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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE UM
PROTÓTIPO DE REATOR SATURADO EM
ESCALA REAL: UMA ABORDAGEM
EXPERIMENTAL
ERALDO DA SILVA PEREIRA
Uberlândia, Setembro de 2008
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE UM PROTÓTIPO
DE REATOR SATURADO EM ESCALA REAL: UMA
ABORDAGEM EXPERIMENTAL
Eraldo da Silva Pereira
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Uberlândia, perante a Banca
Examinadora abaixo, como parte dos requisitos necessários á obtenção do título
de Mestre em Ciências.
José Carlos de Oliveira, PhD. (Orientador) – UFU
Kleiber David Rodrigues, Dr. – UFU
Olívio Carlos Nascimento Souto, Dr. – UFU
Uberlândia, Setembro de 2008.
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Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
P436a
Pereira, Eraldo da Silva, 1956-
Avaliação do desempenho de um protótipo de reator saturado em es-
cala real : uma abordagem experimental / Eraldo da Silva Pereira. - 2008.
91 f. : il.
Orientador: José Carlos de Oliveira.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Uberlândia, Progra-
ma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica.
Inclui bibliografia.
1. Reatores elétricos - Teses. 2. Energia elétrica - Qualidade - Teses. I.
Oliveira, José Carlos de. II. Universidade Federal de Uberlândia. Progra-
ma de Pós-
Graduação em Engenharia Elétrica. III. Título.
CDU: 621.318.43
Elaborado pelo Sistema de Bibliotecas da UFU / Setor de Catalogação e Classificação
ii
AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE UM PROTÓTIPO
DE REATOR SATURADO EM ESCALA REAL: UMA
ABORDAGEM EXPERIMENTAL
E
RALDO DA
S
ILVA
P
EREIRA
Dissertação apresentada por Eraldo da
Silva Pereira à Universidade Federal de
Uberlândia, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de Mestre
em Ciências.
Prof. José Carlos de Oliveira, PhD.
Prof. Darizon Alves de Andrade
Orientador Coordenador do Curso de
Pós- Graduação
iii
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho aos meus queridos pais,
Ennio (in memorian) e Maria Zaramella, a minha
amada esposa Emília e aos meus adoráveis filhos,
Laura e Vinicius.
iv
AGRADECIMENTOS
A Deus pela força, proteção e benções em todos os momentos da minha vida.
Ao professor orientador José Carlos de Oliveira pelo incentivo, pela confiança
na minha capacidade de realização, pela orientação segura e, principalmente,
pela paciência, pela presteza e pela compreensão durante as etapas desafiadoras
deste trabalho.
Ao professor Arnulfo Barroso Vasconcelos pelos esclarecimentos teóricos sobre
a compensação reativa por meio dos Compensadores Estáticos a Reatores a
Núcleo Saturado - CERNS.
Ao professor Jackson Marques Pacheco pelas informações sobre o projeto e a
construção dos Reatores a Núcleo Saturado.
À minha família pelo apoio na realização do curso de mestrado e pela
compreensão às várias ausências do seu convívio.
À REDE ENERGIA, na pessoa do engenheiro eletricista José Antonio Sorge -
Vice Presidente de Mercado e Relações Institucionais – pelo apoio, incentivo,
disponibilização do meu tempo de trabalho e aceitação das minhas eventuais
ausências do escritório.
À CEMAT – Centrais Elétricas Matogrossenses S.A. pela oportunidade de
realizar o ensaio do protótipo do Reator em uma das suas Subestações, na pessoa
do engenheiro eletricista José Adriano Mendes da Silva, pela liberação da sua
equipe para o ensaio em campo.
v
À MB Service, na pessoa do engenheiro eletricista Mario Marcio Calhao Barini,
pela instalação provisória do reator na Subestação Coxipó, oportunizando os
ensaios de campo.
Ao colega professor Bismarck Castillo Carvalho pela ajuda nos assuntos
administrativos iniciais junto à UFU.
Aos colegas professores Mário Kiyoshi Kawaphara e Roberto Apolônio pela
ajuda na discussão do tema desta dissertação e no ensaio de campo.
Ao colega professor Fernando Nogueira de Lima pela ajuda constante nos
assuntos administrativos junto à UFMT e ao colega da pós-graduação Marcus
Vinicius Borges Mendonça, nos assuntos administrativos junto à UFU.
À Acadêmica Loana Nunes Velasco pela colaboração na digitação e formatação
desta Dissertação.
vi
RESUMO
A crescente demanda de energia nos sistemas elétricos tem resultado em
dificuldades crescentes na sua operação. Isso tem levado os especialistas a
tratar o controle da potência reativa e da tensão com mais rigor,
principalmente em sistemas elétricos com características radiais para
atendimento de cargas sazonais. Para isso, os compensadores estáticos
destacam-se como uma alternativa de grande potencial para o controle do
fluxo de potência e melhoria do perfil de tensão dos sistemas elétricos. Nesse
contexto, apresenta-se como uma alternativa atrativa em relação às outras
propostas mais comercializadas no momento, um equipamento denominado
CERNS – Compensador Estático a Reator a Núcleo Saturado, composto de
um núcleo magnético com características e enrolamentos especiais e um
conjunto de capacitores em série e em paralelo, em face da sua robustez,
baixo custo, menores requisitos de manutenção e bom desempenho. Nesse
cenário, surge esta dissertação cujo propósito é a investigação do
comportamento de um protótipo de um reator a núcleo saturado ligado a uma
rede de suprimento, para avaliar a sua efetividade e o comprometimento do
seu padrão de qualidade, tais como: afundamentos e elevações de tensão,
distorções harmônicas, desequilíbrios, temperatura e ruídos. Para tanto,
foram realizados testes em um protótipo de reator a núcleo saturado para
avaliação das seguintes questões: transitórios resultantes da energização do
protótipo; correlação entre a tensão e a potência reativa, determinação das
componentes harmônicas da tensão e da corrente; análise do comportamento
térmico em operação contínua e verificação do nível de ruídos produzidos
durante seu funcionamento.
Palavras-Chave: Reator Saturado, Compensador Estático a Reator a Núcleo
Saturado, Qualidade da Energia.
vii
ABSTRACT
The growing demand for energy in electric systems has resulted in greater
difficulties to operate them. This has led specialists to deal more strictly with the
control of reactive power and voltage, mainly in the case of radial electric
systems, for the supply of seasonal loads. For this purpose, static compensators
represent an alternative of great potential to control the power flow and improve
the voltage profile of electric systems. In this context, the SCRSC or Saturated
Core Reactor Static Compensator - made up of a magnetic core with special
characteristics and winding and a set of capacitors in series and in parallel -
becomes an interesting alternative, when compared to other types of equipment
being sold at present, due to its robustness, low cost, fewer maintenance
requirements and good performance. Within this scenario, the purpose of the
present dissertation is to research the performance of a saturated core reactor
prototype connected to a supply network, in order to assess its effectiveness and
the effect on its quality standards, as for example: voltage peaks and valleys,
harmonic distortions, unbalance, temperature and noise. Thus, tests were carried
out on a saturated core reactor prototype to evaluate the following issues:
transients as a result of prototype energizing; correlation between voltage and
reactive power; definition of the harmonic components of voltage and current;
analysis of the thermal performance in continuous operation and noise level
verification during operation.
Keywords: Saturated Reactor, Saturated Core Reactor Static Compensator,
Power Quality.
viii
SUMÁRIO
CAPÍTULO
I
I
NTRODUÇÃO
............................................................................................................................ 14
1.1 C
ONSIDERAÇÕES
I
NICIAIS
................................................................................................ 14
1.2 E
STADO DA
A
RTE
............................................................................................................. 16
1.3 C
ONTRIBUIÇÕES DESTA
D
ISSERTAÇÃO
............................................................................. 18
1.4 E
STRUTURA DA
D
ISSERTAÇÃO
......................................................................................... 19
E
STRATÉGIAS PARA O
C
ONTROLE DE
T
ENSÃO EM
S
ISTEMAS
E
LÉTRICOS
............................ 21
2.1 C
ONSIDERAÇÕES
I
NICIAIS
................................................................................................ 21
2.2 C
ARACTERÍSTICAS DE
O
PERAÇÃO DOS
S
ISTEMAS
E
LÉTRICOS DE
P
OTÊNCIA
.................... 22
2.3 C
ONTROLE DO
F
LUXO DE
P
OTÊNCIA POR MEIO DE
C
OMPENSADORES DE
R
EATIVOS
........ 25
2.4 C
OMPENSADORES
E
STÁTICOS A
R
EATOR A NÚCLEO
S
ATURADO
–
CERNS ..................... 26
2.5 A
RRANJO
E
LETROMAGNÉTICO E
C
OMPENSAÇÃO
I
NTRÍNSECA DE
H
ARMÔNICOS PARA OS
R
EATORES
S
ATURADOS
.................................................................................................... 28
2.6 C
ONSIDERAÇÕES
F
INAIS
.................................................................................................. 34
P
ROTÓTIPO DE
R
EATOR
S
ATURADO EM
E
SCALA
R
EAL
......................................................... 35
3.1 C
ONSIDERAÇÕES
I
NICIAIS
................................................................................................ 35
3.2 D
ETALHES SOBRE O
P
ROTÓTIPO DE
R
EATOR EM
E
SCALA
R
EAL
....................................... 35
3.3 T
ESTES
I
NICIAIS DO
P
ROTÓTIPO EM
F
ÁBRICA
................................................................... 44
3.4 C
ONSIDERAÇÕES
F
INAIS
.................................................................................................. 45
E
NSAIOS DO
P
ROTÓTIPO DO
R
EATOR A
N
ÚCLEO
S
ATURADO EM
C
AMPO
............................. 46
4.1 C
ONSIDERAÇÕES
I
NICIAIS
................................................................................................ 46
4.2 E
QUIPAMENTOS DE
M
EDIÇÃO
.......................................................................................... 47
4.3 I
NSTALAÇÃO
F
ÍSICA DO
R
EATOR
...................................................................................... 51
4.4 R
ESULTADOS
O
BTIDOS
.................................................................................................... 55
4.4.1 – Desempenho elétrico durante o processo transitório de energização ...................... 55
4.4.2 – Desempenho elétrico em operação contínua ............................................................ 56
ix
4.4.2.1 – Resultados obtidos com o reator no tap 1:
.................................................... 57
4.4.2.2 – Resultados obtidos com o reator no tap 2:
.................................................... 63
4.4.2.3 – Resultados obtidos com o reator no tap 3:
.................................................... 69
4.4.3 – Desempenho térmico ................................................................................................. 74
4.4.4 – Desempenho quanto ao ruído ................................................................................... 76
4.5 A
NÁLISE DAS
M
EDIÇÕES
.................................................................................................. 77
4.6 C
ONSIDERAÇÕES
F
INAIS
.................................................................................................. 81
C
ONCLUSÕES
G
ERAIS
.............................................................................................................. 83
R
EFERÊNCIAS
B
IBLIOGRÁFICAS
.............................................................................................. 87
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Representação de 2 (duas) barras interligadas por uma linha de
transmissão. ............................................................................................................................. 23
Figura 2.2 – Característica da potência transferida da barra “s” para a barra “r” em
função do ângulo de carga δ
δδ
δ
sr
(sem compensação). ............................................................. 24
Figura 2.3 – Diagrama esquemático e características V x I de um compensador estático
tipo reator saturado ................................................................................................................ 27
Figura 2.4 – Reator trifásico:................................................................................................. 29
Figura 2.5 – Esquema de conexão de um reator de 6 ( seis) unidades: ............................. 31
(a) Conexão série; (b) Conexão paralela............................................................................... 31
Figura 2.6 – Diagrama fasorial do reator de 6 (seis) unidades: ........................................ 32
Figura 3.2 – Vista superior do protótipo (cotas em milímetros). ....................................... 37
Figura 3.3 – Vista frontal do protótipo (cotas em milímetros). .......................................... 38
Figura 3.4 – Vista lateral do protótipo (cotas em milímetros). .......................................... 39
Figura 3.5 – Arranjo físico para as bobinas e núcleos. ....................................................... 41
Figura 3.6 – Protótipo de reator twin-tripler em sua forma final. ..................................... 42
Figura 3.7 – Reator twin-tripler na subestação de testes – vista 1. .................................... 42
Figura 3.8 – Reator twin-tripler na subestação de testes – vista 2. .................................... 43
Figura 3.9 – Reator twin-tripler na subestação de testes – vista 3. .................................... 43
Figura 4.1 – TC e TPI usados nos testes. .............................................................................. 47
Figura 4.2 – Para Raios para proteção do Reator. .............................................................. 48
Figura 4.3 – Registrador de Perturbações. .......................................................................... 48
xi
Figura 4.4 - (a) Clamps de corrente 1000A/1 V; (b) Equipamento de medição e registro.
