Monitoramento,Variações em Regime Permanente,Variações de Tensão de Curta Duração,Indicadores de Qualidade de Energia

17 DE OUTUBRO DE 2018



Análise e Levantamento de Indicadores da Qualidade de Energia em Consumidores Industriais da AES SUL



A área de qualidade de energia vem se tornando, de maneira crescente, importante e estratégica as empresas distribuidoras de energia brasileiras. Diversos aspectos que normalmente eram desprezados, dentro do novo ambiente que se aproxima, devem ser reavaliados pelos diversos agentes  do setor.  Isto em função  da necessidade  de níveis cada vez mais exigentes quanto ao fornecimento da energia elétrica. Neste particular, torna-se fundamental o conhecimento prévio dos diversos parâmetros que definem a qualidade da energia. Na busca  por  melhores  padrões  de  qualidade  deve-se, num  primeiro  momento, atender as  grandezas  em regime permanente  tais como, distorções  harmônicas, desbalanços de tensão e severidade de cintilação (flicker), procurando adequá-los aos níveis de compatibilidade. Entretanto, distúrbios transitórios como variações de tensão de curta duração, normalmente são os responsáveis pelos maiores impactos na operação de consumidores industriais. Nestes casos, deve-se analisar cada instalação com as suas distintas características, pois a qualidade de energia elétrica depende basicamente das expectativas do consumidor, da tensão em regime permanente e transitório fornecida pelas empresas de energia e também da sensibilidade adotada pelos fabricantes de equipamentos. Assim, quaisquer ações visando a melhoria do fornecimento e, conseqüente, redução de problemas devem considerar tais aspectos. Tendo em vista que a região  metropolitana  de Porto  Alegre  é a mais industrializada  do Estado do Rio Grande do Sul e, por isso mesmo, estratégica para a AES Sul, esta resolveu realizar um levantamento estatístico das principais grandezas elétricas em algumas das subestações/consumidores servidos nessa área. Apresenta-se  nesse  trabalho,  uma  análise  detalhada das medições efetuadas com registradores específicos para eventos de power quality com os principais resultados desse monitoramento contínuo. Valores em regime permanente são comparados aos limites recomendados  e sugestões quanto à interpretação  dos resultados são descritos. Desta forma, tem-se um histórico  do  comportamento e tendências para os índices relacionados à conformidade da onda de tensão em diversos  pontos  de fornecimento  e instalação de consumidores industriais localizados na região metropolitana. Problemas com interrupções de processos produtivos por variações momentâneas de tensão foram avaliados durante a realização do programa de monitoramento, juntamente com a proposição  de  nativas  na  busca  de  uma  melhor compatibilidade. Indicadores para afundamentos de tensão são discutidos no âmbito dos resultados das medições e na comparação com curvas de sensibilidade. Esses indicadores são de fundamental importância a elaboração de estudos de planejamento visando à melhoria do sistema elétrico no que se refere ao  fornecimento  de  energia  a  cargas  sensíveis.  Os dados serão utilizados para a determinação de alguns índices relacionados à duração e magnitude dos afundamentos  de tensão [1][2][4]. Deste modo, obteve-se um perfil de diversas grandezas que definem a qualidade de energia fornecida.

2.0 - LIMITES RECOMENDADOS


Este item descreve os valores adotados como referência em relação aos limites das grandezas de desempenho.  Além  da regulação  de  tensão,  que  no caso  específico,  deve  manter  os  níveis  das  tensões RMS  em  valores  de,  no  máximo,  ±  5%  da  tensão nominal, considera-se  as demais grandezas em regime permanente, conforme apresentado em seguida. Os padrões  que estão  sendo  propostos,  denominados limites globais, são fundamentados nas recomendações que foram elaboradas no âmbito do GCOI & GCPS e serão utilizados para efeito de comparação aos limites máximos estabelecidos [5].

