CENTRO DE ENSINO SUPERIOR DOS CAMPOS GERAIS ENGENHARIA ELTRICA SISTEMAS DE POTNCIA IDEISE SOARES DE CAMPOS FELIPE RAUTTER NETO GILNEI ALMEIDA DE SOUZA MARCELO COELHO GOMES SADI ROBERTO SCHIAVON

DISTRBIOS NO SISTEMA ELTRICO DE POTNCIA

Trabalho apresentado como requisito parcial de avaliao da disciplina de Sistema Eltrico de Potncia, ministrado ao 8 perodo noturno, Curso de Engenharia Eltrica, do Centro de Ensino Superior dos Campos Gerais CESCAGE. Prof.: Ricardo Wazen

PONTA GROSSA 2011

SUMRIO 1 INTRODUO...........................................................................................................3 2 TIPOS DE DISTRBIOS............................................................................................4 2.1 Caractersticas gerais dos distrbios......................................................................4 2.2 Tipos de distrbios..................................................................................................4 3 TRANSITRIOS........................................................................................................5 3.1 Transitrios impulsivos............................................................................................6 3.2 TRANSITRIOS OSCILATRIOS.........................................................................7 3.3 Variao de tenso de curta durao.....................................................................73.3.1 Interrupes.............................................................................................8 3.3.2 AFUNDAMENTO DE TENSO DE CURTA DURAO....................................8 3.3.3 ELEVAO DE TENSO DE CURTA DURAO.........................................10

3.4 VARIAO DE TENSO DE LONGA DURAO...............................................113.4.1 INTERRUPES SUSTENTADAS..............................................................11

3.5 DESEQUILBRIOS DE TENSO..........................................................................12 3.6 DISTORES NA FORMA DE ONDA.................................................................123.6.1 NVEL DE CORRENTE CONTNUA.............................................................13 3.6.2 DISTORO HARMNICA........................................................................13 3.6.3 INTERHARMNICAS................................................................................14 3.6.4 NOTCHING.............................................................................................14 3.6.5 RUDOS..................................................................................................14

3.7 FLUTUAES DE TENSO................................................................................15 BIBLIOGRAFIA..........................................................................................................18

1

INTRODUO

Distrbio, perturbao ou ainda disfuno, so sinnimos que expressam uma alterao da anormalidade de um dado sistema. No Sistema Eltrico de Potncia SEP, segundo a resoluo 61/2004 da Agncia Nacional de Energia Eltrica ANEEL, perturbao : Modificao das condies que caracterizam a operao de um sistema eltrico fora da faixa de variao permitida para seus valores nominais, definidos nos regulamentos de qualidade dos servios de energia eltrica vigentes A qualidade no fornecimento de energia eltrica caracterizada pela sua disponibilidade, fornecimento ininterrupto e isenes de distrbios no sistema. Segundo Coury, manter o SEP livre de distrbio : Esta tarefa dificultada pela variedade de cargas ligadas rede eltrica, ocasionando flutuaes nas tenses e distores na forma senoidal pura. Neste sentido, a concessionria deve monitorar continuamente os distrbios, ajudando os consumidores a ligar corretamente seus equipamentos e, sobretudo, agir para que os problemas de um usurio no se propagem via rede eltrica. Para Dungan (1996), o problema na qualidade da energia est sempre relacionado a qualidade de tenso, sendo esta a nica varivel que a concessionria de energia possui controle, visto que a corrente do sistema est em funo das caractersticas da carga. Ele lembra ainda, que os sistemas de potncias so projetados para operarem com tenses senoidais de freqncia e amplitude especficas, onde as variaes destes parmetros podem ser consideradas como problemas potenciais na qualidade de energia. Grimoni (2004), complementa que uma energia de boa qualidade, deve estar isenta da presena de distores Harmnicas.

Em alguns ramos de atividade, como as indstrias txtil, siderrgica e petroqumica, os impactos econmicos da qualidade da energia so enormes. Nestes setores, uma interrupo eltrica de at 1 minuto pode ocasionar enormes prejuzos. Diante deste potencial de prejuzos possveis, fica evidente a importncia de uma anlise e diagnstico da qualidade da energia eltrica, no intuito de determinar as causas e as conseqncias dos distrbios no sistema, alm de apresentar medidas tcnicas e economicamente viveis para solucionar o problema.

2 2.1

TIPOS DE DISTRBIOS Caractersticas gerais dos distrbios

Os distrbios podem ser divididos em quatro grupos: Durao do evento (curta e longa durao); Faixa de freqncia; Efeitos (aquecimento, vibrao, cintilao luminosa e etc..); Intensidade do impacto (pequeno mdio ou grande).

