Noções Básicas sobre Distorções Harmônicas Introdução

Transcrição

1 Harmônicas

2 Noções Básicas sobre Distorções Harmônicas Introdução A qualidade da energia tem sido alvo de muito interesse e discussão e nos últimos anos. Cada vez mais, plantas industriais tem descoberto que tem de lidar com o problema da "energia suja". Esta é a expressão popular usada para descrever uma grande variedade de contaminações na corrente e na tensão elétrica. <>Distorção harmônica é um tipo específico de energia suja, que é normalmente associada com a crescente quantidade de acionamentos estáticos, fontes chaveadas e outros dispositivos eletrônicos nas plantas industriais.

3 O que são harmônicas? armônica. Tecnicamente, uma harmônica é a componente de uma onda periódica cuja freqüência é um múltiplo inteiro da freqüência fundamental (no caso da energia elétrica, de 60 Hz). A melhor maneira de explicar isto é com a ilustração ao lado. Nesta figura, vemos duas curvas: uma onda senoidal normal, representando uma corrente de energia "limpa", e outra onda menor, representando uma harmônica. Esta segunda onda menor representa a harmônica de quinta ordem, o que significa que sua freqüência é de 5 x 60 Hz, ou 300 Hz.

4 Na segunda ilustração, vemos como ficaria a soma das duas curvas. Esta curva resultante mostra bem a distorção harmônica da curva de tensão, que deixa de ser perfeitamente senoidal na presença de harmônicas. Harmônicas são um fenômeno contínuo, e não devem ser confundidas com fenômenos de curta duração que duram apenas alguns ciclos. Transientes, disturbações elétricas, picos de sobre-tensão e sub-tensão não são harmônicas. Estas perturbações no sistema podem normalmente ser eliminadas com a aplicação de filtros de linha (supressores de transientes). Entretanto, estes filtros de linha não reduzem ou eliminam correntes e tensões harmônicas.

5 Quem causa as distorções harmônicas? Os principais equipamentos causadores das harmônicas são: inversores de frequência, variadores de velocidade, acionamentos tiristorizados, acionamentos em corrente contínua ou alternada, retificadores, "drives", conversores eletrônicos de potência, fornos de indução e a arco, "no-breaks" e máquinas de solda a arco. A natureza e a magnitude das harmônicas geradas por cargas nãolineares dependem de cada carga especificamente, mas algumas generalizações podem ser feitas: As harmônicas que causam problemas geralmente são as harmônicas ímpares. A magnitude da corrente harmônica diminui com o aumento da frequência.

6 Quais são as consequências de altos níveis de distorções harmônicas? Da mesma forma que a pressão alta pode causar sérios problemas ao corpo humano, altos níveis de harmônicas numa instalação elétrica podem causar problemas para as redes de distribuição das concessionárias, para a própria instalação, e para os equipamentos ali instalados. As consequências podem chegar até à parada total de equipamentos importantes de produção.

7 Segue uma lista de consequências que as harmônicas podem causar em diversos tipos de equipamentos: Capacitores: queima de fusíveis, e redução da vida útil. Motores: redução da vida útil, e impossibilidade de atingir potência máxima. Fusíveis/Disjuntores: operação falsa/errônea, e componentes danificados. Transformadores: aumento de perdas no ferro e no cobre, e redução de capacidade. Medidores: medições errôneas e possibilidade de maiores contas. Telefones: interferências. Acionamentos/Fontes: operações errôneas devido a múltiplas passagens por zero, e falha na comutação de circuitos. Distorções harmônicas causam muitos prejuízos a plantas industriais. De maior importância, são a perda de produtividade, e de vendas devido a paradas de produção causadas por inesperadas falhas em motores, acionamentos, fontes ou simplesmente "repicar" de disjuntores.

8 O que os capacitores para correção de fator de potência tem a ver com as harmônicas? Em uma planta industrial que contenha capacitores para correção de fator de potência, as distorções harmônicas podem ser amplificadas em função da interação entre os capacitores e o transformador de serviço. Este fenômeno é comumente chamada de ressonância harmônica ou ressonância paralela. Muitos dizem, erroneamente, que os causadores das harmônicas são os capacitores. Na verdade, capacitores não geram harmônicas, e sim agravam os problemas potenciais das harmônicas. Eles são os equipamentos mais sensíveis às harmônicas, e os que mais sofrem na presença delas. Talvez por esta razão, problemas de harmônicas frequentemente não são conhecidos até que são aplicados capacitores para correção de fator de potência.

9 Como as harmônicas podem ser eliminadas? Normalmente, a solução mais confiável e acessível é feita com o uso de filtros de harmônicas. Um filtro de harmônicas é essencialmente um capacitor para correção de fator de potência combinado em série com um reator (indutor).

10 Noções Básicas sobre Demanda e Fator de Potência

11 O que é demanda? Demanda é o consumo de energia da sua instalação dividido pelo tempo no qual se verificou tal consumo. Para faturamento de energia pela concessionária, se utilizam intervalos de integração de 15 minutos. Assim, a sua demanda de energia (medida em kw), é igual ao consumo a cada 15 minutos (medido em kwh) dividido por 1/4 (15 minutos é igual a 1/4 de hora). Em um mês, ocorrem quase 3000 intervalos de quinze minutos (clique aqui para exemplo de um dia). Assim, a sua demanda será medida quase 3000 vezes ao longo do mês, e a concessionária de energia elétrica escolherá o valor mais alto, ainda que tenha sido verificado apenas uma única vez.

