1
Nexo de Causalidade Entre
Transitórios Eletromagnéticos e Danos a
Equipamentos Elétricos – Estudo de Caso
E. C. Rott, E. Kotlinski, M. M. Santos, A. R. Abaide, L. N. Canha, L. Malaquias, T. Milke1,
S. A. Bock e L. C. Santos
Resumo — Os estudos acerca do nexo de causalidade entre
distúrbios nos sistemas energia de elétrica e a ocorrência de danos
a equipamentos é tema extremamente complexo. De forma geral,
tem-se tratada a questão a partir do critério do nexo de
causalidade temporal, entre o instante de ocorrência do distúrbio
e a data e o horário do dano ao equipamento, declarado pelo
consumidor. Tal critério gera questionamentos à medida que as
condições relacionadas à amplitude e à duração dos distúrbios
influenciam, diretamente, em seu potencial de ocasionar danos
elétricos aos equipamentos. O tema é abstruso e vem despertando
grande interesse da comunidade científica, empresas e órgãos
governamentais. Na literatura há diversos trabalhos direcionados
com vistas a classificar de forma mais transparente a relação
entre os distúrbios e eventuais danos elétricos em equipamentos.
Nesse contexto, no intuito de dar uma contribuição na discussão
sobre esse importante tema, o presente trabalho apresenta um
estudo de caso acerca do nexo de causalidade entre transitórios
eletromagnéticos e danos a equipamentos elétricos. O estudo
baseia-se em simulações e testes em um sistema de distribuição
real. Os resultados obtidos são confrontados e analisados sob o
ponto de vista da curva ITIC (Information Tecnology Industry
Council).
Palavras-Chave - Ressarcimento de Danos Elétricos, Curva
ITIC e Transitórios Eletromagnéticos.
I. INTRODUÇÃO
A
TUALMENTE, os critérios para ressarcimento de danos
elétricos em equipamentos instalados em unidades
consumidoras são definidos pela Resolução nº 414 da ANEEL
[1]. De modo geral, nexo de causalidade temporal tem sido
adotado como critério para se deferir os pedidos de
ressarcimento por danos elétricos. Mais especificamente, no
nexo de causalidade temporal entre o instante de ocorrência do
distúrbio e a data e o horário do dano ao equipamento,
declarado pelo consumidor. Tal critério gera questionamentos
à medida que as condições relacionadas à amplitude e à
1
Os Autores M. M. Santos, A. R. Abaide, L. N. Canha, L. Malaquias e T. Milke
são membros do Centro de Estudos em Energia e Meio Ambiente (CEEMA),
vinculado à Universidade Federal de Santa Maria – UFSM. Os autores E.C. Rott,
E. Kotlinski, S. A. Bock e L. C. Santos são integrantes do Departamento de
Ciências Exatas e Engenharias - DCEEng, vinculado à Universidade Regional do
Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ.
e-mails:
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected].,
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected].
duração de um distúrbio influenciam, diretamente, em seu
potencial ocasionar danos elétricos aos equipamentos [2].
O tema é complexo e vem despertando grande interesse da
comunidade científica, empresas e órgãos governamentais. O
foco principal desses estudos têm sido classificar de forma
mais transparente, quais os distúrbios que, efetivamente,
estariam associados a danos elétricos aos equipamentos, de
forma a não onerar os consumidores e as distribuidoras [2-10].
Nesse contexto, o presente trabalho apresenta um estudo de
caso acerca do nexo de causalidade entre os transitórios
eletromagnéticos e os danos elétricos a equipamentos, sob o
ponto de vista da curva ITIC (Information Tecnology Industry
Council). Essencialmente, o estudo se baseia na modelagem de
um sistema de distribuição real, utilizando-se o software ATP
(Alternative Transients Program) para análise de transitórios
eletromagnéticos, com ênfase nos transitórios durante
energizações de alimentadores e bancos de capacitores e de
faltas monofásicas. Paralelamente aos estudos de simulação,
apresentam-se resultados de monitoramento a campo de
transitórios eletromagnéticos, observados no sistema em
estudo. Os resultados obtidos são comparados e analisados sob
o ponto de vista da curva ITIC, a fim de se avaliar a relação
entre transitórios eletromagnéticos em estudo com eventuais
danos elétricos.
