Qualidade da Energia Eléctrica:
Perturbações e Soluções Reparadoras
Luís Oliveira
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
07-11-2012
Departamento Engenharia Electrotécnica
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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:
2
Manual da Qualidade de Energia Eléctrica, EDP.
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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
3
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Importância da Qualidade da Energia Eléctrica
Utilização do termo "Power Quality" em títulos/resumos/palavras‐chave de artigos publicados
4
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Importância da Qualidade da Energia Eléctrica
Custos inerentes às interrupções de tensão:
Fonte:
5
Manual da Qualidade de Energia Eléctrica, EDP.
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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:
6
Humberto Jorge; Acetatos da disciplina de Qualidade de Energia; DEEC-FCTUC
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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:
7
Humberto Jorge; Acetatos da disciplina de Qualidade de Energia; DEEC-FCTUC
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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)
8
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Tipos de perturbações na QEE
Algumas perturbações:
Interrupções (curtas ou longas)
Tensão
Cavas de tensão
Transitórios
Sobretensão momentânea
Tensões harmónicas
Ruído (interferência electromagnética)
Sobretensões
110 %
90 %
Inter-harmónicos
Flutuações de tensão
Cavas
de
tensão
Tremulação (flicker);
Micro-cortes
Flutuações de tensão
100 %
Abaixamentos de
tensão
1%
Interrupções breves
Sobretensões transitórias;
10 ms
1 min
Interrupções longas
3 min
Desequilíbrio da tensão trifásica;
Oscilações da frequência
Fonte:
9
A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt).
Duração
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Perturbações registadas em MT em Portugal
Número de perturbações
Caracterização das perturbações à entrada de uma instalação
industrial Região Centro de Portugal, ano de 2003.
10
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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.
11
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Regulamento de Qualidade de Serviço
Indicadores de continuidade de tensão
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 12
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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.
13
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Cavas de tensão: origem
Origem das cavas de tensão em redes de T&D
Caso de um defeito transitório
U1
Un
t
I1
AT
In
Caso de defeito
permanente
t
U2
Un
MT
Cliente
alimentado
pela saída 2
t0
t1
t2
t
Caso de um defeito permanente
U1
Un
Saída 2
t
I1
Saída 1
t
Cliente
alimentado
pela saída 2
t0
14
Cliente
alimentado
pela saída 1
In
U2
Un
Fonte:
Cliente
alimentado
pela saída 1
t1
t2
t3
t4
A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt).
t5
t
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Cavas de tensão: exemplos
Amplitude: 14% Duração: 60ms
Amplitude: 12% Duração: 42ms
Amplitude: 32% Duração: 95ms
Fonte:
15
A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt).
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Cargas mais sensíveis a cavas
Cargas mais sensíveis a cavas
Equipamentos 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:
16
Humberto Jorge; Acetatos da disciplina de Qualidade de Energia; DEEC-FCTUC
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Transformadores: sobrecorrente transitória pós‐cava
Tensões
Correntes
17
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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.
Base da EN 50160, do RQS, ...
Tensão
nominal %
300%
2
1 Tensão dentro dos limites.
Zona proibida
de alta perigosidade 2 Sobretensão de muito curta duração.
250%
3 Cava de longa duração.
200%
41 Interrupção de 2 segundos.
150%
106%
1
100%
50%
87%
Região segura
de operação
3
0,001
18
Zona proibida
de baixa perigosidade
4
0%
0,01
0,1
200
microseg.
2 mseg.
0,5
1
10
20 mseg. 200 mseg.
Banda de variação permitida
 87 – 106% Valor Nominal
100
Ciclos
1000
2 seg. 10 seg. 20 seg.
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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 robustez
das cargas
19
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Perturbações na QEE: Sobretensão transitória
Sobretensão transitória (voltage swell): Pode ser provocada, entre
outros casos, por situações
de defeito ou operações de
comutação de equipamentos
ligados à rede eléctrica.
30
iL1
iL2
iL3
20
10
0
‐10
‐20
‐30
0.85
20
0.9
0.95
(s)
1
1.05
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Sobretensões
Classificação de sobretensões
Baixa frequência – Quando ocorrem à frequência do sistema (50Hz)
Alta frequência – Apresentam frequências muito superiores a 50Hz
Sobretensões transitórias
Variações extremamente rápidas da tensão, com durações tipicamente
compreendidas entre os micro e os milisegundos
Muito curta (s)
Amortecimento
com a
distância
Muito alta ( até 1.000 kV/s) Forte
Muito curta (ns)
Alta (10MHz)
Muito forte
Curta (ms)
Média (1 a 200 kHz)
Médio
Longa (s) ou
Muito longa (h)
50 Hz
Não existe
Duração
Descargas atmosféricas
Descargas
electrostáticas
Comutação
Sobretensões
temporárias à
frequência do sistema
Fonte:
21
Frequência
(ou taxa de crescimento)
A. Amorim, N. Melo: Qualidade da Energia Eléctrica - Experiência EDP como operador da rede distribuição, 2007, (www.edp.pt).
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Fontes de Sobretensões Transitórias
No Sistema Eléctrico (fornecedor)
Comutação de Condensadores
Muito comuns na compensação do factor de potência
Amplificação devido a fenómenos de ressonância no sistema de
energia
Descargas Atmosféricas
Nas instalações do utilizador final
Dispositivos de electrónica de potência
Iluminação
Fenómenos de comutação de cargas
22
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
23
Comutação de baterias de condensadores
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Comutação de baterias de condensadores
Bateria de condensadores regulada por sistema de electrónica de potência
Ausência de transitórios
Comutação em tempo real
Comutação com conversor
tiristorizado
Reguladores
tempo real
Cartas de controlo
24
Comutação electromecânica
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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.
25
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Distorção harmónica
Origem da distorção harmónica
Cargas não-lineares – Apresentam impedância variável em
função da tensão de alimentação  A corrente absorvida não é
proporcional à tensão, assumindo formas de onda não sinusoidais
Fontes de alimentação electrónicas
Lâmpadas de descarga
Transformadores em regime de saturação
26
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
27
Harmónicos ‐ análise de Fourier
Influência da carga na distorção da tensão
Tensão simples
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Medido na Alemanha em 30/06/ 2002, 14:30
Tensão composta
Final do mundial Alemanha‐
Brazil!
Fonte: Stefan Fassbinder: New Loads on Old Systems
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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) IEC, “International Electrotechnical
Vocabulary- chapter 131: Electric
and magnetic circuits,” 1978.

