Medições / Estudos de Qualidade de Energia

Medição de Qualidade de Energia Elétrica, Medição de Energia ou Medição de Qualidade de Energia

Qualidade de Energia pode ser compreendida, basicamente, como a aptidão de energia elétrica em alimentar equipamentos ou quaisquer dispositivos que consumem energia elétrica. Sobretudo nos quesitos de sincronismo de frequência e nível de tensão que permitem que os sistemas elétricos operem da maneira pretendida, sem perda significativa de desempenho ou vida útil. O termo qualidade de energia é usado para normalmente para descrever a energia eléctrica que alimenta determinada carga, bem como a capacidade da carga para funcionar corretamente. Sem a alimentação adequada, um aparelho elétrico (ou carga) pode funcionar mal, falhar prematuramente ou  simplesmente não funcionar. Há muitos aspectos em que energia elétrica pode ser de má qualidade e muitas são as causas de tal má qualidade de energia.

A qualidade de energia tem se tornado um termo muito utilizado nos dias atuais, embora não exista ainda um consenso quanto ao seu emprego, podendo ter significados diferentes dependendo do referencial e ponto de vista. As concessionárias de energia elétricas têm definido atualmente a qualidade de energia com base a indicadores estatísticos e dos limites de variação de tensão estabelecidos pelas portarias da ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica.

Para o consumidor final a qualidade de energia é dispor do produto de forma contínua e eficiente. De um modo geral a qualidade de energia tem sido empregada para englobar uma grande variedade de distúrbios nos sistemas elétricos, os quais sempre foram objetos de preocupação das concessionárias e indústrias.

Os fabricantes de equipamentos podem definir a qualidade de energia como sendo as características de fornecimento de energia capazes de suprir as necessidades do equipamento, sendo que isto pode variar de fabricante para fabricante.

Com relação à conformidade dos níveis de tensão de energia elétrica em regime permanente, esta medição utiliza a Resolução Nº 505, de 26 de novembro de 2001, que define limites do valor eficaz da tensão no ponto de entrega ou conexão. Os valores podem ser classificados em adequada, precária e crítica, sendo que para uma análise preliminar, e em acordo ao Artigo 5º desta resolução, utilizamos que a tensão medida (leitura) deva situar-se entre 95% (noventa e cinco por cento) e 105% (cento e cinco por cento) da tensão nominal de operação do sistema no ponto de entrega ou de conexão.

Nos dias de hoje a medição da qualidade de energia elétrica é determinada pela sensibilidade e desempenho dos equipamentos do consumidor. Assim, por este enfoque, a qualidade satisfatória é aquela que venha a garantir o funcionamento contínuo, seguro e adequado dos equipamentos elétricos e processos associados. Para uma avaliação mais adequada de um equipamento é sempre necessário verificar os limites de operação deste referido equipamento e comparar com os valores obtidos pelo monitoramento da energia elétrica.

Principais Distúrbios Associados à Qualidade de Energia

Em qualquer ponto de um sistema elétrico trifásico ideal, as tensões deveriam ser, de forma permanente, perfeitamente senoidais, equilibradas com amplitude e frequência constantes. Qualquer desvio na característica desses parâmetros é considerado um problema de qualidade de energia (distúrbios).

Logo, existindo problemas o que ocorre de fato é um desvio na forma de onda na tensão de alimentação, ou seja, qualidade de energia é igual à qualidade de tensão. Com este princípio, de que há normas para tensão, a medição de sua qualidade torna-se uma tarefa menos complicada.

O limite para a distorção harmônica total de tensão é obtido com referência a IEEE Std 519/1992 – HARMONIC CONTROL IN ELECTRIC POWER SYSTEMS. Onde, de um modo geral, possui um valor de 5% para tensão igual e inferior a 69 kV, entre 69 kV e 161 kV seu valor é de 2,5% e de 1,5% para tensão igual e superior a 161 kV.

Com relação à distorção harmônica total de corrente é utilizado o valor de referência de 15%, sendo que este é um valor empírico em que a vida útil de transformadores começa a ser reduzida, bem como sinaliza-se a tendência de eventuais problemas na instalação.

