UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA EDNEI PIVA LUIZ HENRIQUE VILLELA DE ABREU ANDRADE

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1 UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA EDNEI PIVA LUIZ HENRIQUE VILLELA DE ABREU ANDRADE PROJETO DE SUBESTAÇÃO PARA ATENDIMENTO DE UMA CARGA CRÍTICA COM SISTEMA DE SUPERVISÃO Palhoça 2013

2 EDNEI PIVA LUIZ HENRIQUE VILLELA DE ABREU ANDRADE PROJETO DE SUBESTAÇÃO PARA ATENDIMENTO DE UMA CARGA CRÍTICA COM SISTEMA DE SUPERVISÃO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica Telemática da Universidade do Sul de Santa Catarina, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientadora: Prof ª Sheila Santisi Travessa, M.Eng. Palhoça 2013

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4 As pessoas que sempre nos apoiaram e que tinham certeza do nosso sucesso. Ednei: Dedico a minha mãe Valéria, ao meu Pai Luiz, a minha noiva Núria e a todos os meus amigos e familiares que e apoiaram. Luiz Henrique: Dedico esta monografia a minha família pela fé e confiança demonstrada, e aos meus amigos pelo apoio incondicional.

5 AGRADECIMENTOS Ednei Piva: Muitas pessoas contribuíram para construir a pessoa que sou hoje e que realizou este trabalho, quero agradecer a todas. Agradeço aos colegas de curso e também aos colegas de trabalho que sempre me apoiaram. Entretanto, algumas pessoas foram fundamentais para a realização deste trabalho, e desejo realizar um agradecimento especial a elas. Agradeço aos meus pais, Luiz e Valéria Piva, que nunca medira esforços para que eu pudesse realizar os meus sonhos e que por isso são corresponsáveis pelo meu êxito. Agradeço aos meus irmãos, Fernando Luiz Piva e Edi Ilson Piva, que de alguma forma sempre contribuíram, seja em apoio psicológico ou em suas preces, para o êxito na realização deste trabalho. Agradeço também a uma pessoa que entrou em minha vida no início da execução deste trabalho e que, mesmo com todo o tempo que não pude dispor a ela, sempre esteve ao meu lado, e de forma significativa, me auxiliou e me apoiou na execução deste trabalho. Obrigado Núria Vidal Druzian, por tudo. Agradeço também a professora Sheila Santisi Travessa que sempre esteve ao meu lado nos trabalhos acadêmicos neste período do curso de Engenharia. Luiz Henrique Villela de Abreu Andrade: Agradeço em primeiro lugar a Deus, que iluminou o meu caminho durante esta longa caminhada, agradeço também a meus pais Luidi Andrade meu maior exemplo, minha mãe Maria Leni Andrade pelo grande amor e carinho, aos meus irmãos Luciana Andrade e Luidi Andrade pela paciência e confiança, e por fim aos meus amigos e outras pessoas fundamentais na minha vida que me ajudaram a ser quem sou hoje..

6 O sucesso nasce do querer, da determinação e persistência em se chegar a um objetivo. Mesmo não atingindo o alvo, quem busca e vence obstáculos, no mínimo fará coisas admiráveis (José de Alencar).

7 RESUMO Com a necessidade cada vez maior de atender a demanda de cargas em instalações que não podem ficar sem energia, o estudo sobre arranjos de subestações para cargas críticas vem ganhando espaço no mercado e essa abordagem deve levar em consideração algumas variáveis fundamentais. Será apresentado um estudo de caso de um projeto de subestação voltada para o atendimento de cargas críticas, também aborda-se a suas principais topologias, equipamentos que compõem seu layout, exibir os cálculos de confiabilidade MTFB (Mean Time Between Failures) e suas classificações. Será apresentado também um projeto de subestação para atendimento de carga crítica, onde será possível verificar todas as variáveis necessárias para a construção deste tipo de subestação. A validação dos dados teóricos será feita através de simulações. Palavras-chave: Carga crítica, MTBF, Tier, Confiabilidade de Sistema.

