facilitar o acesso de empresas brasileiras ao mercado internacional. Neste último caso, a ABNT, por exemplo, é associada da International Electrotechnical Commission (IEC). As normas brasileiras elaboradas e gerenciadas pela ABNT recebem prefixo NBR (Norma Brasileira). Pelo Acordo de Barreiras Técnicas da Organização Mundial do Comércio (OMC), somente poderão ser estabelecidos requisitos em um regulamento técnico se estes estiverem de acordo com a norma mundial. O país tem, portanto, que ter sua própria normatização para levá-la ao conhecimento da ISO, a fim de influenciar as normas mundiais. Toda normatização levada à ABNT parte de um trabalho voluntário. A norma deve ser feita por entidades representativas do setor, ser simples e manter uma paridade na sua discussão, levando em conta interesses das diversas áreas da sociedade, dos órgãos governamentais, dos setores públicos e privados e dos consumidores. Sua aprovação é obtida através de um consenso entre estas entidades em reuniões ordinárias da ABNT, como representado na figura

59 Paridade Voluntariedade Consenso Representatividade Simplificação Figura 3.1 Princípio da Normatização. A ABNT possui atualmentee 54 Comitês Técnicos de Normatização e 4 Organismos de Normatização Setorial, trabalhando em suas respectivas áreas gerenciando os processos de criação e divulgação de normas. O Comitê Técnico responsável pela coordenação e participação dos processos de criação de normas, e certificação de produtos e sistemas, no contexto referentes aos trabalhos e processos no campo da eletricidade, eletrônica e telecomunicações é o Comitê Técnico de Normatização em Eletricidade - CB- 3 [11], o qual compreende a geração, a transmissão e a distribuição de energia; as instalações elétricas e equipamentos eletro- elétricos; a instrumentação; os bens de consumo; os condutores elétricos; a eletrônicos, inclusive para atmosferas explosivas; os dispositivos e acessórios iluminação; a compatibilidade eletromagnética, no que concerne a terminologia, requisitos, métodos de ensaio e generalidades. Para a preparação de uma norma brasileira em eletricidade, o CB-03 executa as fases apresentadas na figura

60 Sociedade manifestaa a necessidade Comissão de Estudo elabora o Projeto de Norma Projeto de Norma é submetido a consulta pública Norma é aprovada e colocada a disposição da sociedade Figura 3.2 Desenvolvimentoo de uma norma brasileira Evolução normativa nacional sobre QEE No [18] foi feita a primeira citação sobre informando que o suprimento de energia deveria adequada. qualidade de energia, ser entregue de forma O [19], no contexto de continuidade de serviço e [20] sobre os níveis de tensões de fornecimento e limites de variações de tensão, regulamentando assim tanto a área técnica quanto a área de qualidade do serviço a serem seguidas por todas as áreas do sistema elétrico. Estas portarias foram realizadas devido às muitas reclamações dos consumidores, na década de 1970, referentes à qualidade do fornecimento de energia elétrica quanto às interrupções. Com base nestas reclamações o Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica (DNAEE) parametrizou os níveis de tensão e qualidade de fornecimento de energia elétrica. Desde então, os índices referentes à continuidade do serviço, que são utilizados até hoje, permitiram o acompanhamento das durações e quantidades de faltas de energia. Na seqüência, o DNAEE escreveu a [21], que estabeleceu os índices de continuidade de serviço com relação ao suprimento, onde foi descrita a metodologia a ser utilizada pelas concessionárias para avaliação dos índices de continuidade de fornecimento de energia. 46

61 A Portaria DNAEE [20] foi revisada em 1989, alterando os limites de variações de tensões para índices mais compatíveis com as tecnologias e produtos da época, porém não foram estabelecidas penalidades para as variações fora destes limites. Após a revisão da [20], muitas discussões foram geradas entre as áreas do setor elétrico principalmente entre as concessionárias, os fabricantes de equipamentos e os consumidores. Durante estas discussões houve grande reivindicação por parte dos consumidores para participar no processo de definição dos padrões de qualidade de energia. Houve também, grandes contribuições das instituições de pesquisa nestas discussões, onde os estudos até então desenvolvidos focavam a influência das cargas dos consumidores e as influências das cargas não-lineares e seus controles, nos problemas de qualidade de energia. Com a globalização da economia mundial, foi notória a necessidade de um programa que melhorasse a eficiência do setor elétrico. No contexto deste programa, os índices de continuidade de fornecimento apresentados na [19] seriam muito importantes. Nesta situação, o DNAEE publicou a [22], onde regulamentou a criação de um grupo de trabalho para reavaliar os índices existentes e moldá-los à realidade do país. Os membros deste grupo eram representantes da ELETROBRÁS, do Comitê Coordenador de Operações do Norte/Nordeste (CCON), da Associação Brasileira de Concessionários de Energia Elétrica (ABCE), do Grupo Técnico Operacional da Região Norte (GTON) e do Comitê de Distribuição (CODI). Este grupo de trabalho, após estudos na área de qualidade de energia elétrica, apresentou ao DNAEE a edição da [23], que aumentou a abrangência dos estudos solicitados na [22]. O I Seminário Brasileiro sobre Qualidade de Energia Elétrica (SBQEE) foi realizado em Neste seminário foi discutido amplamente o tema, que levou principalmente a uma grande troca de informações e o alinhamento de pensamentos entre os diversos pesquisadores da área. Sendo assim, houve um grande progresso na distribuição e unificação das informações causando uma melhor interação entre as áreas do setor elétrico, principalmente entre os fabricantes de equipamentos. 47

62 Em Janeiro de 1998, ocorreu a emissão do [24] pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Este manual teve a função de apresentar: as fórmulas para cálculo dos índices de qualidade, as metodologias detalhadas para obtenção dos parâmetros relacionados e o procedimento de coleta, transmissão, tratamento e exposição dos dados para as informações pertinentes. A Secretaria de Energia do Estado de São Paulo, através da Comissão de Serviços Públicos de Energia do Estado de São Paulo (CSPE), criou em 1998, um documento conhecido por Qualidade do Fornecimento de Energia Elétrica Manual da Implantação da Qualidade, que apresentou uma metodologia para controlar os parâmetros que influenciam diretamente na qualidade da prestação do serviço de energia elétrica [24]. O documento apresentado pela CSPE proporcionou as premissas para formação dos índices de qualidade, pois como pontos principais têm-se os cálculos dos componentes do sistema em diferentes níveis de agregação (global, regional, local, por modo de falha, etc.). Houve também um atendimento às empresas com portes distintos, sendo apresentados novos indicadores de continuidade e conformidade do suprimento de energia elétrica, além do índice de satisfação do consumidor. Num contexto mais atual do setor energético brasileiro ocorreu o desmembramento de várias empresas vinculadas ao setor elétrico, onde foi reduzida a força do Estado nas funções empresariais. Daí surgiu constantes privatizações das empresas existentes e apresentou-se um novo modelo de instituições especializadas para executar e fiscalizar as funções de regulação, do planejamento da expansão, da operação e do financiamento do setor. Podese destacar o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) e a ANEEL como os dois principais órgãos que surgiram, nos últimos anos, diante dos acontecimentos dinâmicos das empresas vinculadas ao mercado de energia elétrica. Com a criação da ANEEL, em 1997, o DNAEE foi extinto, porém a busca da melhoria da qualidade de energia não cessou e os estudos sobre este tema ainda são desenvolvidos. A ANEEL em Novembro de 2000 criou a [25] para 48

63 unificar diversas portarias do DNAEE e atualizar as disposições referentes às condições gerais do fornecimento de energia elétrica [3]. Esta resolução unificou as legislações existentes, principalmente as que tratam do relacionamento entre as áreas do setor elétrico. A [16] apresentada pela ANEEL em Janeiro de 2000, estabeleceu disposições referentes à continuidade da distribuição de energia elétrica. Nesta resolução foram apresentados novos índices de avaliação das interrupções individuais das unidades consumidoras e esta descreveu os cálculos dos índices de continuidade individuais e coletivos, as metas de continuidade e a forma de cálculo das penalidades por variações fora do estabelecido. A ANEEL, em Novembro de 2001, estabeleceu a [13], onde foram revisadas as [20] e [26], apresentado as disposições relativas à conformidade dos níveis de tensão de energia elétrica em regime permanente. Esta resolução trata em detalhes a classificação das tensões de suprimento, as fórmulas de cálculo dos indicadores individuais e coletivos, os critérios de medições e registros dos dados, bem como dos equipamentos de medição e penalidade pelo fornecimento de um serviço que não esteja adequado ao estabelecido na mesma. O ONS trabalhou com vários agentes do setor energético nacional na elaboração de um Procedimento de Rede, para melhoria e o controle da QEE. Este documento apresentou os procedimentos e requisitos técnicos que devem ser utilizados para planejamento, implantação, uso e operação do sistema elétrico interligado, bem como definiu as responsabilidades dos agentes e do próprio ONS. As metodologias apresentadas nos Procedimentos de Rede influenciam diretamente os padrões de qualidade das instalações de transmissão, distribuição e subtransmissão do setor elétrico. Estes Procedimentos de rede tiveram sua aprovação por meio da Resolução Normativa de nº 372 de 05 de agosto de 2009 [27]. O submódulo 2.8 Gerenciamento dos indicadores de desempenho da rede básica e de seus componentes, desta [27] tem como objetivo atribuir responsabilidades e estabelecer princípios e diretrizes ao gerenciamento de 49

64 indicadores de QEE da rede básica e das funções de transmissão da rede básica, a fim de: Balizar as ações do ONS relativas ao Plano de Ampliações e Reforços na Rede Básica PAR elaborado pelo ONS com a participação dos agentes; Subsidiar os estudos de planejamento e programação da operação, bem como a própria operação em tempo real do sistema de transmissão; Subsidiar os usuários conectados ou que requeiram conexão à rede básica com as informações necessárias sobre a QEE nos pontos de conexão da rede básica; Subsidiar os agentes transmissores com as informações sobre a QEE necessárias ao dimensionamento de suas instalações; Fornecer aos usuários, acessantes e concessionárias de transmissão, informações sobre os limites de perturbação individual relativos aos indicadores de QEE; e Permitir ao ONS a verificação da conformidade do desempenho das FT da rede básica em relação aos requisitos mínimos estabelecidos nos Procedimentos de Rede e nos editais de licitação das instalações de transmissão. A ANEEL iniciou o desenvolvimento de um documento nomeado Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional PRODIST. O processo de elaboração do PRODIST teve início em 1999, com a contratação do Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL), que elaborou a partir do Projeto de Reestruturação do Setor Elétrico Brasileiro (RESEB), a versão inicial do documento. Depois de exaustivo trabalho e inúmeras interações com agentes do setor elétrico e a sociedade em geral (incluindo o processo de Audiência Pública n 014/2008), o PRODIST foi aprovado na 49ª Reunião Pública Ordinária da Diretoria da ANEEL do ano de 2008, através da Resolução Normativa nº 345, de 16 de dezembro de 2008 [28], publicada no Diário Oficial da União DOU em 31 de dezembro de Em 2009, o PRODIST passou por sua primeira revisão. Após disponibilização de minuta na Audiência Pública n 033/2009, a primeira 50

65 revisão do PRODIST foi aprovada na 49ª Reunião Pública Ordinária da Diretoria da ANEEL do ano de 2009, através da Resolução Normativa n 395, de 15 de dezembro de 2009 [29]. O PRODIST contém 8 Módulos. A versão vigente (após primeira revisão) está listada a seguir: Módulo 1 - Introdução; Módulo 2 - Planejamento da Expansão do Sistema de Distribuição; Módulo 3 - Acesso ao Sistema de Distribuição; Cartilha de Acesso ao Sistema de Distribuição; Módulo 4 - Procedimentos Operativos do Sistema de Distribuição; Módulo 5 - Sistemas de Medição; Módulo 6 - Informações Requeridas e Obrigações (Retificação 1, disponibilizado em 02/03/2010); Módulo 7 - Cálculo de Perdas na Distribuição; Módulo 8 Qualidade da Energia Elétrica (Retificação 1, disponibilizado em 02/03/2010). Os PRODIST são normas que disciplinam o relacionamento entre as distribuidoras de energia elétrica e demais agentes (unidades consumidoras e centrais geradores) conectados aos sistemas de distribuição, que incluem redes e linhas em tensão inferior a 230 kv. Tratam, também, do relacionamento entre as distribuidoras e a Agência, no que diz respeito ao intercâmbio de informações. O objetivo do PRODIST módulo 8 é estabelecer os procedimentos relativos à QEE abordando a qualidade do produto e a qualidade do serviço prestado. A secão 8.1 do documento refere-se à qualidade do produto e caracteriza os fenômenos de QEE, estabelece os critérios de amostragem e os valores de referência quanto à tensão em regime permanente, fator de 51

66 potência, harmônicos, desequilíbrio de tensão, flutuação de tensão, variações de tensão de curta duração e variação de freqüência. A qualidade do serviço prestado pelas distribuidoras aos consumidores é estabelecida pelo item 8.2 do PRODIST, onde são definidos os indicadores e padrões de forma a acompanhar e controlar o desempenho das distribuidoras, fornecendo subsídios para os planos de reforma, melhoramento e expansão da infraestrutura e oferecidos aos consumidores parâmetros para avaliação do serviço Parâmetros da QEE no Sistema Elétrico Nacional. No âmbito nacional, a qualidade da energia elétrica vem sendo analisada como um processo global, porém considerando suas subdivisões em: produto e serviço. O produto se relaciona com a energia entregue aos consumidores e o serviço concentra as partes técnicas e comerciais necessárias ao fornecimento do produto [30]. Portanto, produto e serviço servem de base para a formação dos indicadores da qualidade existentes atualmente. a) Qualidade do Produto A qualidade do produto relaciona-se diretamente ao uso da energia elétrica, englobando o atendimento às solicitações do consumidor durante o período necessário. A qualidade do produto é caracterizada pelos parâmetros da energia fornecida. Na [13] foram previstas faixas de classificação da Tensão de Atendimento (TA), sendo elas: adequada, precária e crítica. Onde para cada uma destas faixas de variação da Tensão de Leitura (TL) há pontos limites em relação à Tensão Contratada (TC). A figura 3.3 ilustra estas faixas referente as tabelas desta Resolução. 52

67 Figura 3.3 Faixas de limites de tensão [13]. A [13] apresenta ainda como indicadores: DRP - Duração Relativa da Transgressão de Tensão Precária: Duração relativa das leituras da tensão nas faixas de tensão precária no período de observação definido [%]. DRC - Duração Relativa da Transgressão de Tensão Crítica: Duração relativa das leituras da tensão nas faixas de tensão crítica, no período de observação definido [%]. ICC - Proporção de Unidades Consumidoras com Tensão Crítica: Percentual da amostra com transgressão da tensão crítica [%]. Outra fonte de indicadores é o o Manual de Implantação da Qualidade do Fornecimento de Energia Elétrica. Este manual apresenta como indicadores de conformidade: Conformidade no fornecimento FEV - Freqüência Equivalente de Violação de Tensão Representa a proporção de consumidores que receberam energia com níveis de tensão de fornecimento fora dos limites. 53

68 NEV - Nível Equivalente de Violação de Tensão Indica a média dos níveis de tensão fora dos limites legais, referenciada à tensão de fornecimento, dos consumidores considerados no FEV. VEV - Variação Equivalente de Violação de Tensão Representa a variação relativa do NEV, significando o grau de dispersão de cada medida, em torno da média NEV, isto é, o desvio padrão relativo à média NEV. DEV - Duração Equivalente de Violação de Tensão Indica a média dos espaços de tempo e ultrapassagem dos limites legais de tensão de cada consumidor, com duração igual ou superior a 5 minutos, no período de observação de 24 horas. Conformidade no suprimento FREQ - Freqüência Equivalente de Interrupção Indica o número de interrupções que, em média, a demanda máxima verificada do conjunto considerado sofreu no período de observação. DREQ - Duração Equivalente de Interrupção Representa o espaço de tempo que, em média, a demanda máxima verificada do conjunto considerado ficou privada do suprimento de energia elétrica no período de observação. ENES - Energia Interrompida Contabiliza a quantidade estimada de energia elétrica não suprida no período considerado. b) Qualidade do Serviço A satisfação do cliente está diretamente ligado à continuidade do serviço. Portanto a qualidade do serviço é avaliada mediante a minimização das interrupções no suprimento da energia elétrica. Na [19] foi estabelecido os indicadores para análise da continuidade do fornecimento da energia elétrica: 54

69 DEC - Duração Equivalente de Interrupção Indica o espaço de tempo em que, em média, cada consumidor do conjunto considerado ficou privado de fornecimento de energia elétrica no período analisado. FEC - Freqüência Equivalente de Interrupção Representa o número de interrupções que, em média, cada consumidor do conjunto considerado sofreu no período analisado. Na [21] os índices para análise das falhas que ocorrem no sistema de fornecimento geradas por interrupção ocasionadas por qualquer dos segmentos do sistema foram definidas: DEKS - Duração Equivalente de Interrupção em Suprimento Espaço de tempo em que, em média, cada consumidor ou ponto de interligação considerado ficou privado do suprimento de energia elétrica no período analisado. FEKS - Freqüência Equivalente de Interrupção em Suprimento Número de interrupções que, em média, cada consumidor ou ponto de interligação considerado sofreu no período analisado. Os indicadores DEKS e FEKS foram somente utilizados para formação de um banco de informações, não sendo aplicado nenhuma forma de multa pela falta do levantamento destes dados pelas entidades responsáveis ou ainda pelo não cumprimento dos objetivos propostos nesta portaria. O Manual de Implantação da Qualidade do Fornecimento de Energia Elétrica apresenta como indicadores: DEP - Duração Equivalente de Interrupção por Potência Indica o espaço de tempo que, em média, a potência do conjunto considerado ficou privado do suprimento de energia elétrica no período analisado. FEP - Freqüência Equivalente de Interrupção por Potência Representa o número de interrupções que, em média, a potência do conjunto considerado sofreu no período analisado. 55

