Tcc qualidade de energia

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Qualidade da Energia Elétrica gerada pela Usina Hidrelétrica para a vila residencial de Tucuruí

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Tcc qualidade de energia

  1. 1. __________________________________________ UFPA______________________________________ Estudo da Importância da Monitoração da Qualidade de Energia Elétrica nos Sistemas de Distribuição Priscila Maciel Pimentel 2º Período/2010 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA TUCURUÍ – PARÁ ______________________________________
  2. 2. ii Universidade Federal do Pará Campus Universitário de Tucuruí Faculdade de Engenharia Elétrica Priscila Maciel Pimentel Estudo da Importância da Monitoração da Qualidade de Energia Elétrica nos Sistemas de Distribuição Trabalho de Conclusão de Curso submetido ao colegiado do curso de engenharia elétrica como parte dos requisitos para obtenção de graduado em Engenheiro Eletricista. Tucuruí, junho de 2010
  3. 3. iii Estudo da Importância da Monitoração da Qualidade de Energia Elétrica nos Sistemas de Distribuição Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado em 10 de junho de 2010 adequado para a obtenção de grau em Engenheiro Eletricista e aprovado em sua forma final pela banca examinadora que atribuiu o conceito excelente. ________________________________________________ Prof. MSc. Claudomiro Fábio de Oliveira Barbosa Orientador – FEE/ CTUC/ UFPA ____________________________________________ Prof. Dr. João Paulo Abreu Vieira Membro – FEE/ CTUC/ UFPA _____________________________________________ Prof. MSc. Hallan Max Silva Souza Membro – FACET/ UFPA _______________________________________________ Prof. MSc. Cleison Daniel Silva Diretor da Faculdade de Engenharia Elétrica – FEE/ CTUC/ UFPA
  4. 4. iv Dedicatória “Dedico este trabalho a Deus por ter me dado sabedoria e a oportunidade de viver de novo, a minha família pelo apoio e incentivo e a todos os meus amigos que estiveram presente nesta etapa de minha vida.”
  5. 5. v Agradecimentos A Deus pela nova vida e força para continuar esta caminhada. A meu esposo José Cândido e a minha família pelo apoio e incentivo. Ao meu professor e orientador Claudomiro Fábio de Oliveira Barbosa, pela orientação e apoio. Ao professor Hallan Max pelo apoio neste trabalho. A banca examinadora composta pelos professores Hallan Max e João Paulo. A todos meus amigos que direta ou indiretamente me ajudaram na conclusão deste trabalho.
  6. 6. vi Índice Lista de Figuras --------------------------------------------------------------------------------------- ix Lista de Tabelas---------------------------------------------------------------------------------------- x Abreviaturas -------------------------------------------------------------------------------------------xiii Resumo -------------------------------------------------------------------------------------------------xiv Capítulo 1 - Introdução ------------------------------------------------------------------------------1 1.1 Motivação -------------------------------------------------------------------------------------------1 1.2 Objetivo----------------------------------------------------------------------------------------------2 1.3 Estrutura do Trabaho ---------------------------------------------------------------------------3 Capítulo 2 - Qualidade de Energia Elétrica ---------------------------------------------------4 2.1 Introdução-------------------------------------------------------------------------------------------4 2.2 Definição --------------------------------------------------------------------------------------------4 2.3 Fenômenos que caracterizam a Qualidade de Energia-----------------------------7 2.3.1 Transitórios ------------------------------------------------------------------------------------10 2.3.1.1 Impulsivo-------------------------------------------------------------------------------------11 2.3.1.2 Oscilatórios----------------------------------------------------------------------------------13 2.3.2 Variação de Tensão de Longa Duração - VTLD ----------------------------------15 2.3.2.1 Sobretensões-------------------------------------------------------------------------------16 2.3.2.2 Subtensões ---------------------------------------------------------------------------------16 2.3.2.3 Interrupções sustentadas --------------------------------------------------------------17 2.3.3 Variação de Tensão de Curta Duração - VTCD-----------------------------------17 2.3.3.1 Interrupção ----------------------------------------------------------------------------------18 2.3.3.2 Afundamento de tensão ("Sag") -----------------------------------------------------19 2.3.3.3 Elevação de tensão ("Swell") ---------------------------------------------------------21 2.3.4 Desequilíbrio de Tensão ------------------------------------------------------------------22 2.3.5 Distorção na forma de onda -------------------------------------------------------------24 2.3.5.1 DC "Offset" ----------------------------------------------------------------------------------25 2.3.5.2 Harmônicos ---------------------------------------------------------------------------------25 2.3.5.3 Interharmônicos ---------------------------------------------------------------------------29 2.3.5.4 Recorte ("Notching") ---------------------------------------------------------------------30 2.3.5.5 Ruído------------------------------------------------------------------------------------------31 2.3.5.6 Flutuação ------------------------------------------------------------------------------------32
  7. 7. vii 2.3.6 Variação na frequência --------------------------------------------------------------------32 2.4 Índices de Continuidade do serviço------------------------------------------------------33 Capítulo 3 - Importância da Monitoração ----------------------------------------------------37 3.1 Por que Monitorar? ----------------------------------------------------------------------------37 3.2 Normatização Nacional e Internacional-------------------------------------------------39 3.2.1 Normatização: Definição ------------------------------------------------------------------41 3.2.2 Normatização Nacional sobre QEE ---------------------------------------------------42 3.2.2.1 Obrigatoriedade do uso de normas -------------------------------------------------42 3.2.2.2 Entidades Normativas -------------------------------------------------------------------42 3.2.2.3 Evolução normativa nacional sobre QEE -----------------------------------------46 3.2.2.4 Parâmetros da QEE no sistema elétrico nacional -----------------------------52 3.2.3 Normatização Internacional sobre QEE ---------------------------------------------59 3.2.3.1 Evolução normativa internacional sobre QEE-----------------------------------60 3.2.3.2 A IEC ------------------------------------------------------------------------------------------64 3.2.3.3 Normas da IEC relacionadas à QEE -----------------------------------------------66 Capítulo 4 - Instrumentos de Monitoração --------------------------------------------------69 4.1 Tipos de instrumentos de monitoração -------------------------------------------------69 4.1.1 Oscilógrafo e analisador de energia CE-3000-------------------------------------72 4.1.2 Analisador de energia MARH - VI------------------------------------------------------74 4.1.3 Multimedidor PowerLogic ION 7650 --------------------------------------------------76 4.1.4 Analisador de energia Minipa ET - 5060---------------------------------------------78 4.1.5 Analisador VEGA 76------------------------------------------------------------------------80 4.2 Sistema de monitoramento -----------------------------------------------------------------84 4.2.1 Descrição física do sistema --------------------------------------------------------------85 4.2.2 Topologia do sistema-----------------------------------------------------------------------85 4.2.3 Metodologia de medição ------------------------------------------------------------------88 4.2.4 Transmissão de dados---------------------------------------------------------------------90 4.2.5 Sistema de gerenciamento ---------------------------------------------------------------91 4.3 Análise e apresentação de medições ---------------------------------------------------92 Capítulo 5 - Programas de Monitoração da Qualidade da Energia Elétrica -----99 5.1 Experiência Internacional--------------------------------------------------------------------99 5.1.1 Experiência Canadense -------------------------------------------------------------------99 5.1.2 Experiência Americana ------------------------------------------------------------------ 107 5.1.3 Experiência Espanhola ------------------------------------------------------------------ 111
  8. 8. viii 5.2 Experiência Nacional------------------------------------------------------------------------ 114 5.2.1 Programa de Monitoração da COELCE ------------------------------------------- 114 5.2.2 Programa de Monitoração da CELPE ---------------------------------------------- 125 5.2.3 Programa de Monitoração da CPFL ------------------------------------------------ 133 5.2.4 Programa de Monitoração da CELPA ---------------------------------------------- 139 5.3 Indicações de aplicação de um Programa de Monitoração em Parauapebas---------------------------------------------------------------------------------------- 143 5.4 Considerações finais------------------------------------------------------------------------ 155 Capítulo 6 - Conclusões------------------------------------------------------------------------- 157 6.1 Comentários finais --------------------------------------------------------------------------- 157 6.2 Sugestões de trabalhos futuros --------------------------------------------------------- 159 Referências Bibliográficas ---------------------------------------------------------------------- 160
  9. 9. ix Lista de Figuras Figura 2.1 Transitório impulsivo de corrente causado por raio ----------------------12 Figura 2.2 Transitório impulsivo em p.u.-----------------------------------------------------12 Figura 2.3 Transitório oscilatório devido a chaveamento de capacitor ------------13 Figura 2.4 Transitório oscilatório de baixa freq. causado por energização de banco de capacitor ----------------------------------------------------------------------------------14 Figura 2.5 Transitório oscilatório de baixa frequência causado por ferroresonância de um transformador sem carga ----------------------------------------15 Figura 2.6 Forma de onda de “Brownout” ---------------------------------------------------16 Figura 2.7 Variação do valor RMS para interrupçao momentânea -----------------19 Figura 2.8 Afundamento de Tensão Sag ----------------------------------------------------20 Figura 2.9 Variação do valor RMS para um “Swell” -------------------------------------22 Figura 2.10 Desequilíbrio na fase B de 2%-------------------------------------------------24 Figura 2.11 Representação da série de Fourier para uma onda distorcida -----26 Figura 2.12 Forma de onda da tensão em uma fase ------------------------------------27 Figura 2.13 Espectro de frequência de lâmpada de vapor de sódio ---------------28 Figura 2.14 Sinal de Tensão e Corrente da Lâmpada de vapor de sódio--------28 Figura 2.15 Espectro de potência de um forno de indução ---------------------------30 Figura 2.16 Tensão Notching causada pela operação de conversores -----------31 Figura 2.17 Ruído elétrico superposto na forma de onda da tensão em p.u. ---31 Figura 2.18 Flutuação da tensão em p.u. ---------------------------------------------------32 Figura 2.19 Variação da frequência na forma de onda da tensão ------------------32 Figura 2.20 Média do índice de continuidade DEC por região (ano 2009) ------35 Figura 2.21 Média do índice FEC por região (ano 2009) ------------------------------35 Figura 2.22 Conta de energia elétrica com índices de continuidade---------------36 Figura 3.1 Princípio da Normatização --------------------------------------------------------45 Figura 3.2 Desenvolvimento de uma norma brasileira----------------------------------46 Figura 3.3 Faixas de limites de tensão-------------------------------------------------------53 Figura 3.4 Curva da ITIC revisada no ano 2000 ------------------------------------------62 Figura 3.5 Marca de Certificação CE ---------------------------------------------------------63 Figura 3.6 Marca de Certificação C-tick -----------------------------------------------------63 Figura 3.7 Marca de Certificação INMETRO -----------------------------------------------64 Figura 3.8 Organograma da IEC ---------------------------------------------------------------65