O presente trabalho está estruturado da seguinte forma: No
item 2, abordam-se os aspectos teóricos acerca de transitórios
eletromagnéticos, com ênfase nos transitórios oriundos de
energizações de alimentadores, banco de capacitores e faltas
do tipo fase-terra. No item 3, apresenta-se uma breve
discussão sobre as curvas de tolerância de tensão, em especial
a curva ITIC. No item 4, são apresentados e discutidos os
resultados de simulação e os dados de monitoramento,
referentes à energização de alimentadores, bancos de
capacitores e faltas monofásicas. Por fim, no item 5,
apresentam-se as principais conclusões do trabalho.
II. TRANSITÓRIOS ELETROMAGNÉTICOS
Conceitualmente, os transitórios eletromagnéticos são
fenômenos originários de alterações repentinas nas condições
operacionais de um sistema de energia elétrica, com tempo
determinado pelo período de acomodação de uma condição de
equilíbrio para outra [11]. Assim, o fenômeno transitório
ocorre durante o período de acomodação entre duas situações
2
de equilíbrio do sistema, dando origem as sobretensões e
sobrecorrentes transitórias.
A Fig. 1 ilustra um transitório eletromagnético, onde se
pode observar, inicialmente, que o sistema está em equilíbrio
(onda senoidal perfeita), quando da ocorrência de uma
perturbação.
identificar a magnitude e a duração dos distúrbios que podem
ocasionar danos e/ou desligamentos nos equipamentos dos
consumidores. Estas características de suportabilidade dos
equipamentos com relação aos distúrbios são definidas através
das Curvas de Tolerância de Tensão (CTT), obtidas
experimentalmente. Tais curvas indicam a tolerância da carga
para suportar eventos de subtensão e sobretensão, função de
duração dos mesmos.
Uma das primeiras CTT se refere à curva CBEMA
(“Computer
Bussiness
Equipment
Manufactures
Association”), originalmente proposta para caracterizar a
sensibilidade de computadores [16]. Com o passar dos anos a
curva CBEMA foi revisada e modificada para caracterizar
melhor a sensibilidade dos equipamentos eletro-eletrônicos
surgindo, então, a curva ITIC, amplamente utilizada para
análise de suportabilidade de equipamentos a distúrbios
elétricos . Na Fig. 2, apresenta-se a curva ITIC.
Fig. 1. Ilustração - transitório eletromagnético. Fonte [12].
Os transitórios nos sistemas de energia elétrica podem ser
classificados quanto a sua origem: externos e internos, sendo
este último objeto do presente estudo [13]. Os transitórios de
origem interna são decorrentes da abertura e energização de
linhas e redes, do desligamento de geradores e de ações de
controle, provenientes das características naturais de operação
do sistema [14]. Nesse trabalho será dada ênfase aos
transitórios oriundos de energizações de alimentadores, banco
de capacitores e faltas do tipo fase-terra.
Normalmente, a análise de transitórios eletromagnéticos
carece de um tratamento matemático de significativa
complexidade, envolvendo a resolução de equações
diferenciais de ordem elevada. Em sistemas de grande porte,
soluções manuais se tornam impraticáveis, devido ao elevado
número de componentes que os constituem. Desse modo, fazse necessário a utilização de programas computacionais para
resolução desse problema, dentre os quais se destaca o
emprego do ATP (Alternative Transients Program),
largamente utilizado.
O software ATP, permite a simulação de transitórios
eletromagnéticos em redes polifásicas, com configurações
arbitrárias, utilizando a matriz de admitância de barras. A
formulação matemática é baseada no método das
características (método de Bergeron) para elementos com
parâmetros distribuídos e na regra de integração trapezoidal
para parâmetros concentrados [15]. Os estudos de simulação
desenvolvidos se baseiam no emprego do referido software.
III. CURVA ITIC
Antes de adentrar na discussão dos resultados das
simulações e dos estudos experimentais, cabe uma breve
explanação acerca da curva ITIC (Information Tecnology
Industry Council).
