QUALIDADE DE ENERGIA

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1 Universidade de Coimbra Faculdade de Ciências e Tecnologia Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores QUALIDADE DE ENERGIA Gestão de Energia Eléctrica Coimbra 2004

2 Universidade de Coimbra Faculdade de Ciências e Tecnologia Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores QUALIDADE DE ENERGIA G. E. E. Trabalho Realizado no Âmbito da disciplina de Gestão de Energia Eléctrica pelos alunos: Fernando Jorge dos Santos Barra Oliveira feracer@alumni.deec.uc.pt Hélder Luís Ribeiro da Torre htorre77@alumni.deec.uc.pt Jorge Manuel Simões de Almeida jorge-al@alumni.deec.uc.pt QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 2

3 Índice 1. INTRODUÇÃO QUALIDADE DE SERVIÇO CONCEITO DE QUALIDADE DE ENERGIA NORMALIZAÇÃO O QUE SÃO AS NORMAS IMPORTÂNCIA DA NORMALIZAÇÃO NORMALIZAÇÃO NO ÂMBITO DA QUALIDADE DE ENERGIA NORMALIZAÇÃO EM PORTUGAL Regulamento da Qualidade de Serviço Norma NP EN Normas IEC ORIGEM DAS PERTURBAÇÕES DA QUALIDADE DA ENERGIA NOS CENTROS DE PRODUÇÃO NOS SISTEMAS DE TRANSPORTE NOS SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO NAS CARGAS PERTURBAÇÕES DA QUALIDADE DA ENERGIA CAVAS DE TENSÃO Origem das Cavas de Tensão Consequências das Cavas de Tensão Formas de Mitigação das Cavas de Tensão INTERRUPÇÕES BREVES E LONGAS (CONTINUIDADE DE SERVIÇO) Indicadores da Continuidade de Serviço Origem das Interrupções Consequências das Interrupções Formas de Mitigação das Interrupções SOBRETENSÕES Origem das Sobretensões Consequências das Sobretensões Formas de Mitigação das Sobretensões FLUTUAÇÕES DE TENSÃO Origem das Sobretensões Consequências das Sobretensões Formas de Mitigação das Sobretensões OSCILAÇÕES DE FREQUÊNCIA Origem das Oscilações de Frequência Consequências das Oscilações de Frequência Formas de Mitigação das Oscilações de Frequência DESEQUILÍBRIO DE FASES Origem do Desequilíbrio de Fases Consequências do Desequilíbrio de Fases.. 32 QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 3

4 Formas de Mitigação do Desequilíbrio de Fases DISTORÇÃO HARMÓNICA Origem da Distorção Harmónica Consequências da Distorção Harmónica Formas de Mitigação da Distorção Harmónica MONITORIZAÇÃO DA QUALIDADE DA ENERGIA IMPORTÂNCIA DA MONITORIZAÇÃO OBJECTIVOS DA MONITORIZAÇÃO CONCLUSÕES SOBRE A MONITORIZAÇÃO CUSTOS DA NÃO QUALIDADE DA ENERGIA AVALIAÇÃO DOS CUSTOS ESTIMATIVAS DOS CUSTOS PANORAMA EM PORTUGAL ORIGEM DOS INCIDENTES (PERTURBAÇÕES) EM MEDIÇÕES EFECTUADAS Distorção Harmónica Flutuações de Tensão (Flickers) Desequilíbrio de Fases Cavas de Tensão Oscilações de Frequência CONCLUSÃO TERMINOLOGIA BIBLIOGRAFIA. 55 QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 4

5 Lista de Abreviaturas AC Alternating Current (Corrente Alternada) AT Alta Tensão BT Baixa Tensão CBEMA Computer and Business Equipment Manufacturers Association CEI Comissão Electrotécnica Internacional CEM Compatibilidade Electromagnética CENELEC Comité Europeu de Normalização Electrotécnica (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique) DC Direct Current (Corrente Contínua) DGE Direcção Geral de Energia DVR Dynamic Voltage Restorer EN European Norm (Norma Europeia) ERSE Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos EUA Estados Unidos da América FAC Fontes de Alimentação Comutadas FP Factor de Potência IEC International Electrotechnical Commission IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor Bipolar com Porta Isolada) IPQ Instituto Português da Qualidade ITIC Information Technology Industry Council JIT Just In Time MAT Muito Alta Tensão MT Média Tensão NP Norma Portuguesa PQ Power Quality (Qualidade da Energia) PRE Produção em Regime Especial PT Posto de Transformação QE Qualidade da Energia QEE Qualidade da Energia Eléctrica QS Qualidade de Serviço RDP Rede de Distribuição Pública REN Rede Eléctrica Nacional RMS Root Mean Square (Valor Eficaz) RNT Rede Nacional de Transporte RQS Regulamento da Qualidade de Serviço SEI Serviço Eléctrico Independente SEP Sistema Eléctrico de Serviço Público THD Taxa de Distorção Harmónica ou Distorção Harmónica Total (Total Harmonic Distortion) UCTE Union Pour la Coordenation du Transport de l Electricité UIE União Internacional para as aplicações Eléctricas (Union Internationale d Electrothermie) UPS Uninterruptible Power Supply (Fonte de Alimentação Ininterruptível) VEV Variador Electrónico de Velocidade QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 5

6 1. INTRODUÇÃO Possivelmente a EE é a mais importante das matérias-primas usadas e comercializadas dos tempos de hoje. Mas, a sua natureza obriga a que a produção e o consumo se efectuem ao mesmo tempo, uma vez que os sistemas de armazenagem não são suficientemente eficientes e baratos para que a desagregação temporal entre os momentos de produção e de consumo seja rentável. Este é um caso onde a filosofia JIT é de aplicação obrigatória. Tal como em qualquer outra aplicação dos métodos da filosofia JIT, os sectores da produção, transporte e distribuição de EE devem conter sistemas de controlo muito eficientes, ter um alto nível de confiança, para que os presumíveis clientes confiem nas entidades que compõem o sector eléctrico como capazes de produzir e fornecer EE às suas cargas, obedecendo a todas as especificações do produto em causa e, devem ainda conhecer na perfeição o modo como os clientes se comportam e a relação entre o comportamento da procura e a capacidade de produção. Para complicar ainda mais a dinâmica da produção e transporte e distribuição de EE, o local onde se produz pode situar-se muito distante do ponto de toma do consumidor. Se todas as infra-estruturas e equipamentos que produzem e distribuem EE estivessem sob dependência absoluta de apenas uma só entidade, o processo poderia parecer mais fácil mas a realidade é que o destino dos monopólios nunca é muito risonho e a liberalização do sector eléctrico vem como que a acudir o sector contra a falta de competição, mesmo que o processo se torne ainda mais complexo. O panorama da liberalização do sector eléctrico traz ainda mais complicações à gestão da totalidade do processo em causa: As redes de distribuição, que constituem monopólios naturais locais podem estar a cargo de diferentes empresas responsáveis pela rede local em diferentes zonas; Todos os produtores reclamam melhores níveis de eficiência para poderem subir na pirâmide do despacho à produção; Surge uma nova entidade: os comercializadores de EE; Os inúmeros equipamentos estão espalhados ao longo de todo o país, à responsabilidade de diferentes entidades (estatais ou privadas). Produzir e entregar EE a quem pretende consumir já é muito complexo, quanto mais controlar todos os equipamentos e indivíduos intervenientes no processo, no sentido de melhorar e controlar a qualidade da EE. A situação piora com a necessidade de instalar equipamentos de aquisição, registo, tratamento e envio de informação sobre a qualidade da EE. Tal como se de uma simples empresa se tratasse, o sector eléctrico pretende ir de encontro às necessidades dos seus clientes. Os clientes na realidade não pretendem EE na sua forma primária mas sim as utilidades que esta proporciona por meio da sua conversão para outras formas de energia. De facto, o que o consumidor pretende é que todos os seus sistemas e equipamentos tenham alimentação. As utilidades são inúmeras: iluminação, aquecimento de água, accionamentos mecânicos múltiplos, equipamento de criação, gestão e comunicação de informação automática, meios de contacto, fornos, entretenimento etc. A postura das empresas e organizações que compõem o sector eléctrico, tem que ir bem além da simples entrega de pacotes de energia ( kwh ) para lá do contador porque, embora existam clientes para os quais a qualidade da EE é suficiente para a satisfação das suas QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 6

7 exigências no que respeita às utilizações de EE, existem muitos outros para os quais a QE constitui um elemento crucial. O sector eléctrico tem que estar preparado para fornecer EE com qualidade diferenciada a todos os que estiverem na disposição de investir para a obter. Hoje em dia já existe quem disponibilize pacotes de soluções que incluem o fornecimento de: EE com alta fiabilidade; energia na forma de calor ou frio; serviços de assistência permanente; garantia dos serviços acordados com indemnizações ao cliente caso exista incumprimento. Em alguns dos casos, os equipamentos de suporte à QE nem se encontram instalados nas centrais de produção centralizada, podendo aparecer ao longo das redes de distribuição ou mesmo dentro dos espaços dos clientes, para lá do contador. Note-se que, nos pacotes de serviço de EE com qualidade diferenciada, os equipamentos de suporte à QE são da responsabilidade de quem vende este tipo de serviços. Os serviços com qualidade diferenciada e com alto nível de adaptabilidade aos requisitos dos consumidores são dispendiosos e exigem que todos os intervenientes nos processos de produção, T&D e comercialização de EE estejam altamente especializados e totalmente conscientes e comprometidos com os aspectos da Gestão de Qualidade Total. Uma postura deste tipo requer ferramentas evoluídas para gestão da qualidade e uma compreensão globalizada, com a maior profundidade possível, das necessidades dos clientes, capacidades e características do seu produto ou serviço, atitudes da concorrência e que apresente vantagens competitivas relativamente à oferta dos concorrentes, a preços competitivos. 2. QUALIDADE DE SERVIÇO A qualidade de serviço (QS) de fornecimento de EE estabelece os padrões mínimos de qualidade de natureza técnica e comercial a que deve obedecer o serviço prestado pelas entidades do SEP. A EE normalmente é gerada em locais distantes dos pontos de entrega sendo o percurso desde o ponto em que é gerada até ao ponto em que é consumida um trilho sinuoso por entre um elevado número de geradores, transformadores, cabos aéreos, subterrâneos, ligações, disjunções, ramais, etc. A qualidade da EE no ponto de produção tem níveis muito elevados e uniformes. Já as redes de distribuição, de onde é originária a maioria das perturbações verificadas nos pontos de entrega, contribuem de forma nociva degradando a QS. Mesmo sem referir as causas de força maior, são inúmeros os acontecimentos que provocam perturbações da QS (ver Figura 1): descargas atmosféricas, árvores, vento excessivo, humidade relativa do ar muito alta, acidentes de automóveis, animais, obras de construção, etc. Toda a conjuntura associada à progressiva liberalização do sector eléctrico vem aumentar a divisão de propriedades e de responsabilidades das estruturas que compõem o sistema eléctrico, tornando difícil a tarefa de garantir a QS de fornecimento de EE, tanto a nível técnico como a nível comercial. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 7

