Aula 06 - Subestações de Consumidor Industrial em Média Tensão

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📍 Disciplina: 04 Subestações | 🏠 Hub Principal

Metadados da Aula

• Área: 04 Sistemas Elétricos de Potência e Eletrotécnica
• Carga Horária Equivalente: 4 horas-aula teóricas e práticas
• Normas e Procedimentos Regulatórios: Procedimentos de Rede do ONS (Submódulos 2.2, 2.3 e 2.6), PRODIST Módulo 8 (Qualidade da Energia Elétrica), Regras e Procedimentos de Comercialização da CCEE, ABNT NBR 14039

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📌 Sumário da Aula

1. 🧭 1. Contextualização e Objetivos de Aprendizagem
2. 📋 2. Sumário Executivo dos Tópicos
3. 📐 3. Diagrama Esquemático: Subestações de Consumidor e Requisitos do ONS
4. ⚡ 4. Fundamentação Teórica e Modelagem Matemática Rigorosa
   • 4.1 Marco Regulatório e Fluxo de Acesso à Alta Tensão (ONS e ANEEL)
   • 4.2 Arquitetura do Sistema de Medição para Faturamento (SMF)
   • 4.3 Qualidade da Energia Elétrica no Ponto de Conexão (PRODIST Módulo 8)
   • 4.4 Filosofia de Proteção de Fronteira e Coordenação com a Rede Externa
   • 4.5 Esquemas Especiais de Proteção e Alívio de Carga (ERAC)
5. 🏭 5. Estudo de Caso Prático e Aplicação Numérica Completa
6. 📝 6. Banco de Questões de Fixação e Concursos Auditados
   • Questão 01 — Requisitos Metrológicos do Sistema de Medição para Faturamento (SMF)
   • Questão 02 — Cálculo de Distorção Harmônica Total (THDv) conforme PRODIST Módulo 8
   • Questão 03 — Atuação do Esquema Regional de Alívio de Carga (ERAC)
   • Questão 04 — Fator de Desequilíbrio de Tensão e Componentes Simétricas
   • Questão 05 — Procedimentos de Acesso e Contratos CUST e CUSD
7. 📚 7. Referências Bibliográficas e Normas Técnicas

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🧭 1. Contextualização e Objetivos de Aprendizagem

Grandes complexos eletrointensivos — como indústrias siderúrgicas, metalúrgicas de alumínio, refinarias petroquímicas, mineradoras, plantas de celulose e centros de dados (data centers) de hiperescala — demandam potências ativas que variam de dezenas a centenas de megawatts ($P\ge 30\text{ a }300\text{ MW}$). Esse patamar de carga torna inviável o atendimento pela rede de distribuição convencional em média tensão ($13,8\text{ kV}$), exigindo a conexão direta à rede de Alta Tensão (AT - $69\text{ a }138\text{ kV}$) ou à Rede Básica de Extra-Alta Tensão (EAT - $230\text{ kV}$).

Nesse cenário, a subestação do consumidor industrial não é apenas uma instalação privada de rebaixamento de tensão: ela atua como um nó ativo do Sistema Interligado Nacional (SIN), subordinando-se estritamente aos Procedimentos de Rede do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), às regras da Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE) e aos indicadores de qualidade do PRODIST Módulo 8 da ANEEL.

Ao concluir esta aula, o estudante estará apto a:

1. Modelar e coordenar o processo de acesso regulatório de uma planta industrial em alta tensão (Parecer de Acesso, Ponto de Conexão, CUST e CUSD).
2. Projetar a infraestrutura do Sistema de Medição para Faturamento (SMF) com medidores redundantes de alta exatidão classe $0,2\%$, transformadores de instrumentos dedicados e telemetria ONS/CCEE via protocolo ICCP.
3. Calcular os índices de Qualidade da Energia Elétrica (QEE) exigidos no Ponto de Acoplamento Comum (PAC): Distorção Harmônica Total ($TH{D}_V$), Fator de Desequilíbrio ($FD\%$) e Flicker ($P_{st}$).
4. Parametrizar a proteção de fronteira e os Esquemas Regionais de Alívio de Carga (ERAC) para corte automático de blocos sob subfrequência sistêmica.