70 ICD/ILD - Número de Interrupções de Curta e Longa Duração O ICD indica o número de interrupões com duração inferior a 1 minuto e o ILD indica o número de interrupções para intervalos com duração igual ou maiores que 1 minuto. A forma de obtenção dos indicadores está definida no manual, porém não foram definidos parâmetros ou objetivos a serem cumpridos pelas concessionárias. Na [16], além da aplicação dos indicadores DEC e FEC, são criados também outros três indicadores individuais: DIC - Duração de Interrupção por Unidade Consumidora Tempo que uma unidade consumidora ficou sem energia elétrica durante um período considerado. FIC - Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora Numero de vezes que uma unidade consumidora ficou sem energia elétrica durante um período considerado. DMIC - Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora Limita o tempo máximo de cada interrupção. Esse indicador passou a ser controlado a partir de 2003 e tem como objetivo fazer com que a concessionária não deixe o consumidor sem energia elétrica durante um período muito longo. Nesta resolução foram impostas as multas pelo descumprimento dos objetivos e dos índices de continuidade, que as outras portarias não estabeleciam: Violação de padrão do indicador de continuidade individual - a penalidade é a compensação ao consumidor de valor a ser creditado na fatura de energia elétrica no mês subsequente à apuração. Violação de padrão do indicador de continuidade de conjunto - a penalidade é o pagamento de multa à ANEEL. c) Qualidade do Atendimento A qualidade do atendimento apesar de não estar diretamente ligado ao produto energia elétrica ou aos serviços técnicos prestados nesta área, são 56

71 muito importantes para a total satisfação dos clientes, pois tratam das relações entre cliente e fornecedor do serviço/produto. O atendimento aos clientes está dividido em comercial e emergencial. O atendimento comercial engloba os serviços prestados casualmente e os serviços rotineiros como: estudos de cargas, novas ligações, religações, faturamento, etc. Por sua vez, o atendimento emergencial são os serviços realizados pelas concessionárias com base nas reclamações dos clientes devido às ocorrências na rede de fornecimento que podem causar interrupção no fornecimento. A CSPE estabeleceu alguns indicadores para avaliação destes serviços. Alguns destes indicadores foram mais tarde, incorporados à [31]: TA - Tempo de Atendimento Tempo total de atendimento a uma ocorrência, excluindo as relativas a iluminação pública. TAI - Tempo de Atendimento Individual Tempo máximo para atendimento a uma ocorrência, de forma individual, até o restabelecimento do serviço. TMA - Tempo Médio de Atendimento Quociente entre o somatório dos tempos decorrido desde o momento da informação de cada ocorrência até o restabelecimento do serviço ou finalização do atendimento, e o número de ocorrências verificadas no período. TME - Tempo Médio de Elaboração de Estudos e orçamentos de Serviços em Rede Tempo médio que cada consumidor aguarda para ser informado dos resultados dos estudos e projetos a serem envolvidos para atendimento à sua solicitação, assim como do valor referente ao orçamento dos serviços a serem realizados na rede em função desta. 57

72 TM L - Tempo Médio de Ligação Nova Período médio em que cada novo consumidor a ser ligado à rede de baixa tensão espera pela efetivação do serviço, considerando ser desnecessária a realização de obras na rede. TMR - Tempo Médio de Religação Tempo médio que cada consumidor ligado em baixa tensão aguarda a efetivação do serviço de religação, após a verificação de inexistência do fato gerador de corte. TMS - Tempo Médio de Execução de Serviços na Rede Tempo médio que cada consumidor ligado em baixa tensão aguarda pela realização de obras na rede de distribuição necessárias ao atendimento à sua solicitação, após a apresentação do orçamento e do projeto ao consumidor e sua aprovação e pagamento, caso exista. TX% - Tempo X% de Atendimento Maior tempo de atendimento das primeiras X% ocorrências de um conjunto, no período de apuração, considerando-se a ordenação do universo das ocorrências segundo os tempos de atendimentos. Na [25] são, dentre outras coisas, estabelecidos os critérios e prazos para os diversos procedimentos voltados ao atendimento comercial. A satisfação do cliente pode ser ainda monitorada através do índice de Satisfação do Consumidor informado pelo Serviço de Atendimento ao Cliente (SAC). Este índice é determinado a partir de um conjunto de indicadores definidos por uma pesquisa de opinião realizada com os consumidores sobre a conscientização em relação à qualidade do serviço ofertado pela concessionária. Os indicadores podem ser utilizados durante fiscalizações e auditorias realizadas pelos órgãos responnsáveis como orientação. Devido ao forte impacto na operação das empresas de energia, gerados pelas perdas comerciais, este indicador serve para avaliar a eficiência das mesmas. Na definição da CSPE é orientado o uso de alguns índices para análise destas perdas: 58

73 PPC - Porcentagem de Perdas Comerciais Relação entre as perdas em determinado sistema e a soma da energia faturada e do consumo próprio (%). PPT - Porcentagem de Perdas Totais Energia total perdida em determinado sistema, expressa em relação à energia comprada somada à energia gerada pela concessionária (%). Um último aspecto a ser considerado na qualidade do fornecimento é o seu custo de implementação. Este aspecto deve ser avaliado para que o bom equilíbrio custo/benefício da concessão seja mantido e os objetivos comuns estabelecidos sejam cumpridos. As necessidades dos consumidores sempre devem ser analisadas, pois cada vez mais aumenta o número de equipamentos sensíveis que requerem um fornecimento mais confiável. Sendo assim, a responsabilidade sobre o custo da energia elétrica fornecida deve ser dividida de forma satisfatória tanto à concessionária quanto ao cliente Normatizacão Internacional sobre QEE Mundialmente, o tema qualidade de energia está em discussão e o resultado destas são as formações e revisões de normas e regulamentos. Diversos organismos estão trabalhando para o desenvolvimento de parâmetros, características, conceituação, metas, índices e objetivos para a qualidade da energia nos diversos setores desta atividade. As exigências e o cumprimento destes padrões descritos nas normas são cada vez mais exigidos comercialmente nos contratos de fabricação de produtos ou prestações de serviço. Os principais organismos que estão liderando os estudos, bem como a elaboração de normas e revisão das existentes são a IEC e o Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Outras entidades independentes também desenvolvem pesquisas, principalmente junto aos consumidores com objetivo de identificar problemas regionais. As recomendações do IEEE são focadas no comportamento do sistema elétrico ou na instalação industrial como um todo. Suas normas limitam os níveis de distúrbios sobre QEE no Ponto de Acoplamento Comum (PAC), a 59

74 todos os equipamentos. Com isto, não são os equipamentos específicos que são avaliados, mas as instalações em geral. Deve-se levar em consideração que apesar dos indicadores gerais estarem dentro dos limites aceitáveis, podese ter na instalação equipamentos com uma alta taxa de emissão de distúrbios ou causando perdas de energia e consequentemente prejuízos [11]. As definições da IEC focam o funcionamento específico do equipamento ou categoria de equipamentos pelas normas de compatibilidade eletromagnética (EMC). São estabelecidos então, limites de emissão de distúrbios ao sistema e quão imune aos distúrbios um equipamento é ou deve ser. Através destas normas, avalia-se junto aos parâmetros de QEE se um equipamento traz problemas à rede ou não e se este é sensível à rede a qual será instalado. Analisando a instalação em geral, vê-se que se todos os equipamentos atenderem individualmente as recomendações, o sistema geral estará dentro das especificações estabelecidas [11]. O conjunto de normas da IEC, em especial a família IEC , especifica, entre outros, os conceitos de projeto dos medidores, formas de medição, tratamento dos dados e classificação dos resultados para análise dos distúrbios englobados pela QEE. Muitas normas internacionais utilizam estes conceitos de medidores da IEC como requisitos para obtenção dos valores das medidas dos fenômenos eletromagnéticos envolvidos e suas análises, como exemplo a recomendação IEEE 1453 que estabelece que o medidor de flicker deva atender a norma IEC , para medição das flutuações de tensão do sistema. Baseado nisto pode-se afirmar que as normas da IEC são as mais específicas para equipamentos de medição sobre QEE que as outras normas internacionais vigentes Evolução normativa internacional sobre QEE. A importante necessidade de suprir o fornecimento de energia com tensão e freqüência a valores aceitáveis pela carga, conhecido como 60

75 compatibilidade carga-fonte, é necessário desde o início das indústrias de energia (IEEE , 1999). Na década de 30 as concessionárias atentaram-se aos distúrbios de tensão causados pelos consumidores na rede de distribuição. Outros problemas foram verificados em meados dos anos 50, devido a alta corrente de partida de grandes motores elétricos, causando assim quedas significativas nos valores de tensão, afetando os equipamentos daquela região [11]. Estes e outros acontecimentos direcionaram o desenvolvimento de normas e regulamentos para atenuar os problemas. O grande crescimento dos equipamentos microprocessados, caracterizados pelas suas sensibilidades quanto aos distúrbios da rede elétrica, frente às variações de tensão, levaram à necessidade de se estabelecerem padrões e limites para estas variações. A Computer and Business Equipment Manufacturers Association (CBEMA), elaborou uma curva de suportabilidade para estes equipamentos, em O Information Technology Industry Council (ITIC), em 2000, atualizou a curva da CBEMA, para níveis mais adequados de acordo com as características atuais do sistema de distribuição de energia elétrica e a suportabilidade dos equipamentos, agora mais modernos. A curva da figura 3.4 indica como os equipamentos de informática devem responder às variações de tensão em função da duração do distúrbio e se aplica aos equipamentos com tensão de alimentação de 120V, 208/120V e 120/240V [11]. 61

76 Figura 3.4 Curva do ITIC revisada no ano 2000 [11]. Uma das entidades internacionais que mais desenvolveram estudos referentes à qualidade da energia é a IEC, com sede na Suíça. Como comentado anteriormente, a IEC vem trabalhando em normas referentes à compatibilidade eletromagnética, à interação entre os equipamentos e à influência entre os equipamentos e a rede de alimentação. Outra entidade muito respeitada que também vem desenvolvendo normas e estudos a respeito da qualidade da energia é a IEEE, com sede nos EUA. Outros organismos americanos formados principalmente por fabricantes de equipamentos, que também estabelecem normas são a National Electrical Manufactureis Association (NEMA), e o ITIC. Estas são auxíliadas pelo American National Standards Institute (ANSI), que é um organismo de administração e coordenação das propostas de normatizações voluntárias nos EUA. Esta entidade não desenvolve normas, mas sua missão principal é de promover a elaboração destas normas, trabalhando em consenso com as diversas áreas de atuação nacionais que têm interesse na específica norma. A ANSI também trabalha para incentivar o uso de normas internacionais, como a 62

77 ISO e a IEC, desde que atendam às necessidades e interesses do mercado em questão. Na Europa os produtos comercializados devem ser certificados em um processo de aprovação, pela Europeann Economic Community (EEC) paraa receber a marca CE (figura 3.5), indicando assim que está de acordo com as normas harmonizadas (normas publicadas no Jornal Oficial da União Europeia). Figura 3.5 Marca de certificação CE. Dependendo do tipo de produto a ser certificado, as diretrizes se dividem em básicas, genéricas e produtos específicos s. Nos aspectos de comercialização, segurança e responsabilidade, as diretrizes básicas são empregadas a todos os fabricantes. A certo grupo de produtos, como os que operam em certa faixa de tensão ou que podem gerar interferências eletromagnéticas, são aplicadas as diretrizes genéricas, que atendem o setor não regulamentado de produtos. As diretrizes de produtos específicos abrangem o setor de produtos regulados, sendo os de telecomunicações e dispositivos médicos ou produtos considerados de alto risco exemplos destes produtos. Os produtos comercializados na Austrália tambémm devem aprovados. Para isto, precisam ser certificados pelo órgão responsável ser pela elaboração de normas, a Australian Communications and Media Authority (ACMA), que aplica a estes produtos a marca "C-tick" (figura 3.6). A Nova Zelândia segue as normas da ACMA, com algumas modificações apenas, devido às suass necessidades. Figura 3.6 Marca de certificação C-tick. 63

78 No Brasil a marca do INMETRO (figura 3.7), indica que o produto fabricado atende as expectativas do usuário conforme as normas existentes, que foram elaboradas pelos comités técnicos da ABNT A IEC Figura 3.7 Marca de certificação INMETRO. Em 15 de Setembro de 1904, representantes do Congresso Internacional de Eletricidade, reunidos em Saint Louis, USA, adotaram o relatório que incluía o texto: [...] passos devem ser dados para segurar a cooperação das sociedades técnicas no mundo, pelo apoio de sua comissão representativa para considerar a questão da normalização, da nomenclatura e o padrão dos equipamentos elétricos e das máquinas. Como resultado, o IEC foi oficialmente fundado em Junho de 1906, em Londres, Inglaterra. O IEC engloba todas as eletro-tecnologias, incluindo eletrônica, magnética e eletromagnética, eletroacústica, multimídia, telecomunicação e produção de energia e distribuição, tanto quanto disciplinas gerais associadas como as terminologias e símbolos, compatibilidade eletromagnética, medição e desempenho, dependência, desenvolvimento e construção, segurança e meio ambiente. Através de seus membros, o IEC promove cooperação internacional em todas as questões de normalização internacional e assuntos relacionados, como o acesso a normas de conformidade. Sendo assim, os objetivos da IEC são: Associar as necessidades para promover a eficiência do mercado global; 64

79 Assegurar a máxima utilização das normas e esquemas de avaliação da conformidade; Avaliação e melhoria da qualidade de produtos e serviços abrangidos por estas normas; Estabelecer a condição de inter - operabilidade de sistemas complexos; Aumentar a eficiência de processos industriais; Contribuir para a saúde e segurança da sociedade; Contribuir para a protecão do meio ambiente. A figura 3.8 apresenta o organograma da IEC. Figura 3.8 Organograma da IEC. Os 179 Comitês Técnicos, ou Technical Committees (TC), seus Sub- Comitês, ou Sub-Committee (SC) e cerca de 700 grupos de projetos e de manutenção são os responsáveis pela elaboração das normas da IEC. Estes grupos de trabalhos são compostos por pessoas (mais de ) de todo o mundo que têm qualificação em eletro-tecnologia. A grande maioria deles vêm das indústrias, enquanto outros vêm de grupos do comércio, governo, laboratórios de testes, laboratórios de pesquisa, centros de desenvolvimento e de grupos de consumidores, que também contribuem para o trabalho. 65

80 Os TCs fazem os documentos técnicos com objetivos específicos para cada respectivo escopo, que são submetidos para aprovação de todos os Comitês Nacionais para votação e aprovações como normas internacionais. Outro fato importante, administrado pelos TCs, é que uma norma deve ser submetida a consulta pública em todos os países. Então, através de ferramentas democráticas de consenso e consulta pública, qualquer parte interessada pode argumentar e ter sua palavra no desenvolvimento e publicação de uma norma internacional. A adoção de uma norma IEC por um país, se ele for um membro de Comissão ou não, é inteiramente voluntária. Os representantes do Brasil na IEC são a ABNT e o Comité Brasileiro de Eletricidade, Eletrônica, Iluminação e Telecomunicações (COBEI). Estes atuam através do Comitê Nacional do Brasil. O Comitê Técnico referente à QEE é o n 77. Tal comitê elabora as normas e relatórios técnicos no campo da compatibilidade eletromagnética, com ênfase particular nas aplicações de equipamentos. Seu escopo de trabalho cobre os seguintes aspectos de EMC: Itens relacionados à EMC e à imunidade, em freqüências inteiras; Emissões em faixas de baixa freqüência ( 9 khz); Emissões em faixas de alta freqüência (>9 khz); Seu principal grupo de trabalho é o WG13 - Normas Genéricas sobre EMC. Seus Sub-Comitês são: SC 77A: Fenômenos de Baixa Freqüência; SC 77B: Fenômenos de Alta Freqüência; SC 77C: Fenômenos Transitórios de Alta Potência Normas da IEC relacionadas à QEE As normas da IEC elaboradas pelo Comitê Técnico nº 77 são referentes a produtos e serviços industriais com relação à compatibilidade 66

81 eletromagnética. Estabelecem, portanto, todas as normas que abrangem os fenômenos eletromagnéticos relativos à QEE, expressos na tabela 2.1. A IEC trata dos termos utilizados no ambiente eletromagnético, da descrição dos fenômenos de compatibilidade eletromagnética, da especificação de limites para estas compatibilidades, dos testes e métodos de medição e avaliação dos fenômenos, da instalação dos equipamentos com a finalidade de mitigar os problemas e conceitos genéricos de imunidade e emissão. Sendo assim, a IEC está dividida em 6 partes para melhor interpretação e entendimento: IEC : generalidades; IEC : ambiente; IEC : limites; IEC : ensaios e métodos; IEC : instalação e mitigação; IEC : normas genéricas. A parte da IEC tem como objetivo definir e apresentar os termos e as generalidades para se ingressar ao meio da compatibilidade eletromagnética e entender os conceitos relacionados com a mesma. Na parte da norma IEC estão descritos os fenômenos de compatibilidade eletromagnética do ambiente em que serão instalados os equipamentos. Nesta parte são apresentadas as descrições dos fenômenos, como estes atuam e influenciam no meio e os níveis de compatibilidade eletromagnética para produtos e equipamentos. A parte IEC estabelece os limites de compatibilidade e emissão dos fenômenos eletromagnéticos apresentados por produtos e equipamentos, focando na melhor interação entre estes com outros equipamentos e/ou com o meio em que estão instalados. Na parte IEC são estabelecidos os conceitos de projetos de medidores e métodos de testes e medições para garantir a replicabilidade e a reprodutibilidade dos equipamentos de medição. Sendo assim são estabelecidas as formas de medição, a tolerância dos equipamentos utilizados 67

