XII Simposio Iberoamericano sobre planificacin de sistemas de abastecimiento y drenaje

MICROGERAO HIDRELTRICA EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE GUA UTILIZANDO BOMBAS FUNCIONANDO

COMO TURBINA

Renato Swerts Carneiro Dias Jr. (1), Gustavo Meirelles Lima (2), Augusto Nelson Carvalho

Viana (3), Edson da Costa Bortoni (4)

(1) S.O.ESCO Servios de Consultoria e Engenharia, Incubadora de Empresas de Base Tecnolgica INCIT, Itajub, MG, Brasil. renato@soesco.com.br

(2) S.O.ESCO Servios de Consultoria e Engenharia, Incubadora de Empresas de Base Tecnolgica INCIT, Itajub, MG, Brasil. gustavo@soesco.com.br

(3) Universidade Federal de Itajub UNIFEI, Instituto de Recursos Naturais IRN, Grupo de Energia GEN. Itajub, MG, Brasil, augustonelsonviana@yahoo.com.br

(4) Universidade Federal de Itajub UNIFEI, Centro de Excelncia em Eficincia Energtica EXCEN, Itajub, MG, Brasil, bortoni@excen.com.br

RESUMO

Muitos sistemas de abastecimento de gua possuem um potencial de gerao hidreltrica intrnseco sua

operao, permitindo reduo de custos atravs da autoproduo de energia. O uso de bombas funcionando

como turbina e motor operando como gerador apresenta vantagens tcnicas, operacionais e econmicas

comparado a outros grupos geradores. No entanto sua aplicao requer o correto levantamento do potencial

hidrulico, seleo de componentes e atender aos requisitos tcnicos para interligao a rede eltrica. Este

trabalho apresenta estudos para implantao de um sistema de microgerao distribuda utilizando grupo

gerador bomba funcionando como turbina (BFT), analisando as normas relacionadas e testes em laboratrio.

Palavras-chave: Eficincia Energtica, Microgerao Distribuda, Bombas Funcionando como Turbina,

Gerador de Induo, Sistemas de Abastecimento de gua.

ABSTRACT

Many water supply systems have a potential for hydropower generation intrinsic to their operation, allowing

cost reduction through self-generation of energy. The use of pumps running as a turbine and motor operating

as generator offers technical, operational and economical advantages compared to other generators groups.

However its application requires the correct survey of the hydraulic potential, selection of components and

technical requirements for interconnection to the power grid. This paper presents studies to implement a

micro generation system using pump a turbine (PAT) and induction generator, analyzing the related

regulations and standards and laboratory tests.

Key words: Energy efficiency, Distributed Micro Generation, Pump as Turbines (PAT), Induction

Generator, Water Supply Systems.

SOBRE EL AUTOR PRINCIPAL

Renato Swerts Carneiro Dias Jr. Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal de Itajub (UNIFEI),

onde atualmente participa do programa de Mestrado em Engenharia Eltrica. Tem como linhas de pesquisa e

reas de interesse: Eficincia Hidroenergtica e Gerao de Energia. Atua em projetos de eficincia

energtica, ensaios de usinas hidreltricas e sistemas de microgerao de energia. Gerente de projetos na

empresa incubada S.O.ESCO, participa como pesquisador em projetos do Centro de Excelncia em

Eficincia Energtica (EXCEN) e Grupo de Energia (GEN), na UNIFEI.

INTRODUO

O uso racional de energia ganha cada vez mais

importncia em todo o mundo, e os mais diversos

setores da economia tm buscado solues no s

para uma melhor eficincia energtica em seus

processos, mas tambm buscando aproveitar cada

vez mais as fontes de gerao disponveis. Neste

contexto o crescente desenvolvimento tecnolgico

de sistemas de gerao de energia tem favorecido a

expanso da produo em pequena escala, prxima

ao local de consumo, utilizando principalmente

fontes renovveis como solar, elica, hidrulica e

biomassa. Este tipo de produo conhecido por

microgerao ou gerao distribuda.

De acordo com LIMA (2012), em sistemas de

abastecimento de gua os grandes consumidores de

energia so as estaes elevatrias, e, portanto, so

as unidades do sistema onde h maior preocupao

em implementar medidas de eficincia energtica.