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📋 2. Sumário Executivo dos Tópicos

• Fluxo de Acesso em Alta Tensão: Consulta de Acesso, Parecer de Acesso do ONS ou da concessionária de transmissão, celebração dos contratos de uso (CUST / CUSD) e conexão ao Ambiente de Contratação Livre (ACL).
• Sistema de Medição para Faturamento (SMF - Submódulo 2.6): Painéis lacrados de medição principal e medição retaguarda; TCs e TPs com classe de exatidão $\le 0,2\%$; proibição estrita de enrolamentos compartilhados com relés de proteção; sincronismo via satélite GPS; autonomia de baterias de $125\text{ Vcc}$ de no mínimo 10 horas.
• Padrões de Qualidade de Energia (PRODIST Módulo 8): Limite de distorção harmônica de tensão $TH{D}_V\le 5,0\%$; limite de desequilíbrio de tensão $FD\le 1,5\%$; severidade de flutuação de tensão (cintilação luminosa / flicker) $P_{st}\le 1,0$; fator de potência regulamentar $\ge 0,92$.
• Proteção e Seletividade de Fronteira: Relé Diferencial de Linha (ANSI 87L) através de canal óptico dedicado multiplexado; relé de distância (ANSI 21/21N) com zonas reversas de retaguarda; relés de sobretensão/subtensão (59/27).
• Esquema Regional de Alívio de Carga (ERAC): Deslastre automático de blocos de carga industrial escalonado em 5 estágios por relés de subfrequência (81U) operando entre $58,5\text{ Hz}$ e $57,5\text{ Hz}$ com tempo de atuação $\le 100\text{ ms}$, evitando o colapso em cascata do SIN.

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📐 3. Diagrama Esquemático: Subestações de Consumidor e Requisitos do ONS

O diagrama técnico abaixo resume a arquitetura de conexão de grandes consumidores à Rede Básica, os requisitos metrológicos do SMF, os padrões de QEE do PRODIST e os esquemas especiais de proteção:

Análise Funcional dos Quatro Módulos do Sistema:

1. Procedimentos de Acesso e Contratos (Painel Superior Esquerdo): Apresenta a rota regulatória desde a consulta formal de acesso ao ONS/distribuidora até a emissão do Parecer de Acesso e a celebração dos contratos CUST e CUSD, detalhando os submódulos normativos do ONS.
2. Sistema de Medição para Faturamento - SMF (Painel Superior Direito): Mostra a concepção em redundância total do SMF (Medidor Principal e Retaguarda independentes), alimentados por enrolamentos secundários exclusivos de classe $0,2\%$ e telemetria CCEE em blocos de 5 minutos.
3. Qualidade da Energia Elétrica - PRODIST Módulo 8 (Painel Inferior Esquerdo): Sintetiza os limites regulamentares de distorção harmônica ($TH{D}_V$), desequilíbrio de fases e cintilação luminosa (flicker), destacando as tecnologias de mitigação por filtros ativos e compensadores estáticos (STATCOM).
4. Filosofia de Proteção e Esquemas Especiais - ERAC (Painel Inferior Direito): Ilustra a coordenação de proteção diferencial e de distância na fronteira e o esquema mandatório de corte automático de carga por subfrequência (ERAC) para proteção sistêmica do SIN.

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⚡ 4. Fundamentação Teórica e Modelagem Matemática Rigorosa

4.1 Marco Regulatório e Fluxo de Acesso à Alta Tensão (ONS e ANEEL)

A conexão de uma planta industrial de grande porte à Rede Básica ($\ge 230\text{ kV}$) ou às Demais Instalações de Transmissão (DIT - $69\text{ a }138\text{ kV}$) obedece a um rito legal rígido previsto na Resolução Normativa ANEEL nº 1.000/2021 e nos Procedimentos de Rede do ONS (Módulo 2):

graph TD
    classDef step fill:#1e1e2e,stroke:#89b4fa,stroke-width:2px,color:#cdd6f4;
    classDef contract fill:#181825,stroke:#a6e3a1,stroke-width:2px,color:#cdd6f4;