8 ABSTRACT With the increasing need to meet demand loads in facilities that can not run out of power, the study of arrangements of substations for critical loads is gaining momentum in the market and this approach should take into account some important variables. We will present a case study of a substation project facing the care of critical loads, also addresses itself to its core topologies, devices that make up its layout, showing the reliability calculations MTFB (Mean Time Between Failures) and their ratings. There will also be a project substation to meet critical load, where you can check all the variables needed to build this type of substation. Data validation will be done by theoretical simulations. Keywords: Critical load, MTBF, Tier, System Reliability.

9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Tipos de Linhas Figura 2 - Quedas de tensão unitárias Figura 3 - Linha de Seccionadoras-Fusíveis Figura 4 - Disjuntores Figura 5 - Classificação Energia Standby Figura 6 - Energia Prime, funcionamento por tempo ilimitado Figura 7 - Energia Prime, funcionamento por tempo limitado Figura 8 - Classificação Energia de Carga Básica Figura 9 - Folha de dados para Grupo Motor Gerado Figura 10 - Fontes sendo comutadas por ATS Figura 12 - Tela de GMG Figura 13 - Multimedidor do QGFL Figura 14 - UPS Figura 16 - Falta de Rede da Concessionária Figura 17 - Gerador de Energia Figura 18 - Problema na UPS Figura 19 - Problema na UPS Figura 20 - Problema no GMG Figura 21 - Desarme no Disjuntor do Alimentador Figura 22 - Desarme do Disjuntor do Alimentador

10 LISTA DE TABELAS Tabela 1- Seção Mínima dos Condutores Tabela 2 - Temperaturas admissíveis no condutor em ambiente à 30º Tabela 3 - Número de condutores Tabela 4 - Grupos de camadas do modelo OSI Tabela 5 - Classificação dos TIER s Tabela 6 - Classificação e Tipo de Sistema Tabela 8 - Lista de verificações e de ensaios a serem realizados em TTA e PTTA Tabela 9 - Tabela de Cabos CA... 64

11 LISTA DE ABREVIATURAS CC Corrente contínua CA Corrente Alternada TIA Associação das Indústrias de Telecomunicação GMG Grupo Motor Gerador UPS Uninterruptible Power Supply CHE Chave Estática de Transferência Automática URF Unidade Retificadora PC PersonalConputer CLP Controlador Lógico Programável OSI InternationalStandanrdsOrganization MTBF Tempo médio entre Falhas MTTR Tempo Médio de Reparo RS Recommended Standard EIA Electronic Industries Alliance d.d.p. diferença de pontencial IP Internet Protocol IHM Interface Homem Máquina QGFL Quadro Geral de ForçaLuz QDFC Quadro de Distribuição de Força de Carga Crítica QTA Quadro de Transferência Automática

12 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO MOTIVAÇÃO JUSTIFICATIVA OBJETIVOS OBJETIVO GERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS METODOLOGIA DA PESQUISA FUNDAMENTOS TEÓRICOS PROJETO ELÉTRICO Dimensionamento de Condutores Elétricos DIMENSIONAMENTO DE CONDUTOR Dispositivos de proteção em baixa tensão PROJETO DE SUPERVISÃO Projeto de arquitetura de rede Equipamentos Modelos de comunicação Funcionamento SITES DE MISSÃO CRÍTICA CLASSIFICAÇÃO DE SITES COM CARGA CRÍTICA TIER 1 Projeto básico TIER 2 Projetos com componentes redundantes TIER 3 Projeto que permita manutenção sem parada (Autossustentado) TIER 4 Projeto tolerante a falhas EQUIPAMENTOS QUE COMPÕEM PROJETOS DE MISSÃO CRÍTICA UPS GRUPO MOTOR GERADOR (GMG) Tipos de Sistemas Classificação dos Geradores (Potência) Classificação quanto ao Combustível Escolha do equipamento GMG CHAVE ESTÁTICA DE TRANSFERÊNCIA AUTOMÁTICA UNIDADE RETIFICADORA ELABORAÇÃO DE PROJETO DE MISSÃO CRÍTICA ELABORAÇÃO PROJETO ELÉTRICO Escolha dos equipamentos Arquitetura do diagrama unifilar Quadros elétricos (conjunto de manobra) Projeto de locação e dimensionamento de cabos e proteções ELABORAÇÃO PROJETO SUPERVISÃO REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO SISTEMA DE SUPERVISÃO PROJETO DE ARQUITETURA DE REDE...68

