Geração própria na indústria petroquímica

jun, 2011

Edição 64 – Maio de 2011
Por Luiz Felipe Costa, Ismar Dionizio e Rogério Barros

Alguns desafios na aplicação de conjuntos de manobra e controle de potência em sistemas de geração de energia elétrica em parques petroquímicos. A partir da abordagem associada à geração distribuída, a instalação de um sistema próprio de produção de energia elétrica pode ser caracterizada por uma das seguintes finalidades:

· Venda total da produção, a menos das necessidades dos serviços auxiliares internos;

· Atendimento exclusivo das necessidades internas;

· Redução dos custos de aquisição de energia de terceiros;

· Possibilidade de capitalização pela venda da energia excedente;

· Minimização de impactos produtivos pelo paralelismo momentâneo de barras essenciais com a concessionária local de energia.

A indústria petroquímica vem, cada vez mais, utilizando elementos de cogeração ou de geração própria para atender às necessidades de energia em seus parques produtivos e, quando possível, oferecer, comercialmente, o montante excedente de energia produzida.

Nesse contexto, são utilizados conjuntos de manobra e controle de potência (CMCP), tais como Centros de Controle de Motores (CCM) e Centros de Distribuição de Cargas (CDC), tanto em baixa tensão (BT) quanto em média tensão (MT), para suprir as necessidades de produção, distribuição e controle de energia elétrica. Porém, no que diz respeito ao uso destes conjuntos, existem situações que são atípicas, quando nos lembramos dos requisitos normativos típicos ou de seus usos mais comuns.

Estes equipamentos são, na maioria das vezes, instalados em pontos associados a barras do sistema elétrico local em que se encontram condições ou requisitos especiais. Em face disso, as etapas relativas ao projeto, à instalação, ao comissionamento, à operação e à manutenção dos equipamentos requerem cuidados especiais relativos à sua aplicação e uso, além da segurança humana e patrimonial.

Uma falha em um conjunto de manobra e controle associado, direta ou indiretamente, ao processo de geração de energia, resulta em muitos transtornos e em custos consideráveis. Por conta disso, o conhecimento do estado da arte do projeto, aplicação e uso de Conjuntos de Manobras e Controle de Potência permite diminuir as chances de ocorrência de possíveis defeitos, aumentando as probabilidades de salvaguardar as instalações e a vida humana. Deste modo é preciso, cada vez mais, fornecer diretrizes e ferramentas que permitam aos engenheiros responsáveis pelo uso e especificação de novos conjuntos de manobra e controle, ou pela modernização de unidades já existentes, terem condições de analisar e discutir quais as opções e as recomendações disponíveis.

Visando, então, auxiliar os responsáveis nestes processos, serão discutidos alguns dos problemas encontrados em um CMCP quando aplicados em instalações geradoras. Existem distintas situações que estão relacionadas a:

· Altos valores da relação X/R do equivalente de Thevenin do SEI (Sistema Elétrico Industrial), definidos a partir do ponto de instalação do equipamento;

· Altos valores das correntes de curto-circuito;

· Uso de disjuntores apropriados a aplicação em circuitos de geração;

· Interação entre os aterramentos do gerador e do SEI;

· Grupos de ligação dos transformadores de potencial indutivo (TPIs);

· Possibilidade de ocorrência de fenômeno de ferrorressonância em TPIs;

· Aplicação de dispositivos de proteç&

atilde;o elétrica e o uso de seletividade lógica;

· Aplicação de relés numéricos com recursos de norma IEC 61850;

· Implicações de configurações especiais de cubículos e respectivos ensaios de tipo.

Apresentação e análise de casos

A seguir são apresentados tópicos associados a casos vivenciados pelos autores, com discussões e análises desenvolvidas em conjunto com diversos usuários:

Valores altos para a relação X/R

O primeiro tópico consiste na situação de existir valores altos para relação X/R vista na barra de conexão dos geradores. Nos sistemas usuais das indústrias petroquímicas, o alto valor requerido de potência para os sistemas de geração, mesmo no caso de condições de manutenção de cargas dita essenciais, tem levado a adoção de turbogeradores de MT, normalmente na faixa de 2,4 kV a 18 kV.