    A[Consulta de Acesso da Indústria]:::step --> B[Estudos de Viabilidade de Fluxo e Curto pelo ONS]:::step
    B --> C[Emissão do Parecer de Acesso e Definição do PAC]:::step
    C --> D[Assinatura dos Contratos de Uso e Conexão]:::contract

    D --> D1["CUST: Contrato de Uso do Sistema de Transmissão (ONS)"]:::contract
    D --> D2["CCT / CCD: Contrato de Conexão à Transmissão ou Distribuição"]:::contract
    D --> D3["CCEAR / Contratos Bilaterais no Mercado Livre (CCEE)"]:::contract

    D1 & D2 & D3 --> E[Comissionamento, Auditoria do SMF e Liberação Operacional]:::step

O Ponto de Acoplamento Comum (PAC) é o limite físico e jurídico de responsabilidade: a montante do PAC, as instalações integram o sistema de transmissão regulado; a jusante do PAC, toda a infraestrutura eletromecânica pertence e é mantida pela indústria consumidora.

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4.2 Arquitetura do Sistema de Medição para Faturamento (SMF)

O faturamento financeiro de energia de grandes consumidores é liquidado na Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE) no Ambiente de Contratação Livre (ACL). Para garantir a inviolabilidade e exatidão das medições de gigawatts-hora, o Submódulo 2.6 do ONS impõe requisitos metrológicos severos:

Requisitos Técnicos Mandatórios do SMF:

1. Redundância Completa (Dois Medidores Físicos):
   • Medição Principal: Medidor eletrônico de alta precisão homologado pelo INMETRO/CCEE;
   • Medição Retaguarda: Segundo medidor físico idêntico, totalmente independente e em paralelo;
2. Transformadores de Instrumentos Dedicados:
   • Classe de Exatidão: TCs e TPs com classe metrológica de $0,2\%$ (ou excepcionalmente $0,3\%$) em toda a faixa de carga;
   • Secundários Exclusivos: É terminantemente proibido utilizar os mesmos enrolamentos secundários do SMF para alimentar relés de proteção, transdutores de IHM, controladores ou relógios locais. Qualquer derivação constitui infração grave com cancelamento da habilitação comercial;
3. Integridade Física e Lacração:
   • As caixas de borne, condutos de cabos e painéis do SMF são lacrados com selos numerados pela distribuidora e pela CCEE;
4. Sincronismo Temporal Absoluto:
   • Receptor GPS dedicado integrado ao gabinete de medição, mantendo o desvio temporal dos medidores inferior a $\pm 1\text{ ms}$ em relação ao Tempo Universal Coordenado (UTC);
5. Autonomia Auxiliar em Corrente Contínua:
   • Banco de baterias dedicado de $125\text{ Vcc}$ garantindo autonomia ininterrupta mínima de $10\text{ horas}$ em caso de colapso do suprimento CA.

Os medidores registram as integrações de energia ativa ($kWh$) e reativa ($kVArh$) nos quatro quadrantes em blocos sincronizados de $5\text{ minutos}$, transmitidos diariamente ao Sistema de Coleta de Dados de Medição (SCDE) da CCEE.

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4.3 Qualidade da Energia Elétrica no Ponto de Conexão (PRODIST Módulo 8)

A planta industrial conectada em alta tensão não pode degradar a qualidade da onda de tensão da rede pública. O Módulo 8 do PRODIST (Qualidade da Energia Elétrica) estabelece limites rigorosos no PAC:

1. Distorção Harmônica Total de Tensão ($TH{D}_V$)

Grandes fornos a arco, pontes retificadoras de eletrônica de potência, inversores de grande porte e laminadores de aço injetam correntes harmônicas que distorcem a tensão senoidal do barramento. A Distorção Harmônica Total de Tensão ($TH{D}_V$) é definida por:

$$\boxed{TH{D}_V=\frac{\sqrt{{\sum }_{h=2}^{\infty }{V}_h^2}}{V_1}\cdot 100\%}$$

• Limite regulatório no PAC para tensões de $69\text{ a }230\text{ kV}$: $TH{D}_V\le 5,0\%$ (com harmônicas ímpares individuais não triplas $\le 3,0\%$).