12 O que é fator de potência? Fator de Potência envolve uma relação entre potência ativa e potência reativa: é a relação entre a potência ativa e potência total numa instalação, num intervalo de tempo. Como a maioria das cargas de uma instalação elétrica são indutivas, elas exigem um campo eletromagnético para funcionar. Com isso, uma instalação qualquer necessita de dois tipos de energia: Potência Ativa, que realiza o trabalho propriamente dito, gerando calor, iluminação, movimento, etc., e é medida em kw. Potência Reativa, que mantém o campo eletromagnético, e é expressa em KVAr.

13 Clique aqui e conheça detalhes da medição de energia reativa.

14 A Potência Total ou Aparente é dada em KVA, e é a soma vetorial das potências ativa e reativa, como mostra a figura acima. O fator de potência é sempre um número entre 0 e 1 (alguns o expressam entre 0 e 100%) e pode ser capacitivo ou indutivo, dependendo se o consumo de energia reativa for capacitivo ou indutivo. Para faturamento de energia, o fator de potência é registrado de hora em hora (clique aqui para exemplo de um dia). Assim como no caso da demanda, os mecanismos de tarifação levarão em conta o pior valor de fator de potência registrado ao longo do mês, dentre os mais de 700 valores registrados.

15 Como é cobrada a energia elétrica? A energia elétrica pode ser cobrada de diversas maneiras, dependendo do enquadramento tarifário de cada consumidor. Resumidamente, a classificação dos consumidores é feita conforme abaixo: Grupo A: Engloba os consumidores que recebem energia em tensões acima de 220V. Possui três tipos de tarifação: convencional, horo-sazonal azul e horo-sazonal verde. Nesta categoria, os consumidores pagam pelo consumo, pela demanda e por baixo fator de potência.

16 Grupo B: Engloba os demais consumidores, divididos em três tipos de tarifação: residencial, comercial e rural. Neste grupo, os consumidores pagam apenas pelo consumo medido. A maioria das pequenas e médias empresas (industriais ou comerciais) brasileiras se encaixa no Grupo A, onde são cobrados pelo consumo, pela demanda e por baixo fator de potência. Estes consumidores podem ser enquadrados na tarifação convencional, ou na tarifação horo-sazonal (azul ou verde).

17 Os custos por kwh são mais baixos nas tarifas horosazonais, mas as multas por ultrapassagem são mais pesadas. Assim, para a escolha do melhor enquadramento tarifário (quando facultado ao cliente) é necessária uma avaliação específica.

18 Tarifação Convencional Na tarifação convencional, o consumidor paga à concessionária até três parcelas: consumo, demanda e ajuste de fator de potência. O faturamento do consumo é igual ao de nossas casas, sem a divisão do dia em horário de ponta e fora de ponta. Acumula-se o total de kwh consumidos, e aplica-se uma tarifa de consumo para chegar-se à parcela de faturamento de consumo. A parcela de faturamento de demanda é obtida pela aplicação de uma tarifa de demanda à demanda faturada, tal qual é detalhadamente explicado abaixo (Tarifação Horo-Sazonal). Para o cálculo da parcela de ajuste de fator de potência, o dia é dividido em duas partes: horário capacitivo e o restante. Se o fator de potência do consumidor estiver fora dos limites estipulados pela legislação, haverá penalização por baixo fator de potência. Se o fator de potência do consumidor estiver dentro dos limites préestabelecidos, esta parcela não é cobrada.

19 Tarifação Horo-Sazonal (Azul e Verde) Clique aqui e conheça o porquê da tarifação horo-sazonal, e suas principais definições. Na tarifação horo-sazonal (azul ou verde), os dias são divididos em períodos fora de ponta e de ponta, para faturamento de demanda, e em horário capacitivo e o restante, para faturamento de fator de potência. Além disto, o ano é dividido em um período seco e outro período úmido. Assim, para o faturamento do consumo, acumula-se o total de kwh consumidos em cada período: fora de ponta seca ou fora de ponta úmida, e ponta seca ou ponta úmida. Para cada um destes períodos, aplica-se uma tarifa de consumo diferenciada, e o total é a parcela de faturamento de consumo. Evidentemente, as tarifas de consumo nos períodos secos são mais caras que nos períodos úmidos, e no horário de ponta é mais cara que no horário fora de ponta.

20 Na tarifação horo-sazonal azul, o faturamento da parcela de demanda será igualmente composto por parcelas relativas à cada período: fora de ponta seca ou fora de ponta úmida, e ponta seca ou ponta úmida. Para cada período, o cálculo será o seguinte: Caso 1 - Demanda registrada inferior à demanda contratada. Aplica-se a tarifa de demanda correspondente à demanda contratada. Caso 2 - Demanda registrada superior à demanda contratada, mas dentro da tolerância de ultrapassagem**. Aplica-se a tarifa de demanda correspondente à demanda registrada. Caso 3 - Demanda registrada superior à demanda contratada e acima da tolerância**. Aplica-se a tarifa de demanda correspondente à demanda contratada, e soma-se a isso a aplicação da tarifa de ultrapassagem correspondente à diferença entre a demanda registrada e a demanda contratada. Ou seja: paga-se tarifa normal pelo contratado, e tarifa de ultrapassagem sobre todo o excedente.

