distúrbios de qualidade de energia elétrica

DISTÚRBIOS DE QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA
Arnaldo José Pereira Rosentino Junior*, Isaque Nogueira Gondim*,Vitor Almeida Bernardes*
*Universidade Federal de Uberlândia – UFU, Faculdade de Engenharia Elétrica - FEELT
38400-902 Uberlândia-MG Brasil, Tel./fax: +55 34 3239 4166
e-mails: [email protected], [email protected], [email protected]
Resumo – Esse trabalho tem o propósito de
caracterizar os possíveis distúrbios de qualidade de
energia que podem ser encontrados em uma rede elétrica,
como também suas causas e efeitos, com a finalidade de
ter um bom conhecimento dos mesmos, sendo possível a
implantação de propostas para minimizá-los ou eliminálos.
Palavras-Chave – Distúrbios, Qualidade de Energia,
Sensibilidade, Suportabilidade.
DISTURBANCES OF THE POWER
QUALITY
Abstract – This article has the proposal to characterize
the possible disturbances of power quality in electrical
system, and to determine their causes and effects. It is
important for have a good knowledge of them, because will
be possible to develop proposals for decrease or eliminate
the problems.
1
Keywords - Disturbances, Power Quality, Sensibility,
Supportability.
I. INTRODUÇÃO
O conceito de Qualidade de Energia está relacionado a um
conjunto de alterações que podem ocorrer no sistema
elétrico. Uma boa definição para o problema de qualidade de
energia é: "Qualquer problema de energia manifestada na
tensão, corrente ou nas variações de freqüência que resulte
em falha ou má operação de equipamentos de
consumidores". Tais alterações podem ocorrer em várias
partes do sistema de energia, seja nas instalações de
consumidores ou no sistema supridor da concessionária.
Em alguns ramos de atividade, como as indústrias têxtil,
siderúrgica e petroquímica, os impactos econômicos da
qualidade da energia são enormes. Nestes setores, uma
interrupção elétrica de até 1 minuto pode ocasionar prejuízos
de até US$ 500 mil. E diante deste potencial de prejuízos
possíveis, fica evidente a importância de uma análise e
diagnóstico da qualidade da energia elétrica, no intuito de
determinar as causas e as conseqüências dos distúrbios no
sistema.
"Artigo publicado na IV Conferência de Estudos em Engenharia
Elétrica (IV CEEL) realizada no período de 22 a 24 de Novembro
de 2005 na Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia MG."
II. TERMINOLOGIA E DEFINIÇÕES DOS ITENS DE
QUALIDADE
Na ótica do consumidor, talvez seja mais simples e
adequado utilizarmos simplesmente a palavra "distúrbios"
para englobar todos os fenômenos que afetam a qualidade da
energia elétrica. Estes "distúrbios" podem ter origem na
energia elétrica entregue pela concessionária de energia, ou
na rede interna de distribuição (incluindo equipamentos ali
instalados) do próprio consumidor. A figura 1 mostra a
origem dos problemas de qualidade de energia, quando
analisada sob a ótica do consumidor.
Os principais fenômenos responsáveis pela degradação da
qualidade da energia, definidos como Itens de Qualidade, são
[1]:
•
Transitórios;
•
Afundamentos de tensão de curta duração “Voltage
Sag”;
•
Elevações de tensão de curta duração “Voltage Swell”;
•
Subtensão em Regime Permanente;
•
Sobretensão em Regime Permanente;
•
Interrupções no Fornecimento de Energia;
•
Oscilações de Tensão;
•
Harmônicos;
•
Desequilíbrios;
•
Nível CC;
•
Interharmônicos;
•
“Notching”;
•
Ruídos;
•
Variações na freqüência da tensão do sistema.
2.4 SUBTENSÃO EM REGIME PERMANENTE
Fig.1. Formas de onda típicas dos itens de qualidade mais
comuns.