Fundamentalmente, a definição de índices de qualidade de
energia está intimamente associada à suportabilidade de
equipamentos a distúrbios no sistema. Assim, faz-se necessário
Fig. 2. Curva Information Tecnology Industry Council - ITIC.
A área em branco da curva ITIC define a região de
tolerância, em que a magnitude e a duração das variações de
tensão não causam danos e/ou interrupção aos equipamentos.
A área azul, ao contrário, indica a região sujeita a danos ao
equipamento por elevação de tensão, assim como a região
sujeita a mau funcionamento ou desligamento, por
afundamento de tensão.
Os distúrbios analisados no decorrer do item IV são
analisados sob o ponto de vista da curva ITIC, visando avaliar
se os distúrbios em questão poderiam ocasionar danos
elétricos a equipamentos.
IV. SIMULAÇÕES E ESTUDOS EXPERIMENTAIS
Neste item, apresentam-se os resultados de simulações,
baseados em dados de sistema de distribuição real, utilizandose o software ATP e ATP-Draw, com ênfase nos transitórios
de energização de alimentadores, bancos de capacitores e
faltas monofásicas. Apresentar-se-ão, ainda, os resultados de
monitoramento a campo de transitórios eletromagnéticos
observados no sistema em estudo, durante testes de
energização de banco de capacitores e de curto-circuitos faseterra. Os resultados obtidos são comparados e analisados sob o
ponto de vista da curva ITIC, a fim de se avaliar a relação
3
entre os transitórios eletromagnéticos analisados e eventuais
danos elétricos. Sistema em Estudo
O sistema de distribuição em estudo se refere ao sistema do
Departamento Municipal de Energia de Ijuí (DEMEI2),
concessionária responsável pela distribuição de energia
elétrica no município de Ijuí-RS. Na Fig. 3, apresenta-se o
diagrama unifilar simplificado do sistema em questão,
modelado no ATP-Draw.
A.1 Transitórios de Energização de Alimentadores
As simulações referentes aos transitórios de energização
foram analisadas, individualmente, para cada alimentador,
considerando variações de tensão nos extremos dos mesmos. O
caso mais crítico foi verificado no Al-203, cujas variações de
tensão são detalhadas nas Fig. (4) e (5).
Fig. 4. Transitório de energização - trecho inicial do Al-203.
Fig. 3. Diagrama unifilar do sistema em estudo.
O sistema em análise é constituído de três circuitos
alimentadores, denominados Al-001, Al-002 e Al-003. Esses
circuitos derivam de uma barra de 23 kV de uma subestação
69/23 kV - 33 MVA. No Al-003, encontram-se conectadas
duas PCHs (Pequenas Centrais Hidrelétricas). Os dados
utilizados para a modelagem do sistema foram
disponibilizados pela concessionária.
A. Resultados dos Estudos de Simulação
A seguir são apresentados os resultados das simulações de
transitórios eletromagnéticos durante os seguintes cenários:
Fig. 5. Transitório de energização - trecho final do Al-203.
Percebe-se que a sobretensão verificada no trecho final do
AL-203 é superior a observada no trecho inicial do mesmo.
Atribui-se a esse comportamento a sobreposição de sucessivas
reflexões de ondas, em função de mudanças de impedância dos
cabos ao longo ao alimentador, tornando mais acentuadas as
sobretensões nos trechos finais do alimentador.
Na Fig. 6, apresentam-se as sobretensões de energização
dos alimentadores Al-201, Al-202 e Al-203, sobrepostas à
curva ITIC.
Energização dos alimentadores Al-001, Al-002 e Al-003;
Energização de bancos de capacitores de 150 kVAr e 300
kVAr;
Curto-circuitos do tipo fase-terra no sistema de média
tensão.
A codificação adotada para a identificação das fases é: fase
A - cor vermelha; fase B - cor verde; e a fase C - a cor azul.
As informações de amplitude e duração dos distúrbios se
basearam em dados de simulações e de oscilografias.
2
Mais informações sobre o DEMEI podem ser obtidas no site
www.demei.com.br.
Fig. 6. Curva ITIC - energização de alimentadores.
4
Observa-se que as sobretensões de energização dos
alimentadores se encontram sobre a área de suportabilidade
dos equipamentos da curva ITIC. Desse modo, tais
energizações não apresentam potencial de causarem danos
elétricos aos equipamentos, conectados ao longo dos
alimentadores.
