AGUSTIN VALVERDE GRANJA IMPLEMENTAÇÃO DE UMA REDE EXPERIMENTAL DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA (GD) COM ENERGIA SOLAR: ESTUDO DE CASO DA UNIVERSIDADE DE IBAGUÉ - COLÔMBIA Guaratinguetá - SP 2017 Agustín Valverde Granja IMPLEMENTAÇÃO DE UMA REDE EXPERIMENTAL DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA (GD) COM ENERGIA SOLAR: ESTUDO DE CASO UNIVERSIDADE DE IBAGUÉ - COLÔMBIA Tese apresentada à Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Mecânica na Área Transmissão e Conversão de Energia. Orientador: Prof. Dr. Teófilo Miguel de Souza Co-Orientador: Prof. Dr. Pedro Magalhães Sobrinho Guaratinguetá - SP 2017 G759i Granja, Agustín Valverde Implementação de uma rede experimental de geração distribuída (GD) com energia solar: estudo de caso da Universidade de Ibagué-Colombia / Agustín Valverde Granja – Guaratinguetá, 2017 169 f .: il. Bibliografia: f. 149-152 Tese (doutorado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2017. Orientador: Prof. Dr. Teófilo Miguel de Souza Coorientador: Prof. Dr. Pedro Magalhães Sobrinho 1. Energia solar. 2. Energia – consumo. 3. Desenvolvimento energético. I. Título CDU 620.91(043) DADOS CURRICULARES AGUSTIN VALVERDE GRANJA NASCIMENTO 22.09.1964 – Candelaria / Colômbia FILIAÇÃO Agustín Valverde Aura Granja Gòngora 1990/1996 Graduação em Engenharia Mecânica Universidad Autonoma de Occidente, Colômbia 2004/2006 Mestrado em Eficiência Energética /Engenharia Mecânica Universidad de Cienfuegos, Cuba. 2014/2017 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Nível de Doutorado, Centro de Energias Renováveis de Faculdade de Engenharia, Campus de Guaratinguetá. Universidade Estadual Paulista (FEG-UNESP). Brasil. 1997/2003 Instrutor do Serviço Nacional de Aprendizagem (SENA) SENA cede Popayan, Colômbia 2004/2016 Professor do Departamento Engenharia Agroindustrial Universidad do Tolima, Colômbia 2003/ até a data Professor do Departamento Engenharia Mecânica Universidad de Ibaguè, Colômbia À minha família amada AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus pela minha vida, minha inteligência, minha família e meus amigos, aos meus pais, por me dar vida e estar presente nos momentos difíceis, à minha amada esposa por sua paciência e compreensão durante esta fase da minha vida, aos meus filhos Juan Jose, Jeison Julian e Jaine Andrea, por me permitir o uso de seu tempo para que eu pudesse me desenvolver intelectualmente e profissionalmente, ao meu irmão Eliecer, por ter-me ajudado sempre nas horas que precisei, ao meu orientador, Prof. Dr. Teófilo Miguel de Souza pela dedicação, orientação e auxílio que jamais deixou de me incentivar, aos professores das disciplinas de minha graduação e pós-graduação, que com sua motivação incansável contribuiu para a realização desta importante fase da minha vida, às funcionárias da Biblioteca do Campus de Guaratinguetá pela dedicação, presteza e principalmente pela vontade de ajudar, aos funcionários da Faculdade de Engenharia do Campos de Guaratinguetá pela dedicação e alegria no atendimento. “Eu não concordo com o que dizes, mas defenderei com minha vida o seu direito de expressá-la.” Voltaire RESUMO Esta Tese de Doutorado apresentou o estudo dos problemas de tensão originados no ponto comum de conexão de uma rede experimental para fornecer até 1.000 kWh/mês de energia solar com a rede de baixa tensão da Universidade de Ibagué, na Colômbia. Inicialmente foi feita uma introdução, onde destacou-se a importância da geração distribuída, os problemas gerados e os objetivos propostos. Em seguida, foi realizado o estudo da qualidade da energia na rede de baixa tensão, conforme as normas NTC 5001. Foi dimensionada, montada e colocada em operação uma rede experimental, utilizando a metodologia proposta nesta Tese, composta de 30 painéis solares de 260 W marca IBC solar, um inversor marca Fronius de 7,6 kW e um contador bidirecional ligados diretamente à rede através com fio de seção transversal de 6,0 mm 2 . A energia máxima produzida pela rede experimental foi de 850 kWh/mês, equivalente a 72,65% do total da capacidade instalada. Os painéis solares apresentaram uma eficiência média de 15,7%, a eficiência do inversor foi obtida na faixa de 75 a 94% e o desempenho global, PR, entre 0,83 e 1,30. Depois de avaliar a rede experimental seguiu-se com a análise da qualidade da energia no ponto comum de ligação registrando, em relação às perturbações de longa duração, um aumento de 2%; o desequilíbrio da tensão diminuiu 3,5%, as harmônicas de tensão aumentaram 7% na linha U1, 0,8% na linha U2 e 3% na linha U3. Em relação à corrente harmônica foi evidenciado um incremento de 22% na linha U1. Nos valores das cintilações de curto e longo prazo. Para os picos e interrupções de longa duração não foram encontrados diferenças significativas. Nas perturbações rápidas a potência ativa e reativa total no período do recesso aumentaram 58% e 42% respectivamente. A análise termográfica permitiu estabelecer um aumento da temperatura no ponto comum de ligação à rede de 7,5%. A temperatura superficial do painél foi calculada a partir do modelo matemático proposto neste trabalho para a cidade de Ibagué. O modelo foi resultado de uma análise estatística com o software Minitab e utilizou os dados da variação da radiação solar e da temperatura ambiente. Quando a temperatura do painel foi maior que a temperatura ambiente, a porcentagem de erro do modelo foi de 14,09%. O análise econômica permitiu estabelecer os custos de investimento por kWp instalado na rede experimental com ovalor de 2100 USD/kWp. O valor presente líquido (VPL) começou a apresemtar valores positivos a partir de 6,3 anos e a taxa interna de retorno (TIR) calculada para este projeto foi de 17,8%. Espera-se que as experiências no projeto possam servir de referência na aplicação da lei 1715 do governo Colombiano para o aproveitamento da energia solar. PALAVRAS-CHAVE: Energia solar. Geração de energia. Rede experimental. Qualidade da energia. Baixa tensão. ABSTRACT This doctoral thesis presented the study of voltage problems originating from the common point of connection of an experimental network to provide up to 1,000 kWh / month of solar energy with the low voltage network of the University of Ibague in Colombia. Initially an introduction was made, highlighting the importance of distributed generation, the problems generated and the proposed objectives. Next, the study of the quality of the energy in the low voltage network was carried out, according to the norms NTC 5001. An experimental network was dimensioned, assembled and put into operation using the methodology proposed in this thesis, composed of 30 solar panels of 260 W brand IBC solar, a Fronius brand inverter of 7.6 kW and a bidirectional counter connected directly to the network through thread of cross- section of 6.0 mm 2 . The maximum energy produced by the experimental network was 850 kWh / month, equivalent to 72.65% of the total installed capacity. The solar panels had an average efficiency of 15.7%, the efficiency of the inverter was obtained in the range of 75 to 94% and the overall performance, PR, between 0.83 and 1.30. After evaluating the experimental network, it was followed by the analysis of the quality of the energy at the common point of connection, in relation to long-term disturbances, an increase of 2%; the voltage unbalance decreased by 3.5%, voltage harmonics increased by 7% in line U1, 0.8% in line U2 and 3% in line U3. In relation to the harmonic current, an increase of 22% in line U1 was evidenced. In the values of short and long term scintillations. For peaks and long-term interruptions no significant differences were found. In the fast perturbations the total active and reactive power in the period of the recess increased 58% and 42% respectively. The thermal analysis allowed to establish an increase in temperature at the common point of connection to the network of 7.5%. The surface temperature of the panel was calculated from the mathematical model proposed in this work for the city of Ibagué. The model was the result of a statistical analysis with Minitab software and used the data of solar radiation variation and ambient temperature. When the panel temperature was higher than the ambient temperature, the model error percentage was 14.09%. The economic analysis allowed us to establish the investment costs per kWp installed in the experimental network with a value of 2100 USD / kWp. The net present value (NPV) began to show positive values from 6.3 years and the internal rate of return (TIR) calculated for this project was 17.8%. It is hoped that the experiences in the project can serve as reference in the application of law 1715 of the Colombian government for the exploitation of solar energy. KEYWORDS: Solar energy. Power generation. Experimental solar system. Power quality. Low-voltage network. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Comportamento do consumo de energia ativa em kWh. ........................................ 33 Figura 2 - Comportamento do consumo de energia reativa em kVArh................................... 33 Figura 3 - Comportamento do consumo de energia em kWh por mês. ................................... 34 Figura 4 - Conexões do analisador de energia ......................................................................... 38 Figura 5 - Variação de tensão linha U1. ................................................................................... 39 Figura 6 - Variação de tensão linha U2. ................................................................................... 39 Figura 7 - Variação de tensão linha U3. ................................................................................... 40 Figura 8 - Resultados das medições de desequilíbrio de tensão circuito................................. 42 Figura 9 - Severidade de cintilação de curta duração (PST) Linha U1. ................................... 44 Figura 10 - Severidade de cintilação de curta duração (PST) Linha U2. ................................. 44 Figura 11 - Severidade de cintilação de curta duração (PST) Linha U3. ................................. 45 Figura 12 - Severidade de cintilação de longa duração (PLT) Linha U1. ................................ 45 Figura 13 - Severidade da cintilação de longa duração (PLT) Linha U2. ................................ 46 Figura 14 - Severidade da cintilação de longa duração (PLT) Linha U3. ................................ 46 Figura 15 - Resultados das medições de distorção harmônica total (THDv) na linha U1 ....... 49 Figura 16 - Resultados das medições de distorção harmônica total (THDv) na linha U2 ....... 50 Figura 17 - Resultados das medições de distorção harmônica total (THDv) na linha U3. ...... 50 Figura 18 - Resultados das medições de distorção harmônica total (TDDI) na linha U1. ....... 54 Figura 19 - Resultados das medições de distorção harmônica total (TDDI) na linha U2. ....... 54 Figura 20 - Resultados das medições de distorção harmônica total (TDDI) na linha U3. ....... 55 Figura 21 - Valores de frequência registrada no circuito. ....................................................... 61 Figura 22 - Valores médios da potência ativa na linha U1 ...................................................... 63 Figura 23 - Valores médios da potência ativa na linha U2. ..................................................... 63 Figura 24 - Valores médios da potência ativa na linha U3. ..................................................... 64 Figura 25 - Valores média da potência ativa total, Circuito 1. ................................................ 64 Figura 26 - Valores médios da potência reativa na linha U1. .................................................. 