Soluções para a conversão de disjuntores e de conjuntos de manobra e controle de média e baixa tensões

ago, 2009

Edição 42, Julho de 2009

Por Luiz Felipe Costa

Todas as indústrias empregam disjuntores e conjuntos de manobra e controle, tanto em baixa quanto em média tensão para a distribuição e controle de energia elétrica em seus parques industriais. Estes equipamentos estão associados a pontos nevrálgicos de qualquer instalação elétrica, representando as barras do respectivo sistema de distribuição. O fato é que, ao longo de suas vidas úteis, estes equipamentos podem, por exemplo, deparar-se com um aumento nos níveis das correntes de curto-circuito existentes e, por conseguinte, da energia associada às descargas de arco elétrico presentes no ponto da instalação. Tudo isto associado, também, à possibilidade de ocorrerem novas exigências dentro dos diversos contextos normativos. E estas mudanças podem exigir a adequação do equipamento a uma nova realidade, demandando cuidados especiais quanto à segurança humana e patrimonial. São descritas as várias filosofias de reforma (“retrofit”) e de modernização (“upgrading”) disponíveis atualmente, tais como:

• Recondicionamento (“Reconditioning”).

• Reaparelhamento (“Retrofill”).

• Reposição (“Replacement”).

A total substituição de um equipamento pode nem sempre ser viável devido a diferentes causas. Podem existir demandas de produção, limitações de espaço, restrições operacionais, pouca disponibilidade de tempo e até falta de verbas. Mas o fato concreto é que um equipamento inadequado pode provocar acidentes que resultem em muitos transtornos e em custos consideráveis, os quais, muitas vezes, acabam por ser pagos pelo ser humano. Por isso, o conhecimento do estado da arte do projeto e do uso dos equipamentos de manobras e controle permite diminuir as chances de ocorrência de acidentes e aumentar a probabilidade de salvaguardar a vida humana e o patrimônio físico. Este trabalho visa a fornecer algumas orientações aos engenheiros responsáveis pela especificação e instalação de modernizações de equipamentos elétricos de manobra, discutindo as diversas opções disponíveis atualmente nos meios técnicos.

 

INTRODUÇÃO

O crescimento dos parques industrial, comercial e institucional em todo o mundo tem representado, entre outras coisas, a necessidade de ampliação dos sistemas elétricos existentes. Isto leva, entre outras realidades, ao aumento nas solicitações de desempenho dos equipamentos e respectivos conjuntos de manobra e controle. Esses fatores, associados ao envelhecimento natural, tanto do produto quanto da própria tecnologia empregada, tem criado pontos críticos nas diversas instalações elétricas em funcionamento.

Este quadro tem levado aos engenheiros uma preocupação adicional quanto à confiabilidade dos sistemas elétricos existentes, o que tem estimulado estudos de engenharia para a determinação dos pontos mais críticos da instalação. E, normalmente, os fatores que mais urgem nesta análise são aqueles associados a condições de falta, o que, obviamente, direciona as ações a serem tomadas a partir dos estudos de engenharia para os disjuntores de potência, os sistemas de relés de proteção, o tipo de aterramento do sistema e os cubículos dos conjuntos de manobra e controle.

Associado a este fenômeno, existe, além de todo o enfoque técnico tradicional, uma preocupação cada vez maior quanto à interação com o meio ambiente, incluindo a preocupação com a disposição final do equipamento e de seus subprodutos (ISO 14000).

Tudo isso tem feito com que, cada vez mais, os profissionais responsáveis pela manutenção dos equipamentos elétricos se vejam diante de opções de mudanças de parte ou totalidade de instalações existentes. Estas se resumem, basicamente, a:

• Substituição completa do conjunto de manobra.

• Reforma de parte do conjunto de manobra.

• Modernização de parte do conjunto de manobra.

• Repotencialização de parte ou de um componente do conjunto de manobra.

• Atualização dos componentes do conjunto de manobra.

Note que, em todos os casos, é imprescindível a identificação e a definição dos parâmetros e das características a serem modificadas e a que devem ser mantidas.

