BRPI0802444A2 - sistema para regulaÇço de tensço de carga em circuitos de distribuiÇço de energia e mÉtodo para regulaÇço de tensço de carga em circuitos de distribuiÇço de energia - Google Patents
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Abstract
SISTEMA PARA REGULAÇçO DE TENSçO DE CARGA EM CIRCUITOS DE DISTRIBUIÇçO DE ENERGIA E MÉTODO PARA REGULAÇçO DE TENSçO DE CARGA EM CIRCUITOS DE DISTRIBUIÇçO DE ENERGIA. A presente invenção refere-se a um sistema para regulação de tensão de carga (O) em circuitos de distribuição de energia compreendendo pelo menos: um transformador de regulação (2) disposto operativamente em série entre uma fonte de alimentação (F) e a carga (C), a fonte de alimentação (F) sendo capaz de prover uma tensão de alimentação (VAL) à carga (O); um dispositivo de medição (5) associado operativamente à carga (O), o dispositivo de medição (5) sendo capaz de medir pelo menos um valor de um sinal elétrico da carga (SCA); um dispositivo de controle (4) associado operativamente ao dispositivo de medição (5), o dispositivo de controle (4) sendo capaz de comparar o valor do sinal elétrico da carga (SOA) com um valor de referência (VRE) preestabelecido e prover um sinal elétrico de correção (SOO); e um dispositivo de atuação (3) associado operativamente ao dispositivo de controle (4), sendo que o dispositivo de atuação (3) é capaz de prover uma tensão de ajuste (VAJ) proporcional ao sinal elétrico de correção (500), a tensão de ajuste (VAJ) sendo aplicável em derivações elétricas fixas do enrolamento primário do transformador de regulação (2), as derivações elétricas fixas permanecendo imóveis quando da variação da tensão de ajuste (VAJ), o transformador de regulação (2) sendo capaz de transformar a tensão de ajuste (VAJ) em uma tensão de regulação (VRE), a tensão de regulação (VRE) sendo somada em módulo e fase à tensão de alimentação (VAL). A presente invenção refere-se também a um método para ser executado no sistema acima mencionado.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMAPARA REGULAÇÃO DE TENSÃO DE CARGA EM CIRCUITOS DEDISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA E MÉTODO PARA REGULAÇÃO DETENSÃO DE CARGA EM CIRCUITOS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA".
A presente invenção refere-se a um sistema para regular umatensão de carga de circuitos de distribuição de energia. Maisparticularmente, a invenção refere-se a um sistema capaz de ajustarautomaticamente uma tensão provida por um circuito de distribuição deenergia a pelo menos uma carga, aumentando ou diminuindo o seu valor,conforme variações de medições de sinais elétricas da dita carga.
A presente invenção refere-se também a um método pararegulação da tensão de carga em circuitos de transmissão e distribuição deenergia.
Descrição do Estado Da Técnica
Nos circuitos de transmissão e distribuição de energia elétrica, énecessário que a tensão fornecida ao usuário seja mantida constante paraevitar transtornos como, por exemplo, mau funcionamento e danos aequipamentos industriais, eletrodomésticos, eletrônicos e de informática.Para isso, são utilizados equipamentos que possibilitam aumentar oudiminuir a tensão conforme demanda exigida. Devido a vários fatores como,por exemplo, alterações na carga, são usados reguladores de tensão e/outransformadores associados a comutadores sob carga capazes de alterar atensão automaticamente, sem interrupção do fornecimento de energia aousuário.
O regulador de tensão compreende basicamente umtransformador dotado de um enrolamento provido de derivações ou taps,com uma determinada relação de espiras, ligadas a um comutador mecânicosob carga. Normalmente, o comutador mecânico é montado no interior deum tanque compreendido pelo transformador, submerso em um óleo isolante(óleo mineral). Neste sentido, este tanque deve ter o seu volumesobredimensionado devido à necessidade de se instalar o comutador emsua porção interna, o que acarreta também em um aumento do volume dolíquido isolante.
Alguns tipos de reguladores de tensão compreendem tambémum reator ligado aos contatos do comutador, para limitar a corrente elétrica e possibilitar uma tensão intermediária entre duas posições dos ditos taps.