65 Figura 27 - Valores médios da potência reativa na linha U2. .................................................. 65 Figura 28 - Valores médios da potência reativa na linha U3. .................................................. 65 Figura 29 - Valores média da potência reativa total, Circuito 1. ............................................. 66 Figura 30 - Valores do fator de potência total. ........................................................................ 66 Figura 31 - Localização da Universidade de Ibagué - Colômbia ............................................ 68 Figura 32 - Radiação solar por hora pela estação da U.I entre 2010 e 2015. .......................... 68 Figura 33 - Radiação solar por hora pela estação a Fazenda “La Ceiba” entre 2010 e 2015. . 69 Figura 34 - Condutor elétrico tipo de fio ................................................................................. 80 Figura 35 - Condutor elétrico tipo de fio cabo ........................................................................ 80 Figura 36 - Condutor elétrico tipo único condutor. ................................................................. 81 Figura 37 - Condutor elétrico tipo multicondutor. .................................................................. 81 Figura 38 - Partes de um condutor elétrico.............................................................................. 82 Figura 39 - Conexões de rede experimentais para o ponto comum......................................... 89 Figura 40 - Plataforma metálica para a montagem dos painéis fotovoltaicos. ........................ 91 Figura 41 - Painéis solares alinhados e dispostos em série. .................................................... 91 Figura 42 - Instalação do inversor na rede experimental......................................................... 92 Figura 43 - Montagem do medidor de energia solar ............................................................... 92 Figura 44 - Monitoramento fornecidas no site da rede Experimental SolarWeb .................... 93 Figura 45 - Representação do circuito elétrico da rede experimental. .................................... 95 Figura 46 - Ponto de medição M1. .......................................................................................... 95 Figura 47 - Ponto de medição M2 ........................................................................................... 96 Figura 48 - Aparelhos de medição: (a) Termo-anemômetro digital tipo hélice, (b) alicate amperímetro, (c) medidor de energia solar, (d) pirômetro infravermelho, (e) câmeras de imagem térmica. ....................................................................................................................... 97 Figura 49- Energia produzida pela rede experimental em kWh/mês durante o período de estudo. .................................................................................................................................... 102 Figura 50 - Radiação solar incidente sobre a rede experimental. .......................................... 103 Figura 51 - Comportamento da temperatura da superfície do painel solar. .......................... 105 Figura 52 - Superfície de resposta da temperatura superficial do painel em função da radiação solar e da temperatura ambiente. ............................................................................................ 106 Figura 53 - Comportamento da eficiência dos arranjos fotovoltaicos para cada mês de estudo. ................................................................................................................................................ 106 Figura 54 - Eficiência do inversor em cada mês do estudo. .................................................. 107 Figura 55 - Valores médios do YF, YR e PR por mês para a rede experimental .................... 108 Figura 56 - Comportamento da Energia ativa em kWh/dia ................................................... 109 Figura 57 - Comportamento da Energia reativa em kVArh por dia ...................................... 109 Figura 58 - Variação da tensão da linha U1. .......................................................................... 110 Figura 59 - Variação de tensão linha U2. ............................................................................... 111 Figura 60 - Variação de tensão linha U3 ................................................................................ 111 Figura 61 - Resultados das medições do desequilíbrio de tensão no circuito. ...................... 112 Figura 62 - Severidade da cintilação de curta duração (PST) na Linha U1. .......................... 113 Figura 63 - Severidade da cintilação de curta duração (PST) na Linha U3 ........................... 113 Figura 64 - Severidade da cintilação de curta duração (PST) na Linha U3 ........................... 113 Figura 65 - Resultados das medições de distorção harmônica total (THD) na linha U1. ...... 115 Figura 66 - Resultados das medições de distorção harmônica total (THDv) na linha U2. .... 115 Figura 67 - Resultados das medições de distorção harmônica total (THDv) na linha U3. .... 116 Figura 68 - Resultados das medições de distorção harmônica total (TDDI) na linha U1 ..... 117 Figura 69 - Resultados das medições de distorção harmônica total (TDDI) na linha U2. ..... 117 Figura 70 - Resultados das medições de distorção harmônica total (TDDI) na linha U3. ..... 117 Figura 71 - Valores da frequência registrada no circuito. ..................................................... 119 Figura 72 - Valores médios da Energia ativa na linha U1. .................................................... 120 Figura 73 - Valores médios da Energia ativa na linha U2. .................................................... 120 Figura 74 - Valores médios da Energia ativa na linha U3. .................................................... 121 Figura 75 - Valores médios da Energia ativa total em kW. ................................................... 121 Figura 76 - Valores médios da Energia reativa na linha U1. ................................................. 122 Figura 77 - Valores médios da Energia reativa na linha U2. ................................................. 122 Figura 78 - Valores médios da Energia reativa na linha U3. ................................................. 123 Figura 79 - Valores médios da Energia reativa total em KVAr. ........................................... 123 Figura 80 - Valores do Fator de potência total. ..................................................................... 124 Figura 81 - Análise termográfica antes da operacionalização do SFCR. .............................. 125 Figura 82 - Análise termográfica depois da operacionalização do SFCR ............................. 125 Figura 83 - Informação sobre os painéis solares. .................................................................. 129 Figura 84 - Informação preenchida para a análise econômica no software RETScreen. ...... 132 Figura 85 - Informação sobre a carga elétrica na avaliação econômica. ............................... 133 Figura 86 - Informação sobre o sistema fotovoltaico proposto. ............................................ 134 Figura 87 - Análise dos custos do sistema fotovoltaico. ....................................................... 136 Figura 88 - Custos de investimento por kW instalado para diferentes fontes de energia...... 137 Figura 89 - Redução de emissões de gases efeito estufa no software Retscreen. ................. 138 Figura 90 - Parâmetros financeiro utilizados ......................................................................... 139 Figura 91 - Valor Presente Líquido (VPL) para várias tecnologias (taxa de desconto de 12%, 10 anos). ................................................................................................................................. 140 Figura 92 - Valor presente Líquido (VPL) do projeto obtido com o software Retscreen. .... 141 Figura 93 - Comparação da taxa Interna de Rentabilidade (TIR) para diferentes tecnologias. ................................................................................................................................................ 142 Figura 94 - Análise de risco pelo software Retscreen. .......................................................... 143 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Distribuição das dependências por circuitos na Universidade de Ibagué ............... 32 Tabela 2 - Classificação das perturbações da qualidade de energia elétrica por duração ........ 35 Tabela 3 - Valores de referência de THD. ................................................................................ 49 Tabela 4 - Valores limite de distorção harmônica indivídual (Di) e demanda total (TDD) ..... 53 Tabela 5 - Valores de referência dos entalhes de tensão. ......................................................... 56 Tabela 6 - Valores de referência das Variações de freqüência. ................................................ 61 Tabela 7 - HSP por mês na cidade de Ibagué entre 2010 e 2015 ............................................. 69 Tabela 8 - Dados de HSP na cidade de Ibagué durante o ano 2015. ........................................ 70 Tabela 9 - Ficha técnica de diferentes inversores. .................................................................... 74 Tabela 10 - Informação técnica de diferentes painéis fotovoltaicos ........................................ 76 Tabela 11 - Uso de condutores isolados com seções métricas ................................................. 83 Tabela 12 - Uso de condutores isolados com seções AWG. .................................................... 84 Tabela 13 - Parâmetros de desenho obtidos da rede experimental. .......................................... 85 Tabela 14 - Fator de correção por quantidade de condutores ................................................... 85 Tabela 15 - Fator de correção por temperatura......................................................................... 85 Tabela 16 - Corrente admissível para condutores de cobre AWG. .......................................... 86 Tabela 17 - Seções transversais dos cabos obtidos e utilizados na rede experimental ............. 88 Tabela 18 - Dados técnicos dos painéis fotovoltaicos conectados à rede elétrica. ................... 90 Tabela 19 - Tempo e atividades de manutenção a serem executadas na rede experimentais. .. 94 Tabela 20 - Cronograma de monitoramento semanal. .............................................................. 96 Tabela 21 - Características técnicas dos instrumentos de medição. ......................................... 97 Tabela 22 - Produção de eletricidade da rede experimental em kWh/dia na primeira quinzena de cada mês durante o período de estudo. ................................................................................ 98 Tabela 23 - Produção de eletricidade da rede experimental em kWh/dia na segunda quinzena de cada mês durante o período de estudo. ................................................................................ 98 Tabela 24 - Produção total de eletricidade da rede experimental em kWh/dia durante o período de estudo a partir dos dados das Tabelas 22 e 23. ....................................................... 99 Tabela 25 - Porcentagem de erro no cálculo da temperatura superficial dos painéis para vários modelos matemáticos. ............................................................................................................ 104 Tabela 26 - Comparação da variação da tensão de estado estacionário ................................. 110 Tabela 27 - Comparação do desequilíbrio de tensão .............................................................. 