  10. 10. x Figura 4.1 Estrutura do instrumento CE - 3000 -------------------------------------------72 Figura 4.2 Analisador de energia MARH - VI ----------------------------------------------75 Figura 4.3 Multimedidor PowerLogic ION 7650 -------------------------------------------77 Figura 4.4 Analisador ET - 5060----------------------------------------------------------------79 Figura 4.5 Analisador VEGA 76 ----------------------------------------------------------------81 Figura 4.6 Topologia - célula de monitoramento------------------------------------------86 Figura 4.7 Detalhamento do núcleo da célula de monitoramento-------------------86 Figura 4.8 Topologia servidor de dados -----------------------------------------------------86 Figura 4.9 Assuntos envolvidos ao "Data Mining"----------------------------------------88 Figura 4.10 Afundamento de tensão registrado por um medidor nas 3 fases --92 Figura 4.11 Interrupção de tensão registrada por um programa de QEE --------93 Figura 4.12 Sobretensão registrada por um programa de QEE ---------------------93 Figura 4.13 Espectro de desequilíbrio de tensão medido na Subestação---- ---94 Figura 4.14 Ambiente gráfico do programa -------------------------------------------------94 Figura 4.15 Distorção harmônica registrada no motor de indução a vazio ------95 Figura 4.16 Espectros harmônicos de tensão e da corrente obtidos de um motor-----------------------------------------------------------------------------------------------------95 Figura 4.17 Perfil de DHT de tensão e corrente por fase de um trafo -------------96 Figura 4.18 Afundamento de tensão em uma indústria (ponto B) ------------------96 Figura 5.1 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD por mês na indústria----------------------------------------------------------------------------------------------- 101 Figura 5.2 Porcentagem de sítios X nº médio de VTCD por mês por sítio----- 101 Figura 5.3 Porcentagem cumulativa de VTCD versus nº médio VTCD por mês/ sítio ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 102 Figura 5.4 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD/mês/ sítio 120/208V --------------------------------------------------------------------------------------------- 103 Figura 5.5 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD/mês/ sítio 347/600V --------------------------------------------------------------------------------------------- 103 Figura 5.6 Porcentagem de sítios versus nº médio de VTCD/ mês/ sítio em comércio---------------------------------------------------------------------------------------------- 104 Figura 5.7 Porcentagem Cumulativa VTCD X nº médio VTCD/ mês/ sítio----- 104 Figura 5.8 Histograma da DHTV de umas 3 semanas de monitoração--------- 108 Figura 5.9 Histograma das interrupções e o total de VTCD ------------------------ 109 Figura 5.10 Histograma das durações dos VTCD e “Swells”----------------------- 110
  11. 11. xi Figura 5.11 Ligação do 3720 ACM à Estação via Modem e rede telefônica -- 115 Figura 5.12 Localização dos pontos de monitoramento da COELCE em Fortaleza---------------------------------------------------------------------------------------------- 119 Figura 5.13 Localização dos pontos de monitoramento da COELCE no interior do Ceará---------------------------------------------------------------------------------------------- 120 Figura 5.14 Valores máximos de desequilíbrio por subestação monitorada -- 121 Figura 5.15 Percentual de 95% da DHTV por subestação -------------------------- 122 Figura 5.16 Percentual de 95% de 5ª harmônica por subestação ---------------- 122 Figura 5.17 Valor correspondente à probabilidade acumulada de 95% -------- 127 Figura 5.18 Tela com os indicadores DV95d para Subestação Piedade para uma semana ---------------------------------------------------------------------------------------- 130 Figura 5.19 Tela com os indicadores DV95d para Subestação Piedade------- 132 Figura 5.20 Tela com números de ocorrências por fase e faixa de duração -- 132 Figura 5.21 Arquitetura do sistema de Gestão da Qualidade de energia ------ 134 Figura 5.22 Sistema de Gestão--------------------------------------------------------------- 135 Figura 5.23 Diagrama físico do sistema de monitoramento da Qualidade de energia ------------------------------------------------------------------------------------------------ 140 Figura 5.24 Tela de abertura do Programa “Softcom” -------------------------------- 141 Figura 5.25 Sistema de monitoramento em projeto piloto --------------------------- 142 Figura 5.26 Programa “Softcom” ------------------------------------------------------------- 143 Figura 5.27 Mapa do município de Parauapebas -------------------------------------- 144 Figura 5.28 Vista aerea do município de Parauapebas, ano 2009 --------------- 144 Figura 5.29 Indicadores de Continuidade mensal (Ano 2009) --------------------- 145 Figura 5.30 Média dos indicadores de Continuidade de Fornecimento de energia, ano 2009 --------------------------------------------------------------------------------- 146 Figura 5.31 Indicador de continuidade DEC, ano 2009 ------------------------------ 146 Figura 5.32 Indicador de continuidade FEC, ano 2009 ------------------------------- 147 Figura 5.33 Foto da subestação de Parauapebas ------------------------------------- 148 Figura 5.34 Empresa RIP Serviços Industriais ------------------------------------------ 149 Figura 5.35 Empresa Integral Construções e Comércio ----------------------------- 149 Figura 5.36 Motor queimado por sobretensão ------------------------------------------- 150 Figura 5.37 Pontos de monitoramento sugerido ---------------------------------------- 152 Figura 5.38 Detalhes da instalação de um analisador de energia ---------------- 153 Figura 5.39 Topologia da rede de monitoramento ------------------------------------- 154
  12. 12. xii Lista de Tabelas Tabela 2.1 Categorias e características de fenômenos eletromagnéticos--------9 Tabela 2.2 Sequência dos componentes harmônicos ----------------------------------26 Tabela 4.1 Resumo dos fenômenos e equipamentos de monitoramento--------95 Tabela 5.1 Resultados de um caso real para ilustrar o conceito de VTCD incidente ---------------------------------------------------------------------------------------------- 102 Tabela 5.2 Quadro resumo dos indicadores de qualidade de energia elétrica na COELCE---------------------------------------------------------------------------------------------- 121 Tabela 5.3 Indicadores diários de probabilidade do parâmetro P de tensão-- 125 Tabela 5.4 Indicadores semanais de máximo dos índices diários do Parâmetro P de tensão------------------------------------------------------------------------------------------ 125 Tabela 5.5 Indicadores para cada local monitorado para um ano ---------------- 126 Tabela 5.6 Indicadores para conjunto de locais monitorados para um ano --- 127 Tabela 5.7 Resumo dos resultados de 12 subestações------------------------------ 134 Tabela 5.8 Dados da Subestação de Parauapebas ----------------------------------- 144
  13. 13. xiii Abreviaturas ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica IEC - International Electrotechnical Commission IEEE - Institute Electrical and Electronics Engineers ITU - International Telecommunication Union ISO - International Organization for Standardization WTO - World Trade Organization (Organização Mundial do Comércio) TBT - Technical Barriers to Trade (Acordo de Barreiras Técnicas) ANSI - American National Standards Institute NEMA - National Electrical Manufactureis Association ITIC - Information Technology Industry Council CBEMA - Computer and Business Equipment Manufacturers Association DEC - Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora FEC - Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora DIC - Duração de Interrupção por Unidade Consumidora FIC - Frequência de Interrupção por Unidade Consumidora DMIC - Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora
  14. 14. xiv Resumo O presente trabalho no primeiro momento faz um estudo sobre a qualidade de energia elétrica, bem como apresentando suas diversas definições, sua importância e os fenômenos que a afetam, além de seus indicadores de continuidade de fornecimento. Em um segundo momento é mostrado a evolução da normatização nacional e internacional, os diferentes tipos de instrumentos, rede de monitoração, análise e apresentação de dados, isto é, o funcionamento de um sistema de monitoramento da qualidade de energia. Em um terceiro momento é apresentado os diferentes programas de monitoração implantados tanto a nível nacional como internacional. No quarto e último momento é feito um estudo sobre os distúrbios de energia elétrica no município de Parauapebas no estado do Pará, bem como motivações para a implantação de um sistema de monitoramento da qualidade de energia elétrica no pólo industrial desta cidade, em virtude do fornecimento de energia elétrica estar com qualidade inadequada. A indicação de um programa de monitoração da qualidade de energia elétrica que será apresentado neste trabalho é de grande importância para a concessionária de energia elétrica local. Pois a determinação de indicadores que expressem a qualidade de energia nos pontos de conexão com a distribuidora, e em pontos estratégicos do ponto de vista da qualidade, permite estabelecer relações de causa – efeito que podem subsidiar ações de caráter preventivo ou corretivo para operação do sistema elétrico ou mesmo no planejamento da operação e expansão do sistema elétrico.
  15. 15. 1 Capítulo 1 Introdução “O temor do Senhor é o princípio da sabedoria”. (Sl 111.10). 1.1.Motivação O principal interesse pela Qualidade de Energia Elétrica está na procura do aumento da produtividade e melhores condições de vida pelos consumidores, pois a disponibilidade da energia elétrica representa um incremento na qualidade de vida das populações. Num primeiro momento em que se implanta um sistema de distribuição de energia elétrica, a população local imediatamente passa a constar com inúmeros benefícios, tanto do ponto de vista de maior conforto doméstico como de melhores possibilidades de emprego e produção. À medida que os benefícios da energia elétrica passam a fazer parte do dia-a-dia das pessoas, é natural que se inicie um processo de discussão quanto à qualidade do produto. Numa análise inicial preocupa-se com a continuidade do serviço, já que fica evidente que qualquer interrupção do fornecimento implicará em transtornos de toda ordem. A questão da qualidade da energia elétrica como um produto comercial, não é tão evidente quando não há interrupções. Isso normalmente só é percebido de forma um pouco difusa, através de falhas de funcionamento em alguns equipamentos, principalmente os mais sofisticados. A monitoração do sistema elétrico representa um importante procedimento para a avaliação da qualidade da energia elétrica, essencial para se obter os elementos necessários para o diagnóstico dos problemas nesta área, o conhecimento das características de sensibilidade dos equipamentos dos consumidores e, sobretudo para a determinação de alternativas de soluções dos problemas.
  16. 16. 2 As principais vantagens da implantação de sistemas para o monitoramento da qualidade da energia elétrica, principalmente no setor industrial de processos contínuos de produção e serviços, são: a possibilidade de avaliar os indicadores das cargas perturbadoras; o monitoramento das cargas sensíveis, como motores, dispositivos de controle e automação e microcomputadores; e a fácil detecção dos distúrbios provenientes do sistema elétrico da concessionária. Além do fato de que permite reduzir todos os custos envolvidos em interrupções forçadas, e aqueles ocasionados por perdas na instalação, desgaste e redução da vida útil dos equipamentos importantes. 1.2.Objetivos O presente trabalho tem por objetivos:  Definir a expressão qualidade da energia elétrica, bem como apresentar os principais fenômenos que a afetam;  Apresentar a importância da monitoração da qualidade da energia elétrica no sistema elétrico de distribuição, bem como nas indústrias. Mostrar como vem sendo tratado este termo em nível de normatização nacional e internacional;  Apresentar alguns tipos de instrumentos de monitoração e um tipo de sistema de monitoração, bem como mostrar alguns exemplos de registros e análise de dados de alguns programas de monitoração;  Propor indicações de implantação de um programa de monitoração da qualidade da energia elétrica na cidade de Parauapebas, apresentando a importância da monitoração dos indicadores que expressam a qualidade da energia elétrica no sistema elétrico de distribuição e principalmente nas indústrias.
