Qualidade da Energia Eléctrica: Perturbações e Soluções Reparadoras
Luís Oliveira
Jornadas Técnicas de Electrotecnia07-11-2012
Departamento Engenharia Electrotécnica
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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Conceito de Qualidade da Energia Eléctrica
Qualidade de Energia Eléctrica (QEE):
A energia fornecida por um sistema eléctrico tem
qualidade quando garante o funcionamento do
equipamento eléctrico, sem que se verifiquem
alterações de desempenho significativas.
Fonte: Manual da Qualidade de Energia Eléctrica, EDP.
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Especificidades do produto electricidade
O produto electricidade:Armazenamento muito limitado – é produzido praticamente ao mesmo tempo que é consumido.
Consumidores diferentes têm exigências de qualidade de serviço diferentes
A qualidade pode ser afectada pelo fornecedor, pelo distribuidor ou pelo cliente
A rede de distribuição tem um forte impacto na qualidade da electricidade
São frequentes e imprevisíveis os acidentes com forte impacto na qualidade
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Importância da Qualidade da Energia Eléctrica
Utilização do termo "Power Quality" em títulos/resumos/palavras‐chave de artigos publicados
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Importância da Qualidade da Energia Eléctrica
Custos inerentes às interrupções de tensão:
Fonte: Manual da Qualidade de Energia Eléctrica, EDP.
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O que é a qualidade no produto energia?
Continuidade de serviço (Fiabilidade)
Ausências de interrupções (continuidade de tensão, caracterizada pela frequência e duração das interrupções de fornecimento de energia eléctrica)
Qualidade da onda
Amplitude constante com valor nominal
Frequência constante
Sistema de tensões equilibrado e simétrico
Distorção harmónica
Qualidade comercial
Atendimento (presencial ou telefónico)
Informação disponibilizada (Contratos, opções, serviços, reclamações, facturação, etc)
Padrões para a qualidade comercial
Fonte: Humberto Jorge; Acetatos da disciplina de Qualidade de Energia; DEEC-FCTUC
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Alteração da natureza das cargas
Desde o início do século XX até 1970’s
Sector em permanente expansão e sem grandes problemas com a Qualidade de Energia
Cargas robustas e pouco poluidoras
Cargas lineares: resistivas, indutivas e capacitivas
Não Lineares: fornos a arco, transformadores …
Após 1970
Aparecimento do transístor (e tiristor) e electrónica de potência
Proliferação de cargas não lineares, altamente poluidoras
Cargas simultaneamente mais sensíveis e mais perturbadoras da qualidade de energia
Fonte: Humberto Jorge; Acetatos da disciplina de Qualidade de Energia; DEEC-FCTUC
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Perturbações na Qualidade de Energia
Processo ainda assente maioritariamente em grandes centros produtores.
Funcionamento síncrono.
Oferta = procura em cada instante.
Sistema Distribuído de T&D até às cargas.
A QEE no local de geração.
Degradação introduzida pelo sistema de T&D.
Degradação introduzida pelas cargas.
Fontes: Traça de Almeida, Qualidade de Energia Eléctrica, ISR, (www.edp.pt)
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Tipos de perturbações na QEE
Algumas perturbações:
Interrupções (curtas ou longas)
Cavas de tensão
Sobretensão momentânea
Tensões harmónicas
Ruído (interferência electromagnética)
Inter-harmónicos
Tremulação (flicker);
Micro-cortes
Sobretensões transitórias;
Desequilíbrio da tensão trifásica;
Oscilações da frequência
Tensão
1 min Duração3 min
100 %110 %
1 %
Cavasde
tensão
Transitórios
Flutuações de tensãoFlutuações de tensão
Interrupções breves Interrupções longas
Abaixamentos de tensão
Sobretensões
10 ms
90 %
Fonte: A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt).
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Perturbações registadas em MT em Portugal
Caracterização das perturbações à entrada de uma instalação industrial Região Centro de Portugal, ano de 2003.
Número de perturbações
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Perturbações na QEE: Interrupção momentânea
Interrupção momentânea: a tensão de alimentação, no ponto de entrega ao Cliente, é inferior a 1% da tensão declarada:
Classificada consoante a duração:
longa: (duração superior a 3 minutos) provocada por um defeito permanente;
breve: (duração não superior a 3 minutos) provocada por um defeito transitório.
Classificada consoante o tipo:
interrupção prevista
interrupção acidental
Fontes:J. L. Afonso e J. S. Martins, "Qualidade da energia eléctrica"; Revista o Electricista, 2004.
