X - MFAP

XVIII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica
SENDI 2008 - 06 a 10 de outubro
Olinda - Pernambuco - Brasil
Compensação Reativa em Circuitos Secundários Aéreos de Baixa Tensão.
Alessandro Gomes Martins
Enersul – Energias do Brasil
Jules Renato V. Carneiro
Escelsa – Energias do Brasil
Helio Tadeu M. de Oliveira
Enersul – Energias do Brasil
[email protected]
[email protected]
[email protected]
José Rubens Macedo Jr.
Energias do Brasil
[email protected]
Palavras-chave
Capacitores BT
Conformidade dos níveis de tensão
Redução de custos
Resolução ANEEL Nº. 505
Resumo
O presente trabalho tem por objetivo mostrar a viabilidade técnica e econômica da aplicação de
compensação reativa em circuitos secundários aéreos de baixa tensão, através da aplicação de
capacitores trifásicos BT, para solução de problemas relacionados à conformidade dos níveis de
tensão em regime permanente, visando a atendimento rápido, e de baixo custo, à Resolução
ANEEL Nº. 505.
Como exemplificação, será mostrado caso real de aplicação em empresas do Grupo Energias do
Brasil como Enersul (MS) e Escelsa (ES).
1. Introdução
Ao final do ano de 2001, foi publicada pela ANEEL a resolução nº. 505, que trata das regras e
procedimentos que as concessionárias de energia devem obedecer em relação a conformidade
de tensão em regime permanente. Desde sua publicação até o ano de 2007 esta resolução
sofreu algumas alterações, contudo alguns pontos chave permaneceram em sua composição,
sendo um deles os prazos apertados para solução das não conformidades de tensão detectadas
em medições associadas a reclamações e medições determinadas pela ANEEL em
amostragens remetidas trimestralmente às concessionárias.
Associada aos itens já regulados na resolução nº. 505, temos ainda um cenário futuro mais
desafiador sendo desenhado pelos Procedimentos de Distribuição (PRODIST), que em seu
módulo 8, propõe a criação de novos indicadores de conformidade e promove a multiplicação
em quatro vezes as compensações pagas aos clientes por violação do prazo de atendimento.
Para atender as necessidades já existentes e, antevendo os cenários futuros, as Empresas do
Grupo Energias do Brasil, adotam práticas que visam minimizar a quantidade de obras em
redes BT (Baixa Tensão), dentre elas a utilização de bancos de capacitores BT.
Com esta metodologia pode-se, também, promover a melhoria dos níveis de tensão em regime
permanente junto ao circuito compensado, de forma a adequar o mesmo aos limites de tensão
estabelecidos pela referida Resolução. A aplicação de capacitores em circuitos secundários
aéreos de distribuição, é uma técnica de rápida implementação e, principalmente, de baixo
custo.
2. Fundamentos Teóricos
Os fundamentos da compensação reativa são de conhecimento geral do setor elétrico. Contudo, no
intuito de buscar um nivelamento do leitor quanto a estes fundamentos, apresenta-se a seguir um breve
equacionamento acerca desses fundamentos.
A figura 1 apresenta um circuito secundário genérico, para o qual pretende-se verificar o efeito da
conexão de um banco de capacitores junto à barra D, conforme indicado na figura.
Figura 1 – Circuito secundário genérico.
A situação encontrada para queda de tensão no circuito secundário representado na Figura 1 antes e
depois do acoplamento do banco de capacitores no ponto de BT encontra-se representada nas equações
(1) e (2) respectivamente:
Antes:
∆V = (R + j. X ).I = (R + j. X )(
. I R − j.I X )
∆ V = ( R .I R ) − ( j . R.I X ) + ( j . X . I R ) + ( X .I X )
Equação ( 1)
Depois:
∆V = (R + j. X ).I = (R + j. X )(
. I R − j.I X + j.I CAP )
∆V = (R.I R ) − ( j.R.I X ) + ( j.R.I CAP ) + ( j. X .I R ) + ( X .I X ) − ( X .I CAP )
A representação gráfica das equações acima segue na Figura 2:
Equação ( 2)
C´
R.I X
R .I CAP
X.I CAP
I CA P
O
X .I R
C
θ
IR
VD
D
R.I R
X .I X
IX
∆V
I
Figura 2 – Diagrama fasorial ∆V.
2.1 Estudos de Fluxo de Carga
Uma etapa importante na aplicação de banco de capacitores BT, trata-se da realização de estudos
através de fluxo de cargas em circuitos de baixa tensão onde se deseja aplicar a correção dos níveis de
tensão através de compensação reativa.
Tomando-se como exemplo o circuito genérico da Figura 3, o primeiro passo a ser observado deve ser
o ganho de tensão nas barras (pontos notáveis) ao longo do circuito BT. Na Figura 4 temos o um
exemplo comparativo relativo ao circuito genérico da Figura 3:
Figura 3 – Circuito secundário genérico para estudo de fluxo de carga.