  17. 17. 3 1.3.Estrutura do Trabalho de Conclusão de Curso Neste primeiro capítulo são apresentados os principais objetivos e motivação buscados neste trabalho, os quais englobam a importância do tema discutido, ressaltando os benefícios de um programa de monitoração contínua da qualidade da energia para a prestação de um serviço de melhor qualidade aos consumidores. No segundo capítulo são abordadas as diversas definições do assunto Qualidade de Energia Elétrica, além de se fazer uma discussão sobre os principais fenômenos que afetam a qualidade da energia elétrica, sendo também apresentados os índices de continuidade do serviço. A importância da monitoração da qualidade de energia elétrica e sua normatização nacional e internacional são apresentadas no terceiro capítulo. O quarto capítulo apresenta os tipos de instrumentos utilizados para monitorar, as redes de monitoração e seu funcionamento, e alguns exemplos de monitoração, nos quais são apresentados os dados e suas análises. O quinto capítulo apresenta a experiência com alguns programas de monitoração da qualidade de energia elétrica com aplicação tanto nacional como internacional. Neste capítulo também é apresentada as indicações da aplicação de um programa de monitoração no município de Parauapebas, Estado do Pará. No sexto e último capítulo são apresentadas as principais conclusões tiradas deste trabalho, além das sugestões para trabalhos futuros.
  18. 18. 4 Capítulo 2 Qualidade de Energia Elétrica “A preguiça é a mãe do progresso. Se o homem não tivesse preguiça de caminhar, não teria inventado a roda.” Mário Quintana 2.1.Introdução Este capítulo apresentará inicialmente a definição de Qualidade de Energia Elétrica (QEE), bem como o aumento do interesse por este tema. Seguindo a seqüência serão apresentados e classificados os principais fenômenos associados a esta, sejam estes distúrbios ou variações em regime permanente tais como transitórios, variações de curta e longa duração, desequilíbrio de tensão, distorção de forma de onda e outros, os quais se caracterizam como problemas de qualidade de energia, de acordo com as normas internacionais, principalmente a [1] e a [2] e a norma nacional através do [3]. Para cada fenômeno de qualidade de energia serão citados as principais causas e seus efeitos no sistema de energia e nas cargas conectadas ao sistema. As definições apresentadas neste capítulo servirão de base para os capítulos seguintes, tanto em relação à importância da monitoração quanto para os programas utilizados para monitorar. 2.2.Definição A expressão Qualidade da energia elétrica (“Power Quality”) pode ser definida como a disponibilidade de energia elétrica com forma de onda senoidal pura, sem alterações na amplitude, emanando de uma fonte de potência infinita. Deste ponto de vista, pode-se caracterizar como um problema de qualidade de energia qualquer distúrbio ou ocorrência manifestada nos níveis
  19. 19. 5 de tensão, nas formas de onda de tensão ou corrente que possam resultar em insuficiência, má operação, falha ou defeito permanente em equipamentos de um sistema elétrico. Assim, pode-se dizer que qualidade da energia elétrica é a ausência relativa de variações de tensão e freqüência provocadas pelo sistema elétrico da concessionária, isto é, particularmente a ausência de desligamentos, flutuações de tensão, surtos e harmônicos, os quais são medidos no ponto de entrega da energia. No Brasil, segundo entendimento da [3], a qualidade de energia elétrica engloba tanto a qualidade de produto quanto a qualidade de serviço. A primeira está relacionada aos fenômenos de qualidade de energia (conformidade), enquanto a segunda diz respeito à confiabilidade, através de indicadores de continuidade. Atualmente no Brasil, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) verifica a qualidade de atendimento das concessionárias através de indicadores de continuidade. Os indicadores de continuidade globais regulamentados são o DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) e o FEC (Freqüência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora), enquanto que os indicadores de continuidade individuais são o DIC (Duração de Interrupção por Unidade Consumidora), FIC (Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora) e o DMIC (Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora). As metas destes indicadores a serem observados pelas concessionárias são estabelecidas nos Contratos de Concessão com a ANEEL, como revisões periódicas. Caso estes índices não sejam cumpridos são aplicadas penalidades às concessionárias [4]. Segundo o atual presidente da ANEEL, Jerson Kelman, a agência estuda implementar um método de cálculo das tarifas diferenciadas entre clientes de uma mesma distribuidora dentro de uma mesma faixa de tensão: “Estamos estudando se o nível de qualidade do atendimento pode ou não ser importante para definição da tarifa”, diz. Dois novos critérios estão em estudo na ANEEL, no primeiro, consumidores de áreas com serviços inferiores
  20. 20. 6 pagariam tarifa menor. No segundo, deveria haver uma universalização dos serviços, ou seja, qualidade idêntica para todos os consumidores [5]. A seguir são mensuradas algumas causas relacionadas à qualidade da energia elétrica: i. Novas tecnologias implementadas nos sistemas de geração. O controle microprocessado e os dispositivos de eletrônica de potência são mais sensíveis às variações na qualidade de energia, do que os equipamentos antes utilizados; ii. O aumento da eficiência no sistema como um todo faz crescer o número de aplicações que reduzem perdas, como equipamentos com alta eficiência, dispositivos de controle de velocidade de motores e a instalação de banco de capacitores para a correção do fator de potência. Este fato tem como conseqüência um aumento nos níveis de harmônicos nos sistemas de energia, trazendo consigo preocupações sobre os impactos futuros da capacidade dos sistemas; iii. Os consumidores estão mais conscientes sobre o assunto qualidade de energia, desafiando as empresas do setor elétrico a melhorarem o nível de qualidade da energia fornecida aos consumidores; iv. Muitos sistemas, não só elétricos, estão interconectados em rede. Processos integrados significam que uma falha em um componente tem maiores conseqüências. Para [6] e [7], o uso de equipamentos mais sensíveis a distúrbios, tanto pelos consumidores como pelos produtores do sistema de energia, tem aumentado o interesse pela qualidade de energia. Outro fator que contribui para as discussões na área de QEE, é que os problemas em uma peça ou equipamento geram um problema cada vez mais severo, tendo em vista o contínuo aumento das interconexões entre a rede de energia e os processos industriais. Embora um sistema de energia seja projetado para fornecer tensões senoidais de suprimento perfeitamente equilibradas, com amplitude e freqüência constantes, na realidade tal configuração não existe. Pois embora a tensão gerada seja muito próxima da onda senoidal, a própria operação de
  21. 21. 7 transmissão e distribuição de energia e o seu uso pelos consumidores causam distorções das condições ideais de fornecimento, prejudicando a qualidade da energia. A qualidade de energia elétrica não pode ser completamente controlada pelas empresas de energia elétrica, pois os sistemas de energia são bastante susceptíveis aos fenômenos naturais (descargas atmosféricas, vendaval, etc.), e também aqueles inerentes à própria operação do sistema, como curto-circuito causado por defeitos do equipamento, vandalismo, queimadas embaixo das linhas de transmissão, etc. Tais distúrbios são muito difíceis, senão impossíveis de controlar. Um dos mais importantes parâmetros que afetam a qualidade de energia elétrica está relacionado à sensibilidade dos equipamentos dos consumidores, tal fato comprova que a qualidade de energia elétrica depende tanto das empresas fornecedoras de energia elétrica quanto dos consumidores e também dos fabricantes de equipamentos. 2.3.Fenômenos que caracterizam a Qualidade de Energia Elétrica. Define-se como fenômeno de qualidade de energia elétrica qualquer ação ou distúrbio que produz resultados indesejados para a carga conectada ao sistema [8]. Como se sabe, entretanto, um amplo espectro de fenômenos eletromagnéticos está presente no cotidiano desses sistemas elétricos. Um problema de qualidade de energia é um conjunto destes eventos. A característica do fenômeno de qualidade de energia identifica o tipo de problema de qualidade de energia elétrica. Os sistemas de suprimento de energia elétrica são projetados para fornecer um adequado e confiável suprimento de tensão que satisfaça as necessidades de todos os usuários. Normalmente os sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia são sujeitos a inesperadas variações momentâneas, naturais ou provocadas pelo homem. Como resultado, o sistema elétrico irá experimentar certas perturbações de tensão.
  22. 22. 8 Perturbações de tensão podem ser problemas para certos usuários com equipamentos sensíveis se elas causam perdas ou dados espúrios, disparos falsos, ou falha no equipamento. Muitas dessas perturbações são geradas por:  Equipamentos nas próprias instalações do usuário;  Eventos sobre o sistema da distribuidora de energia, tais como raios e chaveamentos de equipamentos;  Equipamentos de outros usuários sobre circuitos adjacentes. Perturbações no sistema de energia são aumentos ou diminuições na tensão ou na freqüência do sistema, além do que é considerado tolerância normal. As mudanças na tensão podem ir da completa perda desta, com duração de segundos, minutos, ou até mesmo horas, a altas magnitudes, impulsos de curta duração de 50 ou mais vezes a tensão normal do sistema não durando mais que uns poucos milésimos de segundo. Algumas dessas perturbações podem ter um efeito indesejável sobre os equipamentos conectados ao sistema de energia, incluindo os dispositivos de proteção. O IEEE, através da [2] (práticas recomendadas na monitoração da qualidade de energia elétrica), classifica os fenômenos eletromagnéticos observados na qualidade de energia elétrica, conforme a tabela 2.1.
  23. 23. 9 Tabela 2.1 – Categorias e Características Típicas de Fenômenos Eletromagnéticos em Sistemas de Energia Elétrica [2]. Categorias Espectro típico Duração típica Tensão típica 1. Transitórios 1.1 Impulsivos 1.1.1 Nanossegundos 5ns ascensão < 50ns 1.1.2 Microssegundos 1µs ascensão 50ns – 1ms 1.1.3 Milissegundos 0,1ms ascensão > 1ms 1.2 Oscilatórios 1.2.1 Baixa Freqüência < 5 kHz 0,3 – 50ms 0 – 4 p.u. 1.2.2 Média Freqüência 5 – 500 kHz 20µs 0 – 8 p.u. 1.2.3 Alta Freqüência 0,5 – 5 MHz 5µs 0 – 4 p.u. 2.Variações de Tensão de Curta Duração 2.1 Instantâneas 2.1.1 Sag (Afundamento) 0,5 – 30 ciclos 0,1 – 0,9 p.u. 2.1.2 Swell (Elevação) 0,5 – 30 ciclos 1,1 – 1,8 p.u. 2.2 Momentâneas 2.2.1 Interrupção 0,5 ciclos – 3s < 0,1 p.u. 2.2.2 Sag ( Afundamento) 30 ciclos – 3s 0,1 – 0,9 p.u. 2.2.3 Swell (Elevação) 30 ciclos – 3s 1,1 – 1,4 p.u. 2.3 Temporárias 2.3.1 Interrupção 3s – 1 min < 0,1 p.u. 2.3.2 Sag (Afundamento) 3s – 1 min 0,1 – 0,9 p.u. 2.3.3 Swell (Elevação) 3s – 1 min 1,1 – 1,2 p.u. 3. Variações de Tensão de Longa Duração 3.1 Interrupção Sustentada > 1 min 0,0 p.u. 3.2 Subtensão > 1 min 0,8 – 0,9 p.u. 3.3 Sobretensão > 1 min 1,1 – 1,2 p.u. 4.Desequilíbrio de Tensão Estado Estacionário 0,5 – 2% 5.Distorção da Forma de Onda 5.1 DC Offset Estado Estacionário 0 – 0,1% 5.2 Harmônicas Estado Estacionário 0 – 20% 5.3 Interharmônicas Estado Estacionário 0 – 2% 5.4 Notching (Corte de Tensão) Estado Estacionário 5.5 Ruído Estado Estacionário 0 – 1% 6.Flutuação de Tensão Intermitente 0,1 – 7% 7.Variação de Freqüência < 10s
  24. 24. 10 Para [6] e [7], [9] e [10] as variações de qualidade de energia que podem causar problemas em cargas sensíveis dividem-se em dois grupos básicos: distúrbios e variações em regime permanente. O primeiro é detectado quando ocorrem anomalias na tensão ou corrente, tais como tensões transitórias e variações na tensão eficaz. O segundo, que inclui distorção harmônica e variações normais na tensão eficaz, é monitorado a todo o instante, e causa problemas ao ultrapassar limites técnicos. Dentre os distúrbios de qualidade de energia elétrica, destacam-se como principais:  Sobretensões transitórias (transitório impulsivo e transitório oscilatório);  Oscilações de tensão (“sag”, “swell”, sobretensões, subtensões e interrupções);  Distorções da forma de onda (“DC offset”, harmônicos, interharmônicos, “notching” e ruído);  Flutuação de tensão (“flicker”);  Desequilíbrio de tensão;  Variações de freqüência. No Brasil, o “sag” também é definido como afundamento de tensão, enquanto que o “swell” é conhecido por elevação de tensão. As Variações de Tensão de Curta Duração (VTCD), que incluem além dos afundamentos e elevações, as interrupções. 2.3.1. Transitórios O termo transitório tem sido usado na análise de sistemas de energia para caracterizar eventos de natureza momentânea. Isto é, desvios momentâneos indesejados na tensão de fornecimento ou na corrente de carga. Os transitórios são sinais com duração finita, ou seja, referem-se ao aumento ou diminuição repentina da tensão ou corrente, que freqüentemente se dissipam rapidamente [11].