Dentro das opções apresentadas anteriormente, podemos afirmar que, quando se comparam os custos envolvidos nestas atividades, as três últimas apresentam uma redução considerável em relação às duas primeiras.

Um ponto simples para reforçar o parágrafo anterior é que o fato de se manter o cubículo e cabos de potência existentes elimina os altos custos com obras civis.

ANÁLISE

Uma preocupação recorrente em uma instalação industrial é o que fazer quando um equipamento não mais atende às necessidades originais do sistema ou quando se depara com novos requisitos técnicos ou paradigmas normativos. Esta situação pode também nascer da obsolescência da tecnologia empregada ou do próprio equipamento elétrico, o que acaba por criar, muitas vezes, condições críticas de reposição de peças ou partes. Nesse contexto, torna-se imperativa a definição da estratégia a ser adotada para o equipamento, considerando sempre as necessidades existentes.

A prática mais direta seria a substituição completa do equipamento ou da instalação elétrica associada. Porém, existem fatores importantes a serem levados em conta neste processo: demanda de produção, limitações de espaço, restrições operacionais, pouca disponibilidade de tempo e até a falta de verbas. Estas variáveis, tanto isoladas quanto agrupadas, podem tornar esta abordagem inviável.

O fato é que um equipamento inadequado pode provocar acidentes que resultam em muitos transtornos e em custos consideráveis; sendo que, muitas vezes, o maior preço é pago pelo elemento humano. Por isso, o conhecimento do estado da arte da tecnologia e do uso dos equipamentos de manobras e controle permite aperfeiçoar o seu desempenho, além de diminuir as chances de ocorrência de acidentes, o que, consequentemente, aumenta a probabilidade de salvaguardar a vida humana e o patrimônio físico.

Um agravante dentro do contexto nacional é a ausência de normalização ou padronização na abordagem de processos de conversão de equipamentos elétricos. A melhor alternativa atual está centrada no uso das recomendações do IEEE (“Institute of Electrical and Electronic Engineers”) para equipamentos de manobra a serem convertidos a partir de modelos previamente qualificados conforme suas respectivas normas técnicas.

Segundo a norma “IEEE C37. 59” (“IEEE Standard Requirements for Conversion of Power Switchgear Equipment”), na sua edição de 2002, as opções existentes para a conversão de equipamentos de manobra de potência em baixa e média tensão seriam:

• Reforma (“Retrofit”)/Modernização (“Upgrading”);

• Recondicionamento (“Reconditioning”);

• Reaparelhamento (“Retrofill”); e

• Reposição (“Replacement”).

Cabe ressaltar que o documento mencionado não aborda a conversão de outros produtos, como relés de proteção ou transformadores de corrente, de uma forma direta, mas pode servir como diretriz de análise ou, no mínimo, como sugestão de terminologia.

Seguindo as recomendações e as descrições presentes no documento “IEEE C37. 59” (“IEEE Standard Requirements for Conversion of Power Switchgear Equipment”), podemos estabelecer, para cada um dos processos mencionados, as seguintes características básicas:

 

• Reforma (“Retrofit”)/Modernização (“Upgrading”):

Apesar de serem muito utilizados, principalmente em documentos e literaturas anteriores a 1996, estas palavras não fazem parte da nomenclatura apresentada na norma “IEEE C37.59-2002”. São termos “clássicos” em muitos meios técnicos

e, no caso de equipamentos de manobra, podemos, por exemplo, associá-los aos processos de conversão feitos em um disjuntor ou contator existente, de modo a readequar o seu sistema de interrupção, normalmente a ar ou a óleo. Este processo visa a permitir, por meio da substituição das câmaras de extinção de arco, o uso de tecnologias mais modernas como a do vácuo ou do SF6. Aproveita-se parte do equipamento antigo e, por isso, é considerado diferente da reposição (ver definição a seguir). Apesar de tal processo de conversão não estar definido pela norma já mencionada, se adotado, requer um extenso programa de testes.

