Correção do FP x Geração Própria

Impacto da Instalação da Geração Própria
sobre Sistemas de Correção do Fator de
Potência em Plantas Industriais e Comerciais
Resumo – Este artigo mostra o impacto da instalação de
geração própria em plantas industriais e comerciais sobre os
equipamentos de correção do fator de potência do ponto de
vista da resposta aos harmônicos existentes
I. NOMENCLATURA:
Um mês após a instalação do gerador, o fabricante do
banco de capacitores foi chamado para analisar o que
havia ocorrido, em um dos estágios do banco de
capacitores. A figura 1 mostra a foto das unidades
capacitivas após a falha.
DHTV – Distorção Harmônica Total - Tensão
DHTI - Distorção Harmônica Total – Corrente
Z(ω) – Impedância Harmônica
II. INTRODUÇÃO:
Durante a maior parte do ano de 2001 e início do ano de
2002, o Sistema Elétrico Brasileiro teve que reduzir em
20% o consumo de energia elétrica. O governo federal o
adotou essa política como forma de se evitar um colapso
de todo o sistema causado pelo baixo nível de chuvas e o
atraso nos investimentos em linhas de transmissão e
sistemas de geração de energia. A geração própria de
energia elétrica foi uma das soluções mais utilizadas para
se manter o funcionamento das indústrias na totalidade de
sua capacidade e ainda obedecendo à determinação de
economia de 20% no consumo de energia por parte das
concessionárias.
Esse documento apresenta um caso exemplo de problemas
com harmônicos em equipamentos de compensação
reativa existentes, causados pela entrada em operação de
sistemas de co-geração e geração própria. Os
equipamentos de compensação reativa existentes nessas
plantas começaram a ser afetados justamente após a
instalação destes sistemas de geração. O procedimento
para a investigação dos problemas causados pelos
harmônicos foi o seguinte:
1 – Análise dos capacitores falhados em laboratório;
2 – Medições de Harmônicos no Campo;
3 – Estudos de Fluxo Harmônico e Relatórios Técnicos.
Todas as análises realizadas indicaram que as falhas
ocorreram por sobretensão excessiva nos capacitores. Na
seção seguinte serão mostrados os resultados dos estudos e
análises realizadas para um caso em baixa tensão.
III. ESTUDO DE CASO EM BAIXA TENSÃO:
Este caso apresenta os resultados de estudos realizados
numa instalação elétrica de um jornal de circulação diária,
com uma impressora de grande porte. O sistema elétrico
avaliado é o mais importante de toda a planta. Baseado
nesse fato, no-breaks são utilizados para a manutenção da
tensão dentro de limites controláveis, porque existem
vários equipamentos eletrônicos sensíveis na impressora
principal. Para promover a correção do FP, na instalação
da impressora foi instalado em baixa tensão um banco de
capacitores automático (Bcap.) de 250 kvar/380V.
Pouco tempo depois da instalação desse banco de
capacitores, devido ao racionamento compulsório aplicado
a todos os consumidores de energia elétrica, um grupo
motor-gerador diesel foi adquirido e instalado no
alimentador principal da planta para suprir a energia em
condições de emergência.
Figura 1 - Células Capacitivas Falhadas
Power Supply
300 KVA
PF=0,8
Scc=490 kva
Scc = 100 MVA
HV = 13,8 kV
G
TR
1500 kva
X=3,8%
LV = 380V
Distribution System
Inverters
MIT
MIT
M IT
MIT
6,05 MVar
250kvar
r 2 - Diagrama Unifilar do Sistema Elétrico do Jornal
Figura
Nesta planta os motores e inversores são alimentados
através de um transformador abaixador. As características
do sistema elétrico supridor e da planta industrial são
apresentados na tabela 1 a seguir:
TABELA I - CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO SISTEMA ELÉTRICO DO JORNAL
Característica
Valor
Unidade
Tensão Suprimento
13,8
kV
Frequência do Sistema
60
Hz
Potência de Curto-Circuito AT
100
MVA
Potência do Transformador
1,5
MVA
Reatância do Transformador
3,8
%
Potência do gerador
0,35
MVA
Potência de Curto-Circuito do
0,49
MVA
Gerador
Fator de Potência do Gerador
0,8
--Demanda Ativa da Planta
240
kW
Demanda Reativa da Planta
180
KVAr
A impressora de papel é a parte mais importante da
empresa. O banco de capacitor corrige o fator de potência
enquanto o sistema é alimentado pela concessionária. Na
tentativa de buscar uma solução para o problema, o
sistema foi modelado e as seguintes condições foram
analisadas:
IESA Projetos Equipamentos e Montagens S/A – Área de Compensação Reativa e Qualidade de Energia
E-mail:[email protected] – Telefone: (16) 3303-1888 - Fax: (16) 3303-1899
Impacto da Instalação da Geração Própria
sobre Sistemas de Correção do Fator de
Potência em Plantas Industriais e Comerciais
A – Somente a Concessionária alimentando o Jornal:
Figura 9 - Forma de Onda de Corrente no BCap.