Uma subtensão sustentada é caracterizada por um
decréscimo no valor eficaz da tensão CA a valores menores
que 0,9 pu, na freqüência da rede, e com período de duração
maior que 1 minuto. Uma subtenção em regime permanente
pode ser causada por: carregamento excessivo de circuitos
alimentadores; conexão de cargas à rede elétrica;
desligamento de bancos de capacitores. Os efeitos são:
possível interrupção na operação de equipamentos
eletrônicos; redução do índice de iluminamento para
lâmpadas incandescentes; elevação do tempo de partida das
máquinas de indução; redução no reativo fornecido pelos
bancos de capacitores, etc.
2.1 TRANSITÓRIOS
2.5 SOBRETENSÃO EM REGIME PERMANENTE
Transitórios são manifestações ou respostas elétricas
locais ou nas adjacências, oriundas de alterações súbitas nas
condições operacionais do sistema de energia elétrica. São
causados geralmente por: descargas atmosféricas;
chaveamento de cargas, capacitores, linhas, cabos e
transformadores, etc. E os efeitos são: excitação de circuitos
ressonantes; redução da vida útil de motores, geradores,
transformadores, etc.; mal funcionamento de equipamentos
controlados eletronicamente, conversores de potência, etc.
Uma sobretensão é caracterizada por um aumento no valor
eficaz da tensão CA acima de 1,1 pu (valores típicos entre
1,1 e 1,2 pu), na freqüência da rede, por um período de
duração maior que 1 minuto. Uma sobretensão em regime
permanente pode ser causada por: desligamento de grandes
cargas; energização de bancos de capacitores, etc. Os efeitos
desse aplicativo são: danos em equipamentos eletrônicos;
redução de vida útil de TP’s, TC’s, cabos e máquinas
rotativas; operação indevida de relés de proteção.
2.2 AFUNDAMENTOS DE TENSÃO DE CURTA
DURAÇÃO “VOLTAGE SAG”
Afundamentos de tensão de curta duração são
caracterizados por uma redução no valor eficaz da tensão,
entre 0,1 e 0,9 pu, na freqüência fundamental, com duração
entre 0,5 ciclo e 1 minuto. São causados por: partida de
grandes motores; energização de transformadores (corrente
de “inrush”); conexão de cargas de grande potência à rede
elétrica; curtos-circuitos ocorridos nas redes de distribuição.
Os efeitos que os afundamentos de tensão podem causar são:
pequena redução na velocidade dos motores de indução e no
reativo dos bancos de capacitores; falhas em equipamentos
eletrônicos, como controladores de resfriamento, testadores
de chips eletrônicos, acionadores CC, CLP’s, robôs,
computadores, etc.
2.3 ELEVEÇÕES DE TENSÃO DE CURTA DURAÇÃO
“VOLTAGE SWELL”
Uma elevação de tensão de curta duração é definida como
um aumento entre 1,1 e 1,8 pu na tensão eficaz, na
freqüência da rede, com duração entre 0,5 ciclo a 1 minuto.
São causados por: curtos-circuitos fase-terra no sistema
elétrico; perda de grandes blocos de carga. Os efeitos que
podem apresentar são: maior solicitação do material isolante,
podendo acarretar redução de vida útil de alguns
equipamentos, como máquinas rotativas, transformadores,
etc.; má operação de aparelhos eletrônicos, ou até a completa
inutilização dos mesmos.
2.6 INTERRUPÇÕES NO FORNECIMENTO DE
ENERGIA
Uma interrupção de curta duração ocorre quando a tensão
de suprimento decresce para um valor menor que 0,1 pu por
um período de tempo que varia de 0,5 ciclo a 1 minuto.