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Regulamento de Qualidade de Serviço
Energia Não Fornecida (ENF), em Watt‐hora
Tempo de Interrupção Equivalente (TIE), em minutos
Tempo de Interrupção Equivalente da Potência Instalada (TIEPI), em minutos
System Average Interruption Frequency Index (SAIFI) – Frequência Média das Interrupções do Sistema, em número de interrupções por ponto de entrega
System Average Interruption Duration Index (SAIDI) – Duração Média de Interrupções do Sistema, em minutos
Momentary Average Interruption Frequency Index (MAIFI) – Frequência Média das Interrupções Breves do Sistema, em número de interrupções por ponto de entrega
Average Service Availability Index (ASAI) – Disponibilidade Média do Sistema, em %
Costumer Average Interruption Duration Index (CAIDI) – Duração Média das Interrupções no Ponto de Entrega, em minutos por interrupção
Indicadores de continuidade de tensão
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Perturbações na QEE: Cavas de tensão
Cavas de tensão (voltage sag ou voltage dip)
Diminuição brusca da tensão para valores
entre 90% e 1% do valor nominal. A maior
parte das cavas de tensão dura menos de 1
minuto e tem uma amplitude inferior a 60%
As causas mais frequentes são os defeitos e as manobras na rede, as anomalias nas instalações dos consumidores, a ligação/desligação de cargas importantes
Fonte:Schneider-Electric, Cahier Technique no. 199, Power Quality.
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Cavas de tensão: origem
Origem das cavas de tensão em redes de T&D
AT
MT
Saída 2
Saída 1
t1
U1Un
tI1
In
tU2Un
t0 t
Cliente alimentado pela saída 2
Caso de um defeito permanente
U1Un
tI1
In
tU2
Un
t0 t1 t
Cliente alimentado pela saída 2
Caso de um defeito transitório
Cliente alimentado pela saída 1
Cliente alimentado pela saída 1
t2
t3 t4 t5t2
Caso de defeito permanente
Fonte: A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt).
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Cavas de tensão: exemplos
Amplitude: 32% Duração: 95ms
Amplitude: 12% Duração: 42ms
Amplitude: 14% Duração: 60ms
Fonte: A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt).
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Cargas mais sensíveis a cavas
Cargas mais sensíveis a cavasEquipamentos electrónicos
Baseados em microprocessadores (computadores e periféricos),
Redes de comunicação
Sistemas de telecomunicações
Controladores lógicos, autómatos (reset)
Accionamentos com variadores electrónicos de velocidade
V I
Contactores
Iluminação
Transformadores (sobrecorrente transitória no restabelecimento)
Fonte: Humberto Jorge; Acetatos da disciplina de Qualidade de Energia; DEEC-FCTUC
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Transformadores: sobrecorrente transitória pós‐cava
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Tensões
Correntes
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Curvas CBEMA e ITIC
Curva CBEMA (Computer and Business Equipment Manufacturers Association):
estabelece os limites admissíveis, para os quais o equipamento informático e de escritório
deve funcionar adequadamente. Esta curva, indicativa, apresenta os limites de tolerância do
equipamento para cavas de tensão, interrupções breves e sobretensões.
Região segura de operação
Zona proibida de baixa perigosidade
Zona proibida de alta perigosidade
106%
87%
1000100Ciclos
101 1000,10,001 0,01
Tensãonominal %
100%
50%
0%
150%
200%
250%
300%
20 mseg. 200 mseg. 2 seg. 20 seg.2 mseg.200microseg.
2
1
3
1
Tensão dentro dos limites.
Sobretensão de muito curta duração.
Cava de longa duração.
Interrupção de 2 segundos.
10 seg.
0,5
3
1
2
4
4
Banda de variação permitida 87 – 106% Valor Nominal
Base da EN 50160, do RQS, ...
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Curva ITIC
Curva ITIC (Information Technology Industry Council):
A curva CBEMA foi revista em 1996, surgindo uma nova versão conhecida como CBEMA
96 ou curva ITIC. Posteriormente, em 2000, também esta curva foi revista.
Zona de robustezdas cargas
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Perturbações na QEE: Sobretensão transitória
0.85 0.9 0.95 1 1.05‐30
‐20
‐10
0
10
20
30
(s)
iL1iL2iL3
Sobretensão transitória (voltage swell):
Pode ser provocada, entre
outros casos, por situações
de defeito ou operações de
comutação de equipamentos
ligados à rede eléctrica.