.................................................................................................................................................. 50
Figura 4.5– Termômetro Digital. .......................................................................................... 50
Figura 4.6 – Decibelímetro Digital. ....................................................................................... 51
Figura 4.7 – Diagrama Unificar da SE Coxipó. ................................................................... 52
Figura 4.8 – Vista 1 do reator instalado na subestação Coxipó. ........................................ 53
Figura 4.9 – Vista 2 do reator instalado na subestação Coxipó. ....................................... 53
Figura 4.10 –Variação das tensões e das correntes de energização do reator saturado. . 55
Figura 4.11 – Relação entre a potência reativa e a tensão aplicada no reator - tap 1. ..... 57
Figura 4.12 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 1.1. ...................................... 58
Figura 4.13 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 1.1. ........................... 58
Figura 4.14 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 1.2. ...................................... 59
Figura 4.15 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 1.2. ........................... 60
Figura 4.16 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 1.3. ...................................... 61
Figura 4.17 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 1.3. ........................... 61
Figura 4.18 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 1.4. ...................................... 62
Figura 4.19 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 1.4. .......................... 63
Figura 4.20 – Relação entre a Potência Reativa e a Tensão para o tap 2. ......................... 63
Figura 4.21 - Formas de onda das tensões e correntes - caso 2.1. ...................................... 64
Figura 4.22 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 2.1. ........................... 65
Figura 4.23 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 2.2. ...................................... 66
Figura 4.24 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 2.2. ........................... 66
xii
Figura 4.25 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 2.3. ...................................... 67
Figura 4.26 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 2.3. ........................... 68
Figura 4.27 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 2.4. ...................................... 69
Figura 4.28 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 2.4. ........................... 69
Figura 4.29 – Relação entre a Potência Reativa e a Tensão para o tap 3. ......................... 70
Figura 4.30 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 3.1. ...................................... 71
Figura 4.31 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 3.1. ........................... 71
Figura 4.32 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 3.2. ...................................... 72
Figura 4.33 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 3.2. ........................... 73
Figura 4.34 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 3.3. ...................................... 74
Figura 4.35 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 3.3. ........................... 74
Figura 4.36 - Medição de temperatura ................................................................................. 75
Figura 4.37 - Medição de ruído. ............................................................................................ 76
Figura 4.38 – Relação entre a Potência Reativa e a Tensão para os tap´s 1,2 e3. ............. 81
xiii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Características físicas finais do reator saturado. .................................................. 36
Tabela 4.1 – Casos estudados para a operação em regime. ...................................................... 56
Tabela 4.2 – Grandezas e valores para o caso 1.1. ................................................................... 57
Tabela 4.3 – Grandezas e valores para o caso 1.2. ................................................................... 59
Tabela 4.4 – Grandezas e valores para o caso 1.3. ................................................................... 60
Tabela 4.5 – Grandezas e valores para o caso 1.4. ................................................................... 62
Tabela 4.6 – Grandezas e valores para o caso 2.1. .................................................................. 64
Tabela 4.7 – Grandezas e valores para o caso 2.2. ................................................................... 65
Tabela 4.8 – Grandezas e valores para o caso 2.3. ................................................................... 67
Tabela 4.9 – Grandezas e valores para o caso 2.4. ................................................................... 68
Tabela 4.10 – Grandezas e valores para o caso 3.1. ................................................................. 70
Tabela 4.11 – Grandezas e valores para o caso 3.2. ................................................................. 72
Tabela 4.12 – Grandezas e valores para o caso 3.3. ................................................................. 73
Tabela 4.13 – Medições de temperatura. .................................................................................. 75
Tabela 4.14 – Distorção Harmônica de Corrente. .................................................................... 78
Capítulo I – Introdução
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
14
CAPÍTULO I
I
NTRODUÇÃO
1.1 C
ONSIDERAÇÕES
I
NICIAIS
A operação dos sistemas elétricos deve garantir aos seus clientes índices de
qualidade dentro de padrões internacionalmente estabelecidos, especialmente
quanto ao nível de tensão dos barramentos onde as cargas são ligadas. Para isso,
os estudos de planejamento e operação devem levar em consideração o controle
dos níveis de tensão, em faixas cada vez mais estreitas, de forma a garantir os
valores próximos do nominal ou do nível contratado, o que pode ser feito por
intermédio do controle do fluxo da potência reativa.
No contexto da compensação de reativos, como é amplamente conhecido,
existe um expressivo número de soluções compreendendo desde as mais
tradicionais, que empregam capacitores em derivação, até os dispositivos que
utilizam as mais modernas técnicas da eletrônica, como é o caso dos
controladores conhecidos por Unified Power Flow Controller - UPFC’s.
Para algumas necessidades específicas, tais como áreas com baixa
densidade populacional e grande aleatoriedade de consumo, como as
encontradas em muitas linhas rurais, o uso de compensadores eletrônicos
embora se constitua numa solução tecnicamente atrativa traz, conjuntamente,
Capítulo I – Introdução
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
15
inconvenientes atrelados com maiores requisitos quanto a: manutenção, custos
de investimento, etc. Essa situação, com certeza, resulta no fato de que as
soluções eletrônicas possam se mostrar de pequena viabilidade para tais
aplicações.
Diante desse quadro, o desafio consiste em encontrar alternativas mais
simples por intermédio de dispositivos que ofereçam vantagens como: baixo
custo, manutenção reduzida, suportabilidade às intempéries e desempenho
técnico adequado. Nesse aspecto, surge a idéia de se utilizar um dispositivo
eletromagnético, já empregado no início dos anos 60, quando a tecnologia dos
semicondutores era ainda incipiente. Esse dispositivo, enquadrado como um
equipamento pertencente aos recursos da compensação estática fundamenta-se
numa combinação de um núcleo magnético com características e enrolamentos
especiais constituindo um reator e um conjunto de capacitores em série e
paralelo. Esse conjunto resulta no conhecido Compensador Estático a Reator a
Núcleo Saturado - CERNS. Como esclarece a literatura, tal arranjo oferece
regulação apropriada para a tensão, tempo reduzido de resposta, robustez e baixa
manutenção, como anteriormente posto. Essas características, adicionadas ao
custo competitivo em comparação às alternativas eletrônicas, tornam esse
dispositivo atrativo para uso em sistemas elétricos com as características
mencionadas anteriormente.
Focando o princípio operacional dessa filosofia de equipamento, ressalta-se
que esse tipo de compensador estático se diferencia bastante dos baseados na
eletrônica, pois não emprega tiristores e qualquer sistema de controle para
cumprir sua função básica. O reator tem o seu núcleo de forma fechada como de
um transformador, sem enrolamento de potência no secundário.
O funcionamento do CERNS baseia-se na premissa que a potência reativa
consumida pelo conjunto formado pelo compensador (reator+capacitor) e a
carga deve, idealmente, ser constante. Havendo uma variação na carga, a
corrente no reator do compensador também é modificada, sendo mínima à plena
Capítulo I – Introdução
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
16
carga e máxima na condição a vazio. Por isso, diz-se que a sua reatância é auto-
ajustável e não necessita de equipamentos de controle [1].
1.2 E
STADO DA
A
RTE
A utilização do reator a núcleo saturado já é conhecida no âmbito dos
compensadores estáticos. Várias pesquisas já foram realizadas e resultaram em
publicações cujos resultados do levantamento bibliográfico efetuado são
relatados a seguir.
A tecnologia de reatores saturados de múltiplos núcleos foi desenvolvida
pela GEC (General Electric Company – Inglaterra) durante a segunda guerra
mundial com a finalidade principal de ser empregada como multiplicador de
freqüência e gerador de trens de pulsos. O uso final estava direcionado para a
alimentação de uma grade de controle para retificadores formados por válvulas
de mercúrio [2], [3], [4], [5].
A capacidade de um reator saturado de múltiplos núcleos em manter sua
tensão terminal praticamente constante só foi aproveitada posteriormente. O
primeiro compensador estático com emprego de reatores saturados resultou num
equipamento de exagerado peso e volume, assim como também um desempenho
precário devido à baixa qualidade do material magnético empregado. Várias
pesquisas voltadas ao desenvolvimento de materiais magnéticos com
propriedades superiores foram então realizadas. Isso produziu núcleos
magnéticos de alta qualidade, com destaque a um ciclo de histerese quase que
retangular. Com isso foi possível a construção de reatores a núcleo saturado de
alta eficiência, confiabilidade e elevada expectativa de vida [6]. As primeiras
aplicações comerciais aconteceram na década de 60 e focaram, sobretudo, o
controle da flutuação de tensão, principalmente em indústrias siderúrgicas [13].
Na seqüência, várias outras formas de utilização, inclusive em sistemas
Capítulo I – Introdução
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
17
elétricos, foram registradas. Uma das mais importantes foi no sistema de
transmissão de corrente contínua Cross Chanel ligando a Inglaterra à França [7].
A fabricação de compensadores estáticos com reatores saturados pela GEC
permaneceu por um período de mais de 30 anos, ao longo dos quais foram
fornecidos cerca de 36 equipamentos para vários tipos de aplicações em
sistemas industriais [2], [7], [8], [9], [10], [11] e empresas do setor elétrico [12],
[18], [19] e [20]. Posteriormente, a GEC transferiu essa tecnologia para outra
empresa, passando a fabricar apenas compensadores estáticos controlados por
tiristores. De acordo com as referências [14] e [15], foram fabricados e
instalados na Austrália outros equipamentos de compensação de reativos a
núcleo saturado.
Os conceitos e princípios básicos sobre o funcionamento dos
compensadores a reator a núcleo saturado são discutidos em [16], [20], [21],
[22] e [23]. Observa-se que as publicações indicam preocupações quanto à
injeção de harmônicos [18] e [19] no sistema por parte dos compensadores a
reator a núcleo saturado, resultando em variadas topologias para os mesmos.
Para minimizar esse fato foram definidos os tipos de reatores denominados twin-
tripler (12 pulsos) ou treble-tripler (24 pulsos) [2], [14], [15], [17], [18], [19],
[20] e [22].
