Regulador de Tensão Portátil para Redes de Baixa

Regulador de Tensão Portátil para
Redes de Baixa Tensão – RTBT
Marcelo Ap. Pelegrini3, Anderson Diogo1, Donorvan Fagundes2, Ricardo Tufaniuk1,
Francisco Pereira Jr.3, Daniela V. Kondo3, Takao J. Kondo4, Francisco Saraiva4, Tiago P. Souza4

Resumo – Este trabalho descreve a terceira etapa do desenvolvimento de um Regulador de Tensão Portátil para Redes de
Baixa Tensão (RTBT), que envolve a industrialização do equipamento criado para posterior comercialização. Foram desenvolvidas três versões de reguladores: monofásica com potência
de 10 kVA; bifásica e trifásica com potências de 30 kVA. Para
avaliar a melhor solução para os problemas de não conformidade de tensão, foi desenvolvido um programa que simula o
carregamento da rede e indica as melhores alternativas. Também foi desenvolvido um sistema de leitura remota, que permite
monitorar as grandezas elétricas e as condições de funcionamento dos reguladores de tensão instalados.
Palavras-chave – PRODIST, Qualidade de energia, rede de
baixa tensão, regulação de tensão, tensão em regime permanente.
I. INTRODUÇÃO
A qualidade da tensão que as distribuidoras de energia
elétrica devem entregar ao consumidor é regulamentada no
Módulo 8 do PRODIST [1] (Procedimentos de Distribuição). A tensão em regime permanente deve se manter dentro
de limites considerados adequados, e em caso de violação
destes limites, a ANEEL estabelece um prazo para a distribuidora regularizar a tensão de atendimento. Soluções tradicionais para problemas de nível de tensão, como o recondutoramento da rede, a mudança de taps de transformadores ou
mesmo a troca de transformadores, são utilizadas de forma
emergencial, e nem sempre buscando um critério de maior
eficiência. Além disso, estas soluções não garantem que a
tensão se mantenha nos limites adequados ao longo do tempo, pois a carga instalada está sempre mudando.
Um equipamento capaz de manter a tensão de saída entre
os limites adequados, compensando automaticamente as
variações da carga ou do suprimento, é o regulador de tensão. Na rede de média tensão, estes reguladores são instalaProjeto de P&D: “Lote Pioneiro e Inserção no Mercado de Regulador de
Tensão Portátil para Baixa Tensão e Sistema de Análise de Reclamação de
Tensão”; código ANEEL: “PD-0390-1067/2012”; entidades financiadoras:
AES Eletropaulo e AES Sul; entidade executora: Sinapsis Inovação em
Energia.
1
AES Eletropaulo
[email protected]).
2 AES
(e-mails:
[email protected];
ander-
Sul (e-mail: [email protected])
3Sinapsis
Inovação
em
Energia
(e-mails:
[email protected]; [email protected];
[email protected])
4 Enerq/USP (e-mails: [email protected]; [email protected],
[email protected]).
dos na subestação ou ao longo do alimentador [2], mas são
soluções definitivas e que apresentam um custo elevado.
Reguladores para as redes de baixa tensão podem solucionar
o problema de tensão em regime permanente enquanto não
são feitas as obras necessárias de correção da rede.
Este trabalho descreve o desenvolvimento de um equipamento portátil de regulação de tensão, além de uma ferramenta computacional que auxilia na escolha da melhor alternativa para resolução do problema, com melhor custo/benefício. A instalação temporária deste equipamento no
ponto de entrega do consumidor regulariza os níveis de tensão enquanto a concessionária faz a adequação da rede.
Os equipamentos desenvolvidos, financiados pela AES
Eletropaulo e pela AES SUL, foram testados em laboratório
e em campo nas fases iniciais. Atualmente o projeto se encontra na terceira e última etapa de desenvolvimento, a produção do lote pioneiro, que representa sua transferência para
produção industrial.
O software desenvolvido para diagnóstico dos problemas
de nível de tensão é baseado na plataforma de simulação
SINAPGrid [3] e seu objetivo é oferecer uma ferramenta
eficiente e prática para definir a melhor solução para correção do problema de tensão entregue ao consumidor. A simulação inicial da rede, sem alterações, e as simulações das
diversas alternativas de correção, permitem que o usuário
escolha a alternativa mais eficiente para corrigir o nível de
tensão. Simultaneamente, o programa apresenta o melhor
ponto para a instalação temporária do regulador de tensão.
