Qualidade da Energia Eléctrica
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Qualidade da Energia Eléctrica: Perturbações e Soluções Reparadoras Luís Oliveira Jornadas Técnicas de Electrotecnia 07-11-2012 Departamento Engenharia Electrotécnica Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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: 2 Manual da Qualidade de Energia Eléctrica, EDP. Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Importância da Qualidade da Energia Eléctrica Utilização do termo "Power Quality" em títulos/resumos/palavras‐chave de artigos publicados 4 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Importância da Qualidade da Energia Eléctrica Custos inerentes às interrupções de tensão: Fonte: 5 Manual da Qualidade de Energia Eléctrica, EDP. Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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: 6 Humberto Jorge; Acetatos da disciplina de Qualidade de Energia; DEEC-FCTUC Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Cargas lineares: resistivas, indutivas e capacitivas Não Lineares: fornos a arco, transformadores … Após 1970 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: 7 Humberto Jorge; Acetatos da disciplina de Qualidade de Energia; DEEC-FCTUC Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Tipos de perturbações na QEE Algumas perturbações: Interrupções (curtas ou longas) Tensão Cavas de tensão Transitórios Sobretensão momentânea Tensões harmónicas Ruído (interferência electromagnética) Sobretensões 110 % 90 % Inter-harmónicos Flutuações de tensão Cavas de tensão Tremulação (flicker); Micro-cortes Flutuações de tensão 100 % Abaixamentos de tensão 1% Interrupções breves Sobretensões transitórias; 10 ms 1 min Interrupções longas 3 min Desequilíbrio da tensão trifásica; Oscilações da frequência Fonte: 9 A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt). Duração Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Cavas de tensão: origem Origem das cavas de tensão em redes de T&D Caso de um defeito transitório U1 Un t I1 AT In Caso de defeito permanente t U2 Un MT Cliente alimentado pela saída 2 t0 t1 t2 t Caso de um defeito permanente U1 Un Saída 2 t I1 Saída 1 t Cliente alimentado pela saída 2 t0 14 Cliente alimentado pela saída 1 In U2 Un Fonte: Cliente alimentado pela saída 1 t1 t2 t3 t4 A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt). t5 t Jornadas Técnicas de Electrotecnia Cavas de tensão: exemplos Amplitude: 14% Duração: 60ms Amplitude: 12% Duração: 42ms Amplitude: 32% Duração: 95ms Fonte: 15 A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt). Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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: 16 Humberto Jorge; Acetatos da disciplina de Qualidade de Energia; DEEC-FCTUC Jornadas Técnicas de Electrotecnia Transformadores: sobrecorrente transitória pós‐cava Tensões Correntes 17 Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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. Base da EN 50160, do RQS, ... Tensão nominal % 300% 2 1 Tensão dentro dos limites. Zona proibida de alta perigosidade 2 Sobretensão de muito curta duração. 250% 3 Cava de longa duração. 200% 41 Interrupção de 2 segundos. 150% 106% 1 100% 50% 87% Região segura de operação 3 0,001 18 Zona proibida de baixa perigosidade 4 0% 0,01 0,1 200 microseg. 2 mseg. 0,5 1 10 20 mseg. 200 mseg. Banda de variação permitida 87 – 106% Valor Nominal 100 Ciclos 1000 2 seg. 10 seg. 20 seg. Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 iL1 iL2 iL3 20 10 0 ‐10 ‐20 ‐30 0.85 20 0.9 0.95 (s) 1 1.05 Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Muito curta (s) Amortecimento com a distância Muito alta ( até 1.000 kV/s) Forte Muito curta (ns) Alta (10MHz) Muito forte Curta (ms) Média (1 a 200 kHz) Médio Longa (s) ou Muito longa (h) 50 Hz Não existe Duração Descargas atmosféricas Descargas electrostáticas Comutação Sobretensões temporárias à frequência do sistema Fonte: 21 Frequência (ou taxa de crescimento) A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt). Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia 23 Comutação de baterias de condensadores Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 24 Comutação electromecânica Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia 27 Harmónicos ‐ análise de Fourier Influência da carga na distorção da tensão Tensão simples Jornadas Técnicas de Electrotecnia Medido na Alemanha em 30/06/ 2002, 14:30 Tensão composta Final do mundial Alemanha‐ Brazil! Fonte: Stefan Fassbinder: New Loads on Old Systems Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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(%) G(2ef ) G1(2 ef ) G(ef ) Gh2(ef ) h2 G(ef ) 2 2 2 G2( ef ) G3( ef ) G4( ef ) G(ef ) Distorção harmónica total IEEE 519 – 1992 e NP EN 50160 THD(%) Gef2 G1(2 ef ) G1(ef ) G: tensão ou corrente 29 Gh2(ef ) h2 G1(ef ) 2 2 2 G2( G G 3( ef ) 4( ef ) ef ) G1(ef ) Jornadas Técnicas de Electrotecnia Origem da distorção harmónica Rectificadores Variadores electrónicos de velocidade 30 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Origem da distorção harmónica Sistemas de iluminação Balastros tradicionais: THDi entre 15 % a 20 % Balastros electrónicos: THDi 40 % (antigos) … 10 % (modernos) Lâmpadas fluorescentes compactas (CFL): THDi até 150 % CFL 31 Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 XC 32 1 2fC Jornadas Técnicas de Electrotecnia 33 Consequências dos harmónicos em baterias de condensadores Jornadas Técnicas de Electrotecnia Efeitos no condutor de neutro Duas Três Uma cargas cargas cargaconvencionais, convencionais, convencional, aproximadamente aproximadamente lineares, linear, lineares, RLRL RL Fonte: Stefan Fassbinder: New Loads on Old Systems Tensão de fase Corrente no neutro mA L1 L2 L3 N Jornadas Técnicas de Electrotecnia Duas Três Umacargas cargas carga electrónicas electrónica electrónicas Fonte: Stefan Fassbinder: New Loads on Old Systems Tensão de fase Corrente no neutro mA L1 L2 L3 N Jornadas Técnicas de Electrotecnia Efeitos no condutor de neutro Detecção com recurso a termografia 36 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Consequências em transformadores de potência Aumento da vibração e do ruído audível Aumento das perdas Redução da potência nominal: factor K (CENELEC) 37 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Consequências em equipamento de medida TRMS 38 Convencional Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Perturbações na QEE: Micro‐cortes de tensão Micro‐cortes de tensão (notches): consistem em pequenos cortes periódicos na forma de onda da tensão 42 Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Quantificação do desequilíbrio de tensões Grau de desequilíbrio inverso: V uinv i Vd Grau de desequilíbrio homopolar: uhomop Alternativamente: 44 V0 Vd Jornadas Técnicas de Electrotecnia 45 Exemplo de desequilíbrio de tensões Jornadas Técnicas de Electrotecnia Consequências do desequilíbrio de tensões Consequências em motores de indução 46 Jornadas Técnicas de Electrotecnia 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 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Mitigação da distorção harmónica ‐ Filtros Filtros harmónicos passivos Série e paralelo 48 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Filtros activos Filtros activos 49 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Filtros activos Filtro activo paralelo 50 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Filtros activos Filtro activo série 51 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Mitigação de interrupções – UPS UPS estática standby online 52 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Mitigação de interrupções – UPS UPS dinâmica 53 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Mitigação de interrupções – Armazenamento de energia Baterias electroquímicas Baterias electromecânicas ("Flywheels") 54 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Mitigação de interrupções – Armazenamento de energia Condensadores e supercondensadores Supercondensador com 2500 F (7200 J) (dim. : 160x60x60 mm, peso : 720 g) Bobinas supercondutoras Sem bobina supercondutora Tensão Duração da falta ~8 s Tempo Tempo Com bobina supercondutora 55 Jornadas Técnicas de Electrotecnia Nº de noves 56 QEE ‐ Perspectiva 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 99,99 52,5 minutos Valor máximo atingível com sistemas de P&T&D tradicionais. 6 99,9999 31,5 segundos 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.