Quando a tensão de suprimento permanece em zero por um
período de tempo superior a 1 minuto, está caracterizada uma
interrupção sustentada. Tal fenômeno pode ser causado por:
Faltas no sistema de energia; falhas de equipamentos; mal
funcionamento de sistemas de controle; curtos-circuitos
decorrentes de descargas atmosféricas e danos na rede
causados por tempestades. Os efeitos surgidos são: falhas de
equipamentos eletrônicos e de iluminação; desligamento de
equipamentos; interrupções do processo produtivo, etc.
2.7 OSCILAÇÕES DE TENSÃO
As oscilações de tensão correspondem a variações
sistemáticas dos valores eficazes da tensão de suprimento
dentro da faixa compreendida entre 0,95 e 1,05 pu. Podem
ser causadas por: fornos a arco; máquinas de Solda;
laminadores; elevadores de Minas; partida direta de grandes
motores. Os efeitos que podem ser surgidos: oscilações de
potência e no conjugado das máquinas elétricas; queda de
rendimento dos equipamentos elétricos; interferência nos
sistemas de proteção; “Flicker” ou cintilação luminosa.
2.8 HARMÔNICOS
Harmônicos são tensões ou correntes senoidais de
freqüências múltiplas inteiras da freqüência fundamental na
qual opera o sistema elétrico. Estes harmônicos distorcem as
formas de onda da tensão e corrente. Os harmônicos podem
ser causados por cargas não lineares, como: lâmpadas de
descarga; inversores de freqüência; computadores e
equipamentos de escritório, etc. Os efeitos são:
sobreaquecimento de cabos, transformadores e motores de
indução; danos em capacitores, etc.; erros em medidores de
energia.
Embora seja apenas um resumo, estes itens são
suficientemente claros ao ponto de fornecer uma idéia geral
sobre os itens de qualidade e suas implicações nos sistemas
elétricos.
III. SENSIBILIDADE E SUPORTABILIDADE
2.9 DESEQUILÍBRIOS
Desequilíbrios podem ser caracterizados por diferenças
nas amplitudes de tensões ou correntes dos sistemas
trifásicos, assimetria nos ângulos de fase, ou ainda,
assimetria conjunta de amplitudes e ângulos de fase. As
causas de desequilíbrios podem ser as seguintes: cargas
monofásicas e bifásicas; fornos a arco; assimetria entre as
impedâncias. Os efeitos podem ser: redução da vida útil de
motores de indução e máquinas síncronas; geração, de 3o
harmônico e seus múltiplos, pelos retificadores.
Convém ressaltar que devido a inexistência de uma
definição precisa para os termos sensibilidade e
suportabilidade, é adotado as seguintes convenções [2]:
•
Deve-se entender que sensibilidade é a continuidade
operacional dos dispositivos, observando-se tão
somente algum tipo de anormalidade funcional, tais
como: ruídos, alterações de imagem e/ou som, etc;
•
Por outro lado, entende-se por suportabilidade
funcional a descontinuidade do funcionamento do
aparelho ou entrada em regiões proibitivas de
operação, sem que contudo ocorra dano físico.
•
E finalmente, o termo suportabilidade física
caracteriza-se
uma
indesejável
perda
do
equipamento, por vezes de forma definitiva. Isto
significa, dentre outros aspectos, que se atingiu para
uma ou mais componentes, seus limites dielétricos
e/ou térmicos.
2.10 NÍVEL CC
A presença de tensão ou corrente CC em um sistema elétrico CA
é denominado “DC offset”. As causas são: operação ideal de
retificadores de meia onda, etc. Os efeitos desse aplicativo são:
saturação de transformadores; corrosão eletrolítica de eletrodos de
aterramentos e de outros conectores.
2.11 INTERHARMÔNICOS
Interharmônicos são componentes de freqüência, em
tensão ou corrente, que não são múltiplos inteiros da
freqüência fundamental do sistema supridor (50 ou 60 Hz).
São causados por: conversores estáticos de potência;
cicloconversores; motores de indução; equipamentos a arco,
etc. Os efeitos são: interferência na transmissão de sinais
“carrier”; indução de “flicker” visual no “display” de
equipamentos.
