Diagnóstico e Análise da Qualidade de Energia na UFSJ Teresa Cristina Bessa Nogueira Assunção e José Tarcísio Assunção Universidade Federal de São João del-rei - UFSJ Praça Frei Orlando, 160 - Campus Santo Antônio - Departamento de Engenharia Elétrica São João del-rei, Minas Gerais, Brasil Resumo Atualmente, há uma grande preocupação em relação à melhoria da eficiência e qualidade da energia em instalações residenciais, institucionais, comerciais e industriais, visando reduzir desperdícios e eliminar gastos desnecessários. Portanto, é importante o investimento em novas tecnologias que proporcionem a redução das perdas e a melhoria da qualidade da energia elétrica. Por exemplo, com o uso cada vez maior de lâmpadas fluorescentes e reatores eletrônicos, há o aumento de cargas não lineares, e consequentemente, o aumento do nível de distorção da corrente e tensão dos sistemas. O presente trabalho tem como objetivo a avaliação da qualidade e eficiência energética de instalações do campus da Universidade Federal de São João Del Rei, através de medições e do histórico das contas de energia. Palavras-chaves Qualidade de energia elétrica, eficiência energética, distúrbios elétricos. I. INTRODUÇÃO A Qualidade de Energia Elétrica (QEE) está relacionada às alterações que podem ocorrer no sistema elétrico. De acordo com [1], a definição de problemas relacionados à QEE é: Qualquer problema de energia manifestado na tensão, corrente ou nas variações de frequência que resulte em falha ou operação inadequada de equipamentos. Atualmente, há um aumento do uso de cargas não lineares em instalações prediais, fazendo com que programas de eficiência sejam desenvolvidos e aplicados. Por esta razão, a avaliação da qualidade da energia elétrica está sempre associada aos projetos de eficiência energética. O uso eficiente da energia elétrica pode ser atingido com medidas adotadas pela concessionária, melhorando a produção e distribuição, e pelo consumidor visando o uso eficiente e o gerenciamento energético. A eficiência energética poderá implicar em considerável economia para o consumidor, principalmente, em instalações onde a energia elétrica tem um papel significativo. É importante mencionar que, eficiência energética não significa racionamento, tampouco racionalização forçada para a redução do serviço energético, e sim, redução da energia para o mesmo serviço. Uma boa maneira de racionalizar energia é aumentar a eficiência dos equipamentos, o que significa ter um equipamento que consuma o mínimo de energia possível para operação, ou seja, com o mínimo de perdas. Para tanto, uma alternativa é a criação de incentivos e mecanismos que compensem o alto custo das novas tecnologias em relação às mais antigas e já superadas em relação ao desempenho e eficiência energética. Embora. a utilização racional de energia possa produzir múltiplos benefícios para a sociedade em geral, existe um conjunto de barreiras que dificultam a efetiva execução dos programas de eficiência energética. De uma forma geral, têm-se como principais barreiras ao uso eficiente da energia: desconhecimento, por parte dos setores envolvidos, das tecnologias mais eficientes e dos seus potenciais benefícios; aversão ao risco associado à introdução de novas tecnologias; custo das tecnologias mais eficientes que são, normalmente, mais caras, em termos de investimentos iniciais, embora os custos totais ao longo da vida dos equipamentos sejam menores, em virtude da redução dos custos de operação; escassez de capital para os investimentos e limitações no acesso a crédito em condições tão vantajosas como as obtidas pelas empresas responsáveis pela oferta de energia; ausência de incentivos para os agentes envolvidos na seleção dos equipamentos e na gestão de energia das instalações; e, em alguns tipos de projetos, o prazo de retorno do investimento é superior a cerca de 2 a 3 anos, devido ao preço elevado de tecnologias mais eficientes. Deve também ser lembrado que, para a grande maioria dos consumidores a eficiência energética é assunto de pouca prioridade, pois as despesas com energia são vistas para a maioria destes usuários como um problema da empresa, já que não os afeta diretamente. Cerca de 20% de toda a energia elétrica consumida no Brasil é com a iluminação. No caso de edificações, este percentual pode chegar a 40% do consumo de energia elétrica da instalação [2]. Nos prédios públicos a iluminação é a maior fonte de consumo de energia, e por isso esta se torna a maior fonte para a aplicação de eficiência energética, visando uma melhor e adequada racionalização da energia elétrica. Uma redução do consumo de energia de 60% ou mais é tecnicamente, e muitas vezes economicamente viável empregando lâmpadas, reatores, luminárias e controles mais eficientes [2].