Por fim, vale relatar que, muito embora o grande número dos documentos
supra mencionados, observa-se a escassez de uma bibliografia voltada para as
questões de projeto e construção dos reatores saturados, a não ser pelos
trabalhos produzidos pela equipe de pesquisas formada por membros
pertencentes à Universidade Federal de Uberlândia em conjunto com a
Universidade Federal do Mato Grosso.
Procurando romper as dificuldades próprias do processo da fabricação, os
primeiros passos conhecidos em nível nacional, podem ser identificados nas
referências [25], [26], [27] e [28]. Esses trabalhos relatam a construção de
protótipos e também produtos em escala real. Não obstante os esforços feitos, os
Capítulo I – Introdução
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
18
documentos esclarecem as dificuldades encontradas, principalmente no que
tange às questões térmicas. De fato, um dos primeiros equipamentos testados,
em campo, muito embora o bom desempenho obtido quanto à sua operação
eletromagnética, indicou temperaturas inadmissíveis pelos materiais
componentes e subseqüentes danos no protótipo. Não obstante a isso, ressalta-
se que tais desenvolvimentos marcaram, dentro do contexto nacional, uma
retomada às questões de projeto e construção do produto em pauta.
1.3 C
ONTRIBUIÇÕES DESTA
D
ISSERTAÇÃO
Dentro do tema geral associado com os conceitos, projeto, fabricação e
operação dos compensadores estáticos de reativos fundamentados na tecnologia
do reator a núcleo saturado, ainda existem grandes questionamentos a serem
respondidos e, dentro desse contexto, esta dissertação, somada aos esforços
conduzidos numa pesquisa paralela de doutorado: “Determinação dos
Parâmetros de Compensadores Estáticos de Reativos e Estratégia para o
Projeto Otimizado de Reatores Saturados, de Jackson Marques Pacheco”
objetiva contribuir com os seguintes pontos:
• Avaliar as condições operativas de um protótipo de reator a núcleo
saturado em escala real, com destaque ao seu desempenho transitório de
energização e operação contínua;
• Analisar o funcionamento do reator sob diversas situações para a tensão
de suprimento e sua correlação com o consumo de potência reativa,
geração de correntes harmônicas, etc;
• Investigar o comportamento térmico do protótipo durante seu
funcionamento contínuo e em sobrecarga;
• Verificar os níveis de ruídos produzidos pelo reator quando de sua
operação sob condições de saturação; e
Capítulo I – Introdução
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
19
• Contribuir para o estabelecimento de medidas orientativas ao domínio
da tecnologia da fabricação de um produto, em consonância com as
necessidades técnicas e restrições operativas determinadas pela
regulamentação aplicável.
1.4 E
STRUTURA DA
D
ISSERTAÇÃO
Em consonância com o exposto, além do presente capítulo introdutório,
esta dissertação é desenvolvida obedecendo à seguinte estrutura:
Capítulo II E
STRATÉGIAS
P
ARA
O
C
ONTROLE
D
E
T
ENSÃO
E
M
S
ISTEMAS
E
LÉTRICOS
Este capítulo tem por objetivo abordar, de forma geral, a
compensação reativa e o significado do controle de tensão
para os sistemas elétricos de potência, especialmente, por
meio de compensadores estáticos que utilizam um reator a
núcleo saturado.
Capítulo III P
ROTÓTIPO
D
E
R
EATOR
S
ATURADO
E
M
E
SCALA
R
EAL
Esta unidade da dissertação destina-se a apresentar o
protótipo do reator a núcleo saturado e os
testes iniciais em
fábrica.
Capítulo I – Introdução
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
20
Capítulo IV
E
NSAIOS DO
P
ROTÓTIPO DO
R
EATOR A
N
ÚCLEO
S
ATURADO EM
C
AMPO
Este capítulo está direcionado à avaliação de desempenho
do protótipo de reator a núcleo saturado quando submetido a
diversas condições reais de operação em campo. São
focados aspectos relacionados com os transitórios de
energização, formas de onda das correntes, potências
reativas, temperatura de operação, ruídos, etc.
Capítulo V
C
ONCLUSÕES
G
ERAIS
Este capítulo contempla análises e discussões sobre os
principais resultados e constatações finais atrelados com os
objetivos maiores desta dissertação.
Capítulo II – Estratégias para o Controle de Tensão em Sistemas Elétricos
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
21
CAPÍTULO II
E
STRATÉGIAS PARA O
C
ONTROLE DE
T
ENSÃO EM
S
ISTEMAS
E
LÉTRICOS
2.1 C
ONSIDERAÇÕES
I
NICIAIS
Os modernos conceitos vinculados com a operação dos sistemas elétricos
incluem várias questões relacionadas com os indicadores de qualidade. Desses
destaca-se, sobremaneira, os níveis das tensões, os quais se encontram
regulamentados por portarias ou outros processos de regulamentação da matéria.
De um modo especial reconhecem-se, na atualidade, os esforços conduzidos
pela ANEEL no sentido do estabelecimento das diretrizes previstas pelo
PRODIST (Procedimentos da Distribuição).
Se, de um lado cresce a relevância do assunto no que tange à observância
dos padrões regulamentados, de outro, aumenta a demanda de potência
requerida e seus subseqüentes impactos sobre as redes elétricas. Fatos como
esses tem levado os especialistas a tratar o controle da potência reativa e da
tensão com mais rigor, principalmente em sistemas elétricos com características
radiais e com cargas de grande sazonalidade.
Diante desse quadro, os estudos de planejamento e operação devem levar
em consideração o controle dos níveis de tensão em faixas cada vez mais
estreitas de forma a garantir os valores próximos do nominal ou de referência,
Capítulo II – Estratégias para o Controle de Tensão em Sistemas Elétricos
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
22
ou ainda, do valor contratado. Isso pode ser feito por intermédio de diversos
mecanismos, dentre os quais, ressalta-se o controle do fluxo da potência reativa.
Nesse contexto reconhece-se que, ao longo dos anos, inúmeras soluções se
apresentam como estratégias apropriadas aos fins aqui almejados. Dentre as
propostas comercialmente disponíveis no mercado destacam-se as mais simples
e tradicionais que empregam bancos de capacitores fixos em derivação, até as
soluções fundamentadas nas modernas técnicas da eletrônica, como é o caso dos
controladores unificados que empregam conversores de freqüência e sofisticados
arranjos de controle.
Em linhas gerais, as técnicas de compensação reativa dos sistemas elétricos
de potência são explanadas neste capítulo, destacando-se, de modo pontual, os
conceitos sobre os compensadores estáticos a reator a núcleo saturado.
2.2 C
ARACTERÍSTICAS DE
O
PERAÇÃO DOS
S
ISTEMAS
E
LÉTRICOS
DE
P
OTÊNCIA
A maioria dos atuais sistemas elétricos de potência opera com
compensações de reativos fixas ou chaveadas mecanicamente [24], juntamente
com transformadores reguladores de tensão a fim de otimizar a impedância da
linha, minimizar as variações de tensão em regime permanente ou em condições
de lentas variações de carga.
A fim de melhor visualizar a necessidade da compensação reativa, veja o
sistema de transmissão simplificado da figura 2.1.
Capítulo II – Estratégias para o Controle de Tensão em Sistemas Elétricos
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
23
Figura 2.1 – Representação de 2 (duas) barras interligadas por uma linha de transmissão.
O fluxo de potência nessa linha, desprezando-se a resistência, é dado em
função do ângulo de carga, da magnitude das tensões nos terminais e da
impedância da linha, como mostra a equação (2.1).
s r
sr
L
V V
P= sen
δ
X
(2.1)
onde:
P –
Potência que flui da barra “s” para a barra “r”;
V
s
–
Magnitude da tensão na barra “s”;
V
r
–
Magnitude da tensão na barra “r”;
δ
sr
–
Ângulo de carga (
θ
s
–
θ
r
);
θ
s
–
Ângulo de fase da tensão V
s
;
θ
r
–
Ângulo de fase da tensão V
r;
e
X
L
–
Impedância da linha.
Verifica-se então que, não havendo controle algum sobre tais parâmetros, o
comportamento da potência elétrica que flui da barra “s” para a barra “r” em
função do ângulo de carga
δ
sr
obedece à curva apresentada na figura 2.2.
Capítulo II – Estratégias para o Controle de Tensão em Sistemas Elétricos
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
24
Figura 2.2 – Característica da potência transferida da barra “s” para a barra “r” em função do ângulo de
carga
δ
δδ
δ
sr
(sem compensação).
Da figura 2.2 observa-se que a máxima potência está associada ao ângulo
de carga de 90º, e uma elevação desse ângulo, causada pelo aumento do
carregamento da linha, implica na instabilidade do sistema de transmissão.
Verifica-se, também, na equação (2.1), que uma alteração nos parâmetros
das linhas de transmissão permite obter um melhor aproveitamento das mesmas.
Diante disso, pode-se ressaltar que a compensação reativa paralela e/ou
série para o controle do fluxo de potência proporciona os seguintes benefícios:
• Melhor controle do fluxo de potência;
• Aumento na capacidade de transporte das linhas de transmissão até as
proximidades do seu limite;
• Menor impacto ambiental comparado com outras técnicas alternativas
de expansão do sistema de transmissão;
• Maior possibilidade de transferência de potência entre redes interligadas
e a conseqüente diminuição da margem de reserva de geração; e
Capítulo II – Estratégias para o Controle de Tensão em Sistemas Elétricos
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
25
• Amortecimento das oscilações dos sistemas de potência que podem
causar danos a equipamentos e/ou limitar a capacidade de transmissão
do sistema.
2.3 C
ONTROLE DO
F
LUXO DE
P
OTÊNCIA POR MEIO DE
C
OMPENSADORES DE
R
EATIVOS
Focando, especificamente, os compensadores de reativos, dentro dos
princípios básicos que norteiam tais dispositivos, esses podem ser agrupados em
3 (três) categorias, de acordo com as suas finalidades e conexão ao sistema. São
elas:
• Equipamentos para compensação paralela;
• Equipamentos para compensação série; e
• Equipamentos defasadores.
Além disso, o universo dos compensadores engloba recursos diversos que
proporcionam a ação final desejada e, diante desse quadro, reconhece-se, dentre
outras filosofias, o conjunto de dispositivos dinâmicos a exemplo dos:
compensadores com controle e/ou chaveamento tiristorizados; compensadores
com reatores a núcleo saturado; e compensadores que utilizam a tecnologia
eletrônica dos conversores PWM.
Aqueles fundamentados no princípio da saturação magnética correspondem
aos dispositivos focados nesta dissertação e, por tal motivo, serão detalhados nas
análises subseqüentes.
Capítulo II – Estratégias para o Controle de Tensão em Sistemas Elétricos
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
26
2.4 C
OMPENSADORES
E
STÁTICOS A
R
EATOR A NÚCLEO
S
ATURADO
–
CERNS
Para as situações em que o nível de exigência não determina um controle
tão refinado para as tensões, porém oferecendo desempenhos condizentes com a
legislação aplicável, o desafio consiste em encontrar soluções mais simples, de
menor custo de investimentos e manutenção, sem se esquecer do quesito
atrelado com o desempenho técnico adequado. Nesse aspecto, surge como já
mencionada, a idéia do emprego de uma tecnologia fundamentada tão apenas em
princípios eletromagnéticos, similarmente aos transformadores. Essa estratégia
já foi empregada no passado quando a tecnologia dos semicondutores era ainda
incipiente.