Figura 1 – Reforma/Modernização de um Conjunto de Manobra e Controle de Potência (CMCP) para aumento da suportabilidade ao esforço mecânico devido à corrente de curto-circuito (ver a inclusão de espaçador de reforço feito em poliéster com fibra de vidro).

• Recondicionamento:

– Processo de manutenção das condições de operação do equipamento de manobra existente, conforme as recomendações do fabricante, utilizando somente partes e peças qualificadas pelo projeto original.

– Partes feitas a partir de engenharia reversa (projetadas a partir de cópia de peça existentes de outro fabricante); não são consideradas peças qualificadas, a menos que sejam especificamente verificadas para o projeto.

• Reaparelhamento:

Substituição de disjuntor ou contator e seus componentes de interface da cela por novos elementos de manobra de tecnologia atual e os respectivos componentes de cela. Pela “IEEE C37.59-2002”, é requerido o teste da estrutura dos barramentos.

Figura 2 – Conjunto para reaparelhamento (elemento de manobra e cela) de um disjuntor de baixa tensão.

• Reposição:

Um disjuntor ou contator completamente novo, projetado com base no uso da tecnologia do vácuo ou do SF6 e projetado para substituir um equipamento existente com sistema de interrupção a ar (por exemplo, “sopro magnético”) ou a óleo (por exemplo, PVO). Requer certificação completa.

Sendo que a reposição pode ser de dois tipos:

– Reposição com elemento de manobra intercambiável: o disjuntor ou contator utilizado no processo não requer nenhuma conversão na cela do conjunto de manobra.

– Reposição com elemento de manobra não-intercambiável: o disjuntor ou contator utilizado no processo requer conversão na cela do conjunto de manobra existente de modo a permitir a correta operação.

 

Figura 3 – Reposição de um disjuntor intercambiável de média tensão (substituição da tecnologia de interrupção de sopro magnético por vácuo).

Um fato relevante no processo de reposição é a necessidade de se verificar o novo desempenho dos sistemas auxiliares presentes na cela existente, como os Contatos da Cela Operados pelo Mecanismo do disjuntor (Mechanism Operated Cell Contacts – MOC). Os novos disjuntores, sejam a vácuo ou SF6, possuem mecanismos de operação com requisitos menores de energia. Logo, o descuido em verificar a correta interface entre disjuntor e a operação do sistema de acionamento de contatos da cela pode trazer transtornos do tipo: danos ao mecanismo do disjuntor ou às chaves auxiliares, não operação correta do disjuntor ou da chave auxiliar ou, até mesmo, a não inserção correta do novo elemento na cela existente.

Uma definição muito importante dentro de toda esta análise é a “verificação de projeto”; cujo significado pode ser dado como “processo de qualificação de um projeto de conversão, conforme normas aplicáveis, por meio de ensaios de tipo e/ou de avaliações técnicas baseadas em relatórios e documentação de comprovação de desempenho”. Este termo ganha relevância quando a referida norma IEEE estabelece que os ensaios de produção ou de campo não são capazes de fornecer a verificação e nem de estabelecer o nível de desempenho de um projeto, conforme as características requeridas pelas normas originais dos equipamentos convertidos. Em resumo, a verificação de projeto de uma conversão só pode ser obtida conforme as normas aplicáveis, por ensaios de tipo ou por avaliação técnica documentada.

Figura 4 – Reforma/Modernização de um Conjunto de Manobra e Controle de Potência (CMCP) para inclusão de operações remotas de movimentação de disjuntor com a porta frontal fechada (uso de barreira). Efetuado teste com 50 operações de inserção e 50 de extração do disjuntor em um protótipo.

COMENTÁRIOS

Além dos pontos mencionados anteriormente, podemos listar alguns comentários:

1. No caso de reposição (“Replacement”) usando elemento de manobra intercambiável, o tempo de desligamento fica muito reduzido, já que, basicamente, tem-se uma intervenção do tipo “retirar-inserir”.

