UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO E AUTOMAÇÃO Estudo do Consumo e Qualidade da Energia Elétrica no Campus Universitário Central da UFRN Aluno: Francisco Guerra Fernandes Júnior Orientador: Ricardo Ferreira Pinheiro Natal - RN Agosto / 2003 1
60
Embed
Estudo do Consumo e Qualidade da Energia Elétrica no ...ricardo/files/TrabalhoFinalCurso.pdf · Principais Fontes de Energia Primária Fonte Parte do Total Produzido (%) Petróleo
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO E AUTOMAÇÃO
Estudo do Consumo e Qualidade da Energia Elétrica no Campus Universitário Central da UFRN
Aluno: Francisco Guerra Fernandes Júnior
Orientador:
Ricardo Ferreira Pinheiro
Natal - RN
Agosto / 2003
1
Resumo
Foi instalado no campus universitário da UFRN um sistema de
sensoreamento e medição da energia consumida (Sistema CCK), que permite o
monitoramento do consumo, qualidade e perturbações que venham a ocorrer. Neste
sistema foram instalados softwares em dois computadores que fazem o
monitoramento da energia elétrica. Um desses computadores foi instalado no DCA.
Com isto, tem-se neste Departamento uma importante “ferramenta” que está sendo
utilizada como laboratório para testes sobre a qualidade e consumo da energia
elétrica no Campus Universitário, cujos resultados propiciarão o estabelecimento de
alternativas para a melhoria da qualidade e minimização do consumo para a própria
UFRN. Por outro lado, isto gerará conhecimentos e experiências que repercutirão
numa maior capacitação dos seus professores, técnicos e estudantes para contribuir
na resolução de problemas ocorridos fora do âmbito da instituição. O Sistema de
Monitoramento CCK é composto dos seguintes equipamentos: 01 unidade CCK
6000 (Gerenciador de energia); 53 unidades CCK 4500 (Medidor de energia); 03
unidades CCK 700 (Comunicação); SW CCK PC 6000 (Programa de monitoração
em tempo real). O presente trabalho propõe a elaboração de um manual prático
para a utilização do sistema visando o acompanhamento do grau de consumo e
qualidade da energia elétrica na UFRN, realização de diagnósticos pontuais (nos
pontos de medição) e comparativos (para localizar situações mais graves), e,
finalmente, a proposição de alternativas de solução. Propõe-se a adoção do
Departamento de Engenharia de Computação e Automação da UFRN (DCA) como
piloto para a realização de testes a fim de confirmar as estratégias e deflagrar a
execução do trabalho na UFRN.
2
Agradecimentos A Deus, que no alto da sua Magnitude soube me guiar e me dar
discernimento para cumprir meus objetivos da melhor maneira possível.
Aos meus pais, que souberam nos dar incentivo, apoio e segurança para que
pudesse seguir em frente.
Aos meus irmãos, pela ajuda cedida nos momentos críticos.
A Ricardo Ferreira Pinheiro, professor doutor do Departamento de
Engenharia de Computação e Automação da Universidade Federal do Rio Grande
do Norte, pela sua valiosa orientação durante a realização deste trabalho.
1.1 - Cenário Energético Mundial ......................................................... 1 1.2 - Cenário Energético Brasileiro ..................................................... 3 1.3 - Cenário Energético da UFRN ...................................................... 4 1.4 - Conservação de Energia .............................................................. 7 1.5 – Qualidade de Energia .................................................................. 7 1.6 - Estruturação do Trabalho ............................................................ 9
2 - Sistema CCK Gerenciamento de Energia Elétrica e Utilidades ............. 10 2.1 - Objetivos do Sistema ................................................................... 10 2.2 - O Sistema CCK na UFRN/Natal .................................................... 12
2.2.1 - CCK 6000 .......................................................................... 12 2.2.2 - CCK 4500 .......................................................................... 14 2.2.3 - Comunicação Através do CCK 700 ................................ 17 2.2.4 - SW CCK PC 6000 ............................................................. 18
3 – Problemas com Qualidade da Energia ..................................................... 25 3.1 - Desequilíbrios ............................................................................... 25 3.2 – Harmônicos .................................................................................. 30
4 – Análise Preliminar da Qualidade e Consumo de Energia das
Unidades da UFRN (que Possuem o Sistema CCK Instalado) .................... 35
4.1 – Desequilíbrio nas Tensões por Fase ......................................... 35 4.2 – Desequilíbrios de Correntes por Fase ....................................... 36 4.3 – Distorção Harmônica de Tensão ................................................ 38 4.4 – Distorção Harmônica de Corrente ............................................. 39 4.5 – Fator de Potência ......................................................................... 40 4.6 – Consumo de Energia de Algumas Unidades da UFRN ............ 42 4.7 – Propostas de soluções ............................................................... 43
5 – Análise Preliminar da Qualidade da Energia do DCA (Departamento 4
de Engenharia de Computação e Automação) ............................................ 47
5.1 – Desequilíbrio nas Tensões por Fase ........................................ 47 5.2 – Desequilíbrios de Correntes por Fase ...................................... 48 5.3 – Distorção Harmônica de Tensão ............................................... 48 5.4 – Distorção Harmônica de Corrente ............................................ 48 5.5 – Fator de Potência ....................................................................... 49
6 – Conclusões e Perspectivas de Trabalhos Futuros ............................... 50 7 - Bibliografia ................................................................................................ 52 8 – Anexos ....................................................................................................... 54
5
1 - Introdução
1.1 - Cenário Energético Mundial
Atualmente, estima-se que aproximadamente um terço da população mundial
não tem acesso à energia elétrica e, mesmo em sociedades mais industrializadas,
com padrão de vida melhor, ainda coexistem formas rudimentares de transformação
e uso da energia.