21 Na tarifa verde, o consumidor contrata apenas dois valores de demanda, um para o período úmido e outro para o período seco. Não existe contrato diferenciado de demanda no horário de ponta, como na tarifa azul. Assim, o faturamento da parcela de demanda será composto uma por parcela apenas, relativa ao período seco ou ao período úmido, usando o mesmo critério acima. Para o cálculo da parcela de ajuste de fator de potência, o dia é dividido em três partes: horário capacitivo, horário de ponta, e o restante. Se o fator de potência do consumidor, registrato de hora em hora ao longo do mês, estiver fora dos limites estipulados pela legislação, haverá penalização por baixo fator de potência. Se o fator de potência do consumidor estiver dentro dos limites pré-estabelecidos, esta parcela não é cobrada. **Observações: A tolerância de ultrapassagem, dada aos consumidores das tarifas horo-sazonais para fins de faturamento de demanda, é de: 5% para osconsumidores atendidos em tensão igual ou superior a 69 kv. 10% para os consumidores atendidos em tensão inferior a 69 kv (a grande maioria).

22 O período úmido é aquele onde, devido à estação de chuvas, os reservatórios de nossas usinas hidrelétricas estão mais altos. Como o potencial hidráulico das usinas cresce, existe um incentivo (tarifas mais baixas) para que o consumo de energia seja maior neste período. Os meses úmidos são: dezembro, janeiro, fevereiro, março e abril. O período seco é aquele onde, devido à falta de chuvas, os reservatórios de nossas usinas hidrelétricas estão mais baixos. Como o potencial hidráulico das usinas diminui, existe um acréscimo nas tarifas para que o consumo de energia seja menor neste período. Os meses secos são: maio, junho, julho, agosto, setembro, outubro e novembro.

23 Por que controlar a demanda? Qualquer que seja o seu enquadramento tarifário dentro do Grupo A, a sua demanda registrada (para fins de faturamento) será, a cada mês, a maior demanda de cada um dos intervalos de integração de 15 minutos ao longo do mês. Se sua empresa estiver enquadrada na tarifa horosazonal azul, terá uma demanda registrada para o horário fora de ponta, e outra demanda registrada para o horário de ponta. Estes valores, quando elevados, podem ocasionar pesados acréscimos à sua fatura de energia.

24 Por que controlar o fator de potência? A Portaria DNAEE 1569/93 estabeleceu novas regras para o fator de potência dos consumidores do Grupo A. Em linhas gerais, eles deverão manter o fator de potência de suas instalações acima de 0,92 indutivo durante os horários fora de ponta indutivo e de ponta, e deverão manter o fator de potência acima de 0,92 capacitivo no horário capacitivo. Como o fator de potência é medido pela concessionária de hora em hora, há que se controlá-lo continua e automaticamente, de modo a evitar multas por baixo fator de potência.

25 Como a concessionária mede a demanda e o fator de potência? Assuma, como fato quase que certo, que a sua concessionária possui instalados, junto à sua entrada de energia, todos os medidores e registradores de energia necessários à cobrança das grandezas elétricas que o seu enquadramento tarifário permite a ela cobrar. Para isto, são medidos e registrados a demanda ativa e reativa a cada 15 em 15 minutos, durante todos os dias entre as leituras de energia. Durante a leitura, esses dados são transferidos para um coletor de dados, e posteriormente, eles são descarregados no computador da concessionária que faz o faturamento de cada um dos clientes.

26 O que um controlador de demanda pode fazer por mim? Um controlador pode: 1. monitorar o comportamento da demanda e do fator de potência continuamente. 2. fornecer gráficos e relatórios que permitem a análise do comportamento da demanda e do fator de potência, e a tomada de medidas corretivas cabíveis. 3. controlar automaticamente as cargas e os capacitores, impedindo a ocorrência de multas. Com isso, você pode conseguir boas economias (clique aqui para exemplo) na sua conta de energia elétrica.

27 Como o equipamento controla a demanda e o fator de potência? Resumidamente, o modo de funcionamento do controlador é o seguinte: Entrada de Dados: Os pulsos emitidos pelo medidor REP, utilizado pela concessionária para fazer os registros que servirão ao faturamento de sua energia, são os mesmos que o controlador utililiza para fazer cálculos e controles. Isto torna o controle 100% compatível com a sua medição. Estes pulsos são recebidos pela placa de interface do sistema, especialmente desenhada para este fim.

28 Cálculos da Concessionária: A concessionária registra a DEMANDA ATIVA consumida a cada 15 minutos, o chamado intervalo de integração. A concessionária registra, igualmente, DEMANDA REATIVA a cada 15 minutos, e com base nestes valores, calcula o FATOR DE POTÊNCIA médio da instalação em cado intervalo de uma HORA, ao longo do mês. Cálculos do controlador: O controlador faz constantemente vários cálculos que permitem alcançar um valores de demanda e fator de potência (figura ao lado), a cada intervalo de integração, dentro dos limites estabelecidos pela legislação em vigor, sem desligar inutilmente as cargas, sem sobrecarregar os capacitores, e sem prejudicar a produção. Atuação do controlador: O controlador atua sobre as cargas e sobre os capacitores obedecendo aos critérios definidos pelo usuário, e garante que a demanda e o fator de potência alcançados no final de cada intervalo estarão dentro do limites prefixados.

29 Diagrama Funcional do Sistema A instalação de um controlador pode ser realizada de várias maneiras, dependendo do ambiente industrial e do modo de operar desejado pelo usuário.

