CORREÇÃO DE HARMÔNICAS E FATOR DE POTÊNCIA EM SUBESTAÇÕES

A instalação de filtros de harmônico e de bancos de capacitores para correção de distorções e fator de potencia já é observada com frequência em indústrias de todo o mundo. Em vista deste cenário, faz-se necessário um correto estudo para avaliar qual produto deve ser adquirido e como efetuar tal instalação na rede elétrica. Este trabalho tem como base apresentar um estudo de correção de harmônica e fator de potência pontual para uma fábrica, indicando o que foi feito para correção e mostrando os pontos de melhoria após a instalação. Palavras-Chave: Harmônica, Fator de Potência, Distorção, Correção, Indústrias. Laerte Medeiros Filho, graduando em Engenharia pela Faculdade Mutivix, autor do presente artigo.

A energia elétrica deixou de ser apenas quantificada em grandes indústrias, sendo inaceitável deixar de considerar também a sua qualidade. Hoje, a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), através da Lei nº 9. cobra a obrigação de que concessionárias, permissionárias e autorizadas do setor de energia elétrica apliquem anualmente um percentual de sua Receita Operacional Líquida (ROL) em projetos de pesquisa e desenvolvimento (P&D) e em programas de eficiência energética (BRASIL, 2000), fornecendo ainda incentivos para empresas que buscam se desenvolver para melhorar sua qualidade de energia. Esse desenvolvimento em pesquisa e em novas tecnologias acaba atingindo também as empresas, investindo cada ano mais em qualidade de energia. Realizar correções de fator de potência e de harmônicos em uma rede elétrica industrial não é tão simples e barato, porém trata-se de uma necessidade quando se trata de perdas de energia e recursos financeiros.

Quando uma instalação elétrica tem boa qualidade de energia, significa que o nível dos desvios das normas é baixo e, portanto, os equipamentos funcionam sem problemas. Atualmente, os equipamentos utilizam mais aparelhos eletrônicos (eletrônica embarcada) e, por isso, estão mais sensíveis às variações nos parâmetros da rede elétrica. Esses parâmetros podem ser os níveis de distorção da onda ou a variação da amplitude da mesma. Um nível de tensão inadequado também caracteriza baixa qualidade da energia, além de poder provocar maiores perdas no sistema elétrico (MENDES et al. Não apenas a concessionária é responsável pela qualidade da energia, também o usuário pode poluir o sistema elétrico com a injeção de harmônicos de corrente.

Um dos métodos criados é a utilização de filtros passivos. Formas de redução de harmônica Várias pesquisas e publicações têm sido encontradas com relação ao tema “filtros harmônicos”. É possível encontrar diversas técnicas para reduzir os sinais harmônicos de tensão e/ou corrente. Estas, de um modo global, podem ser agrupadas nas estratégias elencadas abaixo: • Uso de filtros passivos conectados em paralelo e/ou em série com o sistema elétrico; • Aumento da quantidade de pulsos em unidades conversoras, com o uso de transformadores defasadores; • Técnicas de compensação de fluxo magnético; • Filtros ativos de potência conectados em paralelo e/ou em série com o sistema elétrico. Efeitos de harmônicas em componentes do sistema elétrico Muitos sistemas elétricos estão experimentando níveis crescentes de geração harmônica e uma resultante distorção de tensão harmônica.

Provoca fadiga física e psíquica nos usuários de iluminação conectados nas proximidades da carga perturbadora. Redução de vida útil de motores e transformadores O grau de harmônica que pode ser tolerado em um sistema de alimentação depende da susceptibilidade da carga (ou da fonte de potência). Cargas puramente resistivas, como, por exemplo, os resistores elétricos, não sofrem tantos impactos – ou seja, são menos susceptíveis – em relação a cargas que dependem de uma alimentação senoidal, como, por exemplo, aparelhos de comunicação, controladores eletrônicos, motores elétricos (cargas que podem ter característica indutiva ou capacitiva). No entanto, mesmo para as cargas de baixa susceptibilidade, a presença de harmônicas (de tensão e/ou de corrente) pode ser prejudicial, produzindo maiores esforços nos componentes e isolantes.

Nos motores elétricos e geradores, a presença da distorção ter impactos diretos, causando aumento da temperatura (aquecimento) no equipamento, devido ao aumento das perdas no ferro e no cobre. Diâmetro e área de fios de cobre que devem ser utilizados em função da freqüência da corrente para que o aumento da resistência seja inferior a 1%. Além disso, se os cabos forem longos e os sistemas tiverem suas ressonâncias excitadas pelos componentes harmônicos, podem ocorrer elevadas sobretensões ao longo da linha, podendo danificar o cabo e outros componentes do sistema elétrico. A Figura 3. a seguir mostra a resposta em frequência de um cabo trifásico de parâmetros 2 AWG, 6 kV e 10 km de comprimento. As curvas mostram o módulo da tensão na extremidade do condutor, sobre uma carga de característica indutiva (tipo RL).

