Monitorização da qualidade da energia (para lá da EN 50160 e da IEC 61000-4-30)

I› INTRODUÇÃO

Os principais objectivos para a monitorização da Qualidade de Energia são os seguintes:

— Estatísticas da Qualidade de Energia

Medir as condições da qualidade de energia, em geral, sobretudo para analisar o desem¬penho total da qualidade de energia de um sistema eléctrico. Em muitos casos, este é monitorizado para avaliar a qualidade de uma rede de distribuição.

— Contratos com Cláusulas de Qualidade da Energia

Os clientes, sensíveis a problemas de qualidade de energia, podem ter um contrato de energia eléctrica específico, que defina o nível mínimo aceitável de qualidade de energia, a ser fornecido pelo serviço.

Análise dos eventos relacionados com a qualidade de energia, normalmente próximos de uma carga ou consumidor problemáticos. A análise pode ser realizada devido à detecção de uma falha na qualidade da energia eléctrica, mas é preferível que seja realizada através do acompanhamento de uma monitorização contínua, que pode levar à detecção de potenciais problemas. É relativamente óbvio que a detecção de defeitos ou falhas relacionados com a qualidade de energia é o primeiro passo, na esperança de ser seguido por algum tipo de acção correctiva. Essa acção correctiva deve definir algo, que pode ou deve ser feito na rede para melhorar a situação e evitar uma nova ocorrência do defeito. No entanto, as estatísticas sobre a qualidade da energia e os contratos podem, também, ser seguidos por uma acção correctiva, caso não seja alcançado o nível mínimo de qualidade de energia.

Uma vez que é óbvio que nunca há demasiada informação que possa ser utilizada na detecção de defeitos, muitos estudos realizados sobre este tópico discutem que tipo de informação suplementar deverá ser adicionada às orientações existentes para as estatísticas e para os contratos de qualidade da energia eléctrica.

II› NORMAS EXISTENTES E TENDÊNCIAS

As duas normas relacionadas com a Qualidade da Energia, mais usadas actualmente, são a IEC 61000-4-30 [1] e EN 50160 [2]. A IEC 61000-4 fornece métodos de medição, descreve fórmulas de medição, estabelece níveis de precisão e define períodos de agregação. A principal vantagem desta norma é o fornecimento de requisitos gerais para os instrumentos de medição, de forma a garantir que os analisadores dos diferentes fabricantes obtenham os mesmos resultados. A EN 50160 fornece os níveis recomendados para os diferentes parâmetros da qualidade de energia, incluindo uma percentagem de tempo durante o qual os níveis devem ser mantidos (por exemplo, limitando a tremulação de tensão a 95% do tempo por semana).

Vários estudos têm discutido as limitações destas normas, tais como “Regulation of Power Quality” (da KEMA e “Leonardo Energy”) [3] ou “Towards Voltage Quality Regulation in Europe” (da ERGEG - European Regulators’ Group for Electricity and Gás) [4].

As principais preocupações relacionadas com as normas existentes são:

• Tempos de agregação, que escondem algumas questões de qualidade de energia;
• Limitação dos valores, a apenas uma parte do tempo;
• Limitação da globalidade das variáveis da qualidade de energia à qualidade de tensão;
• Identificação da contribuição de cada lado (fonte e utilizador), para a qualidade da energia.

Para combater estas limitações, diversos países estão a alterar a IEC e outras normas, de forma a tornar mais rigorosas as normas sobre a Qualidade de Energia e melhorar a qualidade de energia da rede. Por exemplo, o NVE (Norwegian Resources and Energy Directorate) começou a aplicar normas de Qualidade de Energia mais rígidas, na Noruega [5]. A norma NVE reduz o tempo médio de medida de 10 para 1 minuto e força os níveis máximos de conformidade, exigindo 100% (comparativamente com os 95% da EN 50160). Outras agências reguladoras, tal como as existentes na Hungria, forçaram o tempo médio de medida a cada 3 segundos. O ERGEG determina (pág. 13): “Usando medições em períodos de 10 minutos pode dar uma protecção satisfatória no caso dos fenómenos térmicos, mas não é suficiente para proteger contra danos ou falhas nos equipamentos.” Apesar destas alterações serem passos importantes, para ajudar na análise dos dados estatísticos e melhorar os requisitos de informação, elas continuam a não exigir equipamentos de medida que forneçam uma imagem completa, necessária para entender e resolver completamente os fenómenos de qualidade de energia e de defeitos.