A Ásia é o continente maior produtor de energia (34% do total da energia
produzida no mundo), seguida da América (31,1%) e da Europa (25,6%). A América
do Norte é o maior consumidor, principalmente os Estados Unidos que consomem
mais de um terço do total [13].
A produção mundial de energia, em 1997, segundo os dados da Agência
Internacional de Energia, somou o equivalente a 9,5 mil megatoneladas de petróleo,
dos quais 86,2% são provenientes de fontes não renováveis – carvão, gás natural e
petróleo. As reservas conhecidas de petróleo devem durar apenas mais 75 anos; as
de gás natural, um pouco mais de 100 anos; as reservas de carvão,
aproximadamente 200 anos. Embora tenham uso crescente, as fontes renováveis,
aquelas que podem se renovar espontaneamente (água, sol e vento) ou por
medidas de conservação (vegetação) – são responsáveis por apenas 13,8% do total
produzido.
Principais Fontes de Energia Primária
Fonte Parte do Total Produzido (%) Petróleo 35,8 Carvão 23,7 Gás natural 20,1 Energia nuclear 6,6 Outros* 13,8
Tabela 1.1 * Combustíveis renováveis e de resíduos (11,1%), energia hidroelétrica (2,3%), geotérmica,
solar e eólica (0,4%).
Fonte: Agência Internacional de Energia, dados de 1997
6
Principal fonte primária de energia, o petróleo contribui com 35,8% na
produção total. Os especialistas apontam que a predominância desta sobre outras
fontes ainda deverá perdurar durante as próximas duas décadas, embora possa
haver redução do consumo em decorrência do aproveitamento de outros insumos,
como o gás natural.
Segundo os dados da Agência Internacional de Energia, até 1997, o carvão
era a segunda principal fonte de energia mundial. Os mesmos dados apontam a
China (33,8%), os Estados Unidos (25,6%) e a Índia (8,3%) como os maiores
produtores mundiais de carvão. Motivos ambientais e econômicos, que relacionam a
queima desse combustível com a acidificação das chuvas e a formação do smog
urbano, no entanto, contribuíram para a redução de 5% no consumo, durante a
década de 1990. Essa redução, de acordo com os levantamentos realizados pelo
World Watch Institute, indica que o produto teria caído para terceiro lugar, pouco
abaixo do gás natural.
Por seu teor menor de poluição, o gás natural apresenta atualmente o maior
crescimento de consumo entre os combustíveis fósseis. Embora a queima do gás,
como o carvão e o petróleo, resulte em dióxido de carbono, prejudicial à camada de
ozônio, seu percentual poluente é menor. Os maiores produtores mundias, em
1998, foram a Federação Russa (24,8%), os Estados Unidos (22,6%) e o Canadá
(7,3%). Em vista dos menores índices de poluição e das características como fonte
combustível substituta, o gás natural pode garantir energia para automóveis,
produção de energia em termoelétricas e nas indústrias de refrigerantes e cerâmica,
por isso é apontado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos (EIA) como
a fonte primária que terá maior crescimento no uso até 2.020.
A energia nuclear contribui com 6,6% da produção mundial de energia.
Atualmente, estão em operação 433 reatores e outros 37 estão em construção. A
maior desvantagem dessa fonte é o risco de vazamento do material radioativo. Além
de termos um outro grande problema que é o de armazenamento do lixo atômico.
7
1.2 - Cenário Energético Brasileiro
Em 2000, o Brasil consumiu 306.747 bilhões de kWh de energia elétrica. O
setor comercial foi responsável pelo consumo de 15% deste total, ou seja, 42,6
bilhões de kWh.
De toda a energia consumida no setor comercial desperdiça–se aproximadamente
14%, o que equivale a 5,8 bilhões de kWh. Isto representa um desperdício de 20%
de energia elétrica no Brasil. Existem muitas "vias de desperdício" de energia na
economia brasileira: seja por hábitos inadequados de consumo, utilização de
aparelhos ineficientes ou falta de conhecimento técnico por parte dos grandes
consumidores.
