Tcc Elias Amaral by Fainor

FACULDADE INDEPENDENTE DO NORDESTE - FAINOR CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELIAS AMARAL DA SILVA JÚNIOR

MÉTODOS PARA REGULAÇÃO DA TENSÃO EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA: INSTALAÇÃO DE REGULADORES DE TENSÃO MONOFÁSICOS

VITÓRIA DA CONQUISTA – BA NOVEMBRO –2015

ELIAS AMARAL DA SILVA JÚNIOR

MÉTODOS PARA REGULAÇÃO DA TENSÃO EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA: INSTALAÇÃO DE REGULADORES DE TENSÃO MONOFÁSICOS

Monografia apresentada à Faculdade Independente do Nordeste – FAINOR, como requisito do curso de Engenharia Elétrica, para a obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Danilo Brito Almeida, Esp.

VITÓRIA DA CONQUISTA – BA NOVEMBRO– 2015

S586m

Silva Júnior, Elias Amaral da Métodos para regulação da tensão em sistemas de distribuição de energia elétrica: instalação de reguladores de tensão monofásicos. / Elias Amaral da Silva Júnior._ _ Vitória da Conquista, 2015.

47 f; il. Monografia (Graduação em Engenharia elétrica) Faculdade Independente do Nordeste - FAINOR Orientador(a): Prof. Danilo Brito Almeida

1. Confiabilidade. 2. Legislação. 3. Qualidade de energia. 4. Regulação de tensão. I. Título CDD: 621.3

Catalogação na fonte: Biblioteca da Fainor

ELIAS AMARAL DA SILVA JÚNIOR

MÉTODOS PARA REGULAÇÃO DA TENSÃO EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA: INSTALAÇÃO DE REGULADORES DE TENSÃO MONOFÁSICOS

Monografia apresentada à Faculdade Independente do Nordeste – FAINOR, como requisito do curso de Engenharia Elétrica, para a obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Aprovado em: ___/___/____

BANCA EXAMINADORA:

______________________________________________ Prof. Danilo Brito Almeida, Esp. (Orientador)

______________________________________________ Prof. Miguel Fábio Lobo, Msc. (Coordenador do Curso)

______________________________________________ Prof. Rogério Gusmão, Esp. (Convidado)

VITÓRIA DA CONQUISTA – BA NOVEMBRO – 2015

Dedico esta monografia a toda minha família, amigos e professores que contribuíram para a minha formação.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, digno de toda a hora e glória. Ao meu Pai Elias Amaral da Silva, a minha Mãe Iraci Vieira Amaral, a minha companheira Juliana Alves Boaventura, por acreditarem no meu potencial, ao professor Miguel Fábio Lobo, pela sua conduta em sala de aula, ao meu orientador professor Danilo Brito Almeida, que me apoio durante a elaboração deste trabalho.

RESUMO

As distribuidoras de energia elétrica assumem a responsabilidade pelo fornecimento adequado da energia aos seus consumidores, respeitando os critérios de qualidade. Para tanto, devem fornecer tensões dentro das faixas de contrato permitidas pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). O sistema elétrico está susceptível a variações momentâneas ou permanentes nos seus parâmetros, implicando em flutuações ou variação dos níveis de tensão ocasionando problemas técnicos no funcionamento dos equipamentos elétricos, impactando negativamente na qualidade da energia fornecida, implicando em perdasconsideráveis de dados e informações, devido a queimas de equipamentos eletrônicos e interrupção no processo de produção industrial. Para manter constante a amplitude das tensões ao longo das redes de distribuição de energia elétrica, instalam-se bancos de reguladores de tensão. As distribuidoras de energia elétrica devem obedecer a legislação em vigor, a fim de manter a qualidade da energia e evitar penalidades para a concessionária. Os dados obtidos através das simulações de fluxos de potência tratados no estudo de caso deste trabalho servirão como subsídios necessários para a realização de estudos futuros relacionados à qualidade de energia. O regulador de tensão tem sido um dos equipamentos mais utilizados no sentido de correção ou adequação dos níveis de tensão de uma rede de distribuição de energia, sendo, na sua forma mais usual,constituído de um autotransformador com um mecanismo automático comutador de tapes. Sendo possível a sua instalação individual ou formando bancos de reguladores, que podem ser conectados em delta aberto, delta fechado ou estrela. A possibilidade de utilizar um regulador de tensão para adequação dos níveis de tensão em uma das fases do sistema elétrico permitiu a elaboração deste estudo, que tem como objetivo sugerir alternativas de instalação de reguladores de tensão individuais em um sistema de distribuiçãode energia elétrica. E com as análises dessas alternativas compreender os procedimentos operacionais, conhecer e avaliar o sistema de distribuição e simular a aplicação dos reguladores por meio de fluxo de potência, justificando-se pelas determinações dos Procedimentos da Distribuição (PRODIST) elaborados pela ANEEL. Os resultados obtidos nas simulações apresentaram ganhos satisfatórios com a aplicação do método proposto, sendo financeiramente rentável e possível de se utilizar em todos as redes que necessitem de regulação de tensão.

Palavras-chave: Confiabilidade, Legislação, Qualidade de energia, Regulação de tensão

ABSTRACT

The electricity distribution companies assume the responsibility for the adequate supply of energy to its customers while respecting the quality criteria. Therefore, should provide voltages within the contract ranges allowed by the National Electric Energy Agency (ANEEL). The electrical system is susceptible to momentary or permanent changes in their parameters, resulting in fluctuations or variations in voltage levels causing technical problems in the functioning of electrical equipment, negatively affecting the provided power quality, resulting in considerable loss of information and data due the burning of electronic equipment and disruption in the industrial production process. To maintain constant amplitude of voltages over the electricity distribution grids are installed voltage regulator banks. The electricity distributors must comply with current legislation, in order to maintain power quality and avoid penalties to the dealership. The data obtained through the power flow simulations treated in this study case study will serve as a necessary support for carrying out further studies related to power quality. The voltage regulator has been one of the most used equipment in order to repair or adjustment of voltage levels of a power distribution grid, which in its most usual form, consisting of an autotransformer with an automatic switch mechanism tapes. Being possible your individual installation or forming regulators of banks, connected in open delta, closed delta or star. The possibility of using a voltage regulator to adjust the voltage levels in one of the phases of the electrical system allowed the preparation of this study, which aims to suggest regulators installation alternatives of individual voltage in a power distribution system. With the analysis of these alternatives understand the operational procedures, assess and evaluate the distribution system and simulate the application of regulators through power flow, justifying the determination of the Distribution Procedures (PRODIST) prepared by ANEEL. The results obtained in the simulations showed satisfactory gains with the application of the proposed method and is financially profitable and possible to use in all networks that require voltage regulation. Keywords:Legislation,Power quality, Reliability, Voltage regulation

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Afundamento (SAG) e elevação (SWELL) da tensão ............................................ 23 Figura 2 – Esquema Elétrico de um autotransformador ........................................................... 25 Figura 3 – Esquema Elétrico de um regulador de tensão ......................................................... 26 Figura 4 – Exemplo da comutação por meio do reator............................................................. 27 Figura 5 – Esquema da chave inversora ................................................................................... 27 Figura 6 – Regulador de tensão partes externas ....................................................................... 28 Figura 7 – Conexão delta aberto para reguladores monofásicos .............................................. 29 Figura 8 – Conexão delta fechado para reguladores monofásicos ........................................... 29 Figura 9 – Representação fasorial da conexão delta fechado atrasado ..................................... 30 Figura 10 – Representação fasorial da conexão delta fechado adiantado ................................ 30 Figura 11 – Conexão estrela aterrada para reguladores monofásicos ...................................... 31 Figura 12 – Alimentador com três bancos de reguladores em série ......................................... 32 Figura 13 – Conexão de um regulador monofásico .................................................................. 33 Figura 14 – Controle Toshiba TBR1000 .................................................................................. 34 Figura 15 – Controle ITB CRT2............................................................................................... 35 Figura 16 – Característica atual do sistema com banco de regulador delta fechado ................ 39 Figura 17 – Conexão de um regulador monofásico .................................................................. 40

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Características do alimentador A ............................................................................ 38 Tabela 2 – Avaliação dos níveis de tensão no ponto sugerido no estudo de caso .................... 40 Tabela 3 – Comparação dos níveis de tensão na saída dos reguladores – atual e sugerido ..... 41 Tabela 4 – Comparação dos níveis de tensão na chegada dos reguladores – atual .................. 41 Tabela 5 – Comparação dos níveis de tensão no ponto de instalação do segundo regulador... 42 Tabela 6 – Comparação dos níveis de tensão – banco de reguladores existente ...................... 42

