Afundamentos de tensão - final

Afundamentos de tensão - final

Tecnologia em Eletrotécnica Industrial

Disciplina: Qualidade e Conservação de Energia

Prof.: Francimar

Paulo Sérgio Kanasiro - 2008.306.006

Marcos Roberto Carneiro de Araújo - 2008.306.024

Afundamentos de tensão: Causas, conseqüências e soluções

Belém

2010

Tecnologia em Eletrotécnica Industrial

Disciplina: Qualidade e Conservação de Energia

Prof.: Francimar

  1. INTRODUÇÃO

O termo “Qualidade da Energia Elétrica” atualmente muito divulgado está ligado a um conjunto de anomalias que podem ocorrer na energia fornecida aos consumidores. Tais anomalias podem originar-se nos clientes ou na própria rede de distribuição e manifestar-se em diferentes pontos da rede elétrica, tanto na unidade consumidora 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 destas grandezas 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 alta tecnologia que por serem mais sensíveis aos distúrbios elétricos, necessitam de uma energia com qualidade e confiabilidade. Em busca da produtividade e eficiência energética, as indústrias fizeram uso de equipamentos que 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 dos computadores, aparelhos eletro-eletrônicos e sistemas de iluminação com lâmpadas de descarga e compactas fluorescentes 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 para aumentar a eficiência do parque fabril do país e tornar nossos produtos mais competitivos no cenário internacional globalizado. Pois por um lado a indústria investe em equipamentos cada vez mais modernos e estes por sua vez se tornam cada vez mais sensíveis a baixa qualidade de energia e interrupções mesmo que de curta duração. Com o crescimento econômico do país a demanda por energia tem aumentado consideravelmente de forma que essa se tornou sinônimo de facilidades tais como: aquecimento, arrefecimento, iluminação, movimentação, entretenimento, comunicação entre outras, tornando-se primordial tanto em residências quanto no comércio e principalmente nas indústrias. O aumento também da cobertura da rede de distribuição que de acordo com os planos governamentais que prevê a eletrificação levando energia elétrica para famílias carentes da zona rural onde até então não havia. Diante deste cenário, será analisado um dos 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.

  1. DEFINIÇÃO

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

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

  2. De acordo com a IEC (Intenational Eletrotechnical Commission) define-se afundamento de tensão como: “Uma redução 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”.

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

  4. De acordo com o PRODIST – Capitulo 8.7 da ANEEL, o afundamento de tensão é considerado uma Variação de 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 3 segundos.

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 1 minuto.

Exemplo de um afundamento de tensão característico de um curto-circuito em um alimentador de circuito elétrico 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 um curto circuito do tipo fase-terra em algum lugar do sistema. Este curto circuito provocará um afundamento na tensão 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 ou menor.

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 do sistema, geralmente provocados por galhos de árvores, condições severas do tempo, animais, colisão de veículos com postes. Este afundamento será percebido pelos outros alimentadores ligados a mesma subestação.

3.1.3 - Afundamentos de tensão trifásicos (A)

Um afundamento simétrico entre as fases são causados geralmente comutação de grandes cargas ao circuito ou religamento de disjuntores. Este afundamento será percebido pelos outros alimentadores ligados a mesma subestação, 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 referência estabelecido.

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 forma de 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 de referencia, 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 valor de 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 segmento da rede elétrica. Pelo PRODIST, o intervalo mínimo é de doze meses consecutivos durante o qual o barramento ou segmento tenha sido devidamente monitorado. Uma análise desta freqüência mostra o quanto essa parte da malha elétrica está exposta a perturbações desta natureza, assim uma análise eficiente mostra onde 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 foi aproveitado um estudo feito pelo EPRI (Electric Power Research Institute) em pesquisa realizada entre 1993 e 1995, durante 27 meses onde foram monitorados 300 pontos e gerado 6.000.000 de eventos distribuídos de acordo com o gráfico abaixo, onde se nota que a maioria dos afundamentos (SAG´s), 90% deles possuem magnitude 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

  1. CAUSAS

As principais causas de afundamentos de tensão são ou aumento extremo de corrente solicitada do alimentador e o curto-circuito, sendo esse o mais comum e que provoca uma elevação brusca da corrente que por sua vez provoca o aumento da tensão nas impedâncias de linha do sistema e faz com que a tensão no ponto 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 de proteção, isoladores, para-raios, entre outros e provoca o desligamento do disjuntor de proteção e um afundamento 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 pode provocar o mesmo efeito e falha.

Algumas medidas podem ser tomadas para evitar curtos circuitos em uma rede de distribuição, tais como a poda de arvores, limpeza das linhas (retirada de pipas e objetos estranhos presos a fiação), inspeção e troca de 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 que desconecta o setor onde surgiu o curto circuito (ver a figura 6), quando esse ocorre na rede de distribuição (no ponto A), a proteção (D2) atua automaticamente, desconectando a rede do barramento da subestação, como um 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 o afundamento 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 religador automático 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 consumidores ligados a rede 1 e 2.

Figura 6 – Afundamento de tensão provocado por um curto circuito

  1. CONSEQUÊNCIAS

De acordo com a ABINEE (Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica), as perturbações no fornecimento de energia elétrica são responsáveis por perdas enormes no setor industrial. Se compararmos as perturbações da rede elétrica o afundamento de tensão é o mais comum e a principal fonte de interrupção de processos 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 a competitividade no cenário internacional fizeram com que as indústrias investissem em suas fábricas adquirindo equipamentos mais modernos com a finalidade de aumentar a produtividade de forma poder atender o mercado. No entanto com as novas tecnologias vieram os equipamentos eletrônicos tais como microprocessadores, conversores para acionamento de motores elétricos CC e CA, entre outros que são mais sensíveis 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 de energia não acompanhou a indústria de equipamentos eletro-eletrônico nem os seus consumidores industriais que perdem com as interrupções em seus processos produtivos.

  1. SOLUÇÕES

Estas soluções apenas eliminam os efeitos provocados pelos afundamentos e não as causas tendo em vista que 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 rede elétrica, cada uma delas adequadas de acordo com o tipo de aplicação e tipos de afundamentos divididos em três categorias:

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

  1. Através de tap’s de transformador (mais comum)

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

  1. Através de transformadores ferrorressonante ou de tensão constante (CVT)

Figura 9 – Estabilizador de tensão com transformador ferrorressonante

  1. Solução com armazenamento de energia interna

  1. Fonte ininterrupta estática (UPS) (mais comum)

    Figura 10 – Nobreak

  2. 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 consumidores de 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 cargas de maior potência exige-se um investimento maior.

  1. CONCLUSÃO

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

Uma solução definitiva para este problema ainda não existe, tendo em vista que as causas podem ser de várias naturezas, inclusive devido a fenômenos naturais sobre as quais não temos ação. Por outro lado é difícil identificar sem um monitoramento localizado quantas das causas de afundamentos de tensão ocorridos em uma rede elétrica foram causadas por falhas na manutenção da rede ou de medidas preventivas (tais como podas 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 tipo afundamento de tensão.

Por outro lado a presença de ruídos harmônicos, a baixa qualidade de energia fornecida e a falta de investimento 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 aos grandes centros de pesquisas identificarem quantos equipamentos da rede de distribuição tiveram a sua vida útil 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 centros de pesquisas do país, desenvolver soluções que permitam conviver com estes problemas já que eles tendem a aumentar 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 com preços acessíveis.

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Qualidade e Conservação de Energia elétrica

Curso de Tecnologia em eletrotécnica Industrial - IFPA

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