A Qualidade da Energia Elétrica em Sistema Isolado com Geração Distribuída - Estudo de Caso

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1 1 A Qualidade da Energia Elétrica em Sistema Isolado com Geração Distribuída - Estudo de Caso J. de Camargo; D. S. Marcelino; W. M. Borges Expertise Engenharia Ltda. Resumo O artigo apresenta resultados do monitoramento e do diagnóstico da Qualidade da Energia Elétrica realizando numa residência da sede de uma das Usinas de Açúcar e Álcool do interior do Estado de São Paulo. A residência é alimentada pelo Gerador da Usina, cujo combustível é o bagaço da cana. O trabalho foi encomendado em virtude de queimas constantes de lâmpadas incandescentes na residência. Os resultados do monitoramento mostraram alguns indicadores acima de valores considerados como de referencia. O foco do trabalho não foi apresentar soluções nem apontar as causas do surgimento dos fenômenos e sim avaliar as possíveis causas da queima dos equipamentos, entretanto o mesmo sinalizou pontos de atenção com relação a indústria localizada ao lado da residência, que também é alimentada pelo mesmo gerador, durante o período de entressafras o sistema opera de forma isolado, e na safra o sistema opera em paralelo com a concessionária local. os parâmetros de Distorção Harmônica de Tensão, Desequilíbrio da Tensão, Flicker, Variações de Tensão em Regime Permanente, Variações de Tensão de Curta Duração e Freqüência, Corrente em Regime Permanente e Distorção Harmônica de Corrente. II. RESULTADOS DO MONITORAMENTO E DIAGNÓSTICO DA QUALIDADE DA ENERGIA REALIZADO A. Níveis de Tensão em Regime Permanente 1. Monitoramento: O resultado do monitoramento da tensão em regime permanente é apresentado na tabela 1. Tabela 1 Tensão em Regime Permanente Palavras chaves Geração própria e qualidade da energia elétrica, monitoramento e diagnóstico da qualidade da energia, flicker e desequilíbrio de tensão. A I. INTRODUÇÃO relação de queima de equipamentos com a Qualidade da Energia Elétrica está presente cada vez mais na mente da população. Isto não se resume apenas aos equipamentos eletrônicos sofisticados, mas a todo tipo de equipamento. Como por exemplo, no trabalho elaborado pela Expertise para identificar possíveis causas de queima constantes de lâmpadas incandescentes, presente na maioria dos lares brasileiros. Para tanto foi realizado um monitoramento e diagnóstico da qualidade da energia na residência uma Usina de Açúcar e Álcool, auto suficiente em termos de energia elétrica, em virtude do processo de cogeração de energia elétrica a partir da queima do bagaço da cana de açúcar. O sistema elétrico desta usina permite que esta opere de forma isola nos períodos de entressafra, e nos períodos de safra trabalha em paralelo com o sistema elétrico da concessionária local. A queima das lâmpadas ocorreu com bastante intensidade no período de entressafra. Para avaliar o problema foi instalado um monitor de qualidade de energia (RQE-III da Reason Tecnologia) junto ao quadro de entrada da residência. Sendo monitorados durante 14 dias 2. Diagnóstico Nas fases A e B foram registrados valores de tensão em regime permanente abaixo da faixa considerada adequada (116 < TL < 133 V), portanto, em termos de Tensão em Regime Permanente, o atendimento não está adequado. B. DHTT - Distorção Harmônica Total de Tensão 3. Monitoramento A tabela 2 apresenta os resultados obtidos para Distorção Harmônica total de tensão.