Porm, muitos sistemas se beneficiam de uma

topografia privilegiada, realizando a captao e

distribuio de gua por gravidade, evitando os

gastos com bombeamento. Entretanto, toda a energia

potencial disponvel dissipada, seja em vlvulas

redutoras de presso ou em reservatrios. Assim,

toda a energia disponvel que poderia ser

aproveitada acaba sendo desperdiada.

Atualmente ainda existem barreiras de ordem

tcnica, econmica e regulamentar que dificultam a

implantao destas microcentrais. Entretanto a

microgerao pode trazer grandes benefcios a

diferentes setores da economia, desde que a energia

produzida seja consumida localmente. Estes

benefcios podem ser maximizados quando a fonte

de energia desperdiada no processo. No caso de

sistemas de abastecimento de gua esta perda

resultado do controle de presso nas tubulaes, seja

ela atravs de vlvulas redutoras de presso ou

reservatrios.

Os custos da gerao de energia nestes casos so

reduzidos, j que diversos componentes necessrios

j existem no local, tais como tubulaes, vlvulas e

cmara de carga. Porm, devido baixa potncia

disponvel encontrada nestes locais, o custo dos

equipamentos de gerao, representados pelo

conjunto turbina e gerador, pode inviabilizar o

projeto. Uma alternativa encontrada para reduzir o

custo utilizar uma bomba funcionando como

turbina (BFT) e o motor de induo como gerador.

Neste trabalho foram realizados estudos acerca do

levantamento de potencial energtico em sistemas de

abastecimento de gua utilizando grupos geradores

bombas funcionando como turbina. Alm disso,

foram realizados testes em bancada de laboratrio

para analisar o comportamento da BFT e do gerador

de induo frente aos requisitos tcnicos para

conexo a rede eltrica de distribuio de energia.

MICROGERAO DISTRIBUDA

De maneira geral a microgerao est relacionada a

gerao de energia de forma descentralizada e

prxima aos pontos de consumo. Comparado ao

modelo de gerao centralizada atravs de grandes

usinas, a gerao distribuda apresenta diversas

vantagens:

Reduo de perdas na transmisso da energia;

Melhor aproveitamento de fontes renovveis de gerao;

Ideal para locais com baixa densidade populacional ou de difcil acesso da rede

eltrica;

Maior estabilidade da tenso; Melhor planejamento de expanso da oferta

de energia;

Aumento da confiabilidade no abastecimento;

Reduo dos impactos ambientais.

No entanto, sua aplicao ainda enfrenta barreiras de

ordem tcnica, regulamentar, econmica e

informativa que ainda devem ser superadas para que

este modelo se desenvolva ainda mais. Entre as

principais dificuldades pode-se citar:

Complexidade da operao da rede, que passa a ter fluxo bidirecional;

Alterao nos procedimentos de operao, controle e proteo da rede de distribuio;

Controle da tenso, especialmente em perodos de baixa demanda;

Alterao dos nveis de curto-circuito das redes;

Qualidade da energia da rede; Intermitncia da gerao seja pela incerteza

da disponibilidade de combustvel (vento,

radiao, gua, etc.), seja pela falha dos

equipamentos;

Alto custo de implantao e tempo de retorno elevado dos investimentos.

Regulamentao

No Brasil, a Microgerao Distribuda foi definida

pela Resoluo 482/2012 da Agncia Nacional de

Energia Eltrica (ANEEL) como sendo qualquer

central geradora de energia eltrica, com potncia

instalada menor ou igual a 100 kW e que utilize

fontes com base em energia hidrulica, solar, elica,

biomassa ou cogerao qualificada conectada na

rede de distribuio por meio de instalaes de

unidades consumidoras.

Esta mesma resoluo estabelece as condies gerais

para o acesso de microgerao distribuda aos

sistemas de distribuio de energia eltrica, e definiu

ainda o Sistema de Compensao de Energia

Eltrica, no qual a energia ativa injetada por unidade

consumidora com micro ou minigerao distribuda

cedida, por meio de emprstimo gratuito,

distribuidora local e posteriormente compensada

com o consumo de energia eltrica ativa dessa

mesma unidade consumidora ou de outra unidade

consumidora de mesma titularidade.

Os requisitos tcnicos e operacionais para acesso a

rede eltrica de distribuio so estabelecidos pelos

Procedimentos de Rede PRODIST. Estes requisitos estabelecem os requisitos mnimos, e so

complementados por normas tcnicas nacionais e

internacionais. As concessionrias e distribuidoras

podem ainda definir critrios prprios para acesso a

sua rede de distribuio.