2. Fator de Desequilíbrio de Tensão ($FD\%$)

Fornos de indução monofásicos ou trações elétricas provocam desequilíbrios entre as fases, induzindo correntes de sequência negativa ($V_2$) que provocam aquecimento parasita severo em motores e geradores síncronos da rede:

$$\boxed{FD\%=\frac{V_2}{V_1}\cdot 100\%}$$

• Onde $V_1$ é a tensão de sequência positiva e $V_2$ é a tensão de sequência negativa obtidas pela Transformada de Fortescue.
• Limite regulatório no PAC: $FD\%\le 1,5\%$ no percentil de $95\%$ das medições semanais.

3. Severidade da Flutuação de Tensão (Flicker / Cintilação Luminosa)

Variações estocásticas rápidas de potência reativa (típicas de fornos a arco elétrico em siderúrgicas) provocam oscilações de amplitude de tensão que resultam em oscilação luminosa perceptível ao olho humano (flicker):

• $P_{st}$ (Severidade de Curto Prazo): Calculado para janelas de $10\text{ minutos}$; limite normativo: ${\mathbf{P}}_{\mathbf{st}}\le 1,0$;
• $P_{lt}$ (Severidade de Longo Prazo): Média cúbica de 12 valores sucessivos de $P_{st}$ (janela de 2 horas): $$P_{lt}=\sqrt[3]{\frac{1}{12}\sum _{i=1}^{12}{P}_{st,i}^3}\le 0,8$$

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4.4 Filosofia de Proteção de Fronteira e Coordenação com a Rede Externa

A proteção no vão de entrada de alta tensão da subestação industrial deve atuar como uma barreira seletiva: isolar instantaneamente falhas internas da indústria sem perturbar a estabilidade da linha da concessionária, e ao mesmo tempo proteger as instalações da indústria contra defeitos externos na rede de transmissão.

Esquema de Proteção Primária e Retaguarda:

1. Proteção Diferencial de Linha (ANSI 87L):
   • Mede as correntes fasoriais nas duas pontas da linha de interligação via canal digital dedicado de fibra óptica (OPGW);
   • Atuação ultrarrápida ($<20\text{ ms}$) para faltas dentro da linha de chegada, com seletividade absoluta de zona;
2. Proteção de Distância (ANSI 21 / 21N):
   • Relé de impedância multifunção com características Mho ou Quadrilateral;
   • Zona 1: Cobre $80\%\text{ a }85\%$ da linha instantaneamente ($t=0\text{ ms}$);
   • Zona 2: Cobre $100\%$ da linha mais $20\%$ da barra da subestação com temporização de $t_2\approx 300\text{ ms}$;
   • Zona 3 (Reversa): Cobre o barramento interno da subestação do consumidor como retaguarda com temporização de $t_3\approx 600\text{ ms}$;
3. Proteção de Tensão e Frequência:
   • Relés de sobretensão (ANSI 59), subtensão (ANSI 27) e proteção contra perda de sincronismo (ANSI 78).

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4.5 Esquemas Especiais de Proteção e Alívio de Carga (ERAC)

Grandes contingências na Rede Básica (como o desligamento em cascata de múltiplos circuitos de $500\text{ kV}$ ou o disparo simultâneo de blocos de gigawatts em grandes usinas) podem gerar um desbalanço massivo instantâneo entre a geração e a demanda nacional, provocando uma queda vertiginosa da frequência elétrica do sistema ($f\ll 60\text{ Hz}$).

Se a frequência atingir patamares inferiores a $57,0\text{ Hz}$, as palhetas das turbinas a vapor de usinas térmicas entram em ressonância mecânica destrutiva e as bombas de refrigeração colapsam, forçando o desligamento das próprias usinas e desencadeando um blecaute sistêmico total (blackout).