112 Tabela 28 - Comparação da cintilação de curta duração (PST). ............................................ 112 Tabela 29 - Comparação da cintilação de longa duração (PLT). ........................................... 114 Tabela 30 - Comparação da distorção harmônica total de tensão (THD). ............................. 115 Tabela 31 - Comparação da distorção harmônica total (TDDI). ............................................ 116 Tabela 32- Comparação dos Valores da frequência. .............................................................. 119 Tabela 33 - Comparação dos valores de Energia ativa em kW. ............................................ 120 Tabela 34 - Comparação dos valores da Energia ativa total em kW. ..................................... 121 Tabela 35 - Comparação dos valores da Energia reativa em kVAr........................................ 122 Tabela 36 - Comparação dos valores da Energia reativa total em kVAr. .............................. 123 Tabela 37 - Comparação dos valores do Fator de potência. ................................................... 124 Tabela 38 - Resultados da análise termográfica antes e depois da operacionalização do SFCR. ................................................................................................................................................ 125 Tabela 39 - Medições diretas da área utilizada pelos módulos fotovoltaicos da rede experimental. .......................................................................................................................... 126 Tabela 40 - Área disponível para a implementação do sistema fotovoltáico. ........................ 126 Tabela 41 - Informação sobre os painéis solares. ................................................................... 130 Tabela 42 - Relação de custos unitários do sistema. .............................................................. 135 Tabela 43 - Comparação dos resultados com a CNT 5001 .................................................... 144 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS AC Corrente Alternada CC Corrente Contínua CREG Comissão Reguladora de Energia e Gás FAO Organização para a Alimentação e Agricultura FDI Fator de Dimensionamento do Inversor GD Geradores Distribuídos GFV Geradores Fotovoltaicos HSP Horas de Sol Pleno IEEE Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos IESO Operador do Sistema Elétrico de Ontário IL Corrente de Carga MSIEC Comissão Internacional Eletrotécnica de Malasya NASA Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço NTC Norma Técnica Colombiana PCC Ponto de Conexão Comum PLC Controladores Lógicos Programáveis PLT Cintilação de Longa Duração PST Cintilação de Curta Duração QEL Qualidade da Energia Elétrica REEEP Asociação de Energia Renovável e Eficiência Energética RETIE Regulamento Técnico de Instalações Elétricas SFCR Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede SPPT Seguidor do Ponto de Potência Máxima TDD Distorção Total de Demanda THD Distorção Harmônica Total TIR Taxa Interna de Retorno UI Universidade de Ibaguè UPME Unidade de Planejamento de Minas e Energia UPS Fonte de Alimentação Ininterrupta VPL Valor Presente Líquido LISTA DE SÍMBOLOS U1 linha 1 U2 linha 2 U3 linha 3 K fator de desequilíbrio tensão média das linhas percentil a 0,1% percentil a 1% percentil a 3% percentil a 10% percentil a 50% N número de período Dv distorção harmônica individual da tensão THDv distorção harmônica total de tensão Vh magnitude do componente harmônico individual h ordem de harmônica Vl magnitude do componente fundamental distorção harmônica individual de corrente TDDi distorção total de demanda de corrente THDi distorção harmônica total de corrente Ih magnitude do componente harmônica individual PGFV potência do gerador fotovoltaico Ei produção média da eletricidade mensal HSPi número de Horas de Sol Pleno da localidade Ni número de dias do mês PR fator de rendimento do sistema FDI fator de dimensionamento do inversor PI potência do inversor PG potência do gerador Ns número máximo de painéis em série tensão máxima do inversor tensão do circuito aberto do painel tensão de circuito aberto do painel coeficiente de tensão diferencial tensão de trabalho Nsmin número mínimo de painéis que podem ser ligados em série tensão mínima do inversor tensão máxima do painel número máximo de linhas em paralelo IFV corrente de entrada do inversor Imax corrente máxima dos painéis fotovoltaicos IFV corrente de entrada o inversor potência máxima CC do inversor VINV tensão máxima do inversor intensidade da corrente de trabalho Nm número de painéis fotovoltaicos Am área que ocupa um painel fotovoltaico W largura do painel fotovoltaico L comprimento do painel fotovoltaico Ar área requerida para a rede experimenta It capacidade de transporte dos condutores FN fator de correção por número de condutores FT fator de correção por temperatura queda de tensão RC resistência dos condutores resistividade específica potência de saída em corrente continua Vout,CC tensão de saída em corrente continua Iout,CC corrente de saída em corrente continua potência de entrada ao sistema G radiação solar incidente A área superficial do painel YF produtividade final EFV energia gerada Pnom potência nominal YR produtividade de referência Ginc irradiação solar que incide sobre o gerador ISTC irradiação em condições padrão PR desempenho global do sistema SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO............................................................................................................25 1.1 OBJETIVOS..................................................................................................................28 1.2 ESTRUTURA DO DESENVOLVIMENTO DA TESE.............................................................29 2 ESTUDO DA QUALIDADE DA ENERGIA NA UNIVERSIDADE DE IBAGUE........................................................................................................................32 2.1 QUALIDADES DA ENERGIA ELÉTRICA ...............................................................34 2.2 PERTURBAÇÕES DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA............................35 2.3 PERTURBAÇÕES DE LONGA DURAÇÃO OU PERMANENTE...........................36 2.3.1 Variações de tensão de estado estacionário...............................................................36 2.3.1.1 Sobretensão....................................................................................................................37 2.3.1.2 Subtensão.......................................................................................................................37 2.3.1.3 Resultados das medições realizadas ao circuito 1.........................................................38 2.3.2 Desequilíbrio de tensão................................................................................................40 2.3.3 Cintilações....................................................................................................................42 2.3.4 Interrupções de longa duração...................................................................................46 2.3.4.1 Harmônicos de tensão....................................................................................................47 2.3.4.2 Harmônicos de corrente.................................................................................................51 2.3.4.3 Entalhes de tensão (Notches).........................................................................................55 2.4 PERTURBAÇÕES LENTAS........................................................................................56 2.4.1 Interrupções de curta duração...................................................................................56 2.4.2 Afundamentos de tensão.............................................................................................57 2.4.3 Elevações de tensão......................................................................................................58 2.4.4 Variações de freqüência..............................................................................................60 2.5 PERTURBAÇÕES RÁPIDAS......................................................................................61 2.5.1 Sobretensões transitórias............................................................................................61 2.5.2 Potência ativa, reativa e aparente..............................................................................63 2.5.3 Fatores de potência......................................................................................................66 3 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE (SFCR)...............................................................................67 3.1 DETERMINAÇÕES DAS HORAS DE SOL PLENO (HSP)......................................67 3.2 DIMENSIONAMENTOS DO SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE............................................................................................................................71 3.2.1 Painéis Fotovoltaicos...................................................................................................71 3.2.2 Inversores.....................................................................................................................72 3.2.3 Números máximo de painéis que podem ser conectados em série (Ns)..................74 3.2.4 Tensão de trabalho (U)................................................................................................76 3.2.5 Números mínimo de painéis que podem ser conectados em série...........................76 3.2.6 Números máximo de linhas ligadas em paralelo (NP)..............................................77 3.2.7 Intensidades de corrente de trabalho (I)...................................................................78 3.2.8 Potências do sistema fotovoltaico (PFV)....................................................................79 3.2.9 Áreas requerida e número de painéis necessário para a rede experimental fotovoltaica...................................................................................................................79 3.3 CONDUTORES ELÉTRICOS......................................................................................80 3.3.1 Partes dos condutores elétricos...................................................................................80 3.3.2 Características técnicas e condições de uso dos condutores elétricos.....................82 3.3.3 Dimensionamentos dos condutores elétricos.............................................................82 3.3.3.1 Dimensionamento por Intensidade de corrente Elétrica................................................83 3.3.3.2 Dimensionamentos dos cabos para os painéis fotovoltaicos.........................................84 3.3.3.3 Dimensionamentos dos cabos elétricos após o inversor................................................86 3.3.3.4 Dimensionamentos por tensão elétrica..........................................................................86 3.3.3.5 Dimensionamentos do circuito por tensão elétrica em corrente continua.....................87 3.3.3.6 Dimensionamentos do circuito por tensão elétrica alternada........................................88 4 OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DA REDE EXPERIMENTAL..........................90 4.1 DESCRIÇÃO GERAL..................................................................................................90 4.2 OPERAÇÃO DO SISTEMA.........................................................................................93 4.3 MANUTENÇÃO DO SISTEMA..................................................................................94 