Afundamentos de tensão_Causas, conseqüências e soluções

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Afundamentos de tensão: Causas, conseqüências e soluções

Belém

2010

Tecnologia em Eletrotécnica Industrial

Disciplina: Qualidade e Conservação de Energia

Prof.: Francimar

INTRODUÇÃO

O termo “Qualidade da Energia Elétrica” atualmente muito divulgado está ligado a um conjunto de anomaliasque podem ocorrer na energia fornecida aos consumidores. Tais anomalias podem originar-se nos clientes ouna própria rede de distribuição e manifestar-se em diferentes pontos da rede elétrica, tanto na unidadeconsumidora quanto na rede. Para determinar a qualidade da energia elétrica são analisados os sinais de

tensão em sua amplitude, forma de onda e freqüência. Qualquer alteração manifestada em uma destasgrandezas é considerado um problema de qualidade de energia elétrica.

A indústria moderna hoje passa por um processo de modificação e está equipada com equipamentos de altatecnologia que por serem mais sensíveis aos distúrbios elétricos, necessitam de uma energia com qualidade econfiabilidade. Em busca da produtividade e eficiência energética, as indústrias fizeram uso de equipamentosque são cargas de natureza perturbadora e degradam a qualidade da energia. Tais cargas com relação tensão-corrente não lineares, proliferaram não só na indústria, mas nos setores comercial e residencial, a exemplo doscomputadores, aparelhos eletro-eletrônicos e sistemas de iluminação com lâmpadas de descarga e compactasfluorescentes em substituição às incandescentes (lineares).

Uma energia com má qualidade pode comprometer a integridade dos equipamentos e interromper processos

industriais acarretando em prejuízos e perdas de produção. Tais características são muito importantes paraaumentar a eficiência do parque fabril do país e tornar nossos produtos mais competitivos no cenáriointernacional globalizado. Pois por um lado a indústria investe em equipamentos cada vez mais modernos eestes por sua vez se tornam cada vez mais sensíveis a baixa qualidade de energia e interrupções mesmo quede curta duração. Com o crescimento econômico do país a demanda por energia tem aumentadoconsideravelmente de forma que essa se tornou sinônimo de facilidades tais como: aquecimento,arrefecimento, iluminação, movimentação, entretenimento, comunicação entre outras, tornando-se primordialtanto em residências quanto no comércio e principalmente nas indústrias. O aumento também da cobertura darede de distribuição que de acordo com os planos governamentais que prevê a eletrificação levando energiaelétrica para famílias carentes da zona rural onde até então não havia. Diante deste cenário, será analisado umdos problemas da qualidade de energia elétrica e mostrando a importância do estudo das causas,conseqüências e soluções dos afundamentos de tensão no fornecimento de energia.

DEFINIÇÃO

Em termos gerais a definição de afundamento de tensão (Voltage Sags, em inglês) é uma perturbação da redeelétrica que consiste de uma redução do valor eficaz da tensão por um período de curta duração, seguido deuma restauração. No entanto existem divergências quanto à forma de se quantificar essa perturbação.

De acordo com o IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Engineering) e a norma IEEE 1159-1995, umafundamento é “um decréscimo entre 0,1 e 0,9 pu do valor eficaz da tensão nominal, com duração entre 0,5ciclo e 1 minuto”. Para afundamentos abaixo de 0,1pu são considerados interrupção.

De acordo com a IEC (Intenational Eletrotechnical Commission) define-se afundamento de tensão como: “Umaredução súbita da tensão de um ponto do sistema elétrico, seguido de um restabelecimento após um curto

período de tempo, de 0,5 ciclos à uns poucos segundos”.

Segundo a ONS (Operador Nacional do Sistema Elétrico), um afundamento pode ser definido “um desviosignificativo da amplitude da tensão por um curto intervalo de tempo”.