30 Normalmente, as distâncias entre o controlador e a cabine de medição da concessionária, e entre o controlador e as cargas é que determinam com maior precisão o tipo de instalação que será implementada. Consulte a engenharia da Engecomp para uma avaliação do seu caso específico.

31 Qualidade de Energia - Causas, Efeitos e Soluções Autor: Edgard Franco - ENGECOMP TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO E CONTROLE LTDA. 1. Introdução 2. Normas e Organizações Relacionadas com Qualidade de Energia 3. Terminologia e Definição dos Itens de Qualidade 4. Transitórios 5. Interrupções e Sags 6. Sobretensões 7. Desequilíbrios de Tensão 8. Distorções na Forma de Onda 9. Distorções Harmônicas 10. Flutuações ou Oscilações de Tensão 11. Vairações na Freqüencia do Sistema Elétrico 12. Resumo: Causas, Efeitos e Soluções Voltar ao Topo

32 1. INTRODUÇÃO O conceito de Qualidade de Energia está relacionado a um conjunto de alterações que podem ocorrer no sistema elétrico. Uma boa definição para o problema de qualidade de energia é: "Qualquer problema de energia manifestado na tensão, corrente ou nas variações de freqüência que resulte em falha ou má operação de equipamentos de consumidores". Tais alterações podem ocorrer em várias partes do sistema de energia, seja nas instalações de consumidores ou no sistema supridor da concessionária. Estes problemas vem se agravando rapidamente em todo o mundo por diversas razões, das quais destacamos duas:

33 instalação cada vez maior de cargas não-lineares. O crescente interesse pela racionalização e conservação da energia elétrica tem aumentado o uso de equipamentos que, em muitos casos, aumentam os níveis de distorções harmônicas e podem levar o sistema a condições de ressonância. maior sensibilidade dos equipamentos instalados aos efeitos dos fenômenos (distúrbios) de qualidade de energia. Em alguns ramos de atividade, como as indústrias têxtil, siderúrgica e petroquímica, os impactos econômicos da qualidade da energia são enormes. Nestes setores, uma interrupção elétrica de até 1 minuto pode ocasionar prejuízos de até US$ 500 mil. E diante deste potencial de prejuízos possíveis, fica evidente a importância de uma análise e diagnóstico da qualidade da energia elétrica, no intuito de determinar as causas e as conseqüências dos distúrbios no sistema, além de apresentar medidas técnica e economicamente viáveis para solucionar o problema.

34 2. NORMAS E ORGANIZAÇÕES RELACIONADAS COM QUALIDADE DE ENERGIA A Europa é a região do planeta mais avançada no quesito normas de qualidade de energia, uma vez que a norma EN50160 foi oficialmente adotada por vários países. Nos EUA, muitas concessionárias tem usado normas como a IEEE 519 apenas como referência, raramente incluindo cláusulas sobre este assunto nos contratos com clientes. Entretanto, o clima de desregulamentação pode significar que contratos com cláusulas de qualidade de energia possam vir a ser comuns no futuro. Segue lista de normas e entidades:

35 EN50160: é uma nova norma que cobre flicker, interharmônicas, desvios/variações de tensão, e muito mais. IEC : é uma norma de medição de flicker que inclui especificações para medidores. IEC : descreve uma técnica de medição padrão para harmônicas. IEEE 519 (1992): é uma prática recomendada pela IEEE, utilizada principalmente por concessionárias de energia nos EUA. Descreve níveis aceitáveis de harmônicas para o ponto de entrega de energia pela concessionária. IEEE 1159 (1995): é uma prática recomendada pela IEEE para monitoração e interpretação apropriada dos fenômenos que causam problemas de qualidade de energia. CBEMA: Computer and Business Equipment Manufacturers Association. A CBEMA virou ITI em A curva CBEMA define os níveis de suportabilidade de equipamentos, em função da magnitude da tensão e da duração do distúrbio. Distúrbios que caiam fora da curva podem causar danos aos equipamentos. ITI: Information Technology Industry Council. Grupo trabalha para defender os interesses da indústria de informática.

36 3. TERMINOLOGIAS E DEFINIÇÕES DOS ITENS DE QUALIDADE Na ótica do consumidor, talvez seja mais simples e adequado utilizarmos simplesmente a palavra "distúrbios" para englobar todos os fenômenos que afetam a qualidade da energia elétrica. Estes "distúrbios" podem ter origem na energia elétrica entregue pela concessionária de energia, ou na rede interna de distribuição (incluindo equipamentos ali instalados) do próprio consumidor. A figura ao lado mostra a origem dos problemas de qualidade de energia, quando analisada sob a ótica do consumidor.

37 Os acadêmicos e especialistas, no entanto, classificam os itens de qualidade ("distúrbios") conforme segue: TRANSITÓRIOS, dos tipos impulsivos ou oscilatórios. VARIAÇÕES DE TENSÃO DE CURTA DURAÇÃO, que podem ser instantâneas, momentâneas, ou temporárias. VARIAÇÕES DE TENSÃO DE LONGA DURAÇÃO, que podem ser de três tipos: interrupcões, subtensões ou sobretensões sustentadas. DESEQUILÍBRIOS DE TENSÃO, causados por má distribuição de cargas monofásicas, e que fazem surgir no circuito tensões de seqüência negativa. DISTORÇÕES DA FORMA DE ONDA, que podem ser classificadas em cinco tipos: nível CC, harmônicos, interharmônicos, "notching", e ruídos. OSCILAÇÕES DE TENSÃO, que são variações sistemáticas dos valores eficazes da tensão de suprimento (dentro da faixa compreendida entre 0,95 e 1,05 pu), e que podem ser aleatórias, repetitivas ou esporádicas. VARIAÇÕES DA FREQUÊNCIA DO SISTEMA, que são definidas como sendo desvios no valor da freqüência fundamental deste sistema (50 ou 60Hz).