5 ANÁLISE DA REDE EXPERIMENTAL.................................................................95 5.1 METODOLOGIA..........................................................................................................95 5.2 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS...............................................................................97 5.3 RESULTADOS.............................................................................................................97 5.3.1 Produção de potência elétrica.....................................................................................97 5.3.2 Medição de variáveis e determinação de indicadores..............................................99 5.3.2.1 Produtividade final (YF).............................................................................................100 5.3.2.2 Produtividade de referência (YR)................................................................................100 5.3.2.3 Desempenho Global do Sistema (PR).........................................................................101 5.4 ANÁLISE DOS RESULTADOS................................................................................101 5.4.1 Potência instalada......................................................................................................101 5.4.2 Variáveis.....................................................................................................................102 5.4.2.1 Radiação solar..............................................................................................................102 5.4.2.2 Temperatura do painel fotovoltaico.............................................................................103 5.4.3 Cálculo de eficiências e rendimentos........................................................................106 5.4.3.1 Eficiência dos arranjos fotovoltaicos...........................................................................106 5.4.3.2 Eficiência do inversor..................................................................................................107 5.4.3.3 Produtividade final, Produtividade de referência e Rendimento Global.....................107 5.5 ANÁLISE DOS RESULTADOS DAS MEDIÇÕES DE QUALIDADE DA ENERGIA NO PONTO COMUM DE CONEXÃO À REDE....................................108 5.5.1 Perturbações de longa duração ou permanentes....................................................110 5.5.1.1 Variação da tensão de estado estacionário...................................................................110 5.5.1.2 Desequilíbrio de tensão................................................................................................111 5.5.1.3 Cintilações...................................................................................................................113 5.5.1.4 Interrupções de longa duração.....................................................................................114 5.5.1.5 Harmônicos de tensão..................................................................................................114 5.5.1.6 Harmônicos de corrente...............................................................................................116 5.5.1.7 Entalhes de tensão........................................................................................................118 5.5.2 Perturbações lentas....................................................................................................118 5.5.2.1 Interrupções de curta duração......................................................................................118 5.5.2.2 Afundamentos de tensão..............................................................................................118 5.5.2.3 Elevações de tensão.....................................................................................................118 5.5.2.4 Variações de freqüência..............................................................................................118 5.5.3 Perturbações Rápidas...............................................................................................119 5.5.3.1 Sobretensões transitórias.............................................................................................119 5.5.3.2 Potência ativa, reativa e aparente................................................................................119 5.5.4 Análise termográfica no ponto comum de conexão (PCC)....................................124 6 AVALIAÇÃO ECONÔMICA DO PROJETO.......................................................126 6.1 CAPACIDADE DE PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA.................................126 6.2 INCENTIVOS PARA O INVESTIMENTO EM PROJETOS DE ENERGIAS RENOVÁVEIS NA COLÔMBIA...............................................................................127 6.3 COMERCIALIZAÇÃO DA ENERGIA ELÉTRICA.................................................128 6.3.1 Venda de energía elétrica a partir de geradores distribuídos...............................128 6.4 PROPOSTA TÉCNICA..............................................................................................128 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 Geração com painéis solares.....................................................................................129 Conversão de energia................................................................................................129 Comunicação..............................................................................................................130 Estrutura de suporte.................................................................................................131 6.5 AVALIAÇÃO ECONÔMICA DO PROJETO...........................................................131 6.5.1 Informação requerida pelo software........................................................................132 6.5.1.1 Informação geral..........................................................................................................132 6.5.1.2 Características da carga...............................................................................................133 6.5.1.3 Sistema de geração elétrica proposto..........................................................................133 6.5.1.4 Custo do investimento.................................................................................................135 6.5.1.5 Análise de redução de emissões..................................................................................137 6.5.1.6 Parâmetros financeiros................................................................................................138 6.5.1.7 Valor Presente Líquido................................................................................................139 6.5.1.8 Taxa Interna de Retorno..............................................................................................140 6.5.1.9 Análise de riscos..........................................................................................................142 7 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS........................................................144 REFERÊNCIAS………………………………………………………………….....149 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA..........................................................................153 25 1 INTRODUÇÃO De acordo com os temas abordados pela rede global de políticas de energia renovável REN21, 16% da geração de energia mundial vem da energia renovável, onde a geração fotovoltaica tem uma contribuição do 0,6%. Estudos realizados pela Agência Internacional de Energia, indicam que o consumo de energia poderia aumentar em mais de 50% entre 2009 e 2030, isto é, de 1,33x10 23 kWh para 2,03x10 23 kWh. Portanto, a agência sugere que o uso de energia renovável deve se incrementar significativamente até 2050 para que possa atender mais da metade das necessidades energéticas do mundo, ao mesmo tempo em que contribui para redução da poluição. A geração distribuída é importante dentro dos cenários e tendências futuras, poucos deles são de uso comercial embora tenham um grande mercado a nível mundial. Na atualidade, as políticas energéticas não evoluíram junto com o crescimento das micro redes, a qual é uma opção para adicionar, gerir e utilizar os recursos de energia distribuída, particularmente durante uma queda de energia. Com este tipo de rede é possível aumentar a confiabilidade, reduzir os custos de investimento relacionados a usinas de geração durante o horário de pico e tirar proveito da resposta sobre a demanda dos recursos e eles podem ajudar a mitigar os efeitos de uma crescente dependência de recursos não renováveis. A maior parte dos recursos financeiros para investimentos públicos e privados é direcionada para a modernização da rede de energia elétrica convencional no mundo, sendo absorvida pela implantação de redes de serviços públicos inteligentes, com muito pouco financiamento para microrredes (CHRIS, 2010). Os recentes avanços realizados pelos investidores estão relacionados com a preparação do terreno para um mercado viável para microrredes. Isto envolve tecnologia para que nos painéis fotovoltaicos e as pequenas turbinas eólicas a corrente contínua (CC) seja convertida em alternada (AC), elevando o nível da tensão e mantendo a frequência de 60 Hz para obter sincronismo com a rede pública. Novos inversores permitem operar o sistema fotovoltaico quando a rede convencional fica inoperante, evitando-se assim os problemas de falha de fornecimento de energia elétrica. Os engenheiros que trabalham nos serviços públicos historicamente se opõem ao conceito de micro redes com base na segurança e à falta de controle da rede de distribuição. Entretanto, o Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos da IEEE desenvolveu por mais de cinco anos 26 um manual sobre micro redes. Este manual recebeu uma aprovação de noventa por cento na votação no final de 2009, um fato importante já que o manual apresenta os protocolos de segurança para a formação de microrredes assim como as diretrizes para potência reativa. Isto permite às microrredes vender serviços auxiliares, da mesma forma que os fornecedores para os mercados estabelecidos. Os estudos experimentais sobre os problemas de tensões causados nos sistemas fotovoltaicos são necessárias, pois somente dados experimentais poderiam mostrar o comportamento real do sistema. Todos os problemas de tensão, sincronismo e valor de potência fornecido necessitam ser estudados exaustivamente antes dos sistemas fotovoltaicos tiverem uma representação com valores expressivos nas redes elétricas. De acordo com a Comissão Internacional Eletrotécnica da Malasya (MSIEC) a tolerância legal de tensão na rede de distribuição é de ± 10%, com referência a 230 V. Em uma rede trifásica, o desequilíbrio de tensão ocorre quando a magnitude da tensão de cada fase ou o ângulo de fase entre duas tensões é diferente das condições nominais. No entanto, os princípios fundamentais de um sistema trifásico mostram que deve existir um pequeno nível de desequilíbrio de tensão quando uma condição de carga deve ser conservada. No entanto, uma condição é atingida só através da utilização de cargas monofásicas de tipo não linear, tais como uma mudança de alimentação. O desequilíbrio pode provocar o aumento desnecessário da temperatura nos enrolamentos do motor e prejudicar o seu desempenho, reduzindo a vida útil do motor de indução. A condição de desequilíbrio pode também afetar uma grande quantidade de fontes de energia renovável monofásico conectada em redes de distribuição (MOKHTARI et al., 2014). Geralmente, as redes de média e alta tensão são aquelas que apresentam mais flutuações (DELESPOSTE; MELLO; SIMONETTI, 2011) devido ao uso de fornos a arco, equipamentos de solda, laminadoras e outros similares (DUGA; MCGRANAGHAN; SANTOSO, 2012). Por outro lado, as cintilações de curto e longo prazo não são comuns nas redes de baixa tensão, mas nos casos existentes a sua duração é com frequência muito curta, causada pela partida de grandes motores elétricos, raios-X, bombas e refrigeradores, as cintilações não são significativas, mas se a ocorrência da cintilação é relativamente alta os motores elétricos podem mudar os torques de partida, aumentando o consumo de energia, reduzindo a eficiência das máquinas e a vida útil dos motores. 