III› NOVOS CONCEITOS DE ANÁLISE

A. Introdução

As normas reflectem as capacidades tecnológicas existentes. Pelo seu lado, elas não especificam requisitos inalcançáveis, mas tentam impulsionar um rápido desenvolvimento de novas tecnologias, que conduzirão a e necessitarão, de melhoramentos. A única forma de alcançar uma total compreensão dos fenómenos de qualidade de energia e de defeitos, juntamente com o seu impacto na rede eléctrica, é um registo completo de todos os parâmetros de energia e de potência, numa base contínua, sem depender de triggers ou de eventos baseados em protocolos de registos. Já foi desenvolvida uma tecnologia, que comprime os dados originais, tanto a forma da onda da tensão, como a de corrente. Esta tecnologia comprime esses dados, tipicamente, numa taxa de 1000:1, reduzindo o espaço de disco necessário, tanto no analisador como no computador, e facilita os requisitos de comunicação. Isto permite uma gravação contínua de toda a informação relativa à energia e à qualidade de energia, sem especificar os limiares ou seleccionar os parâmetros que devem ser medidos. Dado que a tecnologia de compressão memoriza as formas de onda, todos os parâmetros de energia e de qualidade de energia são calculados em processamento posterior. Este conceito é explicado originalmente na IEC 61000-4-30 (pág. 78): “As amostras não agregadas de dados originais são as mais úteis para a detecção de defeitos, uma vez que permitem qualquer tipo de processamento posterior que seja desejado.”

Os exemplos seguintes foram retirados de variados locais espalhados pelo mundo, e que utilizam a tecnologia de compressão referida anteriormente. Cada exemplo representa um determinado benefício, por utilizar essa tecnologia de registo contínuo.

B. Conformidade com a EN 50160

A Figura 1 mostra a conformidade com a norma EN 50160, na principal instalação de um consumidor industrial. O fornecimento de energia é feito a 22 kV, alimentada através de dois transformadores, que servem um grande número de motores neste local. O cliente queixou-se da má qualidade da energia fornecida pelos serviços locais que lhe causou significativos danos monetários nos seus equipamentos. Como é mostrado, a energia fornecida pelos serviços públicos está de acordo com a norma EN 50160, sem interrupções, variações, desequilíbrios, etc. O único parâmetro que não é conforme a 100%, são as cavas de tensão, apenas estando conforme em 98,1% do tempo, o que é mais do que os 95% impostos. Embora a energia se mantenha “em conformidade”, os medidores e registadores, que apenas registam e gravam os parâmetros mínimos das norma(s), não são capazes de fornecer a informação necessária para resolver definitivamente os fenómenos de falhas relacionados com a qualidade da energia. O equipamento eléctrico da instalação industrial e a sua rede de distribuição eléctrica continuam a sofrer interrupções e falhas na produção e na distribuição, mesmo quando estão em plena conformidade com as normas. A solução passa por fornecer toda a informação aos técnicos de Qualidade da Energia, que lhes permita ver as falhas e perturbações que estão, aparentemente, fora do enquadramento actual e que, no entanto, causam falhas e custos significativos aos envolvidos. Além disso as medições feitas para verificação da conformidade com as normas não tornam claro quem é o responsável pelas cavas. A total conformidade com a EN 50160 não foi suficiente para fornecer qualquer indicação relativamente às anomalias da energia, dentro da instalação. Enquanto tiver interrupções de produção inexplicáveis e falhas no equipamento, o cliente não encontra qualquer orientação na informação proveniente da aplicação das normas.

Figura 1. Conformidade com a EN 50160, na principal instalação de um cliente industrial.

