Harmônicos Gerados por Consumidores em Baixa Tensão da Rede Metropolitana de Distribuição de Energia de Belém (PA) Ubiratan Holanda Bezerra, Maria Emília de Lima Tostes, Ana Cristina S. Araújo, Jurandyr N. Garcez, J. E. Mesquita e Armando A. Tupiassú Resumo-Os consumidores em baixa tensão de um sistema de distribuição de energia, utilizam uma grande quantidade de equipamentos eletroeletrônicos, eletromecânicos e de iluminação, que agregados podem ser considerados como fontes geradoras de harmônico. A identificação e a caracterização destas fontes individuais de harmônicos, no sistema de distribuição de energia elétrica de Belém, torna possível analisar o nível de injeção harmônica na rede de baixa tensão, podendo-se assim, desenvolver estudos para melhor avaliar os impactos que essas fontes distribuídas de geração harmônica podem provocar à qualidade da energia elétrica. Este artigo apresenta alguns resultados obtidos a partir de medidas realizadas em grupos diferentes de consumidores residenciais, separados por padrões de consumo de energia e apresentar um modelo de injeção harmônica na rede primária. Palavras-chave— Qualidade de Energia, Harmônicos gerados por consumidores residenciais, Distorção harmônica de tensão, Distorção harmônica de corrente I. INTRODUÇÃO Os avanços tecnológicos ocorridos nas últimas décadas, propiciaram a obtenção de grandes desenvolvimentos na área da eletrônica, os quais tem sido repassados sistematicamente para os novos produtos de consumo, beneficiando assim os consumidores de modo geral. Hoje é comum ter-se consumidores residenciais com uma grande variedade de equipamentos modernos em suas instalações elétricas, como: micro computadores, impressoras, lavadoras de roupa e de louça, fornos de microondas, vídeo cassetes, dvd’s, entre outros, que introduzem consideráveis distorções harmônicas nas formas de ondas da corrente e da tensão. Também, tem-se hoje programas nacionais que estimulam o uso eficiente da energia, no sentido da redução do consumo, como por exemplo o emprego de lâmpadas compactas Este trabalho foi apoiado parcialmente pela REDE-CELPA. U. H. Bezerra, é professor titular da Universidade Federal do Pará e pesquisador do NESC-Núcleo de estudos em Supervisão e Controle de Sistemas (e-mail: [email protected]). M. E. L Tostes, é professora assistente da Universidade Federal do Pará e pesquisadora do NESC (e-mail: [email protected]). J. N. Garcez, é pesquisador do NESC-Núcleo de estudos em Supervisão e Controle de Sistemas (e-mail: [email protected]). A.C.S. Araújo, está com o NESC/UFPA (e-mail: [email protected]). A.A.Tupiassú, trabalha com o PROCEL na REDE-CELPA. J.E. Mesquita está com a REDE-CELPA. com reatores eletrônicos, o que também tem contribuindo para a degradação das formas de onda de tensão e corrente, nas instalações residenciais. As milhares ou milhões de fontes individuais geradoras de harmônicos, caracterizadas pelos consumidores grupo B (baixa tensão) de um sistema de distribuição de energia, hoje estão injetando harmônicos na rede de distribuição a um nível que já merece preocupações especiais, no sentido de desenvolver-se estudos para melhor avaliar os impactos que essas fontes distribuídas de geração harmônica podem provocar na qualidade da energia elétrica. Nesta linha de atuação, as Centrais Elétricas do Pará, do Grupo REDE, e o NESC/UFPA - Núcleo de Engenharia em Supervisão e Controle de Sistemas da Universidade Federal do Pará, estão desenvolvendo um projeto que visa avaliar os impactos técnico-econômicos da propagação de correntes harmônicas na rede de distribuição metropolitana de Belém. Uma das fases desse estudo corresponde ao modelamento das fontes geradoras de harmônicos, notadamente os consumidores residenciais, e pequenos consumidores comerciais, atendidos em baixa tensão: 127V / 220V. Resultados parciais desse projeto, que referem-se a avaliação de uma amostra significativa de consumidores da rede metropolitana de Belém, englobando consumidores de baixa, média e alta rendas, são apresentados aqui. II. LEVANTAMENTO EXPERIMENTAL Para o levantamento dos modelos experimentais para a representação harmônica