Análise da Qualidade de Energia Elétrica da Rede com o Uso de DEI de Proteção Numérico.
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1 XVIII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI 28-6 a de outubro Olinda - Pernambuco - Brasil Análise da Qualidade de Energia Elétrica da Rede com o Uso de DEI de Proteção Numérico. Ana L.G. Colaço Nelber X. Melo Rodrigo C. Ciarlini UFC UFC UFC analuciacolaco@gmail.com nelber@dee.ufc.br rodrigociarlini@dee.ufc.br Ruth P.S. Leão Raimundo F. Sampaio Giovanni B. Cordeiro UFC Coelce UFC rleao@dee.ufc.br rfurtado@coelce.com.br gcb@fisica.ufc.br Palavras-chave Afundamento de Tensão Oscilografia Qualidade de Energia Elétrica DEI Numérico Resumo Um distúrbio elétrico é qualquer fenômeno que causa ameaça à operação normal dos equipamentos elétricos. O monitoramento da qualidade da energia elétrica constitui-se no primeiro passo para identificar os diferentes tipos de distúrbios, suas causas e possíveis soluções mitigadoras. Neste artigo, são calculados indicadores de qualidade de energia para diferentes casos de afundamentos de tensão gerados utilizando-se a base de dados fornecida por três diferentes fontes de monitoramento, sendo elas: dois DEIs e um analisador de distúrbios. Nos três casos, os eventos registrados são caracterizados por sua magnitude (tensão residual), duração e pelos indicadores calculados. Os resultados obtidos são comparados entre si e uma avaliação qualitativa é feita tomando-se os dados do analisador como referência, por ser este um equipamento dedicado à medição dos distúrbios.. Introdução Distúrbios tipo variação de tensão, desequilíbrio de tensão, flutuação de tensão com cintilação luminosa e harmônicos são caracterizados como fenômenos de regime permanente e são causados principalmente por cargas perturbadoras. Outros tipos de distúrbios como as variações de tensão de curta duração que compreendem afundamentos de tensão, interrupções de curta duração e elevações momentâneas de tensão são caracterizados como eventos. Os distúrbios elétricos alteram o valor rms da tensão de suprimento ou sua forma de onda e eventualmente sua freqüência. A avaliação da qualidade do suprimento de energia elétrica é uma preocupação comum às concessionárias de energia elétrica. A grande maioria dos problemas de qualidade de energia é caracterizada pela incapacidade de processos industriais à base de PC, CLP, etc. de tolerar afundamentos de tensão e interrupções de curta duração, em muitos casos de apenas poucos ciclos de duração. Segundo o Bell Labs, 87% dos distúrbios que ocorrem no sistema elétrico são atribuídos a afundamentos de tensão e segundo o EPRI (Electric Power Research Institute), 92% dos distúrbios de qualidade de energia do sistema são
2 devidos a afundamentos de tensão de até 5%, com duração de 5ms, acarretam normalmente operação indevida ou parada dos equipamentos eletrônicos de controle com perdas econômicas significativas. Para reduzir a possibilidade de operação indevida ou de parada de equipamentos sensíveis, os fabricantes de equipamentos elétricos recomendam que o nível de distúrbio no sistema de distribuição seja limitado. Nos últimos anos, os Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (DEI) baseados em microprocessador estão se tornando o equipamento de proteção padrão em subestações e provendo crescente capacidade para medir e monitorar diferentes quantidades elétricas relacionadas à qualidade de energia. Os modernos DEIs multifuncionais com funções de monitoramento, controle e proteção são normalmente integrados hierarquicamente em sistemas de proteção e controle de subestações. O sistema tem dois ou três níveis dependendo do tipo e tamanho da subestação. Todos os DEIs estão no nível hierárquico mais baixo, diretamente ligados aos equipamentos da subestação. Os controladores de bay estão no segundo nível e o terceiro nível é representado pelo PC da subestação, conforme figura. Figura Nível 3 Nível 2 Nível DEI Nível DEI 2 Nível 2 Nível DEI Nível DEI 2 Os registros de eventos dos múltiplos DEIs podem ser analisados por computador no nível da subestação a fim de determinar a causa do evento, o efeito sobre diferentes consumidores supridos pela subestação e o desempenho da subestação no que diz respeito à severidade e freqüência de ocorrência dos eventos. A freqüência, magnitude e duração dos afundamentos de tensão são as características chaves para determinar o nível de desempenho de uma subestação. Este artigo