Qualidade de Energia Elétrica

Geração, Transmissão e Distribuição de Energia
Qualidade de Energia Elétrica
Prof. Jim Silva Naturesa
1) Introdução
A Resolução 456 de 2000 da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) estabelece as
seguintes classes dos consumidores de distribuição:
- Residências;
- Comerciais;
- Industriais;
- Iluminação pública;
- Poderes e serviços públicos e;
- Rural.
A demanda de energia de um determinado consumidor é o valor médio da potência ativa
consumida em um intervalo de tempo definido - normalmente 15 minutos.
A representação gráfica da demanda em função do tempo é a curva de carga, que pode ser
diária, semanal ou anual.
O fornecimento de energia elétrica pode ser entendido como um produto e não como uma
prestação de serviço. Logo há a necessidade de definir sua qualidade.
Para que se possa medir a qualidade de energia elétrica, o Estado (ou órgão regulador) deve
estabelecer indicadores; permitindo comparações com a energia elétrica fornecida pelas
concessionárias.
O conceito de qualidade de energia elétrica pode ser analisado de três formas: qualidade do
produto, qualidade do serviço e qualidade comercial.
Por qualidade do produto entendem-se as características técnicas, como por exemplo, a
forma de onda da tensão e freqüência.
1

Uma energia de boa qualidade deve, basicamente, apresentar tensões e freqüências
constantes e forma de onda senoidal sem a presença de distorções harmônicas (Grimoni, 2004).
Alguns indicadores são:
• Nível de tensão: valor eficaz no ponto de entrega;
• Função distribuição: refere-se à distribuição de ocorrências no nível de tensão;
• Freqüência equivalente de violação de tensão: representa o número de vezes que o nível de
tensão foi violado em relação a um grupo de consumidores;
• Distorção harmônica: múltiplos da freqüência fundamental da tensão entregue.
A qualidade de serviço está relacionada com a operação e manutenção do sistema elétrico;
estabelecendo níveis aceitáveis de interrupções (programadas ou não) aos consumidores (Grimoni,
2004). Os principais indicadores são:
• Duração equivalente por consumidor (DEC): indica o tempo que cada consumidor de um
determinado grupo ficou, em média, sem atendimento de eletricidade;
• Freqüência equivalente por consumidor (FEC): apresenta o número de interrupções, em
média, que cada consumidor de um certo grupo sofreu;
• Tempo médio de atendimento (TMA): mostra o tempo médio gasto para restabelecer o
fornecimento de energia após a ocorrência de um defeito;
• Duração de interrupção individual (DIC): exprime o tempo que um determinado consumidor
foi privado de energia elétrica;
• Freqüência de interrupção individual (FIC): apresenta o número de vezes que um
determinado consumidor ficou sem eletricidade.
Deve-se destacar que esses indicadores levam em consideração ocorrências coletivas e
individuais. Dessa forma, possibilita uma classificação e controle mais apurado das interrupções e
um melhor atendimento.
A qualidade comercial refere-se a cobranças indevidas, atendimentos a novos clientes,
perdas comerciais, fraudes, ressarcimento por danos e tempo de religação (Grimoni, 2004). Alguns
indicadores são:
2

• Revisão de faturamentos por reclamações procedentes (RFR): mostra o número de
cobranças indevidas realizadas pela concessionária de energia;
• Tempo médio de ligação nova em baixa tensão (TML): apresenta o tempo médio gasto para
ligar um novo cliente;
• Tempo médio de religação em baixa tensão (TMR): exprime o tempo gasto para religar um
cliente após o pagamento das pendências que levaram ao corte de energia.
2) Definições
Segundo Dungan (1996), quatro características são importantes em relação à distribuição de
energia elétrica:
• Atualmente, as cargas são mais sensíveis a variações de qualidade de energia elétrica do que
no passado. Novas cargas possuem controles microprocessados sensíveis a vários tipos de
distúrbios.
• Aumento de aparelhos com eficiência energética elevada, tais como, controladores de
motores de indução trifásicos e bancos de capacitores para a correção de fator de potência.
• Os consumidores estão mais informados sobre questões relativas a interrupções,
transientes etc.
• Uma série de processos industriais utiliza redes de comunicação de dados que podem vir a
falhar devido a problemas na qualidade de energia elétrica.
Normalmente os novos equipamentos instalados para aumentar a produtividade do processo
são também os que mais sofrem distúrbios; além disso, o próprio equipamento é uma nova fonte de
problemas.
Dungan (1996) define o problema de qualidade de energia elétrica como qualquer distúrbio
que se manifesta na tensão, corrente ou freqüência que resulta em falhas ou em uma operação
errônea do equipamento. Em vários casos, uma forma de solucionar o problema é tornar o
equipamento menos sensível a variações de qualidade de energia elétrica.
O pesquisador também afirma que os problemas de qualidade de energia são problemas de
qualidade de tensão, pois é a única variável que a concessionária de energia pode controlar; visto
que a corrente do sistema é função da impedância da carga que varia continuamente durante o dia.
3