O dispositivo fundamenta-se numa combinação de um núcleo magnético
com características e enrolamentos especiais constituindo um reator e um
conjunto de capacitores em paralelo. Complementa-se com um capacitor, ligado
em série com o reator, para atuar no estatismo do núcleo magnético, ajustando
sua curva de saturação. O arranjo, assim caracterizado, foi designado, no inicio
dos anos 60, por Compensador Estático a Reator a Núcleo Saturado – CERNS.
O equipamento assim obtido oferece como vantagens inerentes ao
princípio funcional as seguintes propriedades: regulação apropriada para a
tensão, reduzido tempo de resposta, robustez e baixa exigência de manutenção.
Essas características, adicionadas ao baixo custo em comparação às alternativas
eletrônicas, evidenciam um compensador dinâmico de reativo bastante atrativo
para uso em sistemas elétricos com as características mencionadas
anteriormente.
Como ressaltado, esse tipo de compensador estático se diferencia
substancialmente dos equipamentos que utilizam a eletrônica de potência como
tecnologia de base. De fato, o equipamento em pauta não emprega qualquer tipo
Capítulo II – Estratégias para o Controle de Tensão em Sistemas Elétricos
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
27
de semicondutor para os chaveamentos e não exige qualquer sistema de controle
para exercer sua função básica. O funcionamento do equipamento fundamenta-
se no fato de que, havendo variações da tensão nos terminais do mesmo,
ocorrerá alteração de suas características operacionais de forma a contribuir para
a restauração do nível de tensão. Quando da ocorrência de reduções dessa
grandeza, o reator funciona numa condição tal a absorver um valor reduzido de
potência reativa e diante dessa situação o banco de capacitores em paralelo
assume papel predominante na questão da potência reativa. Em caso contrário,
isto é, uma vez manifestada uma elevação da tensão, o reator é conduzido a um
nível maior de saturação e, sob tais circunstâncias, a potência reativa indutiva
passa a ser preponderante. Enfim, o processo se comporta como se houvesse um
controle inerente ao dispositivo que o adapta às distintas condições impostas
pelas tensões do barramento, o que confere ao produto um desempenho
dinâmico similar aquele obtido com os compensadores eletrônicos.
O conjunto final obtido, qual seja, o Compensador Estático de Reativos a
Núcleo Saturado (CERNS), encontra-se esquematicamente indicado (domínio
do tempo) na figura 2.3, a qual apresenta, também, sua curva operativa típica
(domínio da freqüência).
Figura 2.3 – Diagrama esquemático e características V x I de um compensador estático tipo reator saturado
Capítulo II – Estratégias para o Controle de Tensão em Sistemas Elétricos
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
28
Na figura 2.3 tem-se:
i(t) –
Corrente no ramo entre o CERNS e o sistema CA;
v(t) –
Tensão nos terminais trifásicos do CERNS;
v
R
(t) –
Tensão nos terminais do reator;
i
C
(t) –
Corrente no ramo do capacitor shunt;
v
CS
(t)
–
Tensão nos terminais do capacitor colocado em série com o reator
a núcleo saturado;
L –
Indutância do reator a núcleo saturado;
i
R
(t) –
Corrente no reator a núcleo saturado;
Cp –
Capacitância do capacitor em paralelo; e
Cs –
Capacitância do capacitor série.
2.5 A
RRANJO
E
LETROMAGNÉTICO E
C
OMPENSAÇÃO
I
NTRÍNSECA
DE
H
ARMÔNICOS PARA OS
R
EATORES
S
ATURADOS
Um reator saturado, embora capaz de promover a compensação de reativos
e controlar a tensão, tem a desvantagem de introduzir apreciáveis níveis de
correntes harmônicas no sistema ao qual se encontra conectado. Objetivando
atenuar tais efeitos negativos, foram desenvolvidas várias configurações de
dispositivos trifásicos, visando reduzir o conteúdo harmônico das correntes.
O dispositivo trifásico mais simples consiste de 3 (três) reatores saturados
monofásicos conectados em estrela e com o ponto comum ligado ao neutro,
conforme mostra a figura 2.4(a). O arranjo pode ser visto como 3 (três) circuitos
básicos independentes. Nessa condição, as componentes ímpares se manifestam
nas formas de onda das correntes para cada fase, não trazendo qualquer ganho
Capítulo II – Estratégias para o Controle de Tensão em Sistemas Elétricos
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
29
em relação à atenuação da distorção harmônica. Todavia, a mera desconexão do
neutro do reator (ou terra) do sistema resulta em expressivos ganhos para essa
atenuação. Essa configuração está atrelada ao arranjo da figura 2.4(b).
Figura 2.4 – Reator trifásico:
(a) Ponto comum-estrela conectado ao neutro;
(b) Ponto comum-estrela não conectado ao neutro.
Utilizando-se o diagrama do circuito da figura 2.4(b), isto é, o ponto
comum-estrela isolado, os harmônicos triplos são excluídos pelo sistema
trifásico. Cada unidade opera sobre as mesmas leis físicas, como uma unidade
isolada, mas restritas aos seus limites físicos. A tensão trifásica fornecida, para
fins das análises e constatações feitas a seguir, deve ser considerada equilibrada
e com valor suficiente para levar as unidades à saturação. Dentro dessas
hipóteses, as unidades do reator não são saturadas, a cada vez, por um período
de 180º / 3 = 60º, o que ocorre 2 (duas) vezes em cada ciclo da freqüência de
linha, mas são saturadas no restante do ciclo. O grupo assim formado provocará
correntes polifásicas com harmônicas da ordem n= (6K
±
1) = 5, 7, 11, 13, ...
Por esse motivo, a busca por soluções que venham a reduzir os níveis das
distorções harmônicas constitui-se em um tema de extrema relevância para o
domínio da tecnologia de construção de reatores saturados.
Capítulo II – Estratégias para o Controle de Tensão em Sistemas Elétricos
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
30
Experiências anteriores indicam que um reator de 6 (seis) unidades (ou
colunas magnéticas), formado por 2 (dois) arranjos físicos de reatores trifásicos,
constitui-se numa boa medida para se atingir esse objetivo. Essas 2 (duas)
estruturas físicas podem, ainda, ser conectadas em série ou paralelo, com cada
unidade operando sob as mesmas leis físicas que uma unidade isolada,
respeitados seus limites, os quais dependerão das disposições dos enrolamentos
de cada unidade e do tipo de conexão usado. No entanto, é certo afirmar que o
fluxo magnético em cada unidade e, conseqüentemente, a fem em cada
enrolamento, para todas as unidades, serão portadoras de componentes
harmônicas de ordem (6K
±
1) = 5, 7, 11, 13, 17, ... . Essa situação, como se
sabe, assume que o ponto comum-estrela ou os pontos do reator não são
conectados ao neutro do sistema de suprimento, e que, a tensão aplicada é
elevada o suficiente para levar os núcleos à saturação.
Fixando como objetivo a eliminação ou redução das componentes
harmônicas de linha de ordem 5° e 7°, pode-se, a princípio, imaginar 2 (duas)
soluções. Para o caso da conexão em série, a solução consiste em eliminar tais
componentes em cada um dos reatores trifásicos que perfazem o conjunto de 6
(seis) unidades. Para o caso da conexão em paralelo, a estratégia consiste em
manter as harmônicas em cada uma das unidades trifásicas individuais e
processar o cancelamento, quando da interligação das mesmas por meio de um
mecanismo de defasagem angular entre os equipamentos.
Objetivando atender aos propósitos supra mencionados, podem-se
reconhecer várias possibilidades de disposições de enrolamentos que asseguram
a operação simétrica das unidades. Uma delas consiste no uso de 2 (dois)
enrolamentos zig-zag com ângulo de 30° entre eles, conectados em série ou
paralelo, como ilustrado na figura 2.5. A técnica da compensação angular
encontra forte sustentação nas soluções clássicas empregadas pela eletrônica de
potência para a obtenção de sistemas retificadores de 12 pulsos, quando são
Capítulo II – Estratégias para o Controle de Tensão em Sistemas Elétricos
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
31
exigidas 2 (duas) unidades retificadoras supridas por intermédio de
transformadores defasados de 30°.
Figura 2.5 – Esquema de conexão de um reator de 6 ( seis) unidades:
(a) Conexão série; (b) Conexão paralela.
De modo a proporcionar a almejada defasagem de 30°, os enrolamentos são
projetados de acordo com o diagrama fasorial da figura 2.6(a), ou seja, com uma
razão de espiras
2
1
N
= 0,366
N
, assegurando assim uma família de 6 (seis)
ondas das fmm’s (forças magnetomotrizes) deslocadas de 30° uma da outra,
utilizando um conjunto de correntes trifásicas equilibradas. A fmm em cada
núcleo é a soma das fmm’s nos enrolamentos daquele núcleo. Assim sendo, F
1
será, por exemplo, dado pela soma de
1
A
N .I
, em fase com a corrente na fase A,
com
2
C
N .I
, em oposição de fase com a corrente na fase C. O diagrama fasorial
Capítulo II – Estratégias para o Controle de Tensão em Sistemas Elétricos
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
32
dos fluxos é exatamente o mesmo, mas atrasado de 90°, como mostra a figura
2.6(b).
Figura 2.6 – Diagrama fasorial do reator de 6 (seis) unidades:
(a) Fmm’s; (b) Fluxos;
(c) Tensão de fase para o ponto comum-estrela na conexão série;
(d) Tensão de fase para o ponto estrela-comum na conexão paralela.
Capítulo II – Estratégias para o Controle de Tensão em Sistemas Elétricos
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
33
A componente fundamental, assim como, os componentes harmônicos de
ordem 5º e 7º da tensão entre a fase A e o ponto comum-estrela (ou pontos) são
mostrados na figura 2.6(c) e (d) para as conexões série e paralela,
respectivamente. Para a conexão série, por exemplo, a tensão V
AX
é a soma das
fmm’s
(
)
da forma
d
N
dt
ϕ
nos enrolamentos a, b, c, e d indicados na figura
2.5(a). Considerando a corrente I
A
como referência, a componente fundamental
da tensão
1
a 1
d
V = N
dt
ϕ
está adiantada de 90° de
Φ
1
, por conseguinte, em fase
com F
1
e atrasada 15° de I
A
. O 5º e o 7º harmônico desta tensão estão atrasados
de I
A
por 15° x 5 = 75° e 15° x 7 = 105° de I
A
, respectivamente. A componente
fundamental da tensão
2
b 2
d
V = N
dt
ϕ
está em oposição de fase com F
2
e, por
conseguinte, adiantada 45° de I
A
e o 5º e o 7º harmônicos estão adiantados de
45° x 5 = 225° e 45° x 7 = 315° de I
A
, respectivamente. O mesmo procedimento
pode ser aplicado às outras tensões.
Do exposto segue que o 5º e o 7º harmônico de tensão são nulos na
conexão série, e o mesmo ocorrendo com as correntes no reator e nas linhas.
Essa propriedade confere a designação de um equipamento de 12 pulsos, como
tradicionalmente ocorre para o caso de unidades retificadoras que apresentam o
mesmo conteúdo harmônico supra mencionado.
Na conexão paralela as tensões do reator apresentam o 5º e o 7º harmônico,
sendo que um desempenho similar se observa para as correntes do reator. No
entanto, esses harmônicos estão em oposição fase em cada zig-zag, e, por
conseguinte, cancelam-se na interligação. As correntes de linha não apresentam,
portanto, o 5º e o 7º harmônico.
