Harmônicos Sistemas Industriais Cooperação Concessionária Consumidor (2)

7/23/2019 Harmnicos Sistemas Industriais Cooperao Concessionria Consumidor (2)

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O SETOR ELTRICO

Julho 2008

Este artigo objetiva mostrar os resultados obtidos com as

medies e os estudos de harmnicos realizados na planta industrial

de uma fbrica de embalagens de papel. As anlises foram feitas

pela concessionria de energia Elektro e pelo consumidor, por meio

de uma consultoria especializada.

O consumidor teve srios problemas de correo de fator de

potncia empregando bancos de capacitores comuns em funo

das cargas eletrnicas instaladas (onduladeiras, mquinas de

papel, picadores, etc.) e do aumento significativo da demanda

contratada em um sistema eltrico radial e distante da subestao

alimentadora.

Procuraremos abordar todos os aspectos tcnicos analisados

na busca de uma soluo tcnica conjunta para os problemas de

correo do fator de potncia em um ambiente contaminado pelas

componentes harmnicas geradas pelas cargas.

O sistema

O sistema eltrico em discusso neste artigo constitudo por

uma linha de distribuio de 13,8 kV com 18 km de extenso,

desde a subestao at o ponto de acoplamento comum (PAC) do

consumidor. As cargas do consumidor so distribudas em nove

cabines com transformadores abaixadores para as tenses de 380

V/220 V e 220 V/127 V, descritas a seguir: cabine 1 acabamento;

cabine 2 onduladeiras; cabine 3 mquina de papel I; cabine 4

desagregao; cabine 5 caldeira, cabine 6 mquina de papel

II; cabine 7 picador; cabine 8 TAR; cabine 9 administrao/

portaria.

Uma grande parte das cargas existentes na instalao tem

caractersticas no-lineares e geram componentes harmnicos que

esto causando problemas de queima dos bancos de capacitores

instalados para a correo do fator de potncia da instalao, bem

como gerando nveis de distoro harmnica elevada na barra de

13,8 kV. Problemas na operao das cargas tambm foram relatados

pelos tcnicos da empresa em estudo.

QUALIDADE DE ENERGIA

Harmnicos em sistemasindustriais: uma cooperao entre

concessionria e consumidor

Dados tcnicos e medies realizadas

As seguintes informaes tcnicas foram obtidas durante

as medies e os levantamentos de dados em campo pela

concessionria de energia eltrica para o sistema alimentador e para

as cargas conectadas nessa planta industrial.

Medies no sistema alimentador da concessionria

- tenso do alimentador: 13,8 kV

- potncia de curto-circuito: 21 MVA 85

As medies preliminares realizadas pela concessionria de energia

no PAC (Figuras de 1 a 4) demonstraram os seguintes resultados de

tenso, corrente, distoro harmnica total de tenso e distoro

harmnica total de corrente no alimentador da referida instalao:

Figura 1 Tenses RMS no 13,8 kV

Figura 2 Correntes RMS no 13,8 kV

Por Flvio Resende Garcia


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Julho 2008


Figura 3 DHV (%) no 13,8 kV

Figura 4 DHI (A) no 13,8 kV

Figura 5 Demanda em kW

As medies mostradas na Figura 3, apesar de a injeo harmnica de

corrente no 13,8 kV no apresentar valores elevados, demonstram nveis altos

de distoro harmnica total de tenso, acima dos limites recomendados pela

IEEE 519/1992 e pela Agncia Nacional de Energia Eltrica (Aneel)/Operador

Nacional do Sistema Eltrico (ONS). Tal fato justificou a realizao de estudos

e medies de harmnicos visando a detectar a causa das distores e a

buscar solues para a reduo desses nveis de distoro.

Sistema eltrico industrial

Os resultados das medies de energia realizadas no sistema

eltrico da planta industrial esto na Tabela I:

Tabela I Informaes do sistema eltrico em estudo

FP %

99i

100

100

90c

93i

95i

97i92i

85i

81i

88i

79i

90i

96i

93i

97i

81i

90i

79i

52i

82i

86,55%

Fase C (A)

89

97

0

123

63

0

51

161

135

kVAr

efetivo

60,72

65,56

0

85,58

37,62

0

29,04

106,7

91,3

476,52

kVA

64,95

182,95

160,93

27,28

309,17

532,91

171,23313,41

548,54

758,33

766,03

1.162,52

212,63

98,23

292,04

375,15

1.201,54

22,22

316,46

28,85

58,34

7.603,72

Fase B (A)

95

101

0

115

56

0

32

165

143

kW

64,30

182,95

160,93

24,55

287,53

506,26

166,09288,34

466,26

614,25

674,11

918,39

191,37

94,30

271,60

363,90

973,25

20,00

250,00

15,00

47,84

6.581,22

Fase A (A)

