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qualidade de energia e perturbações da rede elétrica

Legrand Eléctrica, S.A. – Portugalwww.legrand.pt

Este tipo de forma de onda é praticamente inexistente nas redes de distribuição pública de países industrializados.

Em instalações fornecidas por fontes autónomas (grupos gerado-res, inversores, entre outros) podem ser definidos diferentes limites de tolerância ou podem ser necessários dispositivos de regulação.

O mesmo se aplica a sistemas que não estejam interconetados (por exemplo, ilhas) e onde tolerâncias mais amplas são permitidas: +/- 2% para 95% de cada semana e +/- 15% para 100% do tempo.

2. AMPLITUDE DA TENSÃO DE ALIMENTAçÃOA tensão de alimentação representa o valor eficaz medido no ponto de entrega. É medido num dado momento e calculado, em média, ao longo de um intervalo de tempo (tipicamente 10 minutos). A tensão nominal Un que carateriza o sistema pode ser distinguida da tensão declarada Uc, que resultaria de um acordo sobre valores diferentes dos da Norma EN 50160.

A tensão estipulada para redes públicas de Baixa Tensão na Europa é:• 230 V entre fases e neutro (400 V entre fases) para sistemas trifá-

sicos com neutro;• 230 V entre fases para sistemas trifásicos sem neutro.

A qualidade da energia elétrica pode ser afetada, quer por eventos que ocorram nas redes de distribuição (comutação, sobretensões atmosféricas, entre outros), quer pela utilização da eletricidade quando, por exemplo, certas cargas criam variações significativas no consumo de corrente ou que alteram a forma de onda (influências harmónicas).

É assim importante estabelecer regras claras entre o distribuidor e o consumidor, ao abrigo de um contrato de fornecimento.

Isto pode especificar disposições mais rigorosas do que as da Norma EN 50160 mas, por definição, constitui na Europa o documento de referência vinculativo na ausência de regulamentos específicos ou outro compromisso do distribuidor.

PERTURBAçÕES DESCRITAS NA NORMA EN 50160A qualidade do fornecimento de energia elétrica é objeto da Norma Europeia, EN 50160, que estipula os limites admissíveis de 14 valores ou fenómenos que caraterizam ou afetam o sinal sinusoidal de 50 Hz. Baseada numa abordagem estatística, é concebida para garantir um certo nível de qualidade durante o funcionamento normal.

1. FREQUÊNCIAA frequência é de 50 Hz com uma tolerância de +/- 1% (ou seja, 49,5 a 50,5 Hz) para 99,5% de cada período de um ano e de +4 a -6% (isto é, 47 a 52 Hz) durante todo o período.

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3. VARIAçÕES DA TENSÃO DE ALIMENTAçÃOEm condições normais de funcionamento são permitidas as seguintes flutuações de tensão durante o período de uma semana: +/- 10% do valor de referência (230 ou 400 V), ou seja, 207 a 253 V ou 360 a 440 V para 95% das medições, e - 15% a + 10% para 100% das medições, isto é, 195 a 253 V e 340 a 440 V.

A tensão de alimentação pode flutuar diariamente, semanalmente ou sazonalmente como resultado de variações significativas na carga da rede elétrica. Dispositivos de regulação de tensão instalados em subestações podem limitar estas variações. Além disso, as cargas de elevada potência, como estações de soldadura, grandes motores, for-nos e outras instalações de uso intensivo de energia podem causar quedas de tensão locais enquanto estão em funcionamento.

Os limites de potência são geralmente definidos para motores alimen-tados diretamente da rede pública de distribuição. Por conseguinte, a solução pode ser aumentar a potência da alimentação (redução da sua impedância e aumento da sua potência de curto-circuito) ou com-pensar a energia reativa ligada a um dispositivo específico que está a causar perturbações.