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANEEL

Agência Nacional de Energia Elétrica

CDE

Conta de Desenvolvimento Energético

EPE

Empresa de Pesquisa Energética

LSEE

Laboratório de Sistema de Energia Elétrica

PRODIST

Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica

Proinfa

Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica

QEE

Qualidade da Energia Elétrica

SDAT

Sistema de Distribuição de Alta Tensão

SDBT

Sistema de Distribuição de Baixa Tensão

SDMT

Sistema de Distribuição de Média Tensão

SEP

Sistema Elétrico de Potência

SIN

Sistema Interligado Nacional

Unidades Consumidoras

SUMÁRIO 1

INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 13

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

PROBLEMA ................................................................................................................. 14 QUESTÃO DE PESQUISA .......................................................................................... 14 HIPÓTESE.................................................................................................................... 15 OBJETIVO GERAL ..................................................................................................... 15 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................ 16 JUSTIFICATIVA ......................................................................................................... 16 ESTRUTURA DO TRABALHO .................................................................................. 17

REFERENCIAL TEÓRICO ..................................................................................... 18

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12

PRODIST ...................................................................................................................... 18 LEGISLAÇÃO ............................................................................................................. 19 SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO .................................................................................. 20 QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA .................................................................. 21 FLUTUAÇÃO DE TENSÃO ....................................................................................... 22 VARIAÇÃO DE TENSÃO........................................................................................... 22 DESEQUILÍBRIO DE TENSÃO ................................................................................. 23 REGULADOR DE TENSÃO ....................................................................................... 24 LIGAÇÃO DOS REGULADORES DE TENSÃO MONOFÁSICOS ......................... 28 REGULADORES DE TENSÃO EM SÉRIE ................................................................ 31 REGULAÇÃO MONOFÁSICA .................................................................................. 33 CONTROLE DOS REGULADORES DE TENSÃO ................................................... 34

METODOLOGIA ....................................................................................................... 36

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

FONTES DOS DADOS ................................................................................................ 36 PROCEDIMENTOS E TÉCNICAS ............................................................................. 36 INSTRUMENTOS DE PESQUISA ............................................................................. 37 ESTRATEGIA NA OBTENÇÃO DOS DADOS ......................................................... 37 ANÁLISE DOS DADOS .............................................................................................. 37

ESTUDO DE CASO ................................................................................................... 38

4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4

INSTALAÇÃO DE REGULADORES DE TENSÃO INDIVIDUAIS POR FASE ..... 38 Configuraçao proposta para a regulação da tensão ....................................................... 39 Avaliação dos novos valores de tensão no ponto do atual banco de reguladores. ........ 41 Análise da queda de tensão ao longo do alimentador ................................................... 42 Custos envolvidos ......................................................................................................... 43

CONCLUSÃO ............................................................................................................. 44

5.1

SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS .......................................................... 45

REFERÊNCIAS

INTRODUÇÃO Os níveis de tensão das redes de distribuição de energia elétrica são fatores

importantes para mensurar a qualidade da energia distribuída e devem estar de acordo com os parâmetros estabelecidos pela ANEEL conforme PRODIST. Os principais aspectos que influenciam na regulação de tensão dos sistemas de distribuição de energia elétrica, estão relacionados com a topologia dos alimentadores, as características dos materiais empregados, operfil de carga e a distribuição dessas cargas ao longo da rede. Conhecer esses aspectos é de fundamental importância para o controle da qualidade no fornecimento de energia elétrica. Os equipamentos de regulação de tensão instalados nas redes de distribuição são projetados e parametrizados para operar dentro de uma faixa de tensãodeterminada pela ANEEL, independente de pertencerem à concessionária ou não. As tensões nominais de operação dos reguladores de tensão também devem estar dentro dos critérios aceitáveis e as variações de tensão ao longo das redes não podem ser prolongadas a fim de não comprometer o funcionamento e a vida útil dos equipamentos. Segundo Martinho (2013) as tensões podem sofrer variações de curta duração, entre 0,5 ciclo e um minuto e de longa duração quando supera um minuto. A variação prolongada da tensão pode afetar ofuncionamento correto dos equipamentos e pode também causar interrupções inesperadas no fornecimento da energia elétrica. Para evitar os desligamentos não programados das redes de distribuição, deve-se manter as tensões dentro dos limites toleráveis, conforme determinação do órgão fiscalizador. O Sistema Elétrico de Potência (SEP) necessita de uma estabilização, o mais constante possível, e de um controle da tensão,sendo de fundamental importância para a preservação da qualidade e redução das perdas de energia elétrica. De acordo com o PRODIST(2014)no seu módulo 8 que trata da qualidade da energia, as variações da tensão momentânea e temporária em relação à tensão de referência são: inferior a 0,1 p.u para interrupções, entre 0,1 e 0,9 p.u para afundamentos, superior a 1,1 p.u para elevação. Martinho (2013) afirma que a variação de tensão é um dos principais causadores de problemas no sistema elétrico e para os consumidores, sendo responsável por parada de funcionamento de equipamentos interrompendo os processos de produção. Em geral, os problemas relacionados ao perfil de tensão nas redes de distribuição de energia elétrica são os que mais comprometem a qualidade de energia elétrica. Para a correção

14 desses problemas, alguns métodos de controle de tensão podem ser empregados de forma sistemática e em pontos estratégicos ao longo do alimentador.

1.1 PROBLEMA As distribuidoras de energia elétrica assumem a responsabilidade de fornecer aos seus consumidores energia com qualidade, para tanto devem fornecer tensões dentro da faixa estabelecida pela ANEEL. Em várias situações exige-se o método de regulação da tensão utilizando equipamentos adequadospara este fim ou ainda métodos de reconfiguração do sistema elétrico, já em alguns casos especiais a solução é a construção de novos alimentadores e novas subestações para atender às exigências do órgão fiscalizador. Os afundamentos de tensão nossistemas primário esecundário podem ser ajustados ao longo do circuito, para que o consumidor final tenha níveisde tensão aceitáveis e confiáveis. Acontece que as concessionárias instalam os bancos de reguladores de tensão em pontos estrategicamente definidos, mesmo se o problema de tensão esteja ocorrendo em apenas uma das fases, elevando os custos para adequação da assimetria de tensão no sistema elétrico. São vários os fatores que contribuem para que ocorra assimetria de tensão nas redes de distribuição de energia elétrica (distribuição inadequada das cargas monofásicas; emendas de condutores;conexões oxidadas; curtos-circuitos em isoladores com problemas de vazamento de corrente elétrica; desequilíbrio de tensão na fonte supridora em alta tensão; entre outros). A maior dificuldade em se instalar bancos de reguladores de tensão é a disponibilidade em estoque destes equipamentos, comprometendo os prazos de regularização do sistema.

1.2 QUESTÃO DE PESQUISA Quais ações devem ser tomadas para a decisão de se instalarreguladores de tensão nos alimentadores de distribuição de energia, para a adequação dos níveis de tensão aos valores estabelecidos por norma e mantê-los ao longo do circuito? Como identificar o melhor ponto para a instalação de um banco de reguladores de tensão em um alimentador de distribuição de energia elétrica? A instalação de reguladores individuais,somente na faseque apresentar problemas de níveis de tensão, possibilita o equilíbrio de tensão ao longo da rede?

15 1.3 HIPÓTESE • Hipótese 1 – A instalação de bancos de reguladores de tensão nas redes de distribuição de energia elétrica deve seguir os procedimentos do planejamento, de forma que o equipamento possa contribuir para a melhoria dos níveis de tensão por, pelo menos, cinco anos. Sendo necessárias ações como: levantamento do perfil de carga, conhecimento dos tipos de cargas instaladas, níveis de tensão ao longo do alimentador, entre outras, para se conhecer o sistema elétrico e tomar a melhor decisão na escolha do ponto ideal garantindo a qualidade da energia; • Hipótese 2 – O sistema elétrico é solicitado a todo instante para o acionamento de diversas cargas, alterando o comportamento da rede. O que, em alguns casos, afeta a qualidade da energia elétrica no momento em que as cargas são utilizadas. Com base nas informações da rede, define-se o melhor ponto para instalação de um banco de reguladores de tensão conforme normas de planejamento, adotando como ponto ideal aquele que apresentar níveis de tensão da ordem de 97%, afim de possibilitar a permanência dos equipamentos em um horizonte de pelo menos cinco anos. • Hipótese 3 – Em muitos casos, a instalação de bancos de reguladores de tensão ocorre em pontos em que apenas uma das fases apresentabaixos níveis de tensão, enquanto que nas outras fases os valores permanecem aceitáveis. Essa condição possibilita a instalação de apenas uma unidade de regulador de tensão, para melhoria do equilíbrio de tensão entre as fases, proporcionando uma economia significativa para as concessionárias, uma vez que serão utilizados recursos financeiros para um regulador apenas, podendo contabilizar uma economia de até 66%.