dos consumidores em baixa tensão, tem-se usado o procedimento de agrupar esses consumidores, por similaridades de padrões de consumo. Assim, por exemplo, espera-se que consumidores de baixa renda apresentem um padrão de consumo característico em termos de geração de harmônicos, que pode ser significativamente diferente daquele padrão associado à consumidores de rendas elevadas, os quais podem dispor de um número maior de facilidades eletrodomésticas. Assim, a metodologia empregada consiste em identificar, através de medição direta, grupos de consumidores por padrões similares de geração de harmônicos de corrente. Na amostra aqui utilizada, os consumidores foram agrupados por características de consumo de energia, que está relacionado aos equipamentos que cada grupo possui em suas residências. Desta forma, a metodologia empregada consiste em identificar através de medidas diretas, os padrões de geração de corrente harmônica. Os consumidores foram classificados de acordo com seus padrões de renda como: Baixo, Médio e Alto. A. Plano de Medidas para os consumidores residenciais Foram executadas medidas em diversas residências e prédios de Belém, constituindo uma amostragem representativa do perfil de injeção harmônica de acordo com o padrão de consumo. Os pontos onde foram realizadas as medidas estão agrupadas na tabela 1. III. ANÁLISE DAS MEDIDAS DE CAMPO As figuras 1, 2 e 3, selecionadas entre as várias medidas realizadas em unidades consumidoras, mostram os espectros harmônicos de corrente característicos típicos das classes de renda baixa, média e alta, respectivamente. TABELA I PLANO DE MEDIDAS Local Descrição das Medidas Conj. Car12 casas foram melândia selecionadas Conjunto Flore- 12 apartamentos sta Tropical – + Bomba e Bloco Cedro quadro geral Conjunto Flores- 12 apartamentos ta Tropical – + Bomba e Bloco Angelin quadro geral Edifício Miracy 12 apartamentos + Bomba, elevador e quadro geral Edifício Santa 12 apartamentos Lúcia- Bloco B + Bomba, elevador e quadro geral Edifício Santa 12 apartamentos Lúcia – Bloco A + Bomba, elevador e quadro geral Edifício Palma 12 apartamentos de Mallorca + Bomba, elevador e quadro geral Total de medidas 180 Padrão de renda Baixo 360 Baixo 360 Médio 300 Médio 660 Médio 660 Alto 900 Alto A classificação referentes a padrão de renda, foi realizada com base em visitas in loco, e informações sócioeconômicas, como também no consumo de energia dos últimos 12 meses. As amostras incluem consumidores monofásicos (1φ), bifásicos (2φ) e trifásicos (3φ). Foram obtidas medidas das formas de onda da tensão e da corrente, nesses consumidores, em dias de semana e dias de fim de semana, em horários incluindo os períodos matutino, vespertino e noturno. Em todas as medidas realizadas, houve a participação de equipes da Rede-Celpa, para providenciar legalmente o acesso às caixas de medição, dos diversos consumidores, e fazer as conexões do equipamento de medição nas instalações consumidoras. As medições foram realizadas com o equipamento de análise de qualidade de energia – FLUKE 43, mod. monofásico, com capacidades nominais para 600 V e 500 A. Este instrumento faz decomposição harmônica até a 51a ordem, expressando esta decomposição espectral através de barras, como ilustrados nas figuras das seções seguintes. Fig. 1-Consumidor do Conjunto Carmelândia. Espectro harmônico de corrente, domingo, 28/01/01, à tarde. Fig. 2- Geração harmônica de corrente típica de um consumidor de renda média. Edifício Miracy, quinta-feira (15/02/01) à noite. Fig. 3- Consumidor do Edifício Santa Lúcia bloco A. Espectro harmônico de leitura de corrente realizada numa sexta-feira(09/03/01) às 19:58h. Observa-se, pelas figuras 1, 2 e 3 que tanto o consumidor de alta renda (Ed. Santa Lúcia, bloco A), quanto o consumidor de média renda(Ed. Miracy), quanto o consumidor de baixa renda (Conj. Carmelândia) geram mais significativamente as correntes harmônicas de ordens 3a, 5a e 7a, apesar de ter ocorrido também a geração das 9a, 11a, 13a e outras harmônicas, porém não com a mesma intensidade e freqüência de ocorrência. Outro fato a destacar é que o consumidor de alta renda gera estas