2.2 Tipos de distrbios Alguns tipos de distrbios esto caracterizados abaixo: TRANSITRIOS: Tipos impulsivos ou oscilatrios; VARIAES DE TENSO DE CURTA DURAO: Afundamentos de tenso (SAG) e elevao de tenso (SWELL); VARIAES DE TENSO DE LONGA DURAO: Podem ser interrupes, subtenses sustentadas ou sobretenses sustentadas; DESEQUILBRIOS DE TENSO: So causados pela m distribuio de cargas monofsicas, e fazem surgir no circuito tenses de seqncia negativa. DISTORES DA FORMA DE ONDA: Podem ser classificadas em nvel CC, harmnicos, inter-harmnicos, "notching" e rudos.

OSCILAES DE TENSO: So variaes sistemticas dos valores eficazes da tenso de suprimento (dentro da faixa compreendida entre 0,95 e 1,05 pu), e que podem ser aleatrias, repetitivas ou espordicas.

VARIAES DA FREQUNCIA DO SISTEMA: So definidas como sendo desvios

no valor da freqncia fundamental deste sistema (50 ou 60 Hz). A figura 1 expressa algumas formas de ondas tpicas dos distrbios acima mencionados.

Figura 1

3

TRANSITRIOS

A anlise dos fenmenos transitrios de extrema importncia, pois so em transitrios que os equipamentos eltricos so submetidos a condies muito severas, que podem fazer com que os equipamentos ultrapassem suas capacidades nominais. Mesmo que o SEP opere quase que sua totalidade em regime permanente, de extrema importncia que o sistema possa superar os regimes transitrios (curto-circuito, rejeio de carga, chaveamentos, descargas atmosfricas e etc.) sem sofrerem danos. Para tanto, imprescindvel que algumas caractersticas destes fenmenos sejam conhecidas, tais como, amplitude, durao e caractersticas referentes a cada tipo de transitrio.

3.1

Transitrios impulsivos

Normalmente causado por descargas atmosfricas, o transitrio impulsivo pode ser definido pela alterao repentina das condies de regime permanente da tenso, corrente ou ambas, sendo caracterizados impulsos unidirecionais em polaridade positiva ou negativa e freqncia bastante diferenciada.

Figura 2 - Corrente impulsiva oriunda de uma descarga eltrica Uma descarga atmosfrica na alta tenso causa uma sobretenso na linha prxima ao ponto de incidncia e pode gerar no somente um transitrio impulsivo, mas tambm uma falta acompanhada de afundamentos de tenso de curta durao e interrupes. Em se tratando de descargas atmosfricas em pontos de extra alta tenso, o surto se propaga ao longo da linha em direo aos terminais, podendo atingir os equipamentos instalados subestaes. Entretanto, a onda de tenso ao percorrer a linha, desde o ponto da incidncia at as subestaes abaixadoras para a tenso de distribuio, tem sua crista atenuada consideravelmente, o que tende a eliminar o efeito da descarga atmosfrica ocorrida no mbito da transmisso nos consumidores ligados em baixa tenso.

3.2

TRANSITRIOS OSCILATRIOS

Um transitrio oscilatrio caracterizado por uma alterao repentina nas condies de regime permanente da tenso e corrente, ou ambas, possuindo valores de polaridade positiva e negativa. Estes transitrios normalmente so decorrentes de energizao de linhas, corte de corrente indutiva, eliminao de faltas, chaveamento de bancos de capacitores Considerando o crescente emprego de capacitores pelas concessionrias para a manuteno dos nveis de tenso, e pelas indstrias com vistas correo do fator transformando esse transitrio em um evento dirio.

Figura 3 - Transitrio banco de capacitor 600 kVar 13,8 kV. 3.3 Variao de tenso de curta durao

As variaes de tenso de curta durao podem ser caracterizadas por alteraes instantneas, momentneas ou temporrias. Tais variaes de tenso so, geralmente, causadas pela energizao de grandes cargas que requerem altas correntes de partida, ou por intermitentes falhas nas conexes dos cabos de sistema. Dependendo do local da falha e das condies do sistema, o resultado

pode ser uma queda de tenso temporria ("sag"), uma elevao de tenso ("swell"), ou mesmo uma interrupo completa do sistema eltrico.3.3.1 Interrupes

Interrupo de curta durao quando a tenso de suprimento cai para um valor menor que 0,1 pu por um perodo de tempo no superior a 1 minuto, o que geralmente ocorre por faltas no sistema de energia, falhas de equipamentos e mal funcionamento de sistemas de controle. Algumas interrupes podem ser precedidas por um "sag" quando estas so devidas a faltas no sistema supridor. O "sag" ocorre no perodo de tempo entre o incio de uma falta e a operao do dispositivo de proteo do sistema.