8 O número de consumidores com necessidades acrescidas de QS no fornecimento de EE tem aumentado significativamente nos últimos anos o que vem reforçar a importância deste factor. A evolução e proliferação de cargas não lineares, altamente susceptíveis a falhas de QE, tem levado a um crescente nível de exigência por parte dos consumidores, cujos níveis de qualidade exigidos ou desejados são geralmente incompatíveis com aqueles entendidos pelos fornecedores e distribuidores como sendo os mais justos. De referir que, nesta fase, nem todos os factores perturbadores da QS são imputáveis aos fornecedores ou distribuidores. Neste campo, o papel dos clientes assume grande relevo, uma vez que algumas das perturbações são geradas dentro das próprias instalações ou derivam directa ou indirectamente da falta de cuidados no projecto das instalações dos consumidores. A resolução dos problemas referentes à falta de QS de fornecimento de EE implica a conjugação de esforços entre produtores, distribuidores e clientes. Figura 1 Conjuntura das Perturbações na Qualidade de Serviço [4] A QS de fornecimento de EE inclui aspectos do impacto exercido sobre o desempenho dos equipamentos e na exploração do sistema como um todo, quer do lado do cliente quer do lado das empresas que contribuem para o serviço de fornecimento de EE. Seguindo a orientação dada por especialistas nesta matéria, diz-se que a QS de fornecimento de EE pode ser descrita segundo três dimensões: Qualidade da Onda da designação inglesa Power Quality - o produto é a EE, devendo todos os seus parâmetros característicos encontrar-se muito próximos dos valores nominais desejados (amplitude das ondas que compõem o sistema de tensões constante, sistema de tensões perfeitamente equilibrado e simétrico, frequência constante e forma de onda sinusoidal); Continuidade do serviço da designação inglesa Power Reliability - o fornecimento de EE deve estar sempre disponível e em condições de Qualidade de Onda; Qualidade Comercial não está intimamente relacionada ao produto em questão mas sim ao conjunto de serviços que estabelecem a ligação entre o distribuidor e cliente. Este aspecto de qualidade é comum ao bom serviço em qualquer sector e inclui os seguintes aspectos: o tempo de resposta entre contratação de um serviço e o seu fornecimento; o atitude dos colaboradores no contacto com o cliente e perante reclamações; o responsabilização pelo incumprimento das cláusulas contratuais; o eficácia e existência de canais de comunicação; o política económica e tarifária; QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 8

9 o facilidade de compreensão e leitura das facturas de EE; o eficiência, facilidade e disponibilidade de métodos de pagamento; o apoio técnico, disponibilidade de informação e resposta a questões técnicas. Estas dimensões podem ser divididas por parâmetros de natureza comercial (qualidade comercial) e parâmetros de natureza técnica (continuidade de serviço e qualidade da onda). A título de conclusão, poderá dizer-se que a QS de fornecimento de EE é tanto melhor quanto menor for a diferença entre as características do fornecimento de EE e os parâmetros e aspectos que caracterizam a EE perfeita. 3. CONCEITO DE QUALIDADE DE ENERGIA Como foi visto em cima, a QS de fornecimento de EE inclui a totalidade dos factores na relação entre vendedor de EE e consumidor, incluindo inúmeros aspectos para lá da qualidade do produto em causa: comercialização, assistência, relacionamento com os consumidores, atendimento, gestão e análise de problemas técnicos e comerciais, resposta a reclamações, etc. A qualidade da energia eléctrica enquadra-se no contexto da qualidade de serviço, mais precisamente nos aspectos relacionados com a qualidade da onda de tensão e com a continuidade de serviço. Porém o seu conceito é vasto e complexo e pode ser interpretado de diferente modo por diferentes intervenientes no processo, desde a produção até ao consumo de EE. É desta problemática que surgem as normas e os regulamentos de qualidade do produto EE, que serão abordados mais adiante. O conceito de QE foi pela primeira vez utilizado numa publicação realizada pela Marinha dos Estados Unidos em 1968, em que se analisaram as especificações de equipamento electrónico relativas à alimentação. Contudo, este conceito ainda hoje não reúne consenso sobre sua definição, tendo vindo a sofrer reformulações. A definição de QEE possui significados e interpretações diferentes consoante as necessidades dos clientes envolvidos, mas o que está regulamentado e legislado não deve ter mais do que uma interpretação. Destacam-se deste modo as seguintes definições de QEE. Uma possível definição é a frequência e severidade relativas dos desvios da sinusóide perfeita à frequência fundamental de 50Hz da tensão e/ou corrente que alimentem os equipamentos eléctricos. Uma outra possível abordagem será as características dos sistemas eléctricos e da alimentação que afecte a performance das cargas, bem como as características das cargas que afectem o bom desempenho do sistema eléctrico ou de outras cargas. Deste modo temos que a qualidade da energia eléctrica é o resultado da interacção desta com os equipamentos eléctricos. Numa perspectiva simplista, podemos dizer que se estes funcionarem correctamente, sem serem danificados ou perturbados, então a energia eléctrica é de boa qualidade, caso contrário esta será de pior qualidade. Numa abordagem mais técnica diz-se que uma alimentação de EE em perfeitas condições é aquela que está sempre disponível, dentro das tolerâncias de amplitude de tensão e frequência e com uma forma de onda de tensão perfeitamente sinusoidal. A partir deste ponto, QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 9

10 os desvios toleráveis dependem do tipo de carga em questão. Diferentes tipos de carga têm níveis de tolerância diferentes para os diferentes tipos de defeito da alimentação de EE. 4. NORMALIZAÇÃO 4.1. O QUE SÃO AS NORMAS As normas são acordos documentados contendo especificações técnicas, ou outro tipo de critérios exactos, que servem para serem utilizados como regras, orientações ou definições de características que assegurem que materiais, produtos ou processos servem os fins para que foram concebidos. A definição de normas é sempre feita por consenso, recolhendo o contributo de todas as partes interessadas - fabricantes, técnicos e especialistas, organismos reguladores e clientes IMPORTÂNCIA DA NORMALIZAÇÃO A evolução da economia de mercado nos nossos dias estimula cada vez mais as organizações que querem ser competitivas, a procurarem os seus clientes e fornecedores a nível global. A existência de referências comuns, que sejam reconhecidas de um país para outro, de uma região do globo para outra, assume assim uma importância fulcral para garantir o comércio livre e a competição justa entre empresas. As normas que abrangem um determinado produto, serviço ou tecnologia servem assim como uma linguagem comum no comércio internacional. Nas fases iniciais de concepção e desenvolvimento de novas tecnologias, as aplicações práticas podem ser imaginadas mas nem sempre concretizadas em protótipos funcionais. Nestes casos, as necessidades de normalização incidem especialmente sobre a definição de terminologias e de informações de referência que orientem todo o processo de desenvolvimento NORMALIZAÇÃO NO ÂMBITO DA QUALIDADE DE ENERGIA A normalização permite, por um lado, definir os níveis de Qualidade da Energia que têm de ser satisfeitos pelas empresas distribuidoras, e por outro, força os fabricantes a disponibilizar equipamentos mais robustos do ponto de vista da Qualidade da Energia. Visando este objectivo, têm vindo a ser desenvolvidas normas por diversos organismos, dos quais se destacam os seguintes: IEC International Electrotechnical Commission; IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers; CENELEC Comité Europeu de Normalização Electrotécnica (principal organismo de normalização da Europa). Pretende-se com estas normas focar três aspectos fundamentais: Definição de Terminologia: é apresentada a definição dos conceitos relativos ao fenómeno da Qualidade da Energia, bem como, são normalizados os conceitos e técnicas de medição dos diversos parâmetros desta, facilitando assim a troca de informação entre os diversos fabricantes de equipamentos, empresas do sector eléctrico e consumidores; QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 10

11 Definição das Características Nominais: são definidas as características nominais de um produto disponibilizado e as respectivas tolerâncias; Definição de Limites para as Perturbações: este é o objectivo final de uma norma de Qualidade da Energia NORMALIZAÇÃO EM PORTUGAL Regulamento da Qualidade de Serviço A principal ferramenta em Portugal, no que se refere à normalização de Qualidade da Energia é o Regulamento de Qualidade de Serviço. Este regulamento, publicado pela DGE, estabelece os padrões mínimos de qualidade técnica (continuidade de serviço e qualidade da onda de tensão) e qualidade comercial a que deve obedecer o serviço prestado pelas entidades do SEP. Este regulamento aplica-se às seguintes entidades: REN, a entidade concessionária da Rede Nacional de Transporte de energia eléctrica (RNT); Distribuidores vinculados, EDP distribuição e cooperativas de distribuição de energia eléctrica; Clientes do SEP; Produtores do SEI e aos clientes não vinculados, com instalações fisicamente ligadas às redes do SEP. Relativamente à definição de continuidade de serviço, são utilizados alguns parâmetros que serão mencionados mais à frente, cujos limites são definidos de acordo com a distribuição dos consumidores por três zonas. As zonas geográficas de qualidade de serviço estão definidas segundo critérios de organização administrativa e de acordo com o número de clientes por localidade, como pode ser visto na Tabela 1. Zona A Capitais de distrito com mais de clientes Zona B Localidades com um número de clientes compreendido entre 2000 e Zona C Restantes locais Tabela 1 Classificação de zonas para estabelecimento de padrões de qualidade de serviço. [1] Nas tabelas seguintes (Tabela 2 e Tabela 3) estão definidos os principais indicadores de continuidade de serviço pelo RQS, para cada cliente, consoante o nível de tensão e a zona geográfica. No regulamento, apenas são contabilizadas as interrupções longas, ou seja, interrupções cuja duração é superior a 3 minutos. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 11

12 MAT AT MT BT Zona A 8 12 Zona B Zona C Tabela 2 Número limite de interrupções longas por ano, definidas pelo RQS para cada cliente. [1] MAT AT MT BT Zona A 4 6 Zona B 0, Zona C Tabela 3 Número limite de duração total das interrupções longas por ano, definidas pelo RQS para cada cliente (em horas). [1] Relativamente à qualidade da onda de tensão, este regulamento estabelece os limites para os indicadores desta, para as redes de AT e MAT, adoptando os limites para BT e MT definidos pela norma NP EN Norma NP EN Esta norma que se define por Características da tensão fornecida pelas redes de distribuição pública de energia eléctrica, descreve e esclarece as características da tensão de alimentação num ponto de entrega das redes de distribuição pública de energia eléctrica em BT e em MT, em condições de exploração normal, impondo limites para determinados fenómenos perturbadores da onda de tensão no que respeita à amplitude, frequência, forma de onda e simetria das tensões trifásicas. No primeiro ponto, a norma apresenta a delimitação do respectivo campo de aplicação, enumerando as condições anormais de exploração onde não é aplicável: avarias, condições provisórias de fornecimento (manutenção, construção ou manobras da rede); não conformidades de instalação a jusante do ponto de entrega; não conformidades de instalação a montante da rede de distribuição pública; condições especiais, alheias à vontade do fornecedor: o condições climatéricas e catástrofes naturais; o perturbações causadas por terceiros; o decisões oficiais; o greves; o casos de força maior; o interrupções com causas externas. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 12