C. Todos os parâmetros

Um dos problemas da EN 50160 é que apenas necessita de medidas de tensão. A IEC 61000-4-30 recomenda que também se meça a corrente (“ter um indicador adicional de corrente aumenta drasticamente o alcance e a precisão das afirmações que podem ser feitas, acerca de um evento de qualidade de energia”, pág. 81). Quando se faz o registo contínuo de todos os dados originais de formas de onda, todos os parâmetros de energia e de qualidade de energia são calculados num processamento posterior. Ao fazer isto todos os parâmetros podem ser examinados, de forma a entender os eventos. Nas ligações em triângulo, as medições são tipicamente limitadas somente às tensões fase-a-fase, tal como exigido pela EN 50160 e outras. No entanto, isto esconde alguns fenómenos. O evento mostrado na Figura 2 evidencia um curto-circuito entre a fase a azul (no gráfico) e a terra. No recorte de Tensão fase-a-fase (parte superior do gráfico) verifica-se apenas ligeiramente mas muito menos do que o exigido para ser registado, como um evento (o limiar de 10% da norma). O resultado é que um evento potencialmente danoso, nem sequer seria registado, e muito menos analisado. As avarias causadas por este tipo de evento, podem afectar qualquer equipamento eléctrico ligado a esta rede, visto que irá sofrer uma sobretensão fase-terra (numa rede em triângulo, o canal de entrada do neutro do analisador deve ser ligado à terra de protecção).

Figura 2. Evento Fase-Terra

Outro exemplo da importância de usar uma medição fase-terra nas redes em triângulo, é explicado da Figura 3 até à Figura 6.

Figura 3. Tensão bifásica/ Fase-Fase.

A Figura 3 mostra um evento bifásico (fase-a-fase). Esta é uma boa informação para se ter, no entanto, a essência central da análise da qualidade da energia é a identificação da(s) fonte(s) dos defeitos. A Figura 4 mostra um zoom out (janela de tempo mais alargada) deste evento, durante 1 segundo (mostrando mais informação baseada no tempo do que muitos analisadores conseguem guardar em todos os registos dos eventos, mesmo com um aumento de memória). Isto demonstra que existia algo de errado, tanto antes, como depois do evento.

Figura 4. O zoom out da Tensão Fase-Fase mostra dois eventos colaterais.

A Figura 5 acrescenta as Tensões fase-neutro e revela a origem. Tudo começou com um curto-circuito na fase a vermelho no gráfico, que criou uma elevação da diferença de potencial entre cada uma das outras duas fases e a terra, o que resultou na ruptura da fase a azul no gráfico. O resultado é mostrado na Figura 3, como a queda em L3-L1, mas a origem do problema é um defeito entre a fase L1 e a terra, provavelmente causada por um isolador defeituoso ou agente desconhecido. Adicionando informação relativa à corrente (Figura 6) explica-se o evento após o curto-circuito – uma queda de tensão resultante da ligação simultânea de muitas cargas, que foram desligadas durante o evento principal.

Figura 5. Tensão Fase-Fase e tensão Fase-Neutro.

Figura 6. Adicionando Correntes.

O exemplo seguinte mostra o benefício suplementar, resultante da adição de informação relativa às tensões fase-terra, nas rede em triângulo. Os parâmetros adicionais, que ajudam a esta análise, são os harmónicos (por exemplo, quedas de tensão que são causadas por ressonância) ou a frequência.

D. Registo em contínuo

A prática comum a qualquer análise da qualidade de energia é a utilização de registos baseados em eventos. A IEC 61000-4-30 especifica mesmo que, tipicamente, 1/4 do gráfico do registo do evento deve corresponder a informação do que se passou antes do trigger. A Figura 7 mostra uma cava de tensão, registada numa ampla área industrial. Tendo como base o conceito de registo de eventos são mostrados 16 ciclos (um período habitual de registo). Adicionalmente ao registo normal de tensão, também mostra as correntes que ocorrem durante o evento. Visto que há um aumento de corrente durante a queda de tensão, a regra de ouro da análise dirá que este evento é causado pelo utilizador a jusante. Ao utilizar a tecnologia de compressão de dados é possível armazenar continuamente toda a informação eléctrica. A Figura 8 mostra uma visão mais alargada do mesmo evento (aproximadamente 7 segundos – mais de 300 ciclos contínuos). Adicionalmente também mostra a frequência durante o evento.

Figura 7. Evento cava de Tensão – 16 ciclos.

Figura 8. Evento cava de Tensão – Zoom Out.