tem como objetivo apresentar as funções desenvolvidas em laboratório de qualidade de energia com bancada para ensino de proteção elétrica. Com os objetivos de monitorar, medir e avaliar a qualidade da energia, experimentos foram realizados com DEIs de proteção. Na bancada de testes, os afundamentos de tensão da rede elétrica são realizados por uma fonte trifásica de distúrbios que alimenta DEIs. A partir da análise do relatório emitido pelos DEIs são definidas as características do evento, os quais darão base para o cálculo de indicadores de qualidade da energia. Para cada registro de evento é calculada a curva rms da tensão em função do tempo a partir das amostras de tensão para determinar a magnitude e a duração do evento. O método de cálculo da tensão rms é baseado na norma IEC que define o valor rms da tensão medida a partir das amostras contidas em uma janela de integração de um ciclo de largura, atualizada a cada meio ciclo. Durante um afundamento de tensão, energia deixa de ser entregue ao equipamento. Índices de perda de energia global e para cada fase são calculados para cada evento. As concessionárias de energia elétrica e clientes precisam de indicadores que mensurem a qualidade do fornecimento de energia elétrica a fim de bem direcionar os investimentos e os negócios entre as partes relacionadas. O propósito deste estudo é mostrar a possibilidade do uso da oscilografia dos DEIs como uma alternativa para uma análise preliminar de qualidade de energia elétrica, sem a necessidade de serem instalados novos equipamentos para tal fim, ganhando-se em espaço, custo e praticidade. Entretanto,
3 os DEIs possuem limitações que devem ser consideradas quando se deseja utilizá-los para tal fim, tais como sua capacidade de armazenamento de dados e sua baixa taxa de amostragem. O artigo está estruturado em cinco seções. A primeira seção é uma introdução que justifica a necessidade do monitoramento da qualidade de energia elétrica. A segunda seção apresenta uma breve descrição do procedimento adotado para a programação dos DEIs e da simulação de afundamentos de tensão. A seção três apresenta os resultados obtidos pelos três equipamentos utilizados. Na seção quatro são apresentadas as conclusões seguidas pelas referências bibliográficas. 2. Indicadores de Qualidade de Energia Existem vários indicadores ou índices de qualidade de energia e por vezes valores de referência associados aos índices. Os valores de referência devem ser não somente realizáveis, mas em especial economicamente viáveis. Neste artigo, apenas será abordado o indicador de energia do afundamento de tensão, EVS. Um afundamento de tensão nos terminais de um equipamento priva-o do fornecimento de certa quantidade de energia. Energia essa que representa a duração que uma interrupção causaria com mesma perda de energia 2 que o afundamento de tensão para uma carga e é definida como na equação (): T E () 2 VS = V t dt () Onde: V(t) é a tensão rms em pu em relação à tensão nominal. T é a duração do afundamento. O expoente 2 é recomendado embora outros valores sejam também sugeridos na literatura. Em caso de ser disponível apenas a tensão residual V pu e a duração de um evento T, a tensão rms é considerada constante durante a duração do evento. Neste caso, a energia do afundamento de tensão é expressa como: 2 EVS = V pu T (2) Onde: V(t) é a tensão rms em pu em relação à tensão nominal. T é a duração V a tensão residual do evento. Para eventos com multi-canais (p.ex. sistemas trifásicos) a energia do afundamento de tensão é definida como a soma da energia do afundamento de tensão nos canais individuais (fases), como na equação (3): E = E + E + E (3) vs vs, a vs, b vs, c 3. Procedimento de Teste e de Cálculo dos Indicadores de Qualidade de Energia Os DEIs devem ser parametrizados definindo-se de antemão a mínima intensidade e máxima duração de distúrbio que se intenta registrar. Para isso, deve-se levar em consideração a periodicidade do esvaziamento da memória de massa. A memória de massa dos DEIs é, em geral, pequena podendo armazenar apenas poucos eventos. O número de eventos possíveis de serem armazenados depende da programação do número de ciclos a serem capturados antes e depois do início do distúrbio. Quanto maior a duração estimada dos eventos que se deseja capturar, menos eventos poderão ser armazenados. Entretanto, um sistema de monitoramento online pode ser utilizado para realizar o esvaziamento periódico da memória de massa do DEI.