Figura 3 - Forma de Onda da Tensão no BCap.
Figura 4 - THDV Espectro Harmônico da Tensão no BCap.
Figura 5 - Forma de Onda de Corrente no BCap.
Figura 6 - THDI Espectro Harmônico da Corrente do BCap.
A análise dos resultados e das curvas de impedância
harmônica para esta situação demonstrou a ocorrência
ressonâncias acima da 30a. Harmônica, o que não afetou
de maneira significativa a vida útil dos capacitores do
banco. O THDV situou-se em 0,22% e THDI em torno de
15%. A solução inicialmente ofertada pelo fabricante
(quando não existia geração própria) estava correta.
B – Concessionária e Geração Própria em Paralelo:
Para essa situação os resultados obtidos são semelhantes
aos mostrados no caso A. Mas esta situação operativa
somente é permitida por um curto intervalo de tempo, no
momento em que a geração própria entra e sai de operação
assumindo a carga da instalação no horário de ponta.
C – Somente a Geração Própria:
Figura 7 - Forma de Onda da Tensão no BCap.
Figura 8 - THDV e Espectro Harmônico da Tensão no Bcap.
Figura 10 - THDI Espectro Harmônico da Corrente do BCap.
A analise dos resultados e da curva de impedância
harmônica para este caso, demonstrou a ocorrência de
ressonâncias harmônicas próximas 5a harmônica, afetando
significativamente a vida útil dos capacitores. O THDV
ficou próximo de 11% e o THDI em 60%, o que levou a
queima acelerada dos capacitores e até mesmo um
princípio de incêndio.
Os resultados mostrados nas figuras de 7 a 10 justificam
os problemas e falhas ocorridas com os capacitores nesta
planta. Quando a planta é alimentada apenas pela
concessionária ou pela concessionária em paralelo com o
grupo motor-gerador, o ponto de ressonância entre o
banco de capacitores e o equivalente do sistema ocorre em
freqüências elevadas, devido à alta potência de curtocircuito da concessionária. Quando o mesmo sistema é
alimentado apenas pelo sistema de geração própria, a
ressonância se situa perigosamente em torno das
freqüências mais baixas, entre a 3a e a 5a harmônica.
Para resolver os problemas mencionados neste caso, foram
fornecidos e instalados filtros harmônicos fixos
sintonizados nas frequencias de 300Hz, 420Hz e 4
estágios automáticos de bancos com reatores de
dessintonia (Filtros Dessintonizados).
IV. CONCLUSÕES:
Foi observado que se durante a instalação de geração
própria, o critério de análise das freqüências harmônicas
existentes não é levado em conta, problemas de
ressonância provavelmente ocorrem em função da
interação entre estes geradores e os bancos de capacitores
para correção do fator de potência.
Os problemas mostrados neste trabalho poderiam ser
evitados caso um completo estudo de fluxo harmônico
tivesse sido realizado antes da instalação dos geradores
próprios.
A instalação da geração própria em sistemas com a
presença de harmônicos deve ser feita com critérios para
evitar problemas tanto para os equipamentos existentes
quanto para o bom funcionamento destes geradores.
Filtros harmônicos passivos e ativos têm sido utilizados
com sucesso para que a geração própria possa trazer todos
os benefícios técnicos e econômicos que definem sua
aplicação.
IESA Projetos Equipamentos e Montagens S/A – Área de Compensação Reativa e Qualidade de Energia
E-mail:[email protected] – Telefone: (16) 3303-1888 - Fax: (16) 3303-1899