Em termos energéticos, o Brasil ocupa hoje no cenário mundial, uma posição
bastante significativa. As estatísticas da AIE - Agência Internacional de Energia
apontam o país como o 10º produtor mundial de eletricidade e o 4º produtor mundial
de hidro-eletricidade. Embora possua uma grande diversidade de fontes de energia,
o Brasil não tem geração suficiente para atender à demanda interna. A produção,
em 1999, foi equivalente a 202,7 milhões de toneladas de petróleo, mas o consumo
final totalizou 231 milhões, o que resultou num déficit de 28,3 milhões, suprido por
importações.
A produção nacional de energia (vide Tabela 1.2) está concentrada nas
fontes primárias de energia renovável, como energia hidráulica, lenha e derivados
da cana-de-açúcar, que correspondem a 66% do total produzido. As fontes não
renováveis – petróleo, gás natural, carvão e urânio – são responsáveis por 34%.
Entre 1990 e 1999, houve uma diminuição na produção de energia com
fontes renováveis, principalmente a lenha, que caiu de 15% para 8,4%, e um
aumento de fontes não renováveis, sobretudo do petróleo e seus derivados, que
cresceu sua participação de 30,2% para 33,8% no mesmo período. Os dados gerais
do consumo por fonte primária estão na Tabela 1.3.
** Inclui energia nuclear, com maior percentual, e fontes renováveis como energia solar e
eólica, com menor participação.
Fonte: Ministério das Minas e Energia, 1999
1.3 - Cenário Energético da UFRN
O crescimento da economia do país produz um apelo muito forte pelo
aumento do consumo de energia elétrica. Assim, não apenas gerar, transmitir e
distribuir energia devem ser tarefas desenvolvidas com competência, mas sobretudo
usá-la racionalmente, apenas transformando-a em produto útil à economia e ao
bem-estar da sociedade, para que se possa permanecer competitivo em um
mercado globalizado. Além disso, o uso racional da energia ajuda a reduzir os
9
impactos de desgaste dos recursos naturais, que se constituem em insumos básicos
necessários à sua produção. Nesse contexto, as Universidades precisam assumir
um papel de destaque, tanto pela sua capacidade de formar recursos humanos
qualificados, como também por se constituírem em agentes formadores de opinião
junto à sociedade. Alie-se a essas características a experiência que têm as
Universidades em desenvolver pesquisas e soluções criativas para os mais variados
problemas tecnológicos. Não obstante suas responsabilidades institucionais, as
Universidades Federais receberam a determinação de instituírem seus próprios
Programas de Combate ao Desperdício de Energia.
De acordo com o sistema de tarifação vigente, não apenas a energia
consumida é tarifada, mas também a demanda. Dessa forma, é necessário
economizar energia elétrica, mais ainda, nos horários do dia em que o consumo é
usualmente mais intenso. Assim, definem-se os horários de ponta para a demanda,
da concessionária (17:30 h às 20:30 h) e da unidade consumidora (no caso da
UFRN, a ponta acontece entre 9:00h e 11:30 h). Os valores da demanda máxima
que deverá ocorrer no horário de ponta da concessionária, bem como da demanda
máxima que deverá ocorrer fora do horário de ponta, são utilizados para contratação
de demanda. Ultrapassagens dos valores contratados implicam em multas
elevadas. Portanto, um planejamento do consumo de energia elétrica torna-se
indispensável.
Particularmente na UFRN, avaliações preliminares permitem acreditar na
possibilidade de instituir um Programa de Uso Racional de Energia Elétrica, sem, no
entanto, impor qualquer sacrifício para a Comunidade Acadêmica, simplesmente
combatendo o desperdício e instituindo controles de consumo adequados. Nesse
contexto, é importante, por um lado, contar com a conscientização e a colaboração
de toda a Comunidade. Por outro lado, a simples descentralização da medição,
fazendo com que cada Unidade Acadêmica se responsabilizasse pela própria conta
de energia, elevaria o custo global, tendo em vista as características do sistema de
tarifação. Dessa forma, idealizamos um sistema que possibilita a supervisão de
consumo e de demanda de todas as Unidades Acadêmicas, sem, no entanto,
descentralizar as medições. Isso permitirá identificar as contribuições, relativas ao
consumo e à demanda, das diversas Unidades, para os valores totalizados
10
constantes na fatura de energia elétrica do Campus Central. As providências para
implantação desse sistema encontram-se em andamento.
Deve-se considerar que as despesas da UFRN com energia elétrica
representam um percentual significativo dos recursos disponíveis, pressionando o
orçamento de custeio de toda a Universidade e exigindo de toda a Comunidade
Acadêmica uma mudança de postura, no que diz respeito ao uso da energia
elétrica.
É bem verdade que o aumento de área construída, bem como o aumento do
consumo de energia estão associados ao crescimento da atividade acadêmica.
Esse fato pode e deve ser ressaltado, quando da comprovação das metas atingidas,
diante do PROCEL - Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica.
Deve-se ter em mente, entretanto, que no período de dez/99 a jun/2000 houve um
acréscimo de 39% nos gastos com energia elétrica, o que corresponde a uma média
mensal de 1,9% ( ou 25% aa ). Essa taxa é muito superior às taxas usuais de
crescimento de mercado de energia ( em média, 7% aa ).