Geralmente, a posição da conexão dos taps a um comutadormecânico é automaticamente alterada por um sistema de controle, quemede a corrente de carga a partir de um painel eletrônico e comanda oacionamento do comutador, a partir da tensão da carga. A comutação paraum tap definido pelo sistema de controle é feita mecanicamente pelodeslocamento dos contatos móveis que deslizam sobre a superfície doscontatos fixos distribuídos em círculo, evitando a interrupção de alimentaçãode corrente. O dito deslocamento entre taps requer um motor elétrico eoutras peças mecânicas, como engrenagens, suportes, entre outros, sendo que a cada mudança de tap é gerado um arco elétrico entre o contato móvele o contato fixo.
Tal arco elétrico remove partículas metálicas dos contatos,causando seu desgaste e contribuindo com a formação de gases inflamáveisque contaminam o seu óleo isolante, diminuindo sua característica de isolação e até mesmo ocasionando em risco de explosão em determinadascondições.
Além disso, existem reguladores de tensão capazes de alterar osentido de circulação da corrente nos taps e com isso alterar sua polaridade,possibilitando que a regulação seja no sentido de aumentar ou de diminuir a tensão requerida de acordo com a posição dos taps, onde cada tapcorresponde a uma determinada relação de espiras, sendo entãoadicionadas ou subtraídas de acordo à polaridade do comutador.
Porém, pelo fato do comutador ser mecânico e ser rotacionadosobre os enrolamentos do transformador, há a desvantagem da necessidadede limitar o ajuste da tensão de saída em um número fixo e limitado deposições do comutador, além de ocorrer a geração de arcos elétricos emcada mudança de posição, conforme já mencionado anteriormente.Desta maneira, os comutadores estão submetidos a constantesdesgastes, necessitando uma manutenção periódica para limpeza e atémesmo para a sua troca, exigindo o transporte dos reguladores até um localadequado, envolvendo gastos e transtornos indesejáveis. Esse transporte contribui para o aumento de riscos de vazamento do óleo isolante em umeventual acidente, ameaçando assim o meio ambiente e pessoas.Adicionalmente, o transporte requer gastos com recursos humanos,instalações, veículos, combustível, dentre outros. Estes gastos sãorepassados aos consumidores através de tarifas.
Tais situações de perigo, assim como os altos gastos envolvidosna manutenção freqüente do regulador de tensão, poderiam ser diminuídose/ou evitados se o comutador mecânico fosse substituído por algum sistemaque aumentasse ou diminuísse a tensão de saída, sem gerar arcos elétricose sem utilizar óleo isolante.
Alguns dos problemas acima mencionados são detectados nasseguintes soluções, conhecidas do estado da técnica, apresentadas abaixo.
O documento PI 0110005-0 descreve um transformador decomutação conectado aos terminais de entrada de uma fonte de tensão VE aser regulada. Tal transformador apresenta uma relação de espiras variável k de modo a gerar no seu secundário uma tensão kVE. Esta relação de espirasé controlada por dispositivos de controle e de comando em função da tensãode saída Vs do adaptador de tensão. A tensão kVE é alimentada a umsegundo transformador com relação de espiras fixa k', conectado em série àsaída do adaptador de tensão. O transformador gera uma tensão k'kVE no seu secundário que é adicionada à tensão de saída Vs do adaptador. Estearranjo é aplicável apenas para uma rede de baixa tensão, além decompreender comutadores mecânicos que apresentam a desvantagem delimitar a regulagem da tensão de saída em um número fixo de comutadoresativados, e ainda há a geração de arcos elétricos em cada mudança de atuação.
O documento britânico GB 2324389 descreve um transformadorcujo secundário é conectado em série a uma linha de tensão controlada,para adicionar ou subtrair tensão à linha. O primário deste transformador éacoplado a uma rede de comutação formada por um transformador comrelação de espiras variável, que é controlada por um loop compreendendoum microprocessador e 4 relês. Este arranjo também compreende contatosfechados por relês, limitando a modificação da tensão de saída em umnúmero fixo de contatos ativados, além de gerar arcos elétricos em cadamudança de atuação.