O RTBT faz a função de ajustar a tensão de rede não regulada aplicada em sua entrada através da soma ou subtração de uma quantidade adequada de tensão, que é inserida
através do secundário de um transformador Buck-Boost,
fazendo com que em sua saída, do lado da carga, a tensão
permaneça dentro da faixa adequada estabelecida pelo
PRODIST.
O transformador Buck-Boost do RTBT permite controlar
seis níveis diferentes de regulação de tensão através de três
taps no primário, sendo que seu secundário fica em série
com o ramal secundário da rede, nunca permitindo que o
consumidor seja interrompido. A Figura 1 mostra o diagrama de blocos da versão monofásica desenvolvida.
No caso do RTBT trifásico, a regulação de tensão é feita
por fase, ou seja, é utilizado um transformador “BuckBoost” por fase. Cada enrolamento secundário de 36 V do
transformador “Buck-Boost” regula individualmente cada
fase do transformador de distribuição.
Bucha de
entrada
Bucha de
neutro
Bucha de
saída
Transformador
buck-boost
TC de
medição
Medição de
tensão
de entrada
TC de
medição
Chaves de
proteção
e controle
Placa de
controle,
medição e
proteção
Medição de
tensão
de saída
Canal de
comunicação
Antena
Modem
GPRS
Figura 1 – Diagrama de blocos do RTBT monofásico.
O controle da potência permite três ações básicas na tensão de entrada[4]:
1. Somar tensão na entrada, quando estiver abaixo do
limite inferior estabelecido como mínimo adequado;
2. Subtrair tensão na entrada, quando estiver acima do
limite superior estabelecido como máximo adequado;
3. Não somar nem subtrair tensão na entrada, quando
estiver dentro da faixa estabelecida como adequada.
Além de controlar a polaridade da tensão no secundário
de seu transformador “Buck-Boost”, o RTBT também controla a quantidade de tensão que é somada ou subtraída em
sua tensão de entrada. No caso dos RTBT citados, o controle
de potência permite seis níveis diferentes de regulação de
tensão de rede.
O RTBT foi projetado para ser conectado ao secundário
do transformador de distribuição de um sistema de fornecimento, cuja rede secundária pode ser trifásica ou monofásica. A carga recebe a tensão regulada entre fase e neutro. O
contato do relé de zero (NF) serve para garantir um estado
neutro de regulação de tensão no secundário do RTBT
quando este é iniciado e também no caso de falha, ou quando o RTBT está desligado. Nesses casos, o relé de zero mantém uma posição segura, não introduzindo (somando ou subtraindo) qualquer valor na tensão de rede.
O RTBT está equipado com proteção no circuito primário, que desliga o seu circuito de controle em caso de corrente de curto-circuito e o coloca em condição de falha segura
(não soma nem subtrai tensão à tensão de entrada do
RTBT), mantendo um sinal de alerta visual na parte de baixo
do equipamento para permitir a identificação do problema a
partir do solo. Esta proteção atua de forma a garantir que o
consumidor nunca seja desligado pelo RTBT.
tivas. A fim de comparar alternativas, o software permite ao
usuário simular obras individuais ou em conjunto, tais como:
recondutoramento; troca de taps do transformador; transferências de cargas; instalação do RTBT; ou a combinação
dessas obras citadas. Para o caso do RTBT, o software simula seu funcionamento e comportamento em diferentes situações.
Além disso, a metodologia proposta permite avaliar o perfil de tensão em cada ponto de alimentação dos consumidores. Para esse propósito, é necessária a utilização de um arquivo com medições de tensão do consumidor reclamante.
Essa informação é tratada de modo a estimar as tensões nos
pontos sem medição. A Figura 2 mostra um fluxograma com
as etapas que o aplicativo executa.
Rede
Plataforma
SINAPgrid
Dados
Medição
Rede
Ajustada
Estudo (conj.
Alternativas)
Alternativa
(conj. Obras)
Análise
das Obras
Obra (conj.
Ações)
Relatório
Customizado
Ação
(alteração na
rede)
Figura 2 – Fluxograma das etapas para o aplicativo de análise de obras.
Como exemplo de uso do software criado, temos um caso
em que o consumidor apresenta níveis de tensão abaixo da
faixa adequada. A figura 3, mostra a topologia da rede e
duas soluções simuladas.
II. SOFTWARE SIMULADOR
O software SinapRNT, modelado na plataforma de desenvolvimento SINAPgrid permite, por meio de uma interface
homem-máquina, visualizar os índices de duração das tensões precárias e críticas, para diferentes tipos de obras corre-
Figura 3 – Alternativas para regularizar nível de tensão.
A primeira solução proposta consiste na mudança de tap
do transformador de distribuição e a segunda solução consiste na instalação temporária de um regulador de tensão no
ramal do cliente reclamante.
