Qualidade da energia na alimentação das cargas de missão crítica

jan, 2014

Edição 95 – Dezembro de 2013
Por José Starosta

Os riscos materiais, financeiros e, principalmente, aqueles que envolvem os riscos às vidas humanas – destacados no capítulo de introdução do “Fascículo Instalações em cargas de missão crítica” publicado na edição de janeiro da revista O Setor Elétrico – levam projetistas e usuários destas instalações especiais a cuidados também especiais no tratamento da alimentação elétrica e na operação das instalações que as contemplem.

Instalações típicas de missão crítica:

  • Instalações hospitalares;
  • Instalações de defesa e militares;
  • Instalações industriais associadas aos processos de fabricação de semicondutores, indústrias químicas e farmacêuticas, petroquímicas;
  • Instalações associadas a infraestrutura de cidades, como sistemas de energia e telecomunicações e saneamento;
  • Transporte urbano;
  • Data centers e instituições financeiras;
  • Sistemas de Tecnologia de Informação aplicados em todos os processos;
  • Outro sistema ou processo em que a confiabilidade de operação das instalações esteja diretamente envolvida a riscos materiais, financeiros e de vidas humanas.

As preocupações relativas quanto à manutenção de indicadores adequados da qualidade de energia destas instalações são evidentes, uma vez que são premissas básicas para que as fontes possam alimentar as cargas adequadamente. Há de se considerar que o monitoramento e os registros dos fenômenos devem ser efetuados por instrumentos adequados.

Limites e condições mínimas de operação das cargas e fontes

São inúmeras as recomendações específicas envolvendo os ambientes em que estas cargas e fontes são instaladas, aspectos de temperatura ambiente, acesso, aspectos de manobra, grau de proteção, etc. O tema que envolve os requisitos de qualidade de energia é mais um deles. Da mesma forma que as premissas sobre estes temas é necessário que também se conheçam os indicadores de qualidade de energia, que acabam por envolver também a confiabilidade dos sistemas necessários às operações seguras das cargas e que devem estar associados às fontes e ao sistema elétrico como um todo.

A recomendação mais conhecida e que se tornou clássica que especifica os limites desejáveis na alimentação de cargas de tecnologia de informação é a “curva ITIC” e sua antecessora conhecida como “curva CBEEMA”. A curva ITIC está reproduzida na Figura 1.

De acordo com o documento publicado pelo “Information Technology Industry Council”, órgão idealizador da curva, a curva ITIC descreve uma fonte em corrente alternada, cujo “envelope de tensão” será tolerado pelos equipamentos de tecnologia de informação (TI) a uma fonte com este comportamento. A curva abrange as condições de regime transitório e permanente. Em outras palavras, a tensão registrada, quer em regime transitório, quer em regime permanente, deverá estar na parte interna da curva compreendida entre os eixos das ordenadas e abcissas e a própria curva conforme ilustrada na Figura 2. Aí se observa a “zona clara” como permitida e “zonas escuras” como não permitidas ou proibidas. Em particular, a zona proibida superior causará potencialmente danos ao equipamento TI. Na Figura 2, podem-se ainda observar pontos de ocorrência tomados por instrumento adequado em ambas as “zonas” durante um período especificado.

Sua aplicação considera cargas TI alimentadas em 120 V obtidas de 208 Y/120 V e 120 V/240 V em sistemas 60 Hz. As extensões de uso merecem considerações específicas.

Sete tipos de eventos são definidos na avaliação deste “envelope”, considerando dois tipos de afundamento de tensão (ou sag) sob uma mesma classificação.

Deve-se ressaltar que a tabela 9 do módulo 8 do Prodist/Aneel classifica os fenômenos de variação de curta duração (momentânea a temporária), conforme mostra a Tabela 1, com terminologia distinta do documento de referência.