A.2 Transitórios Durante Faltas do tipo Fase-Terra
Nas simulações do comportamento transitório durante curtocircuitos, consideram-se as faltas do tipo fase- terra na rede de
média tensão. O tempo de duração das faltas foi estabelecido
com base no tempo de atuação do sistema de proteção. Os
pontos de aplicação das faltas simulados foram os trechos
intermediários e finais dos alimentadores.
O resultado mais crítico foi observado quando da falta no
trecho final do Al-203, com a ocorrência de sobretensões e
subtensões acentuadas, conforme detalhado na Fig. 7.
suportabilidade da curva ITIC e, portanto, sem potencial de
ocasionarem riscos de causarem danos elétricos aos
equipamentos.
A.3 Transitórios de Energização Bancos de Capacitores
O sistema em estudo possui 8 (oito) e 4 (quatro) bancos de
capacitores de 300 kVAr e 150 kVAr, respectivamente. Foram
realizadas simulações de energização de cada um dos bancos,
sendo os casos mais críticos apresentados nas Fig. (9) e (10).
Fig. 9. Transitório de energização B.C. de 150 kVAr.
Fig. 7. Transitório durante falta fase-terra no Al-003.
As sobretensões e subtensões oriundas das faltas em
questão, sobrepostas à curva ITIC, são apresentadas na Fig. 8.
Observa-se que a sobretensão, na fase A, e a subtensão, na
fase C, encontram-se externas a região de suportabilidade dos
equipamentos (Fig. 8). Dessa forma, tal distúrbio apresenta um
grande potencial de ocasionar danos elétricos aos
equipamentos. Uma alternativa para contornar esse problema
seria tornar mais rápida a atuação da proteção, de tal sorte que
valores de sobretensão se mantivessem na região de
suportabilidade delimitada pela curva ITIC.
Fig. 10. Transitório de energização B.C. de 300 kVAr.
Na energização do banco de capacitor de 150 kVAr,
percebe-se um pico de 32 kV, com uma duração de
aproximadamente 0,1 ms. No caso o transitório de energização
banco de capacitor de 300 kVAr, tem-se um pico de 34 kV,
com duração de aproximadamente de 0,3 ms.
Na Fig. 11, apresentam-se os valores de tensões transitórias
em questão sobrepostas à curva ITIC.
Fig. 8. Curva ITIC - curto-circuito fase-terra no Al-003.
Destaca-se que nos demais casos analisados, as
sobretensões e subtensões se mantiveram sobre a área de
Fig. 11. Curva ITIC - energização de banco de capacitores.
5
Percebe-se que as sobretensões durante energização dos
bancos de capacitores, encontram-se na região de
suportabilidade dos equipamentos, portanto, sem potencial de
causarem danos elétricos aos equipamentos.
B. Resultados Experimentais
A fim de se validar os resultados das simulações,
apresentadas anteriormente, realizaram-se testes a campo
envolvendo faltas do tipo fase-terra e energização de um de
capacitores de 300 kVAr. O monitoramento de tais distúrbios
foi realizado através do equipamento Dranetz PP-4300. Na
Fig. 12, apresenta-se o registro do momento da instalação do
equipamento para o monitoramento dos transitórios
eletromagnéticos de energização de um capacitor de 300
kVAr. Os resultados de monitoramento realizados são
apresentados a seguir.
Na Fig. 15, apresentam-se os valores de tensões transitórias
monitoradas em relação à curva ITIC.
Fig. 15. Curva ITIC - monitoramento da energização de BC.
Nota-se que as variações de tensão durante a energização
do banco apresentam de tempo de duração curtíssimo,
mantendo-se na região de suportabilidade delimitado pela
curva ITIC, portanto, sem potencial de ocasionar danos aos
equipamentos. Tal resultado é similar aos obtidos durante as
simulações.
Fig. 12. Instalação do equipamento Dranetz PP-4300.
B.1 Resultados de monitoramento de energização de BC.
Os transitórios de tensão durante a energização foram
monitorados na rede média e baixa tensão, simultaneamente. O
chaveamento do banco de capacitor foi monopolar, através de
chaves do tipo fusível.