Capítulo II – Estratégias para o Controle de Tensão em Sistemas Elétricos
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
34
2.6 C
ONSIDERAÇÕES
F
INAIS
O presente capítulo, de caráter informativo, foi desenvolvido no sentido de
proporcionar uma visão geral a respeito da compensação reativa por meio de
compensadores estáticos a reator a núcleo saturado.
Para tanto, inicialmente foram apresentados os conceitos da operação dos
sistemas elétricos de potência associados ao indicador da qualidade do nível de
tensão e a necessidade de aplicação da filosofia de compensação de reativos.
Também foram evidenciadas as características de operação dos sistemas
elétricos, constatada a possibilidade do controle do fluxo de potência por meio
da compensação reativa e destacados os benefícios alcançados com essa medida.
Em seguida foram apresentados os princípios de operação dos
compensadores no controle do fluxo de potência e apresentados os tipos de
equipamentos de compensação reativa dos sistemas elétricos.
De modo especial foi apresentado o compensador estático a reator a núcleo
saturado (CERNS) e descritos os seus principais aspectos na compensação de
reativos e evidenciada a sua forma de atuação, já que se trata do equipamento
cujo princípio está baseado na operação de um reator de núcleo saturado, cuja
análise experimental de um protótipo em campo é objeto desta dissertação.
Finalmente foram apresentadas as possibilidades de arranjos dos
enrolamentos dos reatores para assegurar uma operação simétrica na unidade
com a devida redução do conteúdo harmônico associado com as correntes de
linha.
Por tais motivos surge a versão comercial formada por reatores de 6 (seis)
unidades, qual seja, o twin-tripler estudado neste capítulo. Esse equipamento
apresenta uma melhor forma de onda da corrente de linha, sendo que essas
correntes contêm somente harmônicas de ordem (12K ± 1), comportando-se de
modo similar aos arranjos de 12 pulsos tão conhecidos da eletrônica de potência.
Capítulo III – Protótipo de Reator Saturado em Escala Real
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
35
CAPÍTULO III
P
ROTÓTIPO DE
R
EATOR
S
ATURADO EM
E
SCALA
R
EAL
3.1 C
ONSIDERAÇÕES
I
NICIAIS
Uma vez que as bases voltadas para a definição dos principais componentes
de um compensador estático de reativos, do pré-projeto de reatores saturados e,
finalmente, do projeto final de um protótipo em escala real de um reator
saturado constituíram-se em temas detalhadamente explorados em [29], esta
unidade da dissertação encontra-se direcionada tão apenas à apresentação do
produto final obtido e a sintetizar os testes iniciais de desempenho realizados no
âmbito da fábrica.
3.2 D
ETALHES SOBRE O
P
ROTÓTIPO DE
R
EATOR EM
E
SCALA
R
EAL
Fundamentado nas premissas e resultados fornecidos em [29], a tabela 3.1
resume as principais características elétricas e informações construtivas
Capítulo III – Protótipo de Reator Saturado em Escala Real
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
36
relacionadas com o reator projetado e focadas nas análises subseqüentes deste
trabalho.
Tabela 3.1 – Características físicas do reator saturado.
Item Característica
Potência 570 kVAr
Classe de tensão 15 kV
Freqüência
60 Hz
Fases 03
Número de taps 04
Peso do reator 4900 kg
Volume de óleo 1400 litros
Meio isolante Óleo mineral
Material dos enrolamentos Cobre eletrolítico
Núcleo
Aço silício GO-0,27 mm
Isoladores Porcelana
Comutador Acionamento externo
Tanque Confeccionado com aço carbono
Pintura Cor cinza claro padrão MUNSELL N6,5
Área do núcleo 198,02 cm
2
Caminho magnético médio 1962 mm
Número espiras superior 284
Número espiras inferior 104
Fator de empilhamento 0,967
Indução de saturação 1,7 T
As figuras 3.2, 3.3 e 3.4 são ilustrativas das dimensões definidas para o projeto
final do protótipo de reator.
Capítulo III – Protótipo de Reator Saturado em Escala Real
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
37
Figura 3.2 – Vista superior do protótipo (cotas em milímetros).
Capítulo III – Protótipo de Reator Saturado em Escala Real
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
38
Figura 3.3 – Vista frontal do protótipo (cotas em milímetros).
Capítulo III – Protótipo de Reator Saturado em Escala Real
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
39
Figura 3.4 – Vista lateral do protótipo (cotas em milímetros).
Capítulo III – Protótipo de Reator Saturado em Escala Real
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
40
As identificações feitas nas figuras anteriores correspondem aos
acessórios abaixo descriminados:
01 – Bucha AT
02 – Orelha de suspensão
03 – Válvula para drenagem de óleo
04 – Placa de Identificação
05 – Dispositivo de aterramento
06 – Estrutura de apoio para macaco
07 – Radiadores
08 – Tampa de inspeção
09 – Grampo de fixação
10 – Roda bidirecional
11 – Indicador externo de nível de óleo
12 – Válvula de alívio
13 – Termômetro
14 – Acionamento do comutador externo
De forma complementar, a figura 3.5 apresenta as informações
construtivas do núcleo do reator e das bobinas que formam o arranjo
eletromagnético do reator twin-tripler.
Capítulo III – Protótipo de Reator Saturado em Escala Real
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
41
Figura 3.5 – Arranjo físico para as bobinas e núcleos.
A figura 3.6 mostra o protótipo de reator após sua montagem final na
fábrica.
Capítulo III – Protótipo de Reator Saturado em Escala Real
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
42
Figura 3.6 – Protótipo de reator twin-tripler em sua forma final.
As figuras 3.7, 3.8 e 3.9 mostram 3 (três) vistas distintas do reator.
Figura 3.7 – Reator twin-tripler na subestação de testes – vista 1.
Capítulo III – Protótipo de Reator Saturado em Escala Real
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
43
Figura 3.8 – Reator twin-tripler na subestação de testes – vista 2.
Figura 3.9 – Reator twin-tripler na subestação de testes – vista 3.
Capítulo III – Protótipo de Reator Saturado em Escala Real
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
44
3.3 T
ESTES
I
NICIAIS DO
P
ROTÓTIPO EM
F
ÁBRICA
Uma vez concluídos os trabalhos de construção do protótipo de reator em
escala real, procedeu-se, dentro das limitações impostas pelo porte do
equipamento e das disponibilidades dos equipamentos de testes do fabricante,
aos seguintes testes em fábrica:
• Resistência de Isolamento: foram encontrados valores superiores a
100 MΩ entre as partes físicas testadas, às quais se aplicam a
avaliação em questão;
• Aplicação de tensão trifásica: face às limitações impostas pela fonte
de alimentação disponível na fábrica, foram aplicadas tensões
trifásicas que atingiram um valor eficaz de 10,35 kV (fase-fase).
Esse valor, como se constata, é inferior ao nominal do reator,
porém, qualquer tentativa acima desse patamar resultaria em uma
corrente de alimentação superior à disponibilidade da rede trifásica
disponível para os testes. Para esse nível de tensão obteve-se uma
corrente eficaz de 0,39 A, o que corresponde a uma absorção de
potência reativa de cerca de 7 kVAr (1,2% da potência nominal)
por parte do reator. Não obstante o baixo nível de tensão, as
correntes e potência se mostraram compatíveis com as expectativas;
• Foram também observadas as questões relacionadas com a
temperatura, o ruído, a estanqueidade e a outros aspectos, sem que
se constatasse qualquer anomalia. Todavia, um posicionamento
final sobre tais questões somente pode ser estabelecido com a
realização dos testes em campo, sob condições críticas de tensões.
Capítulo III – Protótipo de Reator Saturado em Escala Real
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
45
Os resultados obtidos na fábrica foram indicativos do bom desempenho
do protótipo no que tange ao seu isolamento e outras propriedades. Esse fato
orientou para o encaminhamento do reator para testes em campo.
3.4 C
ONSIDERAÇÕES
F
INAIS
Este capítulo foi dedicado à apresentação das principais características
elétricas dos reatores saturados e das dimensões físicas resultantes de uma
metodologia para dimensionamento de um protótipo de reator [29].
Além disso, foram também discutidos os resultados de testes preliminares
feitos no âmbito da fábrica do protótipo de reator saturado. Esses testes
evidenciaram que o produto obtido se apresenta dentro das expectativas e, diante
desse quadro, o equipamento foi instalado numa subestação da CEMAT, qual
seja a SE Coxipó, em Cuiabá – MT, para prosseguimento dos ensaios de
desempenho, conforme detalhado no capítulo IV.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
46
CAPÍTULO IV
E
NSAIOS DO
P
ROTÓTIPO DO
R
EATOR A
N
ÚCLEO
S
ATURADO EM
C
AMPO
4.1 C
ONSIDERAÇÕES
I
NICIAIS
O presente capítulo tem como objetivo analisar o desempenho do reator a
núcleo saturado de 570 kVAr – 13,8 kV por meio de ensaios de campo.
Os testes realizados e informações coletadas são de grande relevância para
a avaliação de desempenho do produto quanto aos seguintes pontos:
• Transitórios advindos dos processos de energização e abertura do
dispositivo;
• Correlação entre a tensão aplicada e a potência reativa;
• Determinação das componentes harmônicas;
• Análise do comportamento térmico em operação contínua;
• Verificação do nível de ruído produzido pelo reator durante o seu
funcionamento.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
47
4.2 E
QUIPAMENTOS DE
M
EDIÇÃO
Objetivando esclarecer sobre os recursos utilizados para a realização dos
trabalhos de campo destinados aos testes de desempenho do protótipo de reator,
apresentam-se, abaixo, os principais equipamentos empregados:
a) Transformadores de medição
Na conexão do reator foram instalados 3 (três) transformadores de
potencial (TP’s) e 3 (três) transformadores de corrente (TC’s), como mostrado
na figura 4.1.
Figura 4.1 – TC e TPI usados nos testes.
As características dos transformadores para instrumentos são:
• TC de 13,8kV: 25X50/50X100/5/5A, 0,3C100 e 10A200, FT=1,3;
• TPI de 13,8kV: 0,3P75-600VA, relação de 13.800/³/115/115/³V.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
48
b) Proteção contra sobretensões
Objetivando oferecer meios para proteger o reator contra sobretensões
passíveis de ocorrência durante os ensaios, foram instalados nas buchas do
reator 3 (três) pára-raios poliméricos de 12,5kV-10kA, ilustrados na figura 4.2.
Figura 4.2 – Para Raios para proteção do Reator.
c) Instrumentos registradores
Para o registro da variação das grandezas elétricas envolvidas no processo
da energização do equipamento foi utilizado o Registrador de Perturbações
modelo RPIV – R4 – 8 do fabricante REASON mostrado na figura 4.3.
Figura 4.3 – Registrador de Perturbações.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
49
Tal equipamento possui as seguintes características básicas:
• 4 entradas de tensão até 115 V ou 115/√3 V;
• 4 entradas de corrente até 5 A;
• 16 entradas digitais e 4 relés de sinalização;
• Disponibilização dos resultados dos registros quanto às formas de
onda, valores eficazes e ângulos de fase.
