Avaliação do impacto das descargas atmosféricas na qualidade de energia fornecida pelas concessionárias: estudo de caso em uma empresa de distribuição de energia do sul do país

The evaluation of the impact of atmospheric discharges in power quality supplied by electricity companies: a case study in a distribution enterprise in the south of brazil

Evaluación del impacto de un rayo con respecto a la calidad de energía suministrada por los servicios públicos: Estudio de caso en una empresa de distribución de energía del sur de Brasil

Nivaldo Pereira da Silva*, Antonio Carlos de Francisco**, João Luiz Kovaleski*** y Marcos Surian Thomaz****

Recibido: 01-01-2010 - Aprobado: 22-05-2010

Contenido

• 1. Introdução
• 2. A energia elétrica, qualidade
• 3. Fornecimento de energia
• 4. Imagem organizacional
• 5. Metodologia
• 6. Análise dos resultados
• 7. Conclusão
• Referências bibliográficas

1. Introdução

Os surtos de origem atmosférica são os principais causadores de perturbações nas redes de distribuição influenciando significativamente nos indicadores de qualidade da energia fornecida, por isso as companhias de distribuição de energia elétrica vêm realizando importantes investimentos em pesquisas visando o aumento na qualidade da mesma. O uso cada vez mais freqüente da energia elétrica nas indústrias equipadas com os mais diversos equipamentos eletrônicos que controlam e monitoram os processos de automação, e que geralmente são dispositivos sensíveis, necessitam de energia com qualidade pois possuem baixa tolerância à variações de freqüência, tensão e corrente.

É importante salientar que eventos ocorridos no passado em sistemas de energia elétrica não causavam tantos efeitos como atualmente, pois, hoje os desligamentos resultam em danos aos equipamentos e máquinas que envolvem mais eletrônica e são, portanto mais sensíveis.

Os custos das perdas devido à qualidade da energia elétrica é uma pesquisa que já vem sendo realizadas e contabilizadas nos últimos anos com vários trabalhos realizados em diversos locais do mundo, destacando-se nos principais centros tais como: Billinton e Wacker (1989), no Canadá; Kariuki e Allan (1996), na Inglaterra; e pelo Electric Power Research Institute (EPRI), nos Estados Unidos, Palo Alto-Califórnia, cuja síntese foi publicada por Sullivan (1996), onde são apresentados alguns resultados para variações de curta duração, além dos desligamentos devido à interrupção de energia. McGranaghan e Roettger (2002).

No Brasil, os trabalhos que merecem destaque sobre os custos das interrupções causados pelo desligamento acidental são realizados por Magalhães (2001) em São Paulo, e na Região Nordeste do Brasil, por Leitão (2002), sendo que diversos trabalhos da literatura também abordam este tema (BILLINTON, 1989; DIALYNAS, 1998).

Desde Benjamim Franklin que mostrou para comunidade cientifica que utilizando-se de uma pipa com um fio metálico comprovou que as nuvens podiam conter cargas elétricas, as descargas atmosféricas ou raios são estudados. Um raio é basicamente uma descarga elétrica que ocorre entre nuvens ou entre nuvens e a terra. A descarga é visível com trajetórias sinuosas e de ramificações irregulares às vezes com muitos quilômetros de distância, fenômeno conhecido como relâmpago. Juntamente com este mesmo fenômeno também ocorre uma onda acústica chamada trovão.

Para o homem primitivo as descargas atmosfericas eram acontementos fortuitos e de força maior, contudo atualmente as descargas atmosfericas são tratadas como fenômenos elétricos que podem ser evitados, previstos ou até mesmo minimizados.

O Brasil por ser um país de dimensões continental e em função da sua localização geografica possui grande incidência de descargas atmosfericas, este fenômenos causam prejuízos irreparaveis a sociedade, tais como: avarias em equipamentos elétricos, incêndios, explosões, óbito de seres humanos e animais.

Segundo Maccarato (2005), o Brasil é o país onde ocorre a maior incidência de raios no mundo, seriam nada menos do que 70 milhões por ano. As descargas atmosféricas além de causar extensos danos materiais podem provocar a morte de pessoas; no Brasil são 100 pessoas mortas por ano.

Os indicadores de qualidade no fornecimento da energia elétrica no Brasil são definidos mediante patamares e índices de interrupção denominados "continuidade", ou de "flutuação de energia" denominados "conformidade".