1.4 OBJETIVO GERAL Sugerir alternativas para ainstalação de reguladores de tensão individuais nas fases que apresentam as maiores quedas de tensão, para a adequação das redes de distribuição de energia elétrica e redução do desequilíbrio de tensão.

16 1.5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Sob o ponto de vista específico, visa-se: • Analisar as alternativas para a regulação da tensão nos alimentadores de distribuição; • Compreender os procedimentos operacionais para o controle de tensão conforme determinação da ANEEL; • Conhecer os dados necessários para a avaliação do sistema de distribuição, relacionados à qualidade da energia em relação aos níveis de tensão, como característica do alimentador, seção dos condutores, tipos de unidades consumidoras (UC) e os equipamentos instalados ao longo do circuito; • Simular o emprego de reguladores de tensão apenas nas fases com problemas de queda de tensão, a fim de reduzir o desequilíbrio da tensão no sistema elétrico e também os custos de instalação e manutenção.

1.6 JUSTIFICATIVA Os efeitos da variação de tensão nos alimentadores de distribuição podem promover danos aos equipamentos instalados ao longo das redes elétricas, comprometendo drasticamente a qualidade da energia distribuída. Existem casos em que o problema de tensão elétrica ocorre em apenas uma das fases ou em duas delas, porém as concessionárias investem em bancos de reguladores de tensão para as três fases, independente dos níveis de tensão no ponto definido para a instalação, ou seja, tomam-se como base a fase que apresenta menor nível de tensão. Este trabalho se justifica, na medida em que se estuda o PRODIST e as Resoluções referentes à qualidade da energia elétrica, bem como os impactos do não cumprimento da legislação em vigor para as concessionárias e para os consumidores de um modo geral. A proposta é apresentar uma estratégia para a instalação de reguladores de tensão nas fases que apresentam as maiores quedas de tensão, possibilitando a adequação do sistema elétrico regulando apenas a fase que apresenta problemas de tensão, o que proporciona, consequentemente, uma economia significativa e uma melhor distribuição dos equipamentos ao longo das redes de distribuição.

17 1.7 ESTRUTURA DO TRABALHO O presente trabalho está organizado seguindo a estrutura abaixo: • Capítulo 2: Referencial teórico – apresenta-se o referencial teórico sobre as normas e manuais que auxiliam no desenvolvimento de estudos para regulação de tensão em redes de distribuição; • Capítulo 3: Metodologia – apresenta-se a metodologia utilizada para o desenvolvimento deste trabalho; • Capítulo 4: Estudo de caso – discorre sobre o estudo de caso para correção dosníveis de tensão de um alimentador; • Capítulo 5: Conclusão – apresenta a conclusão do trabalho e sugestão para trabalhos futuros.

REFERENCIAL TEÓRICO Este capítulo tem por finalidade proporcionar o entendimento sobre os métodos de

regulação de tensão nos alimentadores de distribuição de energia elétrica, tendo como base as normas técnicas e as resoluções do órgão fiscalizador, relacionadas à qualidade da energia, subsidiando e facilitando o desenvolvimento deste estudo com embasamento pertinente ao tema abordado. Sabe-se que alguns conceitos citados exigem maiores esclarecimentos e detalhes para que se tenha uma compreensão total do assunto, desta forma, o foco principal deste trabalho se apoia apenas nas características de maior relevância ao estudo.

2.1 PRODIST Com o intuito de verificar e acompanhar o sistema elétrico de média tensão (SDMT), a ANEEL elaborou o PRODIST, que são documentos técnicos relacionados ao funcionamento e desempenho dos sistemas de distribuição de energia elétrica, com base nas Resoluções que determinam a qualidade da energia distribuída. O PRODIST é composto por 9 Módulos como se segue: •

Módulo 1 - Introdução

•

Módulo 2 - Planejamento da Expansão do Sistema de Distribuição

•

Módulo 3 - Acesso ao Sistema de Distribuição

•

Módulo 4 - Procedimentos Operativos do Sistema de Distribuição

•

Módulo 5 - Sistemas de Medição

•

Módulo 6 - Informações Requeridas e Obrigações

•

Módulo 7 - Cálculo de Perdas na Distribuição

•

Módulo 8 - Qualidade da Energia Elétrica

•

Módulo 9 - Ressarcimento de Danos Elétricos

O principal objetivo do PRODIST é normatizar e padronizar as atividades técnicas relacionadas ao funcionamento e desempenho dos sistemas de distribuição de energia elétrica, conforme segue abaixo: • Garantir que os sistemas de distribuição operem com segurança, eficiência, qualidade e confiabilidade; • Propiciar o acesso aos sistemas de distribuição, assegurando tratamento não discriminatório entre agentes;

19 • Disciplinar os procedimentos técnicos para as atividades relacionadas ao planejamento da expansão, à operação dos sistemas de distribuição, à medição e à qualidade da energia elétrica; • Estabelecer requisitos para os intercâmbios de informações entre os agentes setoriais; • Assegurar o fluxo de informações adequadas à ANEEL; • Disciplinar os requisitos técnicos na interface com a Rede Básica, complementando de forma harmônica os Procedimentos de Rede.

2.2 LEGISLAÇÃO As concessões de distribuição são regidas por leis, regulamentos e por contratos de concessão. As principais leis que estabelecem o marco regulatório do setor elétrico são as Leis Federais nº 8.987, 9.074, 9.427, 10.438, 10.847, 10.848. A Lei 8.987 que estabelecem os condicionantes para o regime das concessões e requisitos dos contratos de concessão dos serviços públicos. A Lei 9.074 regulamenta itens do regime de concessões para a energia elétrica.A lei 9.427 dispõe sobre a criação e atribuições da ANEEL. A Lei 10.438 dispõe sobre a expansão da oferta de energia elétrica emergencial, recomposição tarifária extraordinária, cria o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (Proinfa), a Conta de Desenvolvimento Energético (CDE), dispõe sobre a universalização do serviço público de energia elétrica. A Lei 10.848 Autoriza a criação da Empresa de Pesquisa Energética – EPE e dá outras providências que tem por finalidade prestar serviços na área de estudos e pesquisas destinadas a subsidiar o planejamento do setor energético, tais como energia elétrica, petróleo e gás natural e seus derivados, carvão mineral, fontes energéticas renováveis e eficiência energética, dentre outras. A Lei 10.848 dispõe sobre a comercialização de energia elétrica. A comercialização de energia elétrica entre concessionários, permissionários e autorizados de serviços e instalações de energia elétrica, bem como destes com seus consumidores, no Sistema Interligado Nacional (SIN), dar-se-á mediante contratação regulada ou livre, nos termos desta Lei e do seu regulamento(MÉFFE, 2001; OLIVEIRA, 2009).(2001)(2009) A regulamentação do setor elétrico é diferenciada para cada segmento, uma vez que o setor atualmente é desverticalizado e dividido em geração, transmissão, distribuição e

20 comercialização, o segmento que está sujeito a uma maior regulamentação é a transmissão e a distribuição (LIMA, 2011).