Os sistemas de potência foram projetados para operar com tensões senoidais com
determinada freqüência e amplitude. Qualquer variação em desses parâmetros é um potencial
problema de qualidade de energia.
Como existe relação entre tensão e corrente elétrica, alguns distúrbios podem ser relatados:
• Correntes devido a curto-circuitos podem causar subtensões;
• Descargas atmosféricas nas instalações elétricas (induzidas ou conduzidas) podem ocasionar
surtos de tensão e conseqüentemente curto-circuitos;
• Correntes distorcidas por cargas produtoras de harmônicos também alteram a forma de onda
da tensão.
• A qualidade de energia elétrica possui um impacto econômico direto nas indústrias.
Segundo Deckmann (2001) as condições ideais de operação de um sistema de energia
elétrica são:
• Tensões e corrente alternadas com formas de onda senoidias, assegurando a reversibilidade
do processo de conversão eletromagnético (transformadores e máquinas elétricas rotativas);
• Amplitudes constantes nos valores nominais, garantindo o nível de potência desejada para
cargas passivas de impedância constante;
• Freqüência constante no valor síncrono, mantendo o sincronismo entre os diversos geradores
por meio de um sistema de controle de geração descentralizado;
• Tensões trifásicas equilibradas, permitindo uma igual distribuição de potência entre as três
fases;
• Fator de potência unitário nas cargas, assegurando perdas menores relativas à potência
reativa;
• Perdas nulas na transmissão e distribuição, condição ideal para o transporte de energia
elétrica. Deckmann observa que se a resistência elétrica fosse nula, não ocorreria a
atenuação dos transitórios de chaveamento durante a energização das linhas de transmissão,
transformadores e capacitores.
3) Discussão sobre eficiência energética versus qualidade de energia elétrica
Após a crise energética de 2001 uma série de mediadas relativas à eficiência e conservação
de energia elétrica foi adotada no país. A Tabela 1 apresenta os benefícios e efeitos da conservação
sobre a qualidade de energia elétrica.
4

Tabela 1 - Benefícios e efeitos da conservação sobre a qualidade de energia elétrica
Ação Benefícios Efeitos
Instalação de controladores de
velocidade variável
Economia de energia e
possibilidade de gerência do
controle de fluxo
(a) Geração de harmônicos
(b) Eliminação de depressão de
tensão.
Instalação de lâmpadas
fluorescentes
Economia de energia (a) Geração de harmônicos,
susceptibilidade ao Flicker
(b) Redução do fator de
potência da carga
Instalação de banco de
capacitores
Melhoria do fator de potência (a) Geração de transitórios
(b) Amplificação de
harmônicos
Controle de iluminação através
de dimmers
Melhoria do fator de carga (a) Redução do fator de
potência
(b) Geração de harmônicos
(c) Melhoria de tensão de
regime permanente
Fonte: Conservação de Energia - Eficiência Energética de Instalações e Equipamentos, 2001.
A Tabela 2 apresenta o efeito da distorção harmônica THDi (Total Harmonic Distortion) da
corrente no fator de potência. Percebe-se que com o aumento da distorção harmônica há um
acréscimo de corrente e uma diminuição do fator de potência.
Tabela 2 - Influência dos harmônicos na corrente e no fator de potência
Distorção na corrente
THDi (%)
Acréscimo de corrente (%) Fator de potência
0 0 1
5 0,125 0,999
10 0,5 0,995
30 4,4 0,958
50 11,8 0,894
70 22,07 0,819
90 34,54 0,743
100 41,42 0,707
120 56,2 0,64
130 64,01 0,61
150 80,28 0,555
170 97,23 0,507
200 123,61 0,447
Fonte: Conservação de Energia - Eficiência Energética de Instalações e Equipamentos, 2001.
5

Resultado: prejuízos para a indústria, comércio e residências.
Problemas (Dias, 1998):
Interrupções transitórias; Variações de tensão; Distúrbios oscilatórios;
Distorções harmônicas; Corte; Flicker (cintilação);
Rádio-interferência;
6