13 Ainda dentro deste mesmo ponto, esclarece os limites da própria norma quanto à sua utilização: não estabelece níveis de CEM; não impõe limites à emissão de perturbações pelos clientes para a RDP; não se destina à utilização em especificações de requisitos em normas de produtos; não é substituível em parte nem por todo por nenhum termo de contracto entre o cliente e o fornecedor. Posteriormente são definidos e delimitados os conceitos que envolvem os contratos de fornecimento de energia eléctrica. Este ponto é de especial importância não só porque define conceitos para não existirem equívocos mas também porque torna a norma auto-contida. Tal como é do conhecimento de todos os que estão envolvidos neste campo, existem inúmeras nomenclaturas, definições e denominações que se referem a aspectos comuns. De país para país, de região para região, de especialidade técnica para especialidade técnica, de campo de aplicação para campo de aplicação, um só conceito é definido de forma diferente, apresenta diferentes nomenclaturas, tem diferentes denominações e em muitos casos a confusão instalase tornando o tratamento destes conceitos um trabalho árduo e de extrema complexidade. Como o objectivo é a normalização globalizada para entendimento comum de tudo entre todos, é essencial que uma boa norma vá para além de especificações de limites e de características de um determinado aspecto e estabeleça, de forma directa e concreta, a nomenclatura e a denominação usada de todos os conceitos técnicos utilizados na própria. Uma norma auto-contida é muito mais útil e imune a críticas destrutivas devido ao seu cariz desprovido de equívocos Normas IEC O conjunto de normas IEC pretende abordar todos os fenómenos relacionados com a Qualidade da Energia que possam induzir perturbações no equipamento de uso final. Este conjunto divide-se em 6 partes do seguinte modo: Geral são feitas considerações gerais sobre a Qualidade da Energia; Ambiente Electromagnético definem-se as condições electromagnéticas a que se devem encontrar instalados os equipamentos; Limites definem-se os limites máximos de emissão dos equipamentos ligados às redes públicas e os limites de perturbações que estes deverão suportar sem que ocorram falhas no seu funcionamento; Técnicas de Teste e Medida são indicadas de forma detalhada as técnicas e métodos a utilizar para efectuar a medição e avaliação da conformidade entre o aparelho e o ambiente; Linhas de Orientação para Instalações e Mitigação de Problemas são indicadas formas de instalação de equipamentos, relativamente aos sistemas de terra e condutores a utilizar, assegurando a compatibilidade entre os equipamentos eléctricos e os equipamentos electrónicos que partilham o mesmo ambiente; Diversos são definidos os níveis de imunidade às perturbações electromagnéticas que os equipamentos devem possuir. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 13

14 5. ORIGEM DAS PERTURBAÇÕES DA QUALIDADE DA ENERGIA 5.1. NOS CENTROS DE PRODUÇÃO À semelhança do que acontece em quase todo o mundo, a maior parte da EE consumida em Portugal é produzida em centros produtores de grande capacidade. Este tipo de geradores e respectivas instalações eléctricas adjacentes são projectadas de forma minuciosa para virem a integrar o sistema interligado de produção de EE, que se pretende com capacidade de reserva significativa, capaz de responder ao aumento de carga no sistema sem que se verifiquem cavas de tensão significativas à sua saída. Dentro dos centros de produção de EE, as cargas existentes são lineares não originando perturbações na QEE. Em suma, a QEE à saída dos centros de produção de EE apresenta altos níveis. Numa visão mais alargada, pode referir-se que é o conjunto de todas as grandes centrais electroprodutoras que segura o maior nível de QEE existente em toda a estrutura do sector eléctrico. Porém, desde que a electricidade é gerada neste grandes centros produtores até ser consumida, pode sofrer diversas perturbações, originando uma degradação da sua qualidade. Estas perturbações podem ser introduzidas quer na rede de transporte, quer na rede de distribuição, quer pelas cargas ligadas ao sistema NOS SISTEMAS DE TRANSPORTE À saída das grandes centrais electroprodutoras, a energia é injectada na rede de transporte em AT ou em MAT na ordem dos 150, 220 e 400kV, de forma a optimizar o seu transporte até aos pontos de ligação à rede de distribuição. Neste percurso, a EE fica exposta a inúmeros agentes perturbadores que exercem efeitos nocivos à QEE. Em seguida, são referidos alguns dos factores mais importantes: Variação das indutâncias das linhas, originada pelas oscilações laterais dos vãos das linhas de transporte aéreas, provocadas por ventos fortes. Ainda que possa ser minimizado pela sua transposição, este efeito tem sempre impacto manifesto em oscilações de tensão aleatórias no extremo da linha; Descargas Atmosféricas, que ocorrem nos locais onde se encontram as linhas. O facto da rede aérea se encontrar a uma altura relativamente elevada e uma vez que as linhas, são constituídas por material condutor, a rede de transporte é um autêntico chamariz de descargas atmosféricas. A ocorrência destes fenómenos origina picos de tensão de amplitude muito elevada e de curta duração. Neste tipo de rede (AT e MAT) não se trata de um problema tão gravoso como no caso das redes de MT e BT, onde os picos podem causar sobretensões muito perigosas. Agregado a este factor vem o disparo das aparelhagens de protecção que, para além dos picos de tensão já referidos, originam interrupções de fornecimento de duração directamente proporcional à gravidade do pico de tensão; Contornamento dos isoladores, que ocorre por disrupção da linha à terra, que normalmente são provocadas por acumulação de poeiras e de humidade nos isoladores. As disrupções à terra (ou passagem à terra), originam cavas de tensão nas fases que estão a dar passagem à terra e também o desequilíbrio do sistema trifásico, podendo dar lugar ao disparo da aparelhagem de protecção. Este tipo de perturbações pode originar pequenas interrupções e fenómenos transitórios relativos ao refecho dos QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 14

15 disjuntores de protecção da linha de transporte e, em casos extremos, interrupções de longa duração; Quedas de tensão por efeito de Joule na impedância das linhas, uma vez que a impedância das linhas de transporte não é nula, causando a variação da amplitude da onda de tensão da ordem dos 10% entre situações de vazio e de plena carga; Influência de linhas interligadas, que apesar de contribuírem de forma positiva pela redução das impedâncias em qualquer ponto de ligação e pelo aumento da estabilidade e fiabilidade do sistema, mas também contribuem de forma negativa ao criar meios de propagação difusa de perturbações. Em princípio a difusão da perturbação por várias linhas pode até parecer uma vantagem porque a perturbação espalha-se pela rede em porções de menor intensidade e menos problemáticas, mas este aspecto torna o projecto de novas redes muito dependente das redes adjacentes. O que para uma determinada linha é uma pequena perturbação pode não o ser para outro troço de rede. Hoje em dia, o projectista deve projectar troços de rede auto sustentáveis no que respeita a capacidade e protecção, sem que para tal origine situações de desequilíbrio nas redes periféricas que anteriormente funcionavam sem aqueles problemas. Caso contrário, cada vez que se instalassem novas redes de transporte tinham que se fazer revisões a toda a aparelhagem de protecção das redes adjacentes assim como às capacidades de resposta a perturbações de todas as redes adjacentes; Agressões físicas, tais como incêndios, temporais, ninhos de cegonha ou ruptura de linhas. Este tipo de acontecimentos originam sempre perturbações graves e as suas consequências são de grande escala. Tome-se como exemplo o sucedido nas linhas da rede que alimenta o sul de Portugal continental no verão de 2003, em que o fogo que fustigou a zona onde se encontrava uma das linhas da rede de transporte provocou a sua disfunção, até à interrupção definitiva do troço em questão NOS SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO Salvo as ligações directas em AT e MAT aos grandes consumidores de EE, a rede de transporte termina em grandes subestações, onde a EE é transformada para valores de MT com valores de amplitude de tensão típicos de 15, 30 e 60kV, a fim de ser distribuída por regiões geográficas mais restritas e de ser transportada até próximo dos clientes finais, da forma mais económica possível. Ao longo da rede de distribuição a EE vai sofrendo transformações consecutivas até se adaptar à forma mais adequada de alimentação do cliente final. Alguns grandes clientes adquirem EE em MT, efectuando a transformação necessária dentro das próprias instalações. Outros adquirem EE em níveis adaptados à utilização final mais comum, isto é, BT a 230V monofásica ou 400V trifásica. As sucessivas reduções de amplitude da onda de tensão são feitas em transformadores implicando adições sucessivas de impedâncias com características não lineares desde os geradores das centrais electroprodutoras até às cargas finais. Em casos de excesso de energia reactiva produzida pelo conjunto de transformadores e de cargas, é necessária a instalação de bancos de condensadores para compensação do FP. Mais uma vez, a instalação de aparelhagem faz com que se introduzam mais impedâncias e, consecutivamente, aumenta a probabilidade de ocorrerem perturbações de QEE. Por outro lado, a rede de distribuição em MT e BT é muito mais susceptível a perturbações do que a rede de transporte, devido à sua abrangência geográfica. As redes de distribuição encontram-se em todo o lado e estão muito mais acessíveis e susceptíveis a agentes perturbadores da QEE. A extrema vulnerabilidade da rede de distribuição e o facto de se QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 15

16 encontrar espalhada por toda a parte faz com que seja a fonte de maior parte das perturbações de QEE. A rede de distribuição atravessa inúmeras zonas com imensos potenciais agressores físicos: gruas em zonas de obras, árvores em zonas rurais, automóveis em zonas de estrada, animais, incêndios, agentes catalizadores dos processos de oxidação em estações de tratamento de resíduos, minas ou salinas etc. Mesmo no que respeita a factores de cariz ambiental e meteorológico este tipo de redes é mais preocupante. Tome-se o exemplo mais óbvio das descargas atmosféricas. As redes de transporte são protegidas com cabos de guarda (ver Figura 2) que escoam a EE das descargas atmosféricas à terra sem que se dê lugar a perturbações de maior calibre. Mesmo que a descarga se efectue em parte, ou por todo, nos cabos da rede de transporte, as repercussões a nível da integridade da linha ou mesmo da aparelhagem por onde se propagará a perturbação, não será tão crítica como no caso das redes de distribuição, devido à atenuação ao longo da própria rede, ao escorvamento pelos isoladores que se encontram nos postes da rede de transporte, à difusão da sobretensão por várias linha adjacentes ou mesmo às impedâncias existentes ao longo de toda a rede. As descargas nas redes de distribuição são muito mais problemáticas. Por um lado é uma rede mais sensível a descargas atmosféricas e porque não tem cabos de guarda, por outro lado porque está próxima das cargas dos clientes. Normalmente, uma descarga atmosférica num ponto da rede de distribuição tem sempre efeitos nefastos tanto nos equipamentos do lado da rede como nos equipamentos do lado do consumidor. Um exemplo que descreve de forma concreta este facto foi o que sucedeu numa tempestade tropical no verão de 1978 numa zona industrial Brasileira. Uma primeira descarga atmosférica causou a fusão instantânea dos materiais constituintes dos equipamentos de protecção do PT de uma pequena indústria de cerâmica e uma segunda descarga danificou equipamentos com valor estimado em 730 mil contos. Assim, conclui-se que quanto mais longe do gerador nos situarmos, maior é o número de perturbações por unidade de tempo e piores são as consequências dessas mesmas perturbações. Figura 2 Cabos de Guarda 5.4. NAS CARGAS Desde a década de 1970 que se tem vindo a assistir ao aparecimento de cargas baseadas em dispositivos electrónicos sensíveis, tais como díodos, transístores, tirístores, IGBT s, circuitos integrados, microprocessadores, etc. As vantagens a nível de consumo de EE e de capacidade de controlo fizeram com que este tipo de cargas proliferasse de uma forma bastante rápida. Mas, este tipo de tecnologias trouxe consigo perturbações de QEE que proliferam à mesma velocidade, acrescido de um aumento considerável de sensibilidades às perturbações da QEE. Esta tecnologia gera perturbações de QEE e é ao mesmo tempo a maior vítima dessas mesmas perturbações. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 16

17 Na altura em que se efectuaram os projectos dos equipamentos deste tipo, houve muito descuido na prevenção contra a poluição da rede. A forma de onda das correntes absorvidas por este tipo de equipamentos é rica em harmónicos de alta-frequência e rapidamente começaram a aparecer na rede os efeitos desta falta de linearidade. A progressiva substituição das fontes de alimentação lineares pelas FAC foi o principal factor responsável pelo grande aumento do impacto nocivo na QEE. A alteração da natureza das cargas é o factor que mais tem promovido o aparecimento dos problemas relacionados à QEE. Nos dias de hoje a maioria das cargas eléctricas têm FAC s, que utilizam na sua composição electrónica de potência. As FAC s apresentem inúmeras vantagens (alta eficiência, controlo mais preciso de processos, baixo consumo, peso e tamanho reduzido, etc.) mas não são lineares, isto é, a corrente que absorvem não é sinusoidal. Este factor faz com que, ao mesmo tempo que causam perturbações nas ondas de corrente e de tensão, são também as maiores vítimas da falta de QEE, pois são muitos sensíveis a essas perturbações. Actualmente a grande maioria dos problemas de qualidade de energia que afectam um dado edifício/instalação têm como origem esse mesmo edifício/instalação. Na Figura 3 são apresentadas algumas características de cargas não lineares. O efeito introduzido por este tipo de cargas vai propagar-se, contribuindo para a degradação da tensão da rede eléctrica, conforme ilustra a Figura 4. Figura 3 Características de algumas cargas não lineares [12] QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 17

18 Figura 4 Degradação da tensão da rede causada pelas cargas não lineares [12] 6. PERTURBAÇÕES DA QUALIDADE DA ENERGIA 6.1. CAVAS DE TENSÃO Uma cava de tensão ( sag ) corresponde a uma diminuição brusca do valor eficaz da tensão de alimentação para um valor entre 1 e 90% da tensão nominal, seguida de restabelecimento da tensão depois de um curto lapso de tempo (ver Figura 5). Por convenção uma cava de tensão dura de 10 milissegundos a 1 minuto [RQS, 2003]. Durante o tempo da cava de tensão, o valor eficaz da tensão desce para valores que poderão não ser suficientes para o bom funcionamento de certos equipamentos. Para vários dispositivos sensíveis a este tipo de perturbações, especialmente os dispositivos electrónicos, uma cava de tensão pode ter os mesmos efeitos que uma interrupção da alimentação, e tendo em conta que se observam com uma maior frequência do que as interrupções podem trazer prejuízos mais graves para um sector de actividade onde predominem tipos de cargas susceptíveis a este tipo de perturbação. Figura 5 Aspecto típico de uma cava de tensão [5] Origem das Cavas de Tensão As cavas de tensão podem ter origem em dois factores em especial: Ligação de grandes cargas: Quando se liga uma carga de grande potência na rede, por exemplo um motor de indução, onde a corrente de arranque poder ser 5 a 6 vezes superior à corrente nominal, existe uma maior queda de tensão que pode ultrapassar os valores mínimos permitidos, originando assim uma cava de tensão; QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 18

19 Defeitos na rede: Quando ocorre um defeito numa linha (curto-circuito), as correntes são elevadíssimas o que provoca um abaixamento de tensão nas linhas mais próximas (a linha com defeito é desligada pelos aparelhos de protecção) dando-se assim origem a uma cava de tensão nos locais mais próximos do defeito com uma maior profundidade, diminuindo quando se caminha para linhas mais distantes do defeito. Estas cavas de tensão têm uma duração típica de algumas centenas de milissegundos. O equipamento mais susceptível às cavas de tensão é o equipamento electrónico. Devido a alguns maus funcionamentos destes dispositivos no passado, foram criadas curvas de tolerância de tensão que regulam a alimentação para o bom funcionamento dos aparelhos electrónicos. A primeira curva a ser estabelecida foi a curva CBEMA (ver Figura 6) e surgindo depois a curva ITIC (ver Figura 7) que depois de revista em 2000 apresenta a forma da figura abaixo. Figura 6 Curva CBEMA Figura 7 Curva ITIC QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 19

20 Se uma perturbação da tensão de alimentação de um equipamento se situar na zona sombreada da figura, o equipamento deve operar normalmente, se estiver fora, o equipamento pode funcionar ou não Consequências das Cavas de Tensão As consequências de uma cava de tensão podem ser desastrosas para certas instalações ou processos produtivos. Apresentam-se de seguida alguns exemplos dos efeitos provocados pelas cavas de tensão em equipamentos que usualmente estão ligados a uma rede de energia eléctrica. Motores de indução O binário de um motor de indução é aproximadamente proporcional ao quadrado do valor da tensão aplicada aos seus terminais. Se houver uma pequena diminuição da tensão de alimentação, esta provoca uma grande redução do binário do motor, o que por sua vez leva a uma diminuição da velocidade do motor. Esta redução depende da profundidade da carga mas também das características do sistema motor-carga; Motores de síncronos Os motores síncronos possuem em geral uma maior inércia que os motores de indução o seu binário é proporcional a tensão de alimentação. Devido a estas características os efeitos de uma cava de tensão num motor síncrono não se farão sentir tanto como num motor de indução. Os motores síncronos podem suportar uma cava de tensão de 50% sem que a sua velocidade seja diminuída significativamente. Equipamento electrónico O equipamento electrónico representa uma parte significativa das cargas actuais e em muitos casos são estas as cargas mais criticas relativamente a perturbações na qualidade de energia eléctrica de uma instalação. Este tipo de equipamento requer alimentação em DC. Como a energia da rede é fornecida apenas AC, estes equipamentos recorrem a fontes de alimentação para poder rectificar a tensão e deste modo ser alimentados correctamente. Uma fonte de alimentação é normalmente constituída por uma ponte rectificadora, um filtro capacitivo e um módulo regulador. Quando ocorre uma cava de tensão, a tensão no barramento DC baixa pois esta depende da tensão de entrada da fonte, a taxa de diminuição depende do tamanho da cava de tensão e também da capacidade do condensador utilizado pela fonte. Nas fontes de alimentação mais modernas (fontes comutadas) a tensão de saída não é tão dependente da tensão de entrada como anteriormente permitindo assim uma gama de tensão de entrada mais ampla. No entanto em qualquer dos casos se a tensão no barramento DC baixar abaixo de um certo limiar o equipamento pode deixar de funcionar correctamente ou comportar-se como se tivesse ocorrido uma falha de alimentação. No caso se ser um equipamento electrónico doméstico ou de pequenos serviços, a falha do equipamento devido à cava de tensão pode reduzir-se a um pequeno incómodo e a alguma perda de informação (como é caso dos computadores), mas se o equipamento electrónico estiver a fazer a monitorização de algum processo produtivo industrial, esta pequena falha da alimentação pode ser responsável por uma paragem de todo um processo industrial mais complexo e com isso acarretar custos elevados. Neste tipo de equipamentos de controlo de processos é também usual, e sensato, proteger o sistema QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 20

21 contra uma má qualidade de energia eléctrica da rede, utilizando UPS s de modo a manter a qualidade da energia para o equipamento. Variadores electrónicos de velocidade Um variador electrónico de velocidade é constituído basicamente por quatro módulos: um rectificador, um filtro, um inversor e uma unidade de controlo. As cavas de tensão podem afectar o funcionamento de um variador electrónico de velocidade de várias formas: A unidade de controlo pode detectar variações das condições de alimentação e desliga o variador de modo a evitar danos nas partes de electrónica de potência. Os valores de tensão no barramento DC não são suficientemente elevados para assegurar o correcto funcionamento do inversor ou da unidade de controlo. Durante a ocorrência da cava ou imediatamente após a sua ocorrência podem existir correntes de valor elevado para carregar o condensador que podem fazer actuar os aparelhos de protecção do circuito de alimentação. O processo pode não permitir as eventuais variações de binário que o motor exerce e o processo para. De todas estas formas de afectação do funcionamento de um variador de velocidade o mais comum é a diminuição da tensão no barramento DC de modo a não conseguir assegurar o bom funcionamento do equipamento. Existem alguns métodos de minimizar os efeitos das cavas de tensão nos variadores electrónicos de velocidade. Ligar a unidade controlo a uma alimentação diferente da do variador. Podendo ainda colocar uma unidade que assegure o bom funcionamento durante alguma perturbação, já que a unidade de controlo é de baixo consumo. Colocar uma tecnologia de armazenamento de energia de modo a injectar essa mesma energia no barramento DC se se verificasse a diminuição da tensão. Utilizar elementos controláveis na rectificação da tensão em vez de díodos Formas de Mitigação das Cavas de Tensão A grande maioria das cavas de tensão é provocada por perturbações na rede de distribuição. Uma boa estratégia para mitigar estas perturbações é introduzir medidas como as descritas de seguida: Aumento da potência de curto-circuito da rede: deste modo conseguimos que a área afectada por uma perturbação seja menor, produzindo por isso menos cavas e de menor amplitude; Minimizar o tempo de eliminação dos defeitos: quanto menor o tempo de defeito menor será a cava de tensão; Isolar clientes sensíveis: no caso de existirem clientes mais sensíveis estes devem ser ligados a pontos da rede que estejam mais afastados das perturbações. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 21

22 Outro método de contrapor as cavas de tensão é a utilização de aparelhos dedicados à mitigação deste fenómeno. Entre outros são utilizados os seguintes: transformador ferroressonante, transformadores com regulação automática de número de espiras, reguladores de tensão estáticos, DVRs, e alguns aparelhos destinados a mitigar as interrupções (UPS, equipamentos de geração distribuída, etc.) que também estão aptos a resolver o problema das cavas de tensão INTERRUPÇÕES BREVES E LONGAS (CONTINUIDADE DE SERVIÇO) Os conceitos de continuidade de serviço e interrupções estão intimamente relacionados uma vez que, continuidade de serviço entende-se como o fornecimento de energia eléctrica sem interrupções. Segundo o RQS, define-se uma interrupção do fornecimento, ou entrega, de energia eléctrica como sendo uma situação em que, o valor eficaz da tensão de alimentação no ponto de entrega é inferior a 1% da tensão declarada Uc, em pelo menos uma das fases, dando origem a cortes de consumo nos clientes [RQS, 2003]. As interrupções podem ser consideradas acidentais ou previstas. No primeiro caso, consiste numa interrupção do fornecimento ou da entrega de energia eléctrica provocada por defeitos permanentes ou transitórios, na maior parte das vezes ligados a acontecimentos externos, a avarias ou a interferências. No segundo caso, trata-se de uma interrupção do fornecimento ou da entrega que ocorre quando os clientes são informados com antecedência, para permitir a execução de trabalhos programados na rede. As interrupções são caracterizadas pela sua duração. Assim, segundo as normas EN e IEC 61000, as interrupções poderão ser breves ou longas. Interrupções breves são interrupções cujo o tempo é igual ou inferior a três minutos. Interrupções longas são interrupções cujo o tempo excede os três minutos Indicadores da Continuidade de Serviço Neste ponto apresentam-se alguns dos indicadores usados para a avaliação da continuidade de serviço de um sistema de energia. A continuidade de serviço na RNT é caracterizada, de acordo com o Regulamento da Qualidade de Serviço, por indicadores gerais e por indicadores individuais. Os primeiros são descritos de seguida, mencionando para cada um deles a abreviatura usada, a definição, a fórmula de cálculo e respectiva unidade. [1] Abreviatura Definição Fórmula Unidade ENF Energia Não Fornecida Valor estimado da energia não fornecida nos pontos de entrega com base na potência cortada no início da interrupção de fornecimento e do tempo de interrupção. MWh QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 22

23 Abreviatura Definição Fórmula Unidade TIEPI Tempo de Interrupção Equivalente da Potência Instalada Quociente entre o somatório do produto da potência instalada afectada nos postos de transformação de serviço público e particular pelo tempo de interrupção de fornecimento daqueles postos e o somatório das potência instaladas em todos os postos de transformação, de serviço público e particular, da rede de distribuição. TIEPI = P xt i P Minutos int errupção total i Abreviatura Definição Fórmula Unidade TIE Tempo de Interrupção Equivalente Quociente entre a energia não fornecida num dado período e a potência média de carga nesse período, calculada a partir da energia total fornecida e não fornecida no mesmo período. TIE = ENF ENF + EnergiaFornecida T Minutos Abreviatura Definição Fórmula Unidade SAIFI Frequência Média das Interrupções do Sistema (System Average Interruption Frequency Index) Quociente do número total de interrupções nos pontos de entrega, durante determinado período, pelo número total dos pontos de entrega nesse mesmo período. InterrupçõesNosPontosDeEntrega SAIFI = NúmeroTotalDePontosDeEntrega Nº de interrupções por ponto de entrega Abreviatura Definição Fórmula Unidade SAIDI Duração Média de Interrupções do Sistema (System Average Interruption Duration Index) Quociente da soma das durações das interrupções nos pontos de entrega, durante determinado período, pelo número total dos pontos de entrega nesse mesmo período. DuraçãoDasInterrupçõesNosPontosDeEntrega SAIDI = NúmeroTotalDePontosDeEntrega Minutos QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 23

24 Abreviatura Definição Fórmula ASAI Disponibilidade Média do Sistema (Average Service Availability Index) Quociente entre o produto do número total de pontos de entrega pelo tempo em que o serviço esteve disponível e o produto do número total de pontos de entrega pela duração do período em análise. SAIFI ASAI = DuraçãoDoPeríodo Unidade % Abreviatura Definição Fórmula Unidade MAIFI Frequência Média das Interrupções Breves do Sistema (Momentary Average Interruption Frequency Index) Quociente do número total de interrupções momentâneas nos pontos de entrega, durante determinado período, pelo número total de pontos de entrega nesse mesmo período. MAIFI = InterrupçõesBrevesNosPontosDeEntrega NúmeroTotalDePontosDeEntrega Nº de interrupções por ponto de entrega Abreviatura CAIDI Duração Média das Interrupções no Ponto de Entrega () Definição Fórmula Unidade Quociente entre a soma das durações de todas as interrupções num ponto de entrega, durante determinado período e o número total de interrupções nesse ponto de entrega nesse período. CAIDI = DuraçãoDasInterrupçõesNumPontoDeEntrega InterrupçõesNoPontoDeEntrega Minutos por interrupção Relativamente aos indicadores individuais referem-se dois: Número de interrupções por ponto de entrega; Duração total das interrupções por ponto de entrega Origem das Interrupções A origem das interrupções é normalmente o sistema de abastecimento de EE. Os curtocircuitos, as descargas atmosféricas ou mesmo as operações de comutação em grandes cargas levam ao disparo dos equipamentos de protecção ou, inclusive, ao mau funcionamento dessas mesmas protecções. Mas não se descura a possibilidade de algumas interrupções serem provocadas por factores dentro das instalações dos próprios consumidores, ficando estas a dever-se a falhas de isolamento em equipamentos, a má coordenação ou deficiente dimensionamento de protecções, a exceder a potência contratada ou a erro humano. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 24

25 Consequências das Interrupções As consequências das interrupções dependem de diversos factores, como sejam as características dos equipamentos, a duração das interrupções, etc. Antigamente, as cargas não sofriam danos de maior com as interrupções de fornecimento de EE. Nos tempos que decorrem, as interrupções de longa duração levam à paragem dos equipamentos. Mesmo interrupções que tenham uma duração a rondar a centena de milissegundos, podem provocar paragens de algumas horas em linhas de produção, devido aos elevados tempos de re-arranque de todos os processos de produção, implicando perdas de produção e consequentes prejuízos financeiros Formas de Mitigação das Interrupções As principais formas de mitigação das consequências das interrupções no fornecimento de energia eléctrica aos equipamentos passam pela melhoria dos sistemas de transporte e distribuição de energia eléctrica ou pela instalação de equipamentos de armazenamento ou produção de energia junto das cargas. No que se refere à intervenção ao nível das redes de transporte e de distribuição, esta apresenta três objectivos: Diminuição do Número de Falhas, através da substituição de linhas aéreas por linhas subterrâneas; pela utilização de cabos isolados para as linhas aéreas; pelo aumento do isolamento dos condutores; através da implementação de politicas de manutenção dos corredores das linhas; instalação adicional de cabos de guarda; aumento da manutenção; Redução da Duração das Falhas, o que é conseguido através do uso de fusíveis limitadores de corrente e de disjuntores com a capacidade de rearme automático, que ao detectarem um defeito disparam, retirando a linha de serviço, voltando posteriormente a ligar (rearma automaticamente); Topologia do Sistema, através da aplicação de redundância nos componentes do sistema, ou seja, se um componente falhar, os consumidores poderão ser abastecidos por outros componentes da rede, o que permite uma redução do número de consumidores afectados. Relativamente à instalação de geradores o mais próximos possíveis das cargas é, de facto, uma medida importante no combate às interrupções no fornecimento de energia eléctrica, uma vez que, quanto mais próximo estiver o gerador da carga, menor será a exposição da rede a fenómenos perturbadores, além de que, permite manter a tensão constante no caso de defeitos em linhas mais distantes. Relativamente aos equipamentos existentes para evitar os efeitos das interrupções refere-se que, para interrupções breves é comum a utilização de UPS, ao passo que se, a interrupção for prolongada, a solução será recorrer a sistemas de geração local de energia eléctrica (Geração Distribuída) SOBRETENSÕES As sobretensões, como o próprio nome indica, são aumentos da tensão que podem atingir valores varias vezes superiores à tensão nominal, durante pequenos intervalos de tempo, QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 25

26 para frequências superiores à frequência nominal do sistema, ou podem ser de valor pouco maior do que o valor nominal e durar mais tempo, de segundos a horas. As sobretensões com duração até alguns milissegundos, com frequência superior à fundamental, são definidas como sobretensões transitórias. As sobretensões à frequência fundamental, com duração entre alguns milissegundos a alguns segundos, são definidas como sobretensões temporárias ( swells ) Origem das Sobretensões As sobretensões têm a sua origem em quatro elementos em especial: Descargas atmosféricas: as linhas de distribuição estão particularmente susceptíveis a estas descargas devido à sua posição mais elevada em relação ao solo. Se a descarga for directa nas linhas pode atingir picos de corrente superiores a 25 KA, com impulsos de subida que podem ser de 100KA/µs. A sobretensão provocada por uma descarga atmosférica pode ser bastante elevada devido à impedância da linha. Outro fenómeno que pode acontecer quando se dá uma descarga atmosférica é a indução de uma sobretensão na linha devido aos efeitos electromagnéticos provocados pela corrente de descarga. Quando a descarga se dá perto de uma instalação eléctrica, o potencial da terra pode subir naquele ponto e assim originar uma sobretensão em relação ao potencial do transformador colocado num sítio mais distante; Descargas electrostática: alguns equipamentos ou até mesmo os humanos são capazes de adquirir carga eléctrica que quando em contacto com alguns componentes mais sensíveis podem provocar a sua destruição, por exemplo num componente electrónico pode haver destruição dos seus componentes internos quando este está a ser manuseado. Sobretensões transitórias devidas a comutação de linhas ou cargas: quando se executa uma comutação de uma bateria de condensadores é comum a ocorrência de uma sobretensão transitória, de baixa frequência que normalmente não tem efeitos destrutivos. Quando se inicia a circulação ou corte de uma corrente indutiva (arranque de motores de indução, ligação de um transformador, etc.), podem ocorrer fenómenos transitórios de elevada amplitude e elevada frequência que sobrelevam a tensão. A interrupção muito rápida de uma corrente de curto-circuito pode provocar uma sobretensão transitória, este tipo de sobretensões são sempre inferiores a 4 kv, já que para valores superiores estabelecesse o arco eléctrico que limita o valor da tensão. Sobretensões à frequência do sistema: este tipo de perturbações dão-se quando existe um curto-circuito entre uma fase e o neutro, um curto-circuito entre uma fase e a terra, neste caso o comportamento da instalação é muito dependente do regime de neutro da mesma instalação. A descontinuidade do condutor de neutro numa instalação trifásica desequilibrada pode originar sobretensões nas fases em que a tensão simples atinge valores da tensão composta e pode provocar problemas em equipamentos monofásicos Consequências das Sobretensões Como consequência das sobretensões de curta duração em equipamentos, pode-se citar falhas dos componentes, dependendo da frequência de ocorrência do distúrbio. Dispositivos electrónicos incluindo ASD's, computadores e controladores electrónicos, podem apresentar falhas imediatas durante estas condições. Transformadores, cabos, barramentos e máquinas QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 26

27 rotativas podem ter a vida útil reduzida. Um aumento de curta duração na tensão em alguns relés pode resultar numa má operação, enquanto outros podem não ser afectados. Um "swell" num banco de condensadores pode, frequentemente, causar danos no equipamento. As variações rápidas da tensão associadas Às sobretensões também podem causar interferências e erros no equipamento de processamento de dados Formas de Mitigação das Sobretensões A mitigação de sobretensões pode ser realizada em três locais distintos. Na rede de transporte e distribuição, onde ocorrem muitas descargas atmosféricas, podem ser utilizados cabos de guarda que, com a sua posição privilegiada em relação à terra e aos cabos condutores, atraem para si as descargas atmosféricas. As sobretensões podem ainda ser mitigadas, à entrada das instalações dos consumidores ou então em cada equipamento de uso final. Nesta última situação é usual utilizarem-se supressores de sobretensões, tais como pára-raios ou varístores (ver Figura 8). Os pára-raios são mais utilizados para conter as descargas atmosféricas e devem ser instalados o mais próximo possível das cargas a proteger, entre a provável origem do defeito e a carga. Os varístores são dispositivos que têm uma resistência não linear. Quando a tensão aumenta aos seus terminais é provocada uma queda de resistência e consequentemente dá-se a fuga da corrente para terra protegendo-se deste modo o equipamento. Os varístores podem ser formados por díodos de Zener ou então por resistências de óxidos metálicos. Um dos inconvenientes da utilização destes aparelhos em tensões mais elevadas é que é produzido ruído de alta frequência, quando se dá o corte da tensão, que poderá fazer com que os equipamentos protegidos deixem de funcionar correctamente. Figura 8 Pára-raios 6.4. FLUTUAÇÕES DE TENSÃO Uma flutuação de tensão é uma variação cíclica do valor da tensão, ou então uma série de variações aleatórias que geralmente se situam entre 90% e 110% do valor de tensão nominal. Estas variações são mais rápidas do que as cavas de tensão ou as sobretensões. As flutuações de tensão são as principais causadoras do efeito de flicker que se pode verificar nas lâmpadas. Este efeito de flicker consiste numa impressão visual estimulada por um estímulo luminoso cuja repartição varia no tempo. Este efeito pode ter consequências físicas em indivíduos que sejam mais sensíveis a perturbações epilépticas. Existem duas maneiras de determinar o efeito de flicker. Podemos medi-lo utilizando um flickmeter (ver Figura 9), equipamento desenvolvido pela UIE, que simula a resposta de uma lâmpada incandescente de 60 W a flutuações de tensão. Como a luminosidade da lâmpada é QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 27

28 dependente da temperatura do filamento, e este tem uma inércia térmica, as flutuações de elevada frequência não são observadas. Figura 9 Diagrama de blocos de um flickermeter Quando a evolução do valor eficaz da tensão assume determinadas formas geométricas é possível analisar e obter analiticamente um valor indicador do efeito de flicker: P t f st t = Tp ( F ) 3. 2 = 2.3 d f max P st - indicador de flicker de curto prazo; t f - tempo de impressão de flicker, em segundos; T p - período que se deseja a analisar (10 minutos segundo as normas IEC); F - factor de forma relativo às variações de valor eficaz da tensão (em períodos de 10ms); d max - desvio máximo da tensão, em relação `tensão nominal verificada durante o período t f. As flutuações de tensão são classificadas da seguinte maneira: Tipo A degraus de tensão periódicos e de amplitude constante, cuja origem poderá ser a comutação periódica de cargas resistivas, ou de aparelhos de soldadura; Figura 10 Flicker tipo A [5] QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 28

29 Tipo B uma série de degraus irregulares com amplitudes máximas e mínimas iguais ou não; Figura 11 Flicker tipo B [5] Tipo C flutuações de tensão bem separadas cuja origem pode estar na ligação de cargas não resistivas, tais como motores eléctricos; Figura 12 Flicker tipo C [5] Tipo D uma série de flutuações aleatórias contínuas cuja origem pode ser de cargas que apresentam variações rápidas nas suas condições de funcionamento, tais como os fornos de arco. Figura 13 Flicker tipo D [5] Origem das Flutuações de Tensão Os grandes responsáveis pelas flutuações de tensão são: Fornos de arco; este tipo de fornos utiliza a energia fornecida para aquecer matérias a alta temperatura. Existem fornos de arco AC e DC, nos fornos alimentados a DC podemos controlar o arco de uma melhor forma e reduzir o efeito de flicker, mas introduzimos mais harmónicos na rede devido ao rectificador. Como o arco é altamente instável este tipo de equipamento introduz na rede muitas perturbações; Aparelhos de soldar; estes aparelhos são capazes de unir peças metálicas que estejam em contacto. Os aparelhos de soldar podem ser monofásicos ou trifásicos e podem ser ligados a baixa tensão ou directamente a um barramento de MT, apesar deste consistir numa fonte de corrente de baixa tensão (tipicamente menor que 20 V); Outros equipamentos; maquinas de raios-x, fotocopiadoras, impressoras laser de grande capacidade, bombas de calor, e menos preocupante fornos microondas, maquinas de lavar e secar roupa e termoacumuladores. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 29

30 Consequências das Flutuações de Tensão Os principais efeitos nos sistemas eléctricos, resultados das oscilações causadas pelos equipamentos mencionados anteriormente são oscilações de potência e binário das máquinas eléctricas, queda de rendimento dos equipamentos eléctricos, interferência nos sistemas de protecção, e efeito "flicker" ou cintilação luminosa Formas de Mitigação das Flutuações de Tensão Podemos diminuir a amplitude das flutuações da tensão se aumentarmos a potência de curto-circuito nos locais onde estão ligadas as cargas emissoras de perturbações para a rede. No caso do forno de arco verificou-se que se aumentarmos para o dobro a potência de curtocircuito diminuíamos para metade o efeito de flicker. Além disso, as cargas perturbadoras devem ser ligadas a níveis de tensão mais elevados. A diminuição da energia reactiva na rede é outra medida a ter em conta para a diminuição das flutuações de tensão, já que as variações do fluxo de energia reactiva também provocam flutuações de tensão. Deve ser compensada a energia reactiva junto das cargas emissoras. Outras medidas de mitigação é a colocação dos equipamentos poluidores electricamente afastados de outros circuitos mais sensíveis a este tipo de perturbação OSCILAÇÕES DE FREQUÊNCIA Numa abordagem mais simplista, é a velocidade angular dos geradores de um determinado SEE que estipula a frequência da onda de tensão nesse mesmo SEE. Mas é o equilíbrio dinâmico existente entre o processo de produção de EE e o respectivo consumo que estipula a frequência da tensão num SEE. Quando este equilíbrio varia, a frequência varia de forma proporcional Origem das Oscilações de Frequência As causas deste tipo de perturbações são as avarias ou falhas no sistema de T&D, saídas repentinas do sincronismo de grupos de geração de grande capacidade ou mesmo as quedas bruscas de solicitação de alimentação originadas quando um grande bloco de cargas é desligado simultaneamente Consequências das Oscilações de Frequência As consequências das pequenas oscilações recaem apenas na velocidade das máquinas rotativas. Em sistemas de ligação assíncrona (ilhas ou sistemas isolados da rede eléctrica) estas perturbações são bem mais frequentes e podem tornar-se num problema mais sério, afectando, por exemplo, os relógios eléctricos cuja base temporal são os 50Hz da rede, o rendimento dos motores eléctricos e nos filtros de harmónicos que podem ficar a operar de forma irregular. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 30

31 Formas de Mitigação das Oscilações de Frequência Verificou-se que, as alterações de solicitação de EE pelas cargas devem ser acompanhadas pela produção de EE, para que se mantenha sempre o equilíbrio necessário à estabilização da frequência e da tensão do SEE, caso contrário podem aparecer oscilações de frequência devidas ao desequilíbrio entre geração e consumo. A amplitude e duração das oscilações de frequência dependem das características das cargas em questão e da capacidade de resposta do sistema de controlo de geração a alterações de carga. Em sistemas ligados a redes muito grandes e fortemente interligadas, como é o caso da rede eléctrica nacional, as oscilações de frequência significativas são raras DESEQUILÍBRIO DE FASES Um sistema trifásico é desequilibrado quando as três tensões são diferentes em amplitude ou o desfasamento entre elas é diferente de 120º. O método mais correcto para quantificar o desequilíbrio de fases de um sistema passa pela decomposição do sistema nas componentes de Fortescue, ou componentes simétricas: Sistema de sequência positiva, ou directa, que corresponde a um sistema trifásico ideal (U 1a, U 1b e U 1c ); Sistema de sequência negativa, ou inversa, que corresponde a um sistema trifásico equilibrado, mas com sequencia de fases inversa ao sistema de sequencia positiva (U 2a, U 2b e U 2c ); Sistema de sequência homopolar, onde todas as fases possuem a mesma fase (U 0a, U 0b e U 0c ). O grau de desequilíbrio de fases de um sistema trifásico é dado pela razão entre a componente de sequência negativa e a componente de sequência positiva da componente de frequência fundamental. No entanto, este método apresenta alguma complexidade. Uma fórmula simples para calcular o factor de desequilíbrio de um sistema trifásico e utilizando a expressão: máximo U u = desvio das média da três fases em relação tensão das três fases á média *100% Este método é bastante simples, necessitando apenas de conhecer a amplitude das tensões das três fases. Embora os valores obtidos por este método sejam bastante aceites, podem surgir erros de grandeza da ordem dos 13%. Para calcular o valor do desequilíbrio de fases num ponto da rede, devido a uma combinação de cargas trifásicas desequilibradas ou cargas monofásicas, pode ser utilizada a expressão: 3. I 2. U U u (%) *100% S onde I 2 representa a amplitude da sequência negativa da corrente (em Ka), U representa a tensão fase-fase (em Kv) e S cc representa a potencia de curto-circuito (em MVA) nesse ponto. cc QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 31

32 Origem do Desequilíbrio de Fases O sistema de tensões nas centrais apresenta um nível de simetria bastante apreciável, que fica a dever-se ao funcionamento dos grandes geradores síncronos com elevadas nível de simetria normalmente utilizados. Mesmo utilizando geradores de indução, o sistema de tensões gerado pode ser considerado equilibrado. Actualmente já existe uma quantidade apreciável de pequenos sistemas de geração ligados a rede. Alguns destes sistemas, como os pequenos sistemas fotovoltaicos, estão ligados à rede em BT e com ligação monofásica. Como o ponto de ligação tem uma impedância relativamente elevada (logo uma potência de curto-circuito reduzida), pode surgir um desequilíbrio de fases com valor apreciável. Contudo, a grande causa de desequilíbrio é a distribuição assimétrica das cargas pelas diferentes fases do sistema. A distribuição não uniforme da carga de um sistema pelas fases origina um sistema de correntes desequilibrado, mesmo quando o sistema de tensões gerado é equilibrado. Este sistema de correntes desequilibrado, ao circular pelas linhas vai originar quedas de tensão, devido à impedância das linhas, que vão ser diferentes em cada fase. Assim, deixa de existir equilíbrio no sistema de tensões Consequências do Desequilíbrio de Fases Do exposto, verifica-se que a qualidade no fornecimento de energia é prejudicada e alguns consumidores vêm as suas alimentações sofrerem um desequilíbrio de tensão. Estes desequilíbrios de tensão podem apresentar problemas indesejáveis na operação de equipamentos, dentro dos quais se destacam: Motores de Indução: para a análise dos efeitos de tensões desequilibradas aplicadas a um motor de indução, considera-se somente os efeitos produzidos pelas tensões de sequência negativa, que somados aos resultados da tensão de sequência positiva, resultam num conjugado pulsante no eixo da máquina (ver Figura 14) e no sobreaquecimento da máquina. Como consequência directa desta elevação de temperatura tem-se a redução do tempo de vida útil dos motores, visto que o material isolante sofre uma deterioração mais acentuada na presença de elevadas temperaturas nos enrolamentos; Figura 14 Resposta do motor ao desequilíbrio de tensão [16] Máquinas síncronas: como no caso anterior, a corrente de sequência negativa circulando através do estator de uma máquina síncrona, cria um campo magnético girante com velocidade igual à do rotor, porém, no sentido contrário da rotação definido pela sequência positiva. Consequentemente, as tensões e correntes induzidas nos QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 32

33 enrolamentos de campo, de amortecimento e na superfície do ferro do rotor, terão uma frequência igual a duas vezes à da rede, aumentando significativamente as perdas no rotor. Rectificadores: uma ponte rectificadora AC/DC, controlada ou não, injecta na rede AC, quando esta opera sob condições nominais, correntes harmónicas características (de ordem 5, 7, 11, 13, etc). Entretanto, quando o sistema supressor se encontra desequilibrado, os rectificadores passam a gerar, além das correntes harmónicas características, o terceiro harmónico e os seus múltiplos. A presença do terceiro harmónico e seus múltiplos no sistema eléctrico é extremamente indesejável, pois possibilita manifestação de ressonâncias não previstas, causando danos a uma série de equipamentos Formas de Mitigação do Desequilíbrio de Fases Com o objectivo de diminuir o desequilíbrio de fases podem ser tomadas diversas medidas, com graus de complexidade técnica diferentes, que a seguir se descrevem. Redistribuição das cargas do sistema: esta é a solução mais básica, que consiste em analisar possíveis distribuições incorrectas das cargas pelas fases e, eventualmente, redistribuir as cargas pelas fases do sistema, de modo a que todas as fases do sistema fiquem o mais equilibradas possível. Se esta medida for eficazmente implementada, diminui o desequilíbrio do sistema de correntes e, consequentemente, o desequilíbrio do sistema de tensões; Aumento da potencia de curto-circuito no ponto de ligação: as cargas que introduzem maiores desequilíbrios (como os fornos de arco ou algumas cargas de tracção) devem ser ligadas em pontos com potência de curto-circuito mais elevada, normalmente em AT ou MT. A redução da impedância de curto-circuito pode ser conseguida através da ligação de linhas e transformadores em paralelo, diminuído as reactâncias das linhas ou utilizando transformadores de elevada potencia ou com baixa tensão de curto-circuito; Transformadores com ligações especiais: a utilização de alguns transformadores com ligações especiais, tais como os transformadores de Scott e os transformadores de Steinmetz, pode contribuir para a redução do equilíbrio de fases; Electrónica de potencia: quando não é possível reduzir o desequilíbrio de fases para um nível aceitável com o recurso as técnicas referidas anteriormente, deve ser considerado o recurso a electrónica de potência. No entanto, estes equipamentos são muito dispendiosos, devendo apenas ser utilizados para compensar cargas muito desequilibradas de grande potencia e cujas condições de funcionamento sejam fortemente dinâmicas, como por exemplo os fornos de arco DISTORÇÃO HARMÓNICA Uma onda periódica não sinusoidal pode ser decomposta em ondas sinusoidais com frequências variáveis e múltiplas da frequência fundamental do sinal que lhes deu origem. A amplitude de cada um destes harmónicos é habitualmente apresentada em valores percentuais da amplitude da componente fundamental que é a componente cuja frequência é a mesma da onda que é decomposta. Na rede eléctrica nacional a frequência fundamental das ondas de corrente e tensão é de 50Hz o que significa que a frequência de um harmónico de ordem h será: QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 33

34 ( ) f = h 50 Hz. h Figura 15 Fundamental, 3º e 5º harmónico [5] Na Figura 15 são apresentadas as componentes fundamental, de 3ª e de 5ª ordem de uma hipotética onda periódica. Adicionando as componentes harmónicas à componente fundamental, da Figura 15 obtém-se a forma de onda original que é apresentada na Figura 16. Figura 16 Forma de onda original [5] O valor da distorção harmónica é a quantificação do desvio que a onda apresenta em relação à sinusóide perfeita. Este fenómeno é geralmente quantificado em termos de THD, ou em português, DHT ( Distorção Harmónica Total ) cujo cálculo é efectuado pela seguinte expressão: THD = 40 h= 2 U h 2 No caso das cargas lineares a corrente que as atravessa é directamente proporcional à tensão de alimentação o que significa que se a tensão de alimentação for perfeitamente sinusoidal, também a corrente o será (Figura 17). QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 34

35 Figura 17 Característica de uma carga linear [5] Em cargas não lineares a corrente que circula não é sinusoidal (Figura 18). Figura 18 Característica de uma carga não linear [5] Pelos cálculos efectuados para a determinação das componentes harmónicas conclui-se que, no caso de a onda a decompor ser simétrica (alternância positiva simétrica à alternância negativa), não existem harmónicos de ordem par. Estes harmónicos são geralmente de amplitude negligenciável, mas podem aparecer quando de efectuam rectificações de meia onda Origem da Distorção Harmónica No SEE ideal, as ondas de corrente e de tensão teriam formas perfeitamente sinusoidais, as cargas seriam todas lineares, com potência constante e sem defeitos. Mas, na realidade, há muitos anos que a distorção harmónica está presente no sistema de alimentação. No início era originária da saturação magnética dos transformadores, fornos de arco, aparelhos de soldar a arco e de rectificadores usados na electrificação dos caminhos-de-ferro e em accionamentos DC de velocidade variável na indústria. Recentemente, o número aparelhos que geram harmónicos tem vindo a aumentar em número e em tipo. Este crescimento deve-se à proliferação dos conversores de electrónica de potência. Este problema é agravado pela crescente utilização de baterias de condensadores para compensação do factor potência, pois os condensadores instalados ficam em paralelo com a reactância do sistema eléctrico ficando assim reunidas as condições para o aparecimento da indesejada ressonância electromagnética, à frequência dada pela seguinte expressão: 1 1 f = 2π LC. Caso a corrente solicitada à rede contenha harmónicos com frequência próxima da frequência de ressonância, serão originadas correntes oscilatórias de amplitudes muito elevadas, QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 35

36 que podem danificar por completo os condensadores e criar tensões harmónicas de amplitude também elevada. Esta perturbação ganha ainda mais relevância, porque juntamente ao aparecimento de cargas poluidoras aparecem cargas cada vez mais sensíveis à distorção harmónica. Em muitos dos casos, as cargas que por um lado produzem distorção harmónica são também as mais susceptíveis a danos causados por este tipo de perturbação de QE. Dos equipamentos que geram harmónicos destacam-se: FAC s, balastros electrónicos para lâmpadas fluorescentes, UPS, accionamentos de velocidade variável, etc Consequências da Distorção Harmónica O grau de severidade com que os equipamentos ou materiais de rede ou instalações do consumidor são afectados pelos harmónicos depende da susceptibilidade dos equipamentos e das características técnicas da rede. Os equipamentos mais sensíveis, que são também os mais perturbadores, são os equipamentos electrónicos. Os efeitos dos harmónicos podem manifestar-se devido ao aumento da corrente eficaz ou devido à deformação da onda de tensão (deixa de ser sinusoidal). Um aumento da corrente eficaz vai sempre provocar um acréscimo de temperatura de todos os componentes da rede eléctrica o que se traduz em degradação dos materiais isolantes, diminuição do rendimento e menor eficácia da aparelhagem de protecção. Todos estes factos contribuem para a diminuição da vida útil dos equipamentos. A deformação da onda de tensão é mais prejudicial para o equipamento electrónico sensível, podendo causar perturbações no seu funcionamento. Efeitos em termos económicos: degradação do rendimento energético da instalação (perdas de energia); sobredimensionamento dos equipamentos; perda da produtividade (envelhecimento acelerado dos equipamentos, disparo intempestivo). Efeitos instantâneos e a curto prazo: disparo intempestivo das protecções: os harmónicos tem influência nos dispositivos de controlo de temperatura, uma vez que tendem a alterar o valor limite para o qual o dispositivo se encontra projectado para entrar em funcionamento; perturbações induzidas em sistemas de corrente baixa (telecomandos, telecomunicações, aparelhagens, monitores de computadores, televisões); vibrações e barulhos acústicos anormais (quadros de BT, motores, transformadores); destruição por sobrecarga térmica de condensadores; perdas de precisão de aparelhos de medida. Efeitos instantâneos e a longo prazo: aquecimento de equipamentos (transformadores, alternadores) devido ao efeito de Joule e perdas de ferro; aquecimento das cargas devido a perdas por efeito de Joule e devido ao facto dos condensadores serem particularmente sensíveis aos harmónicos aumentando a sua impedância proporcionalmente à ordem dos harmónicos presentes; corrosão de peças metálicas Formas de Mitigação da Distorção Harmónica Como formas de mitigação de harmónicos são apresentadas as seguintes: Sobredimensionamento de equipamentos de modo a minimizar o efeito das perdas excessivas (em forma de calor); QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 36

37 Separação de Cargas em barramentos distintos, de cargas responsáveis pela distorção harmónica e de cargas sensíveis (muitas vezes estas são as principais geradoras de harmónicos); Outras soluções para reduzir o efeito dos harmónicos pode passar pela utilização de transformadores com ligações especiais, de filtros passivos, activos e híbridos (ver Figuras 19, 20, 21). Figura 19 Filtro passivo [12] Figura 20 Filtro activo [12] Figura 21 Filtro híbrido [12] 7. MONITORIZAÇÃO DA QUALIDADE DA ENERGIA [4] 7.1. IMPORTÂNCIA DA MONITORIZAÇÃO Conforme já foi referido anteriormente, está criado todo um ambiente em torno da questão da qualidade de energia, dado pela liberalização do mercado energético, pela proliferação das cargas de natureza não linear, pelas pressões económicas e normativas e de uma forma geral pela sensibilização dos intervenientes do sector energético. Num universo industrial onde a mais pequena perturbação poderá levar a prejuízos avultados, impõe-se que os problemas sejam solucionados rapidamente, idealmente mesmo antes de acontecerem. Neste sentido, a monitorização aparece como um elemento fundamental no sentido da necessária caracterização da performance dos sistemas eléctricos, constituindo assim uma importante medida preventiva. Ao termos um conhecimento rigoroso e detalhado da performance destes sistemas, todas as perturbações poderão ser facilmente identificáveis. Assim, quando se estiver perante uma situação de problemas relacionados com a qualidade da energia numa dada instalação, uma boa estratégia será, após efectuada uma inspecção do local e recolha de toda a informação possível, proceder à monitorização do sistema durante um certo período de tempo. Deste modo, após uma análise cuidada de todos os dados recolhidos, poder-se-á então avançar para a aplicação de medidas correctivas necessárias por forma a solucionar o(s) problema(s). QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 37

38 Por outro lado, a monitorização permite também estabelecer uma ponte de ligação entre as exigências dos consumidores e o cumprimento ou não da normalização vigente por parte dos produtores/distribuidores, funcionando como uma arma de defesa e de ataque para ambas as partes. A informação sobre a qualidade da energia, dada pela monitorização, reveste-se ainda de uma importância estratégica para as companhias eléctricas na procura de uma melhor posição de mercado, onde a lei da competitividade exige níveis elevados de qualidade OBJECTIVOS DA MONITORIZAÇÃO Os principais objectivos da monitorização da Qualidade da Energia são a seguir descritos: Aplicação contratual: no contexto da liberalização do sector eléctrico, as relações contratuais passam a existir não só entre o distribuidor e o cliente, como também entre produtores, empresas de transporte, empresas de distribuição e clientes finais. Assim, a monitorização para além de garantir que o disposto nos contratos seja cumprido e a falta do seu cumprimento penalizada, serve ainda de base para a elaboração de tais contratos, pois estes são feitos sob parâmetros de qualidade resultantes de inevitáveis processos de monitorização; Acções de diagnóstico: a monitorização aparece aqui intimamente relacionada com o diagnóstico, pois os resultados das suas medições e muitas das vezes dos alarmes associados a estes instrumentos (quando é detectada uma perturbação é accionado um alarme indicador do defeito), servem de ponto de partida para a realização de acções de diagnóstico e subsequente manutenção; Optimização da performance das instalações eléctricas: no sentido de alcançar ganhos de produção e redução de custos de operação, é necessária que exista uma óptima coordenação de processos, que é um factor dependente da qualidade da energia. Decisões tais como o planeamento de acções preventivas, possibilidade de instalação de um dado equipamento num determinado ambiente electromagnético, possíveis aquisições de tecnologias reparadoras, são decisões decorrentes de uma eficaz monitorização CONCLUSÕES SOBRE A MONITORIZAÇÃO Um equipamento deste género deverá idealmente cumprir os seguintes requisitos gerais: Clareza: embora muita gente receba informação destes equipamentos de monitorização, muitos não conseguem perceber o seu significado. Dado que a linguagem do universo da qualidade de energia é recente, alguns técnicos e até mesmo alguns engenheiros não dominam os seus conteúdos. E a situação vem ainda agravada se pensarmos que muitas das decisões no ramo industrial são tomadas por administradores que não têm o mínimo conhecimento na área da energia. Deve-se também ter a noção de que estes administradores não investem dinheiro na medida da qualidade de energia, mas sim para que o seu processo produtivo se desenvolva em perfeitas condições. A chave aqui é ter-se a informação certa, na medida certa para as pessoas certas. Neste sentido impõe-se que os outputs dos instrumentos de monitorização de qualidade de energia possam ser captados facilmente por pessoal não especializado no assunto. Num futuro próximo, espera-se mesmo que os relatórios elaborados por estes equipamentos, QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 38

39 baseados na informação da monitorização, reportem causas e soluções específicas numa linguagem simples; Robustez: os instrumentos de monitorização de qualidade de energia necessitam de funcionar em perfeitas condições em ambientes adversos, pois a razão da sua existência prende-se com a necessidade de registar perturbações que ocorram e que levem à falha de outros equipamentos electrónicos. E quando se fala em ambientes adversos, não se está a referir somente perturbações na qualidade da energia, como também a presença de grandes campos magnéticos, vibrações, stress mecânico, temperaturas extremas, etc. Infelizmente, verifica-se ainda que muitos instrumentos de monitorização não são suficientemente robustos e falham em simultâneo com os equipamentos que estão a monitorizar; Concisão: o grande desafio para o projecto dos instrumentos de monitorização de qualidade de energia é a decisão de qual a informação que se deve reter. A grande quantidade de informação registada e armazenada pode muitas vezes revelar-se inútil, pois muitos destes dados não são mais do que perfeitas formas de onda ausentes de qualquer perturbação. Então de modo a conseguir-se a tal concisão, ou estes instrumentos compreendem algoritmos que identifiquem e registem somente a informação interessante (regimes perturbados), ou então algoritmos de compressão por forma também a guardarem somente a informação mais relevante; Comunicação: como na maior parte das áreas da sociedade moderna, também no que concerne à monitorização da qualidade de energia, a capacidade de comunicação reveste-se de uma importância vital. Dado que as perturbações não escolhem altura nem lugar para ocorrerem, nem sempre o técnico especializado está presente, e dada a urgência com que estes problemas devem ser tratados, a informação tem de ser disponibilizada rapidamente onde quer que ela seja necessária. Deste modo impõe-se a integração de um sistema de comunicação versátil, com várias opções de comunicação (Ethernet, modem, capacidades ); Consistência: diferentes equipamentos fazendo a mesma monitorização, deveriam registar os mesmos resultados, porém isso geralmente não acontece. Instrumentos precisos, com algoritmos de medida perfeitos, podem ter substanciais diferenças de leituras. Neste sentido, justifica-se a existência de uma normalização mais precisa sobre a matéria. A norma IEC já especifica como deve ser feita a medida de cavas e sobretensões temporárias, o que constitui um assinalável progresso. Por outro lado, a existência de normas que especifiquem como realizar uma tarefa em vez de especificarem o resultado exigido, acaba normalmente por constituir um desencorajamento à inovação. Deste modo esta questão torna-se complexa e pertinente, cabendo a todos os intervenientes a ela ligados, fazer uma necessária reflexão. Saliente-se porém, que não se deve aqui confundir a clara necessidade de que a tecnologia desenvolvida seja sustentada de alguma forma na normalização existente. Isso constitui sem dúvida um trunfo importantíssimo, pois irá reduzir a problemática questão de qual o nível de qualidade de energia aceitável, a uma simples questão de conformidade ou não com os limites impostos pelas normas; Sinalização: a integração de alarmes nestes aparelhos é de grande importância, no sentido de se poder remotamente notificar o pessoal chave, acerca das condições do sistema que necessitem de atenção imediata. Também a notificação com relatórios calendarizados, que forneçam informação detalhada do sistema, pode ajudar à identificação de problemas recorrentes e apontar possíveis causas; QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 39

40 Flexibilidade: esta é também uma característica importante, pois quanto maior for o número de tarefas que o mesmo instrumento conseguir integrar, menor será o número de aparelhos necessários; Custo: constatou-se que o preço destes equipamentos é bastante elevado, não acessível à grande parte dos consumidores. Isto leva a que, muitas vezes, quando se necessita de um instrumento de monitorização, o problema já aconteceu. Uma solução será possuir vários equipamentos de preço mais baixo acoplados à instalação, monitorizando os processos produtivos vitais, tendo um controlo mais apertado sobre a ocorrência de perturbações. Aquando da escolha dum equipamento desta natureza, para além destas características mais gerais, devemos também procurar satisfazer os seguintes requisitos específicos: Capacidade de medir correntes; Número de entradas de tensão e de corrente; Isolamento entre inputs; Gama de tensão suportada; Especificações de temperatura suportada; Especificações das suas dimensões; Software de análise respectivo; Documentação adequada. Dificilmente algum aparelho de monitorização de qualidade de energia conseguirá cumprir todos os requisitos descritos, até porque uns podem estar em contradição com outros. Deve-se ter sempre a noção de quais as reais necessidades de monitorização e o que se pretende fazer com os seus resultados. Assim, poder-se-á ter a noção de quais os requisitos mais importantes para cada caso particular. Desta forma, existem boas oportunidades de se encontrar um instrumento que preencha as nossas necessidades, e dada a contínua evolução patente neste sector, é bem provável que num futuro próximo, se encontrem dispositivos que preencham necessidades que nem sabíamos ter. 8. CUSTOS DA NÃO QUALIDADE DA ENERGIA Dado todo este panorama que envolve a qualidade de energia, descrito nos pontos anteriores, facilmente podemos concluir que ela é hoje em dia um autêntico problema económico. Os custos relacionados com a falta de Qualidade da Energia dependem de diversos factores, entre os quais se destaca a área de actividade em que se encontra inserido o cliente. Outros factores que influenciam as perdas relacionadas com a Qualidade de Energia deficiente, são a sensibilidade do equipamento, condições de mercado para o produto a produzir ou o serviço a prestar. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 40

41 8.1. AVALIAÇÃO DOS CUSTOS Os custos relacionados com perturbações da Qualidade da Energia podem dividir-se em: Custos Directos: custos directamente atribuídos a uma perturbação da Qualidade da Energia e que incluem danos no equipamento, perda de produção, perda de matériaprima, custos com salários durante o período não produtivo e custos de reinicialização do processo; Custos Indirectos: resultantes da perda de clientes, ou seja, devido a paragens da produção, as empresas não cumprirão os prazos de entrega do produto, tendo como consequência, o cancelamento de encomendas futuras. Os custos com investimento para prevenção de problemas de Qualidade da Energia são também considerados custos indirectos; Prejuízos Não Materiais: custos não expressos em dinheiro, mas sim em incómodo, como por exemplo, o facto de um cliente (consumidor) não poder usufruir de um determinado equipamento que possui em casa. Para a contabilizar estes incómodos em custos de Qualidade da Energia, atribui-se um valor que o consumidor estaria disposto a desembolsar para os evitar ESTIMATIVAS DOS CUSTOS Com o intuito de calcular os custos relacionados com a não Qualidade da Energia foram realizados alguns estudos, os quais apresentam resultados baseados em estimativas (uma vez que o cálculo exacto destes valores é muito difícil), que se indicam de seguida: em 1991, só nos Estados Unidos, as interrupções de energia são estimadas em cerca de 25 biliões de dólares anuais em perdas de produção, e dada a crescente sensibilidade da industria a estes problemas, cada vez são registadas mais queixas de que a qualidade da energia afecta significativamente a performance global das empresas. Por outro lado, e como geralmente problemas dispendiosos requerem soluções dispendiosas, também este sector não foge à regra. Assim espera-se para este ano de 2004, o mercado norte-americano de soluções para qualidade de energia exceda os 8 biliões de dólares; [4] em 1998, estima-se que nos EUA existe um prejuízo anual de 10 biliões de dólares devido a cavas de tensão. É devido a este facto que, de modo geral, as cavas de tensão em conjunto com as interrupções são das perturbações que têm motivado mais investimento nos últimos anos com vista à sua redução; [5] estima-se que os problemas de Qualidade da Energia representam um custo para a industria e o comércio da União Europeia de cerca de 10 biliões de euros por ano, enquanto a despesa em medidas preventivas representa apenas 5% deste valor. [13] De notar que estes estudos apresentam valores distintos para os custos, tendo no entanto algo em comum: os custos devidos à não Qualidade da Energia são bastante elevados. Deste modo, surge a seguinte questão: Quanto dinheiro deve ser investido em prevenção para compensar o risco de falhas? A resposta a esta questão depende da natureza dos negócios. O primeiro passo é entender a natureza dos problemas e avaliar como cada um deles afecta a actividade empresarial e que perdas poderão daí resultar. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 41

42 9. PANORAMA EM PORTUGAL 9.1. ORIGEM DOS INCIDENTES (PERTURBAÇÕES) EM 2000 Em 2000 ocorreram 369 incidentes cujos efeitos se fizeram sentir na RNT. Dos 369 incidentes com repercussões na RNT, 346 tiveram origem interna à RNT (+ 6.8% em relação ao ano anterior), tanto no sistema primário (301 incidentes) como nos sistemas auxiliares (45 incidentes) e 23 tiveram origem em sistemas exteriores à RNT, correspondendo a cerca de 6,2% do total. Dos 369 incidentes com repercussões na RNT, 346 tiveram origem interna à RNT (+ 6.8% em relação ao ano anterior), tanto no sistema primário (301 incidentes) como nos sistemas auxiliares (45 incidentes) e 23 tiveram origem em sistemas exteriores à RNT, correspondendo a cerca de 6,2% do total (Fig. 22). Figura 22 Origem dos incidentes com repercussões na RNT em 2000 [17] Agrupando os incidentes pelas causas que estiveram na sua origem, e mantendo-se a separação por elementos (linhas, transformadores, barramentos e sistemas exteriores), obtêmse o gráfico da Figura 23. Figura 23 Causa dos incidentes em 2000 [17] Os factores que mais contribuíram para os incidentes continuaram a ser as aves, os factores atmosféricos e os incêndios. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 42

43 9.2. MEDIÇÕES EFECTUADAS Durante o ano de 2002 foram realizadas medições de teor harmónico, tremulação (flicker), desequilíbrio do sistema trifásico de tensões, valor eficaz da tensão, frequência, cavas de tensão e sobretensões nas instalações da REN apresentadas na Tabela 4. Os períodos de medição realizados em cada nível de tensão tiveram a duração de uma semana. Tabela 4 Monitorização da Qualidade da Onde de Tensão em 2002 [2] QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 43

44 Distorção Harmónica Na Tabela 5 indicam-se alguns dos valores limite de referência considerados no RQS para as harmónicas de tensão e para a distorção harmónica total (THD). Tabela 5 Harmónicos limites do RQS [2] Na Tabela 6 é possível ver os resultados das medições efectuadas, mais especificamente, os níveis de harmónicos em percentagem da tensão nominal, em pontos de medida a 400 kv, na qual se assinalam a vermelho os casos em que se ultrapassam os limites estabelecidos. Nesta tabela não se apresentam os valores das medições das componentes acima do 7º harmónico por serem negligenciáveis. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 44

45 Tabela 6 Níveis de harmónicos em percentagem da tensão nominal, em pontos de medida a 400kV [2] QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 45

46 Flutuações de Tensão (Flickers) Os valores apresentados nos quadros correspondem aos mais desfavoráveis em cada uma das subestações referidas. Tabela 7 Níveis de flutuações de tensão em pontos de Tabela 8 Níveis de flutuações de tensão em pontos de medida a 150kV. [2] medida a 400kV. [2] QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 46

47 Desequilíbrio de Fases Tabela 9 Desequilíbrio da tensão em pontos de medida a 60kV e a 30kV [2] QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 47

48 Cavas de Tensão Tabela 10 Número/duração de cavas de tensão em diversas subestações em [2] QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 48

49 Oscilações de Frequência Tabela 11 Desvios máximos de frequência nos pontos de medida a 400, 220 e 150 kv. [2] QUALIDADE DE ENERGIA ELÉCTRICA Pág. 49