A frequência é o resultado do equilíbrio entre a produção e o consumo. Este é um dos parâmetros mais importantes para controlar a produção de energia. Quando a produção é maior do que o consumo, a frequência aumenta e diminui quando a produção é menor do que o consumo. Como é mostrado no gráfico, um segundo após a ocorrência do evento a frequência começou a aumentar, indicando que a produção era superior ao consumo. Existem duas justificações possíveis para isto: (1) existiu um problema na produção que originou um aumento na produção de energia, ou (2) o consumo foi significativamente reduzido, quase instantaneamente, criando uma sobre-produção. O que aparentemente aconteceu é que a cava de tensão ocorreu numa ampla área geográfica, provocando a paragem de muitas cargas e, consequentemente, uma quebra no consumo. Ao contrário da conclusão anterior, isto prova que a origem da cava surgiu numa ampla área geográfica. Esta conclusão identifica que a responsabilidade do evento é da empresa de fornecimento de energia.

O que seria visto se olhássemos para este evento com uma maior escala de informação? A Figura 9 mostra um quarto de hora de dados. A alteração na frequência pode ser vista claramente, tal como outros picos na corrente que ocorreram antes da cava. Pode ser assumido que, talvez os picos de corrente tenham causado o problema, seguido por um colapso regional, na rede eléctrica. A Figura 10 apresenta, aproximadamente, uma hora e um quarto de registo contínuo de dados (os valores eficazes mostrados foram calculados a partir dos dados armazenados a 512 amostras por ciclo, num total de mais de 100 milhões de amostras utilizadas para a análise de um único evento). Os picos de corrente aparecem antes, durante e após o evento e são típicas deste local. Foi apenas uma coincidência que um pico de corrente tenha ocorrido ao mesmo tempo, do que a cava de tensão. Além disso, a queda na tensão provocou que o pico de corrente fosse mais pequeno do que os outros.

Figura 9. Evento cava de Tensão – Segundo Zoom Out

Figura 10. Evento cava de Tensão – Terceiro Zoom Out

A Figura 11 mostra os dados da tensão, da corrente e da frequência, sincronizados no tempo, em duas outras localizações, distanciadas de 106 km entre si e distanciadas de 62 km/ 54 km do local original. Os gráficos de tensão e de frequência e as distâncias em causa explicam que o evento foi, realmente, de larga escala.

A natureza das regras de ouro é que elas sejam correctas a maior parte das vezes, mas não na totalidade dos casos. Um dos problemas problemas da análise é a certeza da conclusão. Se não houver a certeza absoluta relativamente às conclusões, pode não ser suficiente para se conseguir reclamar indemnizações ou investir em medidas preventivas.

Figura 11. O mesmo evento - Outras Localizações.

E. Monitorização Rápida de Parâmetros

De forma a superar as limitações da capacidade de armazenamento e de processamento dos dados, as normas recomendam períodos médios para diferentes parâmetros. Enquanto que calcular uma média requer menos recursos para o fabricante do analisador e menos espaço de memória no computador central, isso esconde uma grande quantidade de informação vital de qualidade da energia. As vantagens em obter dados mais estáveis e com resultados semelhantes em diferentes analisadores tornaram-se mais importantes do que a capacidade de entender a rede e a propagação dos eventos. Um exemplo das vantagens de uma medição mais rápida é mostrado na Figura 12. Este exemplo foi retirado de um trabalho da SINTEF Energy Research, da Noruega, que discute as vantagens de uma rápida monitorização dos parâmetros. Neste exemplo, usando médias de 10 minutos, a tensão é inferior a 207 V (nominal 230 V menos 10%) em cerca de 3,5% do tempo, enquanto que utilizando a média feita em intervalos de um minuto, verifica-se que a tensão é inferior a 207 V em cerca de 28% do tempo.

Figura 12. Média de um minuto vs. dez minutos

O exemplo anterior caracteriza graficamente as grandes diferenças de resultados, usando diferentes períodos médios. No entanto, de forma a se compreender completamente a causa deste problema e encontrar uma solução é essencial a monitorização ciclo-a-ciclo da tensão eficaz. A nova tecnologia de compressão de dados permite o armazenamento de cada ciclo para todos os parâmetros – desde as tensões e correntes até às potências e harmónicos. O exemplo da Figura 13 foi tirado de uma fábrica de soldadura na Alemanha. Ela mostra os diferentes resultados quando há uma monitorização de valores eficazes ciclo-a-ciclo, relativamente à técnica de valores médios, proposto pela IEC 61000-4-30. Quando se monitoriza ciclo-a-ciclo existem cinco cavas de tensão diferentes, ao passo que quando usamos os resultados médios de dez ciclos, existe apenas uma cava longa. Para além disso, quando se calcula de acordo com a janela normalizada de dez ciclos fixos, uma janela deslizante, as variações de valores durante a cava são menores e, mais importante, os valores de pico, quer da tensão, quer da corrente são menores. Os resultados alteraram-se de cinco cavas, de 12 ciclos cada e mais de 20 V de queda de tensão, para uma cava de 60 ciclos, com apenas 13V.

