Redução de problemas relativos à qualidade da energia elétrica

dez, 2009

Edição 46, Novembro de 2009

Por Josué de Camargo, Jeferson R. Santos, Wilson Borges e Rafael Milanese

Redução de problemas relativos à qualidade da energia elétrica

Trabalho traz medidas mitigadoras de dessensibilização da proteção sem comprometer a segurança das instalações

 

A evolução da tecnologia e da automatização de processos inseriu, na maioria das plantas industriais, um grande leque de equipamentos sensíveis ao Afundamento Momentâneo de Tensão (AMT). Mesmo que este seja de apenas alguns milissegundos, ele pode interromper processos produtivos inteiros, causando enormes prejuízos. Os efeitos dos afundamentos de tensão sobre equipamentos eletroeletrônicos utilizados nas indústrias manifestam-se sob a forma de:

 

 

Atuação da proteção contra subtensão do disjuntor de cabine de entrada, desligando a planta industrial inteira;

Desprogramação de Controladores Lógicos Programáveis (CLPs);

Desprogramação de microprocessadores;

Desatracamento das bobinas de contatores e relés auxiliares, com consequentes desligamentos de cargas e equipamentos;

Variação de velocidade dos acionamentos CA e CC (motor e carga mecânica) ou do torque do motor (CA e CC) que, dependendo do tipo de processo, pode comprometer a qualidade do produto ou provocar a parada de produção;

Desligamento de acionamentos devido à atuação de dispositivos associados à proteção de processo que, quando detectam condições de risco, promovem o desligamento imediato da fonte de alimentação;

Falhas de comutação em pontes controladas, afetando o disparo dos gatilhos dos tiristores;

Desligamento de lâmpadas de descarga, como vapor de mercúrio, que levam alguns minutos para reacenderem;

Queima de fusíveis e outros componentes, principalmente nos acionamentos CC operando no modo regenerativo.

 

Qualquer ação efetiva de dessensibilização (Gi, essa palavra está certa?) nestes equipamentos frente ao AMT sempre pode trazer benefícios significativos e, portanto, deve ser considerada como alternativa técnica e econômica para investimentos de melhoria do processo produtivo no tocante às paradas de produção. Como exemplo prático citamos, mais adiante, dois trabalhos.

 

Monitoramento da qualidade da energia elétrica


Monitoramento no lado da concessionária

A busca de soluções para redução de paradas de processos produtivos devido à Variação de Tensão de Curta Duração (VTDC) se inicia com  um acordo com a concessionária de energia elétrica local, de forma que esta possa efetuar o  monitoramento da qualidade da energia elétrica fornecida no Ponto de Acoplamento Comum (PAC). O ideal é que o período monitorado fosse durante um ano, mas até agora isto ainda não é possível, em virtude do pequeno número de monitores de qualidade da energia que as concessionárias possuem frente ao número de clientes. Nesse sentido, o periodo pode ser negociado com a concessionária, mas não deve ser inferior a sete dias. Muitas concessionárias permitem que a indústria faça o monitoramento junto aos TPs e TCs que alimentam o medidor de faturamento. Neste caso, ela apenas libera o lacre do medidor durante o período de monitoramento.

 

Caso a concessionária local possua sistemas de monitoramento que registrem eventos de VTCD, ela poderá fornecer um relatório contendo os registros, da mesma forma que fornece um relatório de memória de massa do medidor de faturamento. Este monitoramento permite identificar e avaliar as características das VTCDs que afetam os equipamentos eletrônicos da planta indústrial e também pode ser utilizado pela concessionária para avaliar a qualidade do fornecimento.

 

Monitoramento no lado da indústria

Em paralelo com o monitoramento no lado da concessionária, deve ser feito o monitoramento da qualidade da energia elétrica em pontos da rede interna da indústria. Algumas empresas já possuem sistemas de monitoramento contínuo da qualidade da energia elétrica. Em geral, este monitoramento deve contemplar um período mínimo de 30 dias.

 

Quando o ponto monitorado está à montante do equipamento afetado, o monitoramento permite identificar e avaliar as características de todas as VTCDs que não o afetaram, e quando está a jusante, serve para identificar e avaliar as características das VTCDs que não o afetaram.