Quando o valor medido chega próximo à referência e existem capacitores instalados no consumidor é recomendada à medição nos capacitores para verificar se a distorção não está afetando a vida útil destes equipamentos também.

Limites práticos utilizados em medições de qualidade de energia

• Distorção harmônica total de tensão 5 % (Recomendação inferior a 5% segundo IEEE Std 519-1992)

• Distorção harmônica total de corrente 15 % (Recomendação inferior a 15%, segundo fabricantes de transformadores).

• Desequilíbrio de tensão 2 % (Recomendação ONS, Submódulo 2.2 com de Fator K menor ou igual 2%, www.ons.org.br).

• Desequilíbrio de corrente 10 % (Recomendação inferior a 10%, segundo fabricantes de transformadores).

Deve-se ressaltar que os limites apresentados acima podem variar de acordo com as necessidade e características de cada instalação.

Outras distúrbios também devem ser avaliadas em uma medição de qualidade de energia:

•Transitórios, dos tipos impulsivos ou oscilatórios.

•variações de tensão de curta duração, que podem ser instantâneas, momentâneas, ou temporárias.

•variações de tensão de longa duração, que podem ser de três tipos: interrupcões, subtensões ou sobretensões sustentadas.

•desequilíbrios de tensão, causados por má distribuição de cargas monofásicas, e que fazem surgir no circuito tensões de sequência negativa.

•distorções da forma de onda, que podem ser classificadas em cinco tipos: nível cc, harmônicos, interharmônicos, “notching”, e ruídos.

•oscilações de tensão, que são variações sistemáticas dos valores eficazes da tensão de suprimento (dentro da faixa compreendida entre 0,95 e 1,05 pu), e que podem ser aleatórias, repetitivas ou esporádicas.

•variações da frequência do sistema, que são definidas como sendo desvios no valor da frequência fundamental deste sistema (50 ou 60hz).

TRANSITÓRIOS

Fenômenos eletromagnéticos oriundos de alterações súbitas nas condições operacionais de um sistema de energia elétrica. Geralmente, a duração de um transitório é muito pequena, mas de grande importância, uma vez que submetem equipamentos a grandes solicitações de tensão e/ou corrente. Existem dois tipos de transitórios: os impulsivos, causados por descargas atmosféricas, e os oscilatórios, causados por chaveamentos.

Um transitório impulsivo (normalmente causado por descargas atmosféricas) pode ser definido como uma alteração repentina nas condições de regime permanente da tensão, corrente ou ambas, caracterizando-se por apresentar impulsos unidirecionais em polaridade (positivo ou negativo) e com frequência bastante diferente daquela da rede elétrica.

Em sistemas de distribuição o caminho mais provável para as descargas atmosféricas é através de um condutor fase, no primário ou no secundário, causando altas sobretensões no sistema. Uma descarga diretamente na fase pode gerar também subtensões de curta duração (“sag”) e interrupções.

Altas sobretensões transitórias podem também ser geradas por descargas que fluem ao longo do condutor terra, causando os seguintes problemas:

• Elevação do potencial do terra local, em relação a outros terras, em vários kV. Equipamentos eletrônicos conectados entre duas referências de terra, tais como computadores conectados a modems, podem ser danificados quando submetidos a altos níveis de tensão.

• Indução de altas tensões nos condutores fase, quando as correntes passam pelos cabos a caminho do terra.

Um transitório oscilatório é caracterizado por uma alteração repentina nas condições de regime permanente da tensão e/ou corrente possuindo valores de polaridade positiva e negativa. Estes transitórios normalmente são decorrentes de energização de linhas, corte de corrente indutiva, eliminação de faltas, chaveamento de bancos de capacitores e transformadores, etc.

Os transitórios oscilatórios de média-frequência podem ser causados por: energização de capacitor “back-to-back” (resultando em correntes transitórias de dezenas de kHz), chaveamento de disjuntores para eliminação de faltas e também como resposta do sistema a um transitório impulsivo.