Nas Fig. 13 e 14, apresentam-se o comportamento da tensão
observado no sistema de média e baixa tensão.
B.2 Resultados de monitoramento de Falta Fase-Terra.
A medição da falta fase-terra se deu no Al-003, onde se
introduziu, intencionalmente, um curto-circuito fase-terra, no
trecho final do alimentador. Os resultados de monitoramento
das tensões instantâneas são apresentados na Fig. 16.
Fig. 16. Tensões instantâneas nas três fases.
Na Fig. 17 são apresentados os valores eficazes (Root mean
square - RMS) da tensão trifásica.Tais dados foram plotados
tendo em vista que a duração do distúrbio depende dos ajustes
do sistema de proteção. No caso analisado o tempo de atuação
da proteção é da ordem de 1 (um) segundo. Durante esse
intervalo de tempo mantêm-se presentes as sobretensões e
subtensões associadas à falta.
Fig. 13. Transitório de energização B.C. na média tensão.
Fig. 17. Tensão RMS nas três fases.
Na Fig. 18 são apresentados os resultados referentes aos
testes de curto-circuito fase-terra, em relação à curva ITIC.
Fig. 14. Transitório de energização B.C. na baixa tensão.
6
estender a análise de distúrbios para as redes de distribuição de
baixa tensão, considerando a modelagem dos transformadores
de distribuição e pára-raios.
VI. AGRADECIMENTOS
Os Autores agradecem ao Departamento Municipal de
Energia pela disposição dos dados e a realização dos testes a
campo.
VII. REFERENCIAS
[1]
Fig. 18. Curva ITIC - monitoramento falta fase-terra.
Na fase C ocorre uma subtensão de magnitude de,
aproximadamente, 0,76 p.u., violando as condições de
suportabilidade dadas pela curva ITIC, portanto, com
significativo potencial de provocar danos e/ou desligamentos
inoportunos de equipamentos. Novamente, os resultados de
monitoramento se mostraram aderentes aos obtidos nas
simulações.
[2]
[3]
[4]
V. CONCLUSÕES
O presente trabalho apresentou um estudo de caso acerca do
nexo de causalidade entre transitórios eletromagnéticos e a
ocorrência de danos a equipamentos elétricos, sob o ponto de
vista da curva ITIC. Essencialmente, o trabalho se baseou em
estudos de simulação, utilizando-se o software ATP e ATPDraw, e no monitoramento, a campo, de transitórios
eletromagnéticos em um sistema de distribuição de energia
elétrica real. Os resultados obtidos foram confrontados e
analisados considerando a curva ITIC.
Na maioria dos casos analisados, constatou-se que os
transitórios eletromagnéticos se encontram circunscritos a
região de suportabilidade delimitada pela curva ITC. Assim,
insuficientes para causar danos a equipamentos eletroeletrônicos. No caso específico das falta fase-terra, observouse no alimentador Al-003 que as sobretensões se encontram
externas a região de suportabilidade da curva ITIC. Tal
distúrbio apresenta significativo potencial de ocasionar dano
elétrico e/ou desligamento inoportuno de equipamentos. Nesse
sentido propôs-se rever os ajustes da proteção de modo a
torná-la mais rápida, de tal sorte que a magnitude e a duração
da sobretensão se mantivessem na região de suportabilidade,
delimitada pela curva ITIC. Em relação aos resultados do
monitoramento a campo, observou-se que o comportamento
verificado se mostrou coeso aos resultados obtidos durante as
simulações, o que denota ser adequada a representação e a
modelagem adotada.
O tema ressarcimento por dano elétrico é complexo e
requer uma discussão ampla com representantes da sociedade,
do órgão regulador e das concessionárias de modo a trilhar e
classificar de forma mais adequada quais os distúrbios no
sistema que, efetivamente, demandariam ressarcimentos por
danos elétricos. Os projetos de pesquisa e desenvolvimento
(P&D) representam um excelente espaço para a abordagem
desse importante tema. Nos trabalhos futuros, propõem-se
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
ANEEL, Resolução Normativa Nº 414. Brasília, 2010. Disponível em:
< http://www.aneel.gov.br/cedoc/bren2010414.pdf>. Acesso em: 14 de
Junho de 2011.