Na figura 4 vemos os resultados das simulações, que mostram que a mudança do tap aumenta a tensão do secundário
e agora as tensões estão ultrapassando o limite adequado
superior. Com a instalação do regulador, o nível permanece
adequado em todo o intervalo.
municação por rádio no padrão wi-max. Os medidores de
faturamento dos clientes ligados na baixa tensão (BT) terão
canais de comunicação, para se conectar a esta rede wi-max
e transmitir, além dos dados de faturamento, informações
sobre o funcionamento da rede e sobre a qualidade da energia elétrica. Estão previstos teste de conexão dos reguladores a esta rede de dados, para monitorar o funcionamento
dos reguladores em conjunto com outros dispositivos. Normalmente as distribuidoras possuem sistema de medição em
tempo real na rede de média tensão (MT), mas em uma rede
inteligente, em que diversos medidores de faturamento são
lidos em tempo real, outros equipamentos de medição e controle poderão ter seus dados monitorados, dando uma visão
mais detalhada da qualidade do produto e do serviço oferecidos.
IV. O LOTE PIONEIRO
Figura 4 – Resultados das simulações de alternativas.
III. SISTEMA DE MONITORAMENTO - SMR
O sistema de monitoramento desenvolvido permite que a
distribuidora monitore os níveis de tensão e o estado de funcionamento dos reguladores em tempo real. Na figura 5 pode
ser vista a tela inicial do programa com a localização dos
reguladores de tensão que estão conectados ao sistema de
automação da AES Eletropaulo. Os reguladores de tensão
utilizam o protocolo DNP3 e podem ser facilmente conectados a um sistema SCADA das distribuidoras. Os testes iniciais foram feitos utilizando modems GPRS, que aproveitam a
ampla cobertura existente das redes de telefonia, mas o sistema permite a utilização de outros canais de comunicação.
Figura 5 – Sistema de monitoramento do RTBT – SMR.
Uma parte do projeto de rede inteligente (Smart Grid) da
AES Eletropaulo, envolve a instalação de uma rede de co-
Pelo manual de P&D da ANEEL [5], a etapa de desenvolvimento do lote pioneiro se caracteriza pela "primeira
fabricação de produto ou reprodução de licenças, em “escala piloto”, para ensaios de validação, análise de custos e
refino do projeto, com vistas à produção industrial e/ou à
comercialização". Este objetivo, de transferir os reguladores
desenvolvidos em um ambiente de laboratórios universitários para um parceiro industrial, passou por diversas etapas:
1. Foram enviados convites para diversos fabricantes,
solicitando informações sobre seu interesse em fabricar
os reguladores, sua capacidade de desenvolvimento de
novos produtos e sua capacidade de produção;
2. Os fabricantes que manifestaram interesse em produzir o equipamento e demonstraram capacidade para desenvolver novos produtos, foram convidados para participar de uma apresentação na AES Eletropaulo. Nesta
apresentação, foram mostrados os detalhes do projeto do
regulador e foi solicitado aos interessados que enviassem
propostas técnicas e comerciais para o desenvolvimento
e fabricação do lote pioneiro;
3. Por uma série de critérios técnicos e comerciais, a
empresa "Lacerda Sistemas de Energia Ltda." foi selecionada para adequar o projeto do regulador de tensão à
sua linha de produção e iniciar a fabricação do lote pioneiro.
Produtos desenvolvidos dentro de uma indústria, seguem
procedimentos de montagem parecidos com os demais procedimentos de produção que ela utiliza. Transferir um equipamento desenvolvido em outro ambiente, para uma linha de
produção, requer uma série de adaptações e mudanças. Além
disso, correções de problemas detectados nos primeiros reguladores e melhorias do produto, precisaram ser estudadas
para garantir a qualidade e confiabilidade do produto final.
Do ponto de vista da AES Eletropaulo e da AES Sul, as
principais mudanças nos reguladores da fase “cabeça de
série” para a fase “lote pioneiro” foram sugeridas pelas
equipes de instalação em campo, que além de instalar,
acompanham o funcionamento e os problemas encontrados
nos reguladores de tensão. A maior dificuldade encontrada
pelas equipes de instalação foi devido ao tamanho e ao peso
dos equipamentos, já que nem todas as equipes dispunham
de equipamento hidráulico para suspender o regulador. Outro problema identificado em campo foi a falha na vedação,
que permitiu a entrada de água em alguns equipamentos,
sem que isso tenha comprometido o funcionamento dos
mesmos.