4 Dois DEIs diferentes foram utilizados, um deles que aqui será chamado de DEI, possui taxa de amostragem de 24 amostras por ciclo, enquanto que o segundo DEI, denominado de DEI 2, possui taxa de amostragem de 6 amostras por ciclo. Além de possuir maior taxa de amostragem, o DEI apresentou maior autonomia, podendo armazenar um maior número de eventos, tendo ambos sido programados para capturar até 3 ciclos, isto é, 5ms por evento. Também o DEI permite a captura de até s, o que equivale a 6 ciclos por evento, enquanto que o DEI 2 permite a captura de, no máximo, 3 ciclos por evento. A quantidade de ciclos a serem registrados antes da falta é também programável em ambos os DEIs, tendo sido adotados, neste caso, 5 ciclos de pré-falta. O DEI se mostrou menos sensível com respeito ao seu acionamento, deixando de registrar alguns distúrbios, enquanto que o DEI 2 registrou todos os distúrbios gerados com duração igual ou superior a 3 ciclos, dentro da região de sensibilidade para o qual o mesmo foi ajustado. Foram calculados indicadores de qualidade de energia para diferentes casos de afundamentos de tensão gerados através de uma fonte de distúrbios, utilizando-se a base de dados fornecida por três diferentes equipamentos: a oscilografia de dois DEIs e um registrador de distúrbios. Nos três casos, os eventos registrados foram caracterizados por sua magnitude, duração e pelos indicadores calculados. Os resultados obtidos foram comparados entre si e uma avaliação qualitativa foi feita tomando-se os dados do analisador como referência, por ser este um equipamento dedicado à análise dos distúrbios e possuir maior taxa de amostragem, 28 amostras por ciclo no modo de operação utilizado. O limite de tensão programado para o disparo dos DEIs foi de,9 pu, valor este especificado pela IEC 6-4-, como o limite de normalidade da tensão da rede em regime permanente 3. A tensão nominal adotada foi V, por ser a maior tensão padrão programável nos terminais de medição de um dos DEIs. Não foram utilizados TP s nem TC s, tendo sido conectados os terminais de medição dos DEIs diretamente na saída da fonte de distúrbios. Os afundamentos de tensão monofásicos e trifásicos para,9,,7 e, pu, com durações de 3 e 2 ciclos foram gerados seguindo as recomendações da norma IEC , que compreendem os eventos de maior freqüência na rede. 3. Resultados Experimentais Os distúrbios registrados foram analisados em termos de sua magnitude, duração e em termos do indicador de energia EVS. Essas características foram calculadas através de programação pelo software Matlab. A magnitude de cada evento foi calculada em rms e apresentada em pu. Os indicadores EVS apresentados, são calculados com base na magnitude da fase que atingiu o menor valor residual de tensão e na maior duração dentre as fases. Para cada evento, foram comparados os resultados obtidos pelos dados extraídos dos DEIs e do analisador de distúrbios, calculando-se o erro percentual dos DEIs em relação ao analisador de distúrbios. A figura 2 apresenta as curvas de tensão instantânea (em volts) e rms (em pu) obtidos a partir do analisador e das oscilografias dos DEIs, para um afundamento de tensão monofásico para,9pu com duração de 3 ciclos. Na tabela são apresentados os valores das magnitudes, durações e EVSs calculados a partir das três diferentes bases de dados, onde também são apresentados os erros de cada uma dessas grandezas tomando como referência os valores obtidos com o analisador. Tabela Grandezas DEI 2 DEI Analisador valor erro (%) valor erro (%) valor Magnitude (pu),99 2,947,89,87,883 Duração (s),,,33 2,55,42 EVS (s),,, 25,622,
5 Figura ANALISADOR RELE RELE
6 As figuras mostram que não há diferenças consideráveis entre o valor rms das tensões pelos dados obtidos dos relés e do analisador, sendo porém, que o gráfico do DEI apresentou maior semelhança com aquele obtido pelo analisador. A tabela mostra que a menor magnitude registrada entre as fases com os dados obtidos pelas três fontes foi bastante próximo, embora para o DEI 2 a tensão tenha se mantido dentro do patamar considerado como condição normal. Por esse mesmo motivo, a duração do evento registrada pelo relé 2 foi nula, assim como o indicador de energia envolvida no afundamento. O relé registrou uma duração de cerca de ms a menos do que o registrado pelo analisador o que provocou um erro de cerca de 2% no cálculo do indicador de energia do mesmo em relação ao do analisador. A figura 3 apresenta as curvas de tensão instantânea (em volts) e rms (em pu) obtidos a partir do analisador e das oscilografias dos DEIs, para um afundamento de tensão trifásico para,9pu com duração de 3 ciclos. Na tabela 2 são apresentados os valores das magnitudes, durações e EVSs calculados a partir das três diferentes bases de dados, onde também são apresentados os erros de cada uma dessas grandezas tomando como referência os valores obtidos com o analisador. Tabela 2 Grandezas DEI 2 DEI Analisador valor erro valor erro valor (%) (%),86,4,872,34,87 Magnitude (pu) Registrada Duração (s),5,28,5,94,5 EVS (s),2 34,95,2 24,868,3 Como no caso anterior, o valor rms das tensões obtidos pelos dados dos relés e do analisador são semelhantes (tendo erros menores do que 5%). Novamente o gráfico do DEI apresentou maior semelhança com aquele obtido pelo analisador. Conforme a tabela 2 a magnitude e duração calculada com base de dados do DEI apresentam menor erro.