2 2 Tabela 2 DHTT Distorção Harmonica Total de Tensão DHTT - Distorção Harmônica Total de Tensão [%] 24/6/2006 1,31 1,57 1,36 1,47 1,73 1,46 25/6/2006 1,41 1,63 1,40 1,56 1,72 1,47 26/6/2006 1,40 1,60 1,49 1,93 2,23 1,68 27/6/2006 1,34 1,57 1,39 1,96 1,80 1,45 28/6/2006 1,23 1,36 1,33 1,73 2,40 1,53 29/6/2006 1,66 1,55 1,48 2,02 1,75 1,56 30/6/2006 1,43 1,88 1,56 2,01 1,94 1,64 1/7/2006 1,42 1,83 1,39 1,57 2,15 1,49 2/7/2006 1,65 1,69 1,61 1,88 2,86 1,71 3/7/2006 1,49 1,86 1,53 2,44 2,65 1,75 4/7/2006 1,37 1,61 1,87 2,48 2,04 1,96 5/7/2006 1,39 1,71 1,58 2,70 2,04 1,76 6/7/2006 1,35 1,47 1,66 2,36 1,74 1,93 Máximo 1,66 1,88 1,87 2,70 2,86 1,96 4. Diagnóstico O valor máximo do P95% da DHTT foi de 1,88%, ocorrido no dia 30/06. Tomando como valor de referência 10,0 %, para pontos de entrega abaixo de 1KV, em termos de DHTT, o atendimento está adequado. Tabela 3 Corrente em Regime Permanente Corrente em Regime Permanente [A] 24/6/ ,4 23,2 28,7 47,8 28,3 53,0 25/6/ ,3 21,3 32,7 52,0 27,7 47,9 26/6/ ,4 30,6 30,3 127,7 127,7 127,7 27/6/ ,1 25,4 28,2 47,2 30,5 50,0 28/6/ ,6 25,4 20,1 51,8 26,5 47,9 29/6/ ,4 27,2 24,1 35,7 35,8 31,2 30/6/ ,4 28,8 31,2 57,1 41,5 47,4 1/7/ ,9 34,1 42,8 63,7 53,8 66,6 2/7/ ,6 33,7 36,5 47,2 37,3 39,5 3/7/ ,2 27,1 29,7 32,1 38,1 32,4 4/7/ ,3 23,3 24,8 47,9 26,3 45,3 5/7/ ,5 28,2 19,0 24,0 32,5 20,3 6/7/ ,1 26,3 20,6 46,3 30,3 45,5 Máximo 42,90 34,10 42,80 127,70 127,70 127,70 A figura 2 apresenta a variação da corrente em regime permanente registrada no Quadro de entrada. C. DHIT - Distorção Harmônica Individual de Tensão 5. Monitoramento Apresentamos na figura 1 o espectro harmonico individual da tensão obtido para o dia 30/06/06, quando ocorreu o maior valor de Distorção Harmônica Total de Tensão. DHIT - Distorção harmonica Individual de Tensão Entrada Residencia - 30/06/ (%) Fase A Fase B Fase C Figura 2 Variação da Corrente no Quadro de Entrada 8. Diagnóstico: Figura 1 Espectro Harmônico Idividual da Tensão 6. Diagnóstico: Na figura 1 vemos que todas as componentes harmônicas estão abaixo de 1%. Tomando como base os valores de referência para DHIT, como sendo 7,5% para 5ª ordem e 6.5% para 7ª ordem, em termos de DHIT o fornecimento está adequado D. Corrente em Regime Permanente 7. Monitoramento Na tabela 3 apresentamos os resultados obtidos referents a corrente em regime permanente. A Tabela mostra uma significativa variação de carga, que pode ser notado pela grande diferença entre os valores máximos e o percentil 95%, enquanto o gráfico mostra um grande desequilíbrio de corrente presente na instalação. E. Distorção Harmônica Total de Corrente 9. Monitoramento: A figura 3 apresenta o distorção harmônica total de corrente no quadro de entrada durante o periodo de monitoramento.

3 3 Figura 4 Desequilibrio de tensão no dia 28/06/06 Figura 3 Valores de Distorção Harmônica total de corrente registrada no quadro de entrada 10. Diagnóstico: Os valores máximos da DHTI ocorreram durante o período de carga mais elevada, sendo que o máximo registrado foi 25%. Esses valores são considerados elevados. Também existente uma diferença significativa de DHTI entre as fases, confirmando o desequilíbrio elevado de corrente. F. Desequilíbrio de Tensão 11. Monitoramento A tabela 4 apresenta os valores de desequilíbrio registrados durante o monitoramento da tensão. Tabela 4 Desequilibrio de Tensão. Desequilíbrio de Tensão [%] Data 24/6/2006 1,78 2,09 25/6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/2006 1/7/2006 2/7/2006 1,64 2,02 2,18 2,19 2,13 1,95 2,10 2,17 3,28 2,36 2,87 3,10 2,44 2,64 2,85 2,38 3/7/2006 4/7/2006 5/7/2006 6/7/2006 2,19 2,13 1,98 1,81 2,46 2,89 2,30 2,11 Máximo 2,19 3, Diagnóstico: Pela tabela vemos que o valor máximo do P95% do DT foi de 2.19%, que está acima do valor de referência para um fornecimento considerado adequado. A figura mostra que das 17:00h as 20:30h (14,5% do tempo) o DT esteve acima do valor admissível e este fenômeno pode comprometer o desempenho da instalação. Portanto, em termos de desequilíbrio de tensão o fornecimento não está adequado. G. Flicker Pst 13. Monitoramento A tabela 5 apresenta os valores de Flicker Pst registrados Tabela 5 Flicker PST Flicker Pst [%] 24/6/2006 2,30 1,90 3,10 3,00 2,30 3,40 25/6/2006 2,20 1,80 2,70 2,40 2,00 3,50 26/6/2006 2,00 1,50 1,40 2,40 2,10 1,70 27/6/2006 2,00 1,60 1,30 2,40 1,80 1,70 28/6/2006 2,10 1,70 1,50 2,50 2,00 2,30 29/6/2006 2,10 1,70 1,60 2,70 2,10 2,00 30/6/2006 2,10 1,70 1,40 2,50 3,20 1,90 1/7/2006 1,60 1,80 1,80 2,20 2,80 3,10 2/7/2006 1,90 1,60 1,30 2,40 2,20 1,70 3/7/2006 2,20 1,60 1,40 3,50 2,00 1,80 4/7/2006 2,40 1,80 2,70 3,10 2,00 3,40 5/7/2006 2,60 1,60 2,70 3,60 2,00 3,00 6/7/2006 2,60 1,60 3,00 3,10 2,90 4,50 Máximo 2,60 1,90 3,10 3,60 3,20 4,50 A figura 5 apresenta a variação do flicker (PST) no dia 05/07/2006, quando o valor máximo foi registrado. A figura 4 mostra a variação do desequilíbrio da tensão no dia 28/06/06, quando o máximo valor foi registrado.