2.3 SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO As redes de distribuição de energia elétrica se adequam à topologia das cidades, ramificando-se pelas ruas e avenidas, usando o termo sistema malhado ou rede malhada quando existem várias ramificações, favorecendo as conexões entre as subestações e interligações com os alimentadores próximos, sendo, as distribuidoras de energia elétrica, responsáveis pela conexão, atendimento e entrega efetiva da energia ao consumidor final. No Brasil existem mais de 69 milhões de UCs, das quais 85% são residenciais(ABRADEE, 2012). Afirma-se, portanto, que o setor de distribuição é um dos mais regulados e fiscalizados de todo o setor elétrico e de prestação de serviço público sob contrato com a ANEEL, conforme as determinações do PRODIST (o qual dispõe sobre: disciplinas, condições, responsabilidades, penalidades relativas à conexão, planejamento da expansão, operação e medição da energia elétrica) estabelecendo a cada ano novos critérios para apuração dos indicadores de qualidade.Oliveira (2009), em seu trabalho cita que o sistema de distribuição de Média Tensão (SDMT) é o segmento que transporta a energia elétrica até os consumidores finais. Os principais dados para os cálculos das perdas elétricas nas redes são: a topologia do alimentador e a carga. Vários trabalhos pesquisados calculam as perdas a partir de simulações de fluxo de potência ou por topologias predominantes por região ou por valores médios de resistência em função da extensão da rede. Os índices de perdas de energia elétrica nos alimentadores de média tensão variam entre 0,5 e 2,5%. As concessionárias de energia elétrica, para uma estimativa mais próxima da realidade têm investido em softwares que utilizam de métodos eficientes para o cálculo das perdas técnicas, além de estruturar equipes específicas no combate às ligações clandestinas e correção do cadastro dos clientes, com foco na redução das perdas não técnicas(MARTINHO, 2013). Conforme Oliveira (2009), a grande dificuldade encontrada pelas empresas distribuidoras na obtenção das perdas elétricas de forma consistente é a quantidade de dados exigida por grande parte dos métodos encontrados na literatura. A dinâmica das cargas nos sistemas de distribuição dificulta ainda mais a atualização desses dados e a caracterização das

21 cargas é um fator muito importante para o cálculo das perdas elétricas e regulação da tensão ao longo dos alimentadores.

2.4 QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA Equipamentos elétricos e eletrônicos são os maiores responsáveis pela injeção de correntes harmônicas no sistema elétrico, em função do chaveamento constante dos componentes eletrônicos inseridos na maioria desses equipamentos. Ressalta-se que os mesmos equipamentos (considerados por alguns autores como geradores de distúrbios de energia ou poluidores elétricos), sofrem também com a má qualidade da energia elétrica provocada por seu próprio funcionamento. Em Martinho (2013, p. 15) define-se que “a qualidade da energia é a compatibilidade entre a fonte de energia e o equipamento elétrico ligado e essa energia fornecida, ou seja, é a forma que a eletricidade encontra de atender às necessidades de quem a utiliza”. “É interessante observar que os mesmos equipamentos que proporcionam conforto e aumento de produtividade impõem distúrbios à rede elétrica” (BARROS; BORELLI e GEDRA, 2012, p. 31). (BARROS, BORELLI e GEDRA, 2012) Em relação às consequências da má qualidade da energia elétrica, pode-se afirmar que os novos equipamentos são extremamente sensíveis aos distúrbios de energia e que a preocupação pela conservação e uso adequado da energia elétrica tem incentivado à utilização de equipamentos geradores de distúrbios, por serem responsáveis pelo controle das cargas, como fontes chaveadas, inversores de frequência e outras cargas do tipo não lineares (BARROS; BORELLI e GEDRA, 2012). A preocupação com a qualidade da energia elétrica é muito maior no setor industrial do que em qualquer outro seguimento, devido ao grande número de equipamentos e de processos de produção automatizados, que, em função dos distúrbios da energia elétrica, se houver uma parada, pode acarretar enormes prejuízos financeiros para o empresário e para o consumidor. Esta problemática foi também estudada por vários autores, com o objetivo de demonstrar a importância da qualidade da energia elétrica (QEE) (MARTINHO, 2013). O setor industrial, há algum tempo, se preocupa com a QEE e alguns dos itens relacionados, como por exemplo, a correção do fator de potência, distúrbios ocasionados por chaveamento de equipamentos, surtos, variação de tensão e harmônicas, sendo parte também da manutenção rotineira da indústria (MARTINHO, 2013).

22 2.5 FLUTUAÇÃO DE TENSÃO A qualidade da energia distribuída está diretamente relacionada aos níveis de tensão. A flutuação de tensão, ou variação dos níveis de tensão, gera problemas para os equipamentos elétricos, impactando no funcionamento das máquinas e equipamentos eletrônicos, ocasionando perda de dados e falha no processo de produção nas indústrias. Para Dugan (2002) a qualidade da energia elétrica é definida como qualquer problema no sistema elétrico em desvios de tensão, corrente e de frequência que provoquem distúrbios e falhas nos equipamentos elétricos. A flutuação de tensão é um distúrbio repetitivo e aleatório que é provocado por operação de cargas com características rápidas de funcionamento, dando origem às rápidas alterações das potências ativa e reativa, sendo que a componente reativa é que mais está relacionada com esse distúrbio. De acordo com o PRODIST (2014) módulo 8, a flutuação de tensão é uma variação aleatória, repetitiva ou esporádica do valor eficaz da tensão.

2.6 VARIAÇÃO DE TENSÃO A variação de tensão pode ser explicada como a modificação do valor de tensão nominal ou de referência definido como tensão padrão. Na matemática uma variação pode ser definida como uma variável adicionada à outra variável ou uma função adicionada à outra função. A variação de tensão pode ser de dois tipos: de curta duração e de longa duração(MARTINHO, 2013). A ANEEL determina os valores máximos e mínimos permissíveis para a variação da tensão. A variação de curta duração é definida no PRODIST (2014) módulo 8, como desvios significativos no valor eficaz da tensão em curtos intervalos de tempo. A variação de tensão de longa duração se caracteriza como variação superior a um minuto. A variação de tensão pode causar sobretensão ou subtensão temporárias como: afundamentos momentâneos (SAG), elevação de tensão (SWELL)e ainda interrupção da tensão. A Figura 1 ilustra os distúrbios da energia elétrica relacionados com a tensão.

23 Figura 1 – Afundamento (SAG) e elevação (SWELL) da tensão

Fonte: Tequipment(2013)

As principais causas da variação de tensão são operações de cargas de elevado potencial, chaveamento de banco de capacitores quando desligados, retornado a energia para a rede elétrica, partida de motores sem os dispositivos adequados, curtos-circuitos em pontos isolados do alimentador, entre outras.

2.7 DESEQUILÍBRIO DE TENSÃO O módulo 8 do PRODIST define o desequilíbrio de tensão como sendo a relação entre a tensão de sequência negativa e a tensão de sequência positiva no ponto de acoplamento comum entre a concessionária e a UC, podendo ser aplicada a qualquer ponto de um sistema elétrico de potência. O desequilíbrio de tensão (FD%) é calculado com base nas Equações 1 e 2.

FD% = V − ∗ 100 +

Onde: V- é a magnitude da tensão de sequência negativa (rms); V+ é a magnitude da tensão de sequência positiva (rms). Ou

(1)

FD% = 100 ∗

1− 3−6β

(2)

1+ 3−6β

Onde: β é a relação entre as tensões de sequência negativa e sequência positiva, obtido por meio da Equação 3.

β=

V 4ab +V 4bc +V 4ca V 2ab +V 2bc +V 2ca

(3)

Onde: Vab, Vbc e Vca representam a magnitude das tensões trifásicas de linha (rms). O desequilíbrio de tensão é um distúrbio comum em sistemas elétricos trifásicos, sendo produzida por cargas monofásicas ligadas ao longo do alimentador, que geralmente implicam negativamente nos transformadores e nos motores elétricos, gerando perdas de potência mecânica, danos aos mancais dos motores, elevação das perdas por efeito Joule, redução da vida útil, aquecimento dos enrolamentos dos motores elétricos, entre outras. Pequenos desequilíbrios de tensão resultam em grande elevação de temperatura e risco de incêndio em máquinas girantes (BARROS; BORELLI e GEDRA, 2012; MARTINHO, 2013). Outra situação que favorece ao aumento do desequilíbrio no SDMT são os problemas de conexão de alta impedância, que geram pontos quentes no sistema elétrico, assim como outros fatores (conexões frouxas, motores reparados erradamente, curtos-circuitos em enrolamentos de motores, correção inadequada do fator de potência) que também contribuem para o surgimento ou intensificação desse distúrbio (BARROS; BORELLI e GEDRA, 2012; MARTINHO, 2013).

2.8 REGULADOR DE TENSÃO O regulador de tensão é um autotransformador1elevador e abaixador de tensão, dotado de várias derivações (tapes) no enrolamento série, normalmente 32 tapes com comutação sob 1

Segundo Kosow (2005, p. 552) “um autotransformador é definido como um transformador que só tem um enrolamento. Assim, um transformador de enrolamentos múltiplos pode ser considerado um autotransformador, se todos os seus enrolamentos são ligados em série, em adição (ou oposição), para formar um único enrolamento”.