13 6 SIMULAÇÕES DO SISTEMA DE SUPERVISÃO FUNCIONAMENTO NORMAL FALTA DE REDE DA CONCESSIONÁRIA PROBLEMA NA UPS PROBLEMA NA UPS PROBLEMA NO GMG DESARME DO DISJUNTOR DO ALIMENTADOR DA UPS DESARME DO DISJUNTOR DO ALIMENTADOR DA UPS RESULTADO DAS SIMULAÇÕES CONCLUSÃO REFERÊNCIAS ANEXO A PROJETO TRAFO ANEXO B PROJETO GMG ANEXO C - CATÁLOGO UPS ANEXO E UNIFILAR DATA CENTER ANEXO F UNIFILAR LOCAÇÃO DE EQUIPAMENTOS ANEXO G DATASHEET ELIPSE ANEXO H UNIFILAR ARQUITETURA DE REDES... 94

14 14 1 INTRODUÇÃO 1.1 MOTIVAÇÃO A humanidade sempre buscou por meio de sua inteligência métodos para reduzir seus esforços, tanto para aumentar seu conforto, quanto para acelerar os seus processos, tendo origem na era pré-histórica, onde os homens começaram a entender sobre as forças da natureza e manipula-los em seu próprio benefício, como a água e fogo, além da criação de importantes ferramentas como a roda. Este contínuo interesse de aprender, junto a sua natural capacidade intelectual, foram as chaves para o sucesso da espécie, resultando em uma expansão exponencial da população. No decorrer da historia, a humanidade nunca deixou de lado o constante aprimoramento de suas técnicas, resultando nos primeiros estudos sobre energia elétrica, conforme SILVA FILHO (2007), Teodoro (datados pelo matemático e filosofo grego, Tales de Mileto, por volta do século VI A.C, onde verificou em um de seus experimentos que ao atritar âmbar (resina fóssil) a um pedaço de pele animal, era possível atrair junto ao âmbar pequenos materiais pelo processo de eletrização por fricção, iniciando assim o conhecimento da eletricidade. Após um grande período sem avanços nos estudos sobre energia elétrica, em meados do séculos XVII, foram retomadas pesquisas significativas neste campo, onde diversos cientistas estudaram sobre os efeitos da carga elétrica como o cientista Alemão Otto Von Guericke. Este período teve uma grande importância para historia da humanidade e para evolução da energia elétrica, pelo motivo desta época ter sido marcada pela revolução industrial, inicialmente na Inglaterra, este período teve o aumento desenfreado da população onde à demanda por recurso foi ampliada, junto à mudança da mentalidade da população para o capitalismo, visando sempre o aumento dos lucros. Muitas fábricas foram montadas e ocorreram a troca das maquinas manufaturadas para a maquinas a vapor, e isto foi o que proporcionou o grande avanço para época, acelerando os processos de fabricação, e barateando os produtos. No transporte também iniciou as locomotivas e barcos a vapores, tendo parcela muito significativa, pois conseguiam transportar os produtos para regiões mais longes num curto espaço de tempo. Com isso o êxodo rural tornou-se comum, e grande parcela da população migrou para as cidades a procura de melhores empregos nas fabricas e