A curva ITIC (Information Tecnology Industry Council)
[4], mostrada a seguir caracteriza a sensibilidade de
computadores e demais equipamentos eletrônicos:
2.12 NOTCHING
Notching é um distúrbio de tensão causado pela operação normal
de eletrônica de potência quando a corrente é comutada de uma fase
para a outra. É causado por: equipamentos de eletrônica de
potência. Um efeito que pode ser encontrado é a redução da vida
útil de equipamentos eletrônicos.
2.13 RUÍDOS
Ruído é definido como um sinal elétrico indesejado, contendo
uma larga faixa espectral com freqüências menores que 200 kHz, as
quais são superpostas às tensões e ou correntes de fase. As causas
são: chaveamento de equipamentos eletrônicos de potência;
radiações eletromagnéticas. Um efeito que pode ser encontrado são
distúrbios em equipamentos eletrônicos (computadores e
controladores programáveis).
2.14 VARIAÇÕES NA FREQUÊNCIA DA TENSÃO DO
SISTEMA
Variações na Freqüência do Sistema são definidas como sendo
desvios no valor da freqüência fundamental do sistema (50 ou
60Hz). São causadas pela perda de geração, perda de linhas de
transmissão, etc. Tal aplicativo pode causar danos severos nos
geradores e nas palhetas das turbinas, etc.
Fig.2. Curva ITIC [3]
IV. CONCLUSÕES
Portanto, diante de diversos fenômenos que podem
interferir na qualidade da energia elétrica, podendo ocasionar
prejuízos à concessionárias e consumidores, este artigo
dedicou-se a apresentar os problemas de qualidade de energia
elétrica, tendo-se uma caracterização dos principais itens de
qualidade, como também suas causas e efeitos. Em sequência
foram apresentadas as definições a serem empregadas para os
estudos de desempenho.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] FRANCO EDGARD, “Qualidade de Energia- Causas,
Efeitos e Soluções”, ENGECOMP TECNOLOGIA EM
AUTOMAÇÃO E CONTROLE LTDA.
[2] TAVARES, CARLOS EDUARDO; “Modelagem e
Análise de desempenho de equipamentos eletrônicos
diante de distúrbios de qualidade da energia” ,
Uberlândia-MG, UFU, Dissertação de Mestrado – Maio,
2004.
[3] REID, W. EDWARD, “Power quality Issues – Standards
Guidelines”,
IEEE
Transactions
on
Industry
Applications, vol. 32, pp 625 – 632, May/June 1996.
[4] RIBEIRO, T. N, “Uma Discussão dos Critérios e
Normas Relativas à Qualidade da Energia Elétrica”,
Dissertação de Mestrado, PUC, Belo Horizonte-MG,
Agosto, 1998.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao laboratório de qualidade energia elétrica,
pelo fornecimento de materiais, de forma a se obter
informações para a execução desse artigo.
DADOS BIOGRÁFICOS
Arnaldo José Pereira Rosentino Junior, nascido em
08/05/1984 em Uberlândia-MG é graduando do curso de
Engenharia Elétrica (2002) e aluno de iniciação cientifica do
laboratório de Qualidade de Energia Elétrica (2005), pela
Universidade Federal de Uberlândia.
Isaque Nogueira Gondim, nascido em 24/07/1983 em
Araporã-MG é graduando do curso de Engenharia Elétrica
(2002) e aluno de iniciação cientifica do laboratório de
Qualidade de Energia Elétrica (2005), pela Universidade
Federal de Uberlândia.
Vitor Almeida Bernardes, nascido em 06/02/1985 em
Uberlândia-MG é graduando do curso de Engenharia Elétrica
(2002) e aluno de iniciação cientifica do laboratório de
Qualidade de Energia Elétrica (2005), pela Universidade
Federal de Uberlândia.