25 carga, que se destina a manter um perfil de tensão (estrategicamente determinadas e parametrizadas no equipamento, por meio de um relé ou controle), nas redes de distribuição de energia elétrica, quando essas são submetidas às variações de tensão que extrapolam os limites estabelecidos pela ANEEL. Estes equipamentos possibilitam a regulação da tensão, com uma variação da ordem de 0,625% a cada comutação, sendo que a regulação máxima dos reguladores de tensão atuais é da ordem de 10% para elevação e de 10% para redução da tensão(MAMEDE FILHO, 2013). A Figura 2 representa o esquema elétrico de um autotransformador, que é similar ao esquema elétrico de um regulador de tensão. Percebe-se que é possível utilizar o autotransformador como abaixador ou elevador de tensão (KOSOW, 2005). Figura 2 – Esquema Elétrico de um autotransformador

Fonte: Knirsch(2013)

Nota-se que o esquema representado na Figura 2 é de um autotransformador abaixador e o seu núcleo magnético é representado pelos traços paralelos verticais. Nota-se, também, o único enrolamento da tensão maior (que pode ser o lado de entrada ou de saída) e a tensão menor é obtida através das derivações do próprio enrolamento. Outro ponto a ser observado é o terminal comum na entrada e na saída que existe no autotransformador(KNIRSCH, 2013). Em Kosow (2005, p. 553) entende-se que um autotransformador se comporta como um divisor de tensão quando é usado como abaixador, porém, a recíproca não é verdadeira quando o mesmo é utilizado como elevador de tensão. A possibilidade de se utilizar um autotransformador com comutação sob carga nas redes de distribuição de energia elétrica, trouxe um grande benefício para as concessionárias. De acordo com Mamede Filho (2013), o emprego de reguladores de tensão no SDMT, principalmente nas redes extensas e rurais com característica de cargas elevadas, é muito

26 útilpara as concessionárias de energia elétrica, por ser a maneira mais simples e mais rápida para adequar os níveis de tensão ao longo das redes. Com a aplicação de reguladores de tensão nos alimentadores de distribuição de energia com problemas de qualidade relacionados aos níveis de tensão, as concessionárias passaram a garantir a manutenção da qualidade da energia elétrica distribuída, o que vem a contribuirpositivamente com um incremento da receita quando se promove uma melhoria na qualidade da energia. Segundo Mamede Filho (2013, p. 544) o benefício da melhoria dos níveis de tensão é notório, pois “o aumento de 1% na tensão de um consumidor resulta num acréscimo de faturamento de cerca de 1,5%”. Logo conclui-se que a qualidade da energia possibilita melhores lucros. A Figura 3 ilustra o esquema elétrico de um regulador de tensão monofásico, a qual possibilita o entendimento do funcionamento do regulador, ou autotransformador com comutação sob carga. Figura 3 – Esquema Elétrico de um regulador de tensão

Fonte: Toshiba (2012)

Nota-se pelo esquema elétrico apresentado na Figura 3, que o regulador de tensão desenvolve a variação da tensão por meio da comutação sob carga, realizada pelo comutador, que, por sua vez, possibilita as mudanças sem a interrupção da carga, devido à existência de um reator, que faz a mudança dos tapes com as suas extremidades, movendo-se uma de cada vez, como pode ser verificado na Figura 4, resultando no percentual de variação de 0,625%, logo conclui-se que o comutador de oito tapes, passa a ser 16 degraus, como os reguladores, por norma, são fabricados para variar a tensão em 10% no máximo, dividindo este valor por 16 obtêm-se 0,625% (TOSHIBA, 2012).

27 Figura 4 – Exemplo da comutação por meio do reator

Fonte: Toshiba (2012)

A inversão de comutação, quando há necessidade de abaixar a tensão da rede em que o regulador estiver instalado, ocorre por meio de uma chave inversora conectada entre as bobinas B e C, como se vê na Figura 5. Figura 5 – Esquema da chave inversora

Fonte: Toshiba (2012)

Quando a chave inversora estiver na posição de elevar (posição M – autotransformador elevador de tensão), o reator executa a comutação na ordem crescente da representação da Figura 5. No momento em que o sistema elétrico deixa de ser requisitado pelas cargas, a chave inversora é solicitada e faz a inversão da comutação, passando para a posição K, a partir desse momento, o regulador de tensão passa a atuar como um autotransformador abaixador de tensão. Desta forma pode-se afirmar que um regulador de tensão possui oito tapes com 32 degraus, sendo oito na elevação e oito na redução (TOSHIBA, 2012; MAMEDE FILHO, 2013). A Figura 6 ilustra o regulador de tensão e suas partes externas

28 Figura 6 – Regulador de tensão partes externas

Fonte: Adaptada da ITB (2014)

2.9 LIGAÇÃO DOS REGULADORES DE TENSÃO MONOFÁSICOS Os bancos de reguladores de tensão são, geralmente, montados em postes e conectados em delta aberto, delta fechado e estrela. De acordo com a Toshiba (2012), a ligação delta aberto, consiste em instalar dois reguladores de tensão monofásicos, tendo como referência uma fase comum (fase não regulada) devendo-se escolher a melhor fase do sistema elétrico, ou seja, a que apresentar menor queda de tensão e que justifique a utilização do modelo delta aberto (ou triângulo aberto), como pode ser verificado na Figura 7.

29 Figura 7 – Conexão delta aberto para reguladores monofásicos

Fonte: Toshiba (2012)

A conexão delta ou triângulo fechado consiste em conectar três unidades monofásicas de reguladores de tensão, de forma que a fase de referência para cada uma das unidades seja a fase regulada pelo equipamento vizinho, de maneira que a conexão seja em delta. Como mostra a Figura 8 (TOSHIBA, 2012). Deve-se observar que a conexão delta fechado pode ser de dois tipos, delta fechado atrasado, em que a tensão entre fases esteja adiantada de 30° em relação à tensão monofásica (fase-neutro) em que o regulador esteja instalado (valendo para todo o banco), isso ocorre porque, sendo o regulador monofásico, a sua referência de tensão é a tensão fase-neutro, assim é possível observar que o regulador de tensão monofásico está atrasado de 30°. Figura 8 – Conexão delta fechado para reguladores monofásicos

Fonte: Toshiba (2012)

30 A Figura 9 ilustra o tipo de conexão delta fechado para a situação em que a tensão entre fase esteja atrasada em relação à tensão fase-neutro. Figura 9 – Representação fasorial da conexão delta fechado atrasado

Fonte: Toshiba (2012)

Quando a tensão entre fases estiver atrasada de 30° em relação à tensão fase-neutro correspondente ao regulador, tem-se a conexão delta fechado adiantado. A analogia é coincidente à da situação anterior, como se vê na Figura 10. Figura 10 – Representação fasorial da conexão delta fechado adiantado

Fonte: Toshiba (2012)

O tipo de conexão estrela, geralmente aterrada,é utilizada somente para reguladores com tensão de isolação igual à tensão fase-neutro do sistema elétrico. Consiste na utilização de três unidades monofásicas conectadas de forma a resultar uma ligação do tipo estrela, devendo as buchas primárias, comum (SL), serem devidamente aterradas por meio de malha de terra dentro dos padrões normativos. Este tipo de ligação é recomendado para subestações

31 devido à segurança oferecida pela malha de terra, evitando-se o deslocamento do ponto neutro em função das cargas monofásicas (TOSHIBA, 2012; MAMEDE FILHO, 2013). A Figura 11 ilustra a representação do esquema elétrico da conexão estrela aterrada. Figura 11 – Conexão estrela aterrada para reguladores monofásicos

Fonte: Toshiba (2012)

Nota-se que para conexões em estrela aterrada, que não existe defasamento em relação às tensões, uma vez que a tensão dos reguladores é sempre monofásica(TOSHIBA, 2012).