4. VARIAçÕES RÁPIDAS DA TENSÃO DE ALIMENTAçÃOEstas variações, que provêm principalmente de correntes de cargas ele-vadas, não devem exceder 5 a 10% da tensão nominal. As análises de rede mostram que as quedas de tensão na ordem dos 30% são total-mente possíveis quando as cargas, como motores ou transformadores são ligados. Estas variações não são periódicas e ocorrem em mo-mentos aleatórios. Quando as variações de tensão rápidas se tornam cíclicas, isto é referido como tremulação (“flicker”), com referência a variações de luz que podem ser incomodativas acima de um certo nível.

5. SEVERIDADE DA TREMULAçÃOA intensidade do desconforto causado pela tremulação é definida por um mé-todo de medição UIE-CIE (União Internacional para Aplicações de Eletricidade – Comissão Internacional de Iluminação). É avaliada como se segue:• Severidade de curta duração (Pst) medida num período de dez minutos;• Severidade de longa duração (Plt) calculada com base numa se-

quência de 12 valores de Pst, durante um período de duas horas, de acordo com a seguinte fórmula:

Em condições normais de funcionamento, para cada período de uma semana, é recomendado que o nível de severidade da tremulação de longa duração (Plt), associado a flutuações de tensão seja inferior ou igual a 1 durante 95% do tempo.

6. CAVAS DE TENSÃOEstas podem dever-se a falhas ocorridas nas instalações dos utilizado-res, mas também resultam, muitas vezes, de problemas na rede pública de distribuição. A quantidade de cavas varia consideravelmente de acor-do com as condições locais, e duram geralmente apenas até 1 segundo.

A maioria das cavas de tensão dura menos de 1 segundo com uma queda inferior a 60%. Por outras palavras, a tensão residual permane-ce superior a 40%.

Há uma cava de tensão assim que o valor eficaz de uma das ten-sões, medido separadamente em cada fase, estiver abaixo de um li-miar estabelecido.

A Norma EN 50160 não especifica a quantidade, a duração ou o valor da cava de tensão. Esta caraterística poderia estar sujeita a um acordo no fornecimento de energia.

7. INTERRUPçÕES BREVES Interrupções breves ou micro-cortes referem-se a casos em que o va-lor da tensão cai para 0 V ou menos de 1% da tensão nominal. Estas

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duram, geralmente, menos de 1 segundo, embora uma interrupção de 1 minuto ainda possa ser considerada como sendo curta. Micro-cortes e cavas de tensão são fenómenos frequentemente aleatórios e imprevi-síveis, que podem ocorrer irregularmente ao longo do tempo. Pode ser importante definir contratualmente a duração máxima e o limiar de uma cava de tensão, que devem ser considerados como sendo um micro-corte (por exemplo, uma tensão <40% de Un por menos de 600 ms). Na maioria dos casos, apenas as análises de rede podem permitir que uma decisão sobre o rigor dos fenómenos seja feita com exatidão.

8. INTERRUPçÕES LONGASEstes valores não estão quantificados, pois dependem de elementos totalmente aleatórios. A frequência com que ocorrem é muito variável

e depende da arquitetura da rede de distribuição ou da exposição a ris-cos climáticos. Em condições normais de funcionamento, a frequência anual de interrupções de tensão superior a 3 minutos pode ser inferior a 10 ou pode atingir 50, consoante a região.

9. SOBRETENSÕES TEMPORÁRIASEste tipo de falha pode ocorrer tanto no sistema de distribuição como na instalação do utilizador. Pode ser devastador, pois a tensão fornecida pode atingir um nível que é já considerado perigoso para os equipamentos.

O principal risco é que haja uma sobretensão fase-fase, em vez de uma sobretensão fase-neutro, se por exemplo, o neutro falhar. Falhas na rede de Alta Tensão (sem linha) também podem gerar sobretensões na extremidade da Baixa Tensão. A Norma EN 50160 não estabelece limites para essas sobretensões. Mas, neste ponto, é essencial para a segurança de pessoas e instalações, escolher o equipamento de acor-do com as Normas (harmonizado com a IEC 60664-1) e testado para suportar impulsos de sobretensões.