Por um lado, a frequência é considerada um parâmetro com variações lentas e, por outro, é difícil de medir ciclo-a-ciclo. Como resultado a IEC 61000-4-30 impõe a sua medição, com base num período médio de 10 segundos. No entanto, com uma medição da frequência em cada 10 segundos é difícil analisar correctamente o exemplo dado na secção anterior (da Figura 7 até à Figura 11). A Figura 14 mostra a frequência numa medição ciclo-a-ciclo, usando uma janela deslizante com média de 10 segundos e uma janela fixa de 10 segundos, tal como a norma exige. Enquanto as medições ciclo-a-ciclo mostram as variações da frequência de uma forma exacta, a média atenua as variações, reduzindo assim a sua importância.

Figura 13. Medições Ciclo-a-Ciclo.

Figura 14. Afectações da utilização da média na Frequência.

A tremulação da tensão é outro importante parâmetro da qualidade da energia, caracterizado por uma medição lenta. A IEC 61000-4-15 define dois períodos para monitorizar a tremulação – 10 minutos (PST – ST = Curto Prazo) e 2 horas (PLT – LT = Longo Prazo). Na realidade, muitos processos variam du¬rante o período de 10 minutos, o que torna difícil a verificação do nível de tremulação em tempo real e determina com precisão a verdadeira natureza e causa da tremulação.

Uma extensão ao algoritmo, recentemente desenvolvida para a norma de tremulação, permite uma análise dos níveis de tremulação, com uma resolução de dois segundos. Os valores são apresentados na mesma escala que os valores normalizados PST/PLT, o que significa que, se o nível da tremulação for mantido constante, os valores para 2 segundos, 10 minutos e 2 horas são os mesmos. Outros períodos de tempo, como a medição da tremulação a 10 segundos e 1 minuto, podem também ser consideradas para uma avaliação da qualidade da energia mais aprofundada.

F. Elevada Taxa de Amostragem

A natureza de alguns fenómenos de qualidade de energia é muito rápida, o que exige rápidas taxas de amostragem e registo. A IEC 61000-4-30 não especifica qual a taxa de amostragem a usar. Aborda, apenas em termos gerais, a taxa de amostragem (pág.19): “Para assegurar que são produzidos resultados apropriados, um instrumento com desempenho de classe A necessita de ter características de largura de banda suficientes para a incerteza de cada parâmetro.”

Quando a taxa de amostragem não é suficiente, um evento de qualidade de energia pode não ser visível ou ser, erradamente, considerado de outro tipo. A Figura 15 mostra o mesmo evento em 64 (em cima) e 1024 (em baixo) amostras por ciclo. No gráfico superior, o evento seria classificado como uma diminuição/ queda de tensão. No entanto, a 1024 amostras por ciclo fica claro que a diminuição da tensão é induzida por um transitório.

Figura 15. Relações de Amostragem e Taxa de Gravação.

Embora a norma não exija uma taxa mínima de amostragem, muitos analisadores de classe A obtêm as suas medidas a 256 amostras por ciclo ou mais. No entanto, devido a limitações de memória e de capacidade, registam os dados a baixas taxas de amostragem (algumas vezes, tão baixo como 16 amostras por ciclo, apenas). Alguns analisadores também limitam o número de canais, que registam a uma taxa de amostragem elevada, reduzindo dramaticamente a precisão e uma investigação fiável da qualidade de energia.