38 A figura abaixo mostra as formas de onda típicas dos itens de qualidade mais comuns:

39 4. TRANSITÓRIOS Os transitórios são fenômenos eletromagnéticos oriundos de alterações súbitas nas condições operacionais de um sistema de energia elétrica. Geralmente, a duração de um transitório é muito pequena, mas de grande importância, uma vez que submetem equipamentos a grandes solicitações de tensão e/ou corrente. Existem dois tipos de transitórios: os impulsivos, causados por descargas atmosféricas, e os oscilatórios, causados por chaveamentos. Um transitório impulsivo (normalmente causado por descargas atmosféricas) pode ser definido como uma alteração repentina nas condições de regime permanente da tensão, corrente ou ambas, caracterizando-se por apresentar impulsos unidirecionais em polaridade (positivo ou negativo) e com freqüência bastante diferente daquela da rede elétrica.

40 Em sistemas de distribuição o caminho mais provável para as descargas atmosféricas é através de um condutor fase, no primário ou no secundário, causando altas sobretensões no sistema. Uma descarga diretamente na fase pode gerar também subtensões de curta duração ("sag") e interrupções. Altas sobretensões transitórias podem também ser geradas por descargas que fluem ao longo do condutor terra, causando os seguintes problemas: Elevação do potencial do terra local, em relação a outros terras, em vários kv. Equipamentos eletrônicos conectados entre duas referências de terra, tais como computadores conectados a modems, podem ser danificados quando submetidos a altos níveis de tensão. Indução de altas tensões nos condutores fase, quando as correntes passam pelos cabos a caminho do terra.

41 Um transitório oscilatório é caracterizado por uma alteração repentina nas condições de regime permanente da tensão e/ou corrente possuindo valores de polaridade positiva e negativa. Estes transitórios normalmente são decorrentes de energização de linhas, corte de corrente indutiva, eliminação de faltas, chaveamento de bancos de capacitores e transformadores, etc. Os transitórios oscilatórios de média-frequência podem ser causados por: energização de capacitor "back-to-back" (resultando em correntes transitórias de dezenas de khz), chaveamento de disjuntores para eliminação de faltas e também como resposta do sistema a um transitório impulsivo.

42 5. INTERRUPÇÕES E SAGS As variações de tensão de curta duração podem ser caracterizadas por alterações instantâneas, momentâneas ou temporárias. Tais variações de tensão são, geralmente, causadas pela energização de grandes cargas que requerem altas correntes de partida, ou por intermitentes falhas nas conexões dos cabos de sistema. Dependendo do local da falha e das condições do sistema, o resultado pode ser uma queda de tensão temporária ("sag"), uma elevação de tensão ("swell"), ou mesmo uma interrupção completa do sistema elétrico. Chama-se interrupção de curta duração quando a tensão de suprimento cai para um valor menor que 0,1 pu por um período de tempo não superior a 1 minuto, o que geralmente ocorre por faltas no sistema de energia, falhas de equipamentos e mal funcionamento de sistemas de controle. Algumas interrupções podem ser precedidas por um "sag" quando estas são devidas a faltas no sistema supridor. O "sag" ocorre no período de tempo entre o início de uma falta e a operação do dispositivo de proteção do sistema.

43 Vamos analisar, por exemplo, o caso de um curto-circuito no sistema supridor da concessionária. Logo que o dispositivo de proteção detecta a corrente de curto-circuito, ele comanda a desenergização da linha com vistas a eliminar a corrente de falta. Somente após um curto intervalo de tempo, o religamento automático do disjuntor ou religador é efetuado. Entretanto, pode ocorrer que, após o religamento, o curto persista e uma seqüência de religamentos pode ser efetuada com o intuito de eliminar a falta. A figura abaixo ilustra uma seqüência de religamentos com valores típicos de ajustes do atraso. Sendo a falta de caráter temporário, o equipamento de proteção não completará a seqüência de operações programadas e o fornecimento de energia não é interrompido. Assim, a maior parte dos consumidores (principalmente os residenciais) não sentirá os efeitos da interrupção. Porém, algumas cargas mais sensíveis (ex: computadores e outras cargas eletrônicas) estarão sujeitas a tais efeitos, a menos que a instalação seja dotada de unidades UPS (no-breaks), que evitarão maiores conseqüências na operação destes equipamentos.

44 Alguns dados estatísticos revelam que 75% das faltas em redes aéreas são de natureza temporária. No passado, este percentual não era considerado preocupante. Entretanto, com o crescente emprego de cargas eletrônicas, como inversores, computadores, etc., este número passou a ser relevante nos estudos de otimização do sistema, pois é, agora, tido como responsável pela saída de operação de diversos equipamentos, interrompendo o processo produtivo, e causando enormes prejuízos às indústrias. Uma queda de tensão de curta duração, também chamada de "sag", é caracterizada por uma redução no valor eficaz da tensão, entre 0,1 e 0,9 pu, na freqüência fundamental, com duração entre 0,5 ciclo e 1 minuto. A figura ao lado ilustra uma subtensão de curta duração típica, causada por uma falta fase-terra. Observa-se um decréscimo de 80% na tensão por um período de aproximadamente 3 ciclos, até que o equipamento de proteção da subestação opere e elimine a corrente de falta.