92

100

0

151

52

0

49

159

137

Pot. kVA

112,50

500,00

1.000,00

225,00

1.000,00

1.500,00

500,00500,00

1.000,00

1.500,00

1.500,00

2.000,00

500,00

500,00

2.000,00

3.000,00

750,00

1.000,00

225,00

30,00

19.342,50

kVAr

instalados

240

110

185

130

180

110

125

150

120

1.350

Trafo

1

2

1

1

2

3

4

5

6

1

2

3

1

0

1 (3.200 A)

1 (2.500 A)

2 (3.200 A)

2 (630 A)

3

1

1

1

20

Trafo

2

1

2

3

4

5

6

2

1

20

Cabine

Acabamento

Onduladeira

Desagregao

Caldeira

MP II

Picador

TAR

Portaria

Total

Cabine

Acabamento

Onduladeira

MPI

Desagregao

Caldeira

Total

Carga atual

Correntes medidas nos

capacitores existentes

Apesar de a instalao dos bancos de capacitores ser recente,

o fator de potncia em vrios pontos da instalao continuou

abaixo dos 0,92, fato que comprometeu a correo global no PAC e

culminou em pesadas multas ao consumidor.

As medies realizadas nos bancos de capacitores, evidenciadas

na Tabela II, demonstraram que grande parte da potncia reativa

instalada j estava comprometida, provavelmente pela presena

de harmnicos e pelas ressonncias geradas pela interao entre

capacitor e o sistema eltrico.

Os capacitores encontrados na instalao utilizavam tecnologia

PPM, que possui valores baixos de suportabilidade aos harmnicos

de tenso (DHV 3%) e de corrente (DHI 15%), comparada

experincia de fabricantes nacionais que empregaram capacitores

com esse tipo de tecnologia.

Tabela II Medies de energia nos capacitores

Estudos realizados

Fator de potncia

A anlise da memria de massa do medidor de energia da

ELEKTRO Figuras 5, 6 e 7 demonstrou a necessidade de reativos

globais visando correo do fator de potncia para valores

superiores a 0,92, alm dos bancos de capacitores j instalados na

instalao eltrica em estudo.

A necessidade de 1800 kvar definida para a correo de FP deve

ser somada aos valores dos kvar referentes aos bancos de capacitores

j existentes (715 kvar). A distribuio destes reativos por cabine de

transformao est demonstrada na Tabela III.


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Figura 6 Fator de potncia

Figura 7 Necessidade de reativos para FP > 0,92

Figura 8 Esquema unifilar utilizado nas simulaes computacionais de fluxo de

carga e fluxo de harmnicos

Tabela III Necessidade de reativos para FP > 0,92:

Estudo de alocao de reativos

Cabine

Acabamento

Onduladeira

MP I

Desagregao

Caldeira

MP II

Picador

TAR

Portaria

Trafo

1

2

1

1

2

3

4

5

61

2

3

1

0

1

2

3

1

1

1

Pot. kVA

112,5

500

1.000,00

225

1.000,00

1.500,00

500

500

1.000,001.500,00

1.500,00

2.000,00

500

500

3000

2.000,00

750

1.000,00

225

30

kVAr

0

0

50

0

250

120

0

75

250300

250

500

50

0

50

500

150

0

20

0

Estudos de fluxo de harmnico

Em funo dos problemas j ocorridos com bancos de capacitores

puros instalados anteriormente, estudos de harmnicos foram

executados a fim de buscar solues que permitissem a correo do

fator de potncia e a proteo de equipamentos e sistemas contra a

ocorrncia de ressonncias harmnicas em freqncias perigosas.

Foram realizadas simulaes computacionais de fluxo harmnico

no sistema eltrico da fbrica de embalagens de papel e os seguintes

resultados de distoro harmnica total de tenso e curvas de

impedncia harmnica foram obtidos (Figuras 8 a 13):

a) Com os bancos de capacitores existentes medidos:

Figura 9 Distoro harmnica total de tenso no 13,8 kV com os bancos de

capacitores existentes

Figura 10 Impedncia versus freqncia na tenso de 13,8 kV

Nota: Valores muito prximos s distores harmnicas de tenso

medidas pela concessionria no 13,8 kV (P 95%) refletem que os modelos

utilizados nos estudos esto prximos s condies reais em campo.

b) Com a instalao dos reativos para a correo do fator de potncia

por meio de filtros harmnicos de dessintonia:

Figura 11 Esquema unifilar com a correo do fator de potncia por meio defiltros de dessintonia (222 Hz)

Figura 12 Distoro harmnica total de tenso no 13,8 kV com filtros de

dessintonia (222 Hz)


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Figura 13 Impedncia harmnica versus freqncia na barra de 13,8 kV

Figura 14 Perfil de tenso na barra de 13,8 kV

A anlise dos resultados dos estudos anteriormente mostrados

(Figuras 11, 12 e 13) indica que a substituio dos bancos de

capacitores puros existentes por filtros de dessintonia reduziu as

diversas ressonncias harmnicas existentes a uma nica, definida

em uma faixa de freqncia no perigosa para o sistema eltrico em

estudo.