Figura 4 – Resultado das tensões nas barras antes e após a aplicação de capacitores BT.
Ainda com relação ao fluxo de carga, é possível identificar os benefícios esperados relativos à redução
das perdas no circuito e do carregamento no transformador de distribuição em função da instalação do
banco de capacitores.
A Tabela 1 e a Figura 5 apresentam um resumo do cálculo de redução das perdas no circuito:
Tabela 1 – Cálculo das perdas no circuito com e sem a instalação do capacitor.
Perdas
Sem compensação
Com compensação
Diferença
kW
1,36
1,10
0,26
(%)
2,79%
2,26%
0,53%
KWh/Mês KWh/Ano
979
11.751
793
9.519
186
2.232
Figura 5 – Redução percentual das perdas no circuito secundário com a compensação reativa.
Por sua vez, a Tabela 2 e a Figura 8 mostram a redução obtida, via simulação de fluxo de carga, no
carregamento do transformador de distribuição.
Tabela 2 – Cálculo do carregamento do transformador de distribuição com e sem a instalação do capacitor.
Carregamento do trafo
Sem compensação
Com compensação
Redução (%)
kVA
58,86
54,89
6,74%
kW
48,75
48,35
0,82%
kVAr
33,00
25,98
21,27%
Figura 6 –Redução em kVA do transformador do circuito com e sem a compensação reativa.
Observe que a redução percentual no carregamento do transformador é um pouco superior ao índice
médio de crescimento vegetativo anual esperado para o segmento de baixa tensão, podendo tornar
viável a postergação de investimentos de maior vulto no circuito secundário.
A seguir estaremos mostrando os resultados de aplicação em caso real no sistema de Distribuição de
Energia em uma das concessionárias do Grupo Energias do Brasil.
2.2 Aplicação Real de Capacitor BT
Para demonstração de caso real da aplicação de capacitores BT em sistemas de distribuição de energia
elétrica, iremos utilizar um caso de medição amostral da ANEEL onde foi verificada a não
conformidade de tensão através de medição digital desta grandeza na cidade de Dourados (MS).
Dentre os clientes sorteados pela ANEEL para verificação dos níveis de tensão de atendimento, um
dos circuitos apresentou tensão na faixa precária, ultrapassando o valor permitido de DRPm, conforme
gráfico de tensão da Figura 7.
Figura 7 – Gráfico de tensão de medição amostral determinada pela ANEEL.
A partir do momento da verificação da não conformidade de tensão, foram iniciados os estudos para
normalização da tensão no circuito objeto da medição. Ao verificar o comportamento da tensão já
exibida na Figura 1, identificou-se a possibilidade de aplicação de compensação reativa para melhora
dos níveis de tensão. O primeiro passo no estudo segue a orientação do tópico 2.1, ou seja, a realização
do fluxo de carga do sistema, primeiramente na configuração normal e posteriormente aplicando-se o
banco de capacitor no circuito BT para observação do ganho de tensão nas barras do sistema.
Na Figura 8 abaixo segue o comportamento simulado do circuito antes e após a instalação do capacitor
BT.
Figura 8 – Fluxo de carga antes e após a instalação de capacitor BT.
O valor a ser aproveitado nesta simulação trata-se do ganho de tensão de 1,3% ou 1,65 volts
para tensão nominal de 127 volts. Aplicando-se o ganho de 1,65 volts aos níveis de tensão da
Figura 5 e recalculando o valor de DRP para os novos valores de tensão, verificou-se que os
valores ficaram dentro dos limites estabelecidos pela Resolução nº 505 da ANEEL, conforme
poder ser visualizado na Figura 9.
Figura 9 – Gráfico de tensão de medição amostral determinada pela ANEEL acrescida de 1,65 volts.
Finalizadas as simulações, os próximos passos consistem em instalar o banco de capacitor BT
na rede e realizar nova medição para constatação dos ganhos nos níveis de tensão. Na Figura
10 temos o esquema de ligação do capacitor BT bem como imagem do capacitor instalado à
rede.
Figura 10 – Esquema de ligação do capacitor BT à rede.
Conforme determina a ANEEL na Resolução nº 505, após a ação corretiva foi instalada nova medição
para comprovação da correção nos valores de tensão do ponto de medição amostral. Na Figura 11
temos o comportamento da tensão medida após a instalação do capacitor, bem como o novo valor de
DRP, ficando comprovada desta forma a solução do problema através da compensação reativa em
circuito BT.
Figura 11 – Gráfico de tensão com o capacitor em operação.