2.1 Distorção Harmônica


Os limites globais recomendados para a distorção harmônica  são apresentados  na Tabela 1, em termos dos valores máximos admissíveis para as tensões harmônicas  individuais (Vh) e também para a distorção harmônica total (DHT), de acordo com a classe de tensão. Em relação às condições de limitação de correntes harmônicas por usuário, ainda não foram propostos  limites  em  âmbito  nacional,  mas  a norma IEEE - 519 estabelece alguns índices neste sentido, considerando o nível de curto-circuito e a máxima corrente demandada [3], conforme mostra a Tabela 2.

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2.2 Flutuação de Tensão


Os limites globais recomendados para a flutuação de tensão  são  dados  na  Tabela  3,  considerando os índices  de severidade  de cintilação  (flicker)  de curta (PST) e longa duração (PLT).

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2.3 Desbalanço de Tensão


O limite global recomendado para o desbalanço de tensão é apresentado na Tabela 4, sendo expresso através do fator de desequilíbrio  (k), o qual representa a relação entre a componente  de seqüência negativa e positiva da tensão.

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3.0 - RESULTADOS  OBTIDOS


Durante a implementação  e ução do programa de qualidade de energia da AES Sul foram monitorados diversos pontos do sistema de distribuição, incluindo medições simultâneas em subestações e consumidores industriais. Entretanto, a título de demonstração da metodologia de análise empregada, serão apresentados os resultados considerando os dados obtidos em um único ponto de medição, mais especificamente,  num dos alimentadores  na classe de 25 kV, derivado da SE Cidade Industrial, localizada na cidade de Canoas/RS. Os registros referem-se a medição com três TP’s e TC’s por um período contínuo de aproximadamente  4 meses, avaliando-se tanto as grandezas  em regime permanente  como as variações de tensão de curta duração.

3.1 Grandezas em Regime Permanente


São apresentados os resultados obtidos durante o monitoramento  realizado  no ponto de fornecimento  da SE Cidade Industrial.  A figura 1 mostra a tensão RMS considerando  as três fases no período  de 10/06/01  à 05/10/01, agregando-se os valores a intervalos de 10 minutos.  Neste caso, as tensões  RMS se mantiveram na faixa considerada  adequada  com valores próximos aos nominais. Conforme procedimento adotado, inicialmente, foram avaliados os dados em intervalos semanais,  comparando  com os limites recomendados sob o aspecto de conformidade  da onda de tensão [5]. A figura 2 mostra o comportamento das grandezas relativas  a fase A e do desbalanço  junto aos respectivos  limites  globais  num  período  semanal,  os quais não foram violados. As demais fases mostraram dados similares e estado de referência satisfatório.

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A figura 3 apresenta o histograma geral da distorção harmônica   de  tensão,  cujo  limite  também  não  foi violado durante todo o intervalo de análise.

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Já em relação a distorção harmônica das correntes, registrou-se   valores  consideráveis,   como  mostra  a figura 4. Entretanto, conforme o fabricante do equipamento de medição, este fato se deve ao erro considerável dos transdutores e conversores A/D no período de carga leve. Na atual versão este inconveniente já está solucionado. Os resultados dos índices de severidade  de cintilação são mostrados nas figuras 5 e 6, sendo que somente os dados de longa duração foram violados durante determinadas amostras. Porém, durante o monitoramento não foram verificadas  quaisquer  reclamações  quanto a possíveis problemas de cintilação no referido sistema.

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A figura 7 mostra o comportamento do fator de desbalanço de tensão, com valores bem inferiores ao limite de 2% adotado como referência.

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3.2 Variações de Tensão de Curta Duração (VTCD)


Com os dados registrados,  realizou-se  o levantamento do perfil das variações momentâneas  de tensão, dando especial ênfase às características principais quanto às ocorrências  dos afundamentos  para  posterior  análise de alguns indicadores.  A figura 8 mostra os resultados das variações de acordo com a curva CBEMA, onde a grande   maioria   se   encontra   dentro   da   faixa   de operação normal. Salienta-se que existem diversas curvas de sensibilidade em função dos tipos de processos e características dos equipamentos e componentes  industriais, as quais devem ser utilizadas para avaliação  dos verdadeiros  impactos  ocasionados por variações de tensão em cada caso específico.