Diante desse quadro, a UFRN, assim como outras instituições, necessita de
um programa de conservação e racionalização do uso de energia elétrica. É
importante estabelecer parcerias para que se obtenha diagnósticos sobre
eficientização energética. A mais importante das parcerias, em um programa como
este, é com a Comunidade Acadêmica, pois sem esta, aquelas perdem
completamente o significado e a sua eficácia. É importante, por conseguinte,
ressaltar que o programa da UFRN precisa pertencer a todos os membros de sua
Comunidade, e não apenas aos seus administradores.
11
1.4 - Conservação de Energia
Na terminologia técnica da área de Engenharia, o termo conservação de
energia refere-se a técnicas e procedimentos que visam reduzir o desperdício e o
uso ineficiente da energia, principalmente elétrica, sem comprometer o conforto e/ou
a produção. Em geral, o termo conservação está ligado ao uso racional da energia.
Essa área tecnológica tornou-se emergente, principalmente, depois da crise do
petróleo na década de 1970, quando a elevação dos preços desse insumo alterou
substancialmente a estabilidade das estratégias de obtenção dos recursos
necessários para garantir a sustentabilidade energética do processo de
desenvolvimento.
De maneira genérica, a conservação de energia pode ser aplicada em diversos
níveis:
1. Eliminação dos desperdícios;
2. Aumento da eficiência das unidades consumidoras de energia;
3. Aumento da eficiência das unidades geradoras de energia;
4. Reaproveitamento dos recursos naturais pela reciclagem e redução do
conteúdo energético dos produtos e serviços;
5. Rediscussão das relações centro-periferia em setores como transporte e
indústria;
6. Mudança dos padrões de consumo em favor de produtos e serviços que
requerem menor uso de energia.
1.5 – Qualidade de Energia
O uso acelerado da energia elétrica, contraposto à escassez dos recursos
naturais utilizados para sua produção têm determinado a realização de estudos
visando diminuir o desperdício, assim como o desenvolvimento de equipamentos
capazes de proporcionar um rendimento cada vez maior.
Nos sistemas elétricos, cada vez mais são instaladas cargas elétricas não
lineares, registra-se a ocorrência de distúrbios originários de ocorrências externas,
como as descargas atmosféricas, e internas, como defeitos nas cargas ou 12
equipamentos do sistema elétrico, e, pequenas, mas incômodas, perturbações,
como é o caso do “flicker”. Além disso, baixos fatores de potência e desequilíbrios
podem se somar para comprometer a qualidade da energia elétrica.
Quando se trata do desenvolvimento de equipamentos de rendimento
superior, quase invariavelmente isto implica no crescimento de equipamentos com
chaveamento a estado sólido, cuja operação não-linear contribui para ampliar a
injeção de harmônicos na rede elétrica e de correntes reativas. Deve-se procurar
minimizar ambos, tanto para a melhoria da qualidade da energia como para evitar
desperdícios.
O crescimento acelerado e descoordenado da instalação de equipamentos
didáticos e de pesquisa em todos os espaços da universidade têm contribuído para
a redução da qualidade e da confiabilidade de suas instalações. Some-se a isto o
fato de que, na UFRN, concentra-se uma grande quantidade de equipamentos os
mais modernos, geralmente extremamente sensíveis à qualidade da energia que os
alimenta, como, por exemplo, à forma de onda da tensão.
No Campus Universitário da UFRN, onde ocorre a maior concentração de
suas cargas elétricas, foi instalado um sistema de sensoreamento e medição da
energia consumida, que proporciona a possibilidade de monitoração do consumo,
qualidade e perturbações. Com isto, temos uma importante “ferramenta” que está
sendo utilizada como laboratório para testes sobre a qualidade da energia elétrica
no Campus Universitário, cujos resultados propiciarão o estabelecimento de
alternativas para a melhoria da qualidade e minimização do consumo para a própria
UFRN, assim como, gerarão conhecimentos e experiências que repercutirão numa
maior capacitação dos seus professores, técnicos e estudantes para contribuir na
resolução de problemas ocorridos fora do âmbito da instituição.
Com a análise dos resultados e com as alternativas de soluções para os
problemas da qualidade de energia detectados, estar-se, ao mesmo tempo,
contribuindo para a conservação de energia elétrica.
13
1.6 - Estruturação do Trabalho
O capítulo 2 apresenta o Sistema CCK Gerenciamento de Energia Elétrica e
Utilidades, nele, serão descritos os objetivos do mesmo e serão relacionados os
equipamentos instalados na UFRN.
O capítulo 3 descreverá alguns dos problemas mais comuns encontrados no
campus central da UFRN.
O capítulo 4 mostra as unidades que apresentaram alguma característica (no
mês de junho de 2003) que as indicam como possivelmente problemáticas em um
e/ou outro aspecto. Mostrará o consumo de energia de 40 unidades da UFRN no
mês de junho, e serão apresentadas soluções para os problemas encontrados.