45 6. SOBRETENSÕES Uma sobretensão de curta duração ou "swell" é definida como um aumento entre 1,1 e 1,8 pu na tensão eficaz, na freqüência da rede, com duração entre 0,5 ciclo a 1 minuto. Os "swells" estão geralmente associados com condições de falta no sistema.

46 A figura abaixo ilustra um "swell" causado por uma falta fase-terra. Este fenômeno pode também estar associado à saída de grandes blocos de cargas ou à energização de grandes bancos de capacitores, porém, com uma incidência pequena se comparada com as sobretensões provenientes de faltas fase-terra nas redes de transmissão e distribuição.

47 As sobretensões de curta duração são caracterizadas pelas suas magnitudes (valores eficazes) e suas durações. A severidade de um "swell" durante uma condição de falta é função do local da falta, da impedância do sistema e do aterramento. Sua duração está intimamente ligada aos ajustes dos dispositivos de proteção, à natureza da falta (permanente ou temporária) e à sua localização na rede elétrica. Como conseqüência das sobretensões de curta duração em equipamentos, podese citar falhas dos componentes, dependendo da freqüência de ocorrência do distúrbio. Dispositivos eletrônicos incluindo ASD's, computadores e controladores eletrônicos, podem apresentar falhas imediatas durante estas condições. Transformadores, cabos, barramentos, dispositivos de chaveamento, TPs, TCs e máquinas rotativas podem ter a vida útil reduzida. Um aumento de curta duração na tensão em alguns relés pode resultar em má operação, enquanto outros podem não ser afetados. Um "swell" em um banco de capacitores pode, freqüentemente, causar danos no equipamento.

48 Dentro do exposto, a preocupação principal recai sobre os equipamentos eletrônicos, uma vez que estas sobretensões podem vir danificar os componentes internos destes equipamentos, conduzindo-os à má operação, ou em casos extremos, à completa inutilização. Vale ressaltar mais uma vez que, a suportabilidade de um equipamento não depende apenas da magnitude da sobretensão, mas também do seu período de duração, conforme ilustra a figura ao lado, que mostra as tolerâncias típicas de microcomputadores às variações de tensão (curva CBEMA). Diante de tais problemas causados por sobretensões de curta duração, este item de qualidade sugere que seja mantida uma atenção por parte de consumidores, fabricantes e concessionárias, no intuito de eliminar ou reduzir as conseqüências oriundas deste fenômeno.

49 7. DESEQUILÍBRIOS DE TENSÃO Os desequilíbrios podem ser definidos como o desvio máximo da média das correntes ou tensões trifásicas, dividido pela média das correntes ou tensões trifásicas, expressado em percentual. As origens destes desequilíbrios estão geralmente nos sistemas de distribuição, os quais possuem cargas monofásicas distribuídas inadequadamente, fazendo surgir no circuito tensões de seqüência negativa. Este problema se agrava quando consumidores alimentados de forma trifásica possuem uma má distribuição de carga em seus circuitos internos, impondo correntes desequilibradas no circuito da concessionária.

50 Tais fatores fazem com que a qualidade no fornecimento de energia seja prejudicada, e alguns consumidores tenham em suas alimentações um desequilíbrio de tensão. Estes desequilíbrios de tensão podem apresentar problemas indesejáveis na operação de equipamentos, dentre os quais destacam-se: Motores de Indução: Para as análises dos efeitos de tensões desequilibradas aplicadas a um motor de indução, considera-se somente os efeitos produzidos pelas tensões de seqüência negativa, que somados aos resultados da tensão de seqüência positiva, resultam num conjugado pulsante no eixo da máquina (vide figura), e no sobreaquecimento da máquina. Como conseqüência direta desta elevação de temperatura tem-se a redução da expectativa de vida útil dos motores, visto que o material isolante sofre uma deterioração mais acentuada na presença de elevadas temperaturas nos enrolamentos.

51 Máquinas síncronas: Como no caso anterior, a corrente de seqüência negativa fluindo através do estator de uma máquina síncrona, cria um campo magnético girante com velocidade igual à do rotor, porém, no sentido contrário ao de rotação definido pela seqüência positiva. Consequentemente, as tensões e correntes induzidas nos enrolamentos de campo, de amortecimento e na superfície do ferro do rotor, terão uma freqüência igual a duas vezes à da rede, aumentando significativamente as perdas no rotor. Retificadores: Uma ponte retificadora CA/CC, controlada ou não, injeta na rede CA, quando esta opera sob condições nominais, correntes harmônicas características (de ordem 5, 7, 11, 13, etc). Entretanto, quando o sistema supridor encontra-se desequilibrado, os retificadores passam a gerar, além das correntes harmônicas características, o terceiro harmônico e seus múltiplos. A presença do terceiro harmônico e seus múltiplos no sistema elétrico é extremamente indesejável, pois possibilita manifestação de ressonâncias não previstas, causando danos a uma série de equipamentos.

