Capítulo IV - O Setor Elétrico · 2017. 1. 18. · 38 O Setor Elétrico / Abril de 2010 Apoio...
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elet
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Capacitores A maior preocupação a respeito do tema que
tem sido abordado nesses fascículos em relação a
capacitoreséopossível surgimentode ressonâncias
comosistemaelétrico.Esteefeitocausasobretensões
esobrecorrentesqueafetamtantoosistemaelétrico
como os capacitores. A reatância de um capacitor
diminui com o crescimento da frequência, fazendo
ocapacitorserumcaminhopreferencialdecorrentes
harmônicas.Este fenômenoaumentaoaquecimento
eoestressedoseudielétrico.Oresultadodoaumento
do aquecimento e do estresse no dielétrico é a
diminuiçãodavidaútildocapacitor.
Algumasdiretrizesparainstalaçõesdecapacitores
podemseraplicadasemcasodeinstalaçõeselétricas
embaixatensão:
• Se apotênciaharmônicadas cargasnão-lineares,
emkVA,formenorque10%dapotêncianominaldo
transformador,capacitorespodemserutilizadossem
preocupaçãoderessonância;
• Se apotênciaharmônicadas cargasnão-lineares,
emkVA,formenorque30%dapotêncianominaldo
transformador e a potência reativa dos capacitores
for menor que 20% da potência nominal do
transformador,capacitorespodemserutilizadossem
preocupaçãoderessonância.
•Seapotênciaharmônicadascargasnão-linearesfor
maiorque30%dapotêncianominaldotransformador,
devemserempregadosfiltrosnoscapacitores.
Conforme a norma ANSI/IEEE st. 18-2002, os
capacitoresdepotênciadevemsuportarosseguintes
valoresdesobretensãoesobrecorrente:
•110%da tensãonominal, e fatorde cristamenor
Igor Amariz Pires*
Capítulo IV
Efeitos de harmônicos no sistema de distribuição e limites segundo as principais normas nacionais e internacionais – Parte III
que1,41*√2,incluindoharmônicos.
•180%dacorrentenominal,incluindoafundamental
eharmônicos.
Outro dado que apresenta a imunidade de
capacitoresatensõesharmônicasédadopor:
∑h.Uh2≤44%
Foidescrito,porumgrupodepesquisadores,um
caso realde capacitores emumprédio comercial.A
quantidade de cargas não-lineares presentes neste
ambientefezumdosbancosqueestavamemparalelo
a um dos transformadores do sistema elétrico do
prédio sofrer uma queima. Por meio de medições,
foram constatados sobrecorrentes nos capacitores e
transformadoresdevidoaosharmônicos.Oscapacitores
tinham uma potência de 20% da potência nominal
dotransformador.Asoluçãopropostafoiainstalação
de filtros de harmônicos ou sobredimensionamento
doscomponentesdainstalação,visandominimizaro
problemadeharmônicos.
Relés de proteção Formasdeondadistorcidasafetamodesempenho
derelésdeproteção,causandoumaoperaçãoindevida
oumesmoanãooperaçãodelesquandonecessário.
Umaondasenoidalacrescidadeharmônicosalterao
picodecorrente,diferenciandodoqueoreléesperaria
porpresumirquetrabalharácomumaondasenoidal.
Oângulodasharmônicasem relaçãoà fundamental
influenciatambémnodesempenhodorelé,queéalgo
difícildedefinir,devidoaumaondadistorcida,pois
cadarelétemumarespostadiferenteaestefenômeno.
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Relés de diferentes fabricantes têm respostas diferentes, assim
como,emalgumasvezes,relésdomesmofabricanteemodelo.
Em um ambiente distorcido, os relés podem falhar quando
ocorrer uma falta no sistema elétrico ou,mesmo, podemoperar
quandonãohouvernenhumafalta.Relésdependentesdepicode
corrente ou passagem por zero não irão operar adequadamente
com uma onda distorcida. A presença de 3º harmônico, por
corresponderàscorrentesetensõesdesequênciazero,podecausar
operaçãoindevidadasproteçõesdeterra.