correntes harmônicas em níveis mais elevados, refletindo-se em um nível de distorção harmônica total de corrente de THDi% = 30,81 % para o consumidor de alta renda, em comparação com THDi% = 20,35 % para o consumidor de média renda, e THDi% = 19,20% para o consumidor de baixa renda. As figuras 4 e 5 mostram espectros harmônicos de corrente no ponto de acoplamento comum(PAC) dos consumidores do Edifício Miracy(Média Renda) e Santa Lúcia A(Alta Renda). da rede metropolitana de Belém, todos os consumidores geram as 3a, 5a e 7a harmônicas, predominantemente. A diferença entre os consumidores de renda baixa, média ou alta, com relação às correntes harmônica geradas, é que, por exemplo, em geral um consumidor de alta renda tem um alto valor de corrente fundamental rms, e desta forma pode injetar maiores níveis de correntes harmônicas na rede de distribuição. A figura 6 mostra as variações que ocorreram em duas unidades consumidoras do Edifício Miracy, para períodos diferentes de medições, dias comuns da semana, em períodos da manhã, tarde e noite e dias de fim de semana, também em turnos diferentes. Edifício Miracy 40 35 I% 30 Fig.4- Espectro harmônico de corrente, no secundário do transfomador que alimenta o Edifício Miracy, Quintafeira(15/02/01), à noite. manhã 25 tarde 20 noite 15 fsmanhã 10 fstarde 5 0 3º 5º 7º 3º 601 - b2 5º 7º 604 - b1 Consumidores Fig. 6- Distribuição percentual das 3a, 5a e 7a harmônicas de corrente para dois consumidores típicos do Edifício Miracy. Observa-se pelas figuras 4 e 5 que no PAC, aqui representado pelo secundário do transformador, tem-se o mesmo padrão de geração de correntes harmônicas, que aquele representativo dos consumidores individuais, porém apresentando menores níveis de distorções, para as componentes harmônicas individuais. Como conseqüência, para o conjunto de consumidores do Ed. Miracy registrou-se um índice THDi% = 10,78%, bem menor que o valor THDi% = 20,35% do consumidor típico, medido individualmente. Assim como, para o conjunto de consumidores do Ed. Santa Lúcia o THDi%=12,60% do conjunto de apartamentos, contra o THDi%=30,81% bem maior do consumidor individual mostrado na figura 3. Este fato significa que ocorre uma redução no valor percentual de harmônicos quando é medida a corrente de carga do conjunto de consumidores, o que representa uma situação mais favorável para a rede de distribuição. Uma outra observação importante tirada das medidas realizadas foi que a hipótese inicial de que o tipo de geração harmônica seria diferente de acordo com o padrão de renda social, não é verdadeira. As figuras de 1 à 6, mostram que independentemente da classe de renda(baixa, média ou alta), Edifício Miracy 3º 5º 12 10 7º 8 I% Fig. 5- Geração típica de harmônico de corrente no secundário do transformador que alimenta o Edifício santa Lúcia, bloco A. Na maioria das medidas a 3a harmônica de corrente tem valor predominante com relação à 5aharmônica, que por sua vez é maior que a 7aharmônica de corrente. No entanto se observa na figura 7 que no secundário do transformador as distorções harmônicas de corrente são reduzidas quando se trata de medições em um alimentador geral do conjunto de cargas. Na figura 6 o consumidor do apartamento 601 chega a ter uma corrente de 3a harmônica em 37% da fundamental, enquanto observa-se na figura 7, que este consumidor interagindo com as outras cargas, tem no mesmo período em torno de 6% de 3a harmônica. 6 4 2 0 manhã tarde noite fsmanhã fstarde Fig. 7- Distorções harmônicas de corrente medidas no secundário do transformador que alimenta o Ed. Miracy. Esta atenuação nos valores de corrente harmônicas para o conjunto de cargas mostradas neste trabalho para o Ed. Miracy, foram constatadas também para os outros conjuntos de consumidores relacionados na tabela 1. Esta absorção se apresenta de forma favorável para a performance do sistema de distribuição. IV. MODELO DE INJEÇÃO HARMÔNICA NA REDE PRIMÁRIA. Considerando que os harmônicos mais significativos gerados pelos consumidores em baixa tensão são os de ordem 3, 5, e 7, a avaliação do impacto da propagação dessas componentes harmônicas na rede primária, pode