52 8. DISTORÇÕES NA FORMA DE ONDA A distorção da forma de onda é definida como um desvio, em regime permanente, da forma de onda puramente senoidal, na freqüência fundamental, e é caracterizada principalmente pelo seu conteúdo espectral. Existem cinco tipos principais de distorções da forma de onda: Harmônicos: tensões ou correntes senoidais de freqüências múltiplas inteiras da freqüência fundamental (50 ou 60 Hz) na qual opera o sistema de energia elétrica. Estes harmônicos distorcem as formas de onda da tensão e corrente e são oriundos de equipamentos e cargas com características nãolineares instalados no sistema de energia.

53 Interharmônicos: componentes de freqüência, em tensão ou corrente, que não são múltiplos inteiros da freqüência fundamental do sistema supridor (50 ou 60Hz). Elas podem aparecer como freqüências discretas ou como uma larga faixa espectral. Os interharmônicos podem ser encontrados em redes de diferentes classes de tensão. As suas principais fontes são conversores estáticos de potência, cicloconversores, motores de indução e equipamentos a arco. Sinais "carrier" em linhas de potência também podem ser considerados como interharmônicos. Os efeitos deste fenômeno não são bem conhecidos, mas admite-se que os mesmos podem afetar a transmissão de sinais "carrier" e induzir "flicker" visual no display de equipamentos como tubos de raios catódicos. Nível CC: a presença de tensão ou corrente CC em um sistema elétrico CA é denominado "DC offset". Este fenômeno pode ocorrer como o resultado da operação ideal de retificadores de meia-onda. O nível CC em redes de corrente alternada pode levar à saturação de transformadores, resultando em perdas adicionais e redução da vida útil.

54 "Notching": distúrbio de tensão causado pela operação normal de equipamentos de eletrônica de potência quando a corrente é comutada de uma fase para outra. Este fenômeno pode ser detectado através do conteúdo harmônico da tensão afetada. As componentes de freqüência associadas com os "notchings" são de alto valor e, desta forma, não podem ser medidas pelos equipamentos normalmente utilizados para análise harmônica. Ruídos: é definido como um sinal elétrico indesejado, contendo uma larga faixa espectral com freqüências menores que 200 KHz, as quais são superpostas às tensões ou correntes de fase, ou encontradas em condutores de neutro. Os ruídos em sistemas de potência podem ser causados por equipamentos eletrônicos de potência, circuitos de controle, equipamentos a arco, retificadores a estado sólido e fontes chaveadas e, normalmente estão relacionados com aterramentos impróprios.

55 9. DISTORÇÕES HARMÔNICAS Tecnicamente, uma harmônica é a componente de uma onda periódica cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental (no caso da energia elétrica, de 60 Hz). A melhor maneira de explicar isto é com a ilustração ao lado. Nesta figura, vemos duas curvas: uma onda senoidal normal, representando uma corrente de energia "limpa", e outra onda menor, representando uma harmônica. Esta segunda onda menor representa a harmônica de quinta ordem, o que significa que sua frequência é de 5 x 60 Hz, ou 300 Hz. Na segunda ilustração, vemos como ficaria a soma das duas curvas. Esta curva resultante mostra bem a distorção harmônica da curva de tensão, na presença de harmônicas. As distorções harmônicas vêm contra os objetivos da qualidade do suprimento promovido por uma concessionária de energia elétrica, a qual deve fornecer aos seus consumidores uma tensão puramente senoidal, com amplitude e freqüência constantes. Entretanto, o fornecimento de energia a determinados consumidores que causam deformações no sistema supridor, prejudicam não apenas o consumidor responsável pelo distúrbio, mas também outros conectados à mesma rede elétrica.

56 No passado não havia maiores preocupações com harmônicos. Cargas com características não lineares eram pouco utilizadas e os equipamentos eram mais resistentes aos efeitos provocados por harmônicas. Entretanto, nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da eletrônica de potência, e a utilização de métodos que buscam o uso mais racional da energia elétrica, o conteúdo harmônico presente nos sistemas tem-se elevado, causando uma série de efeitos indesejáveis em diversos equipamentos, comprometendo a qualidade e o próprio uso racional da energia elétrica. Assim, é de grande importância citar aqui os vários tipos de cargas elétricas com características não lineares, que têm sido implantadas em grande quantidade no sistema elétrico brasileiro:

57 circuitos de iluminação com lâmpadas de descarga; fornos a arco; compensadores estáticos tipo reator saturado, etc. motores de corrente contínua controlados por retificadores; motores de indução controlados por inversores com comutação forçada; processos de eletrólise através de retificadores não-controlados; motores síncronos controlados por cicloconversores;

58 fornos de indução de alta freqüência, etc. fornos de indução controlados por reatores saturados; cargas de aquecimento controladas por tiristores; velocidade dos motores CA controlados por tensão de estator; reguladores de tensão a núcleo saturado; computadores; eletrodomésticos com fontes chaveadas, etc. Como já foi dito, as distorções harmônicas causam muitos prejuízos às plantas industriais. De maior importância, são a perda de produtividade, e de vendas devido a paradas de produção causadas por inesperadas falhas em motores, acionamentos, fontes ou simplesmente "repicar" de disjuntores.

59 Capacitores: queima de fusíveis, e redução da vida útil. Motores: redução da vida útil, e impossibilidade de atingir potência máxima. Fusíveis/Disjuntores: operação falsa/errônea, e componentes danificados. Transformadores: aumento de perdas, causando redução de capacidade e diminuição da vida útil. Medidores:possibilidade de medições errôneas e de maiores contas. Telefones: interferências. Segue relação mais detalhada destes prejuízos: Máquinas Síncronas: sobreaquecimento das sapatas polares, causado pela circulação de correntes harmônicas nos enrolamentos amortecedores. Acionamentos/Fontes: operações errôneas devido a múltiplas passagens por zero, e falha na comutação de circuitos. Carregamento exagerado do circuito de neutro, principalmente em instalações que agregam muitos aparelhos eletrônicos e possuem malhas de terra mal projetadas.