Para impedir essa catástrofe eletromecânica, o ONS gerencia o Esquema Regional de Alívio de Carga (ERAC). Todas as subestações industriais e de distribuição conectadas à alta tensão são obrigadas a instalar relés de subfrequência digitais (ANSI 81U e 81R) calibrados para deslastrar parcelas da carga industrial:

Tabela Padrão dos Estágios do ERAC (Procedimentos de Rede do ONS)

Estágio do ERAC	Frequência de Disparo ($f$)	Temporização ($t$)	Porcentagem da Demanda da Subestação a Deslastrar
1º Estágio	$58,5\text{ Hz}$	$100\text{ ms}$	$5\%$ da carga total
2º Estágio	$58,2\text{ Hz}$	$100\text{ ms}$	$5\%$ da carga adicional
3º Estágio	$57,9\text{ Hz}$	$100\text{ ms}$	$5\%$ da carga adicional
4º Estágio	$57,6\text{ Hz}$	$100\text{ ms}$	$5\%$ da carga adicional
5º Estágio	$57,3\text{ Hz}$	$100\text{ ms}$	$5\%$ da carga adicional

Além do corte por frequência estática, os relés utilizam a derivada temporal da frequência ($df/dt$ — Função 81R): se a frequência estiver caindo a uma taxa superior a $1,5\text{ Hz/s}$, o relé antecipa o deslastre antes mesmo de atingir $58,5\text{ Hz}$.

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🏭 5. Estudo de Caso Prático e Aplicação Numérica Completa

Análise de Qualidade de Energia e Conexão de Planta Siderúrgica em 230 kV

Uma nova siderúrgica alimentada em $230\text{ kV}$ (tensão máxima $V_m=245\text{ kV}$, $I_{cc}=25\text{ kA}$) possui dois fornos elétricos a arco com demanda total de $P=120\text{ MW}$ e fator de potência $\cos \varphi =0,88$. A equipe de engenharia realizou uma medição preliminar de qualidade da energia no PAC com analisador de energia Classe A (IEC 61000-4-30), registrando os seguintes espectros de tensão:

• Tensão da componente fundamental ($60\text{ Hz}$): $V_1=132,8\text{ kV}$ (fase-neutro eficaz);
• Tensão da $3^{\text{a}}$ harmônica ($180\text{ Hz}$): $V_3=1,99\text{ kV}$;
• Tensão da $5^{\text{a}}$ harmônica ($300\text{ Hz}$): $V_5=4,65\text{ kV}$;
• Tensão da $7^{\text{a}}$ harmônica ($420\text{ Hz}$): $V_7=3,32\text{ kV}$;
• Demais componentes harmônicas negligenciáveis.

Paralelamente, a decomposição fasorial por componentes simétricas de Fortescue revelou:

• Tensão de sequência positiva: $V_1=132,5\text{ kV}$;
• Tensão de sequência negativa: $V_2=1,59\text{ kV}$.

O índice de severidade de flicker registrado durante a operação de fusão de sucata metálica atingiu $P_{st}=1,45$.

Pede-se:

1. Calcular a Distorção Harmônica Total de Tensão ($TH{D}_V$) e verificar a conformidade com o PRODIST Módulo 8;
2. Calcular o Fator de Desequilíbrio de Tensão ($FD\%$) e verificar a conformidade regulatória;
3. Analisar o índice de flicker $P_{st}$ e propor a solução técnica de mitigação adequada.

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Memorial de Cálculo Analítico

Passo 1: Cálculo da Distorção Harmônica Total de Tensão ($TH{D}_V$)

Aplicando a equação do PRODIST Módulo 8:

$$TH{D}_V=\frac{\sqrt{{\sum }_{h=2}^{\infty }{V}_h^2}}{V_1}\cdot 100\%=\frac{\sqrt{V_3^2+V_5^2+V_7^2}}{V_1}\cdot 100\%$$

Substituindo os valores medidos:

$$V_3^2=(1,99{)}^2\approx 3,9601{\text{ kV}}^2$$ $$V_5^2=(4,65{)}^2\approx 21,6225{\text{ kV}}^2$$ $$V_7^2=(3,32{)}^2\approx 11,0224{\text{ kV}}^2$$