Para medição e análise das grandezas elétricas durante os testes em
operação de regime permanente foi utilizado o analisador de energia VIP –
System 3, fabricante Elcontrol mostrado na figura 4.4. Esse equipamento não
admite ajustes de escalas, conforme pode ser observado nos registros das formas
de onda de correntes e de tensões e de seus respectivos espectros harmônicos, e
possui:
• Capacidade para medir variações de tensão de até 600 Volts entre fase
e neutro com correntes de fase de até 1000 A em sistemas de baixa
tensão;
• Na função de analisador de energia, as medições efetuadas e
registradas (atualizadas a cada segundo) são: tensão, corrente, fator de
potência e potências trifásica total e individual para as 3 (três fases);
corrente de neutro, freqüência, rotação de fase; potências ativa
instantânea, média e máxima das 3 (três) fases e trifásica; potências
aparente instantânea, média e máxima das 3 (três) fases e trifásica;
potências reativa instantânea, média e máxima das 3 (três) fases e
trifásica; distorção harmônica percentual das 3 (três) fases e trifásica;
consumo de energia ativa e reativa, tgφ média e cosφ médio das 3
(três) fases e trifásica;
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
50
• Na função de analisador de harmônicos (uso do Black Box de
harmônicos) as medições efetuadas e registradas (atualizadas a cada
segundo) são: tensão, corrente, fator de potência e potências trifásica
total e individual para as três fases para diversas ordens harmônicas;
formas de onda de tensão e corrente individual para cada fase;
distorção harmônica de tensão e corrente.
(a) (b)
Figura 4.4 - (a) Clamps de corrente 1000A/1 V; (b) Equipamento de medição e registro.
Para as medições de temperatura foi utilizado um termômetro digital,
modelo 500, escala: -35°C à +500°C, resolução: 0,1°C, exatidão: +- 2%, do
fabricante Kiltherm, como ilustra a figura 4.5.
Figura 4.5– Termômetro Digital.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
51
Para as medições de ruído empregou-se um decibelímetro digital, modelo
MSL – 1325, escala: 32db a 130 db, resolução: 0,1 db, precisão: + - 1,5 db, do
fabricante MINIPA, indicado na figura 4.6.
Figura 4.6 – Decibelímetro Digital.
4.3 I
NSTALAÇÃO
F
ÍSICA DO
R
EATOR
Para a realização dos ensaios, o reator foi instalado na subestação
distribuidora Coxipó, em Cuiabá-MT, pertencente ao sistema elétrico da Cemat
– Centrais Elétricas Matogrossenses S.A., empresa controlada pela REDE
ENERGIA e responsável pela distribuição de energia elétrica no estado de Mato
Grosso. Essa subestação possui potência transformadora, de 138 kV para 13,8
kV, de 60 MVA, com 2 (dois) transformadores de 20/25/30 MVA. A subestação
Coxipó é responsável pelo suprimento de energia elétrica de parte da cidade de
Cuiabá por intermédio de 11 alimentadores de distribuição de 13,8 kV,
conforme diagrama unifilar da figura 4.7.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
52
Figura 4.7 – Diagrama Unificar da SE Coxipó.
O reator foi instalado em um espaço físico disponível nas proximidades do
barramento de 13,8 kV, utilizando-se dos equipamentos disponíveis para a
proteção (cubículo de proteção e medição) de um dos alimentadores (AL 05),
cuja carga havia sido transferida para outros alimentadores. A montagem feita é
ilustrada nas figuras 4.8 e 4.9.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
53
Figura 4.8 – Vista 1 do reator instalado na subestação Coxipó.
Figura 4.9 – Vista 2 do reator instalado na subestação Coxipó.
Reator
Saturado
Reator
Saturado
Cubículo de
proteção e
Medição
Alimentador
05
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
54
Os testes iniciais de energização foram realizados no dia 18/03/2007
(domingo), dia em que a carga é reduzida. Os ensaios foram também conduzidos
no dia 20/03/2007 (terça-feira) para verificar o comportamento do reator em
operação contínua e avaliar as questões associadas com aquecimentos e ruídos.
Numa primeira fase dos experimentos foi feita a energização do reator e obtidos
os dados relativos às tensões e correntes durante todo o período transitório até a
estabilização da corrente do dispositivo. Em seguida, para a realização dos testes
com variação de tensão, toda a carga atendida pela subestação foi transferida
para um dos barramentos de 13,8 kV (barra principal) e alimentada por apenas
um dos transformadores que compõem a subestação. Assim procedendo foi
possível a liberação de um transformador para o suprimento isolado do reator e,
dessa forma, tornou-se factível a realização dos ensaios de operação do
equipamento para distintos níveis de tensão. Vale observar que as alterações das
tensões foram viabilizadas por meio de alterações manuais do comando de tapes
do transformador dedicado aos testes.
Diante do exposto foram realizadas monitorações das seguintes grandezas:
• Tensões e correntes nas 3 (três) fases durante a energização e sob
condições normais de operação;
• Tensões e correntes nas três 3 (fases) para distintos valores de tensão;
• Potências reativas para distintas tensões;
• Temperaturas e ruídos associados com o funcionamento do reator.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
55
4.4 R
ESULTADOS
O
BTIDOS
Apresentam-se, na seqüência, os resultados e discussões dos registros
operacionais feitos em campo.
4.4.1 – Desempenho elétrico durante o processo transitório de
energização
As ondas de correntes e de tensões trifásicas de linha, desde o instante da
energização do reator até sua estabilização comportaram-se de forma adequada.
A figura 4.10 ilustra os perfis das tensões e correntes obtidas em valores
eficazes.
Figura 4.10 –Variação das tensões e das correntes de energização do reator saturado.
O fenômeno transitório produziu um perfil de corrente de energização
típico para reatores não-lineares e os valores registrados não revelam maiores
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
56
preocupações para com os níveis atingidos. De fato, esses valores mostram
proporções bastante inferiores aos padrões encontrados nos transitórios de
energização de transformadores convencionais. De modo análogo, não se
detectou qualquer anomalia significativa para as tensões de suprimento durante
esses períodos. Essas afirmativas são aplicáveis para os distintos tapes
empregados ou para distintos níveis de tensão de suprimento do equipamento.
4.4.2 – Desempenho elétrico em operação contínua
Para os testes operativos em regime contínuo, dentre uma grande gama de
ensaios, optou-se por apresentar e discutir nesta seção as situações sintetizadas
na Tabela 4.1.
Como se constata, estas avaliações compreendem:
• 3 (três) posições para os tapes do reator;
• Distintas tensões para o suprimento do reator (obtidas pela mudança
do tape do transformador de 138/13,8 kV), para cada um dos tapes
escolhidos para o reator.
Tabela 4.1 – Casos estudados para a operação em regime.
Caso Tap Características operacionais
1.1 1 Tensão de 13,2 kV
1.2 1 Tensão de 13,7 kV
1.3 1 Tensão de 13,8 kV
1.4 1 Tensão de 14,2 kV
2.1 2 Tensão de 12,5 kV
2.2 2 Tensão de 13,1 kV
2.3 2 Tensão de 13,9 kV
2.4 2 Tensão de 14,1 kV
3.1 3 Tensão de 13,1 kV
3.2 3 Tensão de 13,6 kV
3.3 3 Tensão de 13,7 kV
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Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
57
4.4.2.1 – Resultados obtidos com o reator no tap 1:
A figura 4.11 indica o desempenho do reator, ajustado no tap 1, quanto a
correlação entre a potência reativa e a tensão aplicada em seus terminais.
Figura 4.11 – Relação entre a potência reativa e a tensão aplicada no reator - tap 1.
Na seqüência são destacadas as formas de onda para as correntes de linha
para distintos valores de tensões. Todos os casos estão relacionados com a
operação do reator ajustado na posição de tap 1.
(i) – Reator no tap 1 - tensão de 13,2 kV – Caso 1.1:
A tabela 4.2 sintetiza as principais grandezas e respectivos valores obtidos
no ensaio.
Tabela 4.2 – Grandezas e valores para o caso 1.1.
Grandeza Valor
Tensão fase-fase 13,2 kV
Corrente de linha 5,1 A
Distorção total de corrente 12 %
Potência aparente 117,3 kVA
Potência reativa 114,8 kVAr
Perdas 8,3 kW
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
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58
As formas de onda das correntes de linha e das tensões nos terminais do
reator, assim como os correspondentes espectros de freqüência para as tensões e
correntes são destacados nas figuras 4.12 e 4.13.
Figura 4.12 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 1.1.
Figura 4.13 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 1.1.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
59
(ii) – Reator no tap 1 com tensão de 13,7 kV – Caso 1.2:
A tabela 4.3 indica as principais grandezas e respectivos valores obtidos
do ensaio em questão, o qual difere do anterior apenas pelo nível da tensão
aplicada.
Tabela 4.3 – Grandezas e valores para o caso 1.2.
Grandeza Valor
Tensão fase-fase 13,7 kV
Corrente de linha 14,3 A
Distorção total de corrente 15 %
Potência aparente 337,6 kVA
Potência reativa 328,1 kVAr
Perdas 16,7 kW
As formas de onda das correntes de linha e das tensões nos terminais do
reator, assim como os correspondentes espectros de freqüência para as tensões e
correntes são destacados nas figuras 4.14 e 4.15.
Figura 4.14 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 1.2.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
60
Figura 4.15 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 1.2.
(iii) – Reator no tap 1 com tensão de 13,8 kV – Caso 1.3:
Utilizando o valor nominal de 13,8 kV como tensão de suprimento, a
tabela 4.4 apresenta as principais grandezas e respectivos valores obtidos no
ensaio.
Tabela 4.4 – Grandezas e valores para o caso 1.3.
Grandeza Valor
Tensão fase-fase 13,8 kV
Corrente de linha 19,8 A
Distorção total de corrente 22 %
Potência aparente 474 kVA
Potência reativa 461,4 kVAr
Perdas 21,5 kW
De modo similar aos casos anteriores, as formas de onda das correntes de
linha e das tensões nos terminais do reator, assim como os correspondentes
espectros de freqüência para as tensões e correntes são fornecidas pelas figuras
4.16 e 4.17.
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61
Figura 4.16 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 1.3.
Figura 4.17 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 1.3.
(iv) – Reator no tap 1 com tensão de 14,2 kV – Caso 1.4:
Como último teste do reator para o tap 1, a tensão foi incrementada ao seu
valor máximo. As grandezas mais relevantes e respectivos valores obtidos do
ensaio são também indicados na tabela 4.5.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
62
Tabela 4.5 – Grandezas e valores para o caso 1.4.
Grandeza Valor
Tensão fase-fase 14,2 kV
Corrente de linha 33,8 A
Distorção total de corrente 21 %
Potência aparente 833,4 kVA
Potência reativa 815,4 kVAr
Perdas 39,5 kW
As formas de onda das correntes de linha e das tensões nos terminais do
reator, assim como os correspondentes espectros de freqüência para as tensões e
correntes são destacados nas figuras 4.18 e 4.19.
Figura 4.18 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 1.4.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
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63
Figura 4.19 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 1.4.
4.4.2.2 – Resultados obtidos com o reator no tap 2:
O conjunto de resultados apresentados a seguir corresponde a uma
repetição dos testes, utilizando-se o tap 2 no reator saturado. Nessa condição, a
figura 4.20 indica o desempenho do reator quanto ao seu consumo de potência
reativa, em função da tensão aplicada em seus terminais.
Figura 4.20 – Relação entre a Potência Reativa e a Tensão para o tap 2.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
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64
Na seqüência são destacadas as formas de onda para as correntes de linha
para distintos valores de tensões. Todos os casos estão relacionados com a
operação do reator ajustado na posição de tap 2.
(i) – Reator no tap 2 com tensão de 12,5 kV – Caso 2.1:
Seguindo a mesma forma de apresentação dos resultados, a tabela 4.6
sintetiza as principais grandezas e respectivos valores obtidos do ensaio.