82 e os procedimentos para leitura, para assegurar a conformidade com outras partes da norma. A parte da IEC estabelece os métodos de instalação dos equipamentos ou utilização dos produtos de forma a amenizar sua influência no meio em que está instalado. Estes procedimentos auxiliam na mitigação dos problemas relacionados à imunidade e a qualidade da energia. Na parte da norma IEC são fornecidas normas genéricas com relação à imunidade e emissão eletromagnética. Estas normas são ditas genéricas, pois não apresentam nenhum tipo de limites dos produtos ou equipamentos, mas reúnem todas as características que estes devem possuir para garantir o maior nível de imunidade e compatibilidade possível aos distúrbios eletromagnéticos existentes. O [12] destaca como as normas da IEC mais utilizadas internacionalmente para medição e análise da QEE: IEC : Níveis de compatibilidade de condução de distúrbios em baixa Freqüência; IEC : Limites de corrente harmônica (ln 16A); IEC : Limites de variação de tensão e flicker (ln 16A); IEC : Guia geral de medição de harmônicos; IEC : Flickermeter - especificações funcionais e de projeto; IEC : Métodos de medição de qualidade da energia. 68

83 Capítulo 4 Instrumentos de Monitoração Lâmpada para os meus pés é tua palavra, e luz para o meu caminho Tipos de Instrumentos de Monitoração Sl. 119:105. Existe uma enorme variedade de tipos de instrumentos para monitoração, disponíveis no mercado, com recursos e preços diversos. A seleção do instrumento a ser utilizado deve ser precedida da definição clara e precisa dos objetivos da monitoração. Por exemplo, caso o fenômeno de alta freqüência seja objeto de interesse, é necessário que as características técnicas do sistema de monitoração sejam compatíveis com a rapidez do fenômeno a registrar, em particular com relação à taxa de amostragem. Também os dispositivos de conexão ao sistema de alta tensão, como transformador de potencial ou transformador de corrente devem apresentar resposta em freqüência apropriada. A monitoração da qualidade de energia elétrica pode ser parte de ensaios preparados, quando o distúrbio, foco do problema, é provocado intencionalmente, tal como manobras de equipamentos. Nos casos de monitoração de harmônicos ou flutuação de tensão, a própria operação normal da carga perturbadora irá provocar os fenômenos que se deseja analisar. Para o estudo e diagnóstico das variações momentâneas de tensão, a monitoração depende da ocorrência natural de defeitos, o que requer recursos de disparo ou trigger dos dispositivos de monitoração. Embora a maioria dos dispositivos disponíveis no mercado possibilite o registro das formas de ondas de tensão e corrente, o registro dos valores eficazes (RMS) destas grandezas é suficiente para a análise de subtensões e sobretensões momentâneas. 69

84 Alguns instrumentos calculam um valor RMS correspondente a uma janela (do tamanho de um ciclo, por exemplo) para cada amostragem. Este é o valor RMS instantâneo, pois este valor é atualizado em todos os instantes de amostragem, com o deslocamento da janela ponto a ponto. Para [12], os instrumentos de medição devem ser desenvolvidos para uma ampla variedade de distúrbios, já que geralmente é necessária a utilização de vários instrumentos, dependendo do fenômeno a ser investigado. Basicamente, as categorias de instrumentos que mais possuem aplicação nesta análise são: Instalação de aparelho de teste; Multímetro; Osciloscópio; Analisadores de distúrbios; Combinação de distúrbios e análise de harmônicos; Medidor de flicker ; Monitoração da energia. A aplicação e limitação destes diferentes instrumentos dependem do caso a ser estudado. Além destes instrumentos, que medem o estado regular do sinal ou distúrbio diretamente no sistema de energia, outros instrumentos podem ser utilizados para ajudar a solucionar problemas de qualidade de energia, por meio de medição em condições ambientes, tais como: Medidor Infravermelho: Este pode ser muito valioso na detecção de conexão solta e sobretensão nos condutores. Um procedimento anual de checagem do sistema desta maneira pode ajudar a prevenir problemas e aquecimento nos condutores; Medidor Magnético de Gauss: Pode ser usado para medição de força de campo magnético, no que diz respeito ao indutivo acoplado. Os problemas de ruído relacionado com radiação eletromagnética podem requerer medição de força de campo nas proximidades sem afetar o equipamento; Medidor de Campo Elétrico: Pode ser usado para medir a força do campo elétrico eletrostático, no que diz respeito ao acoplamento; 70

85 Medidores de Eletricidade Estática: É um propósito especial dos aparelhos de medição de eletricidade estática nas proximidades de equipamento sensível. Descarga eletrostática pode ser uma importante causa de problemas de qualidade de energia em alguns tipos de equipamento eletrônico. Indiferente ao tipo de instrumentação necessária para um teste particular, um número de fatores importantes devem ser considerados quando selecionado o instrumento. Alguns dos mais importantes fatores que um equipamento de medição pode ter incluem: Número de canais (tensão e/ou corrente); Temperatura especificada no instrumento; Marcação no instrumento; Entrada de tensão nas escalas entre 0 à 600 V; Requisito de energia; Capacidade para medição de tensão trifásica; Entrada de isolação (isolação entre entrada de canais e de cada entrada para o aterramento); Capacidade para medição de corrente; Instrumento com suporte de instalação; Capacidade de comunicação (modem e sistema de interfaces); Programa computacional (programação e análise). A flexibilidade do instrumento é algo importante para medição de qualidade de energia. A maioria destas funções pode ser desempenhada em um único instrumento para a garantia de um bom diagnóstico do problema em estudo, porém poucos instrumentos possuem esta flexibilidade. A seguir são apresentados alguns equipamentos de medição de qualidade de energia que apresentam algumas destas funções. 71

86 Oscilógrafo e Analisador de Energia (CE- 3000) Este instrumento utiliza um microcomputador e placas de aquisição que trabalham diretamente no barramento do micro, tornando-se fácil a gravação dos dados na forma de arquivo diretamentee no dispositivo de armazenamento de dados (HD), evitando assim a utilização de protocolos de comunicação dedicados e perdas de tempo com a transferência dos dados. Figura 4.1 Instrumento CE-3000 [32]. Com a estrutura baseada no uso de um computador a processamento sempre pode ser atualizada, bastando para micro. capacidade de tal a troca do Características técnicas Freqüência: 0 à 3000 Hz Entradas analógicas: 04 canais de aquisição de tensão, até 250 V RMS, galvanicamente isoladas; 04 canais de aquisição de corrente, galvanicamente isoladas, configuradas para aquisições diretament te de TC s, até 20 A RMS, ou através de clamps, até 1000 A RMS. 72

87 Entradas binárias: 08 Entradas binárias, galvanicamante isoladas, configuradas para registrar atuações de contatos secos ou por tensão CC até 250 V. Saídas binárias: 02 saídas binárias por contato, sendo 01 NA e 01 NF, para acionamento ou sinalização de circuitos com correntes até 1A e tensões até 250 V; Aquisição de dados: Interface com notebook via placa DAQCard 6062E da National Instrument, com resolução de 12 bits. Freqüência de amostragem superior a 6 khz por canal (104 amostras por ciclo para oscilografia e 128 amostras para análise de qualidade). Aquisição ciclo a ciclo para a oscilografia, e a cada 1 segundo ou mais para análise de qualidade de energia. Memória: Alocada no HD do micro. Programas: Programa de Oscilografia Oscil.exe Programa de Análise de Qualidade Anel.exe Precisão: Tensão: +/- 0,2%; Corrente: +/- 0,2%. Dimensão: 280 x 305 x 125 mm. Alimentação: V CA / V CC ; Aplicação O programa de oscilografia pode ser usado para oscilografar testes em disjuntores e demais necessidades de gravação de sinais analógicos de tensão, corrente e sinais digitais de contatos NA/NF ou tensão. Este é de grande utilidade nas áreas de Qualidade de Energia, Diagnósticos de Sistemas de Potência e Análise de Processos Industriais, sendo suas principais aplicações: 73

88 Monitoramento da qualidade da energia elétrica em sistemas de distribuição; Trabalhos de avaliação de perfil de carga; Análise de desligamentos e falhas causadas por variações nas características da tensão; Obtenção da forma de onda de tensão e corrente; Diagnóstico de um sistema em relação à necessidade de correção do fator de potência; O programa computacional de Análise de Qualidade de Energia permite realizar as seguintes análises: Distorção harmônica total e individual; Fluxo de potência harmônica; Variação da tensão e corrente no tempo; Potência e consumo no tempo; Desequilíbrio de tensão Analisador de energia MARH VI Registrador digital portátil e robusto (figura 4.2), trifásico, programável, destinado ao registro das tensões, correntes, potências e energia em sistemas elétricos de geração, consumo e distribuição assim como circuitos de alimentação de máquinas elétricas em geral. Possui 3 canais de entrada para tensões e 3 canais para correntes (através de alicates). O mostrador e teclado possibilitam efetuar a programação diretamente no equipamento. Dotado de memória interna estática tipo RAM e porta serial para leitura dos dados registrados e programação através do PC local ou via modem (opcional). O programa ANAWIN (para Windows ), fornecido juntamente com o registrador e sem custo adicional, possibilita a análise dos dados de forma prática e direta através de gráficos e relatórios. 74

89 Figura 4.2 Analisador de energia: MARH VI [33]. O programa ANAWIN permite leitura dos dados registrados na memória de massa do MARH, além da leitura dos parâmetros programados e programação do MARH. Visualização on-line, na tela do PC, das variáveis em forma gráfica e numérica (valores RMS atualizados a partir de 1 décimo de segundo). Visualização on-line, na tela do PC, da forma de onda das tensões e correntes (1 ciclo por segundo, aproximadamente), incluindo análise harmônica. Características técnicas Canais de Entrada: Tensão: 3 canais (neutro comum): V RMS direto e de 0 999,9 kv RMS, via TP s; Corrente: 3 canais: 0 a 999,9 ka RMS via alicates; Alimentação: Tensão CA de 90 a 300 Vca; Freqüência: 50 ou 60 Hz; Precisão: Tensão: 0,5 % fim de escala / 1% típico; Corrente: 0,5 % fim de escala / 1% típico. 75

90 Aplicação Aplicado em estudos da demanda e otimização do uso de energia. Gráficos e relatórios de tensões, correntes, potências ativas, reativas e energia ativa. Simulações para análise de correção do fator de potência. Análise de desligamentos e falhas causadas por variações nas características da tensão. Detecção de fraude em sistemas de distribuição de energia elétrica. Análises comparativas de custos nos diversos pontos de consumo de energia. Determinação da Função Distribuição de Tensão (FDT). Obtenção de curvas de partida (tensões, correntes, potências, etc.) de motores Multimedidor PowerLogic ION7650 O medidor PowerLogic ION 7650 capta ocorrências de até 17 µs, o produto pode ter suas funções de monitoramento personalizadas. Este é indicado para qualquer tipo de instalação, desde grandes concessionárias de energia e indústrias com processos fabris complexos, até empresas de engenharia. O medidor pode contar com até cinco portas de comunicação simultâneas com diferentes protocolos, entre elas a Ethernet. Este sistema proporciona uma alta taxa de amostragem, com até 1024 amostras por ciclo de tensão, captando rapidamente eventos de até 17 µs de duração. O produto tem ainda uma memória interna de 10 Mb para armazenamento de dados e ocorrências. Além de possuir funções pré-definidas, o ION 7650 pode ser customizado por meio de diferentes programações, suas configurações podem ser armazenadas e enviadas para outros medidores, assim como um único medidor pode receber diversos arquivos, de acordo com a definição do usuário. 76

91 Figura 4.3 Multimedidor PowerLogic ION 7650 [34]. Características técnicas Velocidade de atualização de dados: ½ ciclo/s; Características de tensão de entrada: Tensão medida: 57 V a 347 V F-N/ 600 V F-F (escala automática); Escala de medição: 85 a 240 Vca e 110 a 330 Vcc; Impedância: 5 MΩ/fase (fase Vref); Escala da freqüência: 47 a 63 Hz; Característica da corrente de entrada: Corrente nominal: 1 A, 2 A, 5 A e 10 A; Escala de medição: 0, A (Automatica) e 0, A (Opcional); Impedância: 0,002 Ω por fase (5 A) e 0,015 Ω por fase (1 A); Carga: 0,05 VA por fase (5 A) e 0,015 VA por fase (1 A); Alimentação: CA: Vca +/- 10% (47 63 Hz); CC: Vcc +/- 10%; Carga: 15 VA a 35 VA (típica); 12 VA a 18 VA (Baixa tensão CC típica); Entradas/Saídas: 8 entradas digitais (120 Vcc); 3 saídas de relé (250 Vca / 30 Vcc); 77

92 4 saídas digitais (estado sólido); Opcional: 8 entradas digitais adicionais; 4 saídas analógicas e/ou 4 entradas analógicas. Precisão: Corrente: +/- 0,1%; Tensão: +/- 0,1%. Aplicações Medição ampla da qualidade de energia; Auditoria de medição de faturamento (cliente livre / cativo); Monitoramento remoto de equipamentos críticos; Concentrador de informações de sistema de medição; Estudo de cargas e otimização do contrato de energia; Monitoramento em conformidade com a norma EN50160 (ION7650); Monitoramento e auditoria da qualidade de energia fornecida (ION7650); Medidor portátil de energia (com alicates vendidos separadamente); Medição de outros serviços fornecidos por outras utilidades; Instrumentação de painel Analisador de Energia Minipa ET-5060 O analisador de energia Minipa é um instrumento profissional para análise da qualidade de energia em redes monofásica e trifásica, de acordo com a categoria III 600 V de segurança, com interface RS-232, medida True RMS, memória 2 Mbytes, autonomia de registros maior que 10 dias com todos os parâmetros possíveis, display VGA matriz de 320x240 pontos com iluminação. Realiza medidas de tensão, corrente, potência ativa, reativa e aparente, energia ativa e reativa, fator de potência, harmônicas, flicker e distúrbios de tensão, com possibilidade de visualização rápida. 78

93 Figura 4.4 Analisador ET-5060 [35]. Características Técnicas: Fonte de Alimentação Externa: Adaptador AC/DC 15 V / 0,8 A; Tensão: Faixa: 57 a 480 V em Delta; Faixa:100 a 830 V em Estrela; Impedância de Entrada: Maior que 1 MW (fase-neutro); Maior que 2 MW (fase-fase); Distúrbios de Tensão: Dip e Swell ; Corrente: Faixas: Lem Flex 15 A / 150 A / 3000 A; Faixas: Garra 10 A / 100 A / 1000 A; Potência Ativa: Faixas: 0 ~ kw, kw, kw, MW; Potência Reativa: Faixas: 0 ~ kvar, kvar, kvar, MVAR; Potência Aparente: Faixas: 0 ~ kva, kva, kva, MVA; Energia Ativa: Faixas: kwh, kwh, kwh; 79

94 Energia Reativa: Faixas: VARh, kvarh, MVARh; Harmônicas: Faixas: 1 ~ 40 h < 50% do valor medido; Freqüência: Faixas: 46 Hz ~ 54 Hz, 56 Hz ~ 64 Hz; Velocidade de Amostragem: 10,24 khz / 97 µs; Número de Amostras: 170 por ciclo; Aplicação: Sistema Monofásico e Trifásico (3 Fios ou 4 Fios); Memória: 2 MBytes Precisão: Tensão: 0,5 % fim de escala; Corrente: 0,5 % fim de escala. Aplicação O analisador modelo ET 5060 é indicado para uso em avaliações de redes de distribuição elétrica, trifásico, que possibilita o gerenciamento de energia, estudo e controle de demanda, monitoramento de cargas, detecção de desequilíbrio de corrente, medição de harmônicas até a quadragésima ordem, correção do fator de potência e registro de distúrbios de tensão (Queda, Sobretensão, Interrupção flicker ). Possui apresentação numérica, forma de onda, espectro de harmônicas, potência, diagrama de vetores, eventos ( Dip e Swell ), flicker e qualidade da energia. Sua memória de 2 MBytes permite o registro de 64 parâmetros para uma integração de 10 min. Vem acompanhado de interface RS-232, programa de análise e conjunto de garras de corrente flexíveis de A Analisador VEGA 76 O VEGA 76 é um instrumento registrador avançado que efetua análise e testes em sistemas elétricos monofásicos e trifásicos com ou sem neutro. Este exibe em tempo real os valores de todas as grandezas elétricas fundamentais existentes em uma instalação elétrica sob teste (Tensão, Corrente, Potência ativa, reativa, aparente e etc.) exibe também a direção da forma de onda da 80

95 tensão e corrente. Sendo possível guardar na memória do instrumento até no máximo de 64 grandezas e distúrbios de tensão. Utiliza garras flexíveis para medição de corrente (até 3000A) conectado diretamente sem qualquer interface. Este instrumento vem acompanhado de um programa que aumenta suas potencialidades, o qual permite a medição, apresentação e gravação de valores das harmônicas de tensão e corrente até a 49ª ordem. Figura 4.5 Analisador VEGA 76 [36]. Características técnicas Medição de Tensão AC/DC (Escala automática): Faixas: V e V; Impedância de entrada: 300kΩ (Fase Neutro ou fase-fase); Medição de Corrente AC TRMS: Faixas (A): 0,005 0,26 / 0,26 1 (transdutor externo STD e Clamp FlexEXT); Faixas (A): 5,0 19,99 / 20,00 99,99 / 100,0 999,9 (transdutor Clamp FlexINT (1000 A) ); Faixas (A): 15,0 99,99 / 100,0 270,0 / 270,0 999,9 / (transdutor Clamp FlexINT (3000 A)); Potência Ativa (W): Faixas: 100,0 999,9 / 1k 999,9 k / 1M 999,9 M; Potência Reativa (VAr): Faixas: 100,0 999,9 / 1k 999,9 k / 1M 999,9 M; 81