MICROCENTRAIS HIDRELTRICAS

De acordo com o Manual de Diretrizes para Estudos

e Projetos de Pequenas Centrais Hidreltricas, da

ELETROBRS as microcentrais hidreltricas so

definidas como aproveitamentos hidreltricos de at

100 kW de potncia instalada como apresenta a

Tabela 1. Podem ser caracterizados ainda de acordo

com sua queda, em baixa, mdia ou alta.

Tabela 1. Classificao de hidreltricas Classificao Potncia P (kW)

Micro P < 100

Mini 100 < P < 1.000

Pequenas 1.000 < P < 30.000

As microcentrais hidreltricas desenvolvem um

papel importante no fornecimento de energia a

comunidades isoladas no atendidas pelas redes de

distribuio de energia. Estes pequenos

aproveitamentos principalmente so caracterizados

como a Fio dgua, onde a vazo de gua utilizada no aproveitamento menor que a vazo de

estiagem do rio. Nestes casos as barragens e

reservatrios tm apenas a funo de desviar a gua

resultando em menores impactos sociais e

ambientais.

De maneira geral, alm da barragem e cmaras de

aduo de gua, compem uma microcentral os

condutos, grupo gerador com suas protees e

controles, e linha de transmisso at os pontos de

consumo. O custo dos equipamentos de gerao,

representados pelo conjunto turbina e gerador uma

desvantagem da microgerao, que pode inviabilizar

o projeto. Uma forma de minimizar os gastos iniciais

da microgerao seria a utilizao de equipamentos

de srie, que possuem um custo reduzido. Esses

equipamentos podem ser, por exemplo, uma bomba

funcionando como turbina (BFT) e um motor de

induo como gerador. O preo do grupo gerador

nestes casos bastante inferior ao de grupos

convencionais, o que representa um aumento

significativo da viabilidade econmica de uma

microcentral hidreltrica.

Bombas Funcionando Como Turbina

Apesar de desempenharem processos opostos,

quando comparados os aspectos construtivos e

hidrulicos, as bombas e turbinas assemelham-se. O

mesmo acontece quando a comparao feita entre

motores e geradores. A Figura 1 apresenta uma

comparao entre uma bomba, onde fornecida

energia mecnica para que esta seja convertida em

energia de presso (mquina geratriz), enquanto que

a turbina recebe energia de presso, convertendo-a

em energia mecnica (mquina motriz).

Figura 1. Comparao entre a operao de uma turbina e uma bomba.

De acordo com VIANA (2012) a grande vantagem

da utilizao de bombas funcionando como turbina

seu custo reduzido, que de 2 a 3 vezes inferior aos

custos de uma turbina convencional, j que so

produzidas em srie devido sua ampla utilizao

em diversos setores como saneamento e irrigao.

Por esta razo pases como EUA, Alemanha e

Frana vm utilizando bombas e motores para gerar

energia eltrica em pequenos aproveitamentos. Alm

do custo reduzido, a utilizao dos grupos BFTs para gerao de energia apresenta outras vantagens:

Maior disponibilidade de peas de reposio;

So simples e robustas; Possuem uma ampla faixa de operao,

podendo ser aplicada a diferentes tipos de

aproveitamentos;

Rapidez no fornecimento do equipamento; Instalao mais simples; A bomba e o motor podem ser adquiridos

em conjunto, com acoplamento direto,

reduzindo as perdas na transmisso de

potncia atravs de correias, por exemplo.

Entretanto, ao contrrio das turbinas convencionais,

as bombas no possuem nenhum dispositivo para

controle da vazo, de forma que a rotao se

mantenha praticamente constante, mesmo que haja

variao da demanda. Assim, necessrio que a

BFT opere com vazo e altura constantes.

Gerador De Induo

Assim como a bomba operando em reverso traz

vantagens tcnicas e econmicas, tambm o motor

de induo pode ser utilizado como gerador eltrico.

Esta aplicao ainda mais atrativa para conjuntos

motobomba do tipo monobloco, onde a bomba e o motor compem um nico equipamento, sem

necessidade de acoplamento.