Fonte: Deckmann, 2001.
3.1) Quadro Resumo das características gerais dos distúrbios.
7

Fonte: Delmont Filho, 2003.
3.2) Curvas características:
Curva CBEMA (Computer and Business Manufactures Association).
8

Curva ITIC.
3.3) Ferramentas para análise.
9

Softwares utilizados no mercado: TOP (The Output Procesor for Time and Frequency
Domain Analysis of Electric Power System) e PSCAD (Power Systems Computer Aided Design).
Processamento digital de sinais: Séries de Fourier.
4) Exemplo
Tabela 3 - Tipos de clientes e distúrbios
Clientes Industrial Comercial Residencial
Efeito Harmônicas, Sobretensão
e Surtos.
Subtensão, Sobretensão,
Interrupções
momentâneas e
temporárias.
Sobretensão,
Interrupções
momentâneas e
temporárias.
Possíveis
Causas
Descargas atmosféricas,
Manobras na linha de
energia elétrica etc.
energia elétrica.
energia elétrica.
Questão: Como podemos estimar os prejuízos devido a problemas na rede de energia elétrica
de baixa tensão?
5) Monitoramento da Qualidade de Energia Elétrica
Para uma rede de baixa tensão, algumas questões são relevantes (Deckmann, 2001):
• Quais os problemas que se pode encontrar?
• Quais as condições físicas dos locais onde esses distúrbios se manifestam?
• Medir e registrar as variáveis/grandezas onde aparecem esses problemas;
• Analisar os dados e compará-los com estudos e/ou simulações matemáticas;
• Diagnosticar o problema, assim como sua possível causa e propor soluções.
Instrumentos de medidas: tipos e fabricantes.
Modelos de Simulações.
A figura a seguir apresenta uma tabela como os principais equipamentos utilizados para
medir a qualidade de energia.
10

Fonte: Dugan et al., 1996.
6) Caracterização dos distúrbios
Os distúrbios podem ser caracterizados por (Deckmann, 2001):
• Duração do evento (curta, média e longa duração);
• Faixa de freqüência (baixa, média ou alta freqüência);
• Efeitos (aquecimento, vibração, cintilação luminosa etc);
• Intensidade do impacto (pequeno, médio ou grande).
7) Tipos de Distúrbios
Os principais tipos de distúrbios são (Deckmann, 2001):
- Afundamento ou mergulho de tensão (voltage sag);
- Cintilação luminosa (Flicker);
- Colapso de tensão - média ou alta tensão;
- Descarga eletrostática;
- Desequilíbrio de tensões;
- Distorções harmônicas;
- Distorções inter-harmônicas;
- Elevação de tensão (voltage swell);
- Flutuações de tensão;
- Interferência eletromagnética
11

- Interferência telefônica;
- Interrupção momentânea;
- Interrupção temporária;
- Interrupção permanente (outage);
- Micro- interrupção;
- Modulação da amplitude;
- Oscilações eletromecânicas - média ou alta tensão;
- Oscilação transitória;
- Recortes de Comutação (notches);
- Ressonância sub-síncrona - média ou alta tensão;
- Ruídos;
- Sobre-tensão;
- Subtensão;
- Surto de tensão (voltage surge).
Classificação dos distúrbios segundo faixas de freqüência (Deckmann, 2001):
a) Baixa freqüência ou sub-síncrono (f < 60 Hz): colapso de tensão, oscilação
eletromecânica, cintilação e ressonância sub-síncrona;
b) Média freqüência (60 ≤ f ≤ 9 kHz): distorção harmônica e inter-harmônica, interferência
telefônica e ressonâncias paralelas entre transformadores, cargas e compensadores;
c) Alta freqüência (9 kHz < f ≤ 30 MHz): chaveamentos rápidos de disjuntores e
conversores eletrônicos, descargas eletrostáticas, surtos de tensão e interferências eletromagnéticas
conduzidas e irradiadas.
12

Possíveis soluções: utilização de dispositivos FACTS (Flexible AC Transmission Systems)
em rede de baixa tensão:
• Distribution STATCOM (Static Compensator),
• DVR (Dynamic Voltage Restorer),
• Filtros Ativos,
• Chaves eletrônicas (Solid State Switches).
8) Detalhes.
8.1) Transitórios oscilatórios.
São decorrentes da energização de linhas, corte de carga (indutiva), eliminação de faltas,
chaveamentos de bancos de capacitores e transformadores. São frequentemente encontrados em
sistemas de subtransmissão e distribuição de energia (Delmont Filho, 2003).
13