96 Potência Aparente (VA): Faixas: ,9 / 1k 999,9 k / 1M 999,9 M; Energia Ativa (Wh): Faixas: 100,0 999,9 / 1k 999,9k / 1M 999,9 M; Energia Reativa (VArh): Faixas: 100,0 999,9 / 1k 999,9 k / 1M 999,9 M; Fator de Potência (Cosφ): Faixas: 0,20-0,50 / 0, / 0,80 1,00; Instrumento ajustado em 60Hz: Faixa: 57 63,6; Medição de Harmônicas: Faixas: DC 25h / 26h 33h / 34 49h. Precisão: Corrente: +/- 0,5% + 8,5 ma Tensão: +/- 1,0% + 2 dígitos. Aplicação O analisador de energia VEGA 76 é indicado para uso em avaliações de redes de distribuição elétrica, monofásico e trifásico com ou sem neutro, que possibilita o gerenciamento de energia, estudo e controle de demanda, monitoramento de cargas, detecção de desequilíbrio de corrente, medição de harmônicas até a 49ª ordem, correção do fator de potência e registro de distúrbios de tensão. Este instrumento possui as seguintes funções: Medição de tensão TRUE RMS F-N e F-F. até 600 V AC; Medição de corrente TRUE RMS de cada fase. Até 3000 A; Potência ativa, reativa e aparente de cada fase e total; Fator de potência de cada fase e total; Energia Ativa e reativa para cada fase e total; Freqüência; Registro com integração selecionável de 5 segundos até 60 minutos; Análise das harmônicas de tensão e corrente até 49ª componente, THD; Registro das anomalias de tensão (sags, swells, breaks, etc.); Interface RS-232; 82

97 Programa padrão Windows. Os analisadores da qualidade de energia elétrica são a base de qualquer sistema de monitoração de qualidade de energia e devem cumprir requisitos específicos para o correto monitoramento. Medidores convencionais baseados na freqüência 60 Hz, não são aplicáveis em circuitos com cargas não lineares. Para a obtenção dos benefícios esperados por um sistema de monitoramento, devem ser atendidos os seguintes pontos: Medições RMS verdadeiras incluindo até pelo menos a 50ª harmônica, onde é interessante realizar a comparação entre os valores RMS verdadeiro versus fundamental; Inclusão de novas grandezas - medidas que tradicionalmente não eram especificadas e utilizadas nas instalações elétricas, como distorção harmônica, potência de distorção harmônica, fator K, fator de crista, flutuação de tensão e desequilíbrios de tensão e corrente, devem ser considerados para efeito da inspeção de recebimento da energia elétrica; Excelente precisão mesmo para condições de alta distorção harmônica imprescindível para realização de medições de energia para faturamento e rateio de custos tanto para as concessionárias como para as indústrias. Na seção seguinte será apresentado um tipo de sistema de monitoração da QEE. Considerações finais Entre os equipamentos de medição da QEE estão os Registradores Digitais de Pertubação, os quais agregam diversas funções adicionais entre as quais está análise em campo ou em tempo on line através de um software. Entre os exemplos de Registrador Digital de Perturbação estão os modelos RQE III e o RP-IV da Reason [37], muito utilizados em linhas de transmissão devido sua alta capacidade de processamento e aquisição de dados em campo sem ser necessário retirar o rack do painel, além de manter os circuitos energizados. 83

98 4.2. Sistema de Monitoramento Um Sistema de Monitoramento da Qualidade de Energia Elétrica (SMQEE) deve centralizar e estruturar adequadamente as informações provenientes de vários pontos da instalação elétrica, obtendo-se informações relevantes exatamente no instante em que os problemas ocorrem. Este sistema deve ser formado por dispositivos eletrônicos inteligentes (IED s) distribuídos ao longo dos circuitos elétricos desde a alta até a baixa tensão, localizados em pontos estratégicos. Tais dispositivos devem possuir alta capacidade de processamento dos dados para satisfazer as exigências funcionais do sistema. Este sistema deve compor vários dispositivos eletrônicos inteligentes (IED s), uma ou várias estações de trabalho remotas (microcomputadores), programa computacional amigável e rede de comunicação. Sendo necessário centralizar e estruturar as informações para que se possa interpretá-las com relativa facilidade, em um sistema voltado para monitorar a qualidade da energia. Desta maneira, é possível detectar e registrar ocorrências de fenômenos de QEE tanto na rede da concessionária, quanto no próprio sistema do usuário. Assim como, monitorar adequadamente o perfil de carga de um determinado alimentador e sua participação no pico de demanda máxima, registrar medições do consumo de energia de vários circuitos, bem como obter tabelas de medidas de diversos tipos de grandezas elétricas para cada ponto de interesse. O SMQEE apresentado neste item serve de modelo para aquisição, processamento e a disponibilização de informações relativas à qualidade de energia. Os dados obtidos neste sistema de monitoramento são transmitidos para um servidor de comunicação, formando uma massa de dados que é processada e inserida em um Banco de Dados de Qualidade da Energia Elétrica. A partir da formação da base de dados, diversos mecanismos de recuperação de dados são utilizados, a fim de filtrar informações, acelerando o processo de análise da informação referente à QEE. Dentre os aplicativos que compartilham a base de dados formada, destacam-se um sistema de cálculo 84

99 estocástico de afundamentos de tensão, um sistema especialista de QEE e uma metodologia composta, basicamente, pela aquisição das informações dos pontos de medição, pela verificação da compatibilidade e coerência dessas informações e por tratamentos estatísticos das mesmas Descrição física do sistema O gerenciamento da qualidade da energia elétrica requer o monitoramento em pontos do sistema elétrico fisicamente distante. Equipamentos monitores de QEE, monitorando os distúrbios de energia, podem registrar uma grande quantidade de dados diariamente. Estes equipamentos, geralmente, executam um pré-tratamento dos dados, a fim de reduzir a quantidade de dados registrados. Os resultados do pré-tratamento estatístico permitem fazer diagnósticos de avaliação da qualidade de energia dos fenômenos englobados pelo sistema através de uma série de relatórios de saída padronizados, agrupando as informações dos indicadores calculados, e realizando agregações temporais e espaciais por meio de procedimentos que possibilitam obter indicadores em concordância com a filosofia adotada pelo [38]. O sistema em questão tem como importante característica a utilização de diferentes técnicas de tratamento de dados. Sendo assim, verifica-se a necessidade de registrar os dados sob um formato consistente que contemple a diferentes protocolos de medição. Para atender a esta característica, com fortes requisitos de transmissão de dados, definiu-se a topologia do sistema Topologia do sistema Em uma visão macro da topologia, uma célula da rede é composta por estações remotas (equipamentos de monitoramento) interligadas a uma estação central formando uma topologia física conhecida como estrela (figuras 4.6 e 4.7). 85

100 Figura 4.6 Topologia célula de monitoramento [39]. Figura 4.7 Detalhamento do núcleo da célula de monitoramento [39]. A comunicação entre o Servidor de Dados e os microcomputadores clientes (figura 4.8) é feita via rede local. Sistemas servidores de dados que utilizam redes locais permitem que os servidores interajam com clientes que fazem solicitações de leitura e atualização de dados em unidades como arquivos ou páginas. Figura 4.8 Topologia Servidor de dados [39]. 86

101 Esses arquivos podem ser gerados para cada ponto de medição ou para um conjunto determinado de pontos, permitindo avaliar o comportamento de uma determinada região específica ou de todo o sistema através de gráficos e tabelas especificados. Dessa forma, eles constituem fontes de informações úteis na determinação do desempenho dos pontos de um sistema elétrico frente a cada um dos fenômenos avaliados, produzindo um diagnóstico preciso tanto para cada um dos pontos monitorados, bem como para toda a rede elétrica em análise; auxiliando também na ligação de novos consumidores com processos industriais sensíveis, na mitigação de problemas oriundos dos distúrbios provocados pelos fenômenos de qualidade de energia considerada, e na averiguação da propagação das perturbações e da adequação dos padrões propostos, fornecendo subsídios para balizar alguma proposta de normalização dos valores de indicadores esperados para cada fenômeno. No servidor de dados estão os sistemas SGQEE, SGVTCD e SEQEE: Sistema de gerenciamento da QEE (SGQEE) - executa o prétratamento dos dados monitorados, inserindo-os na base de dados, que permite o acesso a todas as informações referentes ao monitoramento e seu gerenciamento e executa o pós-tratamento dos dados, fornecendo diversos tipos de relatórios. Sistema de gerenciamento das VTCD (SGVTCD) - Permite estimar as taxas de ocorrência das Variações de Tensão de Curta Duração (VTCD) a partir do registro oscilográfico e resume-as pelo seu afundamento e duração, para facilitar a análise das informações. Sistema especialista de QEE (SEQEE) - utiliza técnicas de inteligência artificial visando o estabelecimento de tendências e a identificação de padrões de ocorrência nos dados armazenados. Neste sistema os fenômenos da QEE (distorção harmônica, desequilíbrio de tensão e de corrente, flicker pst e plt, interrupções e VTCD, em especial os afundamento de tensão) são resumidos dia a dia por um valor estatístico no qual 95% das amostras estão abaixo deste valor. Essas amostras são integralizadas a cada 10 minutos, exceto para as amostras de flicker plt que são integralizadas a cada 2 horas. 87

102 Metodologia de Medição A escolha do analisador de energia para realização das medições deve está relacionada ao tipo de distúrbio a ser investigado, com a finalidade de configurá-lo adequadamente. A modelagem das cargas deve ser feita, afim de reproduzir os fenômenos encontrados na prática e mitigá-los por meio de simulações computacionais (fluxo de carga harmônico). O tempo adequado e suficiente para análise irá depender do tipo de distúrbio. O tratamento de dados consome muito tempo, por mais qualificada e eficiente que seja a equipe, por isso uma estratégia de tratamento de dados é a utilização de técnicas de Data Mining. O Data Mining é um conjunto de técnicas e ferramentas usadas para identificar padrões (conhecimentos) embutidos em grandes massas de dados. Não é uma tecnologia nova, mas sim um campo de pesquisa multidisciplinar que envolve estatísticas, aprendizado de máquina, banco de dados, sistemas especialistas, técnicas de visualização de dados, computação de alto desempenho (figura 4.9) Figura 4.9 Assuntos envolvidos ao Data Mining [40]. Neste item será apresentado um tipo de metodologia. A exemplo da coleta de dados a leitura será a intervalos de 10 minutos. Os valores de distorções harmônicas e desequilíbrios de tensão e de corrente deverão ser a intervalos de leitura de 10 minutos. Além desses parâmetros, o equipamento 88

103 também deverá registra os valores de flutuação de tensão de curta duração (Pst) e flutuação de tensão de longa duração (Plt) referentes ao efeito flicker. Estes registros são trabalhados por um aplicativo que fornece como resultado, os valores dos indicadores de distorções, desequilíbrios e flicker diários e semanais com probabilidades de 5%, 50%, 95%, 99% e 100%. Além destes valores, o programa também disponibiliza os valores máximos dos indicadores relativos ao período de uma semana, um mês e um ano. Os indicadores de desempenho dos locais medidos são obtidos para os fenômenos de desequilíbrios de tensão, distorção harmônica de tensão e efeito flicker, para um dia e para uma semana. Quanto à metodologia de medição destes fenômenos, tem-se que, no caso da VTCD, o monitoramento é contínuo, considerando-se que é aleatória sua ocorrência e o registro deve ser feito sempre quando este surgir. Já com relação às distorções harmônicas, a medição é feita periodicamente, conforme metodologias propostas por padrões nacionais e internacionais, ou eventualmente, quando determinados componentes harmônicos atingem valores superiores a limites previamente definidos. Para os demais fenômenos citados neste item a medição é contínua. O equipamento necessário para o monitoramento deve atender aos requisitos do sistema proposto, devendo permitir/possuir, dentre outras, as seguintes características: Taxa de amostragem: 128 amostras por ciclo (mínimo). Número de canais: Tensão: 4 (3 fases 1 neutro); Corrente: 4 (3 fases 1 neutro). Precisão: Tensão: 0,5 % fim de escala / 1% típico; Corrente: 0,5 % fim de escala / 1% típico. Resolução: 14 bits. Ativação de Registro: Registros contínuos: de Harmônicos e valores médios quadráticos; 89

104 Registros eventuais ( on trigger ) de VTCD. Autonomia: Autonomia de registro mínima para 24 horas de registros contínuos de ciclos de forma de onda, a 8 ciclos consecutivos a cada 3 segundos à taxa de amostragem de 128 pontos por ciclo. Comunicação: Serial; Paralela; Transmissão via linha telefônica comutada. Interface: Ajuste do instrumento; Programação de transmissão; Ajuste do relógio dos equipamentos (sincronização); Transmissão de Dados A capacidade de armazenamento e transmissão de dados dos equipamentos monitores é dimensionada considerando o número de equipamentos de uma célula da rede de monitoramento e a expectativa de uma determinada taxa de registro de dados. Tipicamente, vários instrumentos devem compor uma célula de monitoramento (figuras 4.6 e 4.7), sendo radialmente conectados a uma máquina central, que deve gerir a comunicação da célula. A conexão dos equipamentos à máquina central utiliza uma linha telefônica comutada, disponível nos pontos de monitoramento. Para uma estimativa da quantidade de bytes/hora gerados por equipamento de monitoramento, consideram-se as metodologias de medição de harmônicos, propostas em padrões nacionais e internacionais. A quantidade de dados gerados das medições de harmônicos determina os requisitos de transmissão de dados, pois é muito superior à quantidade de dados relativa às VTCD. Considerando o registro dos dados referentes à medição de harmônicos, para um equipamento monitor, com oito canais de medição, durante uma hora, 90

105 registrando oito ciclos por segundo e ainda considerando quatro bytes para cada amostra e quatro bytes para uma estampa de tempo (descrição da data/hora inicial de cada ciclo) tem-se: 128 amostras 4 bytes 8 ciclos 3600seg 8 canais + 4 bytes (estampa de tempo) 3600 amostras 117,98 Mbytes/hora (4.1) A definição da tecnologia de transmissão a ser utilizada é função do número de equipamentos monitores em cada célula de monitoramento e da especificação do servidor de comunicação, mais especificamente do número de canais de comunicação neste servidor Sistema de Gerenciamento O sistema de gerenciamento deve ser capaz de suportar uma quantidade ilimitada de estações de trabalho (microcomputadores) e utilizar uma LAN ( Local Area Network ) ou WAN ( Wide Area Network ) de alta velocidade. Cada plataforma computacional conectada a LAN / WAN deverá ter igual acesso às informações fornecidas pelos IED s ao longo da instalação, para se obter de forma centralizada os valores de medição das grandezas elétricas, registro de eventos e de dados analógicos, alarmes, visualização das formas de onda, etc. Cada estação de trabalho deverá ser independente das outras, com seu próprio programa, de forma a permitir que os usuários recolham as informações de acordo com suas necessidades. Deve ser possível operar em um ambiente Cliente / Servidor de forma a permitir repartição dos dados e sua visualização em qualquer plataforma computacional da rede, onde cada um possa ter acesso a todas informações existentes nos IED s. A tela de uma típica IHM (Interface Homem Máquina) do sistema de gerenciamento deve fornecer a visualização fácil e prática das grandezas medidas e registradas, divididas de acordo com classificação da [2]. 91

106 4.3. Análise e apresentação de medições Conforme já apresentado neste capítulo, os instrumentos de medição de QEE devem ter capacidade de monitoramento contínuo de fenômenos. Para tanto, é imprescindível que haja recursos de visualização de formas de onda e gráficos para análise dos problemas. Estas podem ser solicitadas pelo operador de um SMQEE (via programa computacional aplicativo) ou em resposta a uma condição de alarme detectada pelo próprio instrumento de medição ou ainda por um disparo externo. Neste item serão apresentados alguns exemplos de diferentes instrumentos de medição e programas, assim como as análises dos mesmos. A figura 4.10 mostra o gráfico gerado por um multimedidor (equipamento de medição de QEE) durante um afundamento de tensão monofásico monitorado. São mostradas as tensões e correntes nas três fases, desta maneira é possível notar que o afundamento em questão ocasionou o desligamento da carga, pois as correntes foram à zero. Figura 4.10 Afundamento de tensão registrado por um medidor nas 3 fases [38]. O usuário pode definir o número de ciclos a serem armazenados antes e depois do disparo e o multimedidor deve ser capaz de enviar através da rede de comunicação para a estação central, para posterior análise. Em relação à variação de tensão de curta duração, deve-se capturar e registrar formas de onda de pelo menos 60 ciclos com resolução de 64 amostras por ciclo simultaneamente em todos os canais de corrente e tensão. 92

107 Figura 4.11 Interrupção de tensão registrada por um programa de QEE [41]. Figura 4.12 Sobretensão registrado por um programa de QEE [41]. As magnitudes em RMS de cada canal são continuamente monitoradas e assim utilizadas para detectar estas condições de VTCD como os Sag e Swell. Na figura 4.13 são apresentados os resultados e análises das medições do desequilíbrio de tensão em regime permanente feitas no período de monitoramento de uma subestação. Nesta é ilustrado o histograma com distribuições aproximadamente normais e valores máximos abaixo de 2% como pode ser observado. 93

108 Figura 4.13 Espectro de desequilíbrio de tensão de uma subestação [8]. Na Figura 4.14 é apresentado um exemplo do ambiente gráfico de um programa de monitoramento que tem como principais objetivos, dar ordem ao módulo microcontrolador para iniciar a aquisição de dados a cada 2,5s (este tempo pode ser alterado), determinar e apresentar os valores de tensão, corrente, potência ativa, fator de potência, fatores de pico de tensão e da corrente e taxas de distorção harmônica. Figura 4.14 Ambiente gráfico do programa [42]. A seguir (figura 4.15 e figura 4.16) serão apresentados as formas de onda e os espectros harmônicos da tensão e corrente registradas pelo 94