15 15 condições de vida. Em paralelo os estudos sobre eletricidade foram cada vez mais aprofundados, e em 1879 Thomas Edison inventor da lâmpada elétrica, o que mudaria radicalmente as vidas nos centros urbanos. Logo nos anos seguinte, mas precisamente 1882 Thomas Edison criou a primeira estação de energia elétrica, para atender a população, chamada de Pearl Thomas Edison, em Manhattan nos Estado Unidos. Porém por ser um sistema muito caro deveria atender um numero muito grande de usuários para ser rentável, e o grande problema era que a energia gerada era continua (CC) dificultando o transporte, e impossibilitando o atendimento aos usuários em longas distancias. Neste momento da historia entra o cientista George Westinghouse, que junto ao seu então funcionário Nikola Tesla, tiveram a brilhante ideia e a tornaram pratica, de gerar e transmitir a energia em corrente alternada (AC) o que proporcionou a rápida difusão da energia elétrica entre a população, já que desta forma a transmissão alcançava longas distâncias sem a necessidade de subestações a cada curtos trechos. A partir deste evento ocorreu uma rápida difusão da energia elétrica nos grandes centros,onde cada vez mais a humanidade se habituou ao seu uso pelas vantagens oferecidas. Atualmente é imprescindível para a população a energia elétrica, e por isso os recursos para que esta se mantenha de forma ininterrupta é foco de estudo, de forma a melhorar as tecnologias dos equipamentos bem como o layout de forma mais adequado a cada projeto. 1.2 JUSTIFICATIVA Cada vez mais dependente de energia elétrica, a humanidade busca por métodos para que a qualidade e a confiabilidade do sistema elétrico seja o mais próximo dos cem por cento, pois com a modernização da sociedade, todos os segmentos, desde hospitais, sistemas bancários, supermercados, centrais telefônicas até a própria população, estão totalmente vinculados à energia elétrica para realizarem suas atividades mais cotidianas. Esse é um dos motivos da grande evolução para os estudos e aplicações de sistemas elétricos para atender a demanda de carga crítica, pois na atualidade uma interrupção no fornecimento de energia, pode trazer prejuízos muito grandes para os consumidores como para as fornecedoras de energia.

16 16 Na pratica o essencial para o projetista é ter conhecimento do tipo de carga a ser alimentada e a confiabilidade necessária para os sistemas a ser projetado, para que seja possível fazer o dimensionamento dos equipamentos e definir o tipo de topologia que serão utilizados de acordo com as classificações de demanda da carga definidas para o cliente, mas visando sempre que possível o melhor custo benefício para o projeto, pois com o aumento de redundâncias no sistema, o custo do projeto é aumentado de forma significante. No curso de engenharia elétrica e telemática, lidamos com vários equipamentos e várias tecnologias que adaptam e melhoram a vida do ser humano cada vez mais. Dentro destas tecnologias, aprendemos de forma sucinta o funcionamento dos telefones móveis, as tecnologias e teorias utilizadas na forma de transmissão de dados e voz que, cada vez mais, aumentam a velocidade destas transmissões. Outra tecnologia que é exposta desta forma, é a tecnologia na área da informática. Nesta é apresentada desde o funcionamento do hardware, passando pela programação em várias linguagens até o funcionamento dos sistemas operacionais. Mas como pode-se garantir que esses recursos não sejam interrompidos por algum problema de alimentação elétrica, que também é foco no curso de Engenharia Elétrica e Telemática? Com o intuito de responder a esta pergunta, o presente trabalho apresentará as tecnologias e equipamento que fazem composição de um projeto de missão crítica, projeto que alimentará o que se chama de carga crítica, que são as centrais onde toda esta informação é trabalhada e/ou transmitida. Além disso, será realizado um projeto exemplificando essas teorias e apresentando um sistema supervisório de controle da subestação projetada.

17 OBJETIVOS Objetivo Geral Apresentar as variáveis que compõem uma subestação para atendimento de cargas críticas, desde topologias, cálculo de confiabilidade e os equipamentos que compõem o sistema OBJETIVOS ESPECÍFICOS Teoria de projetos elétricos e comunicação de dados; Classificação dos sites de missão crítica (Data centers) de acordo com a Norma TIA-942; Descrição de funcionamento dos equipamentos que fazem composição de um projeto de missão crítica; Elaboração de um projeto elétrico para alimentar uma carga crítica; Elaboração de um projeto de arquitetura de rede de comunicação deste projeto; Criação de um sistema de supervisão deste projeto de energia; Os resultados teóricos serão validados via simulação devido aos altos custos associados à montagem prática do sistema;