 

 

Pré-diagnóstico

Em geral, sempre é possível reduzir o número de equipamentos afetados por AMT por meio de um pré-diagnóstico, que acaba sendo um estudo, de baixo custo, que analisa esquemas elétricos da indústria e o resultado do monitoramento, tanto do lado da concessionária, como no lado da indústria. Esse relatório aponta disfunções nas instalações da indústria, que, com pouco esforço podem ser corrigidas, bem como a concessionária poderá utilizá-lo para promover ações visando à melhoria da qualidade do fornecimento contemplando manutenção, revisão da coordenaçao da proteção ou obras de melhoria para atendimento da região onde a indústria está instalada. Seguem algumas orientações para elaboração do pré-diagnóstico:

 

Se o número de VTCD no ponto da concessionária vem aumentando, deve-se levantar a possibilidade de a concessionária melhorar a qualidade da sua energia fornecida;

Se, recentemente, foram instalados novos equipamentos ou implantadas novas configurações na instalação ou no processo, devem-se levantar dados suficientes para iniciar os estudos por esses novos equipamentos ou configurações;

Caso tenham sido registradas queimas de equipamentos, paradas de processos simultaneamente a alguma operação interna conhecida, como partida de motores e chaveamento de capacitores, devem ser levantadas informações que permitam caracterizar os equipamentos e os processos sensíveis (diagrama unifilar, parâmetros de transformadores, impedâncias e carga).

 

 

Diagnóstico

Após a realização do pré-diagnóstico, é elaborado um diagnóstico visando à identificação mais precisa do comportamento das instalações. O diagnóstico, nos casos mais complexos, deve ser executado por especialistas, a fim de analisar as consequências das perturbações de forma global na instalação, considerando todos os equipamentos. Este trabalho pode implicar novos monitoramentos em um número maior de pontos da rede industrial. A realização do diagnóstico corresponde à execução das seguintes tarefas:

 

Identificar e quantificar as perturbações que afetam a instalação;

Levantar todas as informações possíveis dos equipamentos afetados (máquinas, motores, aparelhagem, relés, CLPs, etc.) e compilá-las sobre suas características na instalação;

Identificar o encadeamento exato dos fenômenos nos equipamentos sensíveis;

Determinar as causas das disfunções no conjunto dos equipamentos afetados;

Estimar os prejuízos econômicos envolvidos;

Definir as soluções de dessensibilização mais adequadas;

Fornecer uma estimativa do custo total para implantação das soluções preconizadas, do tempo para retomo do investimento e do montante de prejuízos inerentes à sua não implantação;

Definir as condições de implementação;

Uma vez instaladas as soluções, definir o processo de acompanhamento da performance da solução implementada e, se possível, eventuais ensaios.

 

Caso 1 – Companhia Brasileira de Estireno (CBE)

As plantas industriais da CBE devem operar em regi

me ininterrupto e em processo contínuo, considerando paradas programadas a cada dois anos, exceto por interrupções causadas pelo problema de qualidade no suprimento de energia e/ou falhas de manutenção. Como os afundamentos momentâneos de tensão provocam prejuízos econômicos elevados, devido à parada total da produção, foi realizado um trabalho a fim de reduzir as paradas de processo ocasionadas por estes, cujo monitoramento efetuado constatou 22 VTCDs no ano de 2004.

 

Solução identificada

A primeira ação foi dessensibilizar o disjuntor de entrada para ficar ligado durante quatro segundos, antes da sua abertura por falta de tensão, conforme indicação do estudo de seletividade aprovado pela concessionária. Observou-se que a maioria dos eventos registrados apresentou duração inferior a 0,7 segundo.

 

Notou-se que alguns motores, considerados fundamentais no processo, são desligados sempre que as bobinas dos contatores são desabilitadas por ocorrência de tensão anormal, fato possível não apenas na ocorrência de falha total da energia, mas também na ocorrência de variações de tensão. Entretanto, existem motores que permanecem em operação, devido à sua inércia, por algum tempo após o corte na alimentação, não impondo uma imediata solução de continuidade do processo produtivo da CBE. Isso permite inferir que o desligamento deve ocorrer em função das variáveis do processo, sejam elas pressão, temperatura, vazão ou outra, quando elas atingirem os níveis de segurança. Trata-se, portanto, de identificar todos os motores fundamentais para o processo e que são desligados devido ao desarme de seus contatores por ocorrência de variações de tensão.