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A quantificação dos afundamentos foi realizada considerando  os  eventos  trifásicos  quanto  às  fases com intensidades mais severas e as suas respectivas durações,  obtendo-se  o gráfico  mostrado  na figura 9. Esta  forma  de  avaliação  fornece  o  comportamento geral  do sistema  quanto  ao perfil  das ocorrências  e, sendo assim, já representa a respectiva qualidade de energia do sistema. Observa-se que as partes mais representativas  das  ocorrências  não  tiveram  valores tão  severos   e  ao  mesmo   tempo   foram   de  curta duração, classificadas como eventos  instantâneos.

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4.0 - LEVANTAMENTO  DE INDICADORES PARA VARIAÇÕES DE TENSÀO DE CURTA DURAÇÃO


Utilizam-se   indicadores   de  VTCD’s   propostos   em âmbito mundial, os quais consideram as respectivas durações  e magnitudes  dos eventos,  diferenciando-se na metodologia de análise e forma de agregação [1].

4.1 Indicador UNIPEDE/DISDIP


Esta  metodologia  é  resultado  de  discussões  de  um grupo denominado UNIPEDE/DISDIP. Adotando este método, o qual consiste no tratamento exclusivo de afundamentos, tem-se a contagem do número de ocorrências  de acordo com as faixas de intensidades  e durações  equivalentes.  Neste  caso,  a intensidade  de um  afundamento  trifásico  é  definida  como  o  maior desvio (menor tensão remanescente) ocorrida nas três fases  em  relação  à tensão  nominal  do  sistema.  Por outro lado, a duração é dada prelo interalo em que a tensão de uma das fases é igual ou inferior ao limite de
0,9 pu, até o instante em que nenhuma das fases seja inferior a este limite. Este indicador corresponde ao resultado de uma avaliação estatística simples, normalmente considerando um período anual. Em contrapartida, existe o efeito de embaralhamento de fases, resultado da própria definição quanto à duração, podendo-se considerar a intensidade de uma fase e a duração de outra. Daí perde-se a correlação tanto com os eventos causadores dos afundamentos, como também dos efeitos sobre as cargas [4]. Nesta análise, utilizou-se uma contagem dos 58 afundamentos registrados  nas  respectivas  faixas  estabelecidas  por este método, por um período equivalente a 4 meses.

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4.2 Indicador ESKON (NRS-048)


Segundo  a  metodologia  proposta  pela  Norma  NRS-048,  a  intensidade  de  um  afundamento   de  tensão trifásico é definida como a maior queda do valor RMS da tensão ocorrida nas três fases. Os desvios percentuais são tomados em relação a uma tensão declarada, por exemplo, tensão nominal ou tensão de operação do sistema. Por outro lado, a duração é caracterizada em relação a pior fase afetada em cada evento registrado  [4]. A National Electricity  Regulator  - NER,  com  o  objetivo  de  fornecer  às  empresas  de energia elétrica da África do Sul uma forma de avaliar a qualidade no fornecimento de energia elétrica a seus clientes, definiu categorias  de afundamentos  de tensão conforme a Tabela 6 [1][4]. Adicionalmente, estabeleceu limites para os indicadores em função destas  categorias,  por  classes  de  tensão,  os  quais foram revisados e são apresentados na Tabela 7.

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Como  o período  total das medições  foi inferior  a um ano, utilizou-se a título de comparação uma aproximação  linear quanto ao período anual, obtendo- se os valores da Tabela 8, sendo que nestas condições, todos os limites foram inferiores aos recomendados segundo a Norma NRS-048 para a respectiva classe de tensão.