Os geradores de induo assncronos, ou

simplesmente gerador de induo so mquinas

assncronas que requerem uma fonte externa de

corrente (reativa) de magnetizao necessria para

estabelecer o campo magntico no entreferro entre o

rotor e o estator do gerador. Sem esta fonte os

geradores de induo no so capazes de gerar

potncia eltrica, e devem operar sempre em

paralelo com um sistema eltrico, uma mquina

sncrona ou um capacitor que possa suprir a

necessidade de reativo.

Sob algumas condies o gerador de induo pode

continuar a gerar potncia eltrica depois da

remoo da rede eltrica. Este fenmeno, conhecido

como autoexcitao, pode ocorrer quando h

capacitncia em paralelo suficiente para promover a

excitao da mquina e a carga conectada ter

caracterstica resistiva. Esta capacitncia externa

pode ser parte do sistema de gerao alternativa ou

podem ser capacitores para correo do fator de

potncia, localizados na rea do sistema eltrico com

o qual est interligado.

Quando conectado diretamente com a rede de

distribuio os geradores de induo devem operar a

uma velocidade de rotao determinada pela

mquina motriz e ligeiramente maior que a

velocidade necessria para o exato sincronismo.

Abaixo da velocidade de sincronismo estas

mquinas operam como motor de induo, e

portanto se tornam uma carga no sistema eltrico ao

qual est conectado. Deve ser observado que h um

intervalo de rotao acima da velocidade sncrona no

qual o rendimento muito baixo. Este efeito

causado pelas perdas fixas relacionadas ao baixo

nvel de potncia gerada nestas baixas velocidades.

Outro aspecto relevante a rotao mxima. Caso

seja atingido um valor mximo estabelecido, o

gerador deve ser desconectado da rede e um sistema

de controle deve atuar para frear a turbina. A

desconexo necessria para a segurana eltrica do

gerador no caso de uma falha e tambm segurana

da equipe de manuteno da concessionria, que

pode precisar desligar o gerador ao prestar servios

na rede.

Independente da carga, os geradores de induo

solicitam potncia reativa da rede e podem afetar

negativamente a regulao de tenso no circuito ao

qual est conectado. Portanto o gerador de induo

um consumidor de reativo do sistema. Assim,

importante considerar a adio de capacitores

buscando melhorar o fator de potncia e reduzir o

consumo de reativo da rede.

O processo de conexo do gerador com a rede

eltrica bastante simples, e no requer um

procedimento especial para sincronizar com o

sistema eltrico. Tecnicamente o rotor colocado

para girar no mesmo sentido que o campo magntico

est girando, o mais prximo possvel da rotao

sncrona para evitar choques desnecessrios de

velocidade e tenso. Um fenmeno similar a

conexo de motores ou transformadores a rede

eltrica ir resultar em uma troca transitria de

potncia ativa e reativa entre carga e gerador.

Seleo Do Grupo Gerador

Segundo VIANA (2012), diversos autores

propuseram diferentes abordagens buscando

estabelecer uma metodologia de dimensionamento

da bomba e do motor. Devem-se observar alguns

pontos:

O rendimento de uma BFT e gerador de induo inferior ou no mximo igual ao da

bomba e motor.

A BFT deve operar com vazo e queda superiores aos valores nominais da bomba

para se obter o mesmo rendimento

A rotao de trabalho ser maior que a rotao nominal, principalmente na

operao interligada.

Os mtodos considerados mais prticos e com

melhores resultados so aqueles baseados na rotao

especfica da bomba, onde se considera que uma

bomba com a mesma rotao especfica ir operar

em condies de vazo e altura similares como

turbina. (VIANA, 2012).

POTENCIAL HIDRELTRICO EM

REDES DE ABASTECIMENTO DE GUA

Determinar o potencial disponvel em um

determinado ponto da rede de distribuio de gua

requer o conhecimento do sistema de tratamento e

distribuio de gua e tambm o seu funcionamento

para que assim o fornecimento de gua no seja

prejudicado.

Os trabalhos de LIMA (2012) propem uma

metodologia para determinao do potencial

hidroeltrico em um sistema de abastecimento de

gua, e mostrou que o potencial energtico em

sistemas de abastecimento de gua est presente em

diferentes pontos do sistema, como captaes de

gua bruta, distribuio entre reservatrios e at

mesmo diretamente na rede de distribuio, em

vlvulas redutoras de presso (VRP).