INTERRUPÇÕES E SAGS

As variações de tensão de curta duração podem ser caracterizadas por alterações instantâneas, momentâneas ou temporárias. Tais variações de tensão são, geralmente, causadas pela energização de grandes cargas que requerem altas correntes de partida, ou por intermitentes falhas nas conexões dos cabos de sistema. Dependendo do local da falha e das condições do sistema, o resultado pode ser uma queda de tensão temporária (“sag”), uma elevação de tensão (“swell”), ou mesmo uma interrupção completa do sistema elétrico.

Chama-se interrupção de curta duração quando a tensão de suprimento cai para um valor menor que 0,1 pu por um período de tempo não superior a 1 minuto, o que geralmente ocorre por faltas no sistema de energia, falhas de equipamentos e mal funcionamento de sistemas de controle. Algumas interrupções podem ser precedidas por um “sag” quando estas são devidas a faltas no sistema supridor. O “sag” ocorre no período de tempo entre o início de uma falta e a operação do dispositivo de proteção do sistema.

Por exemplo, o caso de um curto-circuito no sistema supridor da concessionária. Logo que o dispositivo de proteção detecta a corrente de curto-circuito, ele comanda a desenergização da linha com vistas a eliminar a corrente de falta. Somente após um curto intervalo de tempo, o religamento automático do disjuntor ou religador é efetuado. Entretanto, pode ocorrer que, após o religamento, o curto persista e uma sequência de religamentos pode ser efetuada com o intuito de eliminar a falta. A figura abaixo ilustra uma sequência de religamentos com valores típicos de ajustes do atraso. Sendo a falta de caráter temporário, o equipamento de proteção não completará a sequência de operações programadas e o fornecimento de energia não é interrompido.

Assim, a maior parte dos consumidores (principalmente os residenciais) não sentirá os efeitos da interrupção. Porém, algumas cargas mais sensíveis (ex.: computadores e outras cargas eletrônicas) estarão sujeitas a tais efeitos, a menos que a instalação seja dotada de unidades UPS (no-breaks), que evitarão maiores consequências na operação destes equipamentos.

Alguns dados estatísticos revelam que 75% das faltas em redes aéreas são de natureza temporária. No passado, este percentual não era considerado preocupante. Entretanto, com o crescente emprego de cargas eletrônicas, como inversores, computadores, etc., este número passou a ser relevante nos estudos de otimização do sistema, pois é, agora, tido como responsável pela saída de operação de diversos equipamentos, interrompendo o processo produtivo, e causando enormes prejuízos às indústrias.

Uma queda de tensão de curta duração, também chamada de “sag”, é caracterizada por uma redução no valor eficaz da tensão, entre 0,1 e 0,9 pu, na frequência fundamental, com duração entre 0,5 ciclo e 1 minuto. A figura ao lado ilustra uma subtensão de curta duração típica, causada por uma falta fase-terra. Observa-se um decréscimo de 80% na tensão por um período de aproximadamente 3 ciclos, até que o equipamento de proteção da subestação opere e elimine a corrente de falta.

SOBRETENSÕES

Uma sobretensão de curta duração ou “swell” é definida como um aumento entre 1,1 e 1,8 pu na tensão eficaz, na freqüência da rede, com duração entre 0,5 ciclo a 1 minuto. Os “swells” estão geralmente associados com condições de falta no sistema. A figura ao lado ilustra um “swell” causado por uma falta fase-terra. Este fenômeno pode também estar associado à saída de grandes blocos de cargas ou à energização de grandes bancos de capacitores, porém, com uma incidência pequena se comparada com as sobretensões provenientes de faltas fase-terra nas redes de transmissão e distribuição.

As sobretensões de curta duração são caracterizadas pelas suas magnitudes (valores eficazes) e suas durações. A severidade de um “swell” durante uma condição de falta é função do local da falta, da impedância do sistema e do aterramento. Sua duração está intimamente ligada aos ajustes dos dispositivos de proteção, à natureza da falta (permanente ou temporária) e à sua localização na rede elétrica.

Como consequência das sobretensões de curta duração em equipamentos, pode-se citar falhas dos componentes, dependendo da frequência de ocorrência do distúrbio. Dispositivos eletrônicos incluindo ASD’s, computadores e controladores eletrônicos, podem apresentar falhas imediatas durante estas condições. Transformadores, cabos, barramentos, dispositivos de chaveamento, TPs, TCs e máquinas rotativas podem ter a vida útil reduzida. Um aumento de curta duração na tensão em alguns relés pode resultar em má operação, enquanto outros podem não ser afetados. Um “swell” em um banco de capacitores pode, frequentemente, causar danos no equipamento.