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Sobretensões
Classificação de sobretensõesBaixa frequência – Quando ocorrem à frequência do sistema (50Hz)
Alta frequência – Apresentam frequências muito superiores a 50Hz
Sobretensões transitóriasVariações extremamente rápidas da tensão, com durações tipicamente compreendidas entre os micro e os milisegundos
Duração Frequência (ou taxa de crescimento)
Amortecimento com a distância
Descargas atmosféricas Muito curta (s) Muito alta ( até 1.000 kV/s) Forte Descargas electrostáticas Muito curta (ns) Alta (10MHz) Muito forte
Comutação Curta (ms) Média (1 a 200 kHz) Médio Sobretensões temporárias à frequência do sistema
Longa (s) ou Muito longa (h) 50 Hz Não existe
Fonte: A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt).
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No Sistema Eléctrico (fornecedor)
Comutação de Condensadores
Muito comuns na compensação do factor de potência
Amplificação devido a fenómenos de ressonância no sistema deenergia
Descargas Atmosféricas
Nas instalações do utilizador final
Dispositivos de electrónica de potência
Iluminação
Fenómenos de comutação de cargas
Fontes de Sobretensões Transitórias
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Comutação de baterias de condensadores
Reguladorestempo real
Cartas de controlo
Comutação com conversortiristorizado
Comutação electromecânica
Bateria de condensadores regulada por sistema de electrónica de potência
Ausência de transitórios
Comutação em tempo real
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Perturbações na QEE: Distorção harmónica
Distorção harmónica: :
Distorção harmónica: quando existem cargas não lineares ligadas à rede eléctrica
a corrente que circula nas linhas contém harmónicos e as quedas de tensão
provocadas pelos harmónicos nas impedâncias das linhas faz com que as tensões
de alimentação fiquem também distorcidas.
Fontes:J. L. Afonso e J. S. Martins, "Qualidade da energia eléctrica"; Revista o Electricista, 2004.
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Distorção harmónica
Origem da distorção harmónicaCargas não-lineares – Apresentam impedância variável emfunção da tensão de alimentação A corrente absorvida não éproporcional à tensão, assumindo formas de onda não sinusoidais
Fontes de alimentação electrónicas
Lâmpadas de descarga
Transformadores em regime de saturação
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Influência da carga na distorção da tensão
Medido na Alemanha em 30/06/ 2002, 14:30
Final do mundial Alemanha‐Brazil!
Fonte: Stefan Fassbinder: New Loads on Old Systems
Tens
ão s
impl
esTe
nsão
com
post
a
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Distorção harmónica total (THD)
A distorção harmónica total (THD) da tensão está a crescer a uma taxa de 1% em cada 10 anos
Distorção harmónica total (desactualizada)
Distorção harmónica total IEEE 519 – 1992 e NP EN 50160
2( )2 2 2 2 2
( ) 1( ) 2( ) 3( ) 4( )2
( ) ( ) ( )(%)
h efef ef ef ef efh
ef ef ef
GG G G G G
THDG G G
2( )2 2 2 2 2
1( ) 2( ) 3( ) 4( )2
1( ) 1( ) 1( )(%)
h efef ef ef ef efh
ef ef ef
GG G G G G
THDG G G
: tensão ou correnteG
IEC, “International Electrotechnical Vocabulary- chapter 131: Electric and magnetic circuits,” 1978.
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Origem da distorção harmónica
Rectificadores
Variadores electrónicos de velocidade
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Origem da distorção harmónica
Sistemas de iluminaçãoBalastros tradicionais: THDi entre 15 % a 20 %
Balastros electrónicos: THDi 40 % (antigos) … 10 % (modernos)
Lâmpadas fluorescentes compactas (CFL): THDi até 150 %
CFL
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Consequências da distorção harmónica
Equipamento electrónico
Bastante sensível … e, frequentemente, o mais perturbador
Perdas por efeito de Joule
Perdas por efeito pelicularA circulação de uma corrente alternada num condutor tende a ser efectuada na sua periferia, aumentando a resistênciado condutor comparativamente com uma corrente contínua
Este fenómeno aumenta com a frequência…
Consequência em baterias de condensadores
A presença de harmónicas de tensão faz circular
nos circuitos com condensadores correntes superiores
à corrente nominal porque
12CX
fC
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mA
NL1 L2 L3
Uma carga convencional, aproximadamente linear, RL
Fonte: Stefan Fassbinder: New Loads on Old Systems
Efeitos no condutor de neutro
Duas cargas convencionais, aproximadamente lineares, RLTrês cargas convencionais, aproximadamente lineares, RL
Corrente no neutro
Tensão de fase
Jornadas Técnicas de ElectrotecniaUma carga electrónica
mA
N
Duas cargas electrónicas
L1 L2 L3
Três cargas electrónicas
Fonte: Stefan Fassbinder: New Loads on Old Systems
Corrente no neutro
Tensão de fase
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Efeitos no condutor de neutro
Detecção com recurso a termografia
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Consequências em transformadores de potência
Aumento da vibração e do ruído audível
Aumento das perdasRedução da potência nominal: factor K (CENELEC)
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Perturbações na QEE: interferência electromagnética
Ruído (interferência electromagnética):
Ruído (interferência electromagnética): corresponde ao ruído electromagnético de
alta-frequência, que pode, por exemplo, ser produzido pelas comutações rápidas
dos conversores electrónicos de potência.