109 programa, para o ensaio de um motor de indução em vazio através de um autotransformador, para permitir um arranque suave regulando assim a velocidade e a corrente. Figura 4.15 Distorção harmônica registrada no motor de indução a vazio [42]. Figura 4.16 Espectros harmônicos da tensão e da corrente obtidos para o motor a vazio [42]. A figura 4.17 ilustra um caso de Distorção Harmônica Total (DHT) da tensão e da corrente em uma sala de radiologia. 95

110 Figura 4.17 Perfil de DHT de tensão e corrente por fase no transformador do setor de radiologia de um hospital [30]. Tais fenômenos têm se tornado cada vez mais freqüentes em instalações elétricas de plantas industriais. Assim, é possível diagnosticar problemas nos equipamentos, identificar áreas vulneráveis e finalmente tomar ações corretivas. Ademais, após uma interrupção ou desligamento do sistema de energia elétrica, seria extremamente difícil determinar as causas do distúrbio, principalmente se forem originadas em circuitos remotos (outros pontos da instalação ou na rede da concessionária figura 4.18), sem a existência de um SMQEE. Figura 4.18 Afundamento de tensão em uma Indústria (ponto B) [43]. 96

111 A capacidade de monitoramento de distúrbios dos multimedidores pode ser usada para [43]: Identificar interrupções, afundamentos e elevações de tensão, subtensões e sobretensões para posterior avaliação; Comparar a sensibilidade de equipamentos instalados no sistema de energia com as referidas normas; Distinguir entre falha de um equipamento e problemas no sistema elétrico; Diagnosticar eventos misteriosos, tais como, falhas em equipamentos, desligamento de contatores, etc. Auxiliar na determinação da causa do problema (usuário ou concessionária); Desenvolver soluções para os problemas de sensibilidade de tensão; Distinguir precisamente uma condição de interrupção da energia de uma condição de afundamento de tensão; Fornecer dados na especificação de equipamentos; Discutir a filosofia dos ajustes das proteções da concessionária; Justificar aquisição de equipamentos condicionadores de energia. O SMQEE completo deve ser composto por conjuntos de dispositivos eletrônicos inteligentes e não apenas de multimedidores. A combinação dos multimedidores com os IED s do sistema permite o monitoramento de todos os pontos do mesmo. A integração de medidores e relés de proteção permite associar algumas perturbações com a atuação do sistema de proteção. Por exemplo, é possível associar um afundamento de tensão devido a um curto-circuito na rede da concessionária com a queima de um motor na baixa tensão, caso tenham ocorrido no mesmo instante de tempo. Os relés de proteção também possuem funções de monitoramento de grandezas e particularidades específicas para cada equipamento, contribuindo assim para o monitoramento da QEE do sistema. 97

112 Por exemplo, para a proteção de alimentadores em geral, o relé é capaz de realizar o monitoramento do sistema de alimentação auxiliar CC, fornecendo alarme para subtensão ou sobretensão CC. Também monitora o disjuntor, verificando o desgaste dos contatos por pólo, bem como as bobinas deste equipamento. Para um transformador de potência, admite-se que o próprio relé diferencial também realize monitoramento térmico, monitore o fator de envelhecimento e perda de vida útil do transformador. Para um motor de indução trifásico, um relé de proteção avançado pode agregar funções indiretamente relacionadas à QEE como, por exemplo, relatórios de tendências incluindo capacidade térmica, perfil de carga, tensão média e recursos de oscilografia. Para geradores, o relé realiza o monitoramento térmico. A tabela 4.1 mostra um resumo com os tipos de IED s que auxiliam no monitoramento dos principais problemas que envolvem QEE nos equipamentos dos sistemas elétricos. Tabela 4.1 Resumo dos fenômenos e equipamentos com os respectivos responsáveis pelo monitoramento [38]. Distúrbio / Equipamento Monitorado IED responsável pelo monitoramento VTCD Variação de Tensão de Curta Duração Multimedidor VTLD Variações de Tensão de Longa Duração Multimedidor Grandezas em Regime Permanente Multimedidor Circuitos secundários dos TP s e TC s Relés de proteção/multimedidor Transformadores, Disjuntores, Motores, Geradores Relés de proteção/multimedidor Serviços auxiliares: Banco de baterias, retificador, trafo auxiliar Cálculo e integralização dos Índices de QEE (Conforme ANEEL): DHT, flicker, Desequilíbrio, etc. Relés de proteção Processador I/O Multimedidor/Plataformas Computacionais IHM Outro importante IED de um SMQEE é a plataforma computacional central, na qual se realiza concentração, cálculos e manipulação dos dados de todos IED s do sistema. Esta plataforma é responsável também pela interface com o programa computacional aplicativo do SMQEE. 98

113 Capítulo 5 Programas de Monitoração da Qualidade de Energia Elétrica Procure ser um homem de valor, em vez de ser um homem de sucesso. Albert Einstein 5.1. Experiência Internacional Experiência Canadense A Canadian Electrical Association - CEA realizou uma pesquisa durante três anos no Canadá, contando com a participação de 22 concessionárias de energia elétrica em todo o país, representando nove das 10 províncias e um dos dois territórios, totalizando um número de 550 sítios distribuídos entre consumidores industriais, comerciais e residenciais. Esperava-se que até o final do programa, 720 locais fossem monitorados. Cada sítio foi monitorado por um período de 25 dias. Aproximadamente 10% dos sítios foram monitorados na tensão primária, a fim de que se obtivesse uma indicação da característica da qualidade de energia elétrica dos sistemas de distribuição que alimentavam os referidos consumidores. Os principais objetivos buscados foram: obter uma indicação do nível da qualidade de energia que existia no Canadá; obter dados relacionados com a qualidade de energia existente para satisfazer algumas das necessidades imediatas das concessionárias canadenses; formar uma base de dados para subsidiar futuras pesquisas de outras concessionárias ou organizações que por sua vez viessem a usar diferentes protocolos de medição e metodologia; familiarizar as concessionárias integrantes da CEA com os Registradores Digitais de Perturbação (RDP) de qualidade de energia elétrica e com trabalhos de medição e aquisição destes dados. 99

114 Os RDP básicos de medição foram escolhidos para medir perturbações transitórias e tensões em regime permanente. Foram usados o BMI 2460 de dois canais e o BMI 4800 de quatro canais. Não foi possível realizar uma medição de distorção harmônica contínua com nenhum dos RDP avaliados. O requisito para esses RDP foi, portanto, reduzido para poucos instantâneos de harmônicos, onde tais aquisições tiveram que ser inicializadas manualmente. Devido à grande quantidade de dados coletados, e por não ser muito prática a apresentação das plotagens de cada distúrbio de tensão e cada sumário de tensão diário registrado durante um mês em cada sítio, tornou-se necessária a implementação de programas especiais para fazer a análise dos dados registrados pelos diversos RDP. Esses programas fariam um tratamento estatístico dos dados gravados nos discos, emitindo relatórios de alguns itens abordados pela qualidade de energia elétrica. Resultados A seguir serão apresentados os resultados da pesquisa realizada pela CEA enfocando as Variações de Tensão de Curta Duração - VTCD em grupos de consumidores industriais, comerciais e residenciais: Grupo de Consumidores Industriais O número médio de VTCD por fase por mês para clientes industriais monitorados em níveis de tensão de serviço está mostrado na figura 5.1. É importante notar que um significativo número de sítios (28%) não sofreu VTCD durante o período de monitoraçao. 100

115 Figura 5.1- Porcentagem de sítios versus número médio de VTCD por fase por mês por sítio em consumidores industriais em níveis de tensão de serviço [8]. O número médio de VTCD por mês por fase por sítio monitorado para os clientes industriais em níveis de tensão de serviço foi 38. O valor médio tendeu a subir devido a influência significativa de vários sítios com alta freqüência de ocorrência de VTCD. O número médio de VTCD por fase por mês por sítio (aproximadamente 4) para clientes industriais monitorados em níveis de tensão primária é mostrado na figura 5.2. Do ponto de vista da concessionária de distribuição, um significativo número de sítios (31%) não sofreu VTCD. Figura Porcentagem de sítios versus número médio de VTCD por fase por mês por sítio em consumidores industriais monitorados em nível de tensão primária [8]. A percentagem acumulada dos sítios onde o número de VTCD é menor ou igual a um valor especificado para monitoraçao primário e secundário dos clientes está mostrado na figura

116 Figura Porcentagem cumulativa de VTCD versus o número médio de VTCD por fase por mês por sítio[8]. O número médio de VTCD monitorados em níveis de tensão primárias foi significativamente maior que aqueles ocorridos em níveis de tensão secundária. 85% dos sítios sofreu uma média de VTCD para nível de tensão de utilização e uma média de 5-6 VTCD em seu primário, indicando que a origem da maioria dos VTCD é provavelmente nos níveis de tensão de utilização para consumidores industriais. Baseado-se nesses valores médios, observou-se claramente, que o número de VTCD ocorridos nas instalações industriais é significativamente maior (38 comparado com a média de 4 VTCD por mês por fase) que os ocorridos na alimentação primária desses consumidores. Grupo de Clientes Comerciais O número médio de VTCD por fase por mês para consumidores comerciais monitorados em 120/208 V e 347/600 V é mostrado nas figura 5.4 e figura 5.5, respectivamente. É importante notar que um número significativo de sítios comerciais não sofreu VTCD durante o período de monitoração (aproximadamente 23% para os sítios monitorados em 120/208 V e 28% para os sítios monitorados em 347/600 V). Os sítios comerciais monitorados em 120/208V tiveram mais sítios com uma alta freqüência de VTCD que os sítios comerciais monitorados em 347/600 V. 102

117 Figura Porcentagem de sítios versus número médio de VTCD por fase por mês por sítio em 120/208 V [8]. Figura Porcentagem de sítios versus número médio de VTCD por fase por mês por sítio em 347/600 V [8]. O número médio de VTCD por fase por mês por sítio para clientes comerciais monitorados no nível de tensão primária está mostrado na figura 5.6. Do ponto de vista da concessionária de distribuição, um número significativo de sítios (aproximadamente 31%) não sofreu VTCD no seu primário durante a monitoração. 103

118 Figura Porcentagem de sítios versus número médio de VTCD por fase por mês por sítio em consumidores comerciais monitorados no nível de tensão primária [8]. A percentagem acumulada de sítios onde o número de VTCD é menor ou igual ao valor especificado para o primário e secundário em clientes comerciais monitorados está mostrada na figura 5.7. Figura Porcentagem cumulativa de VTCD versus o número médio VTCD por fase por mês por sítio [8]. O número médio de VTCD monitorados na tensão de utilização de 120/208 V foi maior que os ocorridos no primário (70% de sítios sofreu 2-3 VTCD no seu secundário e apenas 1-2 VTCD, no seu primário). É importante notar que a monitoração do primário e do secundário foram conduzidas independentemente e não houve simultaneidade. 104

119 Variação de Tensão de Curta Duração Incidente A Variação de Tensão de Curta Duração Incidente foi definida nesta pesquisa, como a ocorrência de uma VTCD em uma ou mais fases dentro de um intervalo bem pequeno, por exemplo, um segundo. O número de VTCD seria igual ao número de fases que experimentaram um VTCD. Existem várias maneiras de apresentar estatísticas de VTCD de um sítio, algumas delas podem levar a uma grande confusão. Na tabela 5.1 estão apresentados os resultados de um caso real estudado durante a pesquisa que ilustra o conceito de VTCD incidente e sua correlação com o número total de VTCD ocorrido. Neste estudo verificou-se que quando o nível de tensão ficava abaixo de 90% do valor base para uma planta particular por mais de 0.1 s em uma ou mais fases, as plantas com controle automático sofriam interrupção. Foi feito um acompanhamento da planta por um período de um mês. Tabela 5.1: Resultados de um caso real para ilustrar o conceito de VTCD incidente [8]. Incidência VTCD Dia Tempo Fase Tensão (%) Duração :17:23: E :17:23: E :14:38: E :13:12: E :53:21: E :53:21: E :38:38: E :38:38: E :19:13: E :04:09: E :04:09: E :04:09: E-01 Embora tenha havido o registro de 17 VTCD durante o mês de monitoração, os reponsáveis pela planta afirmaram que esse valor foi muito alto. Pode-se concluir que há uma necessidade de se definir melhor a incidência de VTCD em um sítio, devido a dificuldade na interpretação do número total de VTCD. 105

120 As VTCD podem ocorrer em combinações, dentro de um pequeno intervalo de tempo. Para um sistema trifásico, existem sete combinações de VTCD possíveis, ou seja: na fase 1, fase 2, fase 3, em ambas fases 1 e 2, em ambas fases 2 e 3, em ambas fases 3 e 1, e em todas as fases. Se uma VTCD ocorre em duas ou mais fases quase simultaneamente, então o número total de VTCD ocorrido seria igual ao número de fases afetadas, mas o número de VTCD incidente seria um. Como pode ser visto na tabela 5.1, oito VTCD interromperam a planta com controle automático, ou seja os VTCD números 1, 2,5, 6, 7, 10,13 e 16. Entretanto, no relatório de saídas por mês da planta foram registradas apenas cinco saídas. Isto foi devido a que quando duas ou mais VTCD com características que possam interromper o sistema ocorreram dentro de um pequeno intervalo de tempo, apenas uma interrupção foi verificada na planta. O programa de monitoração apresentou a seguinte estatística de VTCD para um mês: Número total de VTCD = 17; Número total de VTCD por fase =5,67; Número total de VTCD incidente = 9 (assumindo a VTCD na fase ocorrendo dentro de 1 s); Número total de VTCD capazes de gerar interrupções = 8; Número total de VTCD incidentes capazes de gerar interrupções = 5 (número de saídas da planta); Verificou-se também que existe uma pequena correlação entre o número total de VTCD registrados em um sítio e o número total de VTCD de tensão incidente. Por exemplo, se VTCD ocorrem em um sítio, então 50% ou 60% ou 73% ou 82% ou 100% dessas VTCD resultaram em VTCD de tensão incidentes. 106

121 Frequência de VTCD em Fases Individual e Múltiplas Um interessante questionamento levantado durante a pesquisa realizada pela CEA foi se uma determinada fase é mais sujeita a VTCD de tensão que as outras, ou se há uma incidência distribuída uniformemente. Por exemplo, foi verificado que muitos dos equipamentos que sofriam um significativo número de interrupções, após serem remanejados para outras fases, ficavam menos susceptíveis a VTCD. Verificou-se também que, para determinados sítios, a ocorrência de múltiplas VTCD, particularmente em duas fases, pareceram ser o modo dominante de incidência enquanto que em outros houve uma maior susceptibilidade a VTCD monofásicos. Portanto, cada sítio exibiu um padrão único de VTCD. Logo, pode-se concluir que a ocorrência de VTCD em geral não é uniformemente distribuída, e o número médio de VTCD pode ser enganoso quando as estimativas são baseadas em um curto período de monitoramento Experiência Americana Nos Estados Unidos, devido ao crescente interesse por parte das concessionárias e consumidores de energia elétrica, o Electric Power Research Institute- EPRI conduziu, em 1992, uma pesquisa ( EPRI Research Project , An Assessment of Distribution Power Quality ), a fim de avaliar a qualidade de energia em alimentadores de distribuição de diversas concessionárias de energia elétrica americanas. A pesquisa foi realizada em um período de dois anos. Para tanto foram monitorados 300 sítios em 100 alimentadores distribuídos entre as 24 concessionárias associadas ao EPRI, em diferentes localizações agregando, assim, prática operacional bem diversificada ao estudo. Os principais objetivos buscados na pesquisa foram: efetuar monitoramento e simulação de fenômenos relacionados com qualidade de energia em sistemas de distribuição; avaliar a qualidade de energia em 107

122 alimentadores de distribuição; criar uma base de dados com validade estatística de vários fenômenos relacionados com a qualidade de energia elétrica em sistemas de distribuição; comparar os resultados obtidos com dados anteriores. O Registrador Digital de Perturbação (RDP) escolhido para realizar a captura dos fenômenos exigidos para execução do projeto foi PQ Node. Resultados Monitoração de Harmônicos Os RDP foram ajustados para capturar tensões e correntes trifásicas em estado permanente a cada meia hora. A figura 5.8 mostra um histograma de uma amostra com mil medições de DHT de tensão, feitas em um VTCD durante três semanas. Figura Histograma da DHTV de umas três semanas de monitoração [8]. Monitoração de VTCD A figura 5.9 mostra o histograma das interrupções e a taxa de VTCD que foram registradas pelos instrumentos instalados pelo EPRI para o desenvolvimento da pesquisa. Neste histograma estão representados apenas os afundamentos momentâneos de tensão; as elevações momentâneas de tensão não foram consideradas. 108

123 Figura Histograma das interrupções e o total de VTCD [8]. Com relação a monitoração de VTCD, as principais conclusões foram: A maioria dos VTCD tiveram uma magnitude de cerca de 80% e duração de 4-10 ciclos; Cerca de 42% de todos VTCD medidos ocorreram fora da tolerância CBEMA; Descargas atmosféricas em alimentadores parece ter sido a mais importante causa de VTCD; O comprimento dos alimentadores tiveram pouca correlação com a taxa de incidência de VTCD de tensão em um dado ponto no alimentador; Outras Constatações Algumas constatações foram feitas com relação a eventos individuais que começam a se tornar relevantes no que diz respeito a qualidade de energia elétrica. Um deles é o chaveamento de banco de capacitores, uma operação comum que ocorre diariamente em muitos sistemas de distribuições. Este tipo de operação causa uma oscilação que normalmente não afeta os equipamentos anexados ao sistema de potência. Contudo, o fato das cargas tornarem-se cada vez mais sensíveis, a má operação destas pode tornar-se mais comum, principalmente em sistemas industriais, os quais possuem capacitores aplicados na correção de fator de potência. Uma extensão do projeto EPRI Research Project planejava incluir monitoramento no lado do clientes que permitirá a observação desse fenômeno. 109