Dentro do exposto, a preocupação principal recai sobre os equipamentos eletrônicos, uma vez que estas sobretensões podem vir danificar os componentes internos destes equipamentos, conduzindo-os à má operação, ou em casos extremos, à completa inutilização. Vale ressaltar mais uma vez que, a suportabilidade de um equipamento não depende apenas da magnitude da sobretensão, mas também do seu período de duração, conforme ilustra a figura ao lado, que mostra as tolerâncias típicas de microcomputadores às variações de tensão (curva CBEMA).

Diante de tais problemas causados por sobretensões de curta duração, este item de qualidade sugere que seja mantida uma atenção por parte de consumidores, fabricantes e concessionárias, no intuito de eliminar ou reduzir as consequências oriundas deste fenômeno.

DESEQUILÍBRIOS DE TENSÃO

Os desequilíbrios podem ser definidos como o desvio máximo da média das correntes ou tensões trifásicas, dividido pela média das correntes ou tensões trifásicas, expressado em percentual. As origens destes desequilíbrios estão geralmente nos sistemas de distribuição, os quais possuem cargas monofásicas distribuídas inadequadamente, fazendo surgir no circuito tensões de sequência negativa. Este problema se agrava quando consumidores alimentados de forma trifásica possuem uma má distribuição de carga em seus circuitos internos, impondo correntes desequilibradas no circuito da concessionária.

Tais fatores fazem com que a qualidade no fornecimento de energia seja prejudicada, e alguns consumidores tenham em suas alimentações um desequilíbrio de tensão. Estes desequilíbrios de tensão podem apresentar problemas indesejáveis na operação de equipamentos, dentre os quais destacam-se:

• Motores de Indução: Para as análises dos efeitos de tensões desequilibradas aplicadas a um motor de indução, considera-se somente os efeitos produzidos pelas tensões de sequência negativa, que somados aos resultados da tensão de sequência positiva, resultam num conjugado pulsante no eixo da máquina (vide figura), e no sobreaquecimento da máquina. Como consequência direta desta elevação de temperatura tem-se a redução da expectativa de vida útil dos motores, visto que o material isolante sofre uma deterioração mais acentuada na presença de elevadas temperaturas nos enrolamentos.

• Máquinas síncronas: Como no caso anterior, a corrente de sequência negativa fluindo através do estator de uma máquina síncrona, cria um campo magnético girante com velocidade igual à do rotor, porém, no sentido contrário ao de rotação definido pela sequência positiva. Consequentemente, as tensões e correntes induzidas nos enrolamentos de campo, de amortecimento e na superfície do ferro do rotor, terão uma frequência igual a duas vezes à da rede, aumentando significativamente as perdas no rotor.

• Retificadores: Uma ponte retificadora CA/CC, controlada ou não, injeta na rede CA, quando esta opera sob condições nominais, correntes harmônicas características (de ordem 5, 7, 11, 13, etc). Entretanto, quando o sistema supridor encontra-se desequilibrado, os retificadores passam a gerar, além das correntes harmônicas características, o terceiro harmônico e seus múltiplos. A presença do terceiro harmônico e seus múltiplos no sistema elétrico é extremamente indesejável, pois possibilita manifestação de ressonâncias não previstas, causando danos a uma série de equipamentos.

DISTORÇÕES NA FORMA DE ONDA

A distorção da forma de onda é definida como um desvio, em regime permanente, da forma de onda puramente senoidal, na frequência fundamental, e é caracterizada principalmente pelo seu conteúdo espectral. Existem cinco tipos principais de distorções da forma de onda:

• Harmônicos: tensões ou correntes senoidais de frequências múltiplas inteiras da frequência fundamental (50 ou 60 Hz) na qual opera o sistema de energia elétrica. Estes harmônicos distorcem as formas de onda da tensão e corrente e são oriundos de equipamentos e cargas com características não-lineares instalados no sistema de energia.