Osreléstendemaoperarmaislentamenteoucomvaloresde
correntemaisaltosnapresençadeharmônicos.Emgeral,onível
deharmônicosrequeridosparacausarosproblemasanteriormente
citados está entre 10% a 20% de THD de corrente. Como
alternativa aos relés eletromecânicos e eletromagnéticos, que
sãomaissusceptíveisaestesproblemas,utilizam-serelésdigitais
que computem valores RMS em ondas com grande conteúdo
harmônico.
Síntese dos efeitos dos harmônicos e grau de imunidade
ATabela 1 traz uma síntese dos efeitos que os harmônicos
causamnos elementos anteriormente citados, bem comoo grau
de imunidade que cada um tolera. Estes foram baseados nas
referênciasbibliográficasparacadaelementoapresentadonastrês
partesquecompõemessetema.
Tabela 1efeiTo de harmônicos em componenTes do sisTema eléTrico e graus de imunidade
Equipamento
Máquinasrotativas
Condutores
Medidoresdeenergia
Relésdeproteção
Capacitores
Transformadores
Equipamentoseletrônicos
Iluminação
Sistemasdetelefonia
EfeitosdevidoàpresençadeharmônicosTorquepulsanteRuídoaudível
SobreaquecimentoPerdadevidaútilnoisolamento
SobreaquecimentoDiminuiçãonacapacidadede
conduçãodecorrenteErronatarifação
OperaçãoindevidaInoperânciaRessonância
Perdadevidaútildodielétrico
Aumentonasperdasnosenrolamentos,ferroecomponentes
SobreaquecimentoMaiorsusceptibilidadeasagsPerdadesincronismoem
contadoresdigitaisImagensdistorcidasnostubos
catódicosDiminuiçãodavidaútilemlâmpadasincandescentes
Ruídosaudíveisemlâmpadasfluorescentes
FlickerRuídosaudíveis
Graudeimunidade
∑(UhI h)2≤1,3a2,4%
(máquinassíncronas)
∑(UhI h)2≤1,5a3,5%
(máquinasassíncronas)
∑Uh2≤10%
THDv≤20%
THDi≤10%
∑h.Uh2≤44%
Vh≤115%Vh≤180%
∑Uh2≤5%cargaplena
≤10%avazio
∑Uh2≤5%
(paracomputadores)
IT≤10000
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Limites de harmônicos segundo normas nacionais e internacionais
Segundo padrões do Operador Nacional do Sistema Elétrico
(ONS),oslimitesdeharmônicosparafaixasacimaeabaixode69
kVsãodescritosnaTabela2.OTHDvparatensõesabaixode69kVé
limitadoem6%enquantoparatensõesacimade69kVestáem3%.
OsvaloresrecomendadossegundoanormaIEEEstd.519/1992
sãoapresentadosnaTabela3.
Tabela 2limiTes globais de harmônicos expressos em porcenTagem da Tensão fundamenTal
V<69kV V≥69kVÍmpares Pares Ímpares Pares
Ordem
3,5,79,11,1315a25≥27
Valorporharm.(%)
5Ordem
3,5,79,11,1315a25≥27
Valorporharm.(%)
21,510,5
Ordem
2,4,6
≥8
Valorporharm.(%)
2
1
Ordem
2,4,6
≥8
Valorporharm.(%)
1
0,5
THDV=6% THDV=3%
Tabela 3limiTes de disTorção de Tensão
Tabela 4limiTes de harmônicos individuais em sisTemas públicos de baixa Tensão
(240 v e 415 v) conforme norma iec 61000-2-2
Faixadetensão
V≤69kV69kV<V<161kV
V≥161kV
Ordemímpar
57111317192325>25
Ordemímpar–múltiplo
de3
391521>21
Ordempar
246810>12
Tensãoharmônica
(%)*
6,05,03,53,02,01,51,51,5
0,2+1,3x25/h
Tensãoharmônica
(%)*
5,01,50,30,20,2
Tensãoharmônica
(%)*
210,50,50,20,2
Distorçãototaldetensão–THDV(%)
5,02,01,5
Distorçãoindividualporharmônico(%)
3,01,51,0
NasTabelas2e3,oslimitesestabelecidossãobempróximos,
sendo a tabela do ONS mais detalhada em relação aos limites
estabelecidosparacadaharmônico.
Alguns pesquisadores transcreveram os limites das tensões
harmônicas sugeridas pela norma IEC 61000-2-2 para sistemas
públicos debaixa tensão (240V e 415V).ATabela 4 apresenta
esteslimites.
