Análise dos Impactos Associados às Ocorrências de Variações de Tensão de Curta Duração na Operação de uma Planta Industrial de Papel e Celulose

Gustavo Rodrigues dos Santos  / Nelson Clodoaldo de Jesus / Jéthero Mendes Machado João Roberto Cogo / Willian Souza de Jesus / Thiago Pereira Franco

Distúrbios caracterizados por desvios no valor eficaz das tensões são um dos problemas relacionados à qualidade da energia elétrica, sendo responsáveis pelos maiores impactos na operação de consumidores industriais. Dentre esses distúrbios, pode-se citar as Variações de Tensão de Curta Duração (VTCD), cuja causa mais recorrente são as faltas que ocorrem nos sistemas de transmissão e distribuição [2]. Um artigo técnico [1] apresentado na XV Conferência Brasileira sobre Qualidade da Energia Elétrica – XV CBQEE, realizada em São Luís (MA), de 04 a 06 de setembro de 2023, avaliou o referido tema, com o objetivo de apresentar uma análise das VTCDs envolvendo seu impacto no sistema elétrico de uma planta industrial de produção papel e celulose.

No contexto da operação de processos industriais, durante eventos de VTCDs, equipamentos eletrônicos sensíveis são os mais afetados, como por exemplo, controladores e inversores de frequência. Geralmente esses dispositivos estão associados a processos que apresentam certo grau de complexidade e podem demandar um tempo considerável para retomada do processo, caso existe uma parada.

O impacto das VTCDs durante as perturbações ou condições de falta, dependerá, fundamentalmente, da magnitude e duração dos distúrbios até que os dispositivos de proteção eliminem a falta e restabeleçam as condições normais de operação. No Artigo Técnico de referência [1] foram avaliados eventos de VTCDs detectados no ponto de conexão entre o Sistema Interligado Nacional (SIN), em 440 kV, e uma planta industrial responsável pela fabricação de papel e celulose, a fim de observar a influência desse tipo de distúrbio em um processo produtivo contínuo, que utiliza turbogeradores para geração de energia elétrica e exportação do excedente.  

A análise foi realizada a partir de dados históricos de medições de tensão no período de cinco meses, no ponto de conexão em 440 kV da rede básica com o sistema elétrico interno da indústria. A partir desses dados, foi apresentada a caracterização dos eventos por meio da relação do número de ocorrências, as quais foram organizadas e agregadas, em função da magnitude das variações e suas respectivas durações. Também foram relacionados os registros de VTCDs e seus impactos diretos ao setor produtivo durante os períodos de monitoramento. Ao todo, no período mencionado, foram registrados 56 eventos de VTCDs no sistema de 440 kV, os quais resultaram em dez impactos que afetaram diretamente o setor produtivo na planta.  A Fig. 1 A mostra o perfil das variações de tensão, em função do número de eventos por faixa de magnitude e duração e a evolução dos eventos e desligamentos no período em análise.

Fig. 1 B – Histograma das ocorrências de VTCDs em função do tempo de duração no sistema elétrico em 440 kV e a evolução dos eventos e desligamentos durante o período de análise. Após as análises dos eventos, foi realizada uma comparação dos eventos de VTCDs (em magnitude e duração) com as curvas de sensibilidade [6] dos inversores de frequência presentes no sistema, que foram afetados durante as perturbações registradas, e a curva de desempenho durante afundamentos de tensão definida pelo ONS. Assim, as interrupções do processo produtivo por variações momentâneas de tensão foram avaliadas, juntamente a uma proposta para mitigar esses problemas operacionais. As Figuras 2 (a) e (b), mostram os registros das ocorrências de VTCDs em relação às faixas de sensibilidade dos inversores e os eventos de VTCDs (magnitude, em pu, e duração, em segundos) e a comparação entre as curvas de referência do ONS e a nova curva proposta para operação do sistema.

Fig. 2 (a) – Comparação dos eventos de VTCD que resultaram em desligamentos e as curvas de sensibilidade dos inversores.

Fig. 2 (b) – Comparação entre a curva de referência do ONS e a proposta de curva para os afundamentos de tensão fase-terra.

