Uma grande continuidade e segurança no fornecimento da energia eléctrica constitui, com toda a evidência, a maior preocupação tanto dos responsáveis pela concepção do sistema eléctrico como dos responsáveis da exploração desse mesmo sistema.
Para manter o mais elevado grau possível de continuidade de fornecimento da energia eléctrica, tudo deve ser feito para impedir, na medida das possibilidades, a interrupção não programada ou, no caso contrário, para minimizar o tempo de interrupção, sempre que condições intoleráveis aparecem.
Quando, devido aos erros de concepção ou de dimensionamento do sistema eléctrico, uma perturbação normal – isto é, uma perturbação que devia ser absorvida sem consequência sobre a continuidade de serviço – leve até ao colapso de tensão, a rede está a falhar um dos seus objectivos essenciais, que é o de fornecer aos consumidores da maneira mais económica possível, com fiabilidade e segurança, a energia eléctrica em qualquer momento e qualquer que seja a quantidade pedida, dentro dos limites do contrato.
Os cortes não programados de fornecimento da energia eléctrica à totalidade ou a parte duma clientela correspondem ao estado último da instabilidade da tensão: o colapso da tensão.
As causas para essa situação podem ser múltiplas e variáveis e, por vezes, diversos factores se imbricam para a explicar.
Só o conhecimento dos dados recolhidos pelos técnicos responsáveis da instalação permitirão fazer a análise acertada de cada incidente e chegar a possíveis conclusões.
A continuidade da alimentação eléctrica, em caso de imprevisto que afecte o sistema, não pode ser assegurada senão com o respeito de um certo número de condições em termos de sua estrutura, por um lado, e de sua organização, por outro. Essas condições consubstanciam-se numa boa fiabilidade e segurança do sistema eléctrico.
A fiabilidade e a segurança no fornecimento da energia eléctrica podem ser aumentadas, de maneira significativa, por:
1. Uma concepção muito cuidada das redes para, por exemplo, evitar a sobrecarga permanente de transformadores ou de linhas e de cabos de transporte ou de distribuição, que degrada as suas características físicas e pode conduzir à sua danificação;
2. Uma coordenação de isolamento correcta e instalação de descarregadores de sobretensão, onde a sua necessidade se fizer sentir;
3. Uma utilização e uma manutenção preventiva correctas, o que supõe a existência de uma equipa de técnicos altamente competentes e treinados;
4. Um desdobramento de certos equipamentos (malhagem nas redes de Transporte ou estruturas de socorro nas redes de Distribuição), de maneira que a perda de um desses equipamentos não cause interrupções de serviço duma duração inaceitável;
5. Uma realização muito cuidadosa de instalações para diminuir, o máximo possível, a possibilidade do aparecimento de defeitos ou de situações anormais durante o funcionamento da rede;
6. Um cálculo correcto dos elementos da rede de modo que eles possam resistir às solicitações mecânicas e térmicas devidas às correntes de curto-circuitos;
7. Assegurar a manutenção de margens de funcionamento em relação aos limites físicos, pelo estabelecimento de procedimentos específicos tanto na fase do desenvolvimento da infraestrutura como na fase da exploração do sistema;
8. Aplicação, na concepção da rede, do princípio chamado de “N – 1” que significa que, por todo o incidente afectando um elemento qualquer do sistema eléctrico (uma linha, um cabo, um transformador, uma unidade de produção), nenhum outro elemento do sistema ultrapassa um critério admissível que seja de carga nominal ou de tensão.
Para além disso, em exploração diária, esse critério N – 1 é verificado tendo em conta as condições reais de exploração do sistema, ou seja, os elementos de rede fora de serviço, o parque real de produção, a carga real da rede, etc.
Por consequência, para todo o incidente simples no sistema eléctrico, os utilizadores não dão conta dele, sendo os fluxos, pela concepção do sistema, reorientados para os elementos em paralelo ou para as estruturas de socorro.
9. Realização, na medida do possível, da interconexão de vários centros de produção a fim de aproveitar o efeito de dimensão e de permitir suprir a fraqueza que advém da capacidade limitada do sistema em restabelecer o equilíbrio entre a carga e a produção, no seguimento de uma variação brusca desse equilíbrio. Assim, por exemplo, em caso de perda de um grupo de produção, obtém-se uma redução do impacto no sistema devido ao aumento da dimensão desse mesmo sistema.
Todas essas particularidades devem conduzir a um funcionamento dos sistemas eléctricos longe de seus limites físicos, permitindo assim que certas perturbações inevitáveis possam ocorrer, sem transgressão frequente e duradoura desses limites.
A realização dessas condições é muito mais fácil num sistema de mercado energético regulado em que há um planeamento rigoroso do desenvolvimento das redes, a gestão integrada da produção e das redes, capacidades de investimentos postas em concordância com os objectivos técnicos fixados de modo consensual entre os diferentes componentes da sociedade.
Tendo em conta o facto de as sobrecargas serem fenómenos com um efeito térmico, pode-se reportá-las a uma escala de tempo nitidamente mais longa do que a dos defeitos, por exemplo, um minuto ou algumas dezenas de minutos, comparado a uma fracção de segundo para os defeitos.