De acordo com o PRODIST – Capitulo 8.7 da ANEEL, o afundamento de tensão é considerado uma Variaçãode tensão de curta duração e pode ser dividida em dois tipos:

AMT – Afundamento Momentâneo de Tensão

É “um decréscimo entre 0,1 e 0,9 pu do valor eficaz da tensão nominal, com duração entre 1 ciclo e 3segundos.

ATT – Afundamento Temporário de Tensão

É “um decréscimo entre 0,1 e 0,9 pu do valor eficaz da tensão nominal, com duração entre 3 segundos a 1minuto.

Exemplo de um afundamento de tensão característico de um curto-circuito em um alimentador de circuitoelétrico pode ser visto na figura a seguir, nesse gráfico é monitorado a tensão de apenas uma das fases.

Figura 1 - Afundamento monofásico típico de um curto circuito

Para se analisar um afundamento de tensão, devemos considerar os seguintes fatores:

3.1 - Tipos

Os afundamentos de tensão podem ser divididos em tipos



Figura 2 - Classificação de afundamentos de tensão vistos nos terminais da carga.

3.1.1 - Afundamento de tensão monofásico (B, D e F)

Este é o tipo de afundamento mais comum, representando mais de 70%, das ocorrências. É causado por umcurto circuito do tipo fase-terra em algum lugar do sistema. Este curto circuito provocará um afundamento natensão desta fase nos demais alimentadores ligados na mesma subestação. È tipicamente causados por raios,galhos de árvores, contato de animais etc. Não é incomum ver afundamentos de até 30% da tensão nominal oumenor.

3.1.2 - Afundamentos de tensão bifásicos (C, E e G)

Afundamentos de tensão bifásicos são causados pelo contato ou redução da isolação entre duas fases dosistema, geralmente provocados por galhos de árvores, condições severas do tempo, animais, colisão deveículos com postes. Este afundamento será percebido pelos outros alimentadores ligados a mesmasubestação.

3.1.3 - Afundamentos de tensão trifásicos (A)

Um afundamento simétrico entre as fases são causados geralmente comutação de grandes cargas ao circuitoou religamento de disjuntores. Este afundamento será percebido pelos outros alimentadores ligados a mesmasubestação, no entanto este evento não costuma baixar para menos de 80% do valor nominal da tensão.

3.2 - Profundidade

É a amplitude da redução do valor eficaz da tensão durante o afundamento, em relação ao valor de referênciaestabelecido.



Figura 3 - Profundidade do afundamento de tensão

3.3 - Duração

É o tempo na qual se percebe a variação na amplitude da tensão. Neste ponto existem divergências na formade medir o tempo de duração da perturbação.

A primeira, o tempo começa ser contado a partir do instante que o valor eficaz atinja o valor de 90% do valor dereferencia, e termina quando retornar a este valor.

A segunda, o tempo começa ser contado a partir do instante que o valor eficaz atinja o valor de 90% do valorde referencia, no entanto, só pára de contar quando atingir novamente o valor de referência.



Figura 4 - Duração de um afundamento de tensão

3.4 - Freqüência

É número de vezes em que ocorre um afundamento em um determinado espaço de tempo, em um segmentoda rede elétrica. Pelo PRODIST, o intervalo mínimo é de doze meses consecutivos durante o qual obarramento ou segmento tenha sido devidamente monitorado. Uma análise desta freqüência mostra o quantoessa parte da malha elétrica está exposta a perturbações desta natureza, assim uma análise eficiente mostraonde e o quanto deve ser investido para minimizar o problema.

Não foi possível encontrar um trabalho com registros de afundamentos de tensão a nível nacional, assim foiaproveitado um estudo feito pelo EPRI (Electric Power Research Institute) em pesquisa realizada entre 1993 e1995, durante 27 meses onde foram monitorados 300 pontos e gerado 6.000.000 de eventos distribuídos deacordo com o gráfico abaixo, onde se nota que a maioria dos afundamentos (SAG´s), 90% deles possuemmagnitude maiores que 40% da tensão nominal e duração inferior a 2 segundos.