Os conceitos básicos e procedimentos sobre qualidade de energia elétrica ocorrem a partir do ponto de vista global dos sistemas elétricos interligados que levem em consideração os impactos econômicos devido a perda de qualidade da energia elétrica causando danos irreparáveis aos consumidores industriais e residenciais.

Portanto, a metodologia utilizada para avaliação atualmente, ainda necessita de aprimoramento dos dados e indicadores adicionais que levem a importância dos aspectos econômicos associados às características e peculiaridades dos consumidores residenciais e das empresas industriais situados em uma determinada região.

2. A energia elétrica, qualidade

O complexo sistema de energia elétrica é composto de usinas geradoras e subestações, linhas de transmissão, linha de distribuição e alimentadores para conduzir a energia até as indústrias e residências.

Para manter os níveis de tensão do sistema de energia elétrica dentro dos limites operacionais admissíveis são necessárias medições de controle, pois as linhas de distribuição e transmissão estão invariavelmente sujeitas a variações ocasionais de tensão, que mesmo dentro de limites pré-estabelecidos, podem causar operações incorretas de sensíveis equipamentos elétricos nos diversos setores (OLESKOVICZ, 2006).

Todo sistema de energia elétrica opera dentro das condições preestabelecida, sendo analisado constantemente duas grandezas elétricas, que são a tensão e a frequncia. A freqüência no sistema de potencia interligado opera na faixa de 60Hz com uma variação de +/- 0,5Hz. Na tensão são observados três parâmetros importantes, tais como: forma de onda, que deve ser o mais próximo possível de uma "Senóide"; Simetria do Sistema Elétrico e Magnitudes das tensões dentro de limites aceitáveis.

Aqui destacam-se importantes variações percebidas nos sistemas de energia elétrica segundo Amantegui (1998); Bollen (1998); Steciuk (1996).

1. Variações sustentadas de tensão: são variações de valor eficaz da tensão entre dois níveis consecutivos, com duração incerta, porém maior que ou igual a 1 (um) minuto;
2. Variações momentâneas de tensão: são variações momentâneas no valor eficaz da tensão entre dois níveis consecutivos, com duração incerta, porém menor do que 1 minuto. As Variações Momentâneas de Tensão podem ser classificadas como: Interrupções Momentâneas de Tensão (IMT): Elevações Momentâneas de Tensão (EMT): e Afundamento Momentâneo de Tensão (AMT);
3. Variações instantâneas de tensão: são variações súbitas do valor instantâneo da tensão. São subdivididas em: Cortes na Tensão, Transitórios Oscilatórios de Tensão e Surtos de Tensão;
4. Variações sustentadas ou momentâneas de freqüência: são pequenos desvios do valor da freqüência fundamental das tensões decorrentes do desequilíbrio entre a geração da energia elétrica e a demanda solicitada pela carga;
5. Distúrbios quase-permanentes: são distúrbios causados pela operação de cargas não-lineares. São definidos como: Flutuação de Tensão; Desequilíbrio de Tensão; Distorção Harmônica Total e Cintilação.

A qualidade e a confiabilidade do fornecimento de energia elétrica pelas empresas concessionárias aos seus consumidores estão diretamente associada ao fornecimento de energia elétrica de forma contínua, ininterrupta e sem perturbações momentâneas significativas. Porém, diversos fatores influenciam esses índices de qualidade, tais como o desempenho dos sistemas frente às descargas atmosféricas, a configuração das redes, as características de operação do sistema, etc. Sendo que estes fenômenos são aleatórios ou intrínsecos, que ocorrem no sistema elétrico que causam alterações, deteriorando a qualidade do fornecimento de energia elétrica ao consumidor residencial e industrial.

Para Bonatto (1999), num sistema elétrico trifásico ideal, as tensões em qualquer ponto deveriam ser equilibradas, de forma permanente, perfeitamente senoidais, e com amplitude e freqüência constantes. Qualquer desvio, acima de certos limites, na característica desses parâmetros é considerado um problema de qualidade de energia.

3. Fornecimento de energia

A maioria dos desligamentos acidentais nas de Redes de Distribuição de Energia Elétrica são provocados por Descargas Atmosféricas diretas ou indiretas, muitas vezes acarretando danos em equipamentos do sistema. Os custos causados pelas descargas atmosféricas são de grandes proporções, tais como: desligamento total ou parcial de um alimentador, queima de transformadores, danos em pára-raios, rompimento de condutores de alta tensão/baixa tensão, isoladores danificados ou banco de capacitores.