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Coordenação de isolamento em sistemas de Baixa Tensão em relação a sobretensões temporáriasRequisitos da Norma IEC 60664-1:• Isolamento básico robusto e isolamento suplementar devem

suportar as seguintes sobretensões temporárias:› Sobretensões temporárias de curta duração, amplitude Un +

1200 V para t<5 s;› Sobretensões temporárias de longa duração, amplitude Un

+ 250 V para t>5 s (Un é a tensão nominal fase-neutro de tensão à terra).

• Isolamento reforçado deve suportar o dobro dos valores do iso-lamento básico.

10. SOBRETENSÕES TRANSITÓRIAS (OU “PULSE”)Estes fenómenos são muito variáveis. Devem-se principalmente à iluminação e comutações na rede. O seu tempo de elevação varia de alguns microssegundos a alguns milissegundos, sendo a sua escala de frequência muito elevada, de alguns kHz a centenas de kHz. A pro-teção contra sobretensões requer o uso de dispositivos de proteção, como descarregadores de sobretensão e a instalação de equipamen-tos apropriados nos pontos mais corretos da instalação.

11. DESEQUILÍBRIO DE TENSÃOO desequilíbrio de tensão é causado por cargas monofásicas de eleva-da potência. Este causa um comportamento de corrente desequilibra-do que pode desencadear reduções do binário e aumentos de tempe-ratura em máquinas rotativas.

É aconselhável dividir a carga pelas três fases, tanto quanto pos-sível, e proteger as instalações utilizando dispositivos apropriados. Em condições normais de funcionamento, para cada período de uma

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semana, 95% dos valores eficazes da componente inversa na tensão de alimentação, calculada em média durante dez minutos, deve estar entre 0% e 2% da componente direta.

Em algumas regiões onde partes das instalações dos utilizadores da rede possuem ligações monofásicas ou ligações entre duas fases, o desequi-líbrio pode atingir 3% do ponto de fornecimento trifásico. Se ti é o valor do desequilíbrio instantâneo, a taxa média tvm é definida pela equação:

Onde T = 10 minutosA Norma EN 50160 apenas estipula limites baseados nas componen-tes de sequência inversa da tensão. Podem ser feitas aproximações satisfatórias, utilizando medições convencionais que permitam veri-ficar a relação de desequilíbrio entre componentes diretas e inversas.

Desequilíbrio de tensão

onde U12 + U23 + U31 são as três tensões fase-fase.

Componentes simétricas• O sistema simétrico corresponde a todos os componentes as-

sumidos como simétricos, isto é, idênticos em cada fase. Isto não deve ser confundido com o equilíbrio, que diz respeito à igualdade das correntes e tensões.

• Um sistema trifásico simétrico desequilibrado pode ser expres-so como três sistemas trifásicos balanceados (Método de For-tescue). Esta divisão pode ser realizada utilizando três métodos: positivo, negativo, sequência zero (homopolar). Se houver uma falha, sobretensão ou curto-circuito que afete somente uma das fases (que é a situação mais comum), o sistema torna-se não simétrico e só pode ser descrito por um sistema real, com V e I separados para cada fase, representando a parte em questão.

12. TENSÃO HARMÓNICAQuando as caraterísticas de um sistema de distribuição são descri-tas, a distorção harmónica da tensão é um fator importante no que

diz respeito a problemas de funcionamento (sensibilidade de equipa-mentos eletrónicos) e problemas de fiabilidade (envelhecimento por aquecimento de enrolamentos e condutores, quebra de isolamento de condensadores) que este tipo de perturbação pode causar.