Tabela 4.6 – Grandezas e valores para o caso 2.1.
Grandeza
Valor
Tensão fase-fase 12,5 kV
Corrente de linha 2,9 A
Distorção total de corrente 1 %
Potência aparente 62,5 kVA
Potência reativa 61,0 kVAr
Perdas 6,8 kW
Mais uma vez, as formas de onda das correntes de linha e das tensões nos
terminais do reator, assim como os correspondentes espectros de freqüência para
as tensões e correntes são destacados nas figuras 4.21 e 4.22.
Figura 4.21 - Formas de onda das tensões e correntes - caso 2.1.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
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65
Figura 4.22 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 2.1.
(ii) – Reator no tap 2 com tensão de 13,1 kV – Caso 2.2:
Aumentando a tensão para o valor de 13,1 kV, a tabela 4.7 sintetiza as
principais grandezas e respectivos valores obtidos do ensaio.
Tabela 4.7 – Grandezas e valores para o caso 2.2.
Grandeza Valor
Tensão fase-fase 13,1 kV
Corrente de linha 6,2 A
Distorção total de corrente 16 %
Potência aparente 141,5 kVA
Potência reativa 139,3 kVAr
Perdas 9,1 kW
Para essa tensão de suprimento, as formas de onda das correntes de linha e
das tensões nos terminais do reator, assim como os correspondentes espectros de
freqüência para as tensões e correntes são destacados nas figuras 4.23 e 4.24.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
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66
Figura 4.23 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 2.2.
Figura 4.24 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 2.2.
(iii) – Reator no tap 2 com tensão de 13,9 kV – Caso 2.3:
Aumentando-se a tensão para 13,9 kV, a tabela 4.8 destaca as principais
grandezas e respectivos valores obtidos no ensaio.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
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67
Tabela 4.8 – Grandezas e valores para o caso 2.3.
Grandeza Valor
Tensão fase-fase 13,9 kV
Corrente de linha 24,9 A
Distorção total de corrente 23 %
Potência aparente 598,8 kVA
Potência reativa 586,6 kVAr
Perdas 27,7 kW
As formas de onda das correntes de linha e das tensões nos terminais do
reator, assim como os correspondentes espectros de freqüência para as tensões e
correntes são destacados nas figuras 4.25 e 4.26.
Figura 4.25 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 2.3.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
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68
Figura 4.26 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 2.3.
(iv) – Reator no tap 2 com tensão de 14,1 kV – Caso 2.4:
O maior valor de tensão aplicado ao reator no tap 2 e demais
características operacionais obtidas estão indicados na tabela 4.9.
Tabela 4.9 – Grandezas e valores para o caso 2.4.
Grandeza Valor
Tensão fase-fase 14,1 kV
Corrente de linha 32,1 A
Distorção total de corrente 20 %
Potência aparente 781,5 kVA
Potência reativa 772,0 kVAr
Perdas 37,4 kW
Tal como para os demais testes, as formas de onda das correntes de linha e
das tensões nos terminais do reator, assim como os correspondentes espectros de
freqüência para as tensões e correntes são destacados nas figuras 4.27 e 4.28.
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69
Figura 4.27 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 2.4.
Figura 4.28 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 2.4.
4.4.2.3 – Resultados obtidos com o reator no tap 3:
Ajustando o tap do reator para a posição 3, a figura 4.29 indica o
desempenho do reator quanto ao seu consumo de potência reativa, em função da
tensão aplicada em seus terminais.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
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70
Figura 4.29 – Relação entre a Potência Reativa e a Tensão para o tap 3.
Também, de modo similar ao realizado para as demais posições de tap no
reator, apresenta-se, na seqüência, as formas de onda para as correntes de linha
para distintos valores de tensões com o reator no tap 3.
(i) – Reator no tap 3 com tensão de 13,1 kV – Caso 3.1:
Utilizando uma tensão de suprimento de 13,1 kV, a tabela 4.10 fornece as
principais grandezas e respectivos valores obtidos no ensaio.
Tabela 4.10 – Grandezas e valores para o caso 3.1.
Grandeza Valor
Tensão fase-fase 13,1 kV
Corrente de linha 7,4 A
Distorção total de corrente 18 %
Potência aparente 168,7 kVA
Potência reativa 165,5 kVAr
Perdas 9,4 kW
As formas de onda das correntes de linha e das tensões nos terminais do
reator, assim como os correspondentes espectros de freqüência para as tensões e
correntes são destacados nas figuras 4.30 e 4.31.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
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71
Figura 4.30 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 3.1.
Figura 4.31 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 3.1.
(ii) – Reator no tap 3 com tensão de 13,6 kV – Caso 3.2:
Incrementando a tensão de suprimento para 13,5 kV, as principais
grandezas e respectivos valores obtidos no ensaio encontram-se na tabela 4.11.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
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72
Tabela 4.11 – Grandezas e valores para o caso 3.2.
Grandeza Valor
Tensão fase-fase 13,6 kV
Corrente de linha 17,6 A
Distorção total de corrente 23 %
Potência aparente 413,8 kVA
Potência reativa 400,5 kVAr
Perdas 19,0 kW
As formas de onda das correntes de linha e das tensões nos terminais do
reator, assim como os correspondentes espectros de freqüência para as tensões e
correntes são destacados nas figuras 4.32 e 4.33.
Figura 4.32 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 3.2.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
73
Figura 4.33 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 3.2.
(iii) – Reator no tap 3 com tensão de 13,7 kV – Caso 3.3:
Os principais resultados que sintetizam a operação do reator no tap 3, sob
uma tensão de 13,7 kV, são apresentados na tabela 4.12.
Tabela 4.12 – Grandezas e valores para o caso 3.3.
Grandeza Valor
Tensão fase-fase 13,7 kV
Corrente de linha 23,5 A
Distorção total de corrente 24 %
Potência aparente 558,4 kVA
Potência reativa 540,4 kVAr
Perdas 13,8 kW
Da mesma maneira dos casos anteriores, as formas de onda das correntes
de linha e das tensões nos terminais do reator, assim como os correspondentes
espectros de freqüência para as tensões e correntes são destacados nas figuras
4.34 e 4.35.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
74
Figura 4.34 – Formas de onda das tensões e correntes - caso 3.3.
Figura 4.35 – Espectros harmônicos das tensões e correntes - caso 3.3.
4.4.3 – Desempenho térmico
Para a análise do comportamento térmico do equipamento foram
observadas as variações de temperatura do reator em operação contínua. Foram
registradas as temperaturas durante os testes de variação de potência, por meio
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
75
da variação de tensão do barramento de 13,8 kV, até que a potência absorvida
pelo reator atingisse o valor de 900 kVAr.
As temperaturas do óleo refrigerante foram coletadas do termômetro do
reator e as temperaturas externas, obtidas nas imediações do seu tanque foram
medidas com um termômetro digital conforme indicado na figura 4.36.
Figura 4.36 - Medição de temperatura
Os resultados obtidos demonstram que não foi atingido o valor máximo
admitido pelo isolamento e encontram-se disponíveis na tabela 4.13
Tabela 4.13 – Medições de temperatura.
Horário da
Medição
Medição do
Termômetro
do reator
(
º
C)
-
A
Medição do
Termômetro
Digital
(
º
C)
-
B
Temperatura
Ambiente
(
º
C)
-
C
Variação de Temperatura
(
º
C)
A-C B-C
13:20 35 28 26 9 2
13:35 36 29 26 10 3
13:50 37 40 26 11 14
14:05 39 42 27 12 15
14:20 41 46 29 12 17
14:35 45 48 29 16 19
14:50 46 51 28 18 23
15:10 49 52 26 23 26
15:25 51 56 26 26 30
15:40 55 66 28 28 38
15:55 57 70 28 29 41
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
76
Horário da
Medição
Medição do
Termômetro
do reator
(
º
C)
-
A
Medição do
Termômetro
Digital
(
º
C)
-
B
Temperatura
Ambiente
(
º
C)
-
C
Variação de Temperatura
(
º
C)
A-C B-C
16:10 59 69 27 32 37
16:25 61 73 29 32 44
16:40 63 74 27 36 47
16:55 65 77 28 37 49
4.4.4 – Desempenho quanto ao ruído
A medição de ruído produzida pelo reator foi efetuada conforme ilustra a
figura 4.37.
Figura 4.37 - Medição de ruído.
Como não existe normalização específica no Brasil para o reator a núcleo
saturado, foi efetuada uma analogia com as normas técnicas dos transformadores
e reatores da ABNT (NBR 5356 – Transformadores de Potência. Especificação,
NBR 7277 – Medição do Nível de Ruído em Transformadores e Reatores.
Método de Ensaio) e das concessionárias. Essa analogia tem como objetivo
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
77
verificar se o ruído produzido pelo reator encontra-se dentro da faixa tolerável e
admissível dos equipamentos cujos aspectos construtivos são semelhantes.
O ruído produzido pelo reator funcionando sob as condições
anteriormente indicadas variou de 70 a 80 dB conforme a potência reativa
absorvida pelo mesmo.
4.5 A
NÁLISE DAS
M
EDIÇÕES
Comparando-se os resultados obtidos para os casos analisados, observa-se
que:
• Para o tap 2 (posição central que corresponde ao valor nominal) do
reator, na tensão de 0,95 pu (13,1 kV), o reator absorve uma
potência reativa da ordem de 140 kVAr. Aumentado-se a tensão
para 1,01 pu (13,9 kV) de tensão, a potência ficou em torno de 580
kVAr (102% da potência nominal) e, para uma tensão de 1,02 pu
(14,1 kV), a potência foi de 772 kVAr;
• Para o tap 3 (menor quantidade de espiras e conseqüente menor
valor requerido para a tensão associada com a potência nominal), o
reator absorve praticamente 540 kVAr (95% da potência nominal)
na tensão de 0,99 pu (13,7 kV);
• No que tange ao funcionamento do reator, sob o ponto de vista de
forma de onda e harmônicos, constatou-se, como seria esperada, a
forte correlação entre a potência reativa de operação e a geração de
correntes harmônicas. Nesse particular ressalta-se que, a não ser por
algumas ordens não características registradas, fato esse comum
quando se leva em conta que qualquer produto real, possui desvios
das hipóteses ideais consideradas nos desenvolvimentos teóricos.
Verificou-se total consonância entre os resultados e aqueles
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
78
previstos pelos arranjos eletromagnéticos designados por reator
Twin-Tripler constituídos por 2 (dois) blocos trifásicos
magneticamente desacoplados. As componentes harmônicas
detectadas encontram-se enquadradas na lei de formação
anteriormente posta, a qual estabelece que as ordens harmônicas
esperadas são aquelas definidas pela 12K+-1;
• Observa-se ainda que, embora o reator apresente comportamento
não linear, à medida que aumenta a absorção da potência reativa
para o controle da tensão, ou seja, quando o reator passa a atuar na
região de saturação, ocorre o aumento da geração de harmônicos;
• Especificamente em relação aos harmônicos de tensão medidos nas
3 (três) fases, os valores das distorções harmônicas totais não
excederam os limites máximos definidos pelo ONS (Sub Módulo
2.2 – Padrões de Desempenho da Rede Básica, de 24/12/2002 –
Tabela 4) que estabelece, para tensões de fornecimento menores que
69 kV, um THDv limite de 6%. Os resultados obtidos estão em
sintonia com tais recomendações;
• Para as correntes, os valores máximos encontrados para as
distorções harmônicas totais (THDi) ficaram em torno de 24%,
conforme mostra a tabela 4.14, atendendo, também, o estabelecido
pelo ONS.