Deve-se determinar a vazo e queda disponvel, de

forma a operar em um ponto constante. Segundo

LIMA (2012) algumas medidas podem ser tomadas

visando melhorar o aproveitamento nas redes de

distribuio de gua:

Utilizao de by-pass e VRP em adutoras por gravidade, a fim de manter a BFT em

um ponto de operao constante,

aumentando a confiabilidade para o

atendimento da carga;

Alterao na operao de reservatrios que recebem gua atravs de adutoras por

gravidade, com o objetivo de maximizar a

potncia disponvel;

Utilizar BFTs especficas para diferentes perodos do dia no lugar de VRPs,

melhorando o controle de presso na rede.

Vazo De Projeto

Para definir qual a vazo de projeto necessrio

conhecer as variaes da vazo aduzida. Para tal

pode ser realizado um monitoramento atravs de

macromedidores ou com outros equipamentos de

medio de vazo, como tubos de Pitot ou sensores

ultrassnicos.

Para que a vazo seja determinada com maior

preciso recomenda-se que os dados coletados se

estendam por um perodo de um ano. Caso no seja

possvel, podem-se utilizar os dados do perodo de

menor consumo, que ocorre normalmente no

inverno. Assim, com os dados coletados possvel

criar uma curva de permanncia de vazes aduzidas,

como ilustra a Figura 2.

Figura 2. Exemplo de curva de permanncia

de vazes

A vazo de projeto neste caso foi definida como

aquela que ocorre 100 % do tempo. Desta forma o

grupo gerador, que deve ser instalado em um by-

pass, ir trabalhar sempre com vazo constante,

enquanto que o restante da vazo necessria

controlado na tubulao principal.

Altura De Queda Lquida

A altura de queda lquida pode ser determinada pela

medida de presso no ponto de interesse. Caso no

seja possvel, pode-se obter a medida de presso

neste ponto atravs da diferena entre a queda bruta

e as perdas de carga ao longo dos condutos.

A queda bruta, bem como o perfil e o comprimento

das adutoras podem ser obtidos atravs de

levantamentos topogrficos do local, utilizando

equipamentos como Estao Total ou DGPS

(Differential Global Positioning System Sistema de Posicionamento Global Diferencial).

A Figura 3 e a Figura 4 apresentam exemplos de

perfil transversal e longitudinal e as cotas de um

levantamento realizado em uma adutora entre a

tomada na captao dgua e a estao de tratamento (ETA).

Figura 3. Exemplo de perfil transversal de

uma adutora.

Figura 4. Exemplo de perfil longitudinal de

uma adutora.

Demanda De Potncia Eltrica

A medio da demanda de potncia permite

conhecer o comportamento da carga a ser atendida

pela microcentral. Caso a potncia gerada seja maior

que a consumida, o excedente ser creditado ao

consumidor, conforme sistema de Compensao de

Energia. A Figura 5 ilustra a curva de carga de uma

ETA, e mostrando que o neste caso o potencial de

gerao superior as necessidades de consumo da

carga local.

A medio pode ser realizada atravs da instalao

de analisadores de energia junto ao ponto de

conexo ou quadro de distribuio de energia.

Outras informaes podem ser obtidas atravs do

estudo das faturas de energia, como tarifas

praticadas, histrico de consumo e encargos e

sazonalidade.

Figura 5. Exemplo de curva de carga

REGULAMENTAO DO ACESSO A

REDE ELTRICA DE DISTRIBUIO

No Brasil as condies de acesso de microgerao

distribuda aos sistemas de distribuio de energia

eltrica so estabelecidas atravs da Resoluo

Normativa 482, de 17 de abril de 2012, elaborada

pela Agncia Nacional de Energia Eltrica ANEEL. Esta resoluo complementa o Mdulo 3

dos Procedimentos de Distribuio PRODIST, tambm elaborados pela ANEEL, que trata

especificamente do Acesso ao Sistema de Distribuio. Estes dois documentos foram revisados e alterados atravs da Resoluo

Normativa 517, de 11 de dezembro de 2012.

Neste contexto, define-se a Microgerao

Distribuda como sendo qualquer central geradora de

energia eltrica, com potncia instalada menor ou

igual a 100 kW e que utilize fontes com base em

energia hidrulica, solar, elica, biomassa ou

cogerao qualificada conectada na rede de

distribuio por meio de instalaes de unidades

consumidoras.