J. F. Moon; S. H. Lim; J. C. Kim; S. Y. Yun, "Assessment of the Impact
of SFCL on Voltage Sags in Power Distribution System," Applied
Superconductivity, IEEE Transactions on, vol.21, no.3, pp.2161-2164,
June 2011.
J. A. B. Falleiros, F. A. T. Silva e N. A. Souza, “Riscos Ocasionados
pelos Transitórios Eletromagnéticos nos Consumidores de Baixa
Tensão”. VIII Conferência Brasileira Sobre Qualidade da Energia
Elétrica - CBQEE. Blumenau, SC, 2009.
N. Kagan, N. M. Matsuo, J. C. Cebrian, T.P. Souza, S. X. Duarte, E. L.
Ferrari, C. Figueirero, M.H. Iunes, E. H. Takauti, e I. T. Domingues,
“Metodologia para Análise de Eventos do Sistema Elétrico Quanto à
Possibilidade de Danos de Equipamentos de Baixa Tensão”. VIII
Conferência Brasileira Sobre da Qualidade de Energia Elétrica –
CBQEE. Blumenau, SC, 2009.
T. Li; H. Zhao, C. Li, D. Ou and L. Fu, "The research on economic loss
of power quality disturbances by econometric model," Electricity
Distribution (CICED), 2010 China International Conference on , vol.,
no., pp.1-8, 13-16 Sept. 2010.
N. C. Jesus, “Avaliação de Distúrbios no Sistema Elétrico Como
Suporte Técnico As Solicitações de Ressarcimentos de Danos”.
Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica –
SNPTEE. Rio de janeiro, RJ, 2007.
N. C. Jesus, H.R.P.M Oliveira, E. L. Batista, M, Silveira, “Simulação de
Distúrbio no Sistema Elétrico de Distribuição como Suporte Técnico às
Solicitações de Ressarcimentos de Danos”. VII Conferência Brasileira
Sobre da Qualidade de Energia Elétrica – CBQEE. Santos, SP, 2007.
J. A. C. B. Silva, “Manobras em Sistemas de Distribuição: Impacto em
Consumidores Residenciais”.
VIII Conferência Brasileira Sobre
Qualidade da Energia Elétrica - CBQEE. Blumenau, SC, 2009.
P. Rezende, J. C. Oliveira, I. S. Gondim e I. A. Bacca, “Modelagem de
Aparelhos Condicionadores de Ar no Simulador ATP para Avaliações
de Pedidos de Ressarcimento”. IX Conferência Brasileira Sobre
Qualidade da Energia Elétrica – CBQEE. Cuiabá, MT, 2011.
S. Gondim, M. V. Mendonça, C. E. Tavares, J. C. Oliveira, A. Oliveira
e L. R. Junior, “Uma proposta para avaliação computacional de pedidos
de ressarcimento fundamentada em medições de distúrbios em tempo
real”. IX Conferência Brasileira Sobre Qualidade da Energia Elétrica
– CBQEE. Cuiabá, MT, 2011.
S. R. Naidu, “Transitórios Eletromagnéticos em Sistemas de Potência”.
Campina Grande: Grafset Ltda, 1985.
F. S. Alampi, “Análise de Controladores Eletrônicos em Sistemas de
Distribuição de Energia”. 2005. 194p. Dissertação (Pós Graduação em
Engenharia Elétrica), Universidade Estadual Paulista, Ilha Solteira,
2005.
L. C. Z. Júnior, “Transitórios Eletromagnéticos em Sistemas de
Potência”. São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo, 2003.
F. J. Mamede, “Manual de Equipamentos Elétricos”. 2ª. ed. Rio de
Janeiro: Afiliada, v. 1, 1994.
Bonneville Power Administration (BPA). “Electro-Magnetic Transients
Program (EMTP)” – Theory Book, 1994.
F. D. Gonçalves, M. A. G. Oliveira, “Conceito de Resiliência para
Classificação de UPS Estáticos Frente aos Fenômenos de Qualidade da
Energia Elétrica”. VIII Conferência Brasileira Sobre Qualidade da
Energia Elétrica, Blumenau, SC, 2009.