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Perturbações na QEE: Inter‐harmónicos
Inter‐harmónicos:
surgem quando há componentes de corrente que não estão relacionadas com a
componente fundamental (50 Hz);
Fontes:J. L. Afonso e J. S. Martins, "Qualidade da energia eléctrica“Revista o Electricista, 2004.
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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Perturbações na QEE: Tremulação (flicker)
Tremulação ou Flutuação da tensão (flicker):
acontece devido a variações intermitentes de certas cargas, causando flutuações
nas tensões de alimentação (que se traduz, por exemplo, em oscilações na
intensidade da iluminação eléctrica).
Origem:
Fornos de arco
Equipamento de soldar
Motores de indução
Fontes:J. L. Afonso e J. S. Martins, "Qualidade da energia eléctrica"; Revista o Electricista, 2004.
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Perturbações na QEE: Micro‐cortes de tensão
Micro‐cortes de tensão (notches):
consistem em pequenos cortes periódicos na forma de onda da tensão
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Perturbações na QEE: Desequilíbrio da tensão
Desequilíbrio da tensão
Quando os valores eficazes das tensões nas fases ou as
desfasagens entre tensões de fases consecutivas, num sistema
trifásico, não são iguais.
Origem na má distribuição das cargas numa rede de distribuição, ou quando estamos em presença de significativascargas monofásicas.
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Quantificação do desequilíbrio de tensões
Grau de desequilíbrio inverso:
Grau de desequilíbrio homopolar:
iinv
d
VuV
0homop
d
VuV
Alternativamente:
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Consequências do desequilíbrio de tensões
Consequências em motores de indução
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Algumas soluções reparadoras
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Custo das soluções de QEE em função do ponto de intervenção
1 – Equipamento crítico
2 – Processo
3 – Instalação
4 – Rede de distribuição
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Mitigação da distorção harmónica ‐ Filtros
Filtros harmónicos passivosSérie e paralelo
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Mitigação de interrupções – Armazenamento de energia
Baterias electroquímicas
Baterias electromecânicas ("Flywheels")
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Mitigação de interrupções – Armazenamento de energia
Condensadores e supercondensadores
Bobinas supercondutoras
Supercondensador com 2500 F (7200 J)(dim. : 160x60x60 mm, peso : 720 g)
Com bobina supercondutora
Tempo
Tempo
Tensão Duração da falta ~8 s
Sem bobina supercondutora
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QEE ‐ Perspectiva
Melhores tecnologias de UPS com Gen-Setse “Ride Through Capability”
3,15 segundos99,999997
Valor ideal para a qualidade da energia.3,15 milisegundos99,9999999910
Energia é efectivamente adequada às actuais aplicações da economia digital.
31,5 milisegundos99,99999999
Valor mínimo exigido pelas cargas da nova economia.
31,5 segundos99,99996
Valor máximo atingível com sistemas de P&T&D tradicionais.
52,5 minutos99,994
Valor disponibilizado pelo sistemas de P&T&D tradicionais
8,7 horas99,93
Tecnologias associadas / ExigênciasTempos de interrupção
por anoFiabilidade
(%)Nº de noves
Melhores tecnologias de UPS com Gen-Setse “Ride Through Capability”
3,15 segundos99,999997
Valor ideal para a qualidade da energia.3,15 milisegundos99,9999999910
Energia é efectivamente adequada às actuais aplicações da economia digital.
31,5 milisegundos99,99999999
Valor mínimo exigido pelas cargas da nova economia.
31,5 segundos99,99996
Valor máximo atingível com sistemas de P&T&D tradicionais.
52,5 minutos99,994
Valor disponibilizado pelo sistemas de P&T&D tradicionais
8,7 horas99,93
Tecnologias associadas / ExigênciasTempos de interrupção
por anoFiabilidade
(%)Nº de noves