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Queima de capacitores em sistemas antirressonantes

A especificação de sistemas de compensação de energia reativa antirressonantes é importante quando a carga a ser compensada é não linear e, por consequência, sua corrente possui componentes harmônicas. De uma forma geral, são especificados reatores a serem inseridos em série com os capacitores do sistema de compensação reativa de forma a não permitir que estes sistemas de compensação (LC) em conjunto com a rede de alimentação e carga não linear operem adequadamente sem a ocorrência da ressonância harmônica.

Se não fosse assim, a ressonância harmônica provocaria a circulação de correntes harmônicas nos capacitores e na rede muito acima do esperado, causando sobretensões em todo o sistema (transformador, carga e capacitores) com valores de 6% a 10%. Portanto, registros de tensões de operação em regime muito acima das nominais, após a inserção de capacitores nas redes, é um sinal importante da ocorrência de ressonância. Mais informações sobre queima de capacitores e outros fenômenos podem ser obtidas nos links:

  • Mas, afinal, para que servem os capacitores em instalações elétricas de baixa tensão? http://www.acaoenge.com.br/controle/upd/downloads/196.pdf
  • Por que explodem os capacitores em instalações elétricas? Este artigo contém as principais causas de queima de capacitores e aspectos limites da normalização de fabricantes. http://www.acaoenge.com.br/controle/upd/downloads/195.pdf

Estes documentos indicam as principais causas que aceleram o fim da vida dos capacitores provocando a queima dos mesmos. São elas:

  • Temperatura de operação e temperatura ambiente;
  • Tensão de operação incluindo sobretensões e fontes previamente distorcidas;
  • Correntes de operação incluindo as harmônicas;
  • Condições de manobra e transientes;
  • Outros efeitos externos.

Os reatores a serem acoplados a cada grupo de capacitores tem o objetivo de controlar a circulação de correntes harmônicas tanto nos capacitores como na rede e são definidos em função das características dos próprios capacitores que irão injetar a potência reativa, definindo-se então a frequência de ressonância desejável para o sistema e o volume de potência reativa a ser injetado. Estes conjuntos são inseridos e desconectados da rede de forma automática normalmente em função da demanda de potência reativa pela carga e do fator de potência desejado.

Energia-com-qualidade

A Figura 1 A apresenta a impedância do sistema em função das frequências harmônicas e a ressonância ocorre, neste caso, na 5ª ordem.

A inserção de reator antirressonante, como apresentado na Figura 1C, tem como resultado a mudança da frequência de ressonância ilustrada na Figura 1B, com ressonância harmônica próxima à 3ª harmônica. Neste caso, o objetivo foi de não permitir a ressonância nas frequências de 5ª ordem e superiores (típicos de cargas trifásicas em conversores de 6 pulsos). O ramo do gráfico da Figura 1B à direita do ponto de ressonância tem o comportamento muito semelhante ao da impedância da rede (Z=ᾡL) e espera-se que o comportamento seja adequado.

Este equilíbrio é obtido com dimensionamento adequado dos valores da reatância do reator Xl1 em função da reatância do capacitor Xc da Figura 1C. Como construtivamente o capacitor (equivalente) com reatância Xc é obtido por grupos de capacitores ligados a um único reator, a falta (queima) de um dos capacitores (do grupo) altera esta impedância total (L+C) desejada e projetada, fazendo com que a frequência de ressonância também seja modificada. Pela expressão geral da frequência de ressonância, fr= 1/ (2π.raiz(LC)), a redução da capacitância equivalente do grupo ligado a um único indutor eleva a frequência de ressonância, modificando o cálculo inicial, aumentando a circulação de corrente harmônica, podendo culminar com uma ressonância harmônica. Portanto, a perda de um capacitor de um grupo, por razões não necessariamente relacionadas às correntes harmônicas (por exemplo alta temperatura ambiente ou sobretensão), podem causar a ressonância.

A operação confiável de sistemas e compensação reativa deve, portanto, prever a contínua observação dos valores de potência reativa de cada ramo dos bancos de capacitores e a imediata intervenção, evitando que o problema se alastre para as outras células vivas. Também devem ser pesquisadas as causas que teriam ocasionado defeito de operação no capacitor inicialmente.

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