THDV(atéo40ºharmônico)<8%
* Valores em relação à tensão fundamental
NaTabela4,percebe-sequeanormaIECémenosrígidapara
sistemasdebaixatensão(THDv=8%).AnormaIEEEstd.519/1992
define limitesdedistorçãodecorrenteemumpontodo sistema
elétricoconformesuacorrentedecurto-circuitoeníveisdetensão.
JáasTabelas5,6e7trazemestasrecomendações,diferenciadas
pelonível de tensão.Háum termoutilizadonestanormaqueé
o TDD (Total Demand Distortion). Tendo a mesma formulação
matemáticaqueoTHD,diferenciandonotermododividendoque,
enquanto noTHD será a fundamental da tensão ou corrente do
sinal analisado, oTDD usará a tensão ou corrente de demanda
nominalnobarramentoanalisado.Emoutraspalavras,oTDDseria
oTHDnasituaçãoemquea fundamentalda tensãooucorrente
estivessememseusvaloresnominaisdedemanda.
Tabela 5limiTes de disTorção de correnTe para sisTemas de disTribuição (v ≤ 69 kv)
ICC/Icarga<20
20<50
50<100
100<1000
>1000
11≤h<17
2,0
3,5
4,5
5,5
7,0
23≤h<35
0,6
1,0
1,5
2,0
2,5
<11
4,0
7,0
10,0
12,0
15,0
17≤h<23
1,5
2,5
4,0
5,0
6,0
H≤35
0,3
0,5
0,7
1,0
1,4
TDD
5,0
8,0
12,0
15,0
20,0
Harmônicosparessãolimitadosa25%doslimitesdosharmônicosimparesICC=correntemáximadecurto-circuitoIcarga=demandamáximadecorrentedecarga(somentefundamental)
DistorçãodecorrenteempercentuaisdeIcarga
Harmônicosindividuais
Tabela 6limiTes de disTorção de correnTe para sisTemas de subTransmissão
(69 kv < v ≤ 161 kv)
ICC/Icarga<20
20<50
50<100
100<1000
>1000
11≤h<17
1,0
1,75
2,25
2,75
3,5
23≤h<35
0,3
0,5
0,75
1,0
1,25
<11
2,0
3,5
5,0
6,0
7,5
17≤h<23
1,75
1,25
2,0
2,5
3,0
h≥35
0,2
0,25
0,35
0,5
0,5
TDD
2,5
4,0
6,0
7,5
10,0
Harmônicosparessãolimitadosa25%doslimitesdosharmônicosimparesICC=correntemáximadecurto-circuitoIcarga=demandamáximadecorrentedecarga(somentefundamental)
DistorçãodecorrenteempercentuaisdeIcarga
Harmônicosindividuais
Tabela 7 limiTes de disTorção de correnTe para sisTemas de Transmissão (v > 161 kv)
ICC/Icarga<50
≥50
11≤h<17
1,0
1,5
23≤h<35
0,3
0,45
<11
2,0
3,0
17≤h<23
0,75
1,15
h≥35
0,15
0,22
TDD
2,5
3,75
Harmônicosparessãolimitadosa25%doslimitesdosharmônicosimparesICC=correntemáximadecurto-circuitoIcarga=demandamáximadecorrentedecarga(somentefundamental)
DistorçãodecorrenteempercentuaisdeIcarga
Harmônicosindividuais
A IEC61000-3-2define limitesdecorrentesharmônicasque
podemseremitidosporaparelhosquetrabalhamcomumacorrente
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eficazmenorque16Apor fase.Osaparelhos sãodivididos em
quatroclasses:
•ClasseA:Equipamentoscomalimentaçãotrifásicaequilibradae
todososdemaisquenãoseenquadramnasoutrasclasses.
•ClasseB:Equipamentosportáteis.
•ClasseC:Equipamentosparailuminaçãoincluindodispositivos
dimmer.
• Classe D: Equipamentos contendo uma forma de onda de
correntedeentrada“especial”comumapotênciaativadeentrada
menorque600W.
Os limites para os equipamentos classeA estão expostos na
Tabela8.ParaosequipamentosdeclasseB,bastautilizarosíndices
daTabela8emultiplicá-lospor1,5.ATabela9apresentaoslimites
paraequipamentosclasseCenquantoaTabela10mostraoslimites
paraosequipamentosclasseD.