Desta maneira, os documentos do estado da técnica nãodescrevem uma solução completa e satisfatória para resolver todos osproblemas existentes, além de aparentemente apresentarem um custo altode implementação e manutenção.
Objetivos da invenção
Um primeiro objetivo da presente invenção consiste em proverum sistema capaz de regular automaticamente uma tensão elétrica fornecidaa uma carga compreendida por um circuito de distribuição de energiaelétrica, sem a necessidade de interrupção do fornecimento de energiaelétrica à carga, de modo a reduzir e simplificar as manutenções e trocasexigidas pelos sistemas conhecidos do estado da técnica, reduzindo-seainda os custos e riscos ao meio ambiente e às pessoas.
Um segundo objetivo da presente invenção consiste em proverum método para regular automaticamente uma tensão elétrica fornecida auma carga compreendida por um circuito de distribuição de energia elétrica.
Breve Descrição da invenção
O primeiro objetivo da presente invenção é alcançado através daprovisão de um sistema para regulação de tensão de carga em circuitos dedistribuição de energia compreendendo pelo menos: um transformador deregulação dotado de um enrolamento primário e um enrolamentosecundário, o enrolamento secundário do transformador de regulação sendodisposto operativamente em série entre uma fonte de alimentação e a carga,a fonte de alimentação sendo capaz de prover uma tensão de alimentação àcarga; um dispositivo de medição associado operativamente à carga, odispositivo de medição sendo capaz de medir pelo menos um valor de umsinal elétrico da carga; um dispositivo de controle associado operativamenteao dispositivo de medição, o dispositivo de controle sendo capaz decomparar o valor do sinal elétrico da carga com um valor de referênciapreestabelecido e prover um sinal elétrico de correção; e um dispositivo deatuação associado operativamente ao dispositivo de controle, sendo que odispositivo de atuação é capaz de prover uma tensão de ajuste proporcionalao sinal elétrico de correção, a tensão de ajuste sendo aplicável emderivações elétricas fixas do enrolamento primário do transformador deregulação, as derivações elétricas fixas permanecendo imóveis quando da variação da tensão de ajuste, o transformador de regulação sendo capaz detransformar a tensão de ajuste aplicada no enrolamento primário em umatensão de regulação no enrolamento secundário, a tensão de regulaçãosendo somada em módulo e fase à tensão de alimentação.
O segundo objetivo da presente invenção é alcançado através da provisão de um método que compreende as etapas de: i) fornecimento deuma tensão de alimentação à carga; ii) medição de pelo menos um valor deum sinal elétrico de carga; iii) comparação entre pelo menos um valor dosinal elétrico da carga obtido na etapa ii com um valor de referência préestabelecido; iv) cálculo e provimento de um sinal elétrico de correção; v) provimento de uma tensão de ajuste a partir do sinal elétrico de correçãoobtido na etapa iv; vi) transformação da tensão de ajuste obtida na etapa vem uma tensão de regulação; vii) soma em módulo e fase da tensão deregulação obtida na etapa iv com a tensão de alimentação; e viii)fornecimento da soma de tensões obtida na etapa vii para a carga.
Descrição Resumida dos Desenhos
A presente invenção será descrita a seguir em maiores detalhes,com referência aos desenhos anexos, nos quais:
figura 1 - representa um diagrama de blocos esquemático de umsistema para regulação de tensão de carga em circuitos de distribuição deenergia, objeto da presente invenção; e
figura 2 - representa um fluxograma de um método pararegulação de tensão de carga em circuitos de distribuição de energia.Descrição Detalhada das Figuras
A figura 1 ilustra um diagrama de blocos esquemático de umsistema para regulação de tensão de carga C em circuitos de distribuição deenergia, de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção.
O circuito de distribuição de energia consiste preferencialmenteem um circuito capaz de prover energia elétrica a cargas C como, porexemplo, residências, domicílios, prédios, condomínios, fábricas, plantasindustriais, bem como estações e subestações de energia. Deste modo, o sistema para regulação da presente invenção é aplicável preferencialmenteem circuitos de alta tensão como, por exemplo, da ordem de 13800 V, 24200V ou 34500 V. Opcionalmente, o sistema também pode ser aplicado aoscircuitos de média e/ou baixa tensão.