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4.3 Indicador EPRI/ELECTROTEK


A  metodologia   proposta   pelo  EPRI/ELECTROTEK enfoca tanto os afundamentos como as elevações de tensão [1][4]. Este método define a intensidade como sendo  a  máxima  queda  no  valor  eficaz  durante  um evento e a duração de um afundamento  como sendo o período de tempo em que a tensão RMS viola um limite de tensão declarado para avaliar o distúrbio. Para um sistema  trifásico  a intensidade  e duração  são  dadas pelas mesmas grandezas de fase em relação à tensão especificada.  Considerando  a sistemática  apresentada, o indicador usado pelo EPRI para a avaliação do desempenho  do sistema é o SARFI(x)  (System Average RMS Variation Frequency Index voltage), conforme equação (1).

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x - Limiar da tensão eficaz da variação de tensão, normalmente com os valores: 90, 80, 70, 50 e 10%;
NC - Número de consumidores afetados por afundamentos  de tensão  com  intensidade  abaixo  de
x%, devido a um evento medido i;
NT - Número de consumidores  supridos pela seção do sistema a ser avaliado.

Salienta-se   que  este  indicador   permite   avaliar   o número de consumidores  afetados, entretanto,  tornam- se necessários cálculos complementares utilizando as amostras   das   medições,   modelagem   de   rede   e
técnicas de estimação de estado. Além do SARFI(x), também são definidos outros indicadores  semelhantes,
subdivididos em faixas de duração de acordo com a norma IEEE-1159, ou seja, relacionados às variações instantâneas, momentâneas e temporárias [2].
Considerando que o indicador SARFI(x)  para uma localização  específica  é o número  de  afundamentos por um período de tempo com tensão inferior a x, os indicadores para este sistema são dados como segue.

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4.4 Indicador Sag Score


Vários são os parâmetros utilizados nos contratos de energia, os quais tendem a ficar cada vez mais detalhados em função das exigências de mercado. Por exemplo, para um consumidor  sensível, é interessante estabelecer a probabilidade do número de afundamentos, considerando a intensidade e duração, esperados  e garantidos  em contratos.  Como exemplo, o Sag Score (Detroit  Edison),  é um dos primeiros métodos utilizados em contratos de energia elétrica por parte de grandes consumidores  industriais.  Este índice é definido como a queda de tensão média trifásica [1]:

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A vantagem  deste método  é a simplicidade,  contudo, não considera a duração, que é um importante parâmetro para indicar o impacto visto pelas cargas sensíveis.  Alguns  dos  critérios  para  se  calcular  os índices  anuais em um sistema  utilizando  este método são  [6]:  Os  dados  referentes  aos  afundamentos  de tensão devem ser agregados em intervalos mínimos de 15 minutos  para cada ponto  de medição;  Se uma ou duas fases apresentarem  valores superiores  a 1,0 pu, os mesmos são considerados  unitários;  A qualificação é utilizada e normalmente afundamentos com valores superiores  a 0,75 pu não são considerados.  A Tabela 10 mostra os resultados avaliados por este indicador.

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4.5 Indicador Perda de Energia


Este método é bastante interessante porque caracteriza   a  quantidade   de  energia   que  não  foi liberada à carga no instante de ocorrência de um afundamento   [1][6].  A  perda  de  energia  é  definida como a integral da queda de energia durante o evento, conforme a equação (3).

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Segundo  a definição  de Thallam,  a energia  relativa  a um afundamento de tensão (Voltage Sag) é dada por:

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Conforme  proposto  por  Heidt  e Thallam,  a perda  de energia relacionada a um afundamento é calculada considerando  o  expoente  3,14,  que  é  resultante  da Curva CBEMA, a qual para subtensões  apresenta uma característica de energia basicamente constante [6].

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Para o caso trifásico, tem-se:

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Para tratamento de eventos não retangulares a definição da integral é utilizada [1]. A partir dos resultados do monitoramento e da equação (6), realizou-se a avaliação deste indicador durante os eventos de afundamentos,  como mostrado a seguir.