Hoje, é disponível uma grande variedade de tecnologias de uso eficiente na iluminação, que incluem lâmpadas fluorescentes, lâmpadas vapor de sódio, halógenas, lâmpadas LED, reatores eletrônicos, sensores de presença e refletores especulares para luminárias. Uma das soluções encontradas para a melhoria da eficiência energética em prédios públicos é a troca, por exemplo, dos reatores magnéticos por eletrônicos. As lâmpadas fluorescentes com reator eletrônico, por serem mais econômicas, tornaram-se populares, entretanto, têm como desvantagem o fato de produzirem harmônicas de corrente. Além disso, nestas instalações encontra-se um grande número de cargas não lineares, como os computadores, que são equipamentos cada vez mais baseados em microprocessadores e componentes de eletrônica de potência. Então, verifica-se que, os sistemas elétricos estão deixando de serem sistemas eletromecânicos e se transformando em sistemas eletroeletrônicos. Esta transformação, que tem contribuído para o aumento da produtividade industrial e para o uso mais eficiente da energia elétrica, tornou mais rígido os requisitos de qualidade para a energia elétrica. Alguns exemplos de fenômenos que afetam a qualidade de energia são as variações de tensão de curta duração (interrupções, afundamentos e elevações de tensão), as variações de tensão de longa duração (subtensões e sobretensões), os harmônicos, os desequilíbrios e a flutuação de tensão, que causa o fenômeno de cintilação luminosa (flicker). Em função disto, ocorrências usuais no sistema elétrico, como energizações de linhas de transmissão e transformadores ou a ocorrência de curtos-circuitos, originando VTCDs (variações de tensão de curta duração), podem ocasionar a parada de grandes unidades industriais. Soma-se também o fato de que as cargas industriais, comerciais, institucionais e até residenciais que contêm componentes eletrônicos, contribuem para o aumento da poluição do sistema elétrico, pois injetam harmônicos no sistema. Além do emprego de equipamentos mais eficientes, a economia de energia também deve acontecer através de medidas educativas, adequações em processos e trabalhos, melhoria no desempenho e manutenção adequada nos equipamentos. Esse trabalho tem por objetivo estudar e avaliar os resultados do diagnóstico elétrico de unidades das instalações da UFSJ; propor medidas a serem adotadas na UFSJ para a melhoria da eficiência e da qualidade da energia consumida. II. NORMAS E RECOMENDAÇÕES DE QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA Os padrões para verificação da qualidade de energia constam do módulo 8 do PRODIST [3], cujos objetivos são: Estabelecer os procedimentos relativos à qualidade da QEE, abordando a qualidade do produto e a qualidade do serviço prestado; Para a qualidade do produto, este módulo define a terminologia, caracteriza os fenômenos, parâmetros e valores de referência relativos à conformidade de tensão em regime permanente e às perturbações na forma de onda de tensão, estabelecendo mecanismos que possibilitem à Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), fixar padrões para os indicadores de QEE; Para a qualidade dos serviços prestados, este módulo estabelece a metodologia para apuração dos indicadores de continuidade e dos tempos de atendimento a ocorrências emergenciais, definindo padrões e responsabilidades. Os procedimentos de QEE