124 Outro evento considerado na pesquisa e que ocorre em sistemas de potência com muita regularidade, embora não intencionalmente, são as faltas. As faltas têm muitas causas tais como descargas atmosféricas, queda de galhos de árvores, atividade de animais, falha de equipamentos, etc. A maioria das faltas são monofásicas e transitórias. Durante a ocorrência da falta verifica-se uma queda na tensão do alimentador. Isto é seguido pela perda completa da tensão no alimentador devido a atuação de um dispositivo de proteçao como resultado da falta. A tensão nos alimentadores paralelos voltam ao normal após o dispositivo de proteçao eliminar a falta. Se a falta for temporária, e religadores são usados na proteção, o alimentador sob falta será restabelecido após o religamento. Com relação a atuação dos dispositivos de proteçao aplicados na distribuição, foram verificados três grupos principais de durações para VTCD, que são 2-4, 30 e 120 ciclos que podem ser vistos na figura O grupo de duração de 2-4 ciclos é representativo de dispositivos de proteçao, usados em sistemas de distribuição que têm seus tempos de atuação dessa ordem, já que esses dispositivos são ajustados para eliminar a falta tão rápido quanto possível. Figura Histograma das durações dos VTCD e swells [8]. O grupo de duração de 30 ciclos foi verificado em alimentadores que possuíam religadores. Se uma falta acontecer, a tensão irá para zero após o disjuntor abrir e então será religado. O tempo mais rápido para estes dispositivos é cerca de 30 ciclos. Alguns dos alimentadores devido a coordenação da proteçao o retardo de trip são tipicamente ajustado para 0,5 110

125 segundos, resultando em distúrbios registrados com duração de cerca de 30 ciclos. Com relação a fenômenos de alta frequência o PQNode foi usado para detectar transientes induzidos por descargas atmosféricas nos sistemas de distribuição. A precisão das medidas de alta freqüência foi colocada sob suspeita devido às características dos transdutores usados Experiência Espanhola Na Espanha, a IBERDROLA, juntamente com o Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Politécnica de Valência, iniciou em 1990, um projeto denominado Estudo das interrupções de curta duração da rede espanhola e métodos para minimizar seus efeitos [8]. O projeto pretendia encontrar e analisar as causas das perturbações e também definir áreas geográficas e setores relevantes do mercado no que diz respeito à qualidade de energia elétrica, para posteriores e mais amplas pesquisas. O principal objetivo buscado no projeto foi o desenvolvimento de métodos que permitissem uma redução das perdas financeiras, técnicas e sociais imposta às distribuidoras e aos usuários, causadas por fornecimento de energia elétrica com qualidade inadequada. Inicialmente o projeto foi desenvolvido em uma região industrializada, onde predominavam indústrias de cerâmica, embora outras atividades fossem abordadas no projeto, tais como, indústria química, indústria de papel e hospitais. Outras atividades seriam contempladas em fases posteriores do projeto. Após uma fase de testes em laboratório, que permitiu a reprodução e registro de diferentes perturbações, a fim de que fossem comparadas com os registros dos RDP sob teste, chegou-se à conclusão de que os RDP mais apropriados para o projeto seriam os RDP Dranetz (modelos 657 e 658) e BMI (modelos 8800 e PQ Node ). 111

126 Resultados Na fase preliminar do projeto foram visitadas 71 indústrias de diferentes atividades, verificando-se problemas causados pela incidência de subtensões os quais a seguir são enumerados por setor produtivo: Indústrias de cerâmica As perturbações causavam o desligamento do queimador resultando em perda de produção e perda de tempo de aproximadamente meia hora para o restabelecimento dos processos normais. Com o resultado da inspeção visual detectou-se possíveis elementos perturbadores tais como: moinhos, motores de prensas, motores de velocidade variáveis alimentados por conversores eletrônicos de freqüência, ligação abrupta de carga, bancos de capacitores, aterramentos defeituosos e cargas desbalanceadas. Fábrica de esmalte e pigmento As perturbações provocavam a desconexão do queimador implicando na perda da qualidade do produto. Foram também observadas partidas e inversões repetitivas nos processos de trituração, os quais produziam picos de corrente e subtensões transitórias. Fábricas de piso e revestimentos Verificou-se, além da abertura da válvula elétrica principal e subsequente parada do queimador, a parada dos ventiladores de exaustão e da série de rolos, com conseqüência imediata de perda na qualidade do produto. Fábrica de essências aromáticas Verificou-se a possibilidade de alto risco de explosão devido às paradas aleatórias. 112

127 Tecelagem e fábricas de meias As perturbações provocavam a parada do processo que utilizava diferentes níveis de automação com emprego de CLPs, mal funcionamento do acionamento eletrônico de velocidade variável para máquinas de corrente contínua e conversores de freqüência para máquinas assíncronas, e ainda produziam a parada de várias máquinas provocando perda de controle e rompimento de fio. Fiação e tingimento de algodão Quebra do fio durante a fiação. Durante o tingimento, as paradas indesejáveis causavam uma exposição excessiva a soda cáustica e às tinturas, implicando na perda da qualidade do produto. Com o resultado da inspeção visual detectou-se possíveis elementos perturbadores tais como: compressores de ar, acionamento eletrônico de máquinas de corrente contínua e conversores de frequência. Indústrias de papel Muitas perturbações causavam atuações das proteções principalmente em indústrias que utilizavam cogeração. No caso de indústria sem cogeração, verificou-se uma grande incidência de paradas nos rolos acionados por controle eletrônico. Com o resultado da inspeção visual foram detectados possíveis elementos perturbadores tais como: acionamentos de máquinas com corrente de partidas muito altas, cargas não lineares como retificadores e conversores de freqüência, manutenção inadequada dos aterramentos e cargas desbalanceadas. Indústria de plástico Parada das injetoras devido ao controle automático e os acionamentos e ajustes eletrônicos das máquinas de corrente contínua. 113

128 Indústria de móveis Perda de qualidade devido a interrupções na fase de colagem e de envernizamento. Materiais de construção As perturbações provocavam paradas durante a moagem provocando a perda da batelada. Adicionalmente, verificou-se parada no controle eletrônico do processo implicando na perda da qualidade final do produto. Hospitais Encontrou-se erros em resultados de exames clínicos feitos com equipamentos de alta tecnologia Experiência Nacional Programa de Monitoração da COELCE A COELCE, assumindo posição de vanguarda no setor elétrico nacional, desde 1996, juntamente com outras empresas e instituições de pesquisa, tem desenvolvido atividades de investigação da Qualidade de Energia Elétrica em sua área de concessão. Buscando uma maior segurança no atendimento às exigências da [13], a COELCE prioriza o desenvolvimento de projetos voltados para a melhoria da qualidade da energia fornecida aos seus clientes, que ao longo dos anos vem mudando sensivelmente o seu perfil de consumo e necessidade por energia mais limpa e ininterrupta. A alteração do perfil das cargas industriais, comerciais e até residenciais, que agora contém componentes eletrônicos, contribuem para o aumento da poluição do sistema elétrico, pois injetam harmônicos no sistema, tornando necessário o acompanhamento da evolução deste fenômeno e a proposição de ações corretivas e preventivas. 114

129 Devido ao impacto deste tema no principal produto fornecido pela COELCE, o desenvolvimento de tecnologias para a melhoria da qualidade e confiabilidade no fornecimento de energia elétrica recebe atenção especial nos investimentos em pesquisa e desenvolvimento (P&D) e no programa de monitoração. Metodologia de Análise O programa da COELCE é composto por RDP do tipo ACM 3720 do fabricante canadense Power Electronic Measurements LTD. O ACM 3720 tem capacidade de registro e análise dos principais itêns de qualidade de energia além de agregar algumas funções de controle. Utiliza o programa Pegasys 2.0 para processamento de informação em tempo real. No programa da COELCE foram instalados oito RDP em pontos do seu sistema de distribuição, visando monitorar tanto a qualidade da energia entregue pela Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (CHESF), como avaliar a qualidade da energia fornecida aos seus clientes [8]. A figura 5.11 mostra a forma de integração utilizada entre o 3720 ACM e a Estação Mestre prevista no programa. Figura 5.11 Ligação do 3720 ACM à Estação mestra via MODEM e Rede Telefônica [8]. As informações de tensão e corrente para os RDP foram fornecidas através do uso de transformadores de potencial e corrente, instalados nos barramentos de 69 kv (em dois caso no barramento de 13,8 kv) das subestações previamente escolhidas. 115

130 Os principais distúrbios de qualidade de energia elétrica monitorados e avaliados no programa foram: Flutuação de Tensão; Desequilíbrio de Tensão; Variações de Tensão de Curta Duração; Harmônicos de Tensão; Freqüência; Fator de Potência. As ferramentas computacionais utilizadas para simulação de curtoscircuitos foram o ANAFAS e o ANAQUALI. O ANAFAS é um programa que se destina a análise de faltas simultâneas em sistemas elétricos. Ele permite simular vários tipos de defeitos, dentre eles: defeitos shunt ou série; defeitos simultâneos; curtos-circuitos fase-terra, fase-fase, fase-fase-terra e trifásico e faltas através de impedâncias. O programa computacional ANAQUALI foi desenvolvido para ser utilizado em estudos de qualidade de tensão. Com ele, podem ser determinadas Áreas de Vulnerabilidade e número esperado de ocorrências de afundamento de tensão em pontos do sistema que se deseje avaliar. Baseia-se na simulação de faltas deslizantes aplicadas ao longo das linhas e nos barramentos existentes dentro de uma área de influência pré-definida, com a monitoração das tensões fase-neutro e/ou fase-fase no ponto monitorado. Para se determinar as Áreas de Vulnerabilidade, foram selecionados alguns parâmetros: os tipos de defeito, as áreas elétricas/geográficas e os níveis de tensão; tipo de tensão mínima na barra de interesse para caracterizar que houve afundamento (fase-neutro, fase-fase ou todas as 6); limite de tensão abaixo do qual caracteriza-se o afundamento de tensão; localização, que define que pontos de simulação de curto-circuito serão utilizados na formação da área de vulnerabilidade. A modelagem do sistema, no programa ANAFAS, incluiu tanto o sistema de transmissão Norte-Nordeste quanto o sistema da COELCE até o nível de 69 kv. Para o sistema de transmissão, foi utilizado o arquivo oficial do 116

131 Operador Nacional do Sistema (ONS), em formato ANAFAS, para o Sistema Interligado Nacional, em sua configuração do mês de março de 2001, mantendo coerência com o período de monitoração, que ocorreu entre março de 2001 e julho de A modelagem do sistema da COELCE foi feita a partir dos arquivos ANAFAS para o horizonte operacional das diversas regiões envolvidas, sendo inseridos no arquivo do sistema Norte-Nordeste. O programa de monitoração da COELCE foi então dividido em seis etapas, a saber: definição dos pontos de monitoração; definição e aquisição dos RDP; pesquisa de parâmetros de medida; instalação dos RDP; aquisição de dados; e finalmente simulação/comparação dos dados de variação momentânea de tensão. Resultados No programa foram monitorados sete sítios com previsão de ampliação deste número em fases futuras. Procurou-se distribuir os RDP em pontos do sistema considerados estratégicos em função da importância da carga e também das características do sistema elétrico quanto aos fenômenos relacionados com a qualidade de energia elétrica. Os sítios escolhidos possuem as seguintes características: Sítio 1 (SE Tauape TAP): Subestação abaixadora 69 kv/13,8 kv localizada no bairro São João do Tauape no município de Fortaleza. Essa subestação deriva do ponto de suprimento da CHESF que define o Regional Delmiro Gouveia e tem uma potência instalada de 53,2 MVA. Dessa subestação derivam linhas de transmissão na classe de 72,5 kv, que alimentam cargas de grande importância dentre elas indústrias de alimentos, indústria petroquímica e o maior bloco de carga comercial de Fortaleza. Foi instalado um RDP no setor de 69 kv e outro no setor de 13,8 kv. Sítio 2 (SE Aldeota ADT): Subestação abaixadora 69 kv/13,8 kv localizada no bairro Aldeota no município de Fortaleza. Essa subestação é alimentada por duas linhas de transmissão, que derivam da SE 117

132 Tauape e está contida no Regional Delmiro Gouveia da CHESF, com potência instalada de 131,4 MVA. Dessa subestação derivam cargas residenciais e comerciais de grande importância. Foi instalado um RDP no setor de 69 kv. Sítio 3 (SE Presidente Kennedy PSK): Subestação abaixadora localizada no bairro Presidente Kennedy no município de Fortaleza. Essa subestação é alimentada por duas linhas de transmissão, que derivam da SE Parangaba e está contida no Regional Fortaleza da CHESF, com potência instalada de 51,6 MVA. Dessa subestação derivam cargas residenciais, comerciais e industriais de grande importância. Foi instalado um RDP no setor de 13,8 kv. Sítio 4 (SE Distrito Industrial II DID): Subestação abaixadora 69 kv/13,8 kv localizada no bairro Distrito Industrial no município de Pajussara. Essa subestação deriva do ponto de suprimento da CHESF que define o Regional Fortaleza e tem uma potência instalada de 53,2 MVA. Dessa subestação derivam linhas de transmissão na classe de 72,5 kv, que alimentam cargas industriais de grande porte. Foi instalado um RDP no setor de 69 kv. Sítio 5 (SE Parangaba PGB): Subestação abaixadora 69 kv/13,8 kv da COELCE localizada no bairro Parangaba no município de Fortaleza. Essa subestação deriva do ponto de suprimento da CHESF que define o Regional Fortaleza e tem uma potência instalada de 53,2 MVA. Dessa subestação derivam linhas de transmissão na classe de 72,5 kv, além de cargas residenciais e comerciais de grande importância. Foi instalado um RDP no setor de 69 kv. Sítio 6 (Coluna CLN): Subestação abaixadora 69 kv/13,8 kv da COELCE localizada no município de Horizonte. Essa subestação deriva do ponto de suprimento da CHESF que define o Regional Fortaleza e tem uma potência instalada de 12,6 MVA. Dessa subestação derivam linhas de 118

133 transmissão na classe de 72,5 kv, que alimenta cargas industriais de grande porte. Foi instalado um RDP no setor de 69 kv. Sítio 7 (Pecém PCM): Subestação abaixadora 69 kv/13,8 kv da COELCE localizada no município de Pecém. Essa subestação deriva do ponto de suprimento da CHESF que define o Regional Cauípe e tem uma potência instalada de 26,6 MVA. Dessa subestação derivam linhas de transmissão na classe de 72,5 kv, que alimenta cargas do porto de Pecém. Foi instalado um RDP no setor de 69 kv. A localização dos sítios de monitoramento pode ser visualizada nas figura 5.12 e figura Figura 5.12 Localização dos pontos de monitoramento instalados na área metropolitana de Fortaleza [8]. 119

134 Figura 5.13 Localização dos pontos de monitoramento instalados no sistema do interior do Ceará [8]. Na escolha da forma de apresentação dos resultados levou-se em consideração a enorme quantidade de dados adquiridos. As grandezas foram apresentadas em gráficos de colunas e os indicadores em uma tabela resumo. 120

135 Neste programa de monitoramento a medição da tensão foi feita de forma periódica. A cada 30 minutos a unidade remota registrou o valor eficaz das tensões fase-neutro nas subestações em 69 kv e fase-fase nas subestações em 13,8 kv. A seguir serão apresentados os resumos das medições realizadas nas subestações. A figura 5.14 mostra um gráfico de colunas com o valor máximo de desequilíbrio de tensão em cada uma das subestações de 69 kv monitoradas durante o projeto. O valor limite para desequilíbrio, estipulado pelo ONS, também é mostrado no gráfico para referência. Figura 5.14 Valores máximo de desequilíbrio por subestação monitorada [8]. A figura 5.15 mostra um gráfico de colunas com o percentual de 95% da distorção hramônica total de tensão para cada subestação monitorada. As colunas correspondentes as subestações em 13,8 kv aparecem em cor mais clara. São também mostrados, para referência, os limites previstos nos procedimentos de rede do ONS para as tensões de 69 kv e 13,8 kv. 121

136 Figura 5.15 Percentual de 95% da distorção harmônica total de tensão por subestação [8]. A figura 5.16 mostra um gráfico de colunas com o percentual de 95% do 5º harmônico de tensão para cada subestação monitorada. As colunas correspondentes a subestações em 13,8 kv aparecem em cor mais clara. São também mostrados, para referência, os limites previstos nos procedimentos de rede do ONS para as tensões de 69 kv e 13,8 kv. Figura 5.16 Percentual de 95% de 5º harmônico de tensão por subestação [8]. A tabela 5.2 apresenta um quadro resumo com os principais indicadores de qualidade de energia obtidos no período de monitoração. Na coluna referente à regulação de tensão, os valores do campo ONS foram obtidos calculando-se a porcentagem de amostras de medições de tensão das três 122

137 fases dentro dos limites do ONS (acima de 0,95 pu a abaixo de 1,05 pu). Assim, um valor de 100% significa que todas as amostras de medição de tensão registradas estiveram entre 0,95 pu e 1,05 pu. Já um valor de 90% indica que 10% das amostras de tensão estiveram abaixo de 0,95 pu ou acima de 1,05 pu. O campo P95% da mesma coluna contém os valores de percentual de 95% das amostras de medição de tensão. Os valores constantes na coluna Desequilíbrio referem-se ao valor máximo, pelo método do maior desvio, enquanto os valores constantes na coluna DHTV e 5º Harmônico referem-se ao percentil de 95% da pior fase, ou seja, aquela fase que apresentou maior valor de distorção harmônica. 123