Explorando essa característica intrínseca dos fenómenos de sobrecarga, a acção das protecções contra as sobrecargas não visa primordialmente pôr o elemento protegido fora de serviço. O seu objectivo será orientado, pelo contrário, no sentido de aproveitar o intervalo de tempo concedido pela física do fenómeno para permitir aos exploradores das redes e, nomeadamente ao responsável do Centro de Controlo, tomarem medidas para reduzir a carga, aliviando o elemento em sobrecarga.
Por conseguinte, a prática nesta matéria é a de manter o elemento sobrecarregado, se for possível, enquanto este não atingir realmente a temperatura perigosa, na esperança de que a sobrecarga terá desaparecido antes do instante em que a desligação inevitável se produza automaticamente ou por acção do Centro de Controlo.
Um outro factor de degradação do funcionamento das redes é a perda de estabilidade em frequência.
Sabe-se que uma rede funciona normalmente enquanto houver um equilíbrio razoável entre a produção da electricidade e o consumo que é feito dela. Se o consumo é superior à produção, há uma baixa de frequência que só poderá ser corrigida se a produção reagir com suficiente rapidez para repor o equilíbrio, o que nem sempre é o caso, por falta de reserva suficiente e da capacidade de a mobilizar com a prontidão necessária.
Esse problema de baixa de frequência é particularmente sensível nas redes isoladas, porque nas grandes redes interligadas o défice de reserva não conduz a problemas de frequência mas a problemas de transferência de potência que se traduzem muitas das vezes num colapso de tensão.
As baixas de frequência podem ser combatidas por acções na produção com o arranque automático de unidades de ponta, com o disparo escalonado de cargas interruptíveis, com a paragem das bombas nas centrais de bombagem, e ainda com a ligação automática dos procedimentos de funcionamento em sobrecarga das unidades térmicas.
Pelo seu lado, as baixas de tensão lentas podem ser contrariadas pela ligação ou desligação das indutâncias e das capacidades shunt, pelo bloqueio dos reguladores em carga dos transformadores de distribuição ou pela redução das tensões de referência na Média Tensão. Em caso de baixa de tensão rápida deve-se proceder a um deslastre automático da carga.
Examinemos agora a situação que pode levar à perda de sincronismo.
A interligação de um certo número de centrais eléctricas constitui uma rede em anel que, embora normalmente estável, pode oscilar sob o efeito de um choque qualquer, tal como, por exemplo, um defeito (oscilações pendulares).
Se a perturbação ultrapassa um certo limite permitido pela impedância efectiva das ligações entre as centrais, o desvio angular entre as fs.e.ms. das máquinas pode, segundo a importância e a duração do defeito, ultrapassar o limite de estabilidade entre as centrais, podendo estas perder o sincronismo. Essa situação pode afectar toda uma região.
Nesse caso, o funcionamento em ilhota permite evitar a eventual propagação do fenómeno a outras zonas do sistema. A realização de uma tal situação exige uma acção extremamente rápida.
Obrigar a um funcionamento em ilhota ou a interrupção de linhas de interligação são medidas extremas que permitem parar a difusão de uma perturbação no sistema.
A maneira mais eficaz de proceder seria a de determinar dinamicamente a zona a isolar assim como medidas anexas indispensáveis. No entanto, o que se faz de modo mais corrente é estabelecer previamente tais zonas na base de critérios estruturais da rede. Uma alternativa baseia-se na utilização de um relé de perda de sincronismo instalado ao nível de cada alternador.
Um outro fenómeno que se deve ter em conta é o desenvolvimento de oscilações não amortecidas com origem em oscilações divergentes dos rotores das máquinas, correspondendo em realidade a um caso particular de perda de estabilidade angular. O fenómeno desenvolve-se no estado quase estacionário, estendendo-se, muitas das vezes, por vários minutos, e acaba, em geral, pela perda de sincronismo, a menos que uma não linearidade do sistema venha limitar a amplitude da oscilação que se torna sustentada ou que uma contra medida adequada não ponha o sistema aquém do seu limite de estabilidade estática.
As oscilações pendulares e a marcha fora de sincronismo geram a circulação de correntes trifásicas de baixas frequências. Essas correntes e as variações concomitantes da tensão podem simular condições semelhantes às criadas pelos defeitos, e agir em certos tipos de protecção.
› Considerações sobre os defeitos
Se os defeitos não forem eliminados com a selectividade, a rapidez e a fiabilidade suficientes isso provocará estragos consideráveis e interrupções de serviço economicamente inaceitáveis. Os defeitos que afectam a rede eléctrica podem ser defeitos de isolamento ou defeitos de exploração. Os defeitos de isolamento são caracterizados pela destruição das características de diferentes meios isolantes na rede. Os defeitos ‘’de exploração’’ são provocados por causas fisicamente externas à rede.
