Qualidade da Energia Eléctrica: Perturbações e Soluções Reparadoras

Qualidade da Energia Eléctrica: Perturbações e Soluções Reparadoras Luís Oliveira Jornadas Técnicas 07-11-2012 Departamento Engenharia Electrotécnica

Conceito de Qualidade da Energia Eléctrica Qualidade de Energia Eléctrica (QEE): A energia fornecida por um sistema eléctrico tem qualidade quando garante o funcionamento do equipamento eléctrico, sem que se verifiquem alterações de desempenho significativas. Fonte: Manual da Qualidade de Energia Eléctrica, EDP. 2

Especificidades do produto electricidade O produto electricidade: Armazenamento muito limitado é produzido praticamente ao mesmo tempo que é consumido. Consumidores diferentes têm exigências de qualidade de serviço diferentes A qualidade pode ser afectada pelo fornecedor, pelo distribuidor ou pelo cliente A rede de distribuição tem um forte impacto na qualidade da electricidade São frequentes e imprevisíveis os acidentes com forte impacto na qualidade 3

Importância da Qualidade da Energia Eléctrica Utilização do termo "Power Quality" em títulos/resumos/palavras chave de artigos publicados 4

Importância da Qualidade da Energia Eléctrica Custos inerentes às interrupções de tensão: Fonte: Manual da Qualidade de Energia Eléctrica, EDP. 5

O que é a qualidade no produto energia? Continuidade de serviço (Fiabilidade) Ausências de interrupções (continuidade de tensão, caracterizada pela frequência e duração das interrupções de fornecimento de energia eléctrica) Qualidade da onda Amplitude constante com valor nominal Frequência constante Sistema de tensões equilibrado e simétrico Distorção harmónica Qualidade comercial Atendimento (presencial ou telefónico) Informação disponibilizada (Contratos, opções, serviços, reclamações, facturação, etc) Padrões para a qualidade comercial Fonte: Humberto Jorge; Acetatos da disciplina de Qualidade de Energia; DEEC-FCTUC 6

Alteração da natureza das cargas Desde o início do século XX até 1970 s Sector em permanente expansão e sem grandes problemas com a Qualidade de Energia Cargas robustas e pouco poluidoras Após 1970 Cargas lineares: resistivas, indutivas e capacitivas Não Lineares: fornos a arco, transformadores Aparecimento do transístor (e tiristor) e electrónica de potência Proliferação de cargas não lineares, altamente poluidoras Cargas simultaneamente mais sensíveis e mais perturbadoras da qualidade de energia Fonte: Humberto Jorge; Acetatos da disciplina de Qualidade de Energia; DEEC-FCTUC 7

Perturbações na Qualidade de Energia Processo ainda assente maioritariamente em grandes centros produtores. Funcionamento síncrono. Oferta = procura em cada instante. Sistema Distribuído de T&D até às cargas. A QEE no local de geração. Degradação introduzida pelo sistema de T&D. Degradação introduzida pelas cargas. Fontes: Traça de Almeida, Qualidade de Energia Eléctrica, ISR, (www.edp.pt) 8

Tipos de perturbações na QEE Algumas perturbações: Interrupções (curtas ou longas) Cavas de tensão Tensão Transitórios Sobretensão momentânea Tensões harmónicas Ruído (interferência electromagnética) 110 % 100 % 90 % Sobretensões Flutuações de tensão Flutuações de tensão Inter-harmónicos Tremulação (flicker); Cavas de tensão Abaixamentos de tensão Micro-cortes Sobretensões transitórias; 1 % 10 ms Interrupções breves Interrupções longas 1 min 3 min Duração Desequilíbrio da tensão trifásica; Oscilações da frequência Fonte: A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt). 9

Perturbações registadas em MT em Portugal Número de perturbações Caracterização das perturbações à entrada de uma instalação industrial Região Centro de Portugal, ano de 2003. 10

Perturbações na QEE: Interrupção momentânea Interrupção momentânea: a tensão de alimentação, no ponto de entrega ao Cliente, é inferior a 1% da tensão declarada: Classificada consoante a duração: longa: (duração superior a 3 minutos) provocada por um defeito permanente; breve: (duração não superior a 3 minutos) provocada por um defeito transitório. Classificada consoante o tipo: interrupção prevista interrupção acidental Fontes: J. L. Afonso e J. S. Martins, "Qualidade da energia eléctrica"; Revista o Electricista, 2004. 11