Tabela 4.14 – Distorção Harmônica de Corrente.
Corrente (A)
Fundamental
DI% - Distorção Harmônica de Corrente
I1 18,58 24,57
I2 18,43 24,31
I3 18,69 23,22
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
79
• As informações coletadas das temperaturas determinadas por meio
do termômetro interno do reator revelaram valores entre 35º C a 65º
C, enquanto a temperatura externa medida pelo termômetro digital
variou de 28º C a 77º C. A temperatura ambiente, durante os testes,
ficou entre 26º C e 28º C;
• A variação entre a temperatura registrada no termômetro do reator e
a temperatura ambiente oscilou de 9º C a 37º C e entre a
temperatura externa medida pelo termômetro digital e a temperatura
ambiente variou de 2º C a 49º C;
• Analisando os valores medidos pelo termômetro digital e pelo
termômetro interno do reator, observa-se que a temperatura externa
(carcaça) encontra-se acima da temperatura interna do reator para,
praticamente, todas as medições efetuadas. Isso pode sinalizar a
possível ocorrência de fluxos de dispersão nos enrolamentos do
reator, fenômeno esse que se mostra um ponto relevante para
estudos complementares;
• Ressalta-se que a isolação da parte ativa (bobinas) do núcleo ferro-
magnético do reator é feita por papel isolante impregnado em óleo
mineral isolante, tipo naftênico ou parafínico. A isolação sólida, em
sua maior parte de papel, possui como elemento principal celulose,
que é um composto orgânico formado por longas cadeias de anéis de
glicose. O número médio de unidades de anidroglicose na molécula
da celulose é definido como o grau de polimerização do papel. Em
se tratando de um papel novo, esse número deve variar de 1200 a
1400, sendo que a degradação das ligações entre as unidades afeta
diretamente a sua resistência mecânica e isto, por sua vez, possui
fortes impactos na vida útil do equipamento. Dentro desse contexto,
vale destacar que as medições térmicas orientam para o fato que o
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
80
reator não apresentou sobre-aquecimento, mesmo com o aumento da
tensão nos seus terminais e conseqüente aumento da potência
reativa;
• Com relação aos ruídos, é importante lembrar que os limites não
são determinados pelo equipamento em si, mas sim pelos níveis de
poluição sonora toleráveis pelo ser humano. Ao se determinar um
valor máximo de ruído para um determinado equipamento, está
fixando-se, na verdade, um valor limite que não prejudique o
conforto, o bem estar e a saúde das pessoas. Os valores máximos de
ruídos admissíveis para equipamentos com potência semelhantes a
do reator ensaiado variam de acordo com a concessionária e situam-
se na faixa de 56 a 67 dB (decibéis). A NBR 7277 (NBR 7277 –
Medição do Nível de Ruído em Transformadores e Reatores.
Método de Ensaio) e a NBR 5356 (Transformadores de Potência.
Especificação), que determinam os métodos de ensaios e servem de
base e referência para todas as outras normalizações, apontam para
um limite de cerca de 70 dB para uma potência similar;
• Quanto à questão em pauta constatou-se que o reator, funcionando
sob as condições anteriormente destacadas, produziu nível audível
da ordem de 75 decibéis, estando pouco acima dos limites
estabelecidos para um equipamento desse porte;
• Ao contrário de um transformador, que apresenta uma operação
constante e menos sujeita a variações abruptas, o reator é mais
dinâmico, tendo o seu funcionamento com potência nominal ou
acima, apenas quando as tensões se apresentam acima da normal de
operação do sistema.
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
81
4.6 C
ONSIDERAÇÕES
F
INAIS
Diante dos testes realizados com o reator instalado na subestação Coxipó,
em Cuiabá, MT, verificou-se que:
• Os valores transitórios das correntes de energização do equipamento
não evidenciaram níveis preocupantes e que viessem a produzir
esforços tão acentuados quanto aqueles constatados nas
energizações de transformadores;
• No que tange à relação entre a potência reativa absorvida pelo reator
e a tensão em seus terminais, os resultados obtidos encontram-se
ilustrados na figura 4.38. Essa relação ratifica as premissas
estabelecidas quando às expectativas operacionais do produto em
discussão e ainda, que a posição de tap 3 possibilita o
funcionamento do equipamento nos termos estabelecidos como base
para o projeto, ou seja, que sob uma tensão de 13,8 kV o reator
absorva uma potência reativa de 570 kVAr.
100 200 300 400 500 600 700 800
12.8
13
13.2
13.4
13.6
13.8
14
14.2
14.4
Q ( KVAr)
Tensão ( KV )
Tap 1
Tap 2
Tap 3
Figura 4.38 – Relação entre a Potência Reativa e a Tensão para os tap´s 1,2 e3.
Tensão (KV)
Capítulo IV – Ensaios do Protótipo do Reator a Núcleo Saturado em Campo
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
82
• Quanto às distorções harmônicas e respectivas ordens, os valores
encontrados estão em consonância com as expectativas do projeto,
assim como também as perdas obtidas durante o funcionamento do
equipamento da ordem de 4%;
• No que se refere à temperatura de operação observou-se, durante os
testes de longa duração (intervalos de tempo superiores a 2 (duas)
horas), que não houve, em nenhuma situação, elevações de
temperatura significativas em relação aos limites admissíveis;
• Como já mencionado, o fato dos valores das temperaturas externas
medidas apresentarem-se acima dos valores medidos no óleo do
reator indica a possibilidade da existência de fluxos de dispersão nos
enrolamentos do reator, tema esse ainda merecedor de maiores
investigações;
• No que se refere à questão dos ruídos, pode-se também concluir que
é baixo o nível de interferência produzido pelo reator, mesmo em
curtos períodos de tempo quando em operação com potência acima
da nominal, uma vez que os valores se apresentaram dentro do
limite de 80 dB. Esse limite, como destacado, encontra-se próximo
aos valores referenciados nas normas técnicas.
Diante dessas constatações, fica evidenciado que os resultados obtidos em
campo ratificaram as previsões teóricas e comprovam o sucesso operacional do
protótipo ensaiado e, conseqüentemente, do projeto desenvolvido.
Capítulo V – Conclusões Gerais
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
83
CAPÍTULO V
C
ONCLUSÕES
G
ERAIS
Em complementação às considerações gerais apresentadas ao término de
cada capítulo, considera-se essencial destacar as principais constatações obtidas
nos estudos realizados para esta dissertação.
O Capítulo I apresentou os aspectos técnicos e econômicos que viabilizam
a utilização do compensador estático tipo reator a núcleo saturado e sua
correlação com o tema “Qualidade da Energia Elétrica”. As conclusões
apresentadas resultam da uma revisão bibliográfica sobre o estado da arte dos
estudos envolvendo dispositivos que empregam tal tecnologia e estabelecidos os
objetivos gerais e a estrutura desta dissertação.
Visando ampliar o entendimento da aplicabilidade do compensador estático
a reator a núcleo saturado nos sistemas elétricos, o Capítulo II destacou os
principais aspectos relacionados com o controle de tensão nos sistemas elétricos
de potência em corrente alternada por meio da compensação reativa. Nesse
sentido, foram observadas possíveis soluções com instalação de dispositivos
fundamentados na compensação reativa paralela, série e no controle do ângulo
de carga. Também foram descritos os principais aspectos na compensação de
reativos por intermédio do CERNS e evidenciada a sua forma de atuação.
O Capítulo II ainda apresentou a fundamentação teórica do compensador
estático a reator a núcleo saturado e as diversas possibilidades para arranjos dos
Capítulo V – Conclusões Gerais
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
84
enrolamentos dos reatores para assegurar uma operação adequada, com reduzido
conteúdo harmônico associado com as correntes de linha.
O cerne do Capítulo III foi direcionado à apresentação das características
técnicas do equipamento projetado e à apresentação do produto final construído
por um fabricante nacional de transformadores. Nesse capítulo foram também
sintetizados os resultados dos testes preliminares feitos ainda na fábrica e que
orientaram para a instalação do produto em campo e a realização dos ensaios
definitivos com vistas a verificar o desempenho do reator em uma instalação
real.
O Capítulo IV foi voltado para a avaliação de desempenho do protótipo de
reator a núcleo saturado em campo, quando submetido às condições reais de
operação de um sistema elétrico. Para isso, o protótipo foi instalado em uma
subestação de distribuição que permitisse a sua energização e operação contínua
para avaliação das suas grandezas elétricas, especialmente, no que se refere à
relação entre a variação da potência reativa com a tensão de operação.
Quanto às questões associadas com os processos de energização, verificou-
se que os valores máximos das correntes atingidas não se mostraram em
proporções preocupantes, se comparadas às clássicas correntes transitórias de
energização de transformadores.
Quanto ao desempenho sob condições de regime permanente e, em especial
sob a ação de distintos valores de tensão, com os tap’s ajustados nas 3 (três)
posições disponibilizadas pelo projeto, constatou-se uma resposta do reator,
quanto às potências reativas consumidas, de forma adequada e compatível com
as premissas estabelecidas no projeto do produto. De um modo especial ressalta-
se que o tap 3 viabilizou um ponto de operação em total sintonia com os
parâmetros base do projeto, ou seja, de um consumo de 570 kVAr sob 13,8 kV
de tensão de suprimento.
Capítulo V – Conclusões Gerais
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
85
Quanto às distorções harmônicas verificou-se que os valores encontrados
estão em consonância com as expectativas do projeto, assim como também as
perdas obtidas durante o funcionamento do reator.
No que se refere à temperatura de operação observou-se, durante os testes
de longa duração (intervalos de tempo superiores a 2 (duas) horas), que não
houve, em nenhuma situação, elevações de temperatura significativas em
relação aos limites admissíveis, o que comprova a eficácia do projeto, inclusive
quanto a disposição física dos 2 (dois) núcleos magnéticos.
Tal como já foi devidamente ressaltado anteriormente, mais uma vez
considera-se importante registrar que as temperaturas externas medidas
apresentaram-se acima dos valores medidos no óleo do reator, fato esse
indicativo da existência de fluxos de dispersão que se estabelecem pela carcaça
do reator.
Pelos valores medidos durante os testes, também foi possível constatar que
os níveis de ruídos produzidos pelo reator, mesmo com potência acima da
nominal, encontram-se próximos dos valores referenciados nas normas técnicas.
Do exposto segue que os resultados obtidos nos testes efetuados com o
reator ratificam as previsões teóricas e comprovam o sucesso operacional do
equipamento projetado.
Embora os principais objetivos do trabalho tenham sido atingidos, como
para qualquer outra área de conhecimento, investigações complementares, com
certeza, ainda se fazem necessárias. Dessas pode-se destacar:
• Estudos direcionados a identificar e eliminar os fenômenos que
ocasionaram as elevações de temperatura na carcaça ou tanque do
reator;
• Busca de alternativas voltadas para a minimização das perdas associadas
com a operação do reator;
Capítulo V – Conclusões Gerais
Avaliação do Desempenho de um Protótipo de Reator Saturado em Escala Real: Uma Abordagem Experimental
86
• Modelagem do reator para fins de investigações dos fenômenos
transitórios quando da energização do dispositivo isolado e mesmo em
conjunto com as demais partes constituintes do compensador de reativos
completo.
Referências Bibliográficas
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