  25. 25. 11 Transitórios podem ser gerados externa e internamente. Os transitórios externos são aqueles gerados fora das instalações elétricas e levados para dentro das instalações pelos condutores da rede. Enquanto os transitórios internos são gerados dentro das instalações pelo próprio equipamento do usuário. Os transitórios se caracterizam como fenômenos de alta freqüência, pois apresentam componentes de tensão acima da freqüência fundamental, sendo suas principais características:  Os picos no nível de tensão;  Conteúdo de energia (área compreendida pelo sinal);  A razão de mudança da tensão com o tempo (tempo de subida dv/dt);  Ângulo de fase (local da ocorrência na senóide);  Freqüência de ocorrência. As principais fontes de distúrbios de alta freqüência podem ser causadas por sobretensões transitórias, tais como chaveamento de cargas, operação de relés e contatores, chaveamento de capacitores para correção do fator de potência e descargas atmosféricas nas proximidades da rede elétrica. Os transitórios podem ser classificados em duas categorias: impulsivo e oscilatório, os quais se refletem nas formas de onda da tensão ou da corrente. 2.3.1.1. Impulsivos Um transitório impulsivo é caracterizado por uma mudança repentina nas condições de estado permanente da tensão, corrente ou ambas, sem alteração da freqüência, com polaridade unidirecional (positiva ou negativa). Os transitórios impulsivos possuem um tempo de subida e um tempo de decaimento. A causa mais comum dos transitórios impulsivos são as descargas atmosféricas, devido à alta freqüência, sendo estes amortecidos rapidamente em decorrência da resistência presente nos componentes dos sistemas de transmissão e distribuição que restringem a sua propagação, pois amortecem
  26. 26. 12 as correntes transitórias. A figura 2.1 mostra um típico transitório impulsivo de corrente causado por um raio. Figura 2.1 – Transitório impulsivo de corrente causado por raio. Os principais problemas causados pelas correntes devido a transitórios impulsivos são a elevação do potencial de terra local (em relação a outros pontos de terra) em vários kilovolts e a introdução de altas tensões nos condutores fase, quando as correntes passam pelos cabos a caminho da terra. Outros impactos podem ser falhas em transformadores, em pára-raios e danos a equipamentos dos consumidores, devido à reflexão na baixa tensão. Por ser um fenômeno de alta freqüência, o formato do transitório impulsivo pode mudar rapidamente devido aos componentes do circuito, e até mesmo possuir características significativamente diferentes ao ser observado em posições distintas do sistema de energia, conforme mostra a figura 2.2. Figura 2.2 – Transitório impulsivo em p.u.
  27. 27. 13 Na maioria dos casos, as sobretensões transitórias não são conduzidas para longe do ponto onde tiveram origem, entretanto, em algumas situações podem ser conduzidas por distâncias consideráveis, pelas linhas de transmissão. Transitórios impulsivos podem excitar circuitos ressonantes no sistema de energia e produzir um transitório oscilatório. 2.3.1.2. Oscilatórios Um transitório oscilatório é ocasionado por uma rápida mudança nas condições de regime permanente da onda de tensão e/ou corrente, sem alteração da freqüência por uma onda que contenha as duas polaridades e alternam suas amplitudes rapidamente (negativa e positiva). A causa mais comum de um transitório oscilatório é o chaveamento de banco capacitores para a correção do fator de potência. A figura 2.3 ilustra a corrente resultante do chaveamento “back-to-back” de um capacitor Figura 2.3 – Transitório oscilatório devido ao chaveamento de um capacitor. Os transitórios oscilatórios de alta freqüência são aqueles em que a componente de freqüência principal é maior que 500 kHz possuem uma duração típica mensurada em microssegundos (ou alguns ciclos da freqüência principal). Para estes a causa principal é a resposta do sistema local a um transitório impulsivo, pois o sinal irradiado pode atingir equipamentos eletrônicos sensíveis.
  28. 28. 14 Um transitório que apresenta freqüência entre 5 e 500 kHz com duração medida em décimos de microssegundos (ou alguns ciclos da freqüência fundamental) é denominado de transitório oscilatório de média freqüência. Transitórios com componente de freqüência principal menor do que 5 kHz, e duração de 0,3 a 50 milissegundos são considerados transitórios de baixa freqüência. Esta categoria de fenômenos é freqüentemente encontrada nos sistemas de subtransmissão e distribuição e são causados por diversos tipos de eventos. Sendo o mais freqüente a energização de banco de capacitores, o qual normalmente resulta em transitórios oscilatórios de tensão com freqüência principal entre 300 e 900 Hz, conforme apresentado na figura 2.4. A magnitude máxima pode aproximar-se de 2,0 p.u., mas os valores típicos são entre 1,3 e 1,5 p.u., com duração entre 0,5 e 3 ciclos, dependendo do amortecimento do sistema [12]. Figura 2.4 – Transitório oscilatório de baixa freqüência causado por energização de banco de capacitores. Em sistemas de distribuição também são encontrados transitórios oscilatórios com freqüência fundamental menor que 300 Hz. Geralmente, estes transitórios estão associados com ferroressonância, energização de transformadores e capacitores em série. Este último ocorre quando o sistema responde por ressonância, com os componentes de baixa freqüência das correntes drenadas pelos transformadores (segunda e terceira harmônicas) ou quando condições não usuais resultam em ferroressonância. A figura 2.5 ilustra um transitório de baixa freqüência por ferroresonância de um transformador sem carga.
  29. 29. 15 Figura 2.5 – Transitório oscilatório de baixa freqüência causado por ferroresonância de um transformador sem carga. É importante comentar ainda, que as tensões transitórias causadas por raios ou operações de chaveamento podem resultar em degradação ou falha dielétrica imediata em todas as classes de equipamentos. A alta magnitude e o rápido tempo de subida contribuem para quebrar a isolação de equipamentos elétricos como máquinas rotativas, transformadores, capacitores, cabos, transformadores de corrente (TC’s), transformadores de potencial (TP’s), e chaves de distribuição. Ademais, a aplicação de transitórios de baixa magnitude, repetidamente, a esses tipos de equipamentos, causa lenta degradação e eventual falha de isolação, diminuindo o tempo médio entre falhas do equipamento. Em equipamentos eletrônicos as falhas nos componentes da fonte de alimentação, podem resultar de um único transitório de magnitude relativamente modesta. 2.3.2. Variações de Tensão de Longa Duração (VTLD) As variações de tensão de longa duração englobam variações do valor eficaz da tensão durante um tempo superior a 1 minuto, conforme apresentado na tabela 2.1. Portanto, são consideradas como distúrbios de regime permanente. Comumente, estas variações estão associadas a variações de carga ou a perda de interligações no sistema elétrico. As variações de longa duração são classificadas como interrupções sustentadas, sobretensões e subtensões, dependendo da causa da variação. Geralmente, sobretensões e subtensões não são resultados de faltas no
  30. 30. 16 sistema, e sim das variações de carga e operações de chaveamento no sistema. Estas são caracterizadas pela variação da tensão RMS no tempo. 2.3.2.1. Sobretensões Sobretensão é o aumento no valor eficaz RMS da tensão em corrente alternada (CA), maior que 110% na freqüência do sistema e de duração maior que 1 minuto (tabela 2.1). Normalmente são conseqüências de chaveamento de cargas, desligamento de grandes cargas e de ajustes incorretos nos tap’s de transformadores de distribuição. As sobretensões também podem resultar de variações na compensação de reativos no sistema (introdução de bancos de capacitores). Além disso, um deficiente controle ou regulação de tensão do sistema pode originar às sobretensões. 2.3.2.2. Subtensões A subtensão apresenta características contrárias à sobretensão, podendo ser caracterizada pelo decréscimo no valor eficaz da tensão de corrente CA, abaixo de 90% na freqüência do sistema e com duração maior que 1 minuto (tabela 2.1). O termo “Brownout” é utilizado com freqüência para caracterizar um período de subtensão sustentada (figura 2.6). Figura 2.6 – Forma de onda de “Brownout”. A subtensão é causada por eventos como: carregamento excessivo de circuitos alimentadores devido às quedas de tensão inerentes ao sistema;
  31. 31. 17 chaveamento de bancos de capacitores; sobrecargas de alguns equipamentos; e excesso de reativo conduzido por este sistema. Estes eventos podem causar a subtensão até que os equipamentos de regulação de tensão do sistema possam trazer de volta a tensão para dentro da tolerância. 2.3.2.3. Interrupções sustentadas Interrupções sustentadas ocorrem quando a tensão eficaz de alimentação tem valor nulo por um período maior que 1 minuto (tabela 2.1). Para a monitoração da qualidade de energia, o termo interrupção não tem qualquer relação com a confiabilidade e continuidade de serviço do sistema. Este termo é utilizado para especificar a ausência de tensão por longos períodos. Interrupção de tensão maior que 1 minuto é freqüentemente de natureza permanente e requer intervenção manual para restauração. Este tipo de interrupção pode ser de natureza planejada ou inesperada. A primeira vem das manutenções preventivas no sistema de distribuição ou de manobras complexas para transferência de fonte de alimentação. As interrupções sustentadas inesperadas são provenientes de falhas em disjuntores, sobrecargas no sistema, queima de fusíveis, entre outros. 2.3.3. Variações de Tensão de Curta Duração (VTCD) As variações de tensão de curta duração englobam os desvios na onda de tensão por períodos menores ou iguais a 1 minuto. Variações de curta duração são quase sempre causadas por condições de faltas, energização de grandes cargas que requerem altas correntes de partida, ou conexões frouxas intermitentes nos cabos de energia. Dependendo da localização da falta e condições do sistema, a falta pode causar temporariamente uma elevação da tensão “swell”, uma queda de tensão (sag), ou uma completa perda de tensão, interrupção.