4 4 Figura 5 Variação do Flicker Pst no dia 05/07/ Diagnóstico: Pela tabela o valor máximo o P95% do Flicker Pst foi 3,1%. Portando acima valor de referência, 1,00 %, para o fornecimento considerado adequado, e acima de 2,00%, fornecimento considerado precário. Portanto a qualidade do fornecimento é considerada crítica. Pela figura vemos que em todo o tempo os valores de Flicker Pst estão acima da faixa considerada adequada (< 1,00%). E das 8:00h as 19:30h estão na faixa considerada crítica (> 2,00%). H. Flicker Plt 15. Monitoramento A tabela 6 apresenta os valores de Flicker Plt registrados Tabela 6 Flicker PLT Flicker Plt [%] 24/6/2006 1,96 1,76 2,53 2,23 1,89 2,96 25/6/2006 1,83 1,59 2,18 1,85 1,60 2,47 26/6/2006 1,71 1,33 1,23 1,72 1,34 1,27 27/6/2006 1,50 1,24 1,13 1,63 1,27 1,20 28/6/2006 1,78 1,47 1,52 1,89 1,59 1,61 29/6/2006 1,76 1,53 1,38 1,76 1,55 1,44 30/6/2006 1,76 1,58 1,25 1,77 1,75 1,30 1/7/2006 1,45 1,73 1,74 1,50 1,76 1,75 2/7/2006 1,63 1,38 1,17 1,64 1,40 1,26 3/7/2006 1,91 1,40 1,23 1,95 1,41 1,27 4/7/2006 2,07 1,57 2,22 2,16 1,61 2,85 5/7/2006 2,47 1,33 2,40 2,51 1,34 2,56 6/7/2006 2,28 1,42 2,57 2,44 1,52 2,64 Máximo 2,47 1,76 2,57 2,51 1,89 2,96 A figura apresenta a variação do Flicker Plt durante o dia 04/07/2006, quando o valor máximo foi registrado. Figura 6 Variação do Flicker Plt no dia 04/07/ Diagnóstico: Pela tabela o valor máximo o P95% do Flicker Plt foi 2,57%. Portando acima valor de referência, 0,80 %, para o fornecimento considerado adequado, e acima de 1,60%, fornecimento considerado precário. Portanto a qualidade do fornecimento é considerada crítica. Pela figura vemos que em todo o tempo os valores de Flicker Pst estão acima da faixa considerada adequada (< 0,80%). E das 8:00h as 19:30h estão na faixa considerada crítica (> 1,60%). I. Freqüência 17. Monitoramento A tabela 7 apresenta os valores registrados para freqüência Tabela 7 - Frequencia Freqüência [Hz Data Valores Máximos Valores Mínimos 24/6/ ,82 59,18 25/6/ ,46 59,40 26/6/ ,42 59,54 27/6/ ,33 59,74 28/6/ ,35 59,69 29/6/ ,55 59,33 30/6/ ,45 59,60 1/7/ ,50 59,59 2/7/ ,40 59,67 3/7/ ,09 58,86 4/7/ ,58 59,62 5/7/ ,66 59,42 6/7/ ,57 59,35 Máximo 61,09 Mínimo 58, Diagnóstico: O máximo valor registrado para a freqüência foi de 61,09 Hz e o mínimo 58,86 Hz. Tomando como referência a faixa de

5 5 variação considerada para operação normal do sistema interligado (59,5-60,5 Hz) adotada pelo ONS Operador Nacional do Sistema, em termos de freqüência, a Qualidade do Fornecimento não está Adequada. III. QUALIDADE DA ENERGIA X QUEIMA DE LÂMPADAS Para fazer uma correlação dos diagnósticos elaborados para a qualidade da energia fornecida com a queima de lâmpadas, buscando identificar as possíveis causas do problema, foram considerados os valores que estão fora das faixas consideradas adequadas citadas nos trabalhos do Módulo 8 do PRODIST Procedimentos da Distribuição. Resultando em: 19. Os valores registrados para tensão em regime permanente, que se mostraram abaixo da faixa considerada adequada, não provocariam as referidas queimas nas lâmpadas, mas poderiam prejudicar o funcionamento de aparelhos eletrônicos e dos motores presentes na instalação. 20. Os valores registrados para Desequilíbrio de Tensão, que se mostraram acima da faixa considerada adequada, não provocariam as referidas queimas nas lâmpadas, mas poderiam prejudicar o funcionamento de cargas trifásicas, entretanto estas não existem na instalação. 21. Os valores registrados para Flicker Pst e Flicker Plt, que se mostraram acima da faixa considerada adequada, poderiam provocar a queima nas referida lâmpadas, assim como em equipamentos eletrônicos existentes na instalação, e ainda poderiam provocar desconforto visual para as pessoas que habitam na residência da Sede da Usina. 