definidos em [3]; devem ser considerados por: consumidores com instalações conectadas em qualquer classe de tensão de distribuição; produtores de energia; distribuidoras; agentes importadores ou exportadores de energia elétrica; transmissoras detentoras de demais instalações de transmissão - DIT; Operador Nacional do Sistema ONS. Os aspectos verificados da QEE em regime permanente ou transitório são: tensão em regime permanente; fator de potência; harmônicos; desequilíbrio de tensão; flutuação de tensão; variações de tensão de curta duração; variação de frequência. Para a verificação do fator de potência, os registros dos valores reativos deverão ser feitos por instrumentos de medição adequados, preferencialmente eletrônicos, empregando o princípio da amostragem digital e aprovados pelo órgão responsável pela conformidade metrológica. O valor do fator de potência deverá ser calculado a partir dos valores registrados das potências ativa e reativa (P, Q), ou das respectivas energias ativa e reativa (E A, E R ), utilizando-se (1) ou (2). fp = P P 2 + Q 2 (1) fp = E A E A 2 + E R 2 (2) O procedimento de medição não deixa claro o tratamento dado às harmônicas, uma vez que a definição da parcela reativa não é especificada. Para a análise de harmônicos, de variações de tensão de curta duração (VTCDs) e de desequilíbrios, em [3] é informado que, os instrumentos de medição devem atender aos protocolos de medição e às normas técnicas vigentes. O espectro harmônico considerado para o cálculo da distorção total deve compreender uma faixa de frequências, desde a componente fundamental até, no mínimo, a 25ª ordem harmônica (h min = 25). A ABNT [4-5] não estabelece normas relativas à qualidade da energia elétrica, mas, define especificações para equipamentos eletroeletrônicos, incluindo aspectos como fator de potência, emissão de harmônicas. Outros aspectos relativos à Qualidade de Energia Elétrica são disponíveis em [6, 7].
III. RESULTADOS O estudo dos distúrbios elétricos em uma instalação elétrica não é uma tarefa fácil, mas fundamental, pois assim pode-se identificar onde ocorrem falhas e até mesmo evitar que equipamentos da instalação sofram avarias devido à qualidade da energia elétrica. O equipamento Fluke 435 (Fig. 1) foi instalado no painel central do quadro distribuição de energia, do PRÉDIO CENTRAL DO CAMPUS SANTO ANTÔNIO da UFSJ (Fig. 2), conforme a Fig. 3, este detecta e registra problemas de qualidade da energia com maior segurança e com mais detalhes, e ajuda a fazer a manutenção de sistemas de energia com alta qualidade. Este equipamento permite o registro para posterior análise de todos os parâmetros, eventos e anomalias relacionados à energia elétrica. Fig 3.Quadro de Distribuição do PRÉDIO CENTRAL DO CAMPUS SANTO ANTÔNIO DA UFSJ. Fig.1. Fluke 435. Fig. 4. Distorção harmônica total da tensão (DHTv). Fig. 2. Fachada do PRÉDIO CENTRAL DO CAMPUS SANTO ANTÔNIO da UFSJ. Medições no Campus Santo Antônio A distorção harmônica de tensão é pequena, pois, como pode ser visto na Fig. 4, os valores nas três fases não ultrapassam 6%. No entanto, é verificada uma leve poluição harmônica na fase L3, como mostrado na Fig. 5. Fig. 5. Distorção harmônica total da corrente (DHTi). O espectro harmônico da tensão e corrente, Fig. 6 e Fig. 7, respectivamente, mostra que a instalação está com valores considerados normais, segundo a IEEE-519 [8].