  32. 32. 18 Mudanças na corrente, as quais caem dentro das categorias supracitadas, em duração e magnitude são também incluídas como variações de curta duração. Os problemas mais comuns associados com interrupções, “sags”, e “swells” são as paralisações dos equipamentos. Em muitas indústrias com processos críticos, freqüentemente, fenômenos de curta duração podem causar interrupções no processo, requerendo horas para o restabelecimento, o que resulta em elevados prejuízos financeiros. 2.3.3.1. Interrupções Uma interrupção ocorre quando o suprimento de tensão ou de corrente na carga decresce abaixo de 0,1 pu. por um período de tempo não excedendo 1 minuto. As interrupções podem ser classificadas como instantâneas, momentâneas e temporárias (tabela 2.1). Interrupções são resultados de faltas em sistemas, falhas em equipamentos e mau funcionamento do sistema de controle. Normalmente, a duração de uma interrupção devido a uma falta sobre a rede é determinada pelos dispositivos de proteção da rede e pelo evento em particular que causou a falta. Enquanto que a duração de uma interrupção devido ao mau funcionamento de equipamentos ou conexões frouxas pode ser irregular. Como mencionado anteriormente, a duração da interrupção depende, entre outros fatores, da capacidade de restabelecimento dos dispositivos de proteção. Restabelecimentos instantâneos irão limitar a falta não permanente para menos de 30 ciclos. Entretanto, atrasos no restabelecimento do dispositivo de proteção podem causar interrupção momentânea ou temporária. A figura 2.7 mostra uma interrupção momentânea durante a qual a tensão cai por aproximadamente 2,3 s.
  33. 33. 19 Figura 2.7 – Variação do valor RMS para uma interrupção momentânea devido a uma falta e subseqüente operação de restabelecimento. Interrupções instantâneas podem afetar equipamentos eletrônicos e de iluminação, causando má operação ou interrupção. Esses equipamentos eletrônicos incluem fontes e controladores, computadores, e controle de máquinas rotativas. Interrupções momentâneas e temporárias causarão quase sempre a interrupção da operação. Ademais, podem causar a dessexcitação de contatores de motores de indução. Salienta-se ainda que em alguns casos, as interrupções podem danificar equipamentos eletrônicos de “soft-start” [12]. 2.3.3.2. Afundamentos de tensão (“Sags”) O conceito de afundamento de tensão é a diminuição da tensão eficaz variando entre 0,1 a 0,9 p.u., de amplitude e com duração entre meio ciclo a 1 minuto. Os afundamentos de tensão, ou “sag”, ou queda de tensão, ou subtensão são divididos em três categorias: instantâneo, momentâneo e temporário, conforme suas durações (tabela 2.1). Afundamentos de tensão são usualmente associadas com faltas no sistema, chaveamento de pesadas cargas, partida de grandes motores, ou energização de transformadores. Motores de indução quando da partida, chegam a drenar de 6 a 10 vezes sua corrente nominal, isso causa uma queda
  34. 34. 20 de tensão através da impedância do sistema. Se a magnitude da corrente de falta é grande em relação à corrente de falta disponível no sistema, a queda de tensão pode ser significativa. As subtensões que duram menos que 0,5 ciclo não podem ser caracterizadas efetivamente como uma mudança no valor RMS na freqüência fundamental. Portanto, esses eventos são considerados como transitórios (subseção 2.3.1). Já as subtensões que duram mais que 1 minuto caraterizam- se como variações de longa duração (subseção 2.3.2). Subtensões de curta duração, em particular causam numerosos processos de interrupção. Freqüentemente, o “sag” é sentido por controladores eletrônicos de processos equipados com circuitos de detecção de falhas, o qual inicia o desligamento de outra carga menos sensível. Uma solução comum para este problema é suprir o controlador eletrônico com um transformador de tensão constante, ou outro dispositivo mitigador, para fornecer tensão adequada durante o “sag”. O desafio é manter o controlador eletrônico durante “sag” que não irá danificar o equipamento protegido pelo circuito de falta, enquanto simultaneamente reduz incômodos desligamentos. A figura 2.8 mostra um típico “sag” associado com uma falta monofásica para a terra. Figura 2.8– Afundamento de tensão.
  35. 35. 21 Equipamentos tais como transformadores, cabos, barramentos, chaves seccionadoras, TC’s e TP’s não devem sofrer danos ou mau funcionamento devido à “sag”. Uma ligeira mudança de velocidade de máquinas de indução, uma ligeira redução na saída de bancos de capacitores e uma breve redução da saída de luz visível de alguns dipositivos de iluminação podem ocorrer durante um “sag”. 2.3.3.3. Elevações de Tensão (“Swells”) Uma elevação de tensão, ou sobretensão, ou “swells”, é definida como um aumento do valor eficaz da tensão na freqüência fundamental da rede com duração de 0,5 ciclo a 1 minuto. As magnitudes típicas estão entre 1,1 a 1,8 p.u. A elevação de tensão é em geral associada a condições de falta desequilibrada no sistema, saída de grandes blocos de carga e entrada de bancos de capacitores. Com relação às condições de faltas no sistema, a severidade de uma sobretensão durante estas é função da localização da falta, da impedância do sistema e condições do aterramento. Por exemplo, em sistemas isolados, a tensão fase-terra para as fases sãs será 1,73 pu., durante a condição de curto-circuito fase-terra. Por outro lado, perto da subestação, em sistemas aterrados, não haverá acréscimo de tensão nas fases não defeituosas, porque o transformador da subestação é usualmente conectado em delta estrela aterrado, provendo um caminho de baixa impedância de seqüência zero para a corrente de falta. A figura 2.9 mostra a variação do valor RMS para uma sobretensão causada por uma falta monofásica a terra.
  36. 36. 22 Figura 2.9 – Variação do valor RMS para um swell de tensão causado por uma falta monofásica para a terra. A seguir são elecandos possíveis danos causados por elevações de tensão:  Dispositivos eletrônicos, incluindo drives de velocidade ajustável, computadores e controladores eletrônicos podem exibir imediato modo de falha durante essas condições;  Transformadores, cabos, “switchgear”, TC’s, TP’s e máquinas rotativas podem sofrer redução da vida útil;  Alguns relés de proteção podem resultar em operações indesejáveis, enquanto outros não irão ser afetados;  A saída visível de luz de alguns dispositivos de iluminação pode ser aumentada durante um “swell” temporário;  Dispositivos de grampeamento de proteção de surto (varistores ou diodos de avalanche) podem ser destruídos. 2.3.4. Desequilíbrio de Tensão Para [13] o desequilíbrio de tensão é o fenômeno associado a alterações nos padrões trifásicos do sistema de distribuição. Tanto para [3] como para [2], o desequilíbrio de tensão é dado pela razão entre magnitude de tensão de seqüência negativa (RMS), ou seqüência zero (RMS), pela magnitude de tensão de seqüência positiva (RMS).
  37. 37. 23 Em geral, nos sistemas de energia, a tensão de seqüência negativa, ou zero, é o resultado de desequilíbrio de carga, o que origina o fluxo de corrente de seqüência negativa ou zero. O desequilíbrio de tensão pode ser estimado como o máximo desvio da média das tensões trifásicas, ou correntes, divididas pela média das tensões, ou correntes, das três fases, expressas em porcentagem (equação 2.1). Desequilíbrio de Tensão= ( |vfasesrms -vmédia| máx vmédia ) ×100 [%] (2.1) Uma forma mais rigorosa de determinar o desequilíbrio de tensão é pela teoria dos componentes simétricos, onde a razão entre os componentes de seqüência negativa, ou zero, sobre o componente de seqüência positiva é utilizado para expressar o desequilíbrio em percentual, conforme equações 2.2 e 2.3 [14]. Desequilíbrio Tensão Negativo= ( Comp.sequência negativa Comp.sequência positiva ) ×100 [%] (2.2) Desequilíbrio Tensão Zero= ( Comp.sequência zero Comp.sequência positiva )×100 [%] (2.3) Desequilíbrios de tensão são caracterizados por variações entre 0,5 a 2% em regime permanente (estado estacionário), como observado na tabela 2.1. Segundo [2] os desequilíbrios de tensão maiores que 5% são definidos como severos, sendo oriundos de uma única fase. A principal fonte causadora do desequilíbrio de tensão é a distribuição não uniforme das cargas monofásicas no sistema trifásico. Anomalias em banco de capacitores, como por exemplo, a queima de fusíveis em uma das fases em banco trifásicos, também podem causar este distúrbio. Outras possíveis causas são contatos e conexões oxidados ou transformadores com impedâncias diferentes entre fases. Muitos equipamentos, especialmente motores, podem tolerar desbalanço de tensão da ordem de 2%, conforma ilustra a figura 2.10. Desequilíbrios maiores que 2% causam sobreaquecimento de motores e transformadores. Isto porque a corrente desbalanceada em um dispositivo
  38. 38. 24 indutivo varia com o cubo da tensão desbalanceada aplicada aos terminais. Outro possível efeito dos desequilíbrios de tensão são erros de disparo em tiristores de equipamentos eletrônicos. Figura 2.10 – Desequilíbrio na fase B de 2% (VB = 125 Vrms e VA=VC=127 Vrms). A qualidade do fornecimento de energia, idealizada pela concessionária é prejudicada pelo desbalanço de carga. Desta forma, alguns consumidores têm em seu fornecimento de energia um desequilíbrio de tensão, o qual se manifesta de três formas distintas:  Amplitudes diferentes;  Assimetria nas fases;  Assimetria conjunta de amplitudes e fases. Destas formas, apenas a primeira, é freqüentemente evidenciada no sistema elétrico. 2.3.5. Distorção na Forma de Onda A definição de distorção na forma de onda é o desvio em regime permanente de uma forma de onda senoidal considerada ideal na freqüência fundamental caracterizada principalmente pelo conteúdo espectral do desvio [11]. Conforme mostra a tabela 2.1, as distorções na forma de onda são divididas em cinco tipos:  Nível CC (“DC offset”);  Harmônicos;
  39. 39. 25  Interharmônicos;  Recorte (“Notching”);  Ruído (“Noise”). 2.3.5.1. “DC offset” A presença de componentes de tensão em corrente contínua (CC) em um sistema de energia CA é chamada “offset”. Este fenômeno pode ocorrer como resultado de uma perturbação geomagnética ou devido ao efeito de retificação de meia-onda. Corrente contínua em redes de corrente alternada pode ser prejudicial devido a um aumento na saturação de transformadores, resultando em perdas e redução de sua vida útil e a corrosão eletrolítica dos eletrodos e conectores de aterramento, além do “stress” adicional de isolação, e outros efeitos adversos. 2.3.5.2. Harmônicos Harmônicos são senóides de componentes de tensão ou corrente com freqüência múltipla inteira da freqüência do sistema de suprimento que foi projetado para operar. Esta freqüência do sistema de suprimento é chamada de freqüência fundamental (usualmente 50 ou 60 Hz). Harmônicos combinados com a tensão ou corrente fundamental produzem distorções na forma de onda e são conseqüências das características não lineares de dispositivos e, especialmente, das cargas no sistema de energia. Em outras palavras, as distorções harmônicas resultam da queda de tensão originada pela circulação de correntes harmônicas na impedância do sistema. As cargas não lineares são normalmente modelados como fontes de corrente que injetam correntes harmônicas no sistema de energia. Distorção harmônica é uma das grandes preocupações para muitos consumidores e para o sistema de energia como um todo, devido à crescente aplicação de equipamentos de potência eletrônicos. A classificação dos harmônicos é feita pela sua ordem, ou seja, o múltiplo da freqüência fundamental. Considerando 60 Hz como a freqüência