O capítulo 5 detalha a qualidade da energia do DCA (Departamento de
Engenharia de Computação e Automação) durante o mesmo período tratado no
capítulo 4.
No capítulo 6 são apresentadas as conclusões deste trabalho e as
perspectivas de trabalhos futuros.
14
2 - Sistema CCK Gerenciamento de Energia Elétrica e Utilidades
Visando atender as necessidades acadêmicas e administrativas da
instituição, a UFRN adquiriu e implantou ao longo da rede elétrica do seu Campus
Universitário Central, o sistema de monitoramento remoto CCK. Ao mesmo tempo
em que permite monitorar o consumo e a qualidade da energia do campus visando
a tomada de decisões administrativas. O sistema pode ser acessado a partir de um
computador do DCA (Departamento de Engenharia de Computação e Automação),
constituindo-se num excelente laboratório para estudos acadêmicos.
O Sistema CCK permite não só o gerenciamento da utilização de energia
elétrica e utilidades, como também a análise da qualidade do fornecimento,
possibilitando que os responsáveis técnicos disponham de informações de alta
confiabilidade, tanto por processo em tempo real, quanto através de relatórios
analíticos objetivos, a fim de facultar o domínio da “performance” das instalações.
O recurso de elaboração de todos os relatórios e gráficos descritos
anteriormente podem permitir a tomada de providências imediatas visando a
eliminação de perdas motivadas por:
- Inexatidão nas contas de energia(s) e utilidades;
- Demandas contratadas fora dos níveis de operação normal;
- Descontrole nos programas de economia de energia e utilidades;
- Mau aproveitamento das demandas contratadas;
- Cultura do desperdício;
- Descontrole nas medições dos insumos energéticos;
- Verificação da qualidade do nível de energia fornecida quanto a interrupções,
nível de tensão, etc.
2.1 - Objetivos do Sistema a) Monitoração on line de valores médios trifásicos globais e setoriais de demanda e
de fator de potência, assim como de consumos ativos e reativos, todos
perfeitamente sincronizados com a medição da concessionária;
b) Medição e monitoração on line dos valores por fase, medidos nas saídas de baixa
tensão de 11 (onze) transformadores e das 13 (treze) subestações do Campus;
15
Os Valores por fase a serem medidos e monitorados on line devem ser:
- tensão;
- corrente;
- energia ativa;
- energia reativa;
- energia aparente;
- fator de potência;
- demanda ativa;
- demanda reativa;
- demanda aparente;
- harmônicas;
- taxas de distorção harmônica;
c) Possibilidade de futuro controle automatizado de demanda e fator de potência
com a atuação sobre cargas não essenciais e bancos de capacitores,
respectivamente;
d) Armazenamento dos dados totalizados por ponto de medição e dos dados da
concessionária por período mínimo de 5 minutos;
e) Apropriação dos custos setoriais e globais de energia elétrica nos pontos
medidos (Baixa tensão dos trafos e subestações), com tarifação de consumo e de
demanda horo-sazonais;
f) Critérios para alarmes em caso de falha de comunicação no sistema de
gerenciamento de energia;
g) Modificações on line de parâmetros de operação do sistema;
h) Emissão de alarmes;
i) Análise da qualidade da energia;
j) Permitir a emissão e a impressão de gráficos e de relatórios;
k) Permitir simulações de eventos;
l) Permitir relatórios em Excel ou DBF ou TXT, etc;
m) Software em ambiente Windows;
n) Dispor de interface DDE para outros aplicativos Windows;
o) Registro de dados históricos.
16
2.2 - O Sistema CCK na UFRN/Natal
O objetivo central da instalação do Sistema CCK na UFRN é o
monitoramento do consumo e qualidade de energia elétrica em todo o campus
universitário central da UFRN, análise dos resultados para detectar os casos que
exigem correções, e, propor alternativas que possam vir a solucionar os problemas.
Os 54 pontos de medição, divididos em quatro áreas, instalados na UFRN estão no
anexo I deste trabalho.
Os equipamentos instalados no campus universitário central da UFRN foram:
1 CCK 6000 – Gerenciador de energia;
53 CCK 4500 – Medidor de energia;
3 CCK 700 – Comunicação;
SW CCK PC 6000 – Programa de monitoração em tempo real.
2.2.1 - CCK 6000
Dotado de software residente, pode operar automaticamente,
independentemente de supervisão on line dos microcomputadores de interface. As
funções vitais do módulo são mantidas por até 504 horas por um supercapacitor,
sem problemas de vazamentos e de troca de baterias.