• Interharmônicos: componentes de freqüência, em tensão ou corrente, que não são múltiplos inteiros da frequência fundamental do sistema supridor (50 ou 60Hz). Elas podem aparecer como frequências discretas ou como uma larga faixa espectral. Os interharmônicos podem ser encontrados em redes de diferentes classes de tensão. As suas principais fontes são conversores estáticos de potência, ciclo conversores, motores de indução e equipamentos a arco. Sinais “carrier” em linhas de potência também podem ser considerados como interharmônicos. Os efeitos deste fenômeno não são bem conhecidos, mas admite-se que os mesmos podem afetar a transmissão de sinais “carrier” e induzir “flicker” visual no display de equipamentos como tubos de raios catódicos.

• Nível CC: a presença de tensão ou corrente CC em um sistema elétrico CA é denominado “DC offset”. Este fenômeno pode ocorrer como o resultado da operação ideal de retificadores de meia-onda. O nível CC em redes de corrente alternada pode levar à saturação de transformadores, resultando em perdas adicionais e redução da vida útil.

• “Notching”: distúrbio de tensão causado pela operação normal de equipamentos de eletrônica de potência quando a corrente é comutada de uma fase para outra. Este fenômeno pode ser detectado através do conteúdo harmônico da tensão afetada. As componentes de frequência associadas com os “notchings” são de alto valor e, desta forma, não podem ser medidas pelos equipamentos normalmente utilizados para análise harmônica.

• Ruídos: é definido como um sinal elétrico indesejado, contendo uma larga faixa espectral com frequências menores que 200 KHz, as quais são superpostas às tensões ou correntes de fase, ou encontradas em condutores de neutro. Os ruídos em sistemas de potência podem ser causados por equipamentos eletrônicos de potência, circuitos de controle, equipamentos a arco, retificadores a estado sólido e fontes chaveadas e, normalmente estão relacionados com aterramentos impróprios.

Medição de Harmônicas (ou Harmônicos) ou distorções harmônicas (ou harmônicos)

Tecnicamente, uma harmônica é a componente de uma onda periódica cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental (no caso da energia elétrica, de 60 Hz). A melhor maneira de explicar isto é com a ilustração ao lado. Nesta figura, vemos duas curvas: uma onda senoidal normal, representando uma corrente de energia “limpa”, e outra onda menor, representando uma harmônica. Esta segunda onda menor representa a harmônica de quinta ordem, o que significa que sua frequência é de 5 x 60 Hz, ou 300 Hz.

Na segunda ilustração, vemos como ficaria a soma das duas curvas. Esta curva resultante mostra bem a distorção harmônica da curva de tensão, na presença de harmônicas.

As distorções harmônicas vêm contra os objetivos da qualidade do suprimento promovido por uma concessionária de energia elétrica, a qual deve fornecer aos seus consumidores uma tensão puramente senoidal, com amplitude e frequência constantes. Entretanto, o fornecimento de energia a determinados consumidores que causam deformações no sistema supridor, prejudicam não apenas o consumidor responsável pelo distúrbio, mas também outros conectados à mesma rede elétrica.

No passado não havia maiores preocupações com harmônicos. Cargas com características não lineares eram pouco utilizadas e os equipamentos eram mais resistentes aos efeitos provocados por harmônicas. Entretanto, nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da eletrônica de potência, e a utilização de métodos que buscam o uso mais racional da energia elétrica, o conteúdo harmônico presente nos sistemas tem-se elevado, causando uma série de efeitos indesejáveis em diversos equipamentos, comprometendo a qualidade e o próprio uso racional da energia elétrica.

Assim, é de grande importância citar aqui os vários tipos de cargas elétricas com características não lineares, que têm sido implantadas em grande quantidade no sistema elétrico brasileiro:

•circuitos de iluminação com lâmpadas de descarga;

• fornos a arco;

• compensadores estáticos tipo reator saturado, etc.

• motores de corrente contínua controlados por retificadores;

• motores de indução controlados por inversores com comutação forçada;

• processos de eletrólise através de retificadores não-controlados;

• motores síncronos controlados por cicloconversores;

• fornos de indução de alta frequência, etc.

