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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QUALIDADE DE ENERGIA
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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QUALIDADE DE ENERGIA
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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QUALIDADE DE ENERGIA
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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