Figura 2.1: CCK 6000
17
Esta unidade executa a função de MESTRE do Sistema CCK, que consiste em:
- Coletar e armazenar os dados provenientes das medições da concessionária
de energia elétrica. Os dados coletados são armazenados em intervalos de
tempo sincronizados com estas medições;
- Manter sincronizadas as demais unidades do sistema com a medição da
concessionária;
- Coletar e armazenar dados de medição setorial de energia através de leitura
de transdutores de energia com saída serial RS 485, usando protocolo
MODBUS RTU;
A unidade CCK 6000 dispõe de 32 campos de memória de massa, os quais são
associados aos instrumentos de medição conectados ao CCK 6000. Nestes campos
são armazenados, por 35 dias contínuos, com médias de 5 minutos, em um total de
10.080 intervalos por campo de memória. Na chegada do 36º dia, o primeiro dia é
apagado, sendo sempre mantido na memória da unidade os últimos 35 dias.
Esta unidade apresenta ainda um sistema de alarme para diversos tipos de evento
tais como:
- Tendência de ultrapassagem de demanda;
- Queda acentuada na demanda;
- Fator de potência muito indutivo;
- Fator de potência muito capacitivo;
- Falta de pulso de energia ativa;
- Falta de comunicação serial com o medidor da concessionária;
- Falta de pulso de sincronismo;
- Diferença de sincronismo nos medidores da concessionária;
- Falta do sinal de ponta/f.ponta;
De acordo com a ANEEL, PONTA é um período de 3 h seguidas,
compreendido entre 17:00h e 22:00h dos dias úteis (não engloba SÁBADO e
DOMINGO, mas engloba feriados), onde a energia tem um preço maior que o
restante do dia, que por sua vez, é denominado período FORA DE PONTA. O
horário de ponta da COSERN, concessionária supridora da UFRN, ocorre entre as
17:30h e 20:30h.
18
Também de acordo com a ANEEL, RESERVADO é um período
compreendido entre 0:00h e 6:00h do dia, onde estarão sendo observados o Fator
de Potência do consumidor quanto a valores capacitivos e, durante o restante do
dia, quanto a valores indutivos.
Características técnicas:
- 5 portas de comunicação serial que podem ser utilizadas na comunicação
com medidores de energia da concessionária com saída serial para o
consumidor, com instrumentos de medição com protocolo de comunicação
MODBUS RTU.
- 15 entradas de pulsos;
- Buzina para alarmes já incorporada à unidade;
- Relógio calendário também com retenção de bateria para o caso de falha de
energia;
- Teclado de 6 teclas e display de cristal líquido com 2 linhas, 16 caracteres,
que permite alterações nas configurações no próprio equipamento;
- Alimentação 110/220 VAC automática.
2.2.2 - CCK 4500
A unidade CCK 4500 é um instrumento de medição para montagem em fundo
de painel que dispõe de funções implementadas através da utilização de um
microprocessador.
Já com memória de massa incorporada, a unidade CCK 4500 é um
multimedidor com características de analisador que substitui diversos equipamentos
de medição (V, A, W, VAr, PF, f, etc.), capaz de medir e calcular todos os
parâmetros elétricos de um sistema trifásico com 3 ou 4 fios, fornecendo parâmetros
processados como Wh, VArh, potências médias e distorção harmônica total (D).
19
Figura 2.2: CCK 4500
Finalidade: medição setorial, controle automatizado de fator de potência e de
demanda e apropriação de custos de energia elétrica, em perfeito sincronismo com
a medição da concessionária.
Os módulos permitem também o gerenciamento da qualidade da energia
recebida da concessionária, das quedas de tensão internas, dos
desbalanceamentos entre fases, etc.
O CCK 4500 executa a medição das seguintes grandezas:
Grandeza FASE 1 FASE 2 FASE 3 3 φ Volt • • • • Ampére • • • • VA • • • • Watt (Demanda) • • • • Watt hora Total, Ponta e F.Ponta • Watt hora Reservado • Var • • • • VAr hora Total, Indutivo, Capacitivo e Reservado • VAr requerida para correção do Fator de Potência • Fator de Potência • • • D – Ampére • • • D – Volt • • • V Máx com data e hora de ocorrência • • • V Min com data e hora de ocorrência • • • I Máx com data e hora de ocorrência • • • Frequência • Data e Hora • Posto horário (Ponta, F.ponta e reservado) •
Tabela 2.1: Tabela Sumária de Medições [12]
20
Valores trifásicos medidos : - energia ativa;
- energia reativa;
Valores por fase medidos e monitorados on line : - tensão;
- corrente;
- energia ativa;
- energia reativa;
- energia aparente;
- fator de potência;
- demanda ativa;
- demanda reativa;
- demanda aparente;
- harmônicos;
- taxas de distorção harmônica;
A unidade CCK 4500 dispõe de memória de massa de 35 dias contínuos,
separados em intervalos de 5 minutos para energia ativa, reativa e tensão média
das fases. Na chegada do 36º dia, os valores do primeiro dia são apagados e ficam
na memória os dos últimos 35 dias.
Estes dados, quando transferidos para o microcomputador através da
comunicação serial pelo programa Sistema CCK, podem também ser
disponibilizados em arquivos compatíveis com EXCEL, LOTUS, etc..