Solicitao e Parecer de Acesso

O PRODIST parte do princpio que qualquer um

conectado rede de distribuio considerado

Acessante, seja ele consumidor, central geradora,

distribuidora ou agente importador ou exportador de

energia. E define como Acessada, a distribuidora de

energia eltrica em cujo sistema eltrico o Acessante

conecta suas instalaes.

Para central geradora classificada como

microgerao distribuda, so obrigatrias as etapas

de solicitao de acesso e parecer de acesso. A

solicitao de acesso um requerimento formulado

pelo Acessante Acessada, que apresenta o projeto

das instalaes de conexo e solicita conexo ao

sistema de distribuio. O parecer de acesso um

documento apresentado pela Acessada que consolida

os estudos e avaliaes de viabilidade da solicitao

de acesso requerida e que informa ao Acessante o

ponto de conexo com suas caractersticas e

condies de acesso, os clculos e participaes

financeiros, as tarifas de uso aplicveis, os prazos, o

modelo de Acordo Operativo, as responsabilidades

do Acessante e eventuais informaes sobre

equipamentos e cargas susceptveis de provocar

danos no sistema de distribuio.

Sistema de Compensao de Energia Eltrica

O Acessante que aderir ao sistema de compensao

de energia eltrica ir ceder a ttulo de emprstimo

gratuito a sua energia ativa injetada para a

distribuidora, passando a unidade consumidora a ter

um crdito em quantidade de energia ativa a ser

consumida por um prazo de 36 meses.

No faturamento da unidade consumidora integrante

do sistema de compensao de energia eltrica, o

consumo de energia ativa a ser faturado ser a

diferena entre a energia consumida e a injetada, por

posto tarifrio. O excedente que no tenha sido

compensado dever ser utilizado nos ciclos de

faturamento subsequentes.

Caso haja postos tarifrios, ou seja, perodos de

ponta ou fora de ponta, e a energia ativa injetada em

um determinado posto tarifrio seja superior

consumida, a diferena dever ser utilizada para

compensao em outros postos tarifrios dentro do

mesmo ciclo de faturamento, devendo ser observada

a relao entre os valores das tarifas de energia.

Ponto de Conexo

O ponto de conexo do Acessante com microgerao

o ponto de entrega da unidade consumidora e que

estabelece fronteira entre as instalaes do

Acessante e da Acessada.

Este ponto definido pelo critrio do menor custo

global. Para chegar a este custo necessria uma

avaliao de alternativas tecnicamente equivalentes

para a nova conexo, onde ser escolhida aquela de

menor custo global de investimentos, considerando

as instalaes de conexo de responsabilidade do

Acessante, os reforos nas redes de distribuio e

transmisso e os custos das perdas eltricas.

A escolha do ponto de conexo implica na escolha

do nvel de tenso de conexo do Acessante,

devendo ser consideradas as faixas de potncia

apresentadas na Tabela 2.

Tabela 2. Nveis de tenso Potncia Instalada

Nvel de Tenso de Conexo

< 10 kW Baixa Tenso (monofsico, bifsico ou trifsico)

10 a 75 kW Baixa Tenso (trifsico)

75 a 500 kW Baixa Tenso (trifsico) / Mdia Tenso

Sistema de Proteo

O sistema de proteo deve ser projetado para

proteger tanto a gerao distribuda contra falhas

originadas na rede, como tambm proteger a rede

contra falhas originadas no sistema de gerao. A

Tabela 3 indica os requisitos mnimos do ponto de

conexo da microgerao distribuda para potncias

at 100kW.

Tabela 3. Requisitos mnimos em funo da

potncia instalada Equipamento

Elemento de desconexo. Sim

Elemento de interrupo. Sim

Transformador de acoplamento. No

Proteo de sub e sobretenso. Sim

Proteo de sub e sobrefrequncia. Sim

Proteo contra desequilbrio de corrente.

No

Proteo contra desequilbrio de tenso.

No

Sobrecorrente direcional. No

Sobrecorrente com restrio de tenso.

No

Rel de sincronismo. Sim

Anti-ilhamento. Sim

Estudo de curto-circuito. Sim

Ilhamento

O esquema de operao ilhado caracterizado pela

carga sendo suprida unicamente atravs de gerao

distribuda, resultando em um subsistema de

distribuio isolado do restante do sistema, chamado

de microrrede.