O valor máximo não ocorre sobre a carga exatamente porque a carga não é, efetivamente, um circuito aberto nesta frequência (de 2,3 kHz aproximadamente). Figura 3. Perfil de tensão ao longo do cabo na frequência de ressonância   A Figura 3. apresenta a resposta no tempo para uma linha de 40 km (não incluindo o efeito pelicular), para uma entrada senoidal (com frequência de 50 Hz) com uma componente de 1% da harmônica que coincide com a frequência de ressonância do sistema (décima-primeira). Como observado no gráfico, esta componente aparece de maneira amplificada sobre a carga. Esta pode ser significativamente aumentada por harmônicas mesmo quando existem pequenas distorções de tensão por causa da pequena impedância do capacitor nas frequências das harmônicas.

Se a distorção da tensão for significante, pode ocorrem falha de isolamento devido aos elevados valores de pico de tensão, uma vez que o pico de tensão pode ser tão alto quanto a soma aritmética de todas as tensões harmônicas individuais. No caso em que os níveis de distorção não se encontram dentro de limites aceitáveis, a característica de resposta à frequência do sistema pode ser alterada trocando-se as dimensões ou localizações dos capacitores, alterando-se as características da fonte, ou projetando filtros de harmônicas. Filtros são a solução mais comum porque um filtro pode fornecer suporte de potência reativa na frequência fundamental e um caminho de pequena impedância para um ou mais componentes de corrente harmônica fluir.

Depois que o processo é completado, e um banco de capacitores ou filtros tiverem sido instalados, deve se verificar se os resultados desejados foram obtidos e se o banco de capacitores está dentro de seus limites de projeto. Filtros Capacitivos LUMILIGHT do BRASIL Foram utilizados no projeto os filtros capacitivos produzidos pela LUMILIGHT DO BRASIL para a correção de harmônicas. Esses filtros tendem a ser um dos mais rápidos no mercado, com resposta de correção entre 5 a 15 microssegundos (conforme fabricante). Além disso, o mesmo permite drenar surtos de tensão para o neutro ou aterramento, dependendo da instalação. Esse tipo de filtro possui um dispositivo interno de proteção de equilíbrio de tensão para equipamentos eletroeletrônicos, que minimiza ruídos gerados pelo sistema de energia, garantindo um menor consumo.

Além do seu alto poder de redução de harmônicas, esses filtros seguem as principais normas. Com o resultado das análises dos motores e sua condição elétrica, observou-se que não seria viável neste caso fazer a correção nas subestações, pois não seria factível melhorar neste ponto o fator de potência da linha e sua qualidade. Com vistas a isso, foram especificados bancos de capacitores para ser instalados em cada máquina analisada. São equipamentos de fabricação americana, patenteados, e concebidos para aumentar a eficiência de um motor indutivo. Instalando o IMOP junto ao motor, há o gerenciamento eficaz do fornecimento da energia necessária ao seu funcionamento. Desta forma, o consumo total de energia é reduzido, uma vez que a energia, que antes seria desperdiçada, é agora gerida pelo IMOP, evitando perdas.

Analisador Sizing Unit Figura 4. Projeto de Instalação do IMOP 5. RESULTADOS 5. Investimento e retorno do investimento Como mencionado anteriormente o investimento para a instalação de filtros capacitivos é sempre alto, porém o retorno é bastante significativo. Foram analisados os ganhos do processo, verificando não apenas o retorno real do investimento, mas também ganhos na planta como um todo como, por exemplo, através do aumento da vida útil dos motores, aumento da disponibilidade no transformador e melhoria na qualidade de energia, evitando a queima de equipamentos pelo aumento da distorção, evitando o sobre-dimensionamento de cabos e do transformador, correção no fator de potência, redução de “flickers”, entre outros. F. FRANCO, P. E. C. Alocação de Capacitores em Redes de Distribuição Radial Utilizando um Modelo de Otimização Determinístico Linear.

de 24 de julho de 2000. Dispõe sobre realização de investimentos em pesquisa e desenvolvimento e em eficiência energética por parte das empresas concessionárias, permissionárias e autorizadas do setor de energia elétrica, e dá outras providências. Brasília, 2000. Disponível em: <http://www2. aneel. IEEE Std 519. New York: IEEE Power and Energy Society, 2014. MENDES, A. PISSARA, C. FRANÇA, P.