Figura 5 – Quantidade de afundamentos divididos entre duração e magnitude.

Fonte EPRI (Electric Power Research Institute)

Pesquisa feita entre 1993 e 1995, monitorado 300 pontos e gerado 6.000.000 de eventos

CAUSAS

As principais causas de afundamentos de tensão são ou aumento extremo de corrente solicitada doalimentador e o curto-circuito, sendo esse o mais comum e que provoca uma elevação brusca da corrente quepor sua vez provoca o aumento da tensão nas impedâncias de linha do sistema e faz com que a tensão noponto de consumo seja reduzida, geralmente esses afundamentos têm curta duração.

Um curto-circuito pode ser causado por falhas tais como, defeitos em equipamentos, cabos, dispositivos deproteção, isoladores, para-raios, entre outros e provoca o desligamento do disjuntor de proteção e umafundamento de tensão. Outra causa ocorre quando um raio atinge a linha de transmissão e segue até o solo,este cria um caminho para terra provocando o curto-circuito. Ventos fortes podem derrubar árvores e galhos

sobre as linhas de transmissão, neste caso podemos ter um curto do tipo fase-fase, fase-terra, ou fase-fase-terra. Em lugares onde há precipitação de neve o gelo pode também causar um curto-circuito do tipo fase-terra,quando se acumula sobre os isoladores. A salinidade em áreas litorâneas associados à umidade do ar podeprovocar o mesmo efeito e falha.

Algumas medidas podem ser tomadas para evitar curtos circuitos em uma rede de distribuição, tais como apoda de arvores, limpeza das linhas (retirada de pipas e objetos estranhos presos a fiação), inspeção e trocade isoladores com defeitos, mudança de trechos críticos de linha aérea por subterrânea, etc.

Um afundamento de tensão acontece no sistema elétrico, pois apesar do sistema possuir uma proteção quedesconecta o setor onde surgiu o curto circuito (ver a figura 6), quando esse ocorre na rede de distribuição (noponto A), a proteção (D2) atua automaticamente, desconectando a rede do barramento da subestação, comoum disjuntor é composto de partes elétricas e mecânicas, é necessário entre 5 a 6 ciclos da rede (80 a 100ms)para atuar, nesse intervalo de tempo o barramento percebe o afundamento que sobrecarregou o sistema e oafundamento da tensão irá interferir nos consumidores ligados a rede de distribuição (D1 e outros se existirem)e todos os consumidores ligados nelas (inclusive o ponto B). Após desligado o sistema possui um religadorautomático que fará o religamento da proteção D2 e caso o curto-circuito tenha desaparecido permanecerá



ligado, caso contrário será desligado novamente e um novo afundamento será sentido pelos consumidoresligados a rede 1 e 2.

Figura 6 – Afundamento de tensão provocado por um curto circuito

CONSEQUÊNCIASDe acordo com a ABINEE (Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica), as perturbações nofornecimento de energia elétrica são responsáveis por perdas enormes no setor industrial. Se compararmos asperturbações da rede elétrica o afundamento de tensão é o mais comum e a principal fonte de interrupção deprocessos produtivos industriais, provocando prejuízos e a perda aos consumidores industriais (ver figura 7).

Figura 7 - Proporção dos prejuízos provocados pelas perturbações na rede elétrica

O parque fabril nacional tem se desenvolvido, com a globalização os padrões de eficiência produtiva e acompetitividade no cenário internacional fizeram com que as indústrias investissem em suas fábricasadquirindo equipamentos mais modernos com a finalidade de aumentar a produtividade de forma poderatender o mercado. No entanto com as novas tecnologias vieram os equipamentos eletrônicos tais comomicroprocessadores, conversores para acionamento de motores elétricos CC e CA, entre outros que são maissensíveis a afundamentos de tensão.

Era de se esperar que a qualidade de energia fornecida pelas concessionárias aumentasse para atender a

demanda por energia de boa qualidade exigida pelas novas tecnologias, no entanto a evolução no setor deenergia não acompanhou a indústria de equipamentos eletro-eletrônico nem os seus consumidores industriaisque perdem com as interrupções em seus processos produtivos.