Tabela 8limiTes de correnTes harmônicas para equipamenTos classe a
conforme norma iec 61000-3-2
Ordemharmônica
(h)
3
5
7
9
11
13
15-39
C
2
4
6
01/08/40
Máximacorrente
(A)
2,3
1,14
0,77
0,4
0,33
0,21
0,15x15/h
Máximacorrente
(A)
1,08
0,43
0,3
0,23x8/h
Tabela 9limiTes de correnTes harmônicas para equipamenTos classe c
conforme norma iec 61000-3-2
Ordemharmônica(h)
2
3
5
7
9
01/11/39
Máximacorrente(%)*
2
30%xfatordepotência
10
7
5
3
* Em relação à corrente fundamental
Tabela 10 limiTes de correnTes harmônicas para equipamenTos classe d
conforme norma iec 61000-3-2
Ordemharmônica(h)
2
5
7
9
11
13
15-39
Máximacorrente(%)*
Porwatt(mA/W)
3,4
1,9
1,0
0,50
0,35
0,3
3,86/h
(A)
2,3
1,14
0,77
0,40
0,33
0,21
2,25/h
Paraequipamentoscomcorrentesacimade16Aeabaixode
75Aporfase,anormaIEC61000-3-4fixaoslimitesdecorrentes
harmônicasparaestesequipamentos.OslimitesestãonaTabela11.
Tabela 11limiTes de correnTes harmônicas para equipamenTos com
correnTes enTre 16 a e 75 a conforme norma iec 61000-3-4
Ordem
harmônica(h)
3
5
7
9
11
13
15
17
Ordem
harmônica(h)
19
21
23
25
27
29
31
33
Máxima
corrente(%)*
21,6
10,7
7,2
3,8
3,1
2
0,7
1,2
Máxima
corrente(A)
1,1
0,6
0,9
0,8
0,6
0,7
0,7
0,6
* Em relação à corrente fundamental
Conclusões gerais Nestes três últimos capítulos (do II ao IV), procurou-se
mostrar os principais efeitos que os harmônicos causam nos
seguintescomponentesdosistemaelétrico:medidoresdeenergia,
condutores, iluminação, máquinas rotativas, equipamentos
eletrônicos,interferênciatelefônica,transformadores,capacitores,
relés de proteção. Além destes efeitos, foram mostrados os
limitesdeharmônicos segundoasprincipaisnormasnacionaise
internacionais.
Os harmônicos causam perdas para o consumidor e para a
concessionáriadeenergia.Apesardestasperdas,osequipamentos
mencionadostêmumníveldesusceptibilidadeaharmônicos.Nos
limites relacionados pelas normas, a norma brasileira estabelece
6%deTHDde tensãoparao sistemadebaixa tensão. Jáo IEEE
limitaem5%enquantoaIECadmite8%deTHDdetensão.
Paracorrentesharmônicas,oIEEEapresentalimitesdadistorção
que a corrente poderá ter de acordo com a relação (divisão)
corrente de curto-circuito e corrente nominal.Quantomais alta
estarelação,olimitededistorçãodecorrentetambémserámais
alto, tendo um limite de 20%de distorção de corrente nominal
(TDDde20%).
A IEC tem várias normas que limitam a produção de
harmônicosporpartedeequipamentoseletrônicos,dependendo
desuafinalidadeepotência.Osefeitosdeharmônicosnosistema
de distribuição, em conjunto com os limites determinados
por normas nacionais e internacionais, mostram que se pode
convivercomharmônicos,desdequeelesestejamdevidamente
controlados.
Referências(Para os capítulos II, III e IV)
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OLIVEIRA, M. et al. Efeito das distorções harmônicas nas medições de energia
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SBQEE – Seminário Brasileiro de Qualidade de Energia Elétrica, 17-20 de agosto
de 2003, Aracaju – SE.
VASCONCELOS, F. H. et al. Calibração de medidores de energia elétrica
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41O Setor Elétrico / Abril de 2010
Apoio
*IGOR AMARIZ PIRES é engenheiro eletricista, mestre e doutorando em
engenharia elétrica pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG),
com ênfase em qualidade da energia elétrica. CONTINUA NA PRÓXIMA EDIÇÃO
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