Resumo

A resolução ANEEL 505 tornou mais estritos os limites para fornecimento de tensão. Com isso, a regulação de tensão era difícil em algumas instalações da Elektro, não se obtendo resultados satisfatórios com relés reguladores convencionais devido à associação de linhas longas alimentando cargas industriais e residências, o que pode causar baixas tensões nos períodos em que o segmento industrial estiver operando em carga leve mas o segmento residencial em carga pesada, como no horário de ponta dos domingos.

Este trabalho apresenta os resultados de uma parceria entre a Elektro e um fabricante de relés que culminou no desenvolvimento de um relé que opera com grupos de ajustes múltiplos, programados para operação automática em faixas horárias e dias da semana.

São apresentadas as experiências com este relé no sistema de regulação de uma S/E 138/34,5kV, que alimenta uma S/E 34,5/13,8kV 18,75MVA à aproximadamente 20km que dispõe apenas de ajuste fixo de taps, fato que torna complexa a regulação na barra de 34,5kV . Analisando as curvas de carga do sistema foram elaborados 6 grupos de ajustes para atuações em dias e horários específicos, obtendo maior precisão nos níveis de tensão e redução de aproximadamente 40% nas operações dos comutadores sob carga.

Com uma área de concessão formada por 223 municípios no Estado de São Paulo e 5 no Mato Grosso do Sul e atendendo a 1,9 milhão de clientes, a Elektro iniciou suas operações em 1998, através da privatização da área de distribuição de energia elétrica da Cesp.

A Elektro abrange uma área de mais de 120 mil quilômetros quadrados, o equivalente a 37% do Estado de São Paulo, de modo que o perfil dos clientes atendidos inclui indústrias, estabelecimentos comerciais e residências que muitas vezes estão geograficamente distantes e ligados à mesma rede de distribuição. Com isso, observam-se grandes mudanças nas características do consumo em função do horário e do dia semana, incluindo mudanças do perfil diário de carregamento e deslocamentos significativos dos centros de carga.

Nesse contexto, a resolução 505 da ANEEL¹, emitida em 26/11/2001, visa assegurar a todos os clientes ao longo da rede elétrica o fornecimento de tensão dentro de limites adequados, e para isso prescreve os níveis considerados aceitáveis, precários ou críticos para a tensão fornecida (Tensão de Atendimento), além dos indicadores e limites para os tempos em que a tensão permanece fora dos níveis aceitáveis. Esses indicadores que vão se tornando gradualmente mais rígidos a cada ano, até atingirem seus valores mínimos definitivos no ano de 2007.

A abordagem tradicionalmente utilizada pela Elektro para buscar atender às determinações da resolução 505 foi a utilização da função Compensador de Queda de Tensão na Linha (LDC, do inglês Line Drop Compensation), presente na quase totalidade dos relés reguladores de tensão existentes no mercado. Essa abordagem, no entanto, não se mostrou satisfatória em algumas situações, devido às mudanças sazonais já mencionadas no perfil dos consumidores ou por mudanças nas configurações do sistema elétrico em situações de manobras ou ainda por característica da carga durante um dia típico onde, durante o dia, a carga é fortemente industrial em determinadas partes de uma região elétrica (distritos industriais) e, no horário de ponta, fortemente residencial em outras partes da mesma região elétrica (bairros residenciais).

Em função disso, a Elektro observou a necessidade de um sistema de regulação de tensão que fosse capaz de suprir as características de sazonalidade de suas redes de distribuição, o que pôde ser obtido no ano de 2004 através de um trabalho conjunto com um fabricante de relés reguladores de tensão (Treetech). Sob este aspecto, este artigo apresentará as experiências e os resultados obtidos tanto nas tentativas iniciais de resolução do problema, como com a aplicação do novo sistema de regulação de tensão, que opera considerando a sazonalidade das cargas.

A operação dos relés reguladores de tensão está baseada na programação de alguns parâmetros básicos, conforme ilustrado na figura 1.

Figura 1 – Parâmetros básicos de operação de um relé regulador de tensão

Estes parâmetros são:

• A tensão nominal ou de referência, que pode estar referida à tensão real de operação do sistema (kV) ou ao secundário do TP (V),
• A insensibilidade, que é a faixa de tolerância aceitável para a tensão acima e abaixo da tensão de referência, definida geralmente como um percentual desta,
• A temporização para efetuar a primeira mudança de tap após a tensão medida permanecer acima ou abaixo dos limites superior ou inferior respectivamente, dado em segundos.