7 Figura ANALISADOR RELE RELE A figura 4 apresenta as curvas de tensão instantânea (em volts) e rms (em pu) obtidos a partir do analisador e das oscilografias dos DEIs, para um afundamento de tensão trifásico para,9pu com duração de 2 ciclos. Na tabela 3 são apresentados os valores das magnitudes, durações e EVSs calculados a partir das três diferentes bases de dados, onde também são apresentados os erros de cada uma dessas grandezas tomando como referência os valores obtidos com o analisador.
8 Figura ANALISADOR RELE RELE Tabela 3 Grandezas DEI 2 DEI Analisador valor erro (%) valor erro (%) valor Magnitude (pu),862,497,87,445,875 Duração (s),324,29,324,94,325 EVS (s), 52,69,6 2,722,2
9 O valor rms das tensões obtidos pelos dados dos relés e do analisador são semelhantes (tendo erros menores do que 5%). Novamente o DEI apresentou valores mais próximos aos apresentados pelo analisador. A figura 5 apresenta as curvas de tensão instantânea (em volts) e rms (em pu) obtidos a partir do analisador e das oscilografias dos DEIs, para um afundamento de tensão trifásico para pu com duração de 2 ciclos. Na tabela 4 são apresentados os valores das magnitudes, durações e EVSs calculados a partir das três diferentes bases de dados, onde também são apresentados os erros de cada uma dessas grandezas tomando como referência os valores obtidos com o analisador. Tabela 4 Grandezas DEI 2 DEI Analisador valor erro (%) valor erro (%) valor Magnitude (pu),,, 96,92,4 Duração (s),44 6,48,474 9,699,525 EVS (s),322 88,654,983 4,246,7 Os resultados obtidos para este evento são os piores obtidos, conforme pode ser observado na tabela 4. Entretanto, o DEI apresentou novamente menores erros percentuais.
10 Figura ANALISADOR RELE RELE
11 4. Conclusões Pode-se observar, a partir dos resultados experimentais, uma disparidade nos valores dos erros tanto entre os equipamentos testados, como entre eventos registrado pelo mesmo equipamento. Os DEIs apresentam resultados diferentes, pois possuem diferentes taxas de amostragem. O DEI possui taxa de amostragem de 24 amostras por ciclo, enquanto a taxa de amostragem do DEI 2 é apenas 6 amostras por ciclo. Isso justifica os menores erros associados ao DEI. Os diferentes tipos de eventos provocam a divergência entre os erros de um mesmo DEI. Eventos com maior severidade, ou seja menor tensão residual e maior duração, implicam em maiores erros. Da mesma forma, a quantidade de fases envolvidas influencia no erro. Desta forma, os DEIs podem ser utilizados pelas concessionárias para o monitoramento e para uma análise preliminar da qualidade da energia fornecida, sendo entretanto, inadequados para uma análise mais minuciosa. 5. Referências bibliográficas ALMEIDA, A.T. de; FERREIRA, F.J.T.E; BOTH, D. Technical and Economical Considerations in the Application of Variable-Speed Drives With Electric Motor Systems. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 4, no.. Jan/Feb BOLLEN, M.H.J. Understanding Power Quality Problems - Voltage Sags and Interruptions. New York: IEEE Press IEC 6-4- Testing and Measurement Techniques Voltage Dips, Short Interruptions and Voltage Variations Immunity Tests. edition.. reference number cei/iec 6-4-: 994+A:2.
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