• fornos de indução controlados por reatores saturados;

• cargas de aquecimento controladas por tiristores;

• velocidade dos motores CA controlados por tensão de estator;

• reguladores de tensão a núcleo saturado;

• computadores;

• eletrodomésticos com fontes chaveadas, etc.

Como já foi dito, as distorções harmônicas causam muitos prejuízos às plantas industriais. De maior importância, são a perda de produtividade, e de vendas devido a paradas de produção causadas por inesperadas falhas em motores, acionamentos, fontes ou simplesmente “repicar” de disjuntores.

Segue relação mais detalhada destes prejuízos:

• Capacitores: queima de fusíveis, e redução da vida útil.

• Motores: redução da vida útil, e impossibilidade de atingir potência máxima.

• Fusíveis/Disjuntores: operação falsa/errônea, e componentes danificados.

• Transformadores: aumento de perdas, causando redução de capacidade e diminuição da vida útil.

• Medidores: possibilidade de medições errôneas e de maiores contas.

• Telefones: interferências.

• Máquinas Síncronas: sobreaquecimento das sapatas polares, causado pela circulação de correntes harmônicas nos enrolamentos amortecedores.

• Acionamentos/Fontes: operações errôneas devido a múltiplas passagens por zero, e falha na comutação de circuitos.

• Carregamento exagerado do circuito de neutro, principalmente em instalações que agregam muitos aparelhos eletrônicos e possuem malhas de terra mal projetadas.

Os principais problemas causados por harmônicos, no entanto, se dão junto a bancos de capacitores, que podem originar condições de ressonância, caracterizando uma sobretensão nos terminais das unidades capacitivas.

Em decorrência desta sobretensão, tem-se uma degradação do isolamento das unidades capacitivas, e em casos extremos, uma completa danificação dos capacitores. Além disso, consumidores conectados no mesmo ponto ficam submetidos a tensões perigosas, mesmo não sendo portadores de cargas poluidoras em sua instalação. Mesmo sem uma condição de ressonância, um capacitor é sempre um caminho de baixa impedância para as correntes harmônicas, e sempre estará sempre sujeito a sobrecarga e sobreaquecimento excessivo.

FLUTUAÇÕES OU OSCILAÇÕES DE TENSÃO

As flutuações de tensão correspondem a variações sistemáticas dos valores eficazes da tensão de suprimento dentro da faixa compreendida entre 0,95 e 1,05 pu. Tais flutuações são geralmente causadas por cargas industriais e manifestam-se de diferentes formas, a destacar:

• Flutuações Aleatórias: causadas por fornos a arco, onde as amplitudes das oscilações dependem do estado de fusão do material e do nível de curto-circuito da instalação.

• Flutuações Repetitivas: causadas por máquinas de solda, laminadores, elevadores de minas e ferrovias.

• Flutuações Esporádicas: causadas pela partida direta de grandes motores.

Os principais efeitos nos sistemas elétricos, resultados das oscilações causadas pelos equipamentos mencionados anteriormente são oscilações de potência e torque das máquinas elétricas, queda de rendimento dos equipamentos elétricos, interferência nos sistemas de proteção, e efeito “flicker” ou cintilação luminosa.

VARIAÇÕES NA FREQUÊNCIA DO SISTEMA ELÉTRICO

Variações na frequência de um sistema elétrico são definidas como sendo desvios no valor da frequência fundamental deste sistema (50 ou 60Hz). A frequência do sistema de potência está diretamente associada à velocidade de rotação dos geradores que suprem o sistema. Pequenas variações de frequência podem ser observadas como resultado do balanço dinâmico entre carga e geração no caso de alguma alteração (variações na faixa de 60 ± 0,5Hz). Variações de frequência que ultrapassam os limites para operação normal em regime permanente podem ser causadas por faltas em sistemas de transmissão, saída de um grande bloco de carga ou pela saída de operação de uma grande fonte de geração.

Em sistemas isolados, entretanto, como é o caso da geração própria nas indústrias, na eventualidade de um distúrbio, a magnitude e o tempo de permanência das máquinas operando fora da velocidade, resultam em desvios da frequência em proporções mais significativas.

 

Fonte: https://www.engenheirosassociados.com.br/servicos/medicoes-estudos-de-qualidade-de-energia/