2.10 REGULADORES DE TENSÃO EM SÉRIE A aplicação de bancos de reguladores de tensão em série se faz necessária quando alimentadores de distribuição do sistema de média tensão apresentam quedas de tensão excessivas, em função das cargas conectadas ao longo desses alimentadores. Normalmente, o número de reguladores de tensão em série não deve ser superior a três, porém cada concessionária adota o seu padrão, porém, a utilização de reguladores de tensão em série deve ser avaliada também em função da capacidade térmica dos condutores, parâmetro que limita a utilização de reguladores de tensão em série(MAMEDE FILHO, 2013). Quanto à operação dos bancos de reguladores de tensão, geralmente ajustam-se os equipamentos para que a resposta seja iniciada pelo banco que estiver mais próximo da subestação, evitando operações excessivas nos demais equipamentos. A queda de tensão

32 ocorre em todo o sistema elétrico, devendo, então, o primeiro banco corrigir o problema, para promover a melhoria em toda a rede de energia, e, quando o problema de afundamento de tensão persiste, os bancos instalados à jusante do primeiro devem responder em cascata caso o banco a montante não corrija as tensões dentro do tempo determinado pelo setor de estudos (MAMEDE FILHO, 2013). A Figura 12 representa a topologia de um alimentador de característica rural com três bancos de reguladores de tensão em série e todos montados na conexão delta fechado. Figura 12 – Alimentador com três bancos de reguladores em série

Fonte: Coelba (2015)

33 2.11 REGULAÇÃO MONOFÁSICA A regulação de tensão por meio de reguladores monofásicos, nos sistemas de distribuição de energia elétrica, possibilita a adequação dos níveis de tensão ao longo dos alimentadores para atender as exigências da ANEEL. Cada regulador monofásico, individualmente regula uma fase do sistema elétrico, o que possibilita a utilização dos bancos de reguladores de tensão (TOSHIBA, 2012). De acordo com Mamede Filho (2013, p. 564) “o modo como são conectados os reguladores de tensão, formando bancos, permite, se obterem faixas de regulação diferentes”, desta forma, os reguladores monofásicos, regulando individualmente, permite a regulação máxima de sua faixa, ou seja, 100%. Mamede Filho (2013, p. 564) afirma ainda que “dois reguladores conectados em triângulo aberto num sistema trifásico podem regular 110% da faixa de regulação individual”. A utilização de reguladores de tensão monofásicos para regulação individual pode ser uma boa opção quando se trata de queda de tensão acentuada em função do desequilíbrio da rede, assim, conforme o Laboratório de Sistema de Energia Elétrica (LSEE) (2012 p. 2) “a queda de tensão é maior nos sistemas de distribuição de baixa tensão com fator de potência baixo, circuitos monofásicos e circuitos desbalanceados”. O esquema de ligação de um regulador monofásico regulando individualmente uma fase do sistema elétrico está representado na Figura 13. Figura 13 – Conexão de um regulador monofásico

Fonte: Toshiba (2012)

Nota-se que a fase de referência é a fase da rede de energia que não tem regulação nesse ponto, devendo ser seleionada a que apresentar menor queda de tensão, como vista atenriormente.

34 2.12 CONTROLE DOS REGULADORES DE TENSÃO Os reguladores de tensão são controlados por relés microprocessados cuja função é calcular os parâmetros necessários para a operação do comutador, mecanismo responsável pela variação da tensão em função da carga passante nos reguladores. Os controles são dispositivos que funcionam de acordo com uma parametrização definida pelo planejador do sistema elétrico ao estudar o comportamento do SDMT (ITB, 2014). Para a Toshiba(2015), o controle de reguladores de tensão monofásico tem o objetivo de manter os níveis de tensão dentro dos parâmetros predeterminados utilizando o monitoramento da rede, acionando o comutador para realizar a mudança dos tapes do autotransformador. A Figura 14 ilustra o modelo TBR1000 da Toshiba. Figura 14 –Controle Toshiba TBR1000

Fonte: Toshiba (2015)

A Figura 15 representa o modelo CTR2 da ITB.

35 Figura 15 –Controle ITB CRT2

Fonte: ITB (2014)

As funções mais comuns e utilizadas nos controles, seja de qualquer fabricante, são: tensão de referência, que representa a tensão desejada em qualquer ponto da rede dentro do alcance dos reguladores; insensibilidade ou “voltage level”, que é a faixa ajustada para permitir a variação da tensão sem que o equipamento opere desnecessariamente e os parâmetros de queda de tensão na faixa da rede que se pretende regular. Esses parâmetros indicam uma queda de tensão resistiva e reativa da rede com os quais o controle é capaz de compensar as tensões de saída dos reguladores capaz de manter naquele ponto determinado como ponto de regulação, as tensões desejadas (ITB, 2014; TOSHIBA, 2015).

36 3

METODOLOGIA A decisão pela metodologia mais adequada a ser utilizada neste trabalho foi a etapa de

maior importância para a realização da pesquisa,quando há a necessidade de o pesquisador realizar um planejamento sobre o tema abordado. Assim, o presente estudo é de natureza aplicada, quanto à abordagem do problema classifica-se como qualitativa e quanto aos objetivos, como descritiva, uma vez que se buscou as informações necessárias e pertinentes ao temapara em seguida associá-las ao estudo dos métodos para regulação da tensão em sistemas de distribuição de energia elétrica, considerando a expectativa e as melhores práticas para o planejamento de redes de distribuição de energia elétrica. Quanto aos procedimentos utilizados na pesquisa, pode-se classificá-los como de levantamento, porque na elaboração da pesquisa, realizou-se um levantamento bibliográfico servindo como base para o referencial teórico. A pesquisa também se classifica como de levantamento, porque se fez enunciados descritivos sobre os métodos de regulação de tensão das redes de energia elétrica. Sendo classificado também como um estudo de caso, uma vez que o levantamento dos dados tomou como base o estudo simulado de um alimentador de distribuição de classe 15 kV.

3.1 FONTES DOS DADOS Os dados foram pesquisados em fontes da internet e em livros específicos sobre planejamento de redes de distribuição, manual de equipamentos e regulação de tensão, além das normas técnicas e Resoluções da ANEEL.Este trabalho foi realizado em duas etapas distintas: na primeira caracterizou-se os problemas da qualidade da energia distribuída e a necessidade de manter os padrões estabelecidos pelo órgão regulador, identificando as questões relacionadas ao planejamento e qualidade das redes de energia. Na segunda etapa realizou-se um estudo de caso, considerando os critérios para o planejamento e estudo de regulação de tensão de redes de distribuição de energia elétrica, a partir de simulações de fluxos de potência de um alimentador de distribuição de 13,8 kV.

3.2 PROCEDIMENTOS E TÉCNICAS Nesta fase do trabalho desenvolveu-se um estudo de caso, relacionado com o referencial teórico adotado, fazendo-se um levantamento da necessidade para o

37 desenvolvimento de um estudo de regulação de tensão e planejamento de redes de distribuição, quanto à qualidade da energia. Após definição dos procedimentos do planejamento, verificou-se as melhorias quanto aos métodos de instalação dos reguladores de tensão nas redes de energia elétrica e fez-se uma breve comparação das condições atuais e futuras de uma rede de distribuição simulada.

3.3 INSTRUMENTOS DE PESQUISA Na pesquisa bibliográfica e no estudo de caso apresentado, foram realizados estudos sobre o planejamento de redes de distribuição e a aplicação de equipamentos de regulação de tensão (reguladores de tensão monofásicos), conforme normas da concessionária local e exigências da ANEEL.

3.4 ESTRATEGIA NA OBTENÇÃO DOS DADOS Os dados foram obtidos por meio de simulações de fluxo de potência nos patamares: madrugada (entre 00h00min e 06h00min), manhã (entre 06h00min e 12h00min), tarde (entre 12h00min e 18h00min) e noite (entre 18h00min e 00h00min). As simulações foram realizadas por meio do software Interplan2, adquirido pela concessionária local, sendo umas das principais ferramentas do setor de planejamento. A empresa permitiu a utilização desta ferramenta e a apresentação das simulações realizadas neste trabalho, desde que algumas informações do alimentador fossem omitidas, a fim de cumprir o seu código de ética.

3.5 ANÁLISE DOS DADOS Os dados foram obtidos por meio de pesquisa bibliográfica, comparando os resultados obtidos com os dados da rede estudada nas condições atuais. Foram utilizadas tabelas para a demonstração e comparação dos dados e apresentação dos resultados obtidos.

Interplan é um software desenvolvido pela Daimon para a realização de fluxos de potência, análise e diagnósticos das redes de distribuição, avaliação de planejamento de novas redes e subestações, analise de partida de motores. Maiores informações no site do fornecedor (www.daimon.com.br)

38 4

ESTUDO DE CASO Este capítulo tem a finalidade de proporcionar o entendimento sobre o

desenvolvimento do estudo de caso deste trabalho, apresentando os procedimentos realizados durante o estudo, bem como as simulações feitas por meio do software de planejamento, utilizado pela concessionária local, que permitiu a apresentação das simulações para complementação deste trabalho, podendo analisar os melhores pontos para a instalação de reguladores de tensão individuais.