THD(%) 
G(2ef )  G1(2 ef )
G(ef )


Gh2(ef )
h2
G(ef )

2
2
2
G2(
ef )  G3( ef )  G4( ef )  
G(ef )
Distorção harmónica total IEEE 519 – 1992 e NP EN 50160

THD(%) 
Gef2  G1(2 ef )
G1(ef )

G: tensão ou corrente
29

Gh2(ef )
h2
G1(ef )

2
2
2
G2(
G
G


3( ef )
4( ef )  
ef )
G1(ef )
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Origem da distorção harmónica
Rectificadores
Variadores electrónicos de velocidade
30
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Origem da distorção harmónica
Sistemas de iluminação
Balastros tradicionais: THDi entre 15 % a 20 %
Balastros electrónicos: THDi 40 % (antigos) … 10 % (modernos)
Lâmpadas fluorescentes compactas (CFL): THDi até 150 %
CFL
31
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Consequências da distorção harmónica
Equipamento electrónico
Bastante sensível … e, frequentemente, o mais perturbador
Perdas por efeito de Joule
Perdas por efeito pelicular
A circulação de uma corrente alternada num condutor tende
a ser efectuada na sua periferia, aumentando a resistência
do 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
XC 
32
1
2fC
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
33
Consequências dos harmónicos em baterias de condensadores
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Efeitos no condutor de neutro
Duas
Três
Uma
cargas
cargas
cargaconvencionais,
convencionais,
convencional, aproximadamente
aproximadamente lineares,
linear,
lineares,
RLRL
RL
Fonte: Stefan Fassbinder: New Loads on Old Systems
Tensão de fase
Corrente no neutro
mA
L1
L2
L3
N
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Duas
Três
Umacargas
cargas
carga electrónicas
electrónica
electrónicas
Fonte: Stefan Fassbinder: New Loads on Old Systems
Tensão de fase
Corrente no neutro
mA
L1
L2
L3
N
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Efeitos no condutor de neutro
Detecção com recurso a termografia
36
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Consequências em transformadores de potência
Aumento da vibração e do ruído audível
Aumento das perdas
Redução da potência nominal:
factor K (CENELEC)
37
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Consequências em equipamento de medida
TRMS
38
Convencional
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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.
39
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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.
40
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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.
41
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Perturbações na QEE: Micro‐cortes de tensão
Micro‐cortes de tensão (notches): consistem em pequenos cortes periódicos na forma de onda da tensão
42
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
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 significativas
cargas monofásicas.
43
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Quantificação do desequilíbrio de tensões
Grau de desequilíbrio inverso:
V
uinv  i
Vd
Grau de desequilíbrio homopolar:
uhomop 
Alternativamente:
44
V0
Vd
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
45
Exemplo de desequilíbrio de tensões
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Consequências do desequilíbrio de tensões
Consequências em motores de indução
46
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Algumas soluções reparadoras
Custo das soluções de QEE em função do ponto de intervenção
1 – Equipamento crítico
2 – Processo
3 – Instalação
4 – Rede de distribuição
47
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Mitigação da distorção harmónica ‐ Filtros
Filtros harmónicos passivos
Série e paralelo
48
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Filtros activos
Filtros activos
49
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Filtros activos
Filtro activo paralelo
50
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Filtros activos
Filtro activo série
51
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Mitigação de interrupções – UPS
UPS estática
standby
online
52
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Mitigação de interrupções – UPS
UPS dinâmica
53
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Mitigação de interrupções – Armazenamento de energia
Baterias electroquímicas
Baterias electromecânicas ("Flywheels")
54
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Mitigação de interrupções – Armazenamento de energia
Condensadores e supercondensadores
Supercondensador com 2500 F (7200 J)
(dim. : 160x60x60 mm, peso : 720 g)
Bobinas supercondutoras
Sem bobina supercondutora
Tensão
Duração da
falta ~8 s
Tempo
Tempo
Com bobina supercondutora
55
Jornadas Técnicas de Electrotecnia
Nº de
noves
56
QEE ‐ Perspectiva
Fiabilidade
(%)
Tempos de
interrupção
por ano
Tecnologias associadas / Exigências
3
99,9
8,7 horas
Valor disponibilizado pelo sistemas de
P&T&D tradicionais
4
99,99
52,5 minutos
Valor máximo atingível com sistemas de
P&T&D tradicionais.
6
99,9999
31,5 segundos
Valor mínimo exigido pelas cargas da nova
economia.
7
99,99999
3,15 segundos
Melhores tecnologias de UPS com Gen-Sets
e “Ride Through Capability”
9
99,9999999
31,5 milisegundos Energia é efectivamente adequada às
actuais aplicações da economia digital.
10
99,99999999 3,15 milisegundos Valor ideal para a qualidade da energia.