Total de Energia Perdida (?PE) = 345,30 pu
Número de eventos (NE) = 58
Índice Médio de Energia Perdida (IMEP) = 6,10 pu

5.0 - CONCLUSÕES


Este  trabalho  apresentou  um levantamento  e análise dos principais parâmetros  relacionados  à qualidade  de energia durante o monitoramento na SE Cidade Industrial,   previsto   no  programa   de  qualidade   de energia  implementado  na AES  Sul. De uma  maneira geral é fundamental a implantação de sistemas de monitoramento  para obtenção das reais características de desempenho  em termos  de qualidade  de energia. Com uma base de dados consistente deverá ser estabelecido o perfil e índices de desempenho para verificação  de  áreas  e padrões  típicos.  Inicialmente, foram  descritos  os limites  recomendados  em  termos das grandezas em regime permanente. Conforme os procedimentos  de análise, os parâmetros de regulação, distorção harmônica, severidade de cintilação (flicker) e desbalanço de tensão foram analisados por períodos semanais e comparados aos limites globais adotados como referência. Além disso, os dados obtidos foram agregados e compactados  de maneira a representarem as  características   de  cada   grandeza   em  termos estatísticos.   Neste  sentido,  os  valores  referem-se aqueles  com  probabilidade  de  serem  superados  em apenas 5% do tempo efetivo de medição ou do número de  amostras,   exceto   o  índice   de  severidade   de cintilação de longa duração, o qual utiliza o nível de probabilidade  de P99%. Os resultados  das grandezas que definem a conformidade da onda de tensão em regime  permanente  foram  satisfatórios  com  valores dentro dos esperados.  Somente quanto ao índice PLT ocorreu  violação  do respectivo  limite,  entretanto,  não foram  relatados  problemas  com cintilação  no referido sistema.  Em relação  às variações  de tensão  de curta duração foram apresentadas as principais características dos eventos registrados, sendo que a maioria pode ser classificada  como do tipo instantânea e com valores não tão severos no ponto de medição. Devido à importância da determinação de indicadores para afundamentos de tensão, diversos modos de análise   foram  utilizados,   incluindo   os  indicadores Score e Perda de Energia.  Salienta-se  que ainda não existe consenso quanto à forma mais adequada de expressar a qualidade de energia em termos dessas variações.  Aliás,  diversos  modos  de  caracterização estão sendo estudados e propostos por grupos de trabalho em nível mundial. De qualquer modo, existe a necessidade comparativa destes índices em vários pontos do sistema, pois a partir destes resultados tem- se uma avaliação sistêmica. Quanto a este aspecto, o programa  de  monitoramento   da  AES  Sul  está  em andamento  e objetiva o levantamento  de áreas quanto à qualidade  do fornecimento,  utilizando  como mesma metodologia apresentada neste trabalho.

6.0 - REFERÊNCIAS  BIBLIOGRÁFICAS


[1] Voltage Sag Indices - Draft 2. Working Document for IEEE P1564, Nov, 2001.
[2] IEEE Std. 1159-1995, IEEE Recommended  Practice for Monitoring Electric Power Quality.
[3] IEEE Std. 519-1992, IEEE Recommended  Practices and Requeriments for Harmonic Control in Electrical Power Systems.
[4] Filho, J.M.C., Paulilo, G., Abreu, J.P.G. Panorama Mundial sobre Indicadores para Afundamentos de Tensão. IV SBQEE. Porto Alegre, RS, Ago, 2001.
[5] GTAD-SCEL/GCOI e GTST-CTSC/GCPS - Minuta de Portaria.  Procedimentos  de Medição  para Aferição da Qualidade  da Onda de Tensão  quanto ao Aspecto de Conformidade,  Out, 1997.
[6] Thallam, R.S., Heydt, G.T. Power Acceptability and Voltage Sag Indices in Three Phase Sense. IEEE PES Summer Meeting, July, 2000.

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