estudada a variação do fator de potência é mostrada na Fig. 9. Observa-se que, há uma diminuição do fator de potência após as 19 horas, por causa da utilização do sistema de iluminação. Com a diminuição do fator de potência há um aumento do reativo do sistema, o que implica em um aumento da distorção de corrente, que pode provocar um aumento na distorção harmônica de tensão. Fig.6. Espectro harmônico da tensão. Fig. 9. Variação do fator de potência (FP). Na Fig. 10 é apresentado o valor da corrente nos condutores fase e neutro. Observa-se que, a corrente que circula no condutor neutro é bastante elevada, possivelmente, devido ao desequilíbrio entre as fases. Fig. 7. Espectro harmônico da corrente. Na Fig. 8 é mostrada a variação da frequência do sistema elétrico, observando que, essa se encontra dentro dos limites admitidos por [9]. Fig. 10. Corrente nas fases e no neutro. Fig.8. Variação da frequência. Atualmente, no Brasil o fator de potência (FP) mínimo para os consumidores é 0,92. Para a instalação elétrica Como se trata de uma instalação antiga, o dimensionamento do condutor neutro foi baseado na versão anterior da NBR-5410 [10], cuja seção do neutro pode ser igual ou ser a seção do condutor fase/2. No caso do dimensionamento do condutor neutro, a antiga prática aconselharia a escolha de uma seção nominal menor ou igual à dos condutores de fase correspondentes e o uso de um esquema com o neutro compartilhado entre vários circuitos. Por outro lado, uma correta consideração sobre os efeitos eletromagnéticos que ocorrem com cargas não lineares requer a seleção de um condutor neutro com uma seção nominal maior ou igual à dos condutores de fase correspondentes e baseada na corrente que realmente circula pelo circuito. O uso de um condutor neutro separado para cada circuito também é requerido.
Por isso, uma atenção especial deve ser dispensada ao dimensionamento de condutores na presença de harmônicas [10]. Na Tabela I são mostrados os valores de tensão, corrente e THD de tensão e corrente no condutor neutro. Apesar da tensão no neutro ser relativamente baixa, ou seja, dentro da recomendação de até 5 volts [3], a distorção harmônica de tensão (THDv) e de corrente (THDi) é muito alta. Possivelmente, isso é devido ao valor da corrente no neutro da instalação estudada, que em um sistema equilibrado seria nulo. Uma corrente relativamente alta no condutor neutro, que possui uma dimensão reduzida, além de gerar perdas por efeito joule, pode provocar danos à instalação devido ao aquecimento excessivo. Tensão 3,82 V TABELA I. TENSÃO, CORRENTE, THDv e THDi NO CONDUTOR NEUTRO. Corrente 76,61 A THDv 327,25% THDi 255,86% Avaliação das Contas de Energia do Campus Santo Antônio A análise da demanda de energia elétrica de uma instalação é importante, pois a partir dessa, é possível avaliar o quanto a instalação é eficiente e a variação do seu consumo. É possível também, traçar planos de consumo ou alternar horários de ligamento ou desligamento de equipamentos. A análise do histórico das contas de energia elétrica é um importante banco de dados, pois, permitiu avaliar como está sendo utilizada a energia elétrica nas instalações da UFSJ. Nas Figs. 10 e 11 é mostrada a curva de carga e o fator de carga, respectivamente, do Campus Santo Antônio da UFSJ. A tarifa de energia elétrica da UFSJ é do tipo horosazonal verde, pois tem o maior consumo no horário fora de ponta, como pode ser observado nas Figs. 10 e 11. Fig. 11. Fator de carga do Campus Santo Antônio da UFSJ. Algumas medidas que podem ser tomadas para o aumento do fator de carga de uma instalação são: Seleção e reprogramação dos equipamentos e sistemas que possam operar fora do horário de pico; Elaboração de um cronograma para utilização dos equipamentos elétricos, de acordo com a sua capacidade e regime de trabalho; Controle da entrada de novos equipamentos; Fazer periodicamente, a manutenção e verificação da operação da proteção e dos equipamentos da instalação. Quanto maior o fator de carga, menor será o preço médio da conta de energia elétrica, e maior a eficiência energética da instalação elétrica. Na Tabela II é apresentado um resumo do diagnóstico das instalações elétricas do campus Santo Antônio da UFSJ. TABELA II. RESUMO DO DIAGNOSTICO ELÉTRICO NA UFSJ. Distúrbio Origem Consequência Solução Harmônicos no condutor neutro Baixo FC no horário fora de ponta (HFP) Desequilíbrio de cargas; Aumento de Cargas não lineares. Concentração de cargas no mesmo período de tempo Sobreaquecimento de cabos e equipamentos; Operação inadequada de dispositivos de proteção. Valor alto da tarifa; Instalação não eficiente Filtros de harmônicos; Redimensionamento de Condutores. Planejamento da operação de equipamentos; Redução de demanda. Fig 10. Curva de Carga do Campus Santo Antônio. Os limites de distorção harmônica para diferentes ordens, conforme a IEEE 519 [8], não devem ultrapassar 8%. Já distorção harmônica total de corrente não deve ultrapassar os 20%, se isso acontecer revela que a instalação esta com um alto conteúdo harmônico. Com relação ao fator de potência a concessionária de energia exige que esteja acima de 0,92, se isso não for comprido haverá cobrança de multa. O fator de carga é expresso pela relação entre a energia ativa consumida num determinado período de tempo e a energia ativa total, quanto mais próximo de 1 indica que a energia esta sendo usada racionalmente.