  40. 40. 26 fundamental a tabela 2.2 apresenta a divisão de harmônicos até o 10º harmônico [11]. Tabela 2.2 – Seqüência dos componentes harmônicos. Ordem Freqüência (Hz) 1º - Fundamental 60 2º 120 3º 180 4º 240 5º 300 6º 360 7º 420 8º 480 9º 540 10º 600 A somatória dos componentes senoidais harmônicos com o componente senoidal fundamental resulta em uma onda não – senoidal distorcida, conforme se observa na figura 2.11. Figura 2.11 – Representação da série de Fourier para uma onda distorcida. Atualmente, a maioria das cargas presente no sistema de distribuição de energia são cargas não-lineares, tendo assim uma grande contribuição para o aumento das distorções harmônicas neste sistema (figura 2.12). Como exemplo tem-se as máquinas de solda, conversores CA/CA, fontes chaveadas
  41. 41. 27 de computadores ou outros equipamentos de escritórios ou eletrodomésticos, “no-breaks”, etc. Figura 2.12 – Forma de onda da tensão em uma fase. Os níveis de distorção harmônica podem ser caracterizados pelo espectro harmônico incluindo magnitudes e ângulos de fase de cada componente harmônico individual. É também comum usar uma única quantidade, a Distorção Harmônica Total (DHT) em porcentagem, como uma medida da magnitude da distorção harmônica. Grandes níveis de distorção harmônica causam problemas tanto para as redes de distribuição das concessionárias quanto para os consumidores. As conseqüências destes problemas são muitas, desde falhas em motores ou fontes de pequeno porte até a parada de grandes equipamentos, resultando em perdas de produtividade e de vendas. Os principais impactos das distorções harmônicas são:  Redução da vida útil das máquinas rotativas: aquecimento, torques pulsantes, ruído, etc.;  Redução da vida útil das lâmpadas: flutuação da potência e conseqüentemente da intensidade luminosa;  Erros nos medidores de energia elétrica e equipamentos de medição;  Má operação de relés e equipamentos de proteção elétrica;  Redução da vida útil de transformadores: aumento das perdas por aquecimento, saturação, ressonância, vibrações, etc;
  42. 42. 28  Má operação de dispositivos controlados por semicondutores – disparos indevidos;  Redução da vida útil de capacitores: aumento das perdas por aquecimento;  Interferências eletromagnéticas nos equipamentos de comunicação e controle;  Aumento das perdas nos alimentadores elétricos. As figuras 2.13 e 2.14 ilustram a distorção harmônica causada por uma lâmpada a vapor de sódio. Figura 2.13 – Espectro de freqüências da lâmpada a vapor de sódio. Figura 2.14 – Sinais de tensão e corrente da lâmpada a vapor de sódio obtidos por equipamento de medição. A seguir são elencados os indicadores considerados indispensáveis para determinação de ações corretivas, pois permitem quantificar e avaliar a distorção harmônica de ondas de tensão e corrente, e são divididos em:  Fator de potência;
  43. 43. 29  Fator de crista;  Potência de distorção;  Espectro em freqüência;  Taxa de distorção harmônica. 2.3.5.3. Interharmônicos Como apresentado na subseção anterior, harmônico é uma onda periódica expressa pela soma de ondas senoidais puras de diferentes amplitudes, onde a freqüência de cada onda senoidal é um inteiro múltiplo (harmônico) do componente de freqüência fundamental da onda periódica. Por analogia, interharmônico é o componente de formação da onda periódica cuja freqüência não é um inteiro múltiplo do componente de freqüência fundamental [2]. Portanto, as ondas de tensão ou corrente podem apresentar componentes de freqüência que não são múltiplos inteiros da onda de freqüência fundamental do sistema. Os interharmônicos podem ser apresentados como freqüências discretas ou largas faixas espectrais, podendo ser encontradas em diferentes classes de tensões. As principais fontes de geração de interharmônicos são os conversores estáticos, motores de indução e equipamentos que utilizam arco elétrico para seu funcionamento, como exemplo os fornos elétricos das siderúrgicas. A figura 2.15 mostra os componentes interharmônicos discretos dispostos no domínio da freqüência, com maior amplitude entre as freqüências 240 Hz e 360 Hz, de um forno de indução.
  44. 44. 30 Figura 2.15 – Espectro de potência de um forno de indução. A propagação de interharmônicos pode causar efeitos de aquecimento, oscilações torsionais, “flicker”, sobrecarga de filtros convencionais, interferências em equipamento eletrônico, ondulação em receptores de controle e sistemas de telecomunicações. Porém, um dos mais importantes efeitos de interharmônicos é o impacto sobre o fluxo luminoso de lâmpadas. Devido às freqüências interharmônicas não estarem sincronizadas com a componente fundamental do sistema de energia, elas afetam os valores de pico e RMS da tensão. Essas flutuações de tensão podem produzir “flicker” (efeito fisiológico desagradável) em lâmpadas se o nível de interharmônicos ultrapassar certos níveis de imunidade [15]. 2.3.5.4. Recorte (“Notching”) Recorte ou “notching” é uma perturbação periódica de tensão causada pela operação de dispositivos eletrônicos de potência quando a corrente é comutada de uma fase para outra. Tensões “notching” representam um caso especial que acontece entre transitórios e distorção harmônica. Como “notching” ocorrem continuamente (estado de regime), eles podem ser caracterizados através do espectro harmônico da tensão afetada. Contudo, as componentes de freqüência associadas com “notching” podem ser bastante altas e podem não ser prontamente caracterizada com equipamentos de medição normalmente usados para análise harmônica. A figura 2.17 mostra um exemplo de tensão “notching” causada pela operação de conversores.
  45. 45. 31 Figura 2.16 – Tensão “notching” causada pela operação de conversores. 2.3.5.5. Ruído (“Noise”) Ruído ou “noise” são definidos como qualquer distorção indesejada nas ondas de tensão ou corrente, formado pela superposição de uma onda com conteúdo espectral abaixo de 200 kHz com a onda fundamental. Este tipo de distúrbio pode ser encontrado nos condutores de fase, neutro ou sinais. As causas mais comuns dos ruídos elétricos são os dispositivos eletrônicos, equipamentos que funcionem com base em arcos elétricos e conversores estáticos. Os problemas mais graves causados pelos ruídos são os impactos negativos nos equipamentos eletrônicos que operam com microcontroladores, onde um ruído intenso poderá até danificá-los. Geralmente os problemas causados pelos ruídos são amenizados por um sistema conveniente de aterramento, podendo chegar ao uso de filtros passivos e transformadores de isolação. Na figura 2.17 é apresentado um exemplo de onda senoidal de tensão contendo ruído. Figura 2.17 – Ruído elétrico superposto na forma de onda da tensão em pu.
  46. 46. 32 2.3.5.6. Flutuação de Tensão Flutuações de tensão são variações sistemáticas nos valores eficazes da tensão ou uma série aleatória de mudanças, onde a magnitude da onda permanece entre 0,93 e 1,07 pu. (tabela 2.1). Um exemplo de flutuação do valor eficaz da tensão pode ser visto analisando-se a alteração da amplitude da onda em função do tempo da figura 2.18. Figura 2.18 – Flutuação da tensão em pu. Em determinadas cargas, quando alimentadas por ondas que sofrem variações na amplitude da corrente ou tensão de forma continua e rápida, é presenciado o “flicker” (cintilação). 2.3.6. Variações na Freqüência Variações na freqüência são definidas como alterações na freqüência fundamental do sistema. Freqüência esta, relacionada diretamente com a velocidade de rotação dos geradores. Devem-se considerar pequenas variações na freqüência do sistema devido às alterações de carga e geradores, onde estas amplitudes e durações dependem da robustez do sistema de controle do sistema de geração às mudanças de carga. Variações de tensão consideráveis e freqüentes são comumente vistas nos sistemas supridos por concessionárias isoladas. Nos sistemas
  47. 47. 33 interconectados de geração e distribuição de energia estas variações são de ocorrência muito baixa. As variações de freqüência são principalmente geradas por faltas no sistema de transmissão, desconexão de grandes cargas ou de grandes fontes de geração ou pela falha dos controles de geradores. Pode-se observar na figura 2.19 um exemplo de onda de tensão com variação na sua freqüência. Figura 2.19 – Variação da freqüência na forma de onda da tensão. 2.4.Índices de Continuidade do Serviço de Energia Elétrica O desempenho das concessionárias quanto à continuidade do serviço prestado de energia elétrica é medido pela ANEEL com base em indicadores específicos, denominados de DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) e FEC (Freqüência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora). O DEC indica o número de horas em média que um consumidor fica sem energia elétrica durante um período, geralmente mensal. Já o FEC indica quantas vezes, em média, houve interrupção na unidade consumidora (residência, comércio, indústria etc.).
  48. 48. 34 O DEC pode ser calculado por: DEC= ∑ Ca(i)×T(i)n i=1 Cs (2.4) onde:  𝑖 = número de interrupções, de 1 a 𝑛;  𝑇( 𝑖) = tempo de duração de cada interrupção do conjunto de consumidores considerados, em horas;  𝐶𝑎( 𝑖) = número de consumidores do conjunto considerado, atingido nas interrupções;  𝐶𝑠 = número total de consumidores do conjunto considerado. O FEC pode ser calculado por: FEC= ∑ Ca(i)n i=1 Cs (2.5) Os componentes da equação são os mesmos do cálculo da DEC. As metas de DEC e FEC a serem observadas pelas concessionárias estão definidas em Resolução específica da ANEEL, que podem ser encontradas na “home-page” da ANEEL [39], as metas do DIC e FIC estão sendo publicadas mensalmente na conta de energia elétrica do consumidor. A figura 2.20 apresenta a média do índice de continuidade DEC por região, conforme se observa a região norte apresenta o maior índice DEC em relação ao DEC padrão para esta região, estabelecido pela ANEEL.
  49. 49. 35 Figura 2.20 – Média do índice DEC por região, ano 2009 [49]. A figura 2.21 ilustra o gráfico referente aos valores médios do índice de continuidade FEC para o ano de 2009, de acordo com os dados obtidos da ANEEL [39] observa-se que apenas a região norte apresenta índice superior ao estabelecido pela ANEEL. Figura 2.21 – Média do índice FEC por Região, ano 2009 [49]. A ANEEL implantou no ano 2000 mais três indicadores destinados a aferir a qualidade do serviço prestado diretamente ao consumidor, a saber:  DIC (Duração de Interrupção por Unidade Consumidora);  FIC (Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora); 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Região Norte Região Nordeste Região Centro Oeste Região Sudeste Região Sul 93.17 26.5 39.63 15.38 33.55 60.62 34.96 36.58 13.42 29.65 Horas Média do DEC por Região (Ano 2009) DEC DEC Padrão 0 10 20 30 40 50 60 Região Norte Região Nordeste Região Centro Oeste Região Sudeste Região Sul 57.06 12.9 28.57 9.31 16.74 55.49 25.51 32.24 12.47 22.35 Vezes Média do índice FEC por Região (Ano 2009) FEC FEC Padrão
  50. 50. 36  DMIC (Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora). Os indicadores DIC e FIC indicam por quanto tempo e o número de vezes respectivamente que uma unidade consumidora ficou sem energia elétrica durante um período considerado. O DMIC é um indicador que limita o tempo máximo de cada interrupção, impedindo que a concessionária deixe o consumidor sem energia elétrica durante um período muito longo. Esse indicador passou a ser controlado a partir de 2003 [16]. As metas para os indicadores DIC, FIC e DMIC estão publicadas na [16], esses indicadores já estão sendo informados na conta de energia elétrica do consumidor (figura 2.22). Figura 2.22 – Conta de energia elétrica (Fonte: Conta de energia da Rede CELPA).