8.2) Sag ou afundamento de tensão.
A figura abaixo apresenta um afundamento de tensão (ou sag) devido a um curto-circuito
fase-terra. Há um decréscimo de 30 % na tensão por aproximadamente 4 ciclos. Este tipo de
distúrbio também pode ser causado pela partida de grandes motores trifásicos de indução (figura
seguinte) ou pela corrente de energização de um transformador.
14

15

8.3) Swell ou elevação de tensão.
As elevações de tensão estão associadas com condições de falta no sistema. Esse fenômeno
também pode estar relacionado à saída de um grande bloco de cargas. Na figura a seguir nota-se um
acréscimo de 60 % na tensão por um período de aproximadamente 4 ciclos (Delmont Filho, 2003).
A severidade da falta depende do local onde ela ocorreu, da impedância do sistema e do
valor da resistência do aterramento. Quanto à duração do evento está ligada aos ajustes dos
dispositivos de proteção e a natureza da falta (permanente ou transitória). Para surtos de tensão
(voltage surges) - elevação de tensão transitória, podem-se utilizar os Dispositivos de Proteção
contra Surtos de Tensão (DPS).
8.4) Interrupção
Uma interrupção de curta duração ocorre quando a tensão decresce para um valor menor que
0,1 pu (por unidade) por um período não superior a 1 minuto. A figura a seguir apresenta
interrupção devido a um curto-circuito, sendo precedida por um afundamento de tensão de 80 %.
16

8.5) Harmônicas
Harmônicas são tensões ou correntes senoidais de freqüências múltiplas inteiras da
freqüência fundamental, sendo provocadas por cargas não lineares A figura abaixo apresenta as
deformações na forma de onda (terceira e quinta ordem).
17

As componentes harmônicas de ordens elevadas são desprezíveis para análises dos sistemas
de potência. As cargas com características não lineares, também chamadas de carga elétricas
especiais, podem ser divididas em três grandes grupos (Delmont Filho, 2003):
Cargas de conexão direta ao sistema:
• Motores de corrente alternada (motores de indução do tipo gaiola);
• Transformadores;
• Circuitos de iluminação com lâmpadas de descarga;
• Fornos a arco.
Cargas conectadas através de conversores:
• Motores de corrente contínua controlados por retificadores;
• Motores de indução trifásicos controlados por inversores de freqüência;
• Processos de eletrólise através de retificadores não-controlados;
• Fornos de indução de alta freqüência.
Reguladores:
• Fornos de indução controlados por reatores saturados;
• Cargas de aquecimento controladas por tiristores;
• Reguladores de tensão a núcleo saturado.
8.6) Flutuações ou oscilações de tensão
As flutuações de tensão correspondem a variação dos valores eficazes de tensão de
suprimento dentro da faixa compreendida entre 0,95 a 1,05 pu. As flutuações podem ser divididas
em:
Flutuações aleatórias: a principal fonte são os fornos a arco.
Flutuações repetitivas: máquinas de solda, elevadores e ferrovias.
Flutuações esporádicas: partida direta de grandes motores.
Os principais efeitos dessas flutuações são:
Oscilações de potência e torque em máquinas elétricas;
Interferência nos sistemas de proteção;
Efeito flicker ou cintilação luminosa.
18

O fenômeno flicker se refere à percepção, pelo olho humano, das variações luminosas
provocadas pela flutuação da tensão de alimentação. Testes demonstraram que a sensibilidade do
olho humano às variações luminosas se restringe a uma faixa de 0 a 30 Hz; com um valor máximo
em torno de 8,8 Hz - caso de uma lâmpada incandescente (Deckmann, 2001). Veja figura a seguir.
9) Soluções para interrupções permanentes
9.1) Fontes Ininterruptas de Energia Convencionais.
As fontes ininterruptas (UPS – Uninterruptible Power Supply), também conhecidas como
nobreaks, caracterizam-se por manter a tensão na carga crítica independente da condição da tensão
da rede. As UPS podem ser divididas em duas categorias: eletromecânicas (ou rotativas) e as
estáticas (eletrônicas).
9.1.1) UPS estáticas
19