4.1 INSTALAÇÃO DE REGULADORESDE TENSÃO INDIVIDUAIS POR FASE O alimentador (apresentado na Figura 12) utilizado como objeto de estudo para a realização deste trabalho está codificado pela letra A e tem característica rural. Os dados técnicos deste alimentador estão apresentados na Tabela 1. Escolheu-se este alimentador, por já ter sido instalado três bancos de reguladores de tensão em série e todos conectados em delta fechado, porém o alimentador ainda apresenta problemas de assimetria na amplitude das tensões,devido ao afundamento em uma das fases, motivo pelo qual se pretende demonstrar a vantagem da instalação de reguladores de tensão monofásicos regulando individualmente cada fase e montados em pontos distintos do alimentador. Tabela 1 – Características do alimentador A

ALIM.

V nom. (kV)

I carga (A)

Ext. do tronco (km)

Cond. do tronco

13,8

190

1/0CAA

Tensão no ponto mais desfavorável (pu) Fases B C A 0,96 0,96 0,93

Fonte: Própria (2014)

O fluxo de potência do alimentador demonstra que no ponto de instalação do primeiro banco de reguladores de tensão, os valores (em pu) da tensão nas fases A, B e C são respectivamente: 0,93;

0,98

0,98 (tensões de

fonte) e

0,99;

1,04 e

1,04

(tensõesreguladas).Observa-se que apenas a fase A apresenta um nível de tensão fora do critério e que mesmo após a regulação, estando adequadas, mantém-se um desequilíbrio de tensão da ordem de 3,23%e no ponto de entrada dos reguladores 2,09%,menor que na saída (com base na Equação 2, como definida no PRODIST), pensando do percentual de regulação

39 do equipamento, observa-se que o regulador da fase A está regulando 6,0%, enquanto que os reguladores das fase B e C, regulam 8% atingindo o máximo estabelecido para o alimentador. Com base na Figura 14 nota-se que o banco de reguladores de tensão não apresenta um ganho uniforme se considerarmos o sistema trifásico, porque ainda se vê uma assimetria considerável entre as tensões, o que demonstra a necessidade em melhorar a tensão da fase A. Figura 16 –Característica atual do sistema com banco de regulador delta fechado

8,0% = 1.060 V 56,84°

14.352 V = 1,04pu

14.352 V = 1,04pu 57,771°

13.248 V = 0,96 pu

61,115°

8,0% = 1.060 V

61,115°

6,0% = 770 V 61,58°

12.834 V = 0,93 pu 61,58°

13.662 V = 0,99pu Fonte: Própria (2014)

É possível verificar que os ângulos dos fasores já estão defasados no ponto de entrada dos reguladores de tensão, isso ocorre em função da assimetria existente na rede, após regulação da tensão (na saída dos reguladores) os ângulos novamente sofrem alteração, persistindo a assimetria, agora na ordem de 3,23%, ou seja, houve uma aumento de 1,14% no desequilíbrio de tensão, piorando a qualidade da energia distribuída.

4.1.1

Configuraçao proposta para a regulação da tensão Considerando um horizonte de cinco anos para uma nova locação dos equipamentos

no SDMT, sugere-se a instalação de um regulador de tensão em um ponto que apresente um nível de tensão da ordem de 0,97 pue que seja na fase A, por apresentar a maior queda de tensão ao longo da rede(o ponto sugerido está a uma distância de 1,6 km a montante do ponto do atual banco de reguladores). A Figura 15 mostra a topologia do alimentador, destacando o ponto atual e o novo ponto proposto na fase A.

40 Figura 17 – Conexão de um regulador monofásico

Fonte: Própria(2014)

Os resultados dos níveis de tensão nas fases A, B e C, antes e após a instalação do regulador de tensão, estão apresentados na Tabela 2. Tabela 2 – Avaliação dos níveis de tensão no ponto sugerido no estudo de caso

Condição Atual Estudo de caso

Fase A 0,97 1,01

Tensões (pu) Fase B 1,01 1,01

Fase C 1,01 1,01

Desequilíbrio (%) 2,66 0,0

Fonte: Própria (2014)

Com base nos resultados, nota-se a importância de promover o equilíbrio das tensões no sistema elétrico. Logo, a opção de instalar um regulador individual é vantajosa analisando pelo ponto de vista econômico e pela técnica em resolver o problema de forma rápida e segura, uma vez que o regulador manterá o valor de tensão ao longo do tempo independente da carga e da variação de tensão da fonte. A Tabela 3 apresenta uma comparação das tensões nas três fases na saída do banco de reguladores de tensão atual e no ponto onde se propõe a instalação de um regulador de tensão monofásico.

41 Tabela 3 – Comparação dos níveis de tensão na saída dos reguladores – atual e sugerido

Local Banco delta fechado Regulador individual - Estudo de caso

Fase A 0,99

Tensões (pu) Fase B 1,04

1,01

Fase C 1,04

Desequilíbrio (%) 3,23

1,01

0,0

Fonte: Própria (2014)

Os resultados demonstram que houve uma melhoria significativa na qualidade da energia no ponto estudado, eliminando o problema de nível de tensão da fase A, que persistia até mesmo no ponto de instalação do banco atual.

4.1.2

Avaliação dos novos valores de tensão no ponto do atual banco de reguladores. No local onde se encontra o atual banco de reguladores de tensão delta fechado, os

níveis de tensão na entrada dos reguladores eram 0,93 pu; 0,98pu e 0,98pu nas fases A, B e C, respectivamente, implicando em um desequilíbrio da ordem de 3,43%. Após a instalação do regulador na fase A, os valores de tensão passaram a ser 0,98pu ; 0,98pu e 0,98pu nas fases A, B e C, respectivamente. Nota-se que o sistema elétrico neste ponto não apresenta desequilíbrio de tensão, apesar de os valores estarem abaixo do valor nominal. Para o sistema elétrico funcionar com qualidade, o fator desequilíbrio é de alta relevância, uma vez que para compensar os níveis de tensão pode-se adotar a utilização do recurso do tape dos transformadores de distribuição. A Tabela 4 apresenta a comparação das tensões na entrada do atual banco de reguladores, sem e com a instalação do regulador na fase A sugerido neste estudo. Tabela 4 – Comparação dos níveis de tensão na chegada dosreguladores– atual

Local Banco delta fechado – situação atual Banco delta fechado Estudo de caso

Fase A

Tensões (pu) Fase B

Fase C

Desequilíbrio (%)

0,93

0,98

3,43

0,98

0,0

Fonte: Própria (2014)

Nota-se que a melhoria dos níveis de tensão foi significativa e que o regulador instalado na fase A opera com folga, garantindo uma vida longa no ponto alocado.

42 4.1.3

Análise da queda de tensão ao longo do alimentador De acordo com o fluxo de potência analisado, os níveis de tensão se mantêm dentro

dos padrões estabelecidos pela ANEEL. Porém, de acordo com os procedimentos da unidade de planejamento da distribuição, há necessidade de regular os níveis de tensão no ponto distante de 6,6 km do regulador instalado na fase A. As tensões no local sugerido são da ordem de 0,93 pu; 0,97 pu e 0,97 pu, nas fases A, B e C, respectivamente. Com base neste contexto, sugere-se a instalação de mais um regulador na fase A para adequação dos níveis de tensão. Para se obter um melhor ganho do sistema elétrico como um todo, o melhor ponto para a instalação do segundo regulador individual deve ser tal, que os níveis de tensão nas fases B e C sejam iguais ou maiores que 0,98 pu, sendo assim o melhor local para se instalar o segundo regulador é a 5,0 km após o primeiro regulador, no qual os níveis de tensão são 0,94 pu; 0,985 pu e 0,987 pu. A Tabela 5 apresenta os valores de tensão no ponto sugerido, antes e após a instalação do segundo regulador. Tabela 5 – Comparação dos níveis de tensão no ponto de instalação do segundo regulador

Local Sem regulador Estudo de caso – com regulador

Fase A 0,94 0,981

Tensões (pu) Fase B 0,985 0,985

Fase C 0,987

Desequilíbrio (%) 3,14

0,987

0,36

Fonte: Própria (2014)