  51. 51. 37 Capítulo 3 Importância da Monitoração A monitoração é necessária para definir o atual nível de qualidade de fornecimento de acordo com os indicadores de qualidade. (Autor desconhecido) 3.1.Por que monitorar? O principal interesse pela monitoração da qualidade de energia elétrica está na procura do aumento da produção de bens e da oferta de serviços. As indústrias, por exemplo, buscam maquinários mais eficientes, rápidos e produtivos. As concessionárias de energia, por sua vez, encorajam estas medidas, de forma a propiciar aumento do fornecimento e, conseqüentemente, ganho nos seus lucros. Entretanto, os maquinários modernos utilizados na aceleração da produtividade e associados com a redução de perdas e aumento da eficiência, caracterizam-se por equipamentos mais sensíveis a falhas e distúrbios dos sistemas de energia. Ao mesmo tempo, o crescimento da economia e o aumento das condições de desenvolvimento humano trazem consigo uma tendência de crescimento na demanda de energia. De fato, a incidência de distúrbios sobre os consumidores industriais resulta em grandes prejuízos, face aos elevados investimentos destinados às áreas de automação e modernização do parque industrial. Estas áreas, estruturadas com equipamentos constituídos essencialmente por componentes eletrônicos, são extremamente sensíveis aos efeitos de um suprimento de energia inadequado. Prejuízos enormes podem surgir, simplesmente com uma única e curta interrupção no fornecimento de energia, ou ainda com a presença de significativos níveis de distorções harmônicas e transitórios. A ocorrência destes problemas determina a necessidade de uma busca mútua de soluções, entre todas as partes que atuam no mercado de energia elétrica (as concessionárias, os consumidores, os fabricantes de equipamentos
  52. 52. 38 e os prestadores de serviços), para a realização de medidas adequadas, práticas e econômicas. Todos estes estão cada vez mais preocupados com as características do suprimento de energia e, o termo “Qualidade da Energia Elétrica” tem se tornado a palavra chave nos últimos anos. Sabe-se que estes fenômenos de qualidade de energia não são necessariamente recentes e estão sendo atualmente analisados não mais como causas e efeitos isolados, mas como problemas correlacionados. Ademais, devido ao crescente interesse pelo tema, encontram-se definições distintas em função dos anseios e necessidades envolvidos no problema. Para as concessionárias de energia, a definição leva a uma equivalência com a confiabilidade do suprimento elétrico. Por sua vez, fabricantes de máquinas e equipamentos elétricos definem a qualidade do suprimento energético, a partir das características necessárias à fonte de alimentação, garantindo, sobretudo a operação adequada dos seus aparelhos. Quanto aos consumidores residenciais, estes não detêm conhecimento técnico para reconhecerem todos os distúrbios, entretanto, tornaram-se parte do problema em função do elevado número de aparelhos eletrônicos não-lineares instalados. Percebe-se então que a monitoração da qualidade de energia elétrica é necessária não apenas para definir o atual nível de qualidade de fornecimento, mas também para definir a necessidade contínua do consumidor e da concessionária para assegurar o cumprimento dos índices, indicadores, limites e outras características dos contratos diferenciados estipulados entre consumidores, concessionárias e órgão regulador. Assim, é de fundamental importância a questão cultural que envolve a utilização de energia elétrica. Nos países europeus, existe uma preocupação com o bem comum, e se paga até mais caro por uma “energia limpa” [11]. Em contrapartida, nas nações em desenvolvimento o apelo gira mais em torno da “economia” trazida pelo uso inteligente da energia, uma vez que a consciência ambiental ainda não é tão clara. Tanto nestes quanto naqueles países é imprescindível que os governos atuem no sentido de educar a população e também de incentivar instituições a usar a energia de maneira eficiente.
  53. 53. 39 Na atualidade a monitoração da qualidade de energia elétrica surge como um efetivo meio de obtenção de dados usados para caracterizar sistemas elétricos e solucionar os problemas vividos pelas cargas sensíveis à má qualidade de energia elétrica. Instrumentos de medição cada vez mais modernos, e desenvolvidos especificamente para a realização de medições de qualidade da energia, possibilitam o registro de uma grande variedade de fenômenos de forma eficiente e confiável. Em resumo, a investigação da qualidade de energia elétrica requer monitoração, tanto para identificar os problemas como para verificar as soluções implementadas que visem minimizar os efeitos danosos da má qualidade da onda de tensão ou corrente. 3.2.Normatização Nacional e Internacional Uma das principais causas de problemas relacionados com a QEE está ligada à evolução da tecnologia e ao aumento das necessidades dos consumidores em controle da energia, o que levaram ao crescimento das cargas não-lineares instaladas no sistema elétrico. Com uma maior quantidade destes equipamentos instalados aumentaram-se os problemas referentes à qualidade da onda de tensão e da corrente. A evidência do aumento de problemas relativos à QEE somado aos prejuízos financeiros leva a um esforço na busca de soluções práticas e economicamente viáveis entre as principais áreas de atuação do setor elétrico (concessionárias fabricantes de equipamentos e consumidores). Por estas áreas de atuação do setor elétrico possuirem suas próprias características, necessidades e anseios com relação aos parâmetros, formas de medição e penalidades referentes à QEE, as mesmas ainda não chegaram ao consenso e definições sobre o assunto. Para as concessionárias, a confiabilidade do suprimento elétrico em níveis aceitáveis de tensão equivale à qualidade da energia elétrica fornecida. Estas vêm sofrendo desgastes na sua imagem empresarial e tem aumentado os gastos com pedidos de ressarcimento de prejuízos sofrido pelos
  54. 54. 40 consumidores, muitas das vezes gerados pelos equipamentos instalados pelos próprios consumidores. Para os fabricantes de equipamentos, a qualidade do suprimento de energia que atendam às necessidades de suas fontes de alimentação para garantir a operação adequada de seus produtos é a sua prioridade em termos de qualidade da energia elétrica utilizada. Devido ao mercado de equipamentos ser altamente competitivo, buscando custos cada vez menores, há um desinteresse na flexibilização das características dos equipamentos produzidos quanto à suportabilidade e proteção dos distúrbios provenientes e/ou gerados à rede. Alguns fabricantes, por exemplo, desconhecem ou simplesmente ignoram estes problemas, alocando a responsabilidade de possíveis falhas para as concessionárias ou para os próprios consumidores (uso inadequado). Por sua vez, para os consumidores, a qualidade da energia está vinculada ao suprimento contínuo de uma energia elétrica senoidal dentro de uma faixa que não cause danos ou falhas em seus equipamentos. Entretanto, como mencionado anteriormente, os consumidores, devido à deficiência de um conhecimento técnico adequado para o reconhecimento e análise de problemas no sistema elétrico, além de aumentarem o problema referente à grande quantidade de equipamentos não-lineares, sofrem com as perdas de produção e danos em suas máquinas. Nos últimos anos, tem-se intensificado os estudos dos fenômenos que envolvem qualidade da energia elétrica pelas concessionárias junto às instituições de pesquisas, aos fabricantes de equipamentos e ainda junto aos consumidores, buscando minimizar os prejuízos causados pelos distúrbios no sistema de energia. Devido às características deste sistema serem muito amplas e os fenômenos referentes à QEE não poderem ser analisados como causas e efeitos isolados em uma determinada área, os pesquisadores realizam os estudos observando as correlações entre todas elas. A nova realidade do setor elétrico baseia-se nas necessidades do mercado e na competição, a qualidade do produto eletricidade é determinada para os clientes que buscam ter suas necessidades atendidas, para que por sua vez possam atender às exigências em satisfação e produtividade do
  55. 55. 41 mercado. Sendo assim muitas definições, esclarecimentos e soluções ainda são necessários, o que associado à falta de uma concordância dificulta a elaboração de uma padronização para as necessidades do sistema elétrico quanto à QEE. Todavia, já existem experiências mundiais em normatizações sobre a QEE, as quais são apresentadas nesta seção. 3.2.1. Normatização: Definição A normatização desde a antiguidade tem a finalidade de definir, unificar, simplificar, ou seja, padronizar elementos utilizados nas fabricações de diversos produtos. Sua importância pode ser constatada em várias atividades desenvolvidas por pessoas e instituições, como por exemplo, o formato de papéis, parâmetros para construções, instalações e funcionamento de equipamentos, etc. A normatização busca a definição, a unificação e a simplificação, de forma racional, quer dos produtos acabados, quer dos elementos que se empregam para produzir, através do estabelecimento de documentos chamados Normas. O termo definição significa precisar qualitativamente todos os materiais, objetos e elementos que se utilizam, bem como os próprios produtos finais. Os termos unificação e simplificação têm em vista a redução, ao mínimo, das variedades dos materiais, das ferramentas e das operações do processo produtivo e ainda dos produtos acabados. As normas definem características de bens ou serviços, tais como os níveis de qualidade ou de eficiência, a segurança ou as dimensões. Deve registrar-se que, embora, normalmente a sua aplicação não seja obrigatória, as normas têm hoje um papel relevante nas relações industriais e comerciais. A utilização da marca de conformidade com as normas dá, aos consumidores, uma determinada garantia de qualidade dos respectivos bens ou serviços.
  56. 56. 42 3.2.2. Normatização Nacional sobre QEE 3.2.2.1. Obrigatoriedade do uso de normas As normas brasileiras são desenvolvidas e utilizadas voluntariamente. Elas tornam-se obrigatórias somente quando explicitadas em um documento de Poder Público (lei, decreto, portaria, etc.), ou quando citadas em contratos. Mesmo não sendo obrigatórias, as normas são sistematicamente adotadas em questões judiciais por conta do inciso VIII do Artigo 39 do Código de Defesa do Consumidor [17], estabelecendo que: “É vedado ao fornecedor de produtos ou serviços, dentre outras práticas abusivas, colocar, no mercado de consumo, qualquer produto ou serviço em desacordo com as normas expedidas pelos órgãos oficiais competentes ou, se Normas específicas não existirem, pela Associação Brasileira de Normas Técnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial – CONMETRO”. 3.2.2.2. Entidades Normativas SINMETRO O Sistema Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (SINMETRO) é o sistema brasileiro que exerce atividades referentes à metrologia, normatização, qualidade industrial e certificação da conformidade, sendo formado de entidades públicas e privadas. O SINMETRO foi instituído pela lei nº 5.966 de 11 de dezembro de 1973 para criar uma infraestrutura de serviços tecnológicos capaz de avaliar e certificar a qualidade de produtos, processos e serviços através de organismos de certificação, laboratórios de ensaios e de calibração, organismos de treinamento, organismos de ensaios de proficiência e organismos de inspeção, sendo todos eles credenciados junto ao Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (INMETRO).