Para o lote pioneiro estão sendo produzidas 3 versões do
equipamento: monofásica de 10 kVA – 220 V, bifásica de
30 kVA – 120/240 V e trifásica de 30 kVA – 220/380 V. A
produção total será de 99 peças do RTBT, para uso da AES
Eletropaulo e AES Sul. Outras peças, em diferentes configurações, serão utilizadas para demonstração ao mercado.
A placa de controle dos novos reguladores manterá o
modelo de comunicação desenvolvido anteriormente, com
um canal serial e o protocolo DNP 3. Os primeiros reguladores utilizavam um processador Motorola, que não foi adotado pelo novo fabricante já que utilizam outro padrão em
toda sua linha de produção. Todo o software de comunicação precisou ser adaptado para a nova plataforma de processamento.
Também descrito no manual de P&D da ANEEL [5], a inserção no mercado é a "fase que encerra a cadeia da inovação e busca a difusão no setor elétrico dos resultados obtidos, caso o elo entre a pesquisa e o mercado não tenha sido
estabelecido ao longo das fases iniciais da cadeia da inovação". Para esta etapa estão previstos:
1. Divulgação do produto em eventos científicos e tecnológicos (Citenel, FIEE, CBQEE, etc.);
2. Preparação de amostras para apresentação e testes
em outras concessionárias;
3. Registro dos softwares SinapRNT e SMR;
4. Assinatura de acordos comerciais entre a AES Eletropaulo, AES Sul, AES Serviços, Lacerda e Sinapsis para a comercialização do produto.
ções de possíveis problemas que não tenham sido detectados. Entre as possíveis alterações estão:
- Modificação nas funções do protocolo de comunicação
para receber comandos remotos;
- Adequação do produto a necessidades específicas das
diversas concessionárias do país (tensão e potência);
- Inclusão de um módulo de rádio para comunicação local, facilitando o diagnóstico da instalação e possibilitando a leitura em caso de falha da rede GPRS.
VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] PRODIST - Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no
Sistema Elétrico Nacional. Módulo 8 – Qualidade da energia elétrica.
Rev.4, ANEEL, Agência Nacional de Energia Elétrica, 2011.
[2] Felber, L. A.; Regulação de tensão em subestações de distribuição de
energia elétrica, 2010, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal
de Itajubá
[3] Plataforma SINAPgrid em: www.sinapsisenergia.com/
[4] Saraiva, F. C. F.; Duarte, S. X.; Cebrian, J. C.; Pelegrini, M. A.; Tufaniuk, R. Portable Voltage Regulator for Low Voltage Networks. In:
The 21st International Conference and Exhibition on Electricity Distribution, 2011, Frankfurt. The 21st International Conference and Exhibition on Electricity Distribution, 2011.
[5] Manual de P&D - Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico do Setor de Energia Elétrica – ANEEL, Agência Nacional de
Energia Elétrica, 2012.
VII. ANEXO I
A figura A1 mostra um regulador de tensão monofásico
desenvolvido na etapa “Cabeça de série”. A figura A2
mostra a versão desenvolvida em conjunto com a “Lacerda Sistemas de Energia” para as etapas “Lote Pioneiro” e
Inserção no Mercado”.
V. CONCLUSÕES
O projeto desenvolvido apresentou resultados muito satisfatórios e promissores. Isto se deve ao fato de que o RTBT
pode ser utilizado de forma rápida e eficiente, corrigindo a
tensão da rede imediatamente após sua instalação, que é feita
de forma relativamente simples e rápida, solucionando os
casos de tensão fora da faixa adequada.
Durante sua vida útil, estes reguladores poderão ser instalados para solucionar os problemas de tensão de diversos
clientes. Sua instalação pode ser feita com a rede energizada,
interrompendo apenas os clientes que serão ligados em sua
saída por um curto período de tempo.
Mesmo nos casos de redes com tensão desequilibrada na
entrada do RTBT trifásico, este manteve suas tensões de
saída reguladas dentro da faixa projetada, minimizando inclusive o desequilíbrio de tensão em sua saída.
A redução do pagamento de penalidades com reclamação
de tensão, melhor atendimento ao cliente, receita com royalties e industrialização de produto de aplicação ampla a todas
as concessionárias de distribuição são resultados esperados
com a comercialização deste equipamento.
Mesmo tendo atingido a fase de “Inserção no Mercado”, o
equipamento ainda pode evoluir para receber novas funcionalidades, atender as necessidades de mercado e para corre-
Figura. A1. Regulador de tensão monofásico “cabeça de série”.
Figura. A2. Regulador de tensão monofásico do lote pioneiro.