Regulamento de Qualidade de Serviço Indicadores de continuidade de tensão Energia Não Fornecida (ENF), em Watt hora Tempo de Interrupção Equivalente (TIE), em minutos Tempo de Interrupção Equivalente da Potência Instalada (TIEPI), em minutos System Average Interruption Frequency Index (SAIFI) Frequência Média das Interrupções do Sistema, em número de interrupções por ponto de entrega System Average Interruption Duration Index (SAIDI) Duração Média de Interrupções do Sistema, em minutos Momentary Average Interruption Frequency Index (MAIFI) Frequência Média das Interrupções Breves do Sistema, em número de interrupções por ponto de entrega Average Service Availability Index (ASAI) Disponibilidade Média do Sistema, em % Costumer Average Interruption Duration Index (CAIDI) Duração Média das Interrupções no Ponto de Entrega, em minutos por interrupção 12

Perturbações na QEE: Cavas de tensão Cavas de tensão (voltage sag ou voltage dip) Diminuição brusca da tensão para valores entre 90% e 1% do valor nominal. A maior parte das cavas de tensão dura menos de 1 minuto e tem uma amplitude inferior a 60% As causas mais frequentes são os defeitos e as manobras na rede, as anomalias nas instalações dos consumidores, a ligação/desligação de cargas importantes Fonte: Schneider-Electric, Cahier Technique no. 199, Power Quality. 13

Cavas de tensão: origem Origem das cavas de tensão em redes de T&D U 1 Caso de um defeito transitório U n Caso de defeito permanente AT MT I 1 I n U 2 U n U 1 U n t 0 t 1 t 2 t Caso de um defeito permanente t t Cliente alimentado pela saída 1 Cliente alimentado pela saída 2 Saída 2 I 1 t Cliente alimentado pela saída 1 Saída 1 I n U 2 U n t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t t Cliente alimentado pela saída 2 Fonte: A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt). 14

Cavas de tensão: exemplos Amplitude: 14% Duração: 60ms Amplitude: 12% Duração: 42ms Amplitude: 32% Duração: 95ms Fonte: A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt). 15

Cargas mais sensíveis a cavas Cargas mais sensíveis a cavas Equipamentos electrónicos Baseados em microprocessadores (computadores e periféricos), Redes de comunicação Sistemas de telecomunicações Controladores lógicos, autómatos (reset) Accionamentos com variadores electrónicos de velocidade V I Contactores Iluminação Transformadores (sobrecorrente transitória no restabelecimento) Fonte: Humberto Jorge; Acetatos da disciplina de Qualidade de Energia; DEEC-FCTUC 16

Transformadores: sobrecorrente transitória pós cava Tensões Correntes 17

Curvas CBEMA e ITIC Curva CBEMA (Computer and Business Equipment Manufacturers Association): estabelece os limites admissíveis, para os quais o equipamento informático e de escritório deve funcionar adequadamente. Esta curva, indicativa, apresenta os limites de tolerância do equipamento para cavas de tensão, interrupções breves e sobretensões. Tensão nominal % Base da EN 50160, do RQS,... 300% 250% 2 Zona proibida de alta perigosidade 1 2 3 Tensão dentro dos limites. Sobretensão de muito curta duração. Cava de longa duração. 200% 41 Interrupção de 2 segundos. 150% 100% 1 106% 87% Banda de variação permitida 87 106% Valor Nominal 50% Região segura de operação 3 Zona proibida de baixa perigosidade 0% 0,001 0,01 0,1 0,5 4 1 10 100 1000 Ciclos 200 microseg. 2 mseg. 20 mseg. 200 mseg. 2 seg. 10 seg. 20 seg. 18

Curva ITIC Curva ITIC (Information Technology Industry Council): A curva CBEMA foi revista em 1996, surgindo uma nova versão conhecida como CBEMA 96 ou curva ITIC. Posteriormente, em 2000, também esta curva foi revista. Zona de robustez das cargas 19

Perturbações na QEE: Sobretensão transitória Sobretensão transitória (voltage swell): Pode ser provocada, entre outros casos, por situações de defeito ou operações de comutação de equipamentos ligados à rede eléctrica. 30 20 il1 il2 il3 10 0 10 20 20 30 0.85 0.9 0.95 1 1.05 (s)