138 Tabela 5.2 Quadro resumo dos indicadores de qualidade da energia na COELCE [8]. Local Regulação de tensão ONS P95% Desequilíbrio DHTV 5º Harmônico Aldeota 69 kv 54% 1,01 pu 4,00% 1,60% 1,50% Coluna 69 kv 100% 1,01 pu 1,02% 2,60% 2,50% Distrito Industrial 69 kv 100% 1,02 pu 1,06% 1,60% 1,40% Parangaba 69 kv 100% 1,01 pu 0,61% 2,23% 2,00% Pecém 69 kv 100% 1,03 pu 1,31% 1,90% 1,70% Tauape 69 kv 100% 1,01 pu 0,67% 1,40% 1,30% Presidente Kennedy 13,8 kv 99,7% 1,04 pu - 3,50% 3,30% Tauape 13,8 kv 100% 1,03 pu - 2,50% 2,31% 124

139 As simulações realizadas tiveram como objetivo estimar o número de VTCD ocorridas ao longo de um ano nas subestações monitoradas. As estimativas obtidas foram comparadas aos valores obtidos por monitoração, para se avaliar a precisão do método adotado Programa de Monitoração da CELPE O programa implantado na Companhia Energética de Pernambuco (CELPE) tem por objetivo o tratamento e apresentação dos indicadores obtidos para os locais de monitoração instalados na regional de Pirapama II, correspondentes ao sistema de tensão de subtransmissão. Neste Programa é apresentada uma especificação para apuração e uma sugestão para apresentação de indicadores de qualidade de energia, referente às medições de desequilíbrio de tensão, distorção harmônica total de tensão, flicker e também indicadores de VTCD. Metodologia de Análise A metodologia utilizada neste programa é composta, basicamente, pela aquisição das informações dos pontos de medição, pela verificação da compatibilidade e coerência dessas informações e por tratamentos estatísticos das mesmas. Aquisição das informações de medição: Requer os requisitos dos protocolos de monitoração dos fenômenos envolvidos; Uma proposta de configuração do sistema de comunicação com os medidores. A verificação da compatibilidade e coerência das informações de medição permite identificar: Eventuais interferências nas informações de um determinado fenômeno; Funcionamento inadequado de medidores de qualidade de energia, através da análise dos registros de saída. Os tratamentos estatísticos produzem: 125

140 Os indicadores dos fenômenos de longa duração e flicker que propõem a obtenção dos valores diários e semanais, correspondentes às probabilidades de 5%, 50%, 95%, 99% e valor máximo, dos registros de saída dos medidores; Os fenômenos de VTCD que propõem a obtenção dos valores correspondentes à freqüência de ocorrência para um período de avaliação maior, classificando as perturbações, também, por faixas de amplitude e/ou de duração. Os resultados do tratamento estatístico permitem fazer diagnósticos de avaliação da qualidade de energia dos fenômenos englobados pelo sistema através de uma série de relatórios de saída padronizados, agrupando as informações dos indicadores calculados, e realizando agregações temporais e espaciais por meio de procedimentos que possibilitam obter indicadores de continuidade. As medições das grandezas são realizadas por meio de equipamentos instalados em subestações de consumidores e em subestações de distribuição no lado primário (69 kv). Foi instalado um total de doze medidores, compreendendo 12 subestações. Os registradores utilizados para as medições são de fabricação nacional. Índices para cada um dos locais medidos O tratamento estatístico dos valores obtidos ao longo do tempo permite avaliações da distribuição de probabilidade dos níveis das grandezas medidas. A criação de histograma ou de curva de freqüência acumulada é uma forma útil de sumarizar uma série de valores obtidos ao longo do tempo para visualizar o seu comportamento. Tem sido comum utilizar valores correspondentes a uma determinada probabilidade acumulada para servir de indicadores de níveis das grandezas relativas aos fenômenos de qualidade de energia, caso adotado neste programa de monitoração. Por exemplo, os valores correspondentes à probabilidade de 95%, 99% ou valor máximo para um dia e uma semana de monitoração. 126

141 A figura 5.17 ilustra a forma de obtenção do valor de 95% relativo a um parâmetro P. Significa que 95% das medições do parâmetro P ao longo do tempo, em um determinado local monitorado, são inferiores a P95. Os índices relativos a 95% ou 99% servem para comparações com níveis de planejamento ou com limites de compatibilidade. Figura Valor correspondente à probabilidade acumulada de 95% [38]. A especificação prendeu-se à obtenção dos parâmetros: Distorção harmônica total de tensão: DHTV; Desequilíbrio de tensão: DV; Indicador de flutuação de tensão ( flicker ) de curta duração: Pst; Indicador de flutuação de tensão ( flicker ) de longa duração: Plt. É sugerido que as grandezas sejam obtidas independentemente para cada fase, no caso de distorções harmônicas e flicker Pst e Plt. Na análise das medições, seguindo a linha comumente adotada no tratamento dos dados advindos de monitoração, os seguintes valores relativos aos parâmetros são obtidos, para cada local medido: DHTV d : valores com probabilidade de 5%, 50%, 95%, 99% e 100%, por dia; 127

142 DHTV Sem : maior dos valores com probabilidade de 95% obtidos para cada dia, bem como maior dos valores com probabilidade de 100% obtidos para cada dia, numa semana de avaliação; DVd: valores com probabilidade de 5%, 50%, 95%, 99% e 100%, por dia; DVSem: maior dos valores com probabilidade de 95% obtidos para cada dia, bem como maior dos valores com probabilidade de 100% obtidos para cada dia, numa semana de avaliação; Pstd: valores com probabilidade de 5%, 50%, 95%, 99% e 100%, por dia; PstSem: maior dos valores com probabilidade de 95% obtidos para cada dia, bem como maior dos valores com probabilidade de 100% obtidos para cada dia, numa semana de avaliação; Pltd: valor máximo do dia; PltSem: valor máximo semanal. As tabelas 5.3 e 5.4 são exemplos de saídas que podem ser obtidas das informações estatísticas do processamento de medições de locais monitorados. Nas referidas tabelas, P representa qualquer um dos parâmetros de medição. Tabela Indicadores diários de probabilidade do parâmetro P de tensão obtidos a partir dos registros armazenados no banco de dados para uma SE monitorada [38]. Valores de P correspondentes as Probabilidades Acumuladas Indicadores Diários Indicador Probabilidade SE Porto de Galinhas (%) 1º Dia 2º Dia 3º Dia 4º Dia 5º Dia 6º Dia 7º Dia P5 d 5,0 0,03 0,18 0,05 0,03 0,00 0,03 0,09 P50 d 50,0 0,09 0,25 0,15 0,12 0,07 0,11 0,19 P95 d 95,0 0,19 0,30 0,23 0,20 0,17 0,20 0,25 P99 d 99,0 0,23 0,43 0,25 0,24 0,19 0,23 0,27 P100 d 100,0 0,25 0,48 0,35 0,32 0,29 0,32 0,35 Tabela 5.4 Indicadores semanais de máximo dos índices diários do parâmetro P de tensão [38]. Valores de P correspondentes aos valores máximos dos índices diários de probabilidade acumulada no período de 1 semana (Indicadores Semanais) (%) Indicador SE Porto de Galinhas Base 1ª 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª 7ª 48ª (%) Sem Sem Sem Sem Sem Sem Sem Sem Max(P95 d ) sem P95 d 0,30 0,43 0,25 0,24 0,19 0,22 0,29 0,50 Max(P100 d ) sem P100 d 0,48 0,48 0,35 0,32 0,29 0,32 0,35 0,57 128

143 Índices para um conjunto de locais medidos Quando muitos locais são monitorados, a estatística dos índices obtidos para os diversos locais permite uma avaliação do conjunto. O valor comumente usado é aquele correspondente à probabilidade acumulada de 95%. Esse valor pode ser tomado como um índice global para os locais medidos. A obtenção desse índice é semelhante à obtenção do valor de uma determinada probabilidade para um específico local. A diferença está no fato de que os valores dos índices I, de um parâmetro, são obtidos a partir dos valores das medições dos diversos locais. O valor I95, portanto, é o valor de I correspondente à probabilidade de 95%. Esse indica que 95% das medições de 10 minutos, de todos os locais do conjunto estão abaixo de I95. Entretanto, quando a quantidade de locais monitorados é reduzida, como no caso do sistema de subtransmissão da CELPE (região piloto), não se pode estabelecer com exatidão os valores estatísticos dos índices obtidos para os locais medidos. Neste caso, é sugerido que seja feita uma avaliação do conjunto pelo valor médio obtido para o conjunto de locais monitorados, e pelo valor máximo. Esses valores podem ser tomados como índices globais. O valor médio é o valor correspondente à média aritmética dos índices obtidos para os locais monitorados, para cada semana estabelecida. As tabelas 5.5 e 5.6 resumem os indicadores individuais e coletivos, respectivamente, que são obtidos para os locais monitorados ao longo de um ano de medição, por meio do sistema de monitoramento instalado na CELPE. Tabela 5.5 Indicadores para cada local monitorado, para um ano de medição [38]. Intervalo Apuração Diário Desequilíbrio Distorção Harmônica Pst Plt DV5 d, DV50 d, DV95 d, DV99 d, DV100 d DHTV5 d, DHTV50 d, DHTV95 d, DHTV99 d, DHTV100 d Pst5 d, Pst50 d, Pst95 d, Pst99 d, Pst100 d Max(Plt100) d Semanal Max(DV95 d ) Sem Max(DHTV95 d ) Sem Max(Pst95 d ) Sem - Semanal Max(DV100 d ) Sem Max(DHTV100 d ) Sem Max(Pst100 d ) Sem Max(Plt100 d ) Sem Semanal DV95 Sem DHTV95 Sem Pst95 Sem - 129

144 Tabela 5.6 Indicadores para um conjunto de locais monitorados, para um ano de medição [38]. Intervalo Distorção Desequilíbrio Apuração Harmônica Pst Plt Semanal Med (Max(DV95 d )) Sem Med (Max(DHTV95 d )) Sem Med (Max(Pst95 d )) Sem - Semanal (Max(DV100 d )) Sem (Max(DHTV100 d )) Sem (Max(Pst100 d )) Sem Med Med Med Semanal (DV95 Sem ) (DHTV95 Sem ) (Pst95 Sem ) Med Med Med - Semanal (Max(DV95 d )) Sem (Max(DHTV95 d )) Sem (Max(Pst95 d )) Sem Max Max Max - Semanal Max Max Max (Max(DV100 d )) Sem (Max(DHTV100d)) Sem (Max(Pst100 d )) Sem Semanal Max(DV95 Sem ) Max(DHTV95 Sem ) Max(Pst95 Sem ) - Med (Max(Plt100 d )) Sem Max (Max(Plt100 d )) Sem Apresentação dos resultados de DV, DHTV, Plt, Pst e VTCD Os indicadores de desempenho dos locais medidos são obtidos para os fenômenos de desequilíbrios de tensão, distorção harmônica total de tensão e efeito flicker Pst e Plt, para um dia e para uma semana. A figura 5.18 ilustra os resultados da aplicação das proposições para o caso real. Devido ao curto período de monitoração efetiva dos locais selecionados, não tendo sido contemplados os períodos requisitados para o cálculo dos indicadores, não foi possível ilustrar os resultados obtidos para todos os indicadores sugeridos. Figura 5.18 Tela com os indicadores DV95 d para SE Piedade de semana monitorada [38]. 130

145 Para os fenômenos de VTCD não é realizado nenhum tratamento estatístico das medições. Simplesmente é proposta, a partir da análise do registro oscilográfico das variações de tensão de curta duração, a classificação desses eventos é de acordo com a amplitude e duração dos mesmos, a fim de permitir a determinação das freqüências de ocorrência para cada tipo, viabilizando-se a avaliação de compatibilidade entre a sensibilidade dos diversos tipos de equipamentos e desempenho dos suprimentos. Dessa maneira, os eventos identificados pela análise oscilográfica são contabilizados em: Número de ocorrências; Número de ocorrências por faixa de amplitude; Número de ocorrências por faixa de duração; Número de ocorrências por faixa de amplitude e duração. Eles também são diferenciados pelo número de fases envolvidas, sendo classificados em: Eventos monofásicos; Eventos bifásicos; Eventos trifásicos. As figuras 5.19 e 5.20 ilustram os resultados da aplicação das proposições para o caso real. 131

146 Figura 5.19 Tela com números de ocorrências por fase e faixa de duração [38]. Figura 5.20 Tela com números de ocorrências por faixa de amplitude e duração [38]. 132

147 Programa de Monitoração da CPFL O Programa de monitoração da Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL) tem por objetivo apresentar a metodologia do sistema de gestão da qualidade de energia implantado nela, bem como mostrar os resultados gerados por este sistema e suas implicações em desenvolvimentos futuros. Especialmente para este sistema foi desenvolvido pela Reason Tecnologia o Registrador de Indicadores de Qualidade de Energia Elétrica, customizado para atender as demandas de simplicidade, baixo custo e processamento de histogramas, sem perder, é claro, a robustez e confiabilidade. O registrador mede todos os fenômenos da qualidade de energia. Eles são resumidos dia a dia por um valor estatístico, no qual 95% das amostras estão abaixo deste valor. Essas amostras são integralizadas a cada 10 minutos, exceto para as amostras de flicker Plt que são integralizadas a cada 2 horas. As VTCD são resumidas pelo seu afundamento e duração, assim o sistema facilita a análise das informações. No fim do dia estes indicadores são enviados para o sistema de gestão via modem celular. Os resultados obtidos pelo Sistema de Gestão da Qualidade de Energia implementado pela Expertise Engenharia na CPFL, mostra uma visibilidade da rede, evidenciando e documentando a correlação dos fenômenos em diferentes pontos do sistema elétrico. Reforçando que a qualidade de energia não pode ser tratada de uma forma pontual, mas sim de maneira sistêmica, fazendo interface com setores internos e externos. O sistema implementado na CPFL foi subdividido em quatro blocos: aquisição de sinais, processamento, transmissão de dados e sistema de gestão. A figura 5.21 ilustra a arquitetura do Sistema de Gestão da Qualidade de Energia, desde a aquisição de sinais em campo até o banco de dados. 133

148 Figura 5.21 Arquitetura do Sistema de Gestão da Qualidade de Energia [44]. Metodologia de Análise Aquisição de Sinais Os sinais de tensão e corrente são obtidos diretamente dos transformador de potencial e dos tranformadores de corrente. Existem equipamentos instalados em 11,9 kv, 25 kv, 69 kv e em 138 kv. Processamento Neste sistema os fenômenos de flicker Pst, flicker Plt, DHT de tensão, DHT de corrente, desequilíbrio de tensão e desequilíbrio de corrente são resumidos dia a dia por um valor estatístico no qual 95% das amostras estão abaixo deste valor. Essas amostras são integralizadas a cada 10 minutos, exceto para as amostras de flicker Plt que são integralizadas a cada 2 horas. As VTCD são resumidas pelo seu afundamento e duração para facilitar a análise das informações pelo sistema, uma vez que os dados já estão processados. 134

149 Transmissão de Sinais Após a meia noite, com os indicadores consolidados, os dados são enviados através de arquivos tabulares (.CSV). O modem conectado ao registrador faz uma conexão GPRS com o servidor e alimenta o banco de dados. A metodologia de compactação dos dados possibilita que cada ponto de medição utiliza 5 kbytes para transmitir os dados, diminuindo o custo de comunicação do sistema. Sistema de Gestão O Manager System é responsável pela inserção dos dados na Data Base, faz a leitura dos arquivos enviados pelos Registradores de Indicadores de Qualidade de Energia Elétrica (RIQEE s) e insere as informações em uma base de dados do servidor. As consultas também são realizadas pelo Manager System, as informações podem ser visualizadas em forma de tabela, em forma gráfica (figura 5.22), e através de relatórios. O cadastramento de equipamentos e pontos de medição também é gerenciado pelo sistema. Figura 5.22 Sistema de Gestão [44]. 135

150 Resultado Todos os valores apresentados a seguir foram registrados pelo Sistema de Gestão da Qualidade de Energia e correspondem ao nível estatístico 95% das observações diárias, ou seja, o nível que foi ultrapassado 5% do tempo a cada dia monitorado. Na tabela 5.7, tem-se os valores máximos, mínimos e médios dos indicadores de 12 subestações da CPFL durante o ano de

151 Tabela 5.7 Resumo dos resultados de 12 Subestações [44]. Pst (pu) DHTV (%) DV (%) DHTI (%) DI (%) Subestação Min Máx / Méd Min Máx / Méd Min Máx / Méd Min Máx / Méd Min Máx / Méd Americana 0,2 1,2/0,8 1,0 6,0/2,0 0,15 5,5/0,3 2,0 30,0/5,0 1,0 7,5/2,0 Andorinha 0,3 0,8/0,5 2,8 5,0/3,5 0,1 0,6/0,25 6,0 18,0/12,0 2,0 11,0/4,0 Campinas Centro 0,2 1,8/0,5 2,0 5,0/3,0 0,25 0,6/0,4 3,5 16,0/6,0 2,0 13,0/4,0 Colonial 0,15 1,2/0,4 1,5 6,3/2,0 0,15 0,7/0,3 2,0 22,0/4,0 1,5 7,0/2,8 Ipê 0,15 1,2/0,7 1,0 4,5/2,0 0,15 0,4/0,3 2,0 23,0/5,0 1,2 3,6/1,8 Morumbi 0,15 0,7/0,4 1,0 5,2/2,5 0,35 0,7/0,45 1,0 17,0/5,0 2,5 14,0/4,0 Nova Aparecida 0,15 1,0/0,6 1,3 3,0/2,0 0,8 1,5/1,1 2,0 11,0/4,0 4,0 12,5/6,0 Nova Veneza 0,2 1,05/0,8 1,0 5,5/1,5 0,5 0,9/0,65 2,0 25,0/3,0 1,8 6,0/2,5 Orquídea 0,2 2,0/0,9 1,1 3,0/1,6 0,25 0,9/0,6 4,0 11,0/8,0 2,0 12,5/5,0 Piracicaba 0,4 7,0/1,6 2,0 11,0/3,0 0,2 1,1/0,3 - - Quilombo 0,2 0,9/0,6 1,5 3,8/2,5 0,35 0,9/0,6 2,0 1,01/4,0 3,0 13,0/5,0 Souzas 0,15 1,3/0,4 1,0 4,5/2,5 0,15 0,8/0,25 2,5 18,0/4,0 1,5 11,0/2,5 137

152 Considerações dos parâmetros monitorados: Segundo as recomendações da ANEEL, o limite máximo para baixa e média tensão, aceitável apenas como condição precária, é PstD95% = 2 pu. Em condições normais o limite é PstD95% = 1 pu. Das 12 subestações monitoradas, apenas a de Piracicaba acusou um nível de Pst preocupante. O valor médio do PstD95%, ao longo de 2005, superou o limite máximo de 2 pu. A causa principal é a operação de fornos a arco da indústria siderúrgica BMP, instalada próximo a Piracicaba. Providências foram tomadas em dezembro de 2005 transferindo a alimentação dessa instalação industrial para outra subestação, com maior nível de curto-circuito. Essa medida de fato se mostrou eficaz e, a partir dessa mudança em meados de dezembro, o nível médio de Pst95% diário baixou para próximo de 1 pu. Com essa medida sanadora de Piracicaba, a subestação Orquídea sofreu uma pequena elevação do nível de Pst95%, que passou de uma média de 0,7 para 1,05 pu. Comportamento semelhante também foi observado na subestação Americana que passou de uma média de 0,7 para 1,0 pu. Nas demais subestações o nível de flicker não foi preocupante, raramente passando de 0,8 pu. Segundo as recomendações da ANEEL, o limite máximo aceitável para a distorção total da tensão é DHTV95% = 6%. Esse limite máximo foi observado em 3 subestações: Americana (6%), Colonial (6,3%) e Piracicaba (11%). No entanto, todos esses casos foram eventuais e devem ter sido causados por alguma anomalia da rede. Os níveis médios de DHTV95% nessas subestações ficaram bem abaixo de 6% (2%, 2% e 3%, respectivamente). Segundo as recomendações da ANEEL, o limite máximo aceitável para o desequilíbrio das tensões é DV95% = 2%. Esse limite não foi alcançado em nenhuma subestação, sendo que a média maior foi de 1,1%, registrada na subestação de Nova Aparecida. Nessa subestação houve um crescimento monotônico de 0,8% para 1,4%. Esse comportamento atípico sugere que está aumentando paulatinamente o nível de desequilíbrio das cargas atendidas por essa subestação.