Conforme pode ser observado na figura 1, tal sistemacompreende pelo menos uma fonte de alimentação F capaz de prover umatensão de alimentação VAL à carga C.
A carga C é associada a um transformador de regulação 2dotado de um enrolamento primário e de um enrolamento secundáriodisposto operativamente em série entre a fonte de alimentação F e a carga C.
A carga C é ainda associada operativamente ao dispositivo demedição 5 capaz de medir pelo menos um valor de um sinal elétrico dacarga SCA.
O dispositivo de medição 5 consiste preferencialmente, mas nãoobrigatoriamente, em um multímetro capaz de medir um sinal de tensão dacarga e/ou um sinal de corrente da carga.
O dispositivo de medição de tensão 5 é associadooperativamente a um dispositivo de controle 4 capaz de comparar o valor dosinal elétrico da carga SCA com um valor de referência preestabelecido.
Este valor de referência consiste em um valor considerado ótimo,proporcional a um valor de tensão ideal que se deseja fornecer à carga C.
O dispositivo de controle 4 é capaz ainda de prover um sinalelétrico de correção SCO que pode ser uma tensão ou corrente elétrica,dependendo da forma de implementação do sistema.
Preferencialmente, o dispositivo de controle 4 compreende pelomenos um microprocessador ou um microcontrolador capaz de executar umprograma de computador que permite o provimento do sinal elétrico decorreção SCO. O sinal elétrico de correção SCO consiste em um sinalelétrico digital e/ou analógico que pode ser provido diretamente por um pinode saída do microprocessador ou microcontrolador, ou ainda pode serprovido por um filtro (circuito ou componente elétrico) associado ao dito pinode saída. O programa de computador pode estar armazenado em umamemória externa associada ao microprocessador ou microcontrolador ouarmazenado em uma memória interna do microprocessador oumicrocontrolador.
Dessa forma, a comparação, cálculo e o provimento do sinalelétrico de correção SCO são feitos por um algoritmo de controle contido noprograma de computador.
Adicionalmente, pode-se estabelecer também um valor detolerância (erro) permitido, sendo que o dispositivo de controle 4 éconfigurado para prover o sinal elétrico de correção SCO apenas quandoocorrer uma extrapolação do valor do sinal elétrico da carga SCA para alémdos limites determinados por esta tolerância. Opcionalmente, o dispositivode controle 4 pode ser configurado para prover o sinal elétrico de correçãoSCO sempre, independentemente da magnitude de diferença entre o valordo sinal elétrico da carga SCA e o valor de referência preestabelecido.Ainda, outros parâmetros podem ser incluídos, caso necessário.
Evidentemente, tanto o valor referência preestabelecido como ovalor de tolerância podem ser ajustados e alterados conforme a aplicação,conveniência e necessidade.
O dispositivo de controle 4 compreende ainda um painel deinterface para interação com um operador. O painel de interface é dotado demeios de visualização (exemplo display LCD) e botões/chaves de comando.
Alternativamente, o dispositivo de controle 4 pode serimplementado integralmente por componentes eletrônicos analógicos e oucircuitos integrados (chips) associados operativamente entre si, de modo adispensar o uso de um microprocessador ou um microcontrolador.
O dispositivo de controle 4 é associado operativamente a umdispositivo de atuação 3 capaz de prover uma tensão de ajuste VAJ,proporcional ao sinal elétrico de correção SCO, ao transformador deregulação 2. Mais particularmente, a tensão de ajuste VAJ é aplicável emderivações elétricas fixas do enrolamento primário do transformador deregulação 2. Essa tensão de ajuste VAJ é transformada pelo transformador de regulação 2 em uma tensão de regulação VRE no seu enrolamentosecundário.
Tendo em vista que o enrolamento secundário do transformadorde regulação está associado em série entre a fonte de alimentação F e acarga C, a tensão de regulação VRE é somada em módulo e fase à tensão de alimentação VAL, de maneira a corrigir ou ajustar a tensão provida àcarga C, de acordo com as demandas e variações apresentadas pelocircuito de distribuição de energia. Dessa forma, as derivações elétricas fixaspermanecem imóveis quando houver alguma variação da tensão de ajusteVAJ. A correção (ajuste) da tensão provida à carga C é feita totalmente de forma eletrônica, sem envolver nenhum tipo de movimento de peçasmecânicas.