Ao decorrer dessa análise, esgotadas todas as ações de condicionamento interno, constatou-se que caso não exista um sistema que provoque o desacoplamento entre os sistemas de geração da indústria com o processo contínuo e o Sistema Interligado Nacional, as perturbações relacionadas a VTCDs podem resultar em desligamentos intempestivos da unidade industrial. Durante o registro de afundamentos de tensão, foram detectados desligamentos dos inversores nos sistemas internos relacionados diretamente às VTCDs, ressaltando a sensibilidade e criticidade dessas cargas.

É interessante notar que mesmo que os afundamentos não superassem os limites definidos pelo ONS, ocorreram impactos significativos nas instalações, sendo importante a análise de sua propagação através dos transformadores internos ao sistema de distribuição industrial. Por se tratar de um processo contínuo, este tipo de ocorrência implica em grandes perdas de produção, geração de resíduos, parada no sistema de geração e, consequentemente, consumo de energia para reiniciar o processo produtivo. Além de se explorar todos os recursos técnicos internos e características de suportabilidade dos equipamentos, pode-se propor como alternativa para evitar este tipo de problema o ilhamento do sistema interno em relação ao SIN, através da proposta de modificação da curva de desempenho do ONS (Fig. 2 b). Dessa forma, foi realizada uma análise crítica global deste tipo de distúrbio, suas consequências e propostas de adequação, através do refinamento dos sistemas de proteção e/ou do aumento da suportabilidade das cargas críticas que podem resultar em diversos problemas operacionais.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

  • Santos, G. R.; Jesus, N. C Análise dos Impactos Associados às Ocorrências de Variações de Tensão de Curta Duração na Operação de uma Planta Industrial de Papel e Celulose. In: XV CONFERÊNCIA BRASILEIRA SOBRE QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA, 2023, São Luís, MA.
  • Dugan, C. Roger; McGrabaghan, F. Mark; Santoso, Surya; Beaty, Wayne, H.; “Electrical Power Systems Quality”, Mcgraw-Hill; Second edition; 2002.
  • D. D. Sabin, T. E. Grebe and A. Sundaram, “RMS voltage variation statistical analysis for a survey of distribution system power quality performance,” IEEE Power Engineering Society. 1999 Winter Meeting (Cat. No.99CH36233), New York, NY, USA, 1999.
  • Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), Procedimentos de Rede, Indicadores de qualidade de energia elétrica da Rede Básica, Submódulo 9.7, revisão 2020.12, vigência 08/12/2020.
  • IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality, in IEEE Std 1159-2019 (Revision of IEEE Std 1159-2009) , vol., no., pp.1-98, 13 Aug. 2019, doi: 10.1109/IEEESTD.2019.8796486.
  • IEC. Adjustable speed electrical power drive systems – Part 3: EMC requirements and specific test methods: IEC 61800-3:2017. February, 2017.
  • Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), Procedimentos de Rede, Requisitos técnicos mínimos para a conexão às instalações de transmissão, Submódulo 2.10, revisão 2021.08, vigência 31/08/2021.

Autores:

Gustavo Rodrigues dos Santos: Engenheiro Eletricista pela UNESP/FEG, trabalhando atualmente na GSI – Engenharia e Consultoria Ltda.

Nelson Clodoaldo de Jesus, Engenheiro Eletricista pela UNITAU, Doutorando da UNIFEI, Vice-presidente da SBQEE, trabalhando atualmente como sócio e Gerente de Engenharia na GSI – Engenharia e Consultoria Ltda.

Jéthero Mendes Machado, Engenheiro Eletricista pela UNIFEI, trabalhando atualmente como sócio consultor da GSI – Engenharia e Consultoria LTDA.

João Roberto Cogo, Engenheiro Eletricista pela EFEI, Mestre pela UFSC e Doutor pela UNICAMP.  Diretor da GSI – Engenharia e Consultoria Ltda.

Willian Souzq de Jesus: Engenheiro Eletricista pela UNITAU, trabalhando atualmente na GSI – Engenharia e Consultoria Ltda.

Thiago Pereira Franco: Engenheiro Eletricista pela UNIFEI, trabalhando atualmente na GSI – Engenharia e Consultoria Ltda.

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