2. A possibilidade de se usar novas tecnologias permite uma redução drástica de peças de reposição e de atividades de manutenção. Isto fica mais evidente quando se leva em conta a dificuldade, tanto logística quanto financeira, de se obter peças de reposição para os disjuntores que usam tecnologias obsoletas como o óleo mineral. Cabe aqui alertar que a “IEEE C37.59” define claramente que o recondicionamento é um processo de conversão que demanda o uso das instruções do fabricante original e, somente, de peças qualificadas para tal.

3. No caso de disjuntores e contatores de média tensão, a tecnologia de interrupção no vácuo é a mais adequada e extremamente confiável para situações de manobra constantes. Além disso, tem a vantagem de não apresentar faixas críticas para a sua corrente de interrupção, como pode ser encontrada, por exemplo, em disjuntores a pequeno volume de óleo ou a sopro magnético, quando estes manobram pequenos valores indutivos.

4. A retirada de disjuntores com tecnologia de interrupção a óleo (uso de óleo mineral – material inflamável e perigoso para o meio ambiente) ou a sopro magnético (uso de “asbestos” – materiais cancerígenos e perigosos para o meio ambiente) ajuda, também, a melhorar o quadro de segurança e saúde ocupacionais do local da instalação.

5. Conjuntos de manobra que utilizam disjuntores com tecnologia de interrupção a óleo ou sopro magnético geram uma preocupação constante para o pessoal de operação devido a riscos de acidentes (explosões e incêndios) e para o pessoal de Segurança Ambiental e Saúde Ocupacional (vazamento de óleo mineral, contato com abafadores de arco a base de asbesto, etc.), principalmente se lembrarmos que estamos lidando, nestes casos, com instalações com tempo de operação, normalmente, superiores a 10 ou 15 anos.

6. No caso específico do uso de disjuntor com interrupção a pequeno volume de óleo, além de lidar com uma tecnologia obsoleta, temos problema de confiabilidade. Os dados levantados no passado dentro do continente europeu mostram uma taxa de falha de 2% a 3% ao ano. Isto representa valores de cinco a dez vezes maior do que o que foi registrado nos Estados Unidos para os disjuntores co

m interrupção a grande volume de óleo e a sopro magnético (0,21 a 0,36%). Isto se agrava ainda mais se levarmos em conta a necessidade que os disjuntores “PVO” têm de sofrerem manutenções frequentes para a limpeza de contatos e a reposição de óleo (que, conforme já comentado, se traduz em implicações ambientais).

7. Um ponto importante e extremamente relevante é a possibilidade do uso, pelo fornecedor original do equipamento a ser convertido, do conhecimento preliminar do projeto e do processo de fabricação que foram usados nele. A detenção do conhecimento dos detalhes construtivos e da filosofia usada, originalmente em um produto, permite uma atuação mais eficaz e confiável na análise das necessidades de intervenção e na introdução das modificações e modernizações, com o mínimo de impacto e desvios na estrutura existente. Dessa forma, garante-se um produto final confiável e seguro, atendendo os requisitos normativos, tais como os da norma “ANSI/IEEE C37.59”.

CONCLUSÃO

Em suma, podemos afirmar, sem sombra de dúvida, que o usuário que optar pela conversão de um conjunto de manobra e seus componentes seguindo as recomendações descritas neste texto irá obter um cenário em que a sua instalação terá um desempenho melhor, uma operação mais segura e custos mais baixos de manutenção.

 

REFERÊNCIAS

1. Norma regulamentadora Nº 10: Segurança em instalações e serviços em eletricidade; Ministério do Trabalho e Emprego

2. IEEE Standard C37. 59 – 2002: IEEE Standard Requirements for Conversion of Power Switchgear Equipment

3. IEEE Standard 902 – 1998: Guide for Maintenance, Operation, and Safety of Industrial and Commercial Power Systems.

 

 


 

LUIZ FELIPE COSTA é engenheiro de aplicação sênior de produtos de manobra e controle da Eaton no Rio de Janeiro (RJ). É membro do IEEE/IAS e participa dos comitês técnicos dos eventos “Petroleum and Chemical Industry Conference (PCIC-Brasil)” e “Electrical Safety Workshop (ESW Brasil).

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