Os defeitos de isolamento podem ser provocados por factores de natureza muito diversa, uns específicos às redes aéreas e outros específicos às redes de cabos subterrâneos: a queda de aves e de aviões, o nevoeiro, a neve, etc., que reduzem, pela sua presença, as propriedades isolantes do ar, as descargas atmosféricas (responsáveis por 50% a 80% dos defeitos nas linhas aéreas) que, pela ionização reduzem as propriedades isolantes do ar, o vento que aproxima os condutores (“galloping”), a queda de condutores, o contornamento de isoladores devido à poluição, o envelhecimento do revestimento isolante nos cabos subterrâneos, a degradação nos cabos subterrâneos provocada pelos defeitos ditos intermitentes, pelas sobrecargas prolongadas, pelos curto-circuitos tardiamente eliminados, etc.
Os defeitos, chamados defeitos “de exploração”, não têm origem na própria rede.
Esses defeitos têm aspectos muito variados: uma deficiência interna das protecções, uma regulação incorrecta das protecções (por exemplo, o facto de não se tomar em conta na regulação do relé de protecção do lado MT do transformador AT/MT kV de alimentação principal de uma cabina, a corrente de magnetização - efeito “in rush”- dos transformadores MT/BT espalhados na rede), uma conexão incorrecta dos sistemas de protecção ou um erro humano cometido nos ensaios ou durante a manutenção, etc.
Esses defeitos podem provocar a interrupção no fornecimento da energia da mesma maneira que um curto-circuito mal eliminado ou uma sobrecarga excessiva durante um tempo muito longo.
É preciso no entanto realçar que um defeito só pode levar a uma certa instabilidade da tensão e, por consequência, eventualmente a um colapso da tensão nas redes de transporte e de interligação se as condições de funcionamento do sistema estiverem degradadas, por exemplo, se o sistema experimentar tensões baixas ou se o incidente for mais grave do que o incidente de referência adoptada na concepção do sistema de protecção.
Um outro aspecto importante relaciona-se com a duração máxima admissível dos defeitos, para o qual é preciso realçar o seguinte:
1. No dimensionamento e selecção dos elementos de uma rede eléctrica é obrigatório ter em conta não somente o regime de carga permanente (que corresponde à corrente e à tensão de funcionamento normal) mas também os regimes que aparecem em caso de curto-circuito entre fases ou de defeitos à terra.
2. As correntes de curto-circuitos trifásicos atingem, em geral, valores várias vezes superiores às correntes nominais e provocam, por isso, fortes constrangimentos dinâmicos e térmicos.
A sua importância permite não somente definir o poder de corte dos disjuntores, mas também o controlo ou a determinação das características de outros equipamentos das redes.
Nesse domínio, devem, por conseguinte, ser considerados os dois aspectos seguintes:
1. Os efeitos electrodinâmicos e os efeitos térmicos devidos às correntes de curto-circuitos;
2. As quedas de tensão nas instalações dos utilizadores, devidas às correntes de curto-circuitos.
Para avaliar os efeitos electrodinâmicos e térmicos, é preciso conhecer os valores actuais e futuros das potências e das correntes de curto-circuito correspondentes. Os equipamentos (linhas, cabos, barramentos,...) e os aparelhos (seccionadores, disjuntores, transformadores de medida, ...) são dimensionados para resistir a essas correntes de curto-circuito, tanto do ponto de vista electrodinâmico como térmico, durante um tempo máximo determinado.
Por exemplo, uma linha aérea ou um cabo subterrâneo podem suportar uma corrente de curto-circuito de um certo valor, durante um certo tempo máximo que não possam conduzi-los a uma temperatura superior a uma temperatura máxima, para poderem manter-se nos limites admissíveis para a flecha, aquecimento dos condutores, dos ligadores (caso das linhas aéreas) ou para as armaduras e os ecrãs (caso dos cabos subterrâneos).
Os cálculos que podem ser efectuados mostram claramente que é indispensável dispor de um sistema de protecção bem concebido para garantir que, em caso de defeito, nunca seja atingido esse valor de temperatura.
No que diz respeito às quedas de tensão provocadas pelas correntes de curto-circuito, pode notar-se o seguinte:
1. Os curto-circuitos entre fases têm efeitos profundos no ponto do defeito e podem ser ressentidos a grande distância desse ponto.
2. Podem perturbar de maneira importante os receptores (desaceleração e a desligação de contactores) e provocar danos nas máquinas accionadas electricamente assim como nos produtos elaborados por essas máquinas.
A duração admissível para os defeitos numa rede e para uma região (ou um elemento) considerados, é o resultado de um compromisso técnico-económico que será estabelecido pelos serviços de planeamento das instalações.
› Conclusão
A realização de um dos objectivos essenciais das redes eléctricas – que é o de garantir uma óptima continuidade de serviço de alimentação da clientela industrial ou doméstica – exige a realização de instalações eléctricas que respeitem um certo número de condições em termos de estrutura, por um lado, e de organização, por outro. É precisamente isto que o artigo procurou mostrar.
AUTOR: Manuel Delgado, Engenheiro Electrónico
FONTE: Revista O electricista