Sobretensões Classificação de sobretensões Baixa frequência Quando ocorrem à frequência do sistema (50Hz) Alta frequência Apresentam frequências muito superiores a 50Hz Sobretensões transitórias Variações extremamente rápidas da tensão, com durações tipicamente compreendidas entre os micro e os milisegundos Duração Frequência (ou taxa de crescimento) Amortecimento com a distância Descargas atmosféricas Muito curta ( s) Muito alta ( até 1.000 kv/ s) Forte Descargas electrostáticas Muito curta (ns) Alta ( 10MHz) Muito forte Comutação Curta (ms) Média (1 a 200 khz) Médio Sobretensões Longa (s) ou temporárias à Muito longa (h) frequência do sistema 50 Hz Não existe Fonte: A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt). 21

Fontes de Sobretensões Transitórias No Sistema Eléctrico (fornecedor) Comutação de Condensadores Muito comuns na compensação do factor de potência Amplificação devido a fenómenos de ressonância no sistema de energia Descargas Atmosféricas Nas instalações do utilizador final Dispositivos de electrónica de potência Iluminação Fenómenos de comutação de cargas 22

Comutação de baterias de condensadores 23

Comutação de baterias de condensadores Bateria de condensadores regulada por sistema de electrónica de potência Ausência de transitórios Comutação em tempo real Comutação com conversor tiristorizado Reguladores tempo real Cartas de controlo Comutação electromecânica 24

Perturbações na QEE: Distorção harmónica Distorção harmónica: : Distorção harmónica: quando existem cargas não lineares ligadas à rede eléctrica a corrente que circula nas linhas contém harmónicos e as quedas de tensão provocadas pelos harmónicos nas impedâncias das linhas faz com que as tensões de alimentação fiquem também distorcidas. Fontes: J. L. Afonso e J. S. Martins, "Qualidade da energia eléctrica"; Revista o Electricista, 2004. 25

Distorção harmónica Origem da distorção harmónica Cargas não-lineares Apresentam impedância variável em função da tensão de alimentação A corrente absorvida não é proporcional à tensão, assumindo formas de onda não sinusoidais Fontes de alimentação electrónicas Lâmpadas de descarga Transformadores em regime de saturação 26

Harmónicos análise de Fourier 27

Influência da carga na distorção da tensão Tensão simples Tensão composta Medido na Alemanha em 30/06/ 2002, 14:30 Final do mundial Alemanha Brazil! Fonte: Stefan Fassbinder: New Loads on Old Systems

Distorção harmónica total (THD) A distorção harmónica total (THD) da tensão está a crescer a uma taxa de 1% em cada 10 anos Distorção harmónica total (desactualizada) IEC, International Electrotechnical Vocabulary- chapter 131: Electric and magnetic circuits, 1978. THD(%) 2 G 2 2 hef ( ) 2 2 2 ( ef ) 1( ef ) h 2 2( ef ) 3( ef ) 4( ef ) G G G G G G G G ( ef ) ( ef ) ( ef ) Distorção harmónica total IEEE 519 1992 e NP EN 50160 THD(%) 2 G 2 2 hef ( ) 2 2 2 ef 1( ef ) h 2 2( ef ) 3( ef ) 4( ef ) G G G G G G G G 1( ef ) 1( ef ) 1( ef ) G: tensão ou corrente 29

Origem da distorção harmónica Rectificadores Variadores electrónicos de velocidade 30

Origem da distorção harmónica Sistemas de iluminação Balastros tradicionais: THD i entre 15 % a 20 % Balastros electrónicos: THD i 40 % (antigos) 10 % (modernos) Lâmpadas fluorescentes compactas (CFL): THD i até 150 % 31 CFL

Consequências da distorção harmónica Equipamento electrónico Bastante sensível e, frequentemente, o mais perturbador Perdas por efeito de Joule Perdas por efeito pelicular A circulação de uma corrente alternada num condutor tende a ser efectuada na sua periferia, aumentando a resistência do condutor comparativamente com uma corrente contínua Este fenómeno aumenta com a frequência Consequência em baterias de condensadores A presença de harmónicas de tensão faz circular nos circuitos com condensadores correntes superiores à corrente nominal porque X C 1 2 fc 32

Jornadas Técnicas de Electrotecnia 33 Consequências dos harmónicos em baterias de condensadores