27 As flutuações de tensão podem provocar variações na luminosidade das fontes de luz (DEOKAR; WAGHMARE, 2010). Além disso, uma tensão de alimentação instável provoca o funcionamento inadequado dos equipamentos eletrônicos, a ativação indesejada das unidades de fonte de alimentação ininterrupta (UPS) para mudar a energia da bateria e reduzir a eficiência operacional do mesmo (MARTÍNEZ; GUALDA, 2006). Para sistemas interligados, este tipo de geração implica uma mudança na visão. O usuário final pode fornecer energia para o sistema de baixa tensão que permitiria, entre outras coisas, reduzir as perdas de transmissão e distribuição, aumentar a folga do sistema e reduzir a dependência do sistema centralizado. É desejável para identificar as condições técnicas de interligação para estes novos geradores de modo a que os níveis de fiabilidade estabelecidos sejam mantidos. O governo da Colômbia, através da lei 1715 de 2014, estabelece o marco e instrumentos legais para a promoção e exploração de fontes de energia não convencionais, principalmente aquelas de fontes renováveis, bem como para a promoção do investimento, pesquisa e desenvolvimento de tecnologias limpas para a produção de energia. A legislação também visa estabelecer linhas de atuação para o cumprimento de compromissos assumidos pela Colômbia na área de energia renovável, gestão eficiente da energia e redução das emissões de gases de efeito estufa; isto por meio da aprovação do Estatuto da Agencia Internacional de Energia Renováveis (ELETROTÉCNICA INTERNACIONAL COMISSION, 1994). A lei estabelece que na autogeração em pequena escala precisa-se do uso de medidores bidirecionais de baixo custo para o registro do consumo ou da energia entregue em relação à rede. Outros temas tratados são os procedimentos de conexão simples e a entrega do excedente para tornar possível o uso da autogeração no setor residencial. A energia gerada por geradores distribuídos serão remunerados considerando os benefícios, para o sistema de distribuição onde ele se conecta, entre os quais podem mencionar-se as perdas evitadas, a vida útil dos ativos de distribuição, o fornecimento de potência reativa, entre outros. Atualmente, a Universidade de Ibagué tem um consumo de energia entre 55 e 60 MWh/mês. Portanto, a instalação da rede experimental de 12.000 kWh/ano representa uma economia de 12 milhões de pesos colombianos por ano (equivalente a R$ 13.200,00), com a possibilidade de venda do excedente gerado nos fins de semana e durante os períodos de férias. A aplicação da lei 1715 de 2014 é de especial relevância, porém oferece mais dúvidas do que 28 respostas. A questão é que, embora existam avanços na implantação de geradores distribuídos em todo o mundo, ainda têm problemas nos pontos de ligação à rede e na forma como os grandes geradores realizam a distribuição dos recursos. A legislação colombiana é baseada nos geradores de mais de 1 MW que podem garantir as condições propostas na Norma Técnica Colombiana NTC 5001de 2005 e nas resoluções 024, 032 e 065 de 2012 emitidas pela Comissão de Energia e Gás da Colômbia (CREG). Entretanto, quando se aborda o tema dos geradores distribuídos surgem os seguintes questionamentos:  Quais são a capacidade e qualidade da energia no ponto de ligação à rede?  Quanta energia pode se gerar por m 2 no ano para o caso da Universidade de Ibagué usando a energia solar?  Como resolver os problemas de desequilíbrio de tensão, intermitência, faltas de curto e longo prazo e flutuações na rede ao conectar um sistema de geração distribuída (GD)?  Quais são os problemas que introduzem na rede elétrica com a conexão ao sistema de GD de um motor de indução, uma geladeira, lâmpadas, tornos, fresadoras, entre outros?  Como funciona o sistema GD dependendo da capacidade disponível na rede e qualidade de energia nele?  Quais são os requerimentos mínimos para proteger o sistema GD contra problemas de sobrecarga e saídas não planejadas na rede?  Qual deve ser o preço por kWh gerado em sistemas GD? Portanto, busca-se a realização deste projeto de forma estruturada, fazendo uso de ferramentas científicas e de engenharia através de um processo de pesquisa. 1.1 OBJETIVOS O objetivo geral deste trabalho é instalar uma rede experimental de 1000 kWh/mês utilizando energia solar como forma de geração distribuída na Universidade de Ibagué, na Colômbia. Dentro dos fatores analisados está a caracterização do sistema de baixa tensão da rede de alimentação considerando a qualidade da energia na rede. No dimensionamento e instalação da rede experimental de energia solar inclui-se o número de painéis, o inversor e sistema do controle, previa caracterização da produção de energia fotovoltaica (radiação solar, velocidade 29 média do vento, tensão, corrente, corrente de curto circuito, eficiência dos painéis solares, eficiência do inversor, eficiência do sistema fotovoltaico). O estudo da qualidade de tensão, no ponto de conexão comum, aborda aspectos como o desequilíbrio de tensão, intermitência, cintilação de curto e longo prazo, flutuações e harmônico. Assim, é possível estudar os impactos dos problemas que apresenta a rede de baixa tensão com este tipo de conexão. Por último, foi realizada uma análise econômica e ambiental usando o software Retscreen focada à implementação de sistemas solares fotovoltaicos na Universidade de Ibagué na Colômbia. 1.2 ESTRUTURA DO DESENVOLVIMENTO DA TESE Esta tese está dividida em sete capítulos, no capítulo um realiza-se a introdução da tese. o segundo capítulo refere-se a estudo de qualidade de energia na Universidade de Ibagué- Colômbia. o terceiro capítulo trata do dimensionamento do sistema solar fotovoltaico conectado à rede elétrica. No capitulo quarto trata-se da operação e manutenção da rede experimental. no quinto capitulo realizam-se os análise da rede experimental. O capitulo sexto refere-se avaliação econômica do projeto. E por fim, o sétimo capitulo apresenta as conclusões e sugestões de trabalhos futuros. A seguir são descritas as etapas a serem desenvolvidas para atingir o objetivo final da Tese de Doutorado. Segue-se a metodologia para geração distribuída e redes inteligentes, cuja validação è baseada em indicadores tais como a quantidade de energia em kWh gerada, a qualidade da energia, a eficiência dos painéis solares, entre outros. Os dados coletados são analisados estatisticamente através de modelos tipo ANOVA de um ou mais fatores. O programa computacional utilizado foi o SPSS (Statistical Package for the Social Sciences). Por outro lado, a coleta da informação de natureza quantitativa è obtida diretamente da rede experimental, através de medições de energia com equipamento especializado, trabalhos inéditos, bancos de dados da empresa de energia do estado, dissertações de teses de mestrado e doutorado, livros, revistas, dicionários e websites de relevância e relacionados com o tema. Assim, o projeto foi desenvolvido em cinco etapas: 30 I. Caracterização do sistema de baixa tensão da rede que fornece energia à Universidade de Ibagué, na Colômbia. A caracterização foi realizada a partir de medições com analisadores de rede em baixa tensão e monitoramento constante. A fim de determinar a qualidade de energia e as flutuações na carga da rede, deve-se efetuar:  A seleção e adaptação da rede de baixa tensão;  A calibração e instalação de instrumentação na rede de baixa tensão;  A caracterização da qualidade de energia na rede de baixa tensão. II. Caracterização da produção de energia fotovoltaica. A caracterização começa com o dimensionamento da rede fotovoltaica, sua respectiva instalação e conexão com a rede de baixa tensão. São realizadas as medições de radiação solar, velocidade do vento, temperatura da superfície do painel, temperatura ambiente, e a corrente de curto-circuito na saída dos painéis, na saída do inversor e na rede. Com os resultados foi determinada a eficiência do equipamento e do sistema, assim como as curvas de desempenho das variáveis em relação ao tempo. Portanto, se efetuam:  O dimensionamento dos sistemas que compõem a rede experimental;  A montagem e instalação da rede experimental;  A caracterização da produção de energia fotovoltaica, segundo a radiação solar incidente, tensão, corrente, corrente de curto-circuito e velocidade do vento.  A determinação da eficiência dos painéis solares, a eficiência do inversor e a eficiência do sistema;  A obtenção das curvas características dos componentes. III. Estudo da qualidade da tensão no ponto de ligação à rede e o impacto dos problemas em baixa e média tensão. Com os valores determinados na etapa I em relação ao comportamento em termos de qualidade de energia, e uma vez instalada a rede experimental realizam-se as mesmas medições a fim de determinar as perturbações criadas sobre a rede principal. Finalmente, após a comparação, os aspectos determinantes são sugeridos para ser analisados no marco regulatório que trata os sistemas de proteção. Requerem-se das seguintes atividades: 31  O estudo do desequilíbrio e interrupções da tensão no ponto de ligação à rede;  O estudo da cintilação curto e longo prazo, no ponto de conexão à rede;  O estudo das flutuações e os harmônicos no ponto de conexão com a rede;  O estudo dos impactos do problema de tensão na rede. IV. Realização da análise econômica e ambiental utilizando ferramentas computacionais. Utilizando os dados e resultados das etapas prévias, junto com o software Reetscreen, são realizados os cálculos necessários para a implementação do sistema solar fotovoltaico na Universidade de Ibagué. Incluem-se os custos dos diferentes componentes do sistema, realiza-se um estudo econômico do projeto para estabelecer os custos de instalação e dimensionamento do sistema, suas vantagens econômicas, retornos de investimento e contribuições para reduzir os gases de efeito estufa. V. Análise dos resultados Nesta última etapa, os resultados obtidos são avaliados a fim de encontrar uma condição ótima de operação da rede experimental quando conectada à rede principal, conseguindo definir o equipamento necessário para controlar o modo intermitente do nível de tensão no ponto de ligação à rede. 32 2 ESTUDO DA QUALIDADE DA ENERGIA NA UNIVERSIDADE DE IBAGUÉ A Universidade de Ibagué (UI), conta com seis circuitos elétricos, ligados a um contador principal, do qual se pode medir em linha via modem por médio de um software, a distribuição das dependências por circuitos é mostrada na Tabela 1. Tabela 1 - Distribuição das dependências por circuitos na Universidade de Ibagué CIRCUITO DEPENDÊNCIA CAPACIDADE DO TRANSFORMADOR ELÉTRICO (kVA) Circuito 1 Iluminação estacionamento dos professores Blocos 1 ao 6 Cafetería Central Edificio de Humanidades – Piso 1 112,5 Circuito 2 Centro de educação Permanente Direção Administrativa. Edificio de ciências econômicas Biblioteca 45 Circuito 3 Bem-estar acadêmico Blocos 7, 8 e 9 Iluminação Exterior Edificio de engenharia 150 Circuito 4 Centro de Línguas 30 Circuito 5 Edificio de Direito 30 Circuito 6 Reitoria 75 Fonte: Produção do próprio autor Os processos automatizados fazem uso de equipamentos eletrônicos, os quais são sensíveis as perturbações que se apresentam nas redes, ocasionando perdas importantes. Estima-se que a demanda por energia cresce com o incremento da população que tem mostrado a importância da implementação de ferramentas de gestão de energia. A economia de energia reduz os custos de produção, aumentando a produtividade, portanto, para uma otimizada utilização da energia elétrica é necessário sua medição e monitoração, as Figura 2. A Figura 1 mostra que a Universidade de Ibaguè tem um consumo de energia ativa máximo de 190 kWh e mínimo 30 kWh, estes valores correspondem ao desenvolvimento das atividades acadêmicas, sendo máxima de segunda a sexta feira nos horários de classe e mínimo o fim de semana quando os estudantes não têm aulas. O mesmo comportamento apresentou no consumo de energia reativa com um máximo de 28 kVArh e mínimo de 5 kVArh, Figura 2. 