18 METODOLOGIA DA PESQUISA Para realizar a pesquisa relacionada ao projeto de missão crítica, primeiramente será exposto o cálculo MTBF (tempo médio entre falhas), que é crucial para realizarmos a classificação do projeto. Para que se consiga realizar esse cálculo de forma coerente, serão expostos e explicados alguns termos que devem ser avaliados: Confiabilidade; Disponibilidade; MTTR (Tempo médio de reparo). Após essa apresentação, o cálculo propriamente dito será exposto. Os valores de disponibilidade, MTBF e MTTR são apresentados pelos fornecedores dos equipamentos que os obtêm por análise dos seus produtos.posteriormente serão apresentadas as diferentes classificações de acordo com o MTBF e de acordo com as topologias para projetos de missão crítica. Serão apresentadas as quatro classificações distintas referentes aos projetos de missão crítica realizadas pela Norma TIA-942. Após a apresentação das classificações dos projetos, serão apresentados os equipamentos que fazem parte dos projetos de missão crítica: UPS; Grupo motor Gerador; Chave estática de transferência automática; Unidade retificadora; Com a teoria do projeto apresentada, será iniciado o projeto propriamente dito. O estudo de caso deste trabalho será a realização de um projeto para o atendimento de uma carga crítica e a elaboração de um sistema supervisório de controle par o mesmo. Para o projeto de energia, alimentação da carga, será definida em qual classe o nosso projeto será encaixado. Posterior a isso, será realizada a composição dos equipamentos que farão parte deste projeto e serão realizados os cálculos dos componentes deste. Os

19 19 cálculos serão para definir a corrente dos disjuntores, potência dos GMG s, UPS e Chave estática. Serão também apresentados os modelos dos disjuntores, pois os mesmos deverão ser compatíveis com o protocolo de comunicação a ser estabelecido para comunicação com o sistema supervisório. Após essa parte concluída, será iniciada a parte do projeto de arquitetura de rede, no qual serão estabelecidos todos os componentes que farão parte do projeto de comunicação. Posterior à realização do projeto de arquitetura de rede, será iniciado o processo de programação do sistema supervisório, com as definições que serão necessárias, ou seja, com os parâmetros que serão definidos do que será monitorado e o que poderá ser alterado pelo sistema. A interface neste momento é de suma importância, nela é que o operador saberá o que pode fazer através do supervisórios e onde ele realizará toda e qualquer verificação de falha do sistema. Com o projeto pronto, serão realizados alguns testes para que possa ser verificada a funcionalidade do sistema. Esses testes serão apresentados juntamente com a interface de comunicação com o usuário que será programada.

20 20 2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1 PROJETO ELÉTRICO Dimensionamento de Condutores Elétricos Para Niskier e Macintyre (1996) condutor elétrico é um corpo constituído de material bom condutor, destinado à transmissão da eletricidade. Em geral é de cobre eletrolítico e, em certos casos de alumínio. A espessura, ou seção de um condutor elétrico tem relação direta com a quantidade de energia elétrica que será transportada pelo condutor e para isso os projetos elétricos devem sempre considerar esta variável, pois um condutor dimensionado com uma seção inferior estabelecida pelos fabricantes pode trazer riscos. Existem dois tipos usuais de condutores para aplicações elétricas, os fios e os cabos, eles possuem certas características básicas que os diferem. No caso do fio, é formado por um único condutor, rígido, maciço, pode apresentar ou não isolamento, e é usualmente utilizado em situações onde não ocorreram dobragens. Já o cabo é um condutor formado por alguns fios encordoados, não isolados entre si, mas podem ter isolação externa, são flexíveis e podem ser submetidos à dobragem, por isso em situações onde necessário algum tipo de movimentação, estes condutores são os indicados. Neste capitulo será abordado às características necessárias para escolha do condutor em um projeto Dimensionamento de condutor Para determinar o tipo do condutor e a seção a utilizar, o projetista deve seguir sempre as normas, no caso do Brasil,será a NBR5410. Após conhecimento das normas, a definição do condutor ocorrerá por três passos. Definir a corrente de cada circuito do projeto, segundo ABNT NBR 11301, onde o cálculo deve ser. Equações (2.1) e (2.2):