Mas é importante saber que a origem das tensões harmónicas está nas correntes harmónicas. Estas correntes podem perturbar o equipamento local, mas sobretudo aumentam, de forma perniciosa, o nível de distorção da tensão distribuída em toda a instalação e para outros utilizadores, através do sistema público de distribuição.

As correntes harmónicas são geradas por dispositivos cuja ali-mentação consomem correntes não sinusoidais. Equipamentos ele-trónicos, informáticos e de escritório, alguns equipamentos de ilumi-nação, equipamentos de soldadura industrial, inversores, conversores de potência e numerosas máquinas são as principais causas.

Tal como as correntes harmónicas, as tensões harmónicas podem ser divididas em tensões sinusoidais, que podem ser descritas:• Individualmente, de acordo com sua amplitude relativa (Uh) em relação

à tensão fundamental Un, onde h representa a ordem da harmónica;• No seu todo, isto é, de acordo com o valor da distorção harmónica

total THD, calculada utilizando a seguinte fórmula:

Em condições normais de funcionamento, 95% dos valores eficazes de cada tensão harmónica medida em 10 minutos e durante uma se-mana não devem exceder os valores indicados na Tabela seguinte.

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A distorção harmónica total em tensão fornecida (incluindo todas as harmónicas até à ordem 40) não deve exceder 8% da tensão funda-mental (ordem 1). Para limitar as harmónicas pode ser necessário, ini-cialmente, rever a estrutura da instalação:• aumentar a secção do condutor neutro;• reagrupar as cargas poluentes (se necessário com uma alimenta-

ção separada);• usar transformadores com enrolamentos especiais (acoplamento

da harmónica de 3.ª ordem e seus múltiplos);• ligação de equipamentos sensíveis afastados das cargas

poluentes;• ligação de cargas poluentes à rede com a impedância mais baixa

e o mais a montante possível. Também é necessário verificar se as baterias de condensadores para compensar o fator de potência não correm o risco de entrar em ressonância (possível uso de in-dutâncias anti harmónicas ligadas em série);

• regime de neutro TN-C deve ser evitado.

13. TENSÃO INTER-HARMÓNICAEste fenómeno refere-se às frequências múltiplas localizadas entre as frequências harmónicas simples. Estas são causadas por inversores de frequência, fontes de alimentação ininterrupta, máquinas de rota-ção. A sua interação pode causar episódios de cintilação, mas é sobre-tudo no que diz respeito aos sinais de informação transmitidos na rede que eles devem ser identificados e controlados.

14. SINAIS DE INFORMAçÃO TRANSMITIDOS NO SISTEMAEm alguns países, o sistema de distribuição pública pode ser utilizado pelo distribuidor para transmitir sinais. O valor de tensão dos sinais transmitidos na distribuição em alta tensão (1 a 35 kV), com uma mé-dia de 3 segundos, não deve exceder os valores indicados pela curva abaixo durante um período igual a 99% de um dia.

A rede é utilizada pelo distribuidor para transmitir sinais de informa-ção que se sobrepõem à tensão fornecida, para transmitir informação às instalações dos utilizadores. No entanto, a rede de distribuição não deve ser utilizada para transmitir sinais de informação entre instala-ções privadas. As frequências desses sinais variam de dezenas de Hz a vários kHz, de acordo com sua função:• Sinais de controlo remoto centralizados: tensão sinusoidal sobre-

posta na faixa de 110 Hz a 3000 Hz;• Sinais da portadora de linha: tensão sinusoidal sobreposta na faixa

de 3 kHz a 148,5 kHz;• Sinais de marcação: impulsos de curta duração (transitórios) sobre-

postos em momentos selecionados na forma de onda de tensão.

15. ANÁLISE DE REDEOs dispositivos das gamas Alptec podem ser utilizados para obter leituras completas das caraterísticas elétricas das redes, armazená-las e transmiti-las remotamente para o utilizador. A escolha da compensação de energia reativa ou das soluções a ter em conta são então mais adequadas.

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