33 Figura 1 - Comportamento do consumo de energia ativa em kWh. Fonte: Produção do próprio autor Figura 2 - Comportamento do consumo de energia reativa em kVArh Fonte: Produção do próprio autor O máximo consumo de energia mensal pela UI Figura 3, foi obtido as 17h durante o mês de Setembro de 2015, o qual foi de 4500 kWh/dia e o mínimo de 1000 kWh/dia durante o mês de Janeiro as 4h. Nos sistemas elétricos de potência ocorre perturbações e distorções da onda de tensão e corrente elétrica, devido a implementação de cargas não lineares ou dispositivos eletrônicos de potência, afetando a qualidade da energia e instalações elétricas. Essa contaminação da energia 34 elétrica é devido as harmônicos de tensão e corrente, desequilíbrios de tensão, sobre tensões transitórias, variações de frequência e outras perturbações. Figura 3 - Comportamento do consumo de energia em kWh por mês. Fonte: Produção do próprio autor Todas essas perturbações das correntes devem ser medida com instrumentos, equipamentos ou analisadores de redes que atendam os métodos e procedimentos de medição padrão, e os valores medidos devem atender aos padrões definidos pela NTC 5001. Utiliza-se uma metodologia que permite executar medições de qualidade de energia, usando um analisador de rede elétrica marca Hioko, para realizar testes e analisar perturbações que afetam o circuito elétrico antes da implementação da rede experimental. 2.1 QUALIDADES DA ENERGIA ELÉTRICA A qualidade da energia elétrica (QEL) tem como finalidade verificar as propriedades físicas dos sistemas elétricos de potência entre os quais a amplitude, a frequência, a forma de onda, corrente e tensão. Com relação à qualidade de energia, as normas mais importantes na Colômbia são: a compatibilidade eletromagnética (IEC 61000-4-7, 2002), Guia de medições e controle de harmônico nos sistemas elétricos de potência (IEEE, 1994), qualidade de energia elétrica (NTC-5001, 2008), tensão e frequência nominal em sistemas de 0,000 500,000 1000,000 1500,000 2000,000 2500,000 3000,000 3500,000 4000,000 4500,000 5000,000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 C o n s u m o k W h m e s Abril-15 Maio-15 Junho-15 Julhol-15 Agosto-15 Septembro-15 Outubro-15 Novembro-15 Dezembro-15 Janeiro-16 Fevereiro-16 35 energia elétrica em redes de serviço (NTC-1340, 1998 ), uma série de regulações da Comissão Reguladora de Energia e Gás (CREG) (070,1998; 096, 2000; 084, 2002 e 0024, 2005), finalmente, o Regulamento Técnico de Instalações Elétricas (RETIE). 2.2 PERTURBAÇÕES DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA As ondas elétricas dos parâmetros básicos como tensão de alimentação e a corrente estão sujeita alterações na frequência, amplitude e forma, devido a perturbações eletromagnéticas geradas por cargas não lineares tais como: desequilíbrio de tensão, abaixamento, cintilação, distorção harmônica outros que são mostrado na Tabela 2. Tabela 2 - Classificação das perturbações da qualidade de energia elétrica por duração PERTURBAÇÕES TIPO Longa duração ou permanente Variações de tensão de estado estacionário Desequilíbrio de tensão Cintilação Interrupções de longa duração (Duração ≥1 min) Harmônicos de tensão Harmônicos de corrente Entalhes de tensão Variações de tensão de longa duração Lentas Interrupções de curta duração (duração <1 min) Abaixamento de tensão (Sags) Elevações Tensão (Swell) Variações de frequência Rápida Sobretensões transitorias Fonte: Produção do próprio autor Esta avaliação envolve problemas na qualidade de energia existente e são as medições que determinam o grau de nossas soluções, a metodologia proposta segue os passos básicos apresentados por (DUGAN et al., 2012) o qual estabelece o seguinte:  Identificação do problema.  Caracterização do problema.  Identificação de soluções.  Avaliação de soluções. 36 Os tópicos abordados nesta metodologia têm a ver exclusivamente com a fase da caracterização do problema. 2.3 PERTURBAÇÕES DE LONGA DURAÇÃO OU PERMANENTE 2.3.1 Variações de tensão de estado estacionário As variações de tensão em estado estacionário, são os desvios do valor de tensão em um intervalo de tempo superior a um minuto, muitas vezes se tornam numa interrupção permanente. Causas Em um sistema eletrônico, as variações de estado estacionário dependem das características do desenho do sistema, variações de grandes cargas elétricas e outras variações em que o sistema está sujeito. Efeitos  Saída de operação de motor.  Alteração da velocidade nas máquinas de indução  Computadores e controladores eletrônicos podem deixar de funcionar durante esta condição.  A redução ou aumento da potência de saída do banco de capacitores.  A luz visível de alguns dispositivos de iluminação pode ser reduzida ou aumentada. Metodologia de avaliação O período de medição deve ser de uma semana com um período de agregação de 10 minutos. 100% dos valores registados na semana deve ter uma tolerância de ± 10% da tensão de alimentação declarada. 37 2.3.1.1 Sobretensão É a tensão aumentada para um nível mais elevado do que 110% do valor nominal, para uma duração maior de um minuto, é o resultado da desconexão de grandes cargas ou à ligação de bancos de capacitores. Efeitos  Pode causar falhas de equipamento  Os transformadores, cabos, e máquinas rotativas geralmente não mostram falhas imediatamente.  Pode gerar operações indesejadas nos dispositivos de proteção  A potência reativa de um banco de capacitores aumenta.  Aumenta a luz visível gerada em dispositivos de iluminação 2.3.1.2 Subtensão É a variação inferior a 90% do valor da tensão para uma duração maior do que um minuto, pode ser causado por ligações de novas cargas ou sobrecargas. Na Colômbia, os limites para controlar variações de tensão são definidos pela Resolução CREG 024, 2005 entre + 10% e -10% da tensão nominal, e pode-se monitorar o registro da tensão com o tempo. Efeitos  Mal funcionamento do equipamento.  O processo pára.  O aumento da perda por aquecimento em motores de indução, devido ao aumento do consumo de corrente do motor.  A mudança de velocidade na operação de motores de indução.  Suspensão das operações de equipamentos eletrônicos, como computadores e controladores.  A potência reativa de um banco de capacitores diminui. 38  Em dispositivos de iluminação tem-se uma diminuição da luz visível gerado. Metodologia de avaliação A elevação da tensão pode ser caracterizada por dois parâmetros, a magnitude e duração. A duração é definida como o tempo medido desde o tempo em que o valor eficaz da tensão excede o limite, até quando retorna abaixo deste. A magnitude da elevação (tensão residual) é dada pelo valor máximo de tensão efetiva medida durante o levantamento em qualquer das linhas, e sua duração é dado pelo tempo de início e fim do evento. Para elevações tensões não existem valores de referência a nível normativo. 2.3.1.3 Resultados das medições realizadas ao circuito 1. Na quarta-feira, 9 de dezembro de 2015 às 16h30min, a coleta de dados iniciou-se por 7 dias ao circuito 1, culminando na quarta-feira 16 de dezembro às 16h20min. As conexões do analisador de energia são ilustradas na Figura 4. Figura 4 - Conexões do analisador de energia Fonte: Produção do próprio autor Durante os sete dias de obtenções de dados observam-se o comportamento das tensões nas três linhas (U1, U2 e U3). De acordo com a norma devem ser analisados a cada 10 minutos, seu valor não deverá diminuir de 90%, ou ser maior 110% do valor de referência o qual corresponde à tensão declarada de 120 V, pela Universidade de Ibaguè na Colômbia. 39 As variações de tensão nas linhas U1, U2 e U3, Figuras 5, 6 e 7 estão próximo do 100%, sem exceder os limites superior e inferior. Foram registrados valores mínimos de 94,08, 95,90 e 96,16% no sábado às 11h40min nas linhas U3, U1 e U2, respectivamente e valores máximos de variação na tensão de 100,58, 102,61 e 102,87% nas linhas U3, U1 e U2 e no domingo às 6h, não há sobre tensões e subtensões. Figura 5 - Variação de tensão linha U1. Fonte: Produção do próprio autor Figura 6 - Variação de tensão linha U2. Fonte: Produção do próprio autor 40 Figura 7 - Variação de tensão linha U3. Fonte: Produção do próprio autor 2.3.2 Desequilíbrio de tensão Este índice caracteriza a magnitude e simetria do ângulo de fase das tensões nas três fases na operação de estado estacionário. O fator de desequilíbrio é definido como a relação entre os componentes de sequência negativa e positiva da tensão. Causas O desequilíbrio de tensão tem duas causas principais: a assimetria da impedância da linha e desequilíbrio de carga. As principais fontes de desequilíbrios de tensão são as cargas monofásicas em sistemas trifásicos. Efeitos  Carga do motor reduzida.  Redução da vida do isolamento em motores elétricos. 41 Metodologia de avaliação O período de medição deve ser de uma semana, para circuitos urbanos, com 99% dos valores de tensão de desequilíbrio, avaliadas em um período de 10 minutos, e deve estar dentro do intervalo de referência. Para circuitos rurais, 95% dos valores de tensão de desequilíbrio, avaliadas em um período de 10 minutos, devem estar dentro do intervalo de referência. Valores de referência Uma faixa de tensão < 69 kV, o valor de referência é 2%, para intervalos ≥ 69 kV, o valor de referência de tensão é 1,5%. Utilizando a metodologia na norma NTC 5001 que apresenta a avaliação de um fator de desequilíbrio (K), por um período de 10 minutos, durante uma semana, avaliar esse fator pela Equação 1, da norma IEEE conhecido como razão de desequilíbrio, que é recomendado para trabalhar neste tipo de conexões de fase - neutro (NTC 5001). Na categoria de circuitos de rua, 99% dos valores de desbalanceamento de tensão devem estar dentro dos valores de referência de 2% para a tensões abaixo de 69 kV. | | | | | | (1) Onde: ; valor de tensão média das linhas, fase - neutro, (RMS). ; os módulos das três tensões de cada uma das linhas, fase-neutro (RMS). Resultados das medições de desequilíbrio de tensão Na Figura 8, apresenta-se o desequilíbrio da tensão, onde 100% dos valores, estão abaixo dos valores estabelecidos pela norma (2,0%), com um máximo desequilíbrio de 1,72% registrado na segunda feira às 12h e mínimo de 1,05%, às 20h, na quarta feira. 42 Figura 8 - Resultados das medições de desequilíbrio de tensão circuito. Fonte: Produção do próprio autor 2.3.3 Cintilações Refere-se ao efeito percebido visualmente como uma mudança na emissão da luz devido às flutuações da tensão da alimentação em baixa tensão. Este tipo de perturbação pode afetar diretamente aos seres humanos, segundo estudos médicos que demonstraram que o olho humano é muito sensível à luz de cintilação. Causas Dentro das causas podem se mencionar certas cargas industriais, tais como máquinas de soldas, grandes motores com fornos a arco de carga variável. Efeitos  Sensação de instabilidade visual;  Irritabilidade e cansaço visual;  Variação dos níveis de iluminação em bulbos incandescentes e bulbos de descargas;  Redução da vida útil dos bulbos de descarga;  Efeitos estroboscópicos. 