 

Uma vez identificados os referidos motores, a proposta é alterar a alimentação das bobinas do circuito de comando que alimenta os contatores, por sistema “No Break”, com avaliação da substituição do sistema de segurança. Ou seja, ao invés de o desligamento do processo ser comandado pelas bobinas dos contatores, ele passaria a ser desligado por parâmetros resultantes da análise das variáveis do processo, estas sim mandatárias na determinação dos níveis de segurança.

 

Metodologia aplicada

A metodologia estabelecida foi a de se impor eventos de AMT por meio da simulação de defeitos simétricos e assimétricos com diferentes intensidades e durações, considerando a curva de sensibilidade utilizada para controle e comando de motores de indução trifásicos, modelados a partir de dados de ensaios de campo realizados nos principais motores da planta industrial da CBE.

 

Após as referidas simulações, foi proposta uma solução, que poderá ser diferenciada para cada motor, podendo implicar:

 

Identificação de todos os atuais comandos e potências envolvidas para os motores fundamentais, que se desejam manterem ligados, na ocorrência de distúrbios;

Sugestão de alimentação independente para os referidos comandos por meio de fontes CC e inversores CC/CA (nobreaks) ou simplesmente CC em que economicamente for mais viável;

Sugestão de adequações no sistema que permita o desligamento total ou parcial do processo na hipótese de violação de limites de segurança;


Caso 2 – Empresa do interior de São Paulo

 

Há três anos esta empresa vem sofrendo prejuízos devido à paralisação total da sua planta por conta da abertura do disjuntor da cabine de entrada. Trata-se de uma empresa da área química, cujos prejuízos anuais também são elevados. Foi realizado um trabalho recente de monitoramento, diagnóstico, identificação e implantação de ações mitigadoras.


Resultados do monitoramento efetuado no lado de BT de um transformador da cabine de entrada

No período de 6/10 a 9/11/2009, foram registrados 22 desligamentos no disjuntor da cabine de entrada. Estes desligamentos foram provocados pela atuação dos equipamentos de proteção da concessionária, incluindo a queima de um elo fusível instalado no ramal de serviço da planta industrial – ocasionada pela corrente de inrush dos transformadores da planta industrial e pela atuação da proteção de subtensão do disjuntor da cabine de entrada, provocado por VTCD. Também foram registrados 94 VTCD, conforme mostra a tabela a seguir.

Tabela 1 – Nº de eventos de VTCD por duração X intensidade


Solução identificada e implantada

Com base no resultado do monitoramento e da análise das características dos equipamentos da planta industrial foram identificadas e implantadas as seguintes ações mitigadoras:

 

Elevação do tempo de retardo de 0 para 1s e a redução da tensão de referência da proteção de subtensão do disjuntor da cabine de entrada, de 81,7% para 70%;

Substituição do elo do ramal de serviço. Início do acompanhamento do desempenho dos contatores, inversores e CLPs presentes na instalação.


Resultados da implantação da solução

A troca do elo eliminará 50% das interrupções. A alteração nos ajustes da proteção de subtensão do disjuntor da cabine de entrada permitirá que apenas afundamentos com mais de 30% e com duração superior a 1s faça atuar a proteção e desarme o disjuntor. Caso considerássemos apenas as intensidades dos afundamentos da tabela, apenas 13 dos 94 VTCDs registrados poderiam provocar a atuação da proteção de subtensão do disjuntor da cabine geral, que era o grande causador dos prejuízos, pelo lado da indústria.

 

Conclusões

Sabe-se que o custo dos problemas de qualidade da energia, em termos de produção perdida e interrupção, varia amplamente, dependendo do tipo de indústria. Em virtude do histórico de prejuízos e dos resultados dos trabalhos desenvolvidos, os investimentos em ações mitigadoras para os problemas que as VTCD proporcionam nos equipamentos eletrônicos estão dentro dos critérios característicos de investimento para a gestão das empresas onde foram realizados os trabalhos. Essas ações deveriam ser seguidas por toda e qualquer indústria que possua equipamentos sensíveis a VTCD.

 

Referências bibliográficas

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Josué de Camargo é enge

nheiro eletricista e diretor da Expertise Engenharia.

Rafael Milanese e Wilson Borges são engenheiros eletricistas da Expertise Engenharia.

Jeferson R. Santos é engenheiro eletricista, especialista em qualidade de energia da Companhia Brasileira do Estireno (CBE).

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