Considera-se que a ocorrência entre as duas regiões escuras da curva seja natural e mutuamente exclusivas e assume-se que o início do desvio de tensão ocorra desde a tensão nominal. O intervalo de tempo entre dois transientes é assumido de tal forma que o equipamento retorna ao equilíbrio (elétrico, mecânico e térmico) antes do próximo transiente. Seguem os eventos:

  • Tolerância para o regime permanente

O intervalo em regime permanente descreve uma tensão eficaz com pouca variação ou mesmo constante. A variação permitida é de 10% para mais ou para menos da tensão nominal. Qualquer registro de tensão neste intervalo é permitido por período indefinido e está presente em função da própria variação de carga e das perdas nos sistemas de distribuição.

  • Sobretensão (swell)

Esta região considera uma tolerância de sobretensão de até 120% da tensão nominal por um período de até 0,5 segundo. Este fenômeno pode ocorrer quando grandes blocos de cargas são desligados ou mesmo quando as fontes de alimentação são diversas.

  • Transientes de baixa frequência

Esta região considera a tolerância a transientes típicos de manobra de capacitores de correção de fator de potência com manobra mecânica não sincronizada em redes de corrente alternada. A frequência deste transiente pode variar desde 200 Hz até 5 KHz, dependendo da frequência de ressonância do sistema elétrico. A magnitude do transiente permitido é expressa em valores percentuais relativas ao valor de pico da tensão nominal em 60 Hz (não é valor eficaz), o período de ocorrência tolerado é de, no máximo, meio ciclo. Assume-se que o transiente ocorre próximo ao pico da tensão nominal (na forma de onda). A amplitude do transiente pode var

iar desde 140% da tensão de pico (em 200 Hz) até 200% da tensão de pico nominal (em 5 KHz) com um crescimento linear em amplitude com o crescimento da frequência. A Figura 3, extraída do próprio documento referenciado, exemplifica uma forma de onda típica para transientes de baixa frequência.

  • Impulso de alta frequência

Estes transientes são típicos de ocorrência de descargas atmosféricas. As formas de onda aplicáveis são aquelas descritas no documento ANSI/IEEE C62.41-1991. Esta região da curva considera a interação da amplitude com o período de duração (energia), além da amplitude dos valores eficazes. O objetivo é considerar que os equipamentos possuem valores de pelo menos 80 Joules de imunidade aos transientes.

  • Afundamentos de tensão

São considerados dois tipos de afundamentos de tensão. Normalmente, estes fenômenos ocorrem de aplicação de cargas pesadas (causas internas), ou mesmo por falhas do sistema elétrico (falhas externas ou internas). São tolerados afundamentos de até 20% da tensão nominal (tensão atinge até 80% da tensão nominal) por um período de até 10 segundos e de até 30% da tensão nominal (tensão atinge até 70% da tensão nominal) por período de até 0,5 segundo.

  • Interrupção

Tolera-se uma interrupção total de tensão devida a um severo afundamento de tensão quando a tensão eficaz atinge zero, retornando depois de 20 milissegundos. Este fenômeno pode ocorrer por uma falta na rede de alimentação, imediatamente corrigida pelo sistema de proteção.

Zona permitida – “Região de não dano”

Os eventos que ocorrem nesta região incluem os afundamentos, sobretensões e interrupções continuamente toleráveis pelos equipamentos de TI. 

Zona proibida – região de dano

Esta região inclui transientes ou sobretensões que excedem os limites superiores aos do envelope da curva, neste caso, a carga TI estará sujeita a danos.

Por conclusão, o que se observa é que a análise das ocorrências deve prever contínuo monitoramento, pois os fenômenos não são passíveis de previsão de ocorrência. A instrumentação deve fazer parte das infraestruturas das instalações de missão crítica de forma que se possam avaliar as ocorrências e os limites que os equipamentos de TI devem suportar, como ilustrado na Figura 2, concluindo-se então se a eventual anomalia se deveu a falha não tolerável no sistema elétrico, ou por não atendimento às tolerâncias especificadas dos equipamentos de TI.

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