43 Metodologia de avaliação A gravidade dos efeitos da cintilação é entendida em termos de um índice chamado de PST para períodos de tempo curtos e outro chamado de PLT para períodos de tempo longos. Durante os períodos de medição de dez minutos, a severidade da cintilação de curta duração foi descrita com o índice PST; da mesma forma, a cintilação de longa duração com o índice PLT. O PLT é um valor médio do PST ao longo de um intervalo de tempo de duas horas (IEC 6100-4-7, 2002). Assim, depois de ter coletado registros de sinais da severidade da cintilação durante dez minutos, foram estabelecidos limiares correspondentes aos percentis, isto é, aqueles que excederam 0,1%, 1%, 3%, 10% e 50% do tempo de observação. O PST é calculado com a equação 2. √( ) (2) Onde P0,1, P1, P3, P10, P50 são os percentis a 0,1%, 1%, 3%, 10% e 50%, respectivamente. Os valores PST são usados para calcular o PLT por períodos mais longo de observação com a equação 3. √[ ∑ ] (3) Onde N é o número de períodos para o cálculo do PLT dentro do tempo de observação; ou seja, são necessárias 12 medições de PST de 10 minutos para calcular o PLT por duas horas. O período de avaliação foi de uma semana. Valores de referência  De acordo com a norma IEC 61000-3-3:1995 O índice de severidade da cintilação de curta duração deve cumprir com PST ≤ 1,0 p.u. O índice de severidade da cintilação de longa duração deve cumprir com PLT ≤ 0.65 p.u.  De acordo com a norma EN 50160:1999 e NTC 5001 O índice de severidade da cintilação de curta duração não é considerado. O índice de severidade da cintilação de longa duração deve cumprir com PST ≤ 1.0 p.u, em 95% dos dados em uma semana. 44 Resultados obtidos nas medições de cintilação de curta duração (PST) Nas Figuras 9, 10 e 11, apresentam os valores das cintilações de curta duração (PST) dentro do intervalo definido previamente, com uma distorção máxima de 0,4145 p.u na linha U2 e mínima de 0,0566 p.u na linha U3. Todos os valores encontrados correspondem ao valor de referência (≤1,0 p.u). Figura 9 - Severidade de cintilação de curta duração (PST) Linha U1. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0:00:00 2:00:00 4:00:00 6:00:00 8:00:00 10:00:00 12:00:00 14:00:00 16:00:00 18:00:00 20:00:00 22:00:00 0:00:00 Ps t [ p. u. ] Tempo [h] 09/12/2015 Quarta - Feira 10/12/2015 Quinta -Feira 11/12/2015 Sexta - Feira 12/12/2015 Sabado 13/12/2015 Domingo 14/12/2015 Segunda -Feira 15/12/2015 Terça-feira 16/12/2015 Quarta - Feira Valor Referencia Fonte: Produção do próprio autor Figura 10 - Severidade de cintilação de curta duração (PST) Linha U2. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0:00:00 2:00:00 4:00:00 6:00:00 8:00:00 10:00:00 12:00:00 14:00:00 16:00:00 18:00:00 20:00:00 22:00:00 0:00:00 P st [ p .u .] Tempo [h] 09/12/2015 Quarta - Feira 10/12/2015 Quinta -Feira 11/12/2015 Sexta - Feira 12/12/2015 Sabado 13/12/2015 Domingo 14/12/2015 Segunda -Feira 15/12/2015 Terça-feira 16/12/2015 Quarta - Feira Valor Referencia Fonte: Produção do próprio autor 45 Figura 11 - Severidade de cintilação de curta duração (PST) Linha U3. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0:00:00 2:00:00 4:00:00 6:00:00 8:00:00 10:00:00 12:00:00 14:00:00 16:00:00 18:00:00 20:00:00 22:00:00 0:00:00 Ps t [p .u .] Tempo [h] 09/12/2015 Quarta - Feira 10/12/2015 Quinta -Feira 11/12/2015 Sexta - Feira 12/12/2015 Sabado 13/12/2015 Domingo 14/12/2015 Segunda -Feira 15/12/2015 Terça-feira 16/12/2015 Quarta - Feira Valor Referencia Fonte: Produção do próprio autor Resultados obtidos nas medições de cintilação de longa duração (PLT) Nas Figuras 12, 13 e 14, pode-se observar que o valor máximo da cintilação de longa duração foi de 0,2002 p.u na linha U3, e o valor mínimo de 0,0971 p.u na linha U1. Todos os valores são menores ao valor de referência (≤ 0,65 p.u). Figura 12 - Severidade de cintilação de longa duração (PLT) Linha U1. 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0:00:00 2:00:00 4:00:00 6:00:00 8:00:00 10:00:00 12:00:00 14:00:00 16:00:00 18:00:00 20:00:00 22:00:00 P lt [ p .u .] Tiempo [hh:mm] 09/12/2015 Quarta - Feira 10/12/2015 Quinta -Feira 11/12/2015 Sexta - Feira 12/12/2015 Sabado 13/12/2015 Domingo 14/12/2015 Segunda -Feira 15/12/2015 Terça-feira 16/12/2015 Quarta - Feira Valor Referencia Fonte: Produção do próprio autor. 46 Figura 13 - Severidade da cintilação de longa duração (PLT) Linha U2. 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0:00:00 2:00:00 4:00:00 6:00:00 8:00:00 10:00:00 12:00:00 14:00:00 16:00:00 18:00:00 20:00:00 22:00:00 P lt [ p .u .] Tempo [h] 09/12/2015 Quarta - Feira 10/12/2015 Quinta -Feira 11/12/2015 Sexta - Feira 12/12/2015 Sabado 13/12/2015 Domingo 14/12/2015 Segunda -Feira 15/12/2015 Terça-feira 16/12/2015 Quarta - Feira Valor Referencia Fonte: Produção do próprio autor Figura 14 - Severidade da cintilação de longa duração (PLT) Linha U3. 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0:00:00 2:00:00 4:00:00 6:00:00 8:00:00 10:00:00 12:00:00 14:00:00 16:00:00 18:00:00 20:00:00 22:00:00 P lt [ p .u .] Tempo [h] 09/12/2015 Quarta - Feira 10/12/2015 Quinta -Feira 11/12/2015 Sexta - Feira 12/12/2015 Sabado 13/12/2015 Domingo 14/12/2015 Segunda -Feira 15/12/2015 Terça-feira 16/12/2015 Quarta - Feira Valor Referencia Fonte: Produção do próprio autor 2.3.4 Interrupções de longa duração As interrupções de longa duração são definidas quando o valor eficaz da tensão é menor que 10% da tensão declarada, isto em todas as fases e com uma duração maior ou igual um minuto pode ser programada ou acidental. 47 Causas  Falha nas fontes do sistema de potência;  Problemas nas transferências automáticas ou manuais;  Abrir ou fechar dos interruptores de proteção;  Falhas nos condutores elétricos;  Disparo, por proteção, no sistema elétrico. Efeitos  Saída de operação dos equipamentos;  Operação e energização inadequada dos motores de indução;  Interrupção de processos e equipamentos;  Saída de operação e reinicio do sistema;  Desligamento do sistema de iluminação;  Queda de sistemas de telefonia. Metodologia de avaliação O período de avaliação foi de uma semana e contam com uma quantidade total de interrupções detectadas e adicionar seus tempos de duração. Valores de referência Os valores de referência estabelecidos por regulação em Colômbia, para baixa e média tensão, devem ser menores que 10 interrupções durante 3 minutos, ou de 50/ano. Resultados obtidos nas medições de interrupções de longa duração Durante as medições realizadas não se apresentaram interrupções de longa duração, como observado nas Figuras 5, 6 e 7. 2.3.4.1 Harmônicos de tensão Refere-se às ondas senoidais cujas frequências são múltiplos inteiros da fundamental (60 Hz). A presente definição abrange harmônicos de longa duração, estado estacionário, e não inclui fenômenos transitórios isolados. 48 Causas Os harmônicos são causados por dispositivos cujas características de tensão e corrente são do tipo não linear; por exemplo, conversores eletrônicos de potência para motores elétricos de velocidade variável, retificadores e fornos a arco. Efeitos  Aumento das perdas por aquecimento em equipamentos elétricos;  Registros incorretos em equipamentos de controle e monitoramento;  Sobreaquecimento do equipamento de laminação, transformadores e condutores elétricos;  Aumento dos níveis de ruído audível em equipamentos elétricos;  Falha em isolamento de equipamentos elétricos;  Dificuldade para iniciar os processos;  Falha ou operação prematura em dispositivos de proteção;  Condições de ressonância harmônica no sistema de potência elétrica do usuário, prejudicando o funcionamento e confiabilidade do sistema e os equipamentos;  Falha de sincronização de disparo em equipamentos tais como variadores de velocidade;  Aumento na fatoração da energia por alteração do valor RMS da tensão e corrente através do medidor. Metodologia de avaliação O período de avaliação foi de uma semana, onde as medidas foram implementadas no ponto de conexão comum (PCC). Em condições de funcionamento normal, são calculados os percentis a 95% dos valores de distorção harmônica individual da tensão (Dv) e a distorção harmônica total de tensão (THDv) para cada fase. Os percentis calculados devem ser inferiores ou iguais ao valor de referência. A distorção harmônica individual da tensão e a distorção harmônica total de tensão, foram calculadas com as Equações 4 e 5: (4) √∑ (5) 49 Onde: Vh = Magnitude do componente harmônico individual (Volts rms). h = Ordem de harmônica. Vl = Magnitude do componente fundamental (volts rms). Valores de referência A Tabela 3 apresenta os valores de referência considerados. Tabela 3 - Valores de referência de THD. Faixa de tensão Distorção harmônica individual (%) Distorção harmônica total (%) 1kV≤ Vn ≤ 69 kV 3,0 5,0 69 kV≤ Vn ≤ 161 kV 1,5 2,5 Vn ≥ 161 kV 1,0 1,5 Fonte: Produção do próprio autor Resultados obtidos nas medições A distorção harmônica total foi analisada para cada uma das linhas, registrando medições a cada 10 minutos e durante sete dias. Segundo a norma, o valor padrão não deve exceder o 5% da faixa de tensão utilizada neste circuito. A Figura 15 apresenta os resultados das medições de distorção harmônica total de tensão (THDv) para a linha U1. Observa-se que os valores estão sempre por dentro do intervalo especificado, onde a distorção máxima foi de 3,18% registrada na terça-feira à 1h10min e a distorção mínima foi de 2,21% no sábado às 19h. Figura 15 - Resultados das medições de distorção harmônica total (THDv) na linha U1 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Fa to r [ %] Tempo [h] 09/12/2015 Quarta - Feira 10/12/2015 Quinta -Feira 11/12/2015 Sexta - Feira 12/12/2015 Sabado 13/12/2015 Domingo 14/12/2015 Segunda -Feira 15/12/2015 Terça-feira 16/12/2015 Quarta - Feira Valor Referencia Fonte: Produção do próprio autor 50 Os resultados das medições de distorção harmônica total de tensão (THDv) para a linha U2 são apresentados na Figura 16. A distorção máxima foi de 3,72 % na quarta-feira às 16h e a distorção mínima de 2,13 % na sexta-feira às 19h40min. Todos os valores também estão por dentro do intervalo especificado pela Norma Técnica Colombiana NTC 5001. Figura 16 - Resultados das medições de distorção harmônica total (THDv) na linha U2 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Fa to r [% ] Tempo [h] 09/12/2015 Quarta - Feira 10/12/2015 Quinta -Feira 11/12/2015 Sexta - Feira 12/12/2015 Sabado 13/12/2015 Domingo 14/12/2015 Segunda -Feira 15/12/2015 Terça-feira 16/12/2015 Quarta - Feira Valor Referencia Fonte: Produção do próprio autor. No caso da linha U3, os resultados podem ser observados na Figura 17, o valor máximo e mínimo da distorção harmônica total è de 3,42% na quinta-feira às 9h e de 2,40 % na terça-feira as 19h, respectivamente, em conformidade com as disposições da norma. Figura 17 - Resultados das medições de distorção harmônica total (THDv) na linha U3. 