Assim, ao contrário dos sistemas conhecidos do estado datécnica, o sistema da presente invenção não utiliza contatos mecânicosmóveis que geram arcos elétricos capazes de acelerar o seu desgaste edemandar manutenções freqüentes.
Além disso, o sistema da presente invenção dispensa o uso deóleo isolante, eliminando-se o risco de contaminação de meio ambiente,incêndio e de explosão quando da sua implementação, manutenção eeventual transporte que se façam necessários.
Adicionalmente, o sistema da presente invenção dispensa o usode motor elétrico e outras partes mecânicas, como engrenagens, suportes,dentre outros, o que simplifica e reduz os custos finais envolvidos na suaimplementação e manutenção.
Ainda, a variação da tensão de regulação VRE é feita de formacontínua, sem degraus de tensão, o que permite ajustes de tensão maisfinos e com mais precisão, otimizando o rendimento dos equipamentos eeconomizando energia.
Cabe notar também que as operações de medição, comparação,correção/ajuste, transformação, soma e fornecimento da tensão corrigida àcarga C é feita de forma automática pelo sistema, de acordo com variações da medição de tensão ou corrente da carga C, sem que ocorra nenhum tipode interrupção de energia.
O dispositivo de atuação 3 compreende pelo menos um circuitode potência capaz de tratar o sinal elétrico de correção SCO para prover atensão de ajuste VAJ. Conforme já descrito anteriormente, o valor da tensão de ajuste VAJ é proporcional ao valor do sinal elétrico de correção SCO.
O circuito interno de potência é dotado, por exemplo, de pelomenos um conversor AC/DC e/ou um conversor DC/AC e/ou ainda decircuitos amplificadores. Os conversores AC/DC, DC/AC e os circuitosamplificadores são amplamente conhecidos do estado da técnica e nãoserão objetos de discussão.
Portanto, a configuração específica do dispositivo de atuação 3pode variar conforme as conveniências e necessidades de utilização, sendoirrelevante para a definição do escopo de proteção da invenção
O dispositivo de atuação 3 é alimentado eletricamente por um25 transformador auxiliar 1, conforme pode ser observado na figura 1. Destamaneira, o transformador auxiliar 1, disposto operativamente entre a fonte dealimentação F e o dispositivo de atuação 3, é capaz de prover uma tensãoauxiliar VAU ao dispositivo de atuação 3.
O transformador auxiliar 1 consiste preferencialmente em umtransformador de potência. Tal transformador tem um lado de alta tensão(enrolamento primário) associado à fonte de alimentação F e um lado debaixa tensão associado ao dispositivo de atuação 3.Assim, obtém-se um risco reduzido de acidentes quando doacesso e/ou manutenção do dispositivo de atuação 3, dispositivo de controle4 e do transformador de regulação 2, pois todo o controle para o provimentoda tensão de regulação VRE é feito pelo lado de baixa tensão.
A figura 2 ilustra um fluxograma das etapas executadas pelosistema da presente invenção. Essas etapas compõem um método pararegulação de tensão da carga C em circuitos de distribuição de energia.
Tal método compreende as etapas de:
i) fornecimento de uma tensão de alimentação VAL à carga C;ii) medição de pelo menos um valor de um sinal elétrico de carga SCA;
iii) comparação entre pelo menos um valor do sinal elétrico dacarga SCA obtido na etapa ii com um valor de referência pré estabelecido;
iv) cálculo e provimento de um sinal elétrico de correção SCO,preferencialmente, se o resultado da comparação da etapa iiinão estiver compreendido em uma faixa de tolerânciapreestabelecida;
v) provimento de uma tensão de ajuste VAJ a partir do sinal elétrico de correção SCO obtido na etapa iv;
vi) transformação da tensão de ajuste VAJ obtida na etapa v emuma tensão de regulação VRE;
vii) soma em módulo e fase da tensão de regulação VRE obtidana etapa iv com a tensão de alimentação VAL; e
viii) fornecimento da soma de tensões obtida na etapa vii para a carga C.