153 O maior valor médio observado foi de DHTI95% = 12% na subestação Andorinha. Fabricantes de capacitores se preocupam quando o nível de harmônicos em seus equipamentos passa de 10% devido a riscos de danos por excesso de perdas e de aquecimento. Portanto, esse poderia ser um limite a ser sinalizado para medidas preventivas. Apesar desse valor médio ser ultrapassado apenas na subestação Andorinha, valores máximos acima de 10% foram observados nas 12 subestações, chegando a 30% na subestação Americana e 25% na subestação Nova Veneza, que constituem importantes centros industriais. O limite de desequilíbrio das correntes poderia servir de orientação para balancear as cargas quando esse valor fosse ultrapassado. Um complicador adicional é que a presença de harmônicos na corrente também causa desequilíbrio, e esse tipo de desequilíbrio não se resolve balanceando as fases e sim, reduzindo o conteúdo harmônico. O maior valor médio de DI foi observado na subestação Nova Aparecida (6%). Os valores máximos ficaram na faixa entre 10% e 14% em sete das 12 subestações monitoradas Programa de Monitoração da CELPA Este programa apresenta um sistema de monitoramento da qualidade de energia em rede de distribuição urbana. O sistema é composto por um conjunto de unidades de monitoração, instaladas nas entradas dos consumidores classe B, que avaliam os índices de continuidade individuais DIC, FIC, DMIC; conforme [16]. O sistema ainda permite avaliar os índices de continuidade do conjunto de consumidores, DEC e FEC. O sistema foi testado como projeto piloto da REDE-CELPA, apresentando desempenho que satisfaz as exigências da Concessionária e dos órgãos reguladores. O instrumento de monitoramento da qualidade de energia na entrada dos consumidores individuais de classe B, monofásico, bifásico e trifásicos, na rede de distribuição secundária, é acoplado ao sistema de medição às claras da concessionária. Consiste de dois subsistemas: Físico : Hardware do instrumento de monitoramento de qualidade de energia elétrica, computador, circuitos e enlaces de comunicação; 139

154 Lógico : Programa Analisador Q.E., escrito em assembly do microcontrolador 68HC11 que controla a operação do instrumento e o SOFTCOM, programa desenvolvido em Visual Basic 5.0, responsável pela aquisição, tratamento e transmissão remota das informações. Metodologia de Análise Este instrumento de monitoração tem a finalidade de coletar as informações necessárias para o cálculo dos índices estabelecidos na [16], que visam medir a qualidade da energia elétrica fornecida aos consumidores. Para medir a qualidade de energia de um conjunto de consumidores, os diversos instrumentos podem ser conectados, formando uma rede que deverá estar interligada a um concentrador secundário. Este, por sua vez, está ligado a um outro concentrador denominado de primário que possui um modem conectado à linha telefônica. A função deste último dispositivo no sistema de monitoramento atual é realizada por um computador. Um segundo computador localizado em um ponto remoto pode estabelecer a comunicação com o concentrador primário utilizando a linha telefônica e obter os dados coletados por todos os instrumentos, efetuando o cálculo dos índices de continuidade de conjunto. Na figura 5.23 é mostrado o diagrama do sistema físico de monitoramento de qualidade de energia. Figura Diagrama físico do sistema de monitoramento de qualidade de energia [45]. 140

155 O computador do Centro de Supervisão executando o programa SOFTCOM poderá usar um código de identificação única, endereçar mensagens aos diversos instrumentos, os quais deverão enviar mensagens se reconhecerem o seu código de identificação na mensagem enviada pelo programa SOFTCOM. Dessa forma, o programa determina quando cada um dos pontos da rede deve transmitir, obtendo as informações sobre os fenômenos relativos à qualidade de energia de cada instrumento separadamente para serem armazenados no computador. Para efetuar o armazenamento dos dados no disco rígido do computador, o programa SOFTCOM utiliza-se da estrutura de banco de dados do Microsoft Jet, organizando as informações coletadas pelos instrumentos de acordo com as unidades consumidoras onde estejam instalados. Na Figura 5.24 é mostrada a tela de abertura do programa. Figura 5.24 Tela de Abertura do Programa SOFTCOM [45]. O programa SOFTCOM segue o padrão do Sistema Operacional Windows da Microsoft, disponibilizando o acesso aos comandos do programa na janela principal através de menu ou da barra de ferramenta principal. O mesmo possui duas variações: SOFTCOM 2.0: responsável pelo gerenciamento dos instrumentos de monitoramento de qualidade de energia elétrica; SOFTCOM Central 2,0: instalada no computador localizado no ponto remoto. Esta variação tem uma quantidade menor de funções, visto que, 141

156 várias tarefas de gerenciamento não serão necessárias no ponto remoto. As principais funções do programa são: Gerenciamento da rede de instrumentos de monitoramento; Tratamento dos dados recebidos dos instrumentos; Armazenar os dados coletados dos instrumentos para posterior análise; Calcular Índices de qualidade de energia; Imprimir relatórios; Fornecer ao usuário, através dos recursos gráficos do Windows, uma interface amigável onde possam ser apresentados os indicadores calculados e os dados armazenados em banco de dados; Transmissão dos dados armazenados no computador concentrador para o computador localizado no ponto remoto através de linha telefônica. Resultados O sistema de monitoramento foi avaliado em projeto piloto com 24 consumidores residenciais, industriais e comerciais; com as unidades de monitoração expostas ao tempo, conforme mostra a figura 5.25 com resultados satisfatórios até a presente data. Figura Sistema de monitoramento em projeto piloto [45]. 142

157 Na figura 5.26 é mostrado o relatório de ocorrências e o cálculo de índices de qualidade de energia (continuidade e conformidade). Figura 5.26 Relatórios - Programa SOFTCOM [45]. Com várias ocorrências já cadastradas, estes indicadores de qualidade podem ser calculados. No menu arquivo, o comando de calcular índices... abre o formulário de índices que se encarregou em calcular os índices para as diversas ocorrências cadastradas na tabela de ocorrências Indicações de aplicação de um programa de monitoração na Cidade de Parauapebas Pará O município de Parauapebas localizado ao sudeste do Estado do Pará (figura 5.27) vem apresentando um crescimento populacional acelerado nos últimos anos (figura 5.28), em virtude da Mina de Carajás explorada pela empresa Vale, além de outras empresas implantadas nesta cidade. Este crescimento desordenado acompanhado do crescimento do pólo industrial tem sido fator preocupante para as Centrais Elétricas do Pará S/A (CELPA), pois com a nova legislação que estabelece normas de qualidade de energia elétrica, 143

158 apresentada no [3], o não acompanhamento por parte da mesma, pode acarretar em multas consideráveis. Figura 5.27 Mapa do município de Parauapebas [51]. Figura 5.28 Vista área do município de Parauapebas, ano 2009 [51]. A monitoração da qualidade de energia elétrica faz-se necessária no município de Parauapebas, devido o elevado índice de interrupção de energia elétrica em função da crescente demanda de consumidores residencial, comercial e industrial, num total de unidades consumidoras em

159 [49] e um total de pessoas, conforme dados estatísticos de fornecidos pela prefeitura municipal de Parauapebas As figuras 5.29 e 5.32 ilustram os índices de continuidade DIC, FIC, DMIC, DEC e FEC para o ano de 2009, sendo os 3 primeiros fornecidos mensalmente na conta de energia elétrica, conforme resoluçãoo da ANEEL nº 024/ /00 [16] e os 2 últimos disponível no endereço eletrônico da ANEEL [49] , 75 Indicadores de Continuidade do Fornecimento de Energia em Parauapebas (Ano 2009) 48,58 42,65 18,47 19,28 6,9 31,12 17,32 28,52 5,97 DIC (horas) FIC (vezes) DMIC (horas) Figura 5.29 Indicadores de continuidade mensal, ano Fonte: Conta de energia elétrica (CELPA). A figura 5.29 não apresentaa os dados referentes aos meses de fevereiro e outubro, devido os mesmos não terem sido fornecidos nas referidas conta de energia elétrica, conforme observa-se o indicador DIC apresenta valores elevados paraa os meses de março, julho, agosto e setembro, chegando a apresentar para o mês de julho um valor de 173,5% do valor padrão estabelecido pela ANEEL, o qual é de 28 horas para o DIC. 145

160 Média dos Indicadores de Continuidade do Fornecimentoo de Energia (Ano 2009) , ,9 8, Parauapebas Padrão da ANEEL 5 0 DIC (horas) FIC (vezes) DMIC (horas) Figura 5.30 Média dos indicadores de continuidade do fornecimento de energia, ano Fonte: Conta de energia elétrica (CELPA). Como se observa a média dos indicadores para todo o ano de 2009 ficou abaixo dos valores estabelecido pela ANEEL. O indicador DIC é o que apresenta um valor mais próximo do padrão da ANEEL, chegando a 85,56% deste. Duração Equivalentee de Interrupção - DEC (Ano 2009) Horas ,17 60,62 REGIÃO NORTE ,41 39,98 41 CELPA PARAUAPEBAS DEC DEC Padrão Figura 5.31 Indicador de continuidade DEC, ano 2009 [49]. 146

161 Freqüência Equivalente de Interrupção - FEC (Ano 2009) 89, ,06 58,89 55,49 Vezes , FEC FEC Padrão REGIÃO NORTE CELPA PARAUAPEBAS Figura 5.32 Indicador de continuidade FEC, ano 2009 [49]. O município de Parauapebas é suprido por uma subestação (figura 5.31) de capacidade 18,8 MVA (tabela 5.8). Esta subestação é da CELPA, a qual não apresentaa nenhum sistema de monitoramento da qualidade de energia elétrica, para eventuais distúrbioss de qualidade da energia ou expansão do sistema elétrico da cidade. A diretoria da CELPA em razão do serviço deficitário do fornecimento de energia em várias regiões do Pará esclareceu na Assembléia Legislativa do Estado do Pará que já está realizando um amplo projeto de expansão do sistema de rede básica no estado. Porém foi anunciado que a CELPA não consegue, atualmente, fornecer energia elétrica para o novo Shopping Center que está sendo construído na cidade e muito menos para o pólo industrial na estrada que liga Parauapebas à Canaã dos Carajás, em virtude da faltaa de investimentos do governo federal [47]. 147

162 Figura 5.33 Foto da subestação de Parauapebas. Fonte: CELPA. Tabela 5.8 Dados da Subestação de Parauapebas [46]. Subestação Parauapebas Potência Total 18,8 MVA Número de Transformadores 2 Tensão Nominal dos Barramentos 13,8 Kv Relação de transformação dos 34,5/13,2 kv transformadores Potência Nominal de cada transformador 9,4 MVA Limite de carregamento de cada 11,2 MVA transformador Fabricante dos transformadores BROWN BOVERI S.A Ano de fabricação dos transformadores 1961 A maioria das indústrias que estão sendo implantadas no pólo industrial desta cidade é do setor metalúrgico (figura 5.32), sendo as máquinas de solda elétrica o principal agravante nos distúrbios de energia. Este equipamento registra um consumo de energia instável e sobre apenas uma fase, originando distorção harmônica e afundamento de tensão, podendo afetar grandes áreas em um mesmo sistema de distribuição de energia, o que resulta em prejuízos financeiros (queima de equipamentos ou redução da sua vida útil). 148

163 Figura 5.34 Empresa RIP Serviços Industriais Ltda. Fonte: Foto cedida pela RIP Serviços Industriais Ltda. Existem empresas do ramo metalúrgico que estão localizadas em áreas que hoje são predominantemente residenciais, como o caso da empresa Integral Construções e Comércio Ltda. (figura 5.33), a qual já está implantada no pólo industrial, mas continua mantendo parte de seus serviços neste local devido ao precário abastecimento de energia elétrica no pólo industrial, que fica localizado na zona rural, mais precisamente na estrada que liga o município de Parauapebas à Canaã dos Carajás. Figura 5.35 Empresa Integral Construções e Comércio Ltda. Fonte: foto cedida pela Integral. 149

164 Logo, é evidente a importância da monitoração, análise e diagnóstico da qualidade da energia elétrica, no intuito de determinar as causas e as conseqüências dos distúrbios no sistema elétrico, além de apresentar medidas técnicas e economicamente viáveis para solucionar o problema. Com este intuito, foi realizado um levantamento de dados sobre as conseqüências causadas pela má qualidade da energia elétrica na empresa Integral Construções e Serviços Ltda. Esta empresa trabalha no setor metalúrgico com montagens mecânicas, e vem apresentando prejuízos financeiros em seu processo de fabricação de peças, pois os efeitos das constantes interrupções, afundamentos de tensão e harmônicos têm comprometido seus equipamentos. Por exemplo, os equipamentos de fabricação têm apresentado aquecimento excessivo, disparos de dispositivos de proteção, vibrações, queima de algumas unidades motrizes em função da sobretensão (figura 5.34). Além das constantes flutuações de tensão (efeito flicker ) apresentadas em seu setor administrativo, localizado na área residencial. Figura 5.36 Motor queimado por sobretensão. Fonte: foto cedida pela Integral Construções e Comércio Ltda. Como já visto anteriormente, as principais vantagens da implantação do sistema de monitoração são: a possibilidade de avaliar os indicadores das cargas perturbadoras; o monitoramento das cargas sensíveis, como motores, dispositivos de controle e automação e microcomputadores; e a fácil detecção dos distúrbios provenientes da concessionária. Além do fato de que permite reduzir todos os custos envolvidos em interrupções forçadas, e aqueles 150

165 ocasionados por perdas na instalação, desgaste e redução da vida útil dos equipamentos importantes. A seguir são apresentadas algumas indicações de aplicação de um programa de monitoração da qualidade de energia elétrica para o município de Paraupebas. Sistema de Monitoramento Para implantação de um programa de monitoramento da qualidade de energia elétrica no pólo industrial de Parauapebas fez-se o mapeamento do ambiente quanto à incidência de interrupção de energia na rede elétrica. Com isso, o SMQEE deverá centralizar e estruturar adequadamente as informações provenientes de vários pontos da instalação elétrica, obtendo-se informações relevantes exatamente no instante em que os problemas ocorrem. Este sistema deverá ser formado por IED distribuídos ao longo dos circuitos elétricos desde a alta até a baixa tensão, localizados em pontos estratégicos do pólo industrial, especificamente na entrada de cada unidade consumidora de grande carga, sendo o início do pólo industrial cerca de 7 Km da subestação. Tais dispositivos devem possuir alta capacidade de processamento dos dados para satisfazer as exigências funcionais do sistema. O instrumento de monitoramento da qualidade de energia deve ser instalado no ponto de conexão (entrada da subestação) dos consumidores individuais de classe B, monofásico, bifásico e trifásico, na rede de distribuição secundária, sendo acoplado ao sistema de medição às claras da concessionária (figura 5.35). 151

166 Figura 5.37 Pontos de monitoramento sugeridos (ponto de conexão). Fonte: fotos cedidas pela Integral Construções e Comércio Ltda. A metodologia a ser adotada para o programa de monitoramento sugerido neste trabalho abrange as seguintes etapas: Escolha das barras a monitorar; Especificação e instalação dos RDP; Medição e coleta de dados. A escolha das barras deve ser baseada nos seguintes critérios: Atendimento a carga sensível; Atendimento a áreas com alta densidade de cargas; Participação significativa de cargas dinâmicas (motores de indução e geradores) na composição total das cargas; Áreas de interesse econômico/cargas especiais; Interligação com concessionárias ou consumidores especiais. 152