Figura 4 - Interrupo momentnea precedida por afundamento de tenso 3.3.2 AFUNDAMENTO DE TENSO DE CURTA DURAO Os afundamentos de tenso de curta durao (SAG) so caracterizados por uma reduo do valor eficaz da tenso, entre 0,1 e 0,9 pu na freqncia fundamental, com durao entre 0,5 ciclo e 1 minuto. Afundamentos de tenso com perodo inferior a 10 ms e abaixo de 10% no so levadas em considerao.

Por exemplo, o caso de um curto-circuito no sistema supridor da concessionria. Logo que o dispositivo de proteo detecta a corrente de curto-circuito, ele comanda a desenergizao da linha com vistas a eliminar a corrente de falta. Somente aps um curto intervalo de tempo, o religamento automtico do disjuntor ou religador efetuado. Entretanto, pode ocorrer que, aps o religamento, o curto persista e uma seqncia de religamento pode ser efetuada com o intuito de eliminar a falta. A figura 5 ilustra uma seqncia de religamento com valores tpicos de ajustes do atraso. Sendo a falta de carter temporrio, o equipamento de proteo no completar a seqncia de operaes programadas e o fornecimento de energia no interrompido. Assim, a maior parte dos consumidores (principalmente os residenciais) no sentir os efeitos da interrupo. Porm, algumas cargas mais sensveis (ex: computadores e outras cargas eletrnicas) estaro sujeitas a tais efeitos, a menos que a instalao seja dotada de unidades UPS (no-breaks), que evitaro maiores conseqncias na operao destes equipamentos. Alguns dados estatsticos revelam que 75% das faltas em redes areas so de natureza temporria. No passado, este percentual no era considerado preocupante. Entretanto, com o crescente emprego de cargas eletrnicas, como inversores, computadores, etc., este nmero passou a ser relevante nos estudos de otimizao do sistema, pois , agora, tido como responsvel pela sada de operao de diversos equipamentos, interrompendo o processo produtivo, e causando enormes prejuzos s indstrias.

Figura 5 - Tentativas de religamento

A figura 6 demonstra um afundamento de tenso de aproximadamente 3 segundos em virtude da partida de um motor de induo, que absorve uma corrente de partida entre 6 e 10 vezes a corrente nominal.

Figura 6 - Afundamento de tenso decorrente a partida de MIT 3.3.3 ELEVAO DE TENSO DE CURTA DURAO Uma sobretenso de curta durao ou "swell" definida como um aumento entre 1,1 e 1,8 pu na tenso eficaz, na freqncia da rede, com durao entre 0,5 ciclo a 1 minuto. Os "swells" esto geralmente associados com condies de falta no sistema. A figura 7 ilustra uma "swell" causado por uma falta fase-terra. Este fenmeno pode tambm estar associado sada de grandes blocos de cargas ou energizao de grandes bancos de capacitores, porm, com uma incidncia pequena se comparada com as sobretenses provenientes de faltas fase-terra nas redes de transmisso e distribuio.

Figura 7 - Sobretenso de curta durao 3.4 VARIAO DE TENSO DE LONGA DURAO

As variaes de tenso de longa durao podem ser caracterizadas como desvios que ocorrem no valor eficaz da tenso, na freqncia do sistema, com durao superior a 1 minuto. Atualmente, ndices que caracterizam variaes de tenso de longa durao encontram-se definidos na Resoluo 505 da ANEEL. Estas variaes de tenso podem se dar como afundamentos de tenso, elevaes de tenso ou interrupes sustentadas. Todas elas so geralmente causadas por variaes de carga e operaes de chaveamento no sistema. 3.4.1 INTERRUPES SUSTENTADAS Quando o suprimento de energia deixar de existir por mais de 1 minuto j considerado como interrupo sustentada, geralmente variaes de tenso de longa durao exigem a interveno da concessionria para reparar o fornecimento. As interrupes sustentadas podem ocorrer devido manuteno programada ou no. A maioria delas ocorrem de forma no programada e as principais causas so falhas nos disjuntores, queima de fusveis, falha de componentes de circuito alimentador, etc..

3.5

DESEQUILBRIOS DE TENSO

Os desequilbrios podem ser definidos como o desvio mximo da mdia das correntes ou tenses trifsicas, dividido pela mdia das correntes ou tenses trifsicas, expressado em percentual. As origens destes desequilbrios esto geralmente nos sistemas de distribuio, os quais possuem cargas monofsicas distribudas inadequadamente, fazendo surgir no circuito tenses de seqncia negativa. Este problema se agrava quando consumidores alimentados de forma trifsica possuem uma m distribuio de carga em seus circuitos internos, impondo correntes desequilibradas no circuito da concessionria. A figura 8 mostra um circuito desequilibrado

Figura 8 - Tenses desequilibradas em magnitude e fase 3.6 DISTORES NA FORMA DE ONDA

A distoro da forma de onda definida como um desvio, em regime permanente, da forma de onda puramente senoidal, na freqncia fundamental, e caracterizada principalmente pelo seu contedo espectral. Existem cinco tipos principais de distores da forma de onda Nvel de corrente contnua;

Distoro Harmnica;

Interharmnicas; Notching; Rudos.