Além da memória de massa para dados de medição, a unidade CCK 4500
dispõe de uma memória de análise, onde todas as grandezas elétricas são
armazenadas por fase, possibilitando a obtenção, no programa SW CCK ANÁLISE,
de relatórios de análise da qualidade de energia.
As tabelas a seguir apresentam as grandezas armazenadas e o tempo de
duração da memória de análise de acordo com o intervalo de integração
programado:
21
GRANDEZA UNIDADE DESCRIÇÃO V1, V2, V3 Volt Tensão das fases 1, 2 e 3
I1, I2, I3 Ampére Corrente das fases 1, 2 e 3 W1, W2, W3 W Potência ativa das fases 1, 2 e 3
VAr1, VaR2, VAr3 VAr Potência reativa das fases 1, 2 e 3 F Hz Frequência
D-V1, D-V2, D-V3 % Distorção harmônica de Tensão das fases 1, 2 e 3
D-I1, D-I2, D-I3 % Distorção harmônica de Corrente das fases 1, 2 e 3
Tabela 3.3: Limites de Distorção Harmônica de Corrente, [14]. *todo o equipamento da geração de energia é limitado a estes valores de distorção.
38
Onde: Isc = corrente máxima de curto-circuito no PAC. IL = corrente máxima da carga de demanda (componente da freqüência fundamental) no PAC. D = distorção total da demanda (RSS), distorção harmônica de corrente em % da corrente máxima da carga da demanda(15 ou 30 minutos de demanda). Estes limites não foram aplicados neste trabalho por não se ter informações
de compatibilidade do diagrama de medições do sistema CCK com o diagrama
elétrico da UFRN assim como dos níveis de curto-circuito em todos os barramentos
onde há medição.
Apesar disto no capítulo 4 é citado um exemplo explícito do caso de distorção
harmônica de corrente do Centro de Tecnologia e no capítulo 5 do DCA.
39
4 – Análise Preliminar da Qualidade e Consumo de Energia das Unidades da UFRN (que Possuem o Sistema CCK Instalado) Aqui serão apresentas algumas características problemáticas detectadas em
algumas unidades da UFRN. Serão descritos os problemas encontrados e onde
foram detectados. Ilustrações serão feitas com imagens obtidas do programa SW
CCK PC 6000 descrito no capítulo 2. Também será mostrado um quadro de
consumo de energia de 40 unidades da UFRN.
4.1 – Desequilíbrio nas Tensões por Fase Algumas unidades apresentaram desequilíbrio de tensão por fase, o que causa o problema de desequilíbrio descrito no capítulo 3. Dentre as unidades que apresentaram este tipo de problema estão:
- CCET; - CCHLA; - DIMAP; - Laboratório de Física.
A seguir temos o exemplo de desequilíbrio de tensão por fase do DIMAP:
Figura 4.1: Diferença de Tensão por Fase do DIMAP
A figura 4.1 apresenta as tensões do DIMAP no período de 20/06/2003 até
27/06/2003 a cada 15 minutos. Esta unidade foi a que apresentou o pior caso neste
aspecto. Observe-se que as tensões desta unidade estão sempre em desequilíbrio. 40
Para encontrar as componentes de seqüência negativa (V2) e positiva (V1) de
tensão, descritas no capítulo 3, foi utilizada a transformação de Fortescue:
V1 1 α α2 Va
V2 1 α2 α Vb
V0
= 1/3
1 1 1
Vc
Onde α = -1/2 + j(3)-1/2/2 e α2 = -1/2 - j(3)-1/2/2.
No exemplo da figura 4.1 temos que as tensões Va, Vb e Vc são:
Va = 117,09;
Vb = 127,48*(cos(-120º) + j*sen(-120º));
Vc = 133,3*(cos(120º) + j*sen(120º)).
Fazendo-se os cálculos com a fórmula acima encontramos os valores em
módulo de: V1 = 125,956; V2 = 4,741 e V0 = 4,741.
Observe-se que V2/ V1 = 3,76% está maior que o limite máximo determinado
pela norma descrita no capítulo 3 que é de 1,5%.
As tensões deste ponto do DIMAP estão em torno de 120V, por ser o ponto
que alimenta os laboratórios de computadores, que trabalham com este nível de
tensão.
As outras unidades ficaram com diferença de tensão em dias/horários
variados, não sendo uma constante como no caso do DIMAP.
No Laboratório de Física foi encontrado, no mês de abril, um grave
desequilíbrio de tensão. Os dados verificados foram encaminhados à
Superintendência de Infraestrutura e o problema foi solucionado.
