Eng. Alexandre Carvalho Naves e Eng. MSc. Flávio Resende Garcia – IESA Projetos Equipamentos e Montagens 1 Contato: reativos@iesa.com.br - (16) 3303-1423 / 3303-1118

Resumo –Este artigo mostra o impacto da instalação de geração própria (co-geração) em plantas industriais sobre os equipamentos de correção do fator de potência do ponto de vista de componentes harmônicos.

I. NOMENCLATURA: THDV – Distorção Harmônica Total - Tensão THDI - 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 única 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 industrias 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 existente causados pela instalação de co-geração e geração própria. Os equipamentos de compensação reativa existentes nessas plantas começaram a ser afetados justamente após a instalação dos sistemas de geração própria. A IESA-INEPAR (fornecedora dos bancos de capacitores) foi chamado a dar um esclarecimento sobre o que esta ocorrendo com o equipamento e quais os motivos das falhas. 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 Penetração Harmônica e Relatórios Técnicos. Todas as análises feitas pelo fabricante de capacitores indicaram que as falhas ocorreram por sobre-tensão. 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 um estudo harmônico realizado numa instalação elétrica de um jornal de circulação diária, dotado de impressora de grande porte. O sistema elétrico avaliado é o mais importante de toda a planta. Baseado nesse fato, no-breaks são utilizados para o mantenimento da tensão dentro de limites controláveis, porque existem vários equipamentos eletrônicos sensíveis na impressora principal. Para promover a correção do fator de potência, na instalação da impressora foi instalado em baixa tensão um banco de capacitores automático de 250 kvar em 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. 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.

Figura 1 - Células Capacitivas Falhadas

6,05 MVar

TR 1500 kvaX=3,8%

G

LV = 380V

HV = 13,8 kV300 KVAPF=0,8Scc=490 kva

Scc = 100 MVA

Power Supply

Distribution System

MIT MIT

Inverters

MITMIT

6,05 MVar6,05 MVar

TR 1500 kvaX=3,8%

G

LV = 380V

HV = 13,8 kV300 KVAPF=0,8Scc=490 kva

Scc = 100 MVA

Power Supply

Distribution System

MIT MIT

Inverters

MITMIT

Figura 2 - Diagrama Unifilar do Sistema Elétrico do Jornal

Nesta planta os motores e inversores são alimentados através de 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 Gerador

0,49 MVA

Fator de Potência do Gerador 0,8 --- Demanda Ativa da Planta 240 kW Demanda Reativa da Planta 180 KVAr

Casos Reais sobre o Impacto harmônico da Co-Geração em Equipamentos de Correção de

Fator de Potência em Plantas Industriais

250kvar

Eng. Alexandre Carvalho Naves e Eng. MSc. Flávio Resende Garcia – IESA Projetos Equipamentos e Montagens 2 Contato: reativos@iesa.com.br - (16) 3303-1423 / 3303-1118

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, como também, nas situações com contingências (gerador operando), porque alivia o gerador em termos de potência reativa, liberando-o para fornecer apenas potência ativa. Na tentativa de buscar uma solução para o problema, o sistema foi modelado e as seguintes condições foram analisadas: A – Somente a Concessionária alimentando o Jornal:

Figura 3 - Forma de Onda da Tensão no Banco de Capacitores

Figura 4 - THDV Espectro Harmônico da Tensão no Banco de Capacitores

Figura 5 - Forma de Onda de Corrente no Banco de Capacitores

Figura 6 - THDI Espectro Harmônico da Corrente do Banco de Capacitores A análise dessa situação mostra que existe uma ressonância acima da 30a. Harmônica, e isso não afeta de maneira alguma 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. Isso demonstra que o a contribuição para o curto-circuito no PAC pela geração própria neste caso é muito pequena, não afetando os equipamentos instalados. C – Somente a Geração Própria:

Figura 7 - Forma de Onda da Tensão no Banco de Capacitores

Figura 8 - THDV e Espectro Harmônico da Tensão no Banco de Capacitores

Figura 9 - Forma de Onda de Corrente no Banco de Capacitores

Figura 10 - THDI Espectro Harmônico da Corrente do Banco de Capacitores A analise dos resultados desse caso, mostra que para essa situação, ocorre uma ressonância harmônica entre a 2a e a 3a harmônica, afetando a vida útil dos capacitores. O THDV ficou próximo de 11% e o THDI em 60%. 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 pela concessionária apenas 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 curto-circuito 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, em torno da 3a e 5a harmônica. Para resolver os problemas mencionados neste caso, foram comprados 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 normalmente durante a instalação de geração própria, o critério de análise das freqüências harmônicas existentes não é levado em conta e problemas de ressonância ocorrem por causa da operação entre geradores próprios e bancos de capacitores para correção do fator de potência. Os problemas mostrados neste trabalho poderiam ser evitados caso um completo estudo de fluxo harmônica tivesse sido realizado antes da instalação dos geradores próprios. Após a detecção e identificação do problema pelo estudo realizado pelo fabricante, o cliente comprou os equipamentos adequados e desde então o sistema, com e sem geração própria, vem operando sem problemas e com o fator de potência corrigido.