A temporização acima mencionada pode ser programada ainda para operação por:

• Tempo Definido, em que o retardo para efetuar a comutação é sempre o mesmo (o próprio valor ajustado em segundos), independente da magnitude do desvio da tensão, ou
• Tempo Inverso, em que o retardo para efetuar a comutação (t) é igual ao valor ajustado (T) multiplicado por um fator de redução que é inversamente proporcional à magnitude do desvio de tensão (∆U) em relação ao ajuste de insensibilidade (Ins), como mostra a equação 1:

t = T . ( Ins / ∆U )      (1)

A programação dos parâmetros acima expostos já seria suficiente para garantir uma boa regulação de tensão na barra da subestação e para as cargas próximas a esta. Porém, para as cargas localizadas mais distantes, as quedas de tensão resistiva e indutiva nos condutores podem fazer com que a tensão que chega à carga esteja abaixo do limite inferior permitido, especialmente quando as correntes de carga forem mais elevadas, como ilustra a figura 2. Por esse motivo, a maioria dos relés reguladores é equipada também com uma medição de corrente de carga e com ajustes para as quedas de tensão na linha.

Figura 2 – Queda de tensão na linha e tensão na carga

Como na maioria das aplicações práticas não existe a situação ideal mostrada nesta figura, em que a carga está concentrada em um único ponto, o procedimento usual é adotar um centro de carga fictício, que é um ponto da rede no qual se considera que todas as cargas estão concentradas. Baseado na localização deste ponto são calculados, então, os parâmetros para compensação de queda na linha. O resultado é que, neste ponto específico, a tensão será calculada pelo relé regulador e mantida próxima do valor nominal. Para os demais pontos da rede poderão existir variações, porém se o centro de carga for adequadamente escolhido (e as características da rede o permitirem) estas variações ainda estarão dentro dos limites superior e inferior permitidos.

Como mencionado acima no item 2.1, a operação dos relés reguladores de tensão está baseada na mudança de tap do comutador somente depois que é detectado um desvio entre a tensão medida e a tensão nominal maior que a insensibilidade ajustada, acrescentando ainda uma temporização antes da mudança de tap para evitar comutações desnecessárias devido a desvios momentâneos da tensão. Durante os períodos em que a carga permanece constante ou tem variação lenta essa abordagem se mostra adequada.

Porém nos horários de ponta, quando a carga apresenta variações rápidas, tanto na subida quanto na descida, ocorre o efeito de “arraste” mostrado na figura 3. Neste gráfico se observa que a tensão média permanece abaixo do valor nominal durante o crescimento da carga, que se inicia por volta das 17:30 horas, justamente o período em que seria necessária tensão mais alta, e o inverso ocorre durante a redução da carga, quando a tensão média permanece acima do valor nominal. Além disso, observa-se que aumentam bastante os períodos de tensão acima e abaixo dos limites superior e inferior permitidos, o que contribui para piorar os indicadores de qualidade prescritos na resolução 505 da ANEEL.

Figura 3 – Efeito de arraste durante os horários de ponta

Uma possível solução para o problema seria a redução dos ajustes de insensibilidade e de temporização do relé regulador, de forma a tornar mais ágil sua atuação nesses períodos de variação rápida da carga. Porém essa solução apresentaria o grave inconveniente de aumentar bastante o número de operações realizadas pelo comutador sob carga durante todo o dia, mesmo nos períodos em que essas operações não seriam necessárias. As conseqüências disso incluem maior custo de manutenção do comutador, já que os intervalos de manutenção são determinados pelo número de operações, aumento dos períodos de indisponibilidade do equipamento devido ao aumento da freqüência de manutenção e aumento no risco de falhas, considerando que o comutador sob carga é uma das principais fontes de defeitos em transformadores.

Como indicado no item 2.1, o uso da compensação de queda na linha na maioria das aplicações exige a definição de um centro de carga minimamente representativo das cargas conectadas à rede de distribuição. Este processo pode ser aplicado com sucesso em redes onde esse centro de carga permanece praticamente inalterado ao longo do tempo. Esta hipótese tem boas chances de ser verdadeira se a maioria das cargas conectadas à mesma rede forem de natureza similar, como por exemplo, exclusivamente residenciais, onde a carga máxima com determinado patamar ocorre entre 18 e 20 horas, ou exclusivamente industriais, onde normalmente a carga máxima em outro patamar ocorre entre 7 e 17 horas.

No entanto, em redes de distribuição em que estão conectadas cargas mistas, mesclando, por exemplo, cargas residências e industriais, o centro de carga pode sofrer significativos deslocamentos dependendo do dia da semana ou mesmo do horário ao longo do dia. Em casos como esse, o uso dos relés reguladores de tensão convencionais e do recurso de compensação de queda na linha, descritos acima no item 2.1, não apresenta resultados satisfatórios, visto que os cálculos e parametrizações efetuados considerando a predominância de um dado tipo de carga (industrial, por exemplo) trará como resultados tensões muito altas ou muito baixas quando outros tipos de carga forem mais significativos.

Pode ocorrer ainda, nos casos em que a carga industrial supera a residencial, que a demanda total durante o horário de operação das indústrias, até cerca de 17 horas, seja maior que no período em que predominam as cargas residenciais, das 18 às 20 horas. Neste período, que é quando a carga residencial atinge seu pico de consumo, a tensão na barra da subestação deveria ser mantida elevada, visto que as redes secundárias estão mais carregadas e com seu maior nível de queda de tensão. No entanto, como a demanda total foi reduzida, o compensador de queda na linha diminuirá a tensão na barra da subestação, de forma que as cargas residenciais poderão receber tensões abaixo dos valores mínimos aceitáveis.