Soma quadrática das componentes harmônicas:

$$\sum V_h^2=3,9601+21,6225+11,0224=36,605{\text{ kV}}^2$$

Tensão harmônica global:

$$V_{\text{harm}}=\sqrt{36,605}\approx 6,0502\text{ kV}$$

Cálculo de $TH{D}_V$:

$$TH{D}_V=\frac{6,0502}{132,8}\times 100\%\approx 4,56\%$$

Verificação Normativa do PRODIST:

• O limite máximo para redes de $230\text{ kV}$ é de $5,0\%$.
• Como $TH{D}_V(4,56\%)\le 5,0\%$, o índice global está conforme.
• Verificação da $5^{\text{a}}$ harmônica individual: $V_5\%=\frac{4,65}{132,8}\times 100\%\approx 3,50\%$.
• Como a norma estipula que cada harmônica individual ímpar deve ser $\le 3,0\%$, a $5^{\text{a}}$ harmônica individual violou o limite normativo em $0,50\%$, exigindo a instalação de um filtro sintonizado de $5^{\text{a}}$ ordem ($300\text{ Hz}$).

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Passo 2: Cálculo do Fator de Desequilíbrio de Tensão ($FD\%$)

Pela definição de componentes de sequência:

$$FD\%=\frac{V_2}{V_1}\cdot 100\%$$

Substituindo os valores fasoriais:

$$FD\%=\frac{1,59\text{ kV}}{132,5\text{ kV}}\times 100\%=1,20\%$$

Verificação Normativa do PRODIST:

• O limite máximo permitido pelo Módulo 8 do PRODIST no PAC é de $1,5\%$.
• Como $FD\%(1,20\%)\le 1,5\%$, a planta opera em plena conformidade.

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Passo 3: Avaliação de Flicker ($P_{st}$) e Solução de Mitigação

• O índice de severidade de curto prazo medido foi de $P_{st}=1,45$.
• O limite regulatório máximo do PRODIST é de $P_{st}\le 1,00$.
• O valor medido ultrapassa o teto em $45\%$, provocando reclamações de cintilação luminosa por consumidores residenciais e comerciais vizinhos conectados ao mesmo barramento regional de $230\text{ kV}$.

Solução Técnica de Engenharia: Para mitigar a flutuação rápida de reativos dos fornos a arco e suprimir a $5^{\text{a}}$ harmônica, especifica-se a instalação na subestação da siderúrgica de um Compensador Estático de Reativos (SVC - Static Var Compensator) ou um STATCOM baseado em inversores multinível com transistores IGBT de $100\text{ MVAr}$ acoplado a filtros sintonizados de $5^{\text{a}}$ e $7^{\text{a}}$ ordem. O STATCOM injeta e absorve potência reativa ciclo a ciclo ($<5\text{ ms}$), estabilizando a tensão no barramento e reduzindo o $P_{st}$ para valores inferiores a $0,70$.

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📝 6. Banco de Questões de Fixação e Concursos Auditados

Questão 01 — Requisitos Metrológicos do Sistema de Medição para Faturamento (SMF)

(Concurso ONS — Engenheiro Especialista em Medição e Faturamento)

De acordo com o Submódulo 2.6 dos Procedimentos de Rede do ONS e as Regras de Comercialização da CCEE, para a conexão de uma unidade consumidora livre de grande porte à Rede Básica, o Sistema de Medição para Faturamento (SMF) deve atender compulsoriamente a qual dos seguintes requisitos? A) Os medidores de faturamento podem compartilhar os mesmos enrolamentos secundários dos TCs e TPs que alimentam os relés de sobrecorrente e a IHM de controle local. B) O sistema deve dispor de dois medidores físicos independentes (Medição Principal e Medição Retaguarda), com enrolamentos secundários de TCs e TPs de medição exclusivos de classe de exatidão $\le 0,2\%$ e sincronismo temporal via GPS. C) A alimentação auxiliar do painel de medição deve ser realizada exclusivamente em corrente alternada em $220\text{ V}$, sendo vedado o uso de bancos de baterias em corrente contínua. D) As medições de energia ativa e reativa são integradas em intervalos mensais, sem registro de curvas de carga horárias. E) A classe de exatidão dos TCs de medição para faturamento na Rede Básica pode ser de até $2,5\%$ desde que haja calibração bienal.