21 21 Para circuitos monofásicos: (2.1) Para circuitos trifásicos (2.2) Onde: IB: Corrente de projeto; P: Potencia ativa total do circuito; V: Tensão do circuito; FP: Fator de potência total do circuito. Definida as correntes dos circuitos, será necessário determinar os parâmetros de instalação como o tipo de condutor, temperatura ambiente e tipo da instalação, e para finalizar calcular os fatores correções necessários Seção mínima dos condutores Conforme NBR5410: 2004 serão apresentadas as seções mínimas dos condutores para a utilização em circuitos elétricos, conforme os tipos de instalações e utilização do circuito. Abaixo na tabela 1: Tipo de instalação Tabela 1- Seção Mínima dos Condutores Seção mínima do condutor (mm2)- Utilização do circuito material Instalações fixas em geral Cabos isolados Condutores nus Ligações flexíveis feitas com cabos isolados Circuitos de Iluminação Circuitos de força Circuitos de sinalização e circuitos de controle Circuitos de força Circuitos de sinalização e circuitos de controle Para equipamento específico 1,5 Cu/ 10 Al 2,5 Cu/ 10 Al 0,5 Cu 10 cu/ 10 Al 4 Cu Como especificado na norma do equipamento

22 22 Para qualquer outra aplicação Circuitos a extrabaixa tensão Fonte: NBR5410: ,75 Cu 0,75 Cu Tipos de Condutores A classificação dos condutores também deve ser projetada tendo em vista o comportamento de seu material de isolação e cobertura, em relação ao fogo. Os tipos de condutores são os seguintes, segundo Niskier e Macintyre (1996): Propagadores da chama: Fabricados com os compostos etilenopropileno (EPR) e polietileno reticulado (XLPE). Estes tipos de condutores ao entrar em contato com uma chama, mantém a combustão mesmo após cessar a chama. Não propagadores de chama: Fabricados com os compostos, cloreto de polivinila (PVC) e neoprene. Estes condutores cessam a combustão após a chama ser removida. Resistentes ao fogo: Fabricado com os compostos, Sintenax Antiflan, e Noflam. Esses condutores mesmo expostos ao fogo não propagam o fogo no seu material Condutores determinado pelo aquecimento Um fator que possui grande influencia em um projeto elétrico é o aquecimento do condutor devido à passagem de corrente elétrica, podendo ocasionar danos a sua estrutura, por este motivo algumas características dos condutores devem ser verificadas durante o projeto. Segundo Niskier e Macintyre (1996, pagina 105), destacam-se: Tipo de isolação e de cobertura do condutor; O numero de condutores carregados, isto é, de condutores vivos, efetivamente percorridos pela corrente;

23 23 A maneira de instalar os cabos; A proximidade de outros condutores e cabos; A temperatura ambiente ou a do solo (se o cabo for enterrado diretamente ao solo) Isolação dos condutores Segundo a NBR5410:2004 a isolação dos condutores tem a função de impedir a fuga de campo elétrico gerado no seu interior, evitando assim possíveis choques elétricos, como também desacelerar o envelhecimento do condutor e evitar à umidade. Sua escolha necessariamente devem atender as temperaturas de regime constante de operação e sobrecarga. Para esta escolha será apresentando uma tabela 2, com as características normativas: Tabela 2 - Temperaturas admissíveis no condutor em ambiente à 30º PVC Cloreto de polivinila Temperatura de operação em regime continuo Temperatura de sobrecarga Temperatura de curto-circuito 70ºC 100ºC 160ºC PET Polietileno 70ºC 90ºC 150ºC XLPE Politileno 90ºC 130ºC 250ºC reticulado EPR Borracha etileno 90ºC 130ºC 250ºC propileno Fonte: Niskier e Macintyre (1996, pag.107) Número de Condutores Os números de condutores conforme tabela 3 tem papel fundamental para dimensionar as seções dos condutores, em conjunto com a as características de definição de instalação apresentadas no capitulo

24 24 Tabela 3 - Número de condutores Esquema de condutores vivos do circuito Número de condutores carregados a ser adotado Monofásico a dois condutores 2 Monofásico a três condutores 2 Duas fases sem neutro 2 Duas fases com neutro 3 Trifásico sem neutro 3 Trifásico com neutro 3 ou Definição de instalação Existem padrões de linhas definidas de acordo com as características dos tipos de condutores e a maneira de instalação que serão utilizados no projeto. Conforme NBR5410(2004), apresentado na figura 1, que mostra todos os tipos possíveis destas variáveis. Após definição tipo de linha e numero condutores conforme tabela 3, basta verificar na norma NBR5410 (2004, pag. 101 a 105) tendo em vista a corrente corrigida do projeto, para definir a seção do cabo.