Fonte: Saraiva Filho, 2002.
As principais características da fonte ininterrupta com tempo de transferência são:
• O inversor não precisa ser dimensionado para alimentar a carga continuamente –
aproximadamente 15 minutos;
• O rendimento global é relativamente alto, em torno de 90 %;
• São utilizados em sistemas que toleram pequenas interrupções de energia e aceitam uma
variação acima da faixa normal da tensão de trabalho (- 22 % a + 14 % do valor nominal).
A figura a seguir apresenta uma fonte ininterrupta sem tempo de transferência.
A figura a seguir mostra uma fonte ininterrupta interativa com a rede. A alimentação da
carga é feita diretamente através do primário do transformador Triport (1). A carga é conectada no
secundário do transformador – indicado por (2). Quando ocorre uma falha, o inversor que alimenta
o terceário do transformador (3) assume a carga (Saraiva Filho, 2002).
20

10) Soluções para surtos de tensão (voltage surges).
10.1) Sistemas de baixa tensão
Abaixo está representado um surto de tensão devido a um chaveamento de um capacitor.
A figura a seguir mostra os diversos pontos de incidência das descargas atmosféricas.
21

A figura abaixo mostra um surto de tensão devido à indução.
Na figura a seguir está representado os princípios de proteção para sistemas de baixa tensão.
Os pontos principais são: a presença de dois DPS (Dispositivos de Proteção contra Surtos ou
Arrester) – um próximo a fonte de tensão e o outro próximo a carga, um filtro passa baixa (low-
pass filter) – formado pela impedância de linha (line impedance) e o aterramento (ground
impedance).
22

A figura a seguir apresenta um surto de tensão ocorrido no primário atingindo o secundário
do transformador devido à conexão dos seus aterramentos.
A figura abaixo apresenta um DPS híbrido formado por um centelhador (Gas-type
protector), um filtro e um varistor de óxido metálico (MOV – Metal Oxide Varistor).
23

Fonte: NTE Electronics Inc., 2008.
As próximas figuras apresentam alguns DPS comerciais.
Fonte: APT (Advanced Protection Technology), 2008.
24

25

Fonte: Phoenix Contact, 2008.
26

Fonte: Vishay, 2008.
27

Fonte: Vishay, 2008.
10.2) Sistemas de média tensão.
A figura abaixo apresenta o princípio de funcionamento do para-raio de média tensão. A
figura seguinte mostra um para-raio em detalhes.
28

Para minimizar os efeitos do chaveamento dos capacitores podem ser utilizados resistores de
pré-inserção. A figura a seguir mostra um desses equipamentos. Por último, é apresentada uma
tabela comprovando a eficácia de tal dispositivo.
29

30

10.3) Aterramento
As próximas figuras mostram dois tipos de aterramento.
Bibliografia
Bollen, Math H. J. Understanding Power Quality Problems - Voltage Sags and Interruptions. The
Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 2000.
31

Deckmann, Sigmar Maurer. Avaliação da Qualidade de Energia Elétrica. Apostila do curso.
Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Campinas. Março, 2001.
Delmont Filho, Odilon. Utilização da Transformada Wavelet para Caracterização de
Distúrbios na Qualidade da Energia Elétrica. Dissertação de mestrado. Escola de Engenharia de
São Carlos da Universidade de São Paulo. 2003.
Dias, Guilherme Alfredo Dentzien. Harmônicas em Sistemas Industriais. EDIPUCRS. 1998.
Dugan, R. C.; McGranaghan, M. F.; Beaty, H. W. Electrical Power Systems Quality. McGraw-Hill.
1996.
Grimoni, J. A. B; Galvão, L. C. R. e Udaeta, M. E. M (Organizadores). Iniciação a Conceitos de
Sistemas Energéticos para o Desenvolvimento Limpo. Edusp. 2004.
Reis, Lineu Belico e Silveira, Semida (Organizadores). Energia Elétrica para o Desenvolvimento
Sustentável. Edusp. 2001.
Saraiva Filho, Francisco. Proposta de Recuperador Dinâmico para Correção de Afundamentos
de Tensão. Dissertação de mestrado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 2002.
Song, Y. H.; Jonhs, A. T. Flexible ac transmission system (FACTS). The Institution of Electrical
Engineers. 1999.
http://www.apttvss.com
http://www.electrotek.com
http://www.phoenixcontact.com.br
http://www.pscad.com
http://www.vishay.com
32

Qualidade de Energia Elétrica

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (20)

Destaque

Destaque (13)

Semelhante a Qualidade de Energia Elétrica

Semelhante a Qualidade de Energia Elétrica (15)

Mais de Jim Naturesa

Mais de Jim Naturesa (20)

Último

Último (20)

Qualidade de Energia Elétrica