Por conta disso, este tópico será abordado pelo prisma de tais faixas de tensões operacionais.

É sabido que, em aplicações de equipamentos em MT (tensões operacionais – Ue, na faixa de 2,4 kV a 13,8 kV), os valores comumente adotados para a relação X/R são aqueles associados a uma constante de tempo igual a 45 ms. Isso nos leva a um X/R igual a 17 para sistemas com

frequência igual a 60 Hz. Porém, em barras de geração, é comum se obter valores muito superiores a este patamar.

Em projetos recentes, aos quais os autores tiveram acesso direto, houve casos com valor de X/R igual a 48,3 em barras de 13,8 kV. Nesta condição, o acoplamento entre unidade geradora e o sistema de potência é feita por meio de um disjuntor que terá que lidar com condições muito próprias.

O arranjo básico para visualização da conexão entre gerador e sistema, via disjuntor, é reproduzida na Figura 1.

 

Figura 1 – Exemplo de circuito de conexão de gerador.

É interessante atentar para o fato de que aplicações similares à Figura 1 apresentam, normalmente, níveis de corrente de curto-circuito mais altos para as contribuições do lado do sistema elétrico se comparado àquelas vindas do gerador. Se levarmos este foco para a aplicação do disjuntor do gerador, vemos que uma falha no ponto “a” apresentará níveis de corrente de curto-circuito superiores, quando comparadas com uma falha no ponto “b”. Isso de deve à menor impedância apresentada pelo transformador e pelo equivalente do sistema elétrico quando comparado a reatâncias subtransitória e transitória do gerador. No entanto, a relação X/R do equivalente de Thévenin para o sistema elétrico a partir da falta (visualizando a configuração à direita do disjuntor na Figura 1) é sempre menor do que o valor visto no lado do gerador (configuração à esquerda do disjuntor na mesma Figura 1).


Um descuido com o valor de crista nominal da corrente de curto-circuito, determinado pela relação X/R, implica não somente uma possível inadequação da resposta dinâmica das barras do CMCP, associadas aos esforços mecânicos produzidos pela corrente de curto-circuito no 1º semi-ciclo da fase mais assimétrica (ip – valor instantâneo de crista), interagindo com as outras fases, como também a aplicação inadequada dos elementos de proteção (transformadores de corrente e relés) e de manobra (disjuntores, contatores e fusíveis limitadores).

Quanto à aplicação e ao uso de Conjuntos de Manobra e Controle de Potência (CMCP),
deve-se atentar neste contexto para a corrente suportável de curta-duração e o seu respectivo valor de pico para o primeiro semiciclo.

Como os CMCPs encontram-se interligados pela relação X/R do ponto de instalação do CMCP, fica claro a preocupação em se usar um equipamento que atenda termicamente aos requisitos da corrente passante (normalmente definida como valor eficaz para um tempo de 1 segundo) e que suporte o impacto dinâmico gerado pelo valor de crista das correntes do primeiro semiciclo.

Como padrão, a ABNT NBR IEC 62271-200 e a respectiva norma IEC definem a constante de 2,5 como sendo típico para a relação entre o valor eficaz da corrente de curta duração e o valor de crista para as aplicações em MT.                                                                                                                

Assim, a análise básica dos parâmetros relacionados ao valor instantâneo de pico
do primeiro semiciclo da corrente suportável nominal do conjunto de manobra e controle de MT está baseada em uma relação entre ele e o valor eficaz da componente simétrica de curto-circuito e é igual à constante “2,5”. Na verdade, este valor se deve a relação X/R = 14, que é aproximadamente igual ao produto da constante de tempo (
τ), igual a 45 ms, e a velocidade angular (ω) do sistema para a frequência de 50 Hz, como se pode ver a seguir:

Leia este artigo na íntegra na versão impressa da revista O Setor Elétrico de maio/2011.

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