3.6.1 NVEL DE CORRENTE CONTNUA A presena de tenso ou corrente CC em um sistema eltrico CA pode ocorrer como o resultado da operao ideal de retificadores de meia-onda. O nvel CC em redes de corrente alternada pode levar saturao de transformadores, resultando em perdas adicionais e reduo da vida til do equipamento.3.6.2 DISTORO HARMNICA

a combinao da tenso (ou corrente) fundamental com componentes de freqncia mltipla inteira. Normalmente causada por dispositivos no-lineares de converso com espectro harmnico caracterstico, como ponte de retificadores, compensadores controlados a tiristores; ciclo-conversores, etc. A figura a seguir mostra a corrente (trao superior) em um retificador monofsico a diodos com filtro capacitivo. Esta forte distoro na corrente leva a uma distoro na tenso no PAC (trao intermedirio), devido queda de tenso na impedncia equivalente do alimentador. O trao inferior a potncia instantnea da carga.

Figura 9 - Distoro Harmnica

3.6.3 INTERHARMNICAS Combinao da tenso (ou corrente) fundamental com componentes no mltiplas inteiras. So produzidas em geral por cargas no-lineares, com espectro contnuo. Fornos a arco so exemplos tpicos que produzem distoro devido a harmnicas e interharmnicas A figura 10, mostra um exemplo de distoro interharmnica:

Figura 10 - Distoro Interharmnica 3.6.4 NOTCHING Notching um distrbio de tenso causado pela operao normal de equipamentos de eletrnica de potncia quando a corrente comutada de uma fase para outra. Este fenmeno pode ser detectado atravs do contedo harmnico da tenso afetada. As componentes de freqncia associadas com os notchings so de alto valor e, desta forma, no podem ser medidas pelos equipamentos normalmente utilizados para anlise harmnica. 3.6.5 RUDOS So componentes espectrais de larga faixa de freqncia observados na tenso ou corrente fundamentais. Do ponto de vista do sistema de 60 Hz, no qual a faixa de avaliao vai at a 50 harmnica (3 kHz), tudo que estiver acima disso considerado rudo. Em sistemas telefnicos essa faixa realmente representa rudo audvel (at 20 kHz), da a necessidade da ponderao pela curva de sensibilidade auditiva.

A figura 11 mostra a presena de um rudo de alta freqncia (aproximadamente 40kHz, de acordo com o espectro mostrado na mesma figura). Neste caso, tal rudo devido presena de reatores eletrnicos de lmpadas fluorescentes tubulares, os quais operam nesta freqncia. A contaminao da tenso da rede se deve ao no aterramento do reator, sem o qual o filtro de entrada no atua corretamente, permitindo que componentes de alta freqncia, estejam presentes, indevidamente, na tenso da rede, podendo afetar o funcionamento de outros equipamentos conectados na mesma rede.

Figura 11 - Rudo de alta freqncia sobreposto tenso da rede 3.7 FLUTUAES DE TENSO

Os principais efeitos nos sistemas eltricos, resultados das oscilaes causadas pelos equipamentos mencionados anteriormente so: Oscilaes de potncia e torque das mquinas eltricas; Queda de rendimento dos equipamentos eltricos;

Interferncia nos sistemas de proteo e Efeito flicker (cintilao luminosa).

O fenmeno flicker consiste no efeito mais comum provocado pelas oscilaes de tenso. Este tema merece especial ateno, uma vez que o desconforto visual associado perceptibilidade do olho humano s variaes da intensidade luminosa , em toda sua extenso, indesejvel. A figura 12 demonstra um grfico da curva da sensibilidade do olho humano.

Figura 12 - Sensibilidade do olho humano

Figura 13 - Variao de tenso ocasionada pela operao de um forno a arco.

A tabela 1 traz um resumo sobre os fenmenos relacionados com a qualidade da energia eltrica, com suas causas, seus efeitos e relaciona algumas solues para mitigar os fenmenos do sistema eltrico de potncia.

Tabela 1

BIBLIOGRAFIA http://www.aneel.gov.br/cedoc/ren2004061.pdf, acesso em 17/11/2011; DISTRBIO DA ENERGIA ELTRICA EDSON MARTINHO EDITORA RICA