Para operao ilhada devem ser feitas uma srie de

estudos e avaliaes tcnicas para que as condies

de qualidade da energia sejam garantidas. O

resultado far parte do acordo operativo, contendo as

condies e instrues para a situao e quais as

normas de segurana necessrias.

Como citado na Tabela 3, as conexes de

microgerao distribuda devem dispor de um

sistema automtico de deteco de ilhamento aliado

ao equipamento que desfaz o paralelismo,

desconectando a gerao da rede quando necessrio.

Isto porque a ilha pode deixar o sistema instvel,

assim, se ganha em continuidade do fornecimento de

energia, mas se perde em qualidade de energia.

Alm disso, esta instabilidade pode ser prejudicial a

equipamentos, causando prejuzos ainda maiores do

que a interrupo no seu fornecimento.

Medio

O sistema de medio para microgeradores deve

atender s mesmas especificaes exigidas para

unidades consumidoras conectadas no mesmo nvel

de tenso, mas acrescido da funcionalidade de

medio bidirecional de energia eltrica ativa. Para

instalaes em baixa tenso, a medio bidirecional

pode ser realizada utilizando dois medidores

unidirecionais: um para medir a energia eltrica

ativa consumida e outro para a gerada, como

apresenta a Figura 6.

Figura 6. Arranjo de medidores

unidirecionais

Qualidade da Energia

Os procedimentos relativos a nveis de tenso e

frequncia, fator de potncia, harmnicos, flutuaes

e variaes de tenso, o Acessante deve seguir o

Mdulo 8 do PRODIST, que aborda a qualidade da

energia eltrica.

Com relao s distores harmnicas o valor de

referncia em baixa tenso de 10% para distoro

harmnica total de tenso. As correntes harmnicas

causam problemas tanto no sistema de distribuio

de energia como na instalao, por exemplo:

sobreaquecimento de cabos e equipamentos,

diminuio do desempenho de motores, operao

errnea de disjuntores, rels e fusveis, etc.

Frequncia

O sistema de microgerao deve, em condies

normais de operao e em regime permanente,

operar dentro dos limites de frequncia situados

entre 59,9 Hz e 60,1 Hz. Em caso de distrbios, deve

obedecer ao constante da Tabela 4, de acordo com o

PRODIST em seu Mdulo 8.

Tabela 4. Requisitos de Operao da Frequncia

Frequncia no Ponto de Conexo

Tempo Mximo de Desligamento

f < 57,5 5 s

57,5 < f < 58,5 10 s

58,5 < f < 59,5 30 s

59,5 < f < 60,5 Faixa aceitvel de

operao.

60,5 < f 63,5 10 s

ESTUDOS EXPERIMENTAIS

Com o objetivo de analisar o comportamento do

grupo gerador bomba funcionando como turbina e

gerador de induo operando interligado a rede

eltrica, foram realizados testes em uma bancada

montada junto ao LHPCH Laboratrio Hidrulico de Pequenas Centrais Hidreltricas, da Universidade

Federal de Itajub UNIFEI. A bancada consiste de um conjunto motobomba de

3cv (2,2 kW) funcionando como turbina e gerador

de induo conectado a rede eltrica trifsica, com

tenso nominal de 220V. O circuito hidrulico da

bancada possui ainda um outro conjunto motobomba

acionado por inversor de frequncia, este com a

funo de fornecer a potncia hidrulica ao grupo

gerador, permitindo variar parmetros de entrada da

turbina (vazo e presso).

O grupo gerador foi conectado a rede eltrica do

prprio laboratrio. Variando os parmetros de

entrada da turbina, o grupo gerador foi levado

rotao sncrona, quando foi interligado a rede

eltrica atravs de um disjuntor. A partir deste ponto

a variao da rotao leva ao controle da potncia

gerada.

As grandezas eltricas foram medidas atravs de um

analisador de energia instalado no ponto de conexo.

Foi utilizado ainda um tacmetro tico para medio

da velocidade de rotao do eixo. A Figura 7

apresenta os pontos de rotao de acordo com a

potncia.

Figura 7. Velocidade de rotao de acordo

com a potncia gerada

Nveis de Tenso

Os requisitos de operao da tenso para instalaes

atendidas em 220V so apresentados na Tabela 5.