Corroborando com o pensamento acima, para Silva el al. (2003), a maioria dos desligamentos acidentais produzem danos irreparáveis, o que é possível observar com a freqüência das falhas em equipamentos e componentes das redes de distribuição, em especial nos transformadores de distribuição e isoladores e principalmente nas redes de distribuição rurais que são expostas a uma maior incidência direta de descargas atmosféricas.

Gomes et al. (1997), é necessário conhecer o custo das interrupções acidentais, e deste modo determinar a manutenção preventiva para melhorar a confiabilidade no sistema em função dos custos de investimentos e das interrupções.

Para Gomes et al. (1997), quanto aos custos associados às falhas eles foram definidos como:

1. Custos de Reparos (CR): Custos relativos aos reparos ou à compra de novos equipamentos danificados pela perda da qualidade de energia elétrica.
2. Custos de Produto sem Elaboração Estragados (CEE): Custo direto associado à perda de material durante o processo de manufatura.
3. Custos de Produtos Acabados Estragados (CAE): Custo direto associado à perda de material já fabricado ou em estoque.
4. Custo de Matéria Prima ou Produtos Primários Deteriorados (CMP): Custo direto associado à perda de matérias primas ou produtos primários, estocados.
5. Custos de Vendas não Realizadas (CV): Custo associado à perda de vendas que não foram feitas devido à interrupção da energia elétrica.
6. Custo da Proteção (CPR): Este custo se refere ao gasto que o consumidor industrial tem para se proteger da perda da qualidade de energia elétrica.
7. Custo de Geração Própria (CGP): Custo devido à geração de energia alternativa através de geradores de emergência, baterias etc. em caso de interrupção.
8. Custo de Perdas de Informações (CIN): Custo associado a perdas de informações guardadas em meio computadorizado decorrente de interrupção ocorrida. Esse custo é estimado pelo cálculo da reposição da informação.
9. Custo de Horas Extras (CHE): Custo associado à operação do estabelecimento, quando o seu horário normal de funcionamento é prolongado devido à falha da energia elétrica.
10. Custo de Retomada ou Reinício da Produção (CRP): Este custo refere-se aos gastos utilizados para se retomar o ritmo normal da produção no caso de ocorrência de uma interrupção. Inclui-se, neste item, os custos de preparo das máquinas, limpeza de resíduos, reposição de ferramentas, reprogramação da produção, reaferição dos equipamentos computadorizados e estabelecimentos dos novos padrões.

Todos os serviços prestados pelas concessionárias são fiscalizados pela ANEEL - AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA que regula e determina os serviços de energia elétrica, expedindo os atos necessários ao cumprimento das normas estabelecidas pela legislação em vigor, estimulando a melhoria do serviço prestado e zelando pela boa qualidade da energia, observando o disposto na legislação vigente de proteção e defesa do consumidor.

Segundo a ANEEL, toda concessão, permissão ou autorização pressupõe a prestação de serviços adequados, que satisfaçam as condições de regularidade, continuidade, eficiência, segurança, atualidade, generalidade, cortesia na prestação e modicidade das tarifas, conforme previsto no respectivo contrato de concessão e no § 1o, art. 6o, da Lei no 8.987, de 13 de fevereiro de 1995.

De acordo com Kagan (2003), a concessionária de energia elétrica deve conhecer o cenário para desenvolver programas voltados para a pesquisa e desenvolvimento de novos equipamentos de apoio à análise nas ocorrências nas redes de distribuição de energia elétrica. No entanto, duas considerações devem ser feitas em relação a essa alternativa de melhoria:

1. Aumentar o nível de isolamento de uma rede de distribuição significa aumentar as amplitudes das sobretensões ao longo da rede, sem a ocorrência de descargas disruptivas. Desta forma, todos os equipamentos instalados ao longo da rede devem ter seu nível de isolamento compatível com o nível de suportabilidade da linha, ou então devem ser protegidos por pára-raios;
2. Há uma necessidade de se avaliar as propriedades isolantes de alguns tipos de madeira, bem como obter mais informações sobre as características dos novos materiais a base de polímero com o tempo, em especial o comportamento em ambientes agressivos e de elevada exposição a raios ultravioleta.

Importante considerar as configurações atuais das redes e algumas das possíveis alternativas de melhoria existentes avaliadas individualmente ou em conjunto com outras alternativas tais como o aumento da isolação, instalação de cabos pára raios ou instalação de pára-raios ao longo de trechos dos alimentadores.

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