IV. CONCLUSÃO Este trabalho apresenta os resultados do diagnóstico de qualidade de energia elétrica de instalações da UFSJ. Com a expansão das unidades da UFSJ e o aumento de carga, é de extrema importância a avaliação destas instalações, para evitar possíveis distúrbios que possam afetar e/ou danificar os equipamentos. Portanto, o planejamento e controle de cargas da instalação são importantes, para que os equipamentos não sofram nenhuma perturbação que possa vir a danificá-los, e verificar se a energia elétrica está sendo usada de forma racional e eficiente. Com a construção de novos prédios nos campi da UFSJ, fica uma abertura para novos diagnósticos para avaliar o quanto é segura e eficiente suas instalações. Este trabalho apresenta um diagnóstico inicial da qualidade da energia elétrica intercalado com a eficiência energética de instalações da UFSJ. Hoje, dentro do contexto da relação consumidor e concessionária, observa-se uma maior demanda por informações sobre a qualidade da energia fornecida. O levantamento detalhado do consumo e custo de energia ao longo do dia e mesmo ao longo das estações do ano, são fatores de referência na otimização de equipamentos elétricos, e que certamente, influenciarão na qualidade da energia. Pois, embora seja contraditório, o uso mais intensivo de equipamentos eletrônicos no comando e controle são necessários para a melhoria da eficiência de instalações elétricas. Mas, estes mesmos equipamentos que são fontes de distorções harmônicas, também são os mais exigentes em termos de qualidade da energia elétrica, ou seja, eficiência e qualidade de energia devem ser abordadas conjuntamente. Semicondutor Factories, SEMI Standards Copyright Policy/License Agreements. [8] IEEE 519, IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems, 2014. [9] QEnergia, O impacto dos problemas de qualidade da energia em instalações elétricas, Ordem dos Engenheiros, 2001. [10] NBR-5410, Instalações Elétricas de baixa tensão ABNT, 2008. V. REFERÊNCIAS [1] R. C. Dugan et al., Electrical Power Systems Quality, 2012, 3ª edition. [2] L. C. Magalhães, PROCEL, Orientações Gerais para Conservação de Energia Elétrica em Prédios Públicos, 1ª edição, PROCEL, 2001. [3] Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL, Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional PRODIST, Módulo 8 Qualidade da Energia Elétrica, Revisão 1, vigente a partir de 01/01/2010. [4] ABNT NBR 14418, Reatores eletrônicos alimentados em corrente alternada para lâmpadas fluorescentes tubulares - Prescrições de desempenho, 2011, Associação Brasileira de Normas Técnicas. [5] ABNT NBR 15204, Conversor a semicondutor - Sistema de alimentação de potência ininterrupta com saída em corrente alternada (nobreak) - Segurança e desempenho, 2008, Associação Brasileira de Normas Técnicas. [6] IEEE 1159, IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality, 2009. [7] SEMI F50-0200 (Reapproved 1108), Guide for Electric Utility Voltage Sag Performance for