Efeitos no condutor de neutro Duas Três Uma cargas convencionais, convencional, aproximadamente lineares, linear, RL RL Fonte: Stefan Fassbinder: New Loads on Old Systems Tensão de fase Corrente no neutro ma L1 L2 L3 N

Duas Três Uma cargas electrónicas Fonte: Stefan Fassbinder: New Loads on Old Systems Tensão de fase Corrente no neutro ma L1 L2 L3 N

Efeitos no condutor de neutro Detecção com recurso a termografia 36

Consequências em transformadores de potência Aumento da vibração e do ruído audível Aumento das perdas Redução da potência nominal: factor K (CENELEC) 37

Consequências em equipamento de medida TRMS Convencional 38

Perturbações na QEE: interferência electromagnética Ruído (interferência electromagnética): Ruído (interferência electromagnética): corresponde ao ruído electromagnético de alta-frequência, que pode, por exemplo, ser produzido pelas comutações rápidas dos conversores electrónicos de potência. 39

Perturbações na QEE: Inter harmónicos Inter harmónicos: surgem quando há componentes de corrente que não estão relacionadas com a componente fundamental (50 Hz); Fontes: J. L. Afonso e J. S. Martins, "Qualidade da energia eléctrica Revista o Electricista, 2004. 40

Perturbações na QEE: Tremulação (flicker) Tremulação ou Flutuação da tensão (flicker): acontece devido a variações intermitentes de certas cargas, causando flutuações nas tensões de alimentação (que se traduz, por exemplo, em oscilações na intensidade da iluminação eléctrica). Origem: Fornos de arco Equipamento de soldar Motores de indução Fontes: J. L. Afonso e J. S. Martins, "Qualidade da energia eléctrica"; Revista o Electricista, 2004. 41

Perturbações na QEE: Micro cortes de tensão Micro cortes de tensão (notches): consistem em pequenos cortes periódicos na forma de onda da tensão 42

Perturbações na QEE: Desequilíbrio da tensão Desequilíbrio da tensão Quando os valores eficazes das tensões nas fases ou as desfasagens entre tensões de fases consecutivas, num sistema trifásico, não são iguais. Origem na má distribuição das cargas numa rede de distribuição, ou quando estamos em presença de significativas cargas monofásicas. 43

Quantificação do desequilíbrio de tensões Grau de desequilíbrio inverso: Vi uinv V Grau de desequilíbrio homopolar: d u homop V V 0 d Alternativamente: 44

Exemplo de desequilíbrio de tensões 45

Consequências do desequilíbrio de tensões Consequências em motores de indução 46

Algumas soluções reparadoras Custo das soluções de QEE em função do ponto de intervenção 1 Equipamento crítico 2 Processo 3 Instalação 4 Rede de distribuição 47

Mitigação da distorção harmónica Filtros Filtros harmónicos passivos Série e paralelo 48

Filtros activos Filtros activos 49

Filtros activos Filtro activo paralelo 50

Filtros activos Filtro activo série 51

Mitigação de interrupções UPS UPS estática standby online 52

Mitigação de interrupções UPS UPS dinâmica 53

Mitigação de interrupções Armazenamento de energia Baterias electroquímicas Baterias electromecânicas ("Flywheels") 54

Mitigação de interrupções Armazenamento de energia Condensadores e supercondensadores Bobinas supercondutoras Supercondensador com 2500 F (7200 J) (dim. : 160x60x60 mm, peso : 720 g) Tensão Duração da falta ~8 s Sem bobina supercondutora Tempo Tempo Com bobina supercondutora 55

QEE Perspectiva Nº de noves Fiabilidade (%) Tempos de interrupção por ano Tecnologias associadas / Exigências 3 99,9 8,7 horas Valor disponibilizado pelo sistemas de P&T&D tradicionais 4 6 99,99 99,9999 52,5 minutos 31,5 segundos Valor máximo atingível com sistemas de P&T&D tradicionais. Valor mínimo exigido pelas cargas da nova economia. 7 99,99999 3,15 segundos Melhores tecnologias de UPS com Gen-Sets e Ride Through Capability 9 99,9999999 31,5 milisegundos Energia é efectivamente adequada às actuais aplicações da economia digital. 10 99,99999999 3,15 milisegundos Valor ideal para a qualidade da energia. 56