SOLUÇÕES



Estas soluções apenas eliminam os efeitos provocados pelos afundamentos e não as causas tendo em vistaque não é possível solucionar totalmente o problema, somente reduzir as suas freqüências.

Aqui apresentamos a idéia básica de cada solução para o problema de afundamentos de tensão da redeelétrica, cada uma delas adequadas de acordo com o tipo de aplicação e tipos de afundamentos divididos emtrês categorias:

Solução sem armazenamento de energia interna (Reguladores de tensão ou estabilizadores)

Através de tap’s de transformador (mais comum)

Figura 8 – Estabilizador de tensão com tap´s de transformador

Através de transformadores ferrorressonante ou de tensão constante (CVT)

Figura 9 – Estabilizador de tensão com transformador ferrorressonante

Solução com armazenamento de energia interna

Fonte ininterrupta estática (UPS) (mais comum)



Figura 10 – Nobreak

Restaurador dinâmico de tensão (RDT) ou Dynamic Voltage Restorer (DVR)

Figura 11 – Restaurador dinâmico de tensão

O setor industrial é o mais afetado com os afundamentos de tensão da rede elétrica, visto que os consumidoresde baixa potência do tipo comercial e residencial utilizam equipamentos que protegem deste tipo de ocorrência,são eles os estabilizadores de tensão e os no-breaks, que são relativamente baratos, no entanto para cargasde maior potência exige-se um investimento maior.

CONCLUSÃOFalar de afundamentos de curta duração (3 ciclos ou 0,5 segundos), pode ser insignificantes paraequipamentos mecânicos ou eletro-mecânicos mas, pode parar uma planta inteira de uma fábrica, quando setrata de equipamentos eletro-eletrônicos, o que leva a reiniciar o processo produtivo, a perda de qualidade deprodutos e de produção, redução na eficiência energética e produtiva, provocando prejuízo não só para aindustria mas também para o país.

Uma solução definitiva para este problema ainda não existe, tendo em vista que as causas podem ser devárias naturezas, inclusive devido a fenômenos naturais sobre as quais não temos ação. Por outro lado é difícilidentificar sem um monitoramento localizado quantas das causas de afundamentos de tensão ocorridos emuma rede elétrica foram causadas por falhas na manutenção da rede ou de medidas preventivas (tais comopodas de arvores). Uma análise das ocorrências por parte das concessionárias pode identificar isto, e é a

principal ferramenta para definir um plano de ação para eliminar alguma das falhas do sistema elétrico do tipoafundamento de tensão.

Por outro lado a presença de ruídos harmônicos, a baixa qualidade de energia fornecida e a falta deinvestimento pode por sua vez estar comprometendo os componentes do sistema e provocando desligamentos



e curto-circuitos, aumentando os números de afundamentos na rede de distribuição. Neste caso cabe aosgrandes centros de pesquisas identificarem quantos equipamentos da rede de distribuição tiveram a sua vidaútil reduzida devido a má qualidade de energia e identificar as causas.

Como sempre existirá uma parcela de falhas do tipo afundamento de tensão que não será possível eliminar,pois, estão relacionadas a fenômenos naturais cabe aos fabricantes de equipamentos eletrônicos e os centrosde pesquisas do país, desenvolver soluções que permitam conviver com estes problemas já que eles tendem aaumentar e não reduzir, devido às condições climáticas e a quantidade de perturbações inseridas na rede.Assim como surgiram soluções para clientes menores, deve-se investir em soluções que atendam também os

grandes consumidores de energia elétrica que geram empregos contribuem para o desenvolvimento do país,aperfeiçoando os restauradores dinâmicos de tensão de forma a atender a todas as aplicações industriais compreços acessíveis.

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Qualidade e Conservação de Energia elétrica

Curso de Tecnologia em eletrotécnica Industrial - IFPA

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