Resolução Analítica Passo a Passo

Conforme estipula o Submódulo 2.6 do ONS:

1. É mandatório o uso de dois medidores físicos independentes (Principal e Retaguarda);
2. Os TCs e TPs devem possuir classe de exatidão metrológica de $0,2\%$ homologada;
3. Os enrolamentos secundários devem ser estritamente exclusivos para o SMF (vedado qualquer compartilhamento com relés de proteção ou automação);
4. O sincronismo temporal deve ser assegurado por antena receptora de satélites GPS integrada;
5. A alimentação auxiliar deve ser provida por banco de baterias em corrente contínua com autonomia mínima de $10\text{ horas}$.

Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa B.

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Questão 02 — Cálculo de Distorção Harmônica Total (THDv) conforme PRODIST Módulo 8

(Concurso Petrobras — Engenheiro Eletricista)

Em uma medição de qualidade da energia elétrica no ponto de acoplamento comum (PAC) de uma fábrica petroquímica conectada em $69\text{ kV}$, a tensão fundamental eficaz de fase foi de $V_1=40\text{ kV}$. Os instrumentos registraram a presença das seguintes componentes harmônicas de tensão:

• $V_3=1,2\text{ kV}$;
• $V_5=1,6\text{ kV}$. As demais componentes harmônicas são nulas. O valor da Distorção Harmônica Total de Tensão ($TH{D}_V$) é de: A) $3,0\%$ B) $4,0\%$ C) $5,0\%$ D) $7,0\%$ E) $8,5\%$

Resolução Analítica Passo a Passo

Pela equação oficial do PRODIST Módulo 8:

$$TH{D}_V=\frac{\sqrt{V_3^2+V_5^2}}{V_1}\cdot 100\%$$

Substituindo os valores numéricos:

$$V_3^2+V_5^2=(1,2{)}^2+(1,6{)}^2=1,44+2,56=4,00{\text{ kV}}^2$$ $$\sqrt{4,00}=2,0\text{ kV}$$

Calculando a razão com a tensão fundamental ($40\text{ kV}$):

$$TH{D}_V=\frac{2,0\text{ kV}}{40,0\text{ kV}}\times 100\%=\frac{1}{20}\times 100\%=5,0\%$$

Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa C.

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Questão 03 — Atuação do Esquema Regional de Alívio de Carga (ERAC)

(Concurso Eletrobras / Furnas — Engenharia de Operação de Sistemas)

Em um cenário de emergência no Sistema Interligado Nacional (SIN), após a desconexão acidental de uma usina hidrelétrica de grande porte, a frequência do sistema sofre uma queda acentuada, atingindo $58,4\text{ Hz}$. Nas subestações de grandes consumidores industriais e de distribuidoras participantes do ERAC: A) Todos os transformadores da subestação são desligados simultaneamente por sobretensão. B) Os relés de subfrequência do 1º estágio do ERAC ($58,5\text{ Hz}$) atuam em aproximadamente $100\text{ ms}$, comandando o descarte automático do primeiro bloco de carga (tipicamente $5\%$ da demanda) para conter a queda da frequência. C) Os disjuntores da subestação abrem automaticamente e religam imediatamente em modo monofásico. D) A subestação passa a operar compulsoriamente como gerador síncrono injetando reativos no barramento. E) O ERAC só atua quando a frequência atinge valores inferiores a $50\text{ Hz}$.

Resolução Analítica Passo a Passo

O 1º estágio do ERAC entra em operação quando a frequência elétrica do SIN cai abaixo de $58,5\text{ Hz}$. Com a frequência atingindo $58,4\text{ Hz}$, os relés digitais de subfrequência (ANSI 81U) integrados aos cubículos da subestação industrial disparam no tempo padronizado de $100\text{ ms}$, abrindo disjuntores de alimentadores selecionados para deslastrar $5\%$ da carga, aliviando o déficit de geração do SIN e impedindo a progressão do colapso sistêmico.

Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa B.