ser avaliada segundo o modelo apresentado na figura 8, onde as fontes de corrente harmônicas Ih, estão localizadas nos PAC’s, representados pelos secundários dos transformadores de distribuição. Os impactos causados pela propagação das correntes harmônicas geradas pelos consumidores da rede secundária, serão avaliados por um fluxo de carga harmônico em cada freqüência, por exemplo, h = 3, 5, 7, que são os harmônicos mais significativos gerados na rede secundária, ou em outra freqüência qualquer de interesse. I REDE PRIMÁRIA Os resultados obtidos apontaram na direção de verificar que consumidores de diferentes padrões de consumo também apresentam diferentes níveis de geração de correntes harmônicas. Assim, consumidores de demanda mais elevada, por possuírem mais equipamentos eletroeletrônicos em suas instalações residenciais, apresentaram valores de distorções harmônicas mais significativas que aquelas devidas aos consumidores de baixo consumo. Outro fato verificado foi que, para os consumidores residenciais, independente das suas classes de renda, ocorreu a geração predominante dos harmônicos de ordens 3, 5,e 7, os quais também ocorreram nos secundários dos transformadores de distribuição que suprem esses consumidores, só que em intensidade menor. Considerando esse fato, os estudos de propagação harmônica da rede primária devido à injeção de correntes harmônicas pelos consumidores em baixa tensão, podem ser realizados pelo modelo nodal representado pela matriz de admitâncias harmônicas nodais Yh, para h = 3, 5, 7, como sugerido nesse artigo. Estudos mais detalhados ainda estão em desenvolvimento para a rede metropolitana de Belém e serão divulgados em futuros trabalhos. VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Ih 1 1 Ih 2 2 Ih n Figura 8 – Grupos de Consumidores: 1, 2, ...., n. Ihi – Fonte de Corrente Harmônica h para o grupo i, num conjunto de n consumidores. O sistema passa a ser representado pelo modelo nodal expresso pela equação 1. I h = Yh Vh (1) Onde: Ih - é o vetor de correntes harmônicas injetado nos secundários dos transformadores de distribuição; Yh - é matriz de admitância nodal na freqüência harmônica h; Vh - é o vetor de tensões harmônicas A avaliação da propagação de correntes harmônicas na rede primária da área metropolitana de Belém está em fase de definição, onde ainda estão sendo coletadas novas medidas na rede secundária e outras na rede primária, bem como estão em fase de definição a escolha dos modelos apropriados para a representação dos componentes da rede primária nas freqüências harmônicas de ordens 3, 5, e 7. V. CONCLUSÃO Apresentou-se, neste artigo, resultados sobre a geração de componentes harmônicos de corrente dos consumidores atendidos em baixa tensão, na rede metropolitana de Belém. [1] Chung-Hsing Hu; Chi-Jui Wu; Shih-Shong Yen; YunWu Chen; Bor-An Wu; Jan-San Hwang; “Survey of harmonic Voltage and Current at Distribution Substation in Northern Taiwan”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 12, No. 3, July 1997 [2] IEEE Task Force on Modeling and Simulation – Modeling and Simulation of the Propagation of Harmonics in Electric Power Networks, Part I: Concepts, Models, and Simulation Techniques. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 11 No. 1 pp. 452-465, January 1996. [3] IEEE Task Force on Modeling and Simulation – Modeling and Simulation of the Propagation of Harmonics in Electric Power Networks, Part II: Sample Systems and examples. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 11 No. 1 pp. 466-474, January 1996. [4] Bollen, Math H. J., Understanding Power Quality Problems, IEEE Press, 543 p.,2000. [5] Hatziadoniu, C. J. – Tutorial on Harmonics Modeling and Simulation: Time Domain Methods for the Calculation of Harmonic Propagation and Distortion. IEEE PES Winter Meeting, Tampa, Feb. 1998. [6] Chang, G. W.; Xu, W. – Modeling of Harmonic Sources: Power Electronic Converters. IEEE PES Winter Meeting, Tampa, Feb. 1998. [7] P519A Task Force of the Harmonics Working Group (IEEE PES T&D Committee) and SCC22 - Power Quality. Guide for Applying Harmonic Limits on Power System. IEEE, May, 1996.