Esta transformao dos bancos de capacitores em filtrosde dessintonia levou a uma significativa reduo nas distores

harmnicas de tenso na barra de 13,8 kV e, conseqentemente,

em todas as barras internas da fbrica de embalagens de papel,

pois eliminou as ressonncias geradas pelos bancos de capacitores

inicialmente instalados.

Resultados das medies aps a instalao dosfiltros de dessintonia

As medies apresentadas nas Figuras 14 a 18 foram efetuadas

na barra de 13,8 kV pela concessionria de energia, aps a

substituio dos bancos de capacitores por filtros de dessintonia e

visando correo do fator de potncia da unidade industrial.

Figura 15 Perfil de corrente na barra de 13,8 kV

Figura 16 Potncia ativa e potncia reativa

Figura 17 Fator de potncia da instalao

Figura 18 Distoro harmnica total de tenso (%) na barra de 13,8 kV

As figuras anteriores demonstram uma sensvel melhora nos

nveis de distoro harmnica de tenso na barra de 13,8 kV da

concessionria, bem como a correo do fator de potncia da

instalao para valores acima de 0,92 sem danificar os equipamentos

de compensao reativa fornecidos (filtros de dessintonia).

Efeitos da interao entre os filtros de dessintoniae o sistema eltrico

No incio da operao dos filtros de dessintonia, alguns

problemas de sobretenso na operao em condies de baixa carga

ocorreram entre os estgios fixos e o sistema eltrico, como pode

ser observado nos finais de semana das medies anteriores, com

aumento das tenses RMS e das distores harmnicas de tenses.

Tais problemas, causados pela existncia de estgios fixos com a

ocorrncia de interrupes de energia ou desligamento/energizao

dos transformadores, provocavam sobretenses excessivas na rede

de baixa tenso. Tal fato levou a ocorrncia de arcos voltaicos nas

chaves seccionadoras com os fusveis de proteo dos estgios fixos

dos filtros de dessintonia.

Estes estgios foram fornecidos de forma fixa, conforme

solicitao do cliente, visando correo do fator de potncia dos

transformadores que operavam praticamente a vazio nos finais de

semana.


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O trabalho conjunto entre a concessionria, a fabricante dos

filtros de dessintonia e o cliente trouxe a soluo para o problema das

sobretenses com o automatismo dos estgios fixos. Dessa forma,

viabilizou-se o desligamento dos equipamentos com a ocorrncia de

interrupes no suprimento de energia. Este automatismo permitea entrada em operao destes estgios 60 segundos aps a volta

da tenso na barra de baixa tenso. Este tempo suficiente para

eliminao de qualquer transitrio de tenso, evitando que eventuais

sobretenses ocorram nos equipamentos de compensao reativa

no momento de retorno da energia.

Concluses

Com base em todos os resultados de medies em campo,

estudos e simulaes computacionais, as seguintes concluses

podem ser extradas:

- A correo de fator de potncia em sistemas eltricos com baixo

nvel de curto-circuito deve ser feita com muito critrio, tendo em

vista a ocorrncia de ressonncias em freqncias consideradas

crticas, como 180 Hz, 300 Hz, 420 Hz e 660 Hz.

- A utilizao de filtros harmnicos dessintonizados em freqncias

definidas em um estudo de fluxo harmnico criterioso permite que

a correo do fator de potncia seja feita de forma segura, sem que

ressonncias sejam geradas e que o equipamento de compensao

reativa perca vida til prematuramente.

- A utilizao de estgios fixos para correo do fator de potncia

deve contemplar um dispositivo para evitar os efeitos da interrupo

de energia com a reenergizao dos transformadores, com os

capacitores carregados e, dessa forma, evitando sobretensesindesejveis e danos aos equipamentos.

Referncias bibliogrficasRelatrio SADEFEM estudos de harmnicos de correo do fator de potncia

para fbrica de embalagens de papel, maio 2005.

Relatrios Elektro anlise de medio para o cliente fbrica de embalagens de

papel, set. 2005 e maio 2006.

Norma IEEE Std 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for

Harmonic Control in Electrical Systems, April, 12th, 1992.

Norma IEEE Std 1531-2003 Guide for Application and Specification of Harmonic

Filters, November, 24th, 2003.

Flvio Resende Garcia engenheiro eletricista, mestre em Harmnicos

e Cargas Eltricas Especiais e atua na Sadefem na rea de qualidade deenergia, eficincia energtica e compensao reativa.Colaboraram:Ernesto A. Mertens, engenheiro eletricista da Elektro.Luis Fernando Souza Dias, engenheiro da Elektro.Trcio dos Santos, tcnico em eletroeletrnica e funcionrio daSadefem.Alexandre Carvalho Naves, engenheiro de aplicao da Sadefem.Vincius Marques Benichio, engenheiro eletricista e consultor deengenharia nas reas de qualidade de energia eltrica, proteo desistemas eltricos e equipamentos para a distribuio de energia

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