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Questão 04 — Fator de Desequilíbrio de Tensão e Componentes Simétricas

(Concurso CEMIG — Engenheiro de Planejamento de Redes)

No ponto de conexão de uma indústria siderúrgica operando em $138\text{ kV}$, a decomposição por componentes simétricas de Fortescue revelou uma tensão de sequência positiva de $V_1=80\text{ kV}$ e uma tensão de sequência negativa de $V_2=1,6\text{ kV}$. O Fator de Desequilíbrio de Tensão ($FD\%$) e a sua conformidade com o PRODIST Módulo 8 ($F{D}_{\max }\le 1,5\%$) são: A) $FD=0,5\%$; conforme. B) $FD=1,2\%$; conforme. C) $FD=2,0\%$; não conforme. D) $FD=3,5\%$; não conforme. E) $FD=5,0\%$; não conforme.

Resolução Analítica Passo a Passo

Pela formulação padronizada de desequilíbrio:

$$FD\%=\frac{V_2}{V_1}\cdot 100\%$$

Substituindo os valores fornecidos:

$$FD\%=\frac{1,6\text{ kV}}{80,0\text{ kV}}\times 100\%=\frac{160}{80}\times 10^{-2}\times 100\%=2,0\%$$

Como o limite do PRODIST Módulo 8 é de $1,5\%$, o valor calculado ($2,0\%$) é não conforme, exigindo a readequação dos processos industriais ou a instalação de compensadores estáticos balanceadores de carga.

Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa C.

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Questão 05 — Procedimentos de Acesso e Contratos CUST e CUSD

(Concurso CHESF — Engenharia de Regulação e Comercialização)

No processo de viabilização do acesso de um grande consumidor industrial à Rede Básica de transmissão regulada pelo ONS, os instrumentos contratuais que regem o uso da infraestrutura e a conexão física são denominados, respectivamente: A) Contrato de Compra e Venda de Aço e Contrato de Aluguel de Pátio. B) CUST (Contrato de Uso do Sistema de Transmissão) e CCT (Contrato de Conexão à Transmissão). C) CUSD (Contrato de Uso do Sistema de Distribuição) e CCEAR (Contrato de Comercialização em Ambiente Regulado). D) Termo de Renúncia Fiscal e Protocolo de Intenções Municipais. E) CUSD exclusivo, uma vez que consumidores livres não podem assinar contratos com o ONS.

Resolução Analítica Passo a Passo

Na governança do setor elétrico brasileiro sob coordenação do ONS e homologação da ANEEL:

• O CUST (Contrato de Uso do Sistema de Transmissão) é celebrado entre o consumidor livre e o ONS, estipulando os montantes contratados de uso da Rede Básica ($\text{MW}$) e a cobrança da Tarifa de Uso do Sistema de Transmissão (TUST);
• O CCT (Contrato de Conexão à Transmissão) é celebrado entre o consumidor e a transmissora proprietária da subestação onde ocorre a conexão física das instalações. (Caso a conexão ocorra na rede de distribuição da concessionária local, os equivalentes são o CUSD e o CCD).

Resolução Analítica Passo a Passo: Alternativa B.

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📚 7. Referências Bibliográficas e Normas Técnicas

1. ONS — Operador Nacional do Sistema Elétrico. Procedimentos de Rede: Submódulo 2.2 — Requisitos Mínimos para Conexão à Rede Básica; Submódulo 2.3 — Requisitos para Supervisão e Telecontrole; Submódulo 2.6 — Requisitos para Instalações de Medição para Faturamento. Rio de Janeiro: ONS, 2021.
2. ANEEL — Agência Nacional de Energia Elétrica. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional — PRODIST: Módulo 8 — Qualidade da Energia Elétrica. Brasília: ANEEL, 2021.
3. CCEE — Câmara de Comercialização de Energia Elétrica. Procedimentos de Comercialização: Medição para Faturamento. São Paulo: CCEE, 2022.
4. MAMEDE FILHO, João. Subestações de Alta Tensão. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018.
5. DUGAN, Roger C. et al. Electrical Power Systems Quality. 3. ed. New York: McGraw-Hill, 2012.
6. IEC 61000-4-30:2015 — Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-30: Testing and measurement techniques - Power quality measurement methods. Geneva: IEC.