G. Análise multi-ponto sincronizada no tempo

Os eventos típicos de Qualidade de Energia começam a partir de um único ponto/fonte e propagam-se através da rede para diferentes localizações, afectando de várias formas os diversos elementos de um sistema eléctrico. Alguns eventos são, na realidade, uma combinação de duas ou mais anomalias, que ocorrem durante o mesmo período de tempo. A monitorização num único ponto (geralmente em localizações interligadas), apenas mostra o que sucede nessa localização. Normalmente não é possível determinar a fonte do evento e, o mais importante, a raiz da causa do problema. Torna-se ainda mais difícil quando existe mais do que uma fonte, para aquilo que parece ser apenas um evento. Neste caso qualquer conclusão pode ser anulada, se apenas uma das fontes for isolada e o evento continuar a aparecer.

A Figura 16 mostra os níveis de tensão num cliente industrial, que se queixou de falhas nos equipamentos. Foram observadas pequenas cavas na alimentação principal de energia, simultaneamente com transitórios. Quando foi instalado mais do que um analisador, verificou-se que existiam pelo menos duas fontes para os eventos de cavas de tensão. De acordo com os níveis de tensão (os valores em percentagem permitem a comparação dos diferentes níveis de tensão), o evento da esquerda começou a jusante, no lado direito do MCC, e propagou-se a montante para a alimentação principal e depois para jusante, para o outro transformador.

Figura 16. Cava de tensão de diferentes localizações.

O evento do lado direito do gráfico sucedeu exactamente na direcção oposta. No entanto, ambos pareceram iguais quando monitorizados apenas na alimentação principal. Analisar a propagação de eventos, baseando-se em valores eficazes é uma boa prática. Pode-se realizar uma análise mais avançada da propagação, avaliando-se as diferenças temporais dos valores eficazes ou mesmo a diferença de fase das formas de onda. O requisito da IEC 61000-4-30 é muito moderado, exigindo uma incerteza máxima de tempo de apenas, mais ou menos, um ciclo da frequência da rede (16,7/20ms), o que significa que duas amostras de dois analisadores podem diferir de 40 milésimos de segundo. Como a propagação do transitório é muito mais rápida, deve ser realizada uma sincronização de tempo mais precisa, de forma a permitir uma análise mais adequada. A técnica mais comum para a sincronização de tempo é a utilização do Global Positioning System (GPS). No entanto, diferentes analisadores possuem diferentes precisões de tempo com o GPS, algumas variando por mais do que o ciclo mínimo, exigido pela norma IEC. Outra técnica passa pelo uso da sincronização através da Local Area Network (LAN), que é muito mais fácil de implementar (o GPS para operar requer uma antena no exterior). Ao utilizar algoritmos sofisticados é possível alcançar mesmo as amostras de precisão simples (isto é, dezenas de micro-segundos), dependendo da topologia da LAN e do tráfego. A Figura 17 mostra uma visualização alargada do evento da esquerda, da Figura 16. Os analisadores estão sincronizados através da LAN e a propagação dos eventos é facilmente monitorizada, a partir do MCC até à alimentação principal e para baixo, para o outro transformador.

Figura 17. Zoom da cava de tensão, de várias localizações.

IV› CONCLUSÃO

As normas foram criadas para fornecer um ponto de partida igual, para a análise da qualidade da energia e permitir que os analisadores de vários fabricantes, produzam o mesmo resultado (ou pelo menos resultados semelhantes). No entanto, a medição em contínuo de dados eléctricos em bruto, usando uma elevada taxa de amostragem e de precisão mostra com rigor as fracturas nos métodos de monitorização, baseados apenas nas normas e regulamentos existentes.

Em muitos casos, limitar a informação apenas ao que é “exigido” por uma certa norma, impede realmente um técnico de detecção de avarias, de monitorizar e analisar - para não mencionar, a identificação da origem e a prevenção da ocorrência dos mesmos eventos no futuro.

A tecnologia de compressão de dados que permite a medição em contínuo e o registos de dados a elevadas taxas de amostragem (acima de 1024 amostras por ciclo), durante longos períodos de tempo, fornece aos técnicos a informação de que necessitam, para efectivamente analisar e tomar as devidas medidas para prevenir futuros eventos. Além disso ao fornecer simultaneamente as medidas ciclo-a-ciclo e medidas baseadas nas normas, garante uma visão real dos parâmetros e anomalias eléctricas. Por último, a captura em contínuo e sincronizada no tempo e o registo de todos os parâmetros sem a necessidade de definir limiares ou filtragem avançada de dados, assegura que toda a informação é guardada e que é possível uma análise completa – antes, durante e depois um evento.