25 25 Figura 1 - Tipos de Linhas Fonte: Niskier e Macintyre (1996, página 108) Cores dos Condutores Conforme apresentado por Niskier e Macintyre (1996) na NBR-5.410/2004 recomenda-se que as cores das capas dos condutores sigam a seguinte especificação: Condutores fases: preto, branco, vermelho ou cinza; Condutor neutro: azul-claro; Condutor terra: verde ou verde-amarelo.

26 26 Para o aterramento: Condutor PE: verde ou verde-amarelo; Condutor PEN: azul-claro Fatores de correção do circuito Para finalizar a escolha do condutor é necessário aplicar o fator de correção no circuito projetado, para isso é necessário verificar os três fatores, chamados de fatores K, que determinam o grau de correção para o condutor projetado. As variáveis K são à correção de temperatura, resistividade do solo e agrupamento do circuito. Disponibilizados na norma NBR5410:2004 no item Assim que o projetista determinar os três fatores K é necessário aplicar a formula de correção,, em seguida utilizar as tabelas extraídas da Norma NBR5410 (2004, item 6.2.5, pag. 36 à 39) para encontrar a seção necessária do condutor a ser projetado Queda de tensão ao longo do circuito Conforme a norma NB-5.410, da ABNT, a tensão ao longo do circuito não pode apresentar uma queda superior aos limites estabelecidos por esta, de modo a não prejudicar os equipamentos alimentados neste circuito. A norma diz que instalações alimentadas em baixa tensão essa queda de tensão não pode ultrapassar 4%, do quadro terminal até o dispositivo alimentado, e para dimensionar o condutor é necessário o seguinte procedimento, Niskier e Macintyre (1996, pag125) Conhecer: Material do eletroduto se é ou não magnético; Corrente do projeto, Ip (em amperes); O fator de potência, cos ө; A queda de tensão admissível para o caso, em porcentagem; O comprimento do circuito (l) (em Km);

27 27 A tensão entre fases U (em volts). Cálculo: A queda de tensão ΔU por (Ip x l), para obter a queda de tensão em (volts/amperes) x Km e consultar a tabela de queda de tensão unitárias, conforme figura 2: Figura 2 - Quedas de tensão unitárias Dispositivos de proteção em baixa tensão Uma instalação bem projetada deve ser dimensionada para aguentar a corrente que circula por seus condutores de forma a não danificar os elementos da rede, no entanto devem-se levar em conta eventuais falhas no sistema. Por isso as instalações necessitam ser providas de dispositivos de proteção, que atuem automaticamente contra curto-circuito e contra sobre cargas, evitando danos nos equipamentos, condutores, terminais, também possíveis acidentes humanos e prejuízos financeiros. Os dispositivos de proteção são projetados para suportar a sua capacidade nominal de corrente ininterruptamente sem que provoque alterações no equipamento, e devem ser dimensionados de conforme a NBR (2004, pag. 67):