22. Os valores registrados para freqüência, que se mostraram fora da faixa considerada adequada, não poderiam provocar a queima nas referida lâmpadas, mas poderiam comprometer o desempenho dos motores equipamentos eletrônicos existentes na instalação. IV. CONCLUSÃO O Diagnóstico da QEE elaborado com base no Monitoramento efetuado no Quadro de Entrada da Sede da Usina mostrou que o atendimento não está adequado para a todos os tipos de fenômenos de qualidade analisados. Com exceção da Variação de Tensão de Curta Duração, onde não foi registrado nenhum evento deste fenômeno, e Distorção Harmônica de Tensão. Ou seja, não está adequado para: Tensão em Regime Permanente, Desequilíbrio de Tensão, Flicker Pst e Flicker Plt e Freqüência. Além disto, apresenta valores elevados para Distorção Harmônica de Corrente. Entretanto a solução para redução da queima de lâmpadas incandescente é bastante simples e barata, visto que poderiam ser substituída por tecnologias que apresentam vida útil mais longa, assim como utilização de luminárias de maior eficiência, que reduzem a quantidade de lâmpadas necessárias. Mas o que preocupa é a possibilidade redução da vida útil de equipamento de custos mais elevados. Mas a preocupação maior recai sobre os equipamentos pertencentes à indústria existente adjacente a sede da usina. Esta indústria opera a plena carga intensamente no período de safra, quando o sistema elétrico da usina opera em paralelo com o sistema da concessionária local. Em virtude disto foi proposto a avaliação da qualidade da energia elétrica nas instalações da indústria no período de safra e em seguida no período de entressafras. V. REFERÊNCIAS [1] PRODIST - Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional, Módulos 5 e 8 - Qualidade da Energia Elétrica, Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL, [2] CIGRÉ Final Draft Report, "Power Quality Indices and Objectives", CIGRÉ Working Group WG 36.07, [3] Módulo 2, "Padrões de Desempenho da Rede Básica e Requisitos Mínimos Para sua Instalação", ONS - Operador Nacional do Sistema Elétrico, [4] ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica. Resolução nº 505, de 26/11/2001; [5] Dugan, R. et al. "Electrical Power System Quality". VII. BIOGRAFIA Josué de Camargo, nasceu em São Paulo/SP, Brasil, em 28 de Abril 1958, se graduou como Engenheiro Eletricista na Universidade Estadual de Campinas UNICAMP - Brasil (1981. Trabalhou durante 18 anos na CPFL Companhia Paulista de Força e Luz. Atualmente desenvolve diversos trabalhos na área de Qualidade da Energia Elétrica, e Diretor da Expertise Engenharia Ltda., empresa especializada em prestação de serviços de Qualidade de Energia Elétrica para indústrias e em Projetos de Pesquisa e Desenvolvimento. Daniel de Souza Marcelino, nasceu em Ituituaba/MG, Brasil, em 24 de setembro de 1979, em 2004 se graduou como Engenheiro Eletricista pela Universidade Estadual de Minas Gerais. Desde 2005 trabalha como Engenheiro na Expertise Engenharia LTDA. onde desenvolve projetos de pesquisa na área de Qualidade da Energia Elétrica Wilson Martins Borges nasceu em Ituiutaba/MG, Brasil, em 03 de Fevereiro de Em 2001 se graduou como Engenheiro Eletricista pela Universidade Estadual de Minas Gerais, e em 2005, obteve o título de mestre pela Universidade do Estado de São Paulo - UNESP. Desde 2005 trabalha como Engenheiro na Expertise Engenharia LTDA. onde desenvolve projetos de pesquisa na área de Qualidade da Energia Elétrica.