4.2 – Desequilíbrios de Correntes por Fase
41
Algumas unidades apresentaram desequilíbrios de correntes por fase, que
causam problemas de desequilíbrio descritos no capítulo 3. As unidades que
apresentaram este tipo de problema foram:
- Anfiteatro do CCET;
- CCET;
- CCHLA;
- DCA;
- DIMAP;
- Laboratório de Física;
Abaixo temos um exemplo de desequilíbrio de corrente por fase do Anfiteatro e
CCET:
Figura 4.2: Desequilíbrio de Corrente por Fase do Anfiteatro do CCET
Figura 4.3: Desequilíbrio de Corrente por Fase do CCET
42
A figura 4.2 apresenta as correntes do Anfiteatro do CCET no período de
14/05/2003 até 13/06/2003 a cada 15 minutos. Esta unidade apresentou o pior caso
neste aspecto, as correntes desta unidade estão sempre em desequilíbrio. No dia
01/06/2003 às 22:00h as correntes eram as seguintes: Ia= 46,14A ; Ib = 22,42A e Ic =
16,22A. Obtendo-se a média de 28,26A. Os valores das três fases deveriam estar
entre 25,44A e 31,08A (10% para mais ou para menos da média). O que não ocorre
com nenhuma das fases.
As outras unidades apresentaram desequilíbrio de corrente em horários/dias
variados, como é o caso do CCET representado na figura 4.3, não sendo uma
constante como no caso do Anfiteatro do CCET.
As unidades aqui descritas estão com limite superior a 10% de desequilíbrio de
corrente descrito no item “Limite de Desequilíbrio de Corrente” do capítulo anterior.
Foi detectado, no mês de abril, no Laboratório de Geologia, um grave
desequilíbrio de corrente. No mês do estudo (junho), perdeu-se o contato com este
ponto de medição e não foi possível confirmar se o problema estava mantido ou
corrigido.
4.3 – Distorção Harmônica de Tensão Apenas duas unidades apresentaram problema com distorção harmônica de
tensão:
- Administração – outros;
- DIMAP;
A figura 4.4 fornece o gráfico de distorção harmônica de tensão do DIMAP no
período de 20/06/2003 à 27/06/2003 a cada 15 minutos.
43
Figura 4.4: Distorção Harmônica de Tensão do DIMAP
Observa-se que a distorção harmônica de tensão do DIMAP está sempre acima
das normas descritas no capítulo 3. A norma determina que a distorção harmônica
de tensão total fique abaixo de 3%.
4.4 – Distorção Harmônica de Corrente Conforme descrito no capítulo 3 não foi feito um estudo mais detalhado das
unidades com relação a distorção harmônica de corrente por não se ter informações
de compatibilidade do diagrama de medições do sistema CCK com o diagrama
elétrico da UFRN nem dos níveis de curto-circuito em todos os barramentos onde há
medição.
Mas, na figura 4.5 temos um caso explícito de distorção harmônica de
corrente registrado no Centro de Tecnologia no dia 24/07/2003 às 10:00h.
44
Figura 4.5: Distorção Harmônica de corrente do CT Apesar de que o sistema CCK instalado não fornece os valores de amplitudes
individuais de cada componente harmônico, apenas por este gráfico de espectro de
corrente, percebe-se que a terceira harmônica está com uma distorção próxima a
10%, o que representa um valor alto em relação as normas técnicas.
O Laboratório de Geologia apresentou na sua terceira harmônica uma
distorção harmônica de corrente próxima aos 10%. O caso do DCA será descrito no
capítulo 5.
4.5 – Fator de Potência
As unidades que apresentaram problema com o fator de potência foram:
Theory of Instantaneous Reactive Power and its Application, IEE-Japan, vol. 103, no
04, July, 1983.
[7] Hirofumi Akagi, Yoshhira Kanasawa e Akira Nabae, Instantaneous Reactive
Compensators Comprising Switching Devices Without Energy Storage Components,
IEEE trans. On Ind. Applic., IA-20, no 03, may-june, 1984.
[8] Dugan, R.C., McGranaghan, M.F. eBeaty, H.W., “Electrical Power Systems
Quality”, Editora McGraw-Hill, Tókyo, 1996.
57
[9] Aldabó, R., “Qualidade na Energia Elétrica”, Editora Artliber, São Paulo, SP,
2001.
[10] GCOI/SCEL/GTEE – “Critérios e Metodologias para o Atendimento a
Consumidores com Cargas Especiais” – Rel. SCEL/GTEE 03/1984 – 07/1984.
[11] Chaves, C.V. e Alves, M.F. – “Cargas Distorcidas e Desequilibradas em Sistemas Elétricos de Potência” – SNPTEE – 10/1987. [12] Manual do sistema CCK – CCK Automação LTDA. [13] Almanaque Abril 2001 [14] IEE Recommended Practices and Requirements for Harmonics Control in Electrical Power Systems – Std 519-1992. Sites Visitados:
[15] http://www.guiafloripa.com.br/energia/energia/cenario_brasil.php – Visitado no
dia 02/07/2003.
[16] http://www.mct.org.br/cerg - Ministério da Ciência e Tecnologia – Visitado no dia
02/07/2003;
[17] http://www.emc.ufsc.br - Conservação de energia: conceitos e sociedade –
Visitado no dia 04/072003;
[18] http://www.ambiente.sp.gov.br - A Ciência para o Desenvolvimento Sustentável,
Governo de São Paulo - Visitado no dia 08/07/2003.