2.3 Análise Harmônica
Para verificação do comportamento harmônico do sistema foi instalada medição antes da ativação do
capacitor com configuração de taxa de amostragem e gravação de 200ms. Observa-se um leve
aumento no THDV em 0,5%, contudo, os valores apresentam-se em patamares aceitáveis dentro do
limite de 10% propostos pelo PRODIST. Abaixo segue na Figura 12 o comportamento do THDV
durante a ativação do banco de capacitor:
Figura 12 – THDV durante a ativação do banco.
Basicamente, temos que as ordens harmônicas que contribuíram para o aumento do THDV são a 3ª, 5ª
e 7ª ordem. Na figura 13 temos o espectro harmônico antes e após a entrada em operação do banco de
capacitores.
Figura 13 – Espectro harmônico de tensão.
2.4 Critérios Técnicos Para Utilização de Capacitores BT
Um questionamento que pode surgir ao apresentarmos todas essas vantagens na utilização de
capacitores BT pode levar ao leitor deste artigo a perguntar-se se não deveríamos sempre aplicar esta
solução a problemas no nível de tensão. Um fato é que o volume de reclamações em que o capacitor
BT pode ser aplicado para solucionar problemas de tensão se restringe a parte dos processos com
necessidade de melhora nos níveis de tensão.
Na Figura 14 podemos visualizar o ganho médio da aplicação de capacitores BT. Em um caso de
violação precária temos a possibilidade de solução para problemas de nível de tensão, já para os casos
de tensão na faixa crítica, dificilmente a compensação reativa poderia resolver a anomalia nos níveis
de tensão.
FAIXA CRÍTICA SUPERIOR
140 V
FAIXA PRECÁRIA SUPERIOR
133 V
FAIXA ADEQUADA
116 V
GANHO MÉDIO DE TENSÃO = 2,5 Volts
FAIXA PRECÁRIA INFERIOR
109 V
FAIXA CRÍTICA INFERIOR
GANHO MÉDIO DE TENSÃO = 2,5 Volts
Figura 14 – Ganho médio de tensão com utilização de capacitor BT.
Este ganho deve-se ao fato de termos que limitar os valores de kVAr a ser instalado no circuito BT.
Esta limitação deve restringir a potência do capacitor a valores ligeiramente inferiores ao consumo do
próprio circuito BT. Esta medida serve para evitar problemas como o aumento de perdas técnicas por
excesso de reativo na rede, sobretensões nos terminais primários do transformador e no próprio ponto
de acoplamento do cliente durante períodos de baixa carga no sistema secundário.
2.5 Análise Financeira
Um dos pontos fortes da utilização de compensação reativa em baixa tensão está relacionado ao custo
da utilização deste tipo de equipamento. A aquisição de capacitores BT gira em torno de R$ 500,00 e a
instalação exige poucos equipamentos. Devido ao custo reduzido, a utilização de capacitores BT é
uma alternativa extremamente vantajosa frente a obras de melhoria convencionais. Os custos médios
de melhorias convencionais podem girar em torno de R$15.000,00, o que suplanta em várias vezes a
utilização do banco de capacitor BT. Desta forma, se no período de um ano utilizarmos capacitores BT
para atendimento a 10 reclamações, estaremos substituindo um custo de R$ 150.000,00 por outro bem
mais barato com montante próximo aos R$ 5.000,00.
O simples fato da rápida solução ou mitigação de um problema no nível de tensão já é um ganho
financeiro a concessionária, visto que em caso de violação no prazo de correção das anomalias as
concessionárias de energia devem calcular e pagar uma compensação financeira ao reclamante e aos
demais clientes ligados ao mesmo ponto do reclamante.
2.6 Medição de Carregamento do transformador e fator de potência
Outros pontos fortes da utilização da compensação reativa em circuitos secundários são:
•
•
•
•
Redução do carregamento do circuito BT;
Aumento da vida útil dos condutores e do transformador;
Redução das perdas técnicas;
Melhora do fator de potência;etc.
Os gráficos a seguir representam os ganhos obtidos no carregamento do transformador e no fator de
potência do circuito, mostrando a situação antes e após a instalação do banco de capacitores no
circuito.
Figura 15 – Carregamento em VA antes e após instalação do capacitor.
Figura 16 – Fator de potência trifásico antes e após instalação do capacitor.
3. Conclusões
Tendo as concessionárias a obrigação do cumprimento de prazos apertados para regularização dos
níveis de tensão e, visando a redução de custos e otimização dos processos objetos da Resolução nº
505 da ANEEL, verifica-se que a utilização de compensação reativa em circuitos de baixa tensão é
uma alternativa viável e bastante atrativa do ponto de vista financeiro e técnico.
Temos ainda que outras técnicas já utilizadas no Grupo Energias do Brasil como a utilização de
circuitos BT em anel podem ser associadas a compensação reativa visando aumentar o ganho de
desempenho em sistemas secundários.
4. Referências bibliográficas e/ou bibliografia
Resolução nº 505 – ANEEL de 26 de Novembro de 2001.