60 Os principais problemas causados por harmônicos, no entanto, se dão junto a bancos de capacitores, que podem originar condições de ressonância, caracterizando uma sobretensão nos terminais das unidades capacitivas. Em decorrência desta sobretensão, tem-se uma degradação do isolamento das unidades capacitivas, e em casos extremos, uma completa danificação dos capacitores. Além disso, consumidores conectados no mesmo ponto ficam submetidos a tensões perigosas, mesmo não sendo portadores de cargas poluidoras em sua instalação. Mesmo sem uma condição de ressonância, um capacitor é sempre um caminho de baixa impedância para as correntes harmônicas, e sempre estará sempre sujeito a sobrecarga e sobreaquecimento excessivo.

61 10. FLUTUAÇÕES OU OSCILAÇÕES DE TENSÃO As flutuações de tensão correspondem a variações sistemáticas dos valores eficazes da tensão de suprimento dentro da faixa compreendida entre 0,95 e 1,05 pu. Tais flutuações são geralmente causadas por cargas industriais e manifestam-se de diferentes formas, a destacar: Flutuações Aleatórias: causadas por fornos a arco, onde as amplitudes das oscilações dependem do estado de fusão do material e do nível de curto-circuito da instalação. Flutuações Repetitivas: causadas por máquinas de solda, laminadores, elevadores de minas e ferrovias. Flutuações Esporádicas: causadas pela partida direta de grandes motores. Os principais efeitos nos sistemas elétricos, resultados das oscilações causadas pelos equipamentos mencionados anteriormente são oscilações de potência e torque das máquinas elétricas, queda de rendimento dos equipamentos elétricos, interferência nos sistemas de proteção, e efeito "flicker" ou cintilação luminosa.

62 11. VARIAÇÕES NA FREQÜENCIA DO SISTEMA ELÉTRICO Variações na freqüência de um sistema elétrico são definidas como sendo desvios no valor da freqüência fundamental deste sistema (50 ou 60Hz). A freqüência do sistema de potência está diretamente associada à velocidade de rotação dos geradores que suprem o sistema. Pequenas variações de freqüência podem ser observadas como resultado do balanço dinâmico entre carga e geração no caso de alguma alteração (variações na faixa de 60 ± 0,5Hz). Variações de freqüência que ultrapassam os limites para operação normal em regime permanente podem ser causadas por faltas em sistemas de transmissão, saída de um grande bloco de carga ou pela saída de operação de uma grande fonte de geração. Em sistemas isolados, entretanto, como é o caso da geração própria nas indústrias, na eventualidade de um distúrbio, a magnitude e o tempo de permanência das máquinas operando fora da velocidade, resultam em desvios da freqüência em proporções mais significativas.

63 12. RESUMO: CAUSAS, EFEITOS E SOLUÇÕES Distúrbio Descrição Causas Efeitos Soluções Interrupções Transientes Sag / Swell Interrupção total da alimentação elétrica Distúrbio na curva senoidal, resultando em rápido e agudo aumento de tensão Subtensões (sags) ou sobretensões (swells) curtas (meio ciclo até 3 segundos) Sags respondem por cerca de 87% de todos os distúrbios elétricos Curto-circuitos, descargas atmosféricas, e outros acidentes que exijam manobras precisas de fusíveis, disjuntores, etc. Descargas atmosféricas Manobras da concessionária Manobras de grandes cargas e bancos de capacitores Queda/Partida de grandes equipamentos Curto-circuitos Falha em equipamentos ou manobras da concessionária Queda do sistema Danificação de componentes Perda de produção Travamento, perda de memória e erros de processamento Queima de placas eletrônicas, danificação de materiais de isolação e de equipamentos Perda de dados e erros de processamento Desligamento de equipamentos Oscilações em motores com redução de vida útil UPS Geradores de emergência (interrupções de longa duração) Supressores de transientes UPS com supressores de transientes Transformadores de isolação UPS Reguladores de tensão

64 Ruídos Sinal indesejado de alta freqüência que altera o padrão normal de tensão (onda senoidal) Interferência de estações de rádio e TV Operação de equipamentos eletrônicos Travamentos, perda de dados e erros de processamento Recepções distorcidas (audio e video) UPS Transformadores de isolação Filtros de linha Harmônicos Alteração do padrão normal de tensão (onda senoidal), causada por freqüências múltiplas da fundamental (50-60Hz) UPS, Reatores eletrônicos, inversores de freqüência, retificadores e outras cargas não-lineares. Sobreaquecimento de cabos e equipamentos Diminuição da performance de motores Operação errônea de disjuntores, relés e fusíveis Filtros de harmônicas Reatores de linha Melhorias na fiação e no aterramento Transformadores de isolação Variações de Tensão de Longa Duração Variações de tensão com duração acima de 1 minuto Equipamentos e fiação sobrecarregados Utilização imprópria de transformadores Fiação subdimensionada ou conexões mal feitas Desligamento de equipamentos Sobreaquecimento de motores e lâmpadas Redução de vida útil ou de eficiência dos equipamentos UPS Verificar conexões e fiações elétricas Transferência de equipamentos para outros circuitos