Verificando a queda de tensão à jusante do regulador, verifica-se que houve uma grande redução do desequilíbrio de tensão, para as quais a assimetria se mantém abaixo de 1,0%, aceitável conforme o módulo 8 do PRODIST, que determina um valor máximo de 2%. Desta forma o próximo ponto que necessita de regulação está, de acordo com o fluxo de potência, a 6,0 km do segundo regulador de tensão, porém como a assimetria neste ponto passa de 1,02% para 0,36%, sugere-se manter o banco delta fechado existente neste local. A Tabela 6 representa os valores de tensão na chegada do terceiro banco para comparação com os valores atuais. Tabela 6 – Comparação dos níveis de tensão – banco de reguladores existente

Local

Fase A

Tensões (pu) Fase B

Fase C

Desequilíbrio (%)

Sem regulador Estudo de caso – com regulador

0,92

0,968

0,965

1,02

0,962

0,968

0,965

0,36

Fonte: Própria (2014)

Com a utilização do recurso de instalação de reguladores de tensão individuais por fase, como alternativa para redução do desequilíbrio e melhoria dos níveis de tensão, pode-se afirmar que é uma maneira rápida, segura e confiável para mitigar os problemas de assimetria de tensão ao longo do alimentador, apresentando vantagens (menor despesa para a correção dos níveis de tensão, rapidez na ação para resolver um problema de desequilíbrio de tensão, redução dos custos de manutenção, entre outras). As desvantagens deste recurso são: baixa aceitação pelas concessionárias, que se adaptaram à cultura de utilizar bancos de reguladores; monitoramento constante do alimentador, exigindo das concessionárias equipes treinadas para fazer varreduras no alimentador, a fim de sanar problemas detectados; e, a necessidade de instalar várias unidades monofásicas ao longo da rede, para promover uma melhor distribuição dos níveis de tensão no sistema elétrico.

4.1.4

Custos envolvidos Um banco de reguladores de tensão conectado em delta fechado para o sistema 13,8

kV, de 138 kVA de potência passante (100A) tem um custo da ordem de R$ 96.000,00, devidamente instalado e operando no sistema elétrico. O valor de uma unidade tem um custo da ordem de R$ 32.000,00 em média. Para o alimentador estudado, foram utilizados dois reguladores de tensão, ou seja, um desembolso de R$ 64.000,00. Como no alimentador já existia três bancos de reguladores de tensão conectados em delta fechado, utilizou-se duas unidades do primeiro banco, aproveitado a terceira unidade como reserva técnica. Com isso, os custos para esta proposta implicam somente na mão de obra de desmontagem do banco delta fechado; montagem dos dois reguladores individuais; material para estrutura e deslocamento. Considerando que um regulador de tensão monofásico custa R$ 24.000,00, apenas o equipamento, os custos referentes ao projeto, estrutura e mão de obra são obtidos pela diferença do equipamento instalado e o custo do regulador, ou seja, R$ 8.000,00. Para este caso, a instalação de mais um banco de reguladores de tensão estaria em desacordo com o critério do número máximo de três bancos de reguladores em série.

CONCLUSÃO Os resultados dos níveis de tensão ao longo do alimentador estudado foram obtidos

das simulações de fluxo de potência, representados por tabelas nas quais se compara os valores de tensão antes e após a implementação dos reguladores de tensão, comprovando as hipóteses deste trabalho, uma vez que os resultados dos fluxos de potência comprovaram a viabilidade da implantação de reguladores monofásicos na fase que apresentou problemas de níveis de tensão. Os ganhos e o equilíbrio da tensão ao longo do alimentador, obtidos com a instalação de reguladores individuais na fase que apresentava a maior queda de tensão, fase A, para regular a tensão monofásica com referência da fase B ou C foram satisfatórios alcançando os objetivos e hipóteses propostas. Os custos envolvidos na mão de obra e materiais da estrutura para a instalação do regulador monofásico. O valor estimado para o projeto, considerando a mão de obra e a relocação da unidade a ser aproveitada (controle contábil) é da ordem de R$ 45.000,00. Para cada ponto de instalação no alimentador. A escolha dos pontos de instalação buscou eliminar ou mitigar a assimetria de tensão existente na rede estudada. Uma vez detectados os pontos ideais para a instalação dos reguladores, na fase com maior queda de tensão, fase A para o caso estudado, realizou-se a simulação dos reguladores operando para regulação monofásica verificando os resultados por meio dos fluxos de potência simulados. A assimetria de tensão existente nos pontos dos dois primeiros bancos de reguladores de tensão de 2,66% (1º banco de reguladores) e de 3,43% (2º banco de reguladores) foi reduzida a 0%, respectivamente, com tensões mantidas em 1,01% nas três fases. No ponto de instalação dos reguladores propostos notou-se que a assimetria foi reduzida de 3,14% para 0,36% (1º ponto) e de 1,02% para 0,36% (2º ponto). Os valores apresentados estão dentro dos critérios estabelecidos no PRODIST para a assimetria de tensão no SDMT que é de no máximo 2%.

45 5.1 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS Uma desvantagem em se utilizar reguladores de tensão é que, por ser um dispositivo mecânico, seu funcionamento é lento e pode não atender às exigências das variações de tensão de curta duração (VTCD). Com o objetivo de buscar uma solução para este problema sugerese para trabalhos futuros: • Realizar um estudo aprofundado do mecanismo do regulador de tensão com o objetivo de apresentar alternativas para diminuir o tempo de operação, com base nos tempos estabelecidos por norma para a variação de tensão; • Desenvolver estudo sobre o núcleo dos reguladores, a fim de representar as vantagens e as desvantagens do regulador de tensão; • Realizar simulações e um estudo piloto de instalação de reguladores por fase, objetivando conhecer a aplicação real desta técnica.

46 REFERÊNCIAS ABRADEE, Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica. Visão geral do setor, 2012. Disponível em: <http://www.abradee.com.br/setor-eletrico/visao-geral-do-setor>. Acesso em: 29 Jun 2013. ANEEL, Agência Nacional de Energia Elétrica. Procedimentos da Distribuição PRODIST. Módulo 8 - Qualidade de Energia Elétrica. Aneel. Brasília, p. 74. 2014. BARROS, B. F. D.; BORELLI, R.; GEDRA, R. L. Gerenciamento de energia: ações administrativas e técnicas de uso adequado da energia elétrica. São Paulo: Érica, 2012. 176 p. DUGAN, R. C. et al. Electrical Power Systems Quality. 2ª. ed. Columbus, Ohio: McGrawHill, 2002. HARLOW, J. H. Electric power transformer engineering. Boca Raton, Florida: CRC Press LLC, 2004. ISBN ISBN 0-8493-1704-5. ITB, Equipamentos Elétricos. Controle para reguladores CTR-2, 2014. Disponível em: <http://www.itb.ind.br/controle-para-reguladores-ctr-2.php>. Acesso em: 28 Jun 2015. ______. Regulador de tensão monofásico, 2014. Disponível em: <http://www.itb.ind.br/regulador-de-tensao-monofasico.php>. Acesso em: 19 fev 2015. KNIRSCH, J. Transformador, um mal necessário, 2013. Disponível em: <http://www.byknirsch.com.br/artigos-05-07-trafomalnec.shtml>. Acesso em: 25 Ago 2014. KOSOW, I. L. Máquinas elétricas e transformadores. 15ª. ed. São Paulo: Globo, 2005. LSEE, Laboratório de Sistema de Energia Elétrica. Estratégias para regulação de tensão em transformadores com comutação de tap, 2012. Disponível em: <http://lsee.sel.eesc.usp.br/index.php/artigos/qualidade-da-energia-eletrica/29-estrategiaspara-regulacao-de-tensao-em-transformadores-com-comutacao-de-tap>. Acesso em: 12 Set 2014. LIMA, R. M. F. Oportunidades de melhoria nos processos de distribuição de energia elétrica. Universidade de São Paulo - USP. São Carlos, p. 66. 2011. Monografia do trabalho de conclusão de curso de graduação apresentado à Universiade de São Paulo (Escola de Engenharia de São Carlos), 2011. MAMEDE FILHO, J. Manual de equipamentos elétricos. 4ª. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2013. MARTINHO, E. Distúrbios da energia elétrica. 3ª. ed. São Paulo, SP: Érica, 2013. MARTINHO, E. Distúrbios da Energia Elétrica. 3ª. ed. São Paulo, SP: Érica, 2013. MÉFFE, A. Metodologia para cálculos de perdas técnicas por segmento do sistema de distribuição. 1ª. ed. São Paulo, SP: [s.n.], v. 1, 2001. 152 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2001.

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