28 28 A capacidade de interrupção do dispositivo deve ser no mínimo igual à corrente de curto-circuito presumida no ponto onde for instalado. Só se admite um dispositivo com capacidade de interrupção inferior se houver, a montante, um outro dispositivo com a capacidade de interrupção necessária; neste caso, as características dos dois dispositivos devem ser coordenadas de tal forma que a energia que eles deixam passar não seja superior à que podem suportar, sem danos, o dispositivo situado a jusante e as linhas por eles protegidas Segundo Hélio Creder (1998) existem dois tipos mais comuns de dispositivos de proteção para instalações elétricas, os fusíveis, que são equipamentos condutores projetados por uma liga metálica dimensionada de tal forma que provoque sua fusão assim que ocorrer um aquecimento em função do efeito Joule, provocado por uma sobrecorrente, neste caso o circuito será desligado e fará necessária a troca do mesmo por um sobressalente. Os tipos mais comuns são o fusível de rolha, fusível de cartucho tipo faca e o fusível Diazed, figura 2.3. Figura 3 - Linha de Seccionadoras-Fusíveis Fonte: Catálogo Siemens Linha De Seccionadoras-Fusíveis 3np4 O outro equipamento é o disjuntor (figura 3) que ao detectar sobre intensidades (curtos-circuitos ou sobrecargas) interrompem a corrente de circulação, evitando danos aos elementos de rede, este sim podendo ser rearmado sem precisar de uma substituição. Ele funciona em dois sistemas distintos de proteção, o primeiro é a proteção térmica que atua contra correntes de sobrecargas, agindo de modo que se uma corrente for superior a corrente nominal, porém muito menor que a corrente de curto, num período determinado ele desarma devido a uma ação mecânica de suas laminas bimetalicas em reação ao aquecimento provocado, sendo possível em alguns disjuntores o controle desta temperatura de atuação. A outra proteção é a proteção magnética contra curto-circuito, conforme Niskier e Macintyre (1996, pag. 150) providos de bobinas de abertura que atuam mecanicamente, desligamento o

29 29 disjuntor quando a corrente é intensa e de curta duração (relés de máxima). Desarmam também quando corre um curto-circuito em uma ou nas três fases. Figura 4 - Disjuntores Fonte: Catalogo Siemens Linha 3vl E 3vt Dimensionamento de disjuntores de baixa tensão Proteção contra sobrecarga Para o projeto e dimensionamento de disjuntor conforme a NBR 5410(2004) impõe que seja obedecida duas condições simultâneas para que haja uma perfeita coordenação entre os condutores vivos de um circuito e os dispositivos que os protege contra sobrecarga e curto-circuito. As condições são as seguintes: 1ª condição: Ib IN IZ 2ª condição: Id 1,45 x IZ Sendo: Ib = corrente de projeto do circuito [A]; IN = corrente nominal do dispositivo de proteção [A]; IZ = capacidade de condução de corrente dos condutores vivos do circuito nas condições previstas para sua instalação, submetidos aos fatores de correção eventuais. Ou seja:

30 30 IZ = IZ x fator de correção de agrupamento x fator de correção de temperatura IZ = capacidade de condução de corrente dos condutores; I2 = valor de corrente que assegura o acionamento do dispositivo de proteção, sem que ocorra dano ao condutor, no limite de 45% de sobrecarga; Id = corrente de disparo térmico de disjuntores = 1,35 x IN Proteção contra curto circuito Conforme a NBR 5410, deve-se atender no caso da proteção contra curto circuito à capacidade de interrupção de corrente do disjuntor, ICN, seja no mínimo igual à corrente de curto circuito presumida no ponto de aplicação do dispositivo. Isto é: ICN ICC sendo: ICN = capacidade de interrupção de corrente do dispositivo de proteção [ka]; ICC = corrente de curto circuito presumida no ponto de instalação do dispositivo [ka] A ultima condição é que a proteção contra curto-circuito atue de forma que não atinja o limite térmico do condutor. 2.2 PROJETO DE SUPERVISÃO Um sistema de supervisão permite que o operador tenha conhecimento do estado geral de suas instalações, ou seja, possa em tempo real ter conhecimento de algum problema que possa gerar uma falha no sistema. Em um projeto de missão crítica, o sistema de supervisão é de grande auxilio na diminuição do tempo entre paradas (downtime), já que pode avisar o operador, de modo prévio, sobre um problema ocorrido e, em muitas vezes, garante que o problema possa ser sanado antes da interrupção total da alimentação elétrica da carga crítica. Para que seja realizado um sistema de supervisão para um projeto, primeiramente deve-se ter conhecimento de alguns itens que fazem composição deste sistema.

31 Projeto de arquitetura de rede A arