COMISSÃO DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA REGIONAL COMITÊ NACIONAL BRASILEIRO V CIERTEC - SEMINÁRIO INTERNACIONAL SOBRE GESTÃO DE PERDAS, EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA E PROTEÇÃO DA RECEITA NO SETOR ELÉTRICO Área de Distribuição e Comercialização Identificação do Trabalho: BR-53 Maceió, Brasil, Agosto de 2005 SISTEMA DE COMPENSAÇÃO REATIVA DINÂMICA INTELIGENTE E RELOCÁVEL Tema 1.1: Perdas Técnicas Autores: NORBERTO RIBEIRO BATISTA FILHO CIA PIRATININGA DE FORÇA E LUZ JOSUÉ DE CAMARGO E EDUARDO GONÇALVES DE LIMA - EXPERTISE ENGENHARIA PALAVRAS - CHAVE: 1. Bancos de Capacitores Relocáveis 2. Compensação de Reativos 3. Locação Ótima de Capacitores 4. Reconfigurador de Rede 5. Redução de Perdas Elétricas DADOS DO AUTOR RESPONSÁVEL Nome: Norberto Ribeiro Batista Filho Cargo: Engº. Líder de Projetos Endereço: Pça dos Andradas 27 - Santos SP Telefone: (13) 3213-6057 Fax: (13) 3213-6141 E-Mail: norbertoribeiro@piratininga.net RESUMO DO TRABALHO Este trabalho apresenta resultados iniciais do projeto de PD-69 Sistema de Compensação Reativa Dinâmico, Inteligente, Relocável, Conjugado com filtragem de harmônicos, da CPFL, motivado pelo aproveitamento inadequado de equipamentos convencionais de compensação reativa, na região da Baixada Santista. Devido aos acréscimos de carga nas épocas de temporadas (final de ano e feriados prolongados) e carga reduzida no restante do ano, há falta de reativos nos períodos de carregamento máximo, provoca sobrecargas e perdas desnecessárias na rede, e exigindo investimentos constantes para adequar níveis de tensão, e sobra de reativos nos demais períodos do ano. O que será apresentado neste trabalho é a parte do Sistema que monitora o fluxo de reativos nas subestações e propõe periodicamente movimentações de bancos de capacitores, considerando o cadastro de equipamentos instalados e padrões de bancos de capacitores relocáveis, que são facilmente e rapidamente instalados e retirados da rede, sem desligamentos, gerenciados através de software que supervisiona e controla e propõe automaticamente movimentações de bancos, utilizando para definição do ponto de locação dos bancos o Software de otimização através da maior redução de perdas, denominado Re-configurador, também desenvolvido via P&D, em uso na CPFL. Neste trabalho são mostradas algumas avaliações práticas, efetivadas no campo, assim como algumas simulações computacionais envolvendo basicamente os aspectos do dinamismo, das vantagens da possibilidade de relocabilidade atuando sistematicamente com o Reconfigurador de Rede, que faz locação ótima dos bancos de capacitores. Também é mostrada a visão da Equipe de Gestão de P&D da CPFL, que permite a otimização de recursos, agregando novas funções a produtos existentes ou em desenvolvimento, desenvolvidos, através da integração de tecnologias, buscando praticas de melhorias constante no seu sistema. São apresentados alguns resultados obtidos, com os quatro protótipos instalados na Região da Baixada Santista, onde é apontando caso bem sucedido de redução da carga, quando do atendimento da emergência de sobrecarga devido às festas de final de ano.
INTRODUÇÃO Parte da energia elétrica produzida é continuamente dissipada nas redes de transmissão e distribuição. Valores de referência na literatura científica da área são 2% de perdas técnicas na transmissão e 5% na distribuição. No Brasil, os valores mais freqüentes para as perdas técnicas nas redes de distribuição estão entre 7 e 15%; esses números indicam a existência de espaços promissores para ganhos de energia por redução de perdas. Uma das linhas de atuação para redução das perdas na distribuição é a redução dos fluxos de energia reativa nas redes, através da instalação e controle adequado de capacitores. Quando bem sucedidas, essas iniciativas proporcionam, além da redução de perdas, melhoras nos níveis de tensão dos alimentadores e aumento da capacidade útil das redes. A escolha dos melhores locais para instalação de capacitores, fixos ou chaveados (isto é, com possibilidade de fornecer níveis diferentes de energia reativa) é realizada nos procedimentos de planejamento. A definição dos níveis de atuação para cada um dos capacitores instalados é parte dos procedimentos de controle da rede. Metodologias para definir os melhores locais para instalação de capacitores vêm sendo estudadas desde a década de 50. Pode-se considerar que existem metodologias capazes de produzir boas soluções para o problema, mas a pesquisa na área é ainda intensa. Os trabalhos recentes procuram incluir aspectos mais detalhados nas representações de redes e melhorar a qualidade das soluções, inovando na abordagem do problema de otimização. Novos métodos de otimização combinatória e exploração das possibilidades de computação evolutiva estão entre as principais componentes dos trabalhos mais recentes. Apesar das Distribuidoras sempre fazerem investimentos elevados em bancos de capacitores, buscando obter os benefícios do alivio do carregamento, elevação de tensão, e redução de perdas, o dinamismo e a sazonalidade das cargas, associada à falta do controle global de reativos, faz com que os Sistemas de Distribuição se apresentem, na maior parte do tempo, com falta ou excesso de reativos, provocando perdas elétricas excessivas, reduzindo sua capacidade e exigindo investimentos constantes na rede, tanto para adequar a capacidade à necessidade da carga como para resolver problemas localizados ou temporários de tensão. Para agravar ainda mais os problemas, em muitas Concessionárias, grande parte dos bancos de capacitores se encontra fora de operação, provocando enormes prejuízos. Buscando minimizar os efeitos provocados por estes tipos de problemas, a CPFL aprovou no seu Programa de Pesquisa e Desenvolvimento, o desenvolvimento de dois projetos de pesquisa que estão operando de forma interativa e integrada: O primeiro, concluído em 2004 PD-75 Técnicas Evolutivas para Otimização do Controle de Reativos com Sazonalidade nas Demandas, desenvolveu o programa computacional otimizador para elaborar estratégias ótimas de instalação e controle dos bancos de capacitores, considerando o investimento, os custos de manutenção, a redução das perdas pela instalação, e o custo da energia perdida. E o Segundo - em conclusão em 2005 PD-69 Sistema de Compensação Reativa Dinâmico, Inteligente, Relocável, Conjugado com filtragem de harmônicos, que monitora de forma sistema a condição de operação dos bancos de capacitores. Dinâmico: por supervisionar continuamente o fluxo de reativo nos alimentadores e transformadores de força, a partir de dados de medição existentes na subestação, consultar constantemente o cadastro de bancos de capacitores instalados nos alimentadores, propondo reconfigurações quase que automáticas, emitindo ordens de inspeções em bancos que possivelmente estão com problemas, buscando com isto a melhoria continua do desempenho do Sistema Elétrico da CPFL; Inteligente por propor uma compensação ótima de bancos de capacitores e avaliando a situação de cada banco, emitindo periodicamente propostas de relocação de bancos, visando reduzir ao máximo o fluxo de reativos, conversando (atualmente ainda de forma indireta) com o programa desenvolvido no PD-75 Otimizador ; Relocável por aplicar padrões de bancos de alta flexibilidade, para ser instalado e retirado
apenas por um içamento, sem desligamentos na rede, tipo Plug and Play; Conjugado por fazer a compensação reativa na média e na baixa tensão, de forma simultânea, sendo que na baixa tensão há a possibilidade da filtragem passiva de distorções harmônicas, visando aliviar o carregamento dos transformadores de distribuição, através da redução das perdas, proporcionando ainda um ganho de vida para o equipamento. DESENVOLVIMENTO No primeiro ano de pesquisa, iniciado em novembro de 2003, foi desenvolvido e instalado um padrão versátil de bancos de capacitores para poste, também chamado de banco Plug and Play, idealizado para ser instalado e retirado de forma fácil, segura e rápida, a partir da elaboração de uma pesquisa bibliográfica sobre inovações tecnológicas e verificação do Estado-da-Arte da compensação reativa em sistemas primários de distribuição. O protótipo inicialmente desenvolvido, foi um banco direto sem chaves a óleo, formado por apenas uma unidade capacitiva trifásica de 300 kvar, na instalação em redes de 13,8 KV. A estrutura de sustentação do banco foi inicialmente idealizada utilizando o mínimo possível de material, visando reduzir ao máximo o peso do banco. A estrutura foi definida para que o banco fosse fixado ao poste através de cinta metálica, da forma como se sustentam transformadores de distribuição. Os desenhos do primeiro protótipo do banco relocável estão representados na figura 1. Fig. 1: Desenhos do primeiro protótipo do banco relocável O primeiro protótipo do banco relocável foi instalado em menos de 1 hora, e poderia ser ainda bem menor, em virtude de improvisações que precisaram ser aplicadas pelo fato dos eletricistas ainda não conhecerem este tipo de instalação. Não houve necessidade de desligar a rede, nem ao menos dar um pisca para manobrar o banco. Com isto nasceu o termo Banco PP - Plug & Play, em virtude da facilidade de instalação. As figuras de 2 a 4 mostram a seqüência da instalação: Fig. 2: Protótipo do BCR sendo içado
Fig. 3: Protótipo do BCR sendo Energizado Fig. 4: Protótipo do BCR em operação Desde a data da primeira avaliação, 23/1/2004, o banco vem operando adequadamente, não sendo registrado nenhuma avaria ou atuação do fusível (vale atentar pelo fato do BC ser formado por um único capacitor trifásico de potência acima dos padrões da CPFL). Resultados das avaliações do desempenho referente a compensação reativa: Houve uma redução no fator de potência de 93,6 para 90,6%, após o desligamento do BC Eletrônico de 600 kvar, no dia 19/04, mostrando que o banco estava operando. Houve uma redução no fator de potência de 91,1 para 88,2%, após o desligamento do protótipo do Filtro Harmônico no dia 26/04 e aumento no fator de potência de 90,1 para 90,2%, após a ligação do mesmo no dia 29/04, mostrando que este também participa na compensação reativa do alimentador. A redução no fator de potência de 90,3 para 87,5%, após o desligamento do protótipo do BC relocável no dia 27/04 e o aumento no fator de potência de 88,2 para 91,2%, provocado pela ligação do mesmo no dia 28/04, mostraram que o protótipo do BC relocável 300 kvar também participa na compensação reativa do alimentador. No segundo ano do projeto, iniciado em novembro de 2004, foi feito a avaliação da performance do equipamento com relação a relocabilidade, considerando os aspectos de segurança, estabilidade, facilidade de instalação e retirada, sendo constatado que: A pré-montagem e a estrutura do banco representa uma grande facilidade para a instalação, sendo que a primeira instalação levou menos de 1 hora, e a instalação convencionou leva em torno de 6 horas. Foi identificada a necessidade de aprimoramento do sistema de fixação no poste, no sentido de dar mais sustentação ao conjunto (por exemplo, uma mão francesa), visto que a sustentação do conjunto (estrutura + capacitor) ficou um pouco arriada. Foi necessário aumentar o espaçamento entre fases da chave fusível, visando reduzir a possibilidade de abertura de arco de uma para outra fase no instante de abertura da chave, com bastão com Load Booster. As figuras 5 e 6 mostram detalhes dos protótipos aperfeiçoados de bancos de capacitores relocáveis propostos:
içado, e a figura 8 mostra um protótipo aperfeiçoado de bancos de capacitores relocável de 300 KVAr automático em operação. Fig. 5: Detalhes do Protótipo Aperfeiçoado do Banco Relocável automático proposto Fig. 7: Protótipo do BCR de 600 kvar Automático sendo içado. Fig. 6: Detalhes do Protótipo Aperfeiçoado do BCR de 300 kvar Direto proposto. Foram desenvolvidos e instalados quatro novos protótipos sendo eles de 300 e 600 kvar diretos, e 300 e 600 kvar automáticos por controle de kvar supervisionado por tensão, sendo que o banco direto de 300 kvar diretos não terá chaves a óleo. Para definição dos pontos de instalação foi utilizado o Software Otimizador, onde foram avaliados vários alimentadores com alto potencial para relocação de bancos de capacitores. A figura 7 mostra um protótipo aperfeiçoado de bancos de capacitores relocável de 600 KVAr automático sendo Fig. 8: Protótipo BCR de 300 kvar Automático em operação No terceiro ano está sendo avaliada a performance dos protótipos de bancos
relocáveis instalados, também com relação a relocabilidade e segurança, dando ênfase à performance dos bancos automáticos, e concluído o desenvolvimento do Software de comunicação e análise, que terá a função especifica de avaliar constantemente o fluxo de reativos na saída dos alimentadores e nos transformadores de força das subestações, de forma concatenada com o sistema de cadastro de bancos de capacitores, e propor periodicamente movimentações de equipamentos, visando minimizar o fluxo de reativos no sistema. Além disto o software avaliará a situação de cada banco instalado e proporá inspeções em bancos que deveriam estar operando normalmente e provavelmente não estão, devido a avarias ou necessidade de reajustes nos controles. Também está sendo a avaliada a performance global do Sistema Conjugado de Compensação reativa visando sua validação. APLICAÇÃO PRÁTICA Com o intuito de aliviar a carga do alimentador PTA-134, devido ao aumento do carregamento devido às festas de final de ano, foi relocado o protótipo do banco de capacitor relocável desenvolvido no primeiro ano de desenvolvimento do PD-.69, adicionando outra unidade capacitiva trifásica de 300 KVAr, formando um banco de 600 KVAr. A locação do banco de capacitor foi definida pelo programa Estratégia de Controle Reativo do PD-75, integrando os dois projetos de pesquisa. O BCR de 600kVAr foi instalado no dia 30/12/04, as 21:00 pelo EA São Vicente e o Ganho de compensação reativa devido a instalação do banco de capacitor relocável pode ser verificado através da figura 9. Fig. 9: Ganho de compensação reativa com a instalação do BCR
A figura 10 mostra a foto do BCR instalado no alimentador da SE Praia Grande, no final de 2004, e a figura 11 mostra outra vista do equipamento instalado, se no local da instalação tiver os estribos, não há necessidade de uso da equipe de linha viva. Fig. 10: Foto do BCR instalado no alimentador da SE Praia Grande, no final de 2004 Fig. 11: Outra vista da instalação Resultado: No alimentador PTA-134 com carregamento de 424A em 31/12/2004, sem o banco teríamos alcançado valor de 430A. A demanda máxima permissível no alimentador é de 400, obtendo os seguintes benefícios: Redução da corrente no alimentador; Redução da potência reativa no sistema; Redução das perdas elétricas. CONCLUSÕES Já na instalação do primeiro protótipo do banco relocável, ou PLUG and PLAY, foi constatado o pequeno tempo necessário para sua instalação na rede; pois o que atualmente é feito em várias horas pode ser feito em menos de uma hora. Como os serviços podem ser feitos com a rede energizada, não houve necessidade de abertura de ramais para instalação do banco, o que evitou prejuízos tanto para a CPFL como para seus consumidores. Este projeto está tendo grande receptividade dentro da CPFL em virtude da redução dos investimentos necessários, tanto em materiais como em serviços, pois a facilidade de execução dos serviços e redução dos componentes além de reduzir a quantidade de mão de obra necessária para instalação, retirada e manutenção dos bancos de capacitores. Essa receptividade poderá ser ainda maior quando o software estiver operando. Em virtude disto. está sendo proposta uma continuidade do projeto visando abranger a metodologia do banco relocável em toda a área de concessão da CPFL, a partir de desenvolvimento de padrões que utilizem capacitores monofásicos, motivando a utilização dos equipamentos ociosos que existem no seu sistema. Além da aplicação em áreas com cargas sazonais, como foi o caso do sucesso comprovado na instalação do BCR para resolver os problemas devido a sobrecargas típicas de final de ano na Praia Grande, em 2004, a aplicação do Sistema pode se dar em praticamente todos alimentadores tanto da CPFL como das demais distribuidoras. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Relatórios Técnicos do PD-69. [2] J. Camargo, - Compensação Reativa Racionalizada XIII SENDI Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica São Paulo, 1997 Brasil. [3] D. V. S. Coury, C. J. Tavares, M. C. Oleskovicz Transitórios devido ao chaveamento de Bancos de Capacitores em um Sistema de Distribuição da CPFL XIV CBA - Congresso Brasileiro de Automática Natal, 2002 - Brasil. 7