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Fa to r [% ] Tempo [h] 09/12/2015 Quarta - Feira 10/12/2015 Quinta -Feira 11/12/2015 Sexta - Feira 12/12/2015 Sabado 13/12/2015 Domingo 14/12/2015 Segunda -Feira 15/12/2015 Terça-feira 16/12/2015 Quarta - Feira Valor Referencia Fonte: Produção do próprio autor 51 2.3.4.2 Harmônicos de corrente As cargas não lineares conectadas aos sistemas de fornecimento de energia produzem correntes harmônicas que se propagam através do sistema de potência, as quais podem causar distorção harmônica de tensão e afetar outros usuários. Causas  Comutação de alta frequência nas fontes de alimentação;  Utilização de cargas controladas por tiristores;  Grandes sistemas com fontes de alimentação interrupta UPS;  Alta impedância das fontes de alimentação;  Alta impedância na fiação elétrica;  Utilização de cargas que comutam muito na rede, como equipamentos de soldagem, equipamentos de informática e fontes de alimentação interrupta. Efeitos  Sobreaquecimento e danos aos transformadores em redes de baixa carga, motores, geradores e reatores eletrônicos;  Correntes excessivas em neutro;  Proteções de operação sem causa aparente;  Ruído audível excessivo em centros de distribuição;  Falha em equipamentos eletrônicos, especialmente com THD em alta tensão;  Perda de dados nos dispositivos de memória;  Falhas em fontes de alimentação interrupta (UPS) em operação de transferência;  Aumento da perda de energia em equipamentos elétricos;  Risco de incêndio e explosões por existência de ressonâncias elétricas no sistema. Metodologia de avaliação O período de avaliação foi de uma semana, a distorção harmônica individual de corrente (Di) e a distorção total de demanda (TDD) foram calculadas com as Equações 6, 7 e 8. 52 (6) √∑ (7) (8) Onde: THDi = Distorção harmônica total de corrente; Ih = Magnitude do componente harmônica individual; h = Ordem da harmônica; Il= Magnitude do componente fundamental; IL = Corrente de carga de demanda máxima no PCC; Recomenda-se que a corrente de carga (IL) seja calculada como o valor máximo da corrente eficaz de todas as fases, adicionados em intervalos de 10 minutos e durante um período de uma semana de avaliação. Valores de referência Os valores de referência são apresentados na Tabela 4. Resultados obtidos nas medições Os harmônicos pares não podem exceder o 25% dos limites previstos para os harmônicos impares. Os harmônicos com a distorção total de demanda (TDD) foram analisados para efetuar o cálculo seguindo as Normas Técnicas Colombianas NTC 5001 e NTC 819. Neste caso, o valor da corrente de carga de demanda de pico (IL) foi de 80,88 A. A corrente de curto circuito (Isc) foi calculada utilizando uma potência de transformador de 75 kVA e um fator de tensão de curto- circuito (Ucc) de 3,5%, estabelecido na norma ISO 819 para essa potência. Com uma tensão de 120 V em cada linha, a corrente de curto-circuito foi calculada pele Equação 9: √ [ ] (9) 53 √ [ ] Adicionalmente, calculam-se a relação ⁄ para conhecer o limite correspondente na norma NTC 5001: Tabela 4 - Valores limite de distorção harmônica indivídual (Di) e demanda total (TDD) Limites de distorção de corrente para sistema de distribuição 120V < Vn ≤ 69 kV Relação Isc/IL < 11 11 ≤ h < 17 17 ≤ h < 23 23 ≤ h < 35 h≥35 TDD < 20 4,00 2,00 1,50 0,60 0,30 5,00 20< 50 7,00 3,50 2,50 1,00 0,50 8,00 50< 100 10,00 4,50 4,00 1,50 0,70 12,00 100< 1000 12,00 5,50 5,00 2,00 1,00 15,00 1000< 15,00 7,00 6,00 2,50 1,40 20,00 Limites de distorção de corrente para sistema de subtransmissão 69 kV < Vn ≤ 161 kV < 20 2,00 1,00 0,75 0,30 0,15 2,50 20< 50 3,00 1,75 1,25 0,50 0,25 4,00 50< 100 5,00 2,25 2,00 0,75 0,35 6,00 100< 1000 6,00 2,75 2,50 1,00 0,50 7,50 1000< 7,50 3,50 3,00 1,25 0,70 10,00 Limites de distorção de corrente para sistema de distribuição Vn < 161 kV geração distribuída e cogeração < 25 1,00 0,50 0,38 0,15 0,10 1,50 25< 50 2,00 1,00 0,75 0,30 0,15 2,50 50≤ 3,00 1,50 1,15 0,45 0,22 3,75 Fonte: Produção do próprio autor Isc= mínima corrente de curto-circuito trifásica que tem disponível para fazer a avaliação no ponto de conexão comum (PCC). No caso de um utilizador monofásico deve-se utilizar a corrente de curto monofásica. IL = corrente de demanda de pico no PCC. Conforme a Norma Técnica Colombiana NTC 5001, para esta relação de corrente o limite máximo da distorção total da demanda é igual a cinco. Na linha U1, a distorção máxima registrada na terça-feira às 18h20min de TDD foi 9,06 e a distorção mínima de 0,61 no domingo às 17h50min. Neste caso, estes valores excedem os limites da norma NTC 5001 durante o 50% do tempo de trabalho Figura 18. 54 Figura 18 - Resultados das medições de distorção harmônica total (TDDI) na linha U1. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 TD D Tempo [h] 09/12/2015 Quarta - Feira 10/12/2015 Quinta -Feira 11/12/2015 Sexta - Feira 12/12/2015 Sabado 13/12/2015 Domingo 14/12/2015 Segunda -Feira 15/12/2015 Terça-feira 16/12/2015 Quarta - Feira Valor Referencia Fonte: Produção do próprio autor Para a linha 2, a distorção harmônica total de corrente (TDDI) máxima foi de 17,47, medida na quarta-feira às 16h10min. A distorção mínima foi de 2,29 e corresponde à segunda-feira às 15h40min (Figura 19). Os valores excedem os limites estabelecidos pela norma NTC 5001durante o 59% do tempo de trabalho. Figura 19 - Resultados das medições de distorção harmônica total (TDDI) na linha U2. 2 4 6 8 10 12 14 16 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:0012:0014:0016:0018:0020:0022:00 0:00 TD D Tempo [h] 09/12/2015 Quarta - Feira 10/12/2015 Quinta -Feira 11/12/2015 Sexta - Feira 12/12/2015 Sabado 13/12/2015 Domingo 14/12/2015 Segunda -Feira 15/12/2015 Terça-feira 16/12/2015 Quarta - Feira Valor Referencia Fonte: Produção do próprio autor. Na linha U3 a distorção máxima também excede os limites da norma NTC 5001 Figuras 20 durante o 59% do tempo de trabalho. Neste caso, o valor máximo foi de 17,34, registrado na segunda-feira às 11h30min; a distorção mínima foi de 2,61 e na quarta-feira às 6h40min. 55 Figura 20 - Resultados das medições de distorção harmônica total (TDDI) na linha U3. 2 4 6 8 10 12 14 16 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 TD D Tempo [h] 09/12/2015 Quarta - Feira 10/12/2015 Quinta -Feira 11/12/2015 Sexta - Feira 12/12/2015 Sabado 13/12/2015 Domingo 14/12/2015 Segunda -Feira 15/12/2015 Terça-feira 16/12/2015 Quarta - Feira Valor Referencia Fonte: Produção do próprio autor 2.3.4.3 Entalhes de tensão (Notches) São uma perturbação eletromagnética periódica que afeta a forma de onda da tensão, reduzindo seu valor instantâneo durante os intervalos que geralmente não excedem 0,5 ciclos. Causas São fenômenos gerados por equipamentos eletrônicos cujo funcionamento normal envolve comutação de correntes. Assim, a causa principal é resultante dos conversores trifásicos quando produzem corrente CC, que são comutadas de uma fase para outra, gerando um curto-circuito momentâneo entre as duas fases, que torna o valor instantâneo da tensão próximo do zero. Efeitos Funcionamento inadequado dos dispositivos associados ao controle de equipamentos. Metodologia de avaliação A distorção harmônica total do sinal ( foi calculada a partir da equação 10. √ (10) Onde: Av = Área do Entalhe medida em V-μs, (Volts – microssegundos). 56 = Relação da indutância total em relação ao sistema. Valores de referência Os valores de referência são apresentados na Tabela 5. Tabela 5- Valores de referência dos entalhes de tensão. Limites de distorção Aplicações Especiais Sistema Geral Sistema Dedicado Profundidade Notche 10 % 20% 50% THD (Tensão) 3 % 5% 10% Área Notche AV, em V-μs 16400 22800 36500 Nota: O valor de Av para sistemas diferentes de 480 V deve ser multiplicado por V / 480. Fonte: Produção do próprio autor. Resultados obtidos nas medições Conforme os dados apresentados nas Figuras 5, 6 e 7 não foram encontrados entalhes de tensão nos resultados. 2.4 PERTURBAÇÕES LENTAS 2.4.1 Interrupções de curta duração Definem-se as interrupções de curto prazo quando o valor eficaz da tensão é inferior a 10% da tensão declarada em todas as fases, com uma duração inferior a um minuto. Causas Em redes de média tensão são provocadas pela ação de dispositivos destinados à proteção do sistema de curto-circuito. Efeitos  Interrupção de processos e equipamentos;  Saída e reinicio do sistema;  Desprogramação em controladores lógicos programáveis (PLC) e em equipamentos eletrônicos; 57  Desligamento de sistemas de iluminação  Queda no sistema de telefonia. Metodologia de avaliação Como a duração deste tipo de eventos é de menos de um minuto, conforme os regulamentos atuais não são considerados no cálculo da confiabilidade e continuidade do serviço. Portanto, recomenda-se um período de medição de uma semana. Valores de referência Cerca de 70% das interrupções de curta duração podem ser inferiores a 1 segundo. Resultados obtidos nas medições Como pode ser observado nas Figuras 5, 6 e 7, não foram encontradas interrupções deste tipo nas medições realizadas. 2.4.2 Afundamentos de tensão Os afundamentos de tensão (SAGS) são reduções súbitas no valor eficaz da tensão entre 10% e 90% da tensão, seguida do retorno a um valor maior de 90% em um tempo que varia desde os 8,33 milissegundos até um minuto. Causas Geralmente são causados por correntes elevadas geradas em curtos-circuitos, em conexões ou operações de cargas que requerem demanda de potência elevada. Têm um comportamento imprevisível e aleatório. Produzem um maior impacto sobre o equipamento instalado no sistema elétrico e dependem da configuração do sistema, da operação do mesmo, o do ponto de medição e manutenção, entre outros. Algumas causas características são:  Falha na fonte de alimentação do sistema de potência, dos sistemas elétricos próprios ou próximos;  Partida do motor;  Curto-circuito nos sistemas de energia causados por fenômenos naturais, como árvores, raios, ações de terceiros. 58 Efeitos  Interrupção de processos;  Redução da luz visível em alguns dispositivos de iluminação;  Queda do sistema de telefonia;  Funcionamento inadequado do equipamento;  Saída de operação dos controladores de motores;  Aumento das perdas por aquecimento em motores de indução devido ao aumento da corrente;  Mudança da velocidade nas máquinas de indução;  Saída de operação de equipamento como computadores e controladores eletrônicos;  Redução da potência de saída em bancos de capacitores. Metodologia de avaliação A intensidade dos afundamentos de tensão foi determinada pele sua duração e magnitude. A duração foi definida como o tempo que toma o valor eficaz da tensão em por abaixo do limite de 10% até que retorna a um valor maior de 90%. Por outra parte, a magnitude foi dada pelo desvio máximo do valor eficaz da tensão da fase mais afetados, entre as três fases, sua duração foi dada pelo tempo de início e de fim do evento. Valores de referência A Norma Técnica Colombiana NTC 5001 não considera valores de referência, e sugere a elaboração de cartas de profundidade dos afundamentos (SAGS). Resultados obtidos nas medições As Figuras 5, 6 e 7 não mostram presença de afundamentos de tensão (SAGS) nos resultados. 2.4.3 Elevações de tensão As elevações de tensão (SWELLS) são incrementos rápidos do valor eficaz da tensão acima de 110% da tensão. As sobretensões podem ter uma duração de 8,33 milissegundos até um 59 minuto. A duração da elevação da tensão é definida como o tempo que toma o valor eficaz em superar o limite até ser inferior ao mesmo. Causas As elevações podem ser produzidas por curtos-circuitos, saídas de carga ou de fenômenos de ressonância e ferrorressonância. Outras causas envolvem:  Operação de grandes fontes de alimentação interrupta (UPS);  Operação de cargas controladas por tiristores;  Funcionamento de atenuadores;  Soldagem de arco. Efeitos  Falha dos componentes de um equipamento, dependendo da frequência de ocorrência do evento;  Redução da vida útil de dispositivos eletrônicos, incluindo variadores de velocidade, computadores, condutores, barramentos, transformadores de tensão e corrente, bem como máquinas rotativas;  Operações indesejadas em relés de proteção;  Aumento da luz visível em alguns dispositivos de iluminação;  Degradação de alguns dispositivos de proteção;  Protuberância na caixa de capacitores em bancos de controle de re