  57. 57. 43 Uma das atividades do SINMETRO é a de elaborar normas para dar suporte à regulamentação técnica, facilitar o comércio e fornecer a base para melhorar a qualidade de processos, produtos e serviços. Esse sistema tem apoio dos organismos de normatização, os laboratórios de metrologia científica e industrial e os institutos de metrologia legal dos estados. Esta estrutura está formada para atender as necessidades da indústria, do comércio, do governo e do consumidor. A seguir são elencadas as principais organizações entre as que compõem o SINMETRO:  Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (CONMETRO) e seus comitês técnicos;  INMETRO;  Organismos de Certificação Credenciados (OCC) - Sistemas de Qualidade, Sistemas de Gestão Ambiental, Produtos e Pessoal;  Organismos de Inspeção Credenciados (OIC);  Organismos de Treinamento Credenciados (OTC);  Organismo Provedor de Ensaio de Proficiência Credenciado (OPP);  Laboratórios Credenciados – Calibrações e Ensaios (RBC/RBLE);  Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT);  Institutos Estaduais de Pesos e Medidas (IPEM);  Redes Metrológicas Estaduais. Na área de avaliação da conformidade, o SINMETRO oferece aos consumidores, fabricantes, governos e exportadores uma infraestrutura tecnológica baseada em princípios internacionais, considerada de grande confiabilidade. Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) A ABNT é uma entidade privada, sem fins lucrativos e de utilidade pública, fundada em 1940, é membro fundador da “International Organization for Standardization” (ISO), da Comissão Panamericana de Normas Técnicas
  58. 58. 44 (COPANT) e da Associação Mercosul de Normalização (AMN), sendo responsável pela gestão do processo de elaboração de normas e certificação de produtos e sistemas. Tem como missão harmonizar os interesses da sociedade brasileira, provendo-a de referenciais através da normatização e atividades afins. A ABNT é o organismo reconhecido pelo CONMETRO como o fórum único de normatização no Brasil, em que suas normas podem ser utilizadas para defesa do mercado nacional e para facilitar o acesso de empresas brasileiras ao mercado internacional. Neste último caso, a ABNT, por exemplo, é associada da “International Electrotechnical Commission” (IEC). As normas brasileiras elaboradas e gerenciadas pela ABNT recebem prefixo NBR (Norma Brasileira). Pelo Acordo de Barreiras Técnicas da Organização Mundial do Comércio (OMC), somente poderão ser estabelecidos requisitos em um regulamento técnico se estes estiverem de acordo com a norma mundial. O país tem, portanto, que ter sua própria normatização para levá-la ao conhecimento da ISO, a fim de influenciar as normas mundiais. Toda normatização levada à ABNT parte de um trabalho voluntário. A norma deve ser feita por entidades representativas do setor, ser simples e manter uma paridade na sua discussão, levando em conta interesses das diversas áreas da sociedade, dos órgãos governamentais, dos setores públicos e privados e dos consumidores. Sua aprovação é obtida através de um consenso entre estas entidades em reuniões ordinárias da ABNT, como representado na figura 3.1
  59. 59. 45 Figura 3.1 – Princípio da Normatização. A ABNT possui atualmente 54 Comitês Técnicos de Normatização e 4 Organismos de Normatização Setorial, trabalhando em suas respectivas áreas gerenciando os processos de criação e divulgação de normas. O Comitê Técnico responsável pela coordenação e participação dos processos de criação de normas, e certificação de produtos e sistemas, no contexto referentes aos trabalhos e processos no campo da eletricidade, eletrônica e telecomunicações é o Comitê Técnico de Normatização em Eletricidade - CB- 3 [11], o qual compreende a geração, a transmissão e a distribuição de energia; as instalações elétricas e equipamentos eletro- eletrônicos, inclusive para atmosferas explosivas; os dispositivos e acessórios elétricos; a instrumentação; os bens de consumo; os condutores elétricos; a iluminação; a compatibilidade eletromagnética, no que concerne a terminologia, requisitos, métodos de ensaio e generalidades. Para a preparação de uma norma brasileira em eletricidade, o CB-03 executa as fases apresentadas na figura 3.2. Consenso Paridade Representativ idade Simplificação Voluntariedade
  60. 60. 46 Figura 3.2 – Desenvolvimento de uma norma brasileira 3.2.2.3. Evolução normativa nacional sobre QEE No [18] foi feita a primeira citação sobre qualidade de energia, informando que o suprimento de energia deveria ser entregue de forma adequada. O [19], no contexto de continuidade de serviço e [20] sobre os níveis de tensões de fornecimento e limites de variações de tensão, regulamentando assim tanto a área técnica quanto a área de qualidade do serviço a serem seguidas por todas as áreas do sistema elétrico. Estas portarias foram realizadas devido às muitas reclamações dos consumidores, na década de 1970, referentes à qualidade do fornecimento de energia elétrica quanto às interrupções. Com base nestas reclamações o Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica (DNAEE) parametrizou os níveis de tensão e qualidade de fornecimento de energia elétrica. Desde então, os índices referentes à continuidade do serviço, que são utilizados até hoje, permitiram o acompanhamento das durações e quantidades de faltas de energia. Na seqüência, o DNAEE escreveu a [21], que estabeleceu os índices de continuidade de serviço com relação ao suprimento, onde foi descrita a metodologia a ser utilizada pelas concessionárias para avaliação dos índices de continuidade de fornecimento de energia. Sociedade manifesta a necessidade Comissão de Estudo elabora o Projeto de Norma Projeto de Norma é submetido a consulta pública Norma é aprovada e colocada a disposição da sociedade
  61. 61. 47 A Portaria DNAEE [20] foi revisada em 1989, alterando os limites de variações de tensões para índices mais compatíveis com as tecnologias e produtos da época, porém não foram estabelecidas penalidades para as variações fora destes limites. Após a revisão da [20], muitas discussões foram geradas entre as áreas do setor elétrico principalmente entre as concessionárias, os fabricantes de equipamentos e os consumidores. Durante estas discussões houve grande reivindicação por parte dos consumidores para participar no processo de definição dos padrões de qualidade de energia. Houve também, grandes contribuições das instituições de pesquisa nestas discussões, onde os estudos até então desenvolvidos focavam a influência das cargas dos consumidores e as influências das cargas não-lineares e seus controles, nos problemas de qualidade de energia. Com a globalização da economia mundial, foi notória a necessidade de um programa que melhorasse a eficiência do setor elétrico. No contexto deste programa, os índices de continuidade de fornecimento apresentados na [19] seriam muito importantes. Nesta situação, o DNAEE publicou a [22], onde regulamentou a criação de um grupo de trabalho para reavaliar os índices existentes e moldá-los à realidade do país. Os membros deste grupo eram representantes da ELETROBRÁS, do Comitê Coordenador de Operações do Norte/Nordeste (CCON), da Associação Brasileira de Concessionários de Energia Elétrica (ABCE), do Grupo Técnico Operacional da Região Norte (GTON) e do Comitê de Distribuição (CODI). Este grupo de trabalho, após estudos na área de qualidade de energia elétrica, apresentou ao DNAEE a edição da [23], que aumentou a abrangência dos estudos solicitados na [22]. O I Seminário Brasileiro sobre Qualidade de Energia Elétrica (SBQEE) foi realizado em 1996. Neste seminário foi discutido amplamente o tema, que levou principalmente a uma grande troca de informações e o alinhamento de pensamentos entre os diversos pesquisadores da área. Sendo assim, houve um grande progresso na distribuição e unificação das informações causando uma melhor interação entre as áreas do setor elétrico, principalmente entre os fabricantes de equipamentos.
  62. 62. 48 Em Janeiro de 1998, ocorreu a emissão do [24] pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Este manual teve a função de apresentar: as fórmulas para cálculo dos índices de qualidade, as metodologias detalhadas para obtenção dos parâmetros relacionados e o procedimento de coleta, transmissão, tratamento e exposição dos dados para as informações pertinentes. A Secretaria de Energia do Estado de São Paulo, através da Comissão de Serviços Públicos de Energia do Estado de São Paulo (CSPE), criou em 1998, um documento conhecido por Qualidade do Fornecimento de Energia Elétrica – Manual da Implantação da Qualidade, que apresentou uma metodologia para controlar os parâmetros que influenciam diretamente na qualidade da prestação do serviço de energia elétrica [24]. O documento apresentado pela CSPE proporcionou as premissas para formação dos índices de qualidade, pois como pontos principais têm-se os cálculos dos componentes do sistema em diferentes níveis de agregação (global, regional, local, por modo de falha, etc.). Houve também um atendimento às empresas com portes distintos, sendo apresentados novos indicadores de continuidade e conformidade do suprimento de energia elétrica, além do índice de satisfação do consumidor. Num contexto mais atual do setor energético brasileiro ocorreu o desmembramento de várias empresas vinculadas ao setor elétrico, onde foi reduzida a força do Estado nas funções empresariais. Daí surgiu constantes privatizações das empresas existentes e apresentou-se um novo modelo de instituições especializadas para executar e fiscalizar as funções de regulação, do planejamento da expansão, da operação e do financiamento do setor. Pode- se destacar o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) e a ANEEL como os dois principais órgãos que surgiram, nos últimos anos, diante dos acontecimentos dinâmicos das empresas vinculadas ao mercado de energia elétrica. Com a criação da ANEEL, em 1997, o DNAEE foi extinto, porém a busca da melhoria da qualidade de energia não cessou e os estudos sobre este tema ainda são desenvolvidos. A ANEEL em Novembro de 2000 criou a [25] para
  63. 63. 49 unificar diversas portarias do DNAEE e atualizar as disposições referentes às condições gerais do fornecimento de energia elétrica [3]. Esta resolução unificou as legislações existentes, principalmente as que tratam do relacionamento entre as áreas do setor elétrico. A [16] apresentada pela ANEEL em Janeiro de 2000, estabeleceu disposições referentes à continuidade da distribuição de energia elétrica. Nesta resolução foram apresentados novos índices de avaliação das interrupções individuais das unidades consumidoras e esta descreveu os cálculos dos índices de continuidade individuais e coletivos, as metas de continuidade e a forma de cálculo das penalidades por variações fora do estabelecido. A ANEEL, em Novembro de 2001, estabeleceu a [13], onde foram revisadas as [20] e [26], apresentado as disposições relativas à conformidade dos níveis de tensão de energia elétrica em regime permanente. Esta resolução trata em detalhes a classificação das tensões de suprimento, as fórmulas de cálculo dos indicadores individuais e coletivos, os critérios de medições e registros dos dados, bem como dos equipamentos de medição e penalidade pelo fornecimento de um serviço que não esteja adequado ao estabelecido na mesma. O ONS trabalhou com vários agentes do setor energético nacional na elaboração de um Procedimento de Rede, para melhoria e o controle da QEE. Este documento apresentou os procedimentos e requisitos técnicos que devem ser utilizados para planejamento, implantação, uso e operação do sistema elétrico interligado, bem como definiu as responsabilidades dos agentes e do próprio ONS. As metodologias apresentadas nos Procedimentos de Rede influenciam diretamente os padrões de qualidade das instalações de transmissão, distribuição e subtransmissão do setor elétrico. Estes Procedimentos de rede tiveram sua aprovação por meio da Resolução Normativa de nº 372 de 05 de agosto de 2009 [27]. O submódulo 2.8 – Gerenciamento dos indicadores de desempenho da rede básica e de seus componentes, desta [27] tem como objetivo atribuir responsabilidades e estabelecer princípios e diretrizes ao gerenciamento de
  64. 64. 50 indicadores de QEE da rede básica e das funções de transmissão da rede básica, a fim de:  Balizar as ações do ONS relativas ao Plano de Ampliações e Reforços na Rede Básica – PAR elaborado pelo ONS com a participação dos agentes;  Subsidiar os estudos de planejamento e programação da operação, bem como a própria operação em tempo real do sistema de transmissão;  Subsidiar os usuários conectados ou que requeiram conexão À

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