Introdução

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.