Requisitos de Operao da Tenso.Tabela 5.

Tabela 5. Requisitos de Operao da Tenso.

Tenso de Atendimento

Faixa de Variao da Tenso (V)

Crtica V

Figura 10. Distoro Harmnica de Tenso

Observou-se ainda que transitrios hidrulicos

podem levar a oscilaes na rede eltrica. Ressalta-

se assim a necessidade do correto dimensionamento

do grupo gerador com base no conhecimento do

comportamento do sistema, que deve ser constante.

Frequncia

Assim como a tenso, na operao interligada a

frequncia imposta pelo sistema eltrico

interligado. Como ilustra a Figura 11, os valores de

frequncia se mantiveram dentro dos limites

estabelecidos para regime permanente, entre 59,9 Hz

e 60,1 Hz.

Figura 11. Variao da frequncia

Proteo

As microcentrais distribudas devero possuir as

protees mnimas previstas na Tabela 3. Alm

destas as distribuidoras de energia podem

estabelecer suas prprias especificaes tcnicas

para acesso a sua rede de distribuio. A Figura 12

apresenta um diagrama unifilar proposto para a

conexo de sistemas de microgerao, onde se

verifica as seguintes funes de proteo:

Figura 12. Diagrama unifilar da conexo com a rede

de distribuio.

Verificao de sincronismo (25) Temporizador de religamento (62) Sobrecorrente instantneo/temporizado

(50/51)

Subtenso (27) Sobretenso (59) Subfrequncia (81/O) Sobrefrequncia (81/U)

Figura 12. Diagrama unifilar da conexo

com a rede de distribuio.

Percebe-se a necessidade de rels de sincronismo

para garantir que o paralelismo seja feito nas

condies ideais e um rel de tempo de reconexo

que s permita que o paralelismo seja refeito aps o

tempo de reconexo definido. obrigatria a

instalao de um Dispositivo de Seccionamento

Visvel DSV entre o seu sistema e o sistema da distribuidora, capaz de encerrar o paralelismo entre

ambos. Deve ser capaz de realizar manobra sob

carga e ser instalado de forma que fique acessvel

distribuidora para eventual necessidade de

desconexo durante manuteno em seu sistema.

No caso das microcentrais hidreltricas, deve ser

previsto ainda um sistema de proteo mecnica,

responsvel por interromper o fluxo de gua na

ocasio de falhas ou manuteno. Esta proteo

pode ser feita atravs de vlvula na entrada do grupo

gerador BFT, ou atravs de comporta instalada na

entrada do conduto.

O gerador de induo assncrono apresenta ainda

uma proteo natural ao ilhamento. Uma vez que

depende da rede eltrica para suprimento de reativo,

caso haja o desligamento o grupo gerador tambm

deixar de fornecer energia. Com o uso de banco de

capacitores a proteo deve ser ajustada para

garantir os nveis adequados de tenso.

CONCLUSES

Nos estudos realizados foi constatado que nos

sistemas de captao, tratamento e distribuio de

gua existe um potencial hidreltrico a ser

aproveitado. Devido existncia de componentes de

uma central, tais como cmara de carga e condutos

forados os custos de instalao podem ser

reduzidos.

O uso de grupos motobomba operando como

geradores uma alternativa vivel tcnica e

economicamente, no entanto sua especificao e

seleo requer conhecimento de parmetros da rede

de gua, para que esta opere com vazo e presso

estveis e permitam cessar o fluxo de gua em caso

de atuao da proteo eltrica ou servios de

manuteno.

Atravs de testes em laboratrio foi analisado o

comportamento de um grupo gerador BFT

fornecendo energia a uma rede eltrica de

distribuio. Comprovou-se que o gerador de

induo apresenta vantagens para operao

interligada, como a facilidade de sincronismo e

robustez. Sua operao no afetou a qualidade da

energia da rede com relao a distores

harmnicas, nveis de tenso e de frequncia. Ficou

comprovada a necessidade da utilizao de banco de

capacitores para correo de fator de potncia

mostrou-se necessria para atingir os limites

especificados.

Por fim, este trabalho contribui na disseminao das

microcentrais hidreltricas como uma grande

oportunidade de eficincia energtica e uso racional

de energia no setor de saneamento.

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