Na etapa iii acima descrita, pode-se realizar a comparação, porexemplo, através de um cálculo da diferença em módulo e fase entre o sinalelétrico da carga SCA e o valor de referência preestabelecido.
Tendo sido descritos um exemplo de concretização preferido,deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outraspossíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicaçõesapensas, onde são incluídos os possíveis equivalentes.
Claims (8)
1. Sistema para regulação de tensão de carga (C) em circuitosde distribuição de energia compreendendo pelo menos:- um transformador de regulação (2) dotado de um enrolamentoprimário e um enrolamento secundário, o enrolamento secundário dotransformador de regulação (2) sendo disposto operativamente em sérieentre uma fonte de alimentação (F) e a carga (C), a fonte de alimentação (F)sendo capaz de prover uma tensão de alimentação (VAL) à carga (C);- um dispositivo de medição (5) associado operativamente àcarga (C), o dispositivo de medição (5) sendo capaz de medir pelo menosum valor de um sinal elétrico da carga (SCA);- um dispositivo de controle (4) associado operativamente aodispositivo de medição (5), o dispositivo de controle (4) sendo capaz decomparar o valor do sinal elétrico da carga (SCA) com um valor dereferência preestabelecido e prover um sinal elétrico de correção (SCO); e- um dispositivo de atuação (3) associado operativamente aodispositivo de controle (4), o dispositivo de atuação (3) sendo capaz deprover uma tensão de ajuste (VAJ) proporcional ao sinal elétrico de correção(SCO),o sistema sendo caracterizado pelo fato de que a tensão deajuste (VAJ) é aplicável em derivações elétricas fixas do enrolamentoprimário do transformador de regulação (2), as derivações elétricas fixaspermanecendo imóveis quando da variação da tensão de ajuste (VAJ), otransformador de regulação (2) sendo capaz de transformar a tensão deajuste (VAJ) aplicada no enrolamento primário em uma tensão de regulação(VRE) no enrolamento secundário, a tensão de regulação (VRE) sendosomada em módulo e fase à tensão de alimentação (VAL).
2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o dispositivo de atuação (3) compreende pelo menos um circuito interno de potência capaz de tratar o sinal elétrico de correção (SCO) paraprover a tensão de ajuste (VAJ).
3. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelofato de que o circuito interno de potência é dotado de pelo menos umconversor AC/DC e/ou um conversor DC/AC.
4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que compreende um transformador auxiliar (1) dispostooperativamente entre a fonte de alimentação (F) e o dispositivo de atuação(3), o transformador auxiliar (1) sendo capaz de prover uma tensão auxiliar(VAU) ao dispositivo de atuação (3).
5. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o dispositivo de medição (5) consiste em um multímetro capazde medir um sinal de tensão da carga e/ou um sinal de corrente da carga.
6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o dispositivo de controle (4) compreende pelo menos ummicroprocessador ou um microcontrolador capaz de executar um programade computador que permite o provimento do sinal elétrico de correção (SCO)ao dispositivo atuador (3).
7. Método para regulação de tensão de carga (C) em circuitosde distribuição de energia, caracterizado pelo fato de que compreende asetapas de:i) fornecimento de uma tensão de alimentação (VAL) à carga (C);ii) medição de pelo menos um valor de um sinal elétrico de carga (SCA);iii) comparação entre pelo menos um valor do sinal elétrico da carga (SCA) obtido na etapa ii com um valor dereferência pré estabelecido;iv) cálculo e provimento de um sinal elétrico de correção (SCO);v) provimento de uma tensão de ajuste (VAJ) a partir dosinal elétrico de correção (SCO) obtido na etapa iv;vi) transformação da tensão de ajuste (VAJ) obtida na etapav em uma tensão de regulação (VRE);vii) soma em módulo e fase da tensão de regulação (VRE)obtida na etapa iv com a tensão de alimentação (VAL); eviii) fornecimento da soma de tensões obtida na etapa vii paraa carga (C).
8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelofato de que na etapa iii é calculada a diferença em módulo e fase entre osinal elétrico de carga (SCA) e o valor de referência (VRE).
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