A resolução 505 da ANEEL, além de especificar os limites aceitáveis de tensão para o fornecimento, estabelece indicadores para os tempos em que a tensão permanece em níveis precários e críticos, determinando também valores limites para esses indicadores.

Como os níveis de tensão considerados precários e críticos são diferentes quando a tensão está acima ou abaixo do valor nominal, também os tempos admissíveis para os desvios da tensão podem ser diferentes dependendo do sentido do desvio. Com isso, os relés reguladores convencionais obrigariam à programação da temporização de atuação de acordo com o menor desses tempos, levando o comutador a realizar operações desnecessárias na situação inversa, com os inconvenientes já anteriormente mencionados com relação a maior custo de manutenção do comutador, aumento dos períodos de indisponibilidade do equipamento devido ao aumento da freqüência de manutenção e aumento no risco de falhas.

Um importante benefício advindo do uso do novo relé regulador de tensão com parametrizações múltiplas, além da melhor regulação de tensão, é a possibilidade de concentrar as operações do comutador sob carga em determinados dias e horários, seguindo o conceito de economizar em alguns momentos para gastar em outros onde as comutações são realmente necessárias.

Isso pode ser observado na tabela 3 abaixo, onde é reproduzida parte da parametrização do relé. Durante os horários de  maior variação na carga, quando a regulação precisa agir de forma mais rápida e precisa, que ocorrem de segunda-feira a sábado das 17:30 às 23:59h e nos domingos das 17:30 às 22:59h, o relé opera com insensibilidade (banda morta) de 0,9% e temporização de 70 segundos para subir e para baixar a tensão. Já nos demais horários, ou seja, de segunda a sábado das 0:00 às 6:59h e nos domingos das 23:00 às 17:29h, o relé opera com insensibilidade e temporização aumentadas para 1,1% e 110 segundos respectivamente.

Parametrização do novo relé regulador de tensão na SE BJP

Os resultados dessa filosofia de ajuste podem ser vistos na tabela 4, onde são mostrados os levantamentos mensais de número de operações do comutador. De Dezembro de 2004 a Janeiro de 2006, quando a regulação era realizada com um relé convencional, a quantidade mensal de comutações nunca foi inferior a 738, chegando a atingir picos de quase 1500 operações/mês no decorrer do último ano. Já o dado mais recente, após a instalação  do novo relé regulador em 06 de fevereiro de 2006, indica o número de comutações reduzido a cerca de 420, uma redução da ordem de 40% se mesmo considerando no cálculo o melhor resultado obtido anteriormente com a regulação convencional.

Número de comutações utilizando relé convencional e relé com parametrizações múltiplas

A experiência obtida com a aplicação do novo relé regulador de tensão com parametrizações múltiplas demonstrou que ganhos significativos podem ser obtidos com a adoção dessa nova filosofia, em diversos aspectos.

Primeiramente foram obtidos ganhos de qualidade no processo de regulação de tensão aos clientes, que no caso estudado foi resultado da possibilidade da parametrização específica para cada faixa horária. Isso permitiu fazer com que o regulador operasse em patamares de tensão distintos de acordo com a situação de carregamento do segmento residencial, mesmo quando o segmento industrial estiver operando em carga leve, como por exemplo o horário de pico de um domingo.

Adicionalmente, como resultado da flexibilidade da parametrização do relé em função do horário e dias da semana, será possível a redução do desgaste nos comutadores sob carga dos transformadores fontes ao diminuir sensivelmente o número de operações sem sacrificar a qualidade da regulação de tensão. Com isso será possível ampliar os intervalos da manutenção programada nos transformadores de potência, devido à menor quantidade de comutações, reduzindo simultaneamente o risco de falha destes transformadores, considerando que estatisticamente o comutador sob carga é a maior fonte de defeitos em transformadores.

Por fim, com o processo de parametrização inteligente e adequado às características peculiares das cargas, foram obtidos ganhos ao evitar investimentos com a substituição dos transformadores sem comutador sob carga existentes na S/E 34,5kV atualmente em operação, evitando também os custos decorrentes da necessidade de manutenção de novos equipamentos com comutação sob carga.

O bom gerenciamento da regulação de tensão do sistema elétrico, com as funcionalidades do relé regulador de tensão com parametrização múltipla aqui desenvolvido, vêm contribuir para a modicidade tarifária, ajudando a garantir tarifas justas e principalmente zelar pela qualidade do serviço, mantendo a tensão de fornecimento aos clientes dentro da faixa adequada conforme prescrito pela resolução ANEEL 505/2001.

Vale ressaltar que o custo do relé regulador de tensão desenvolvido é semelhante aos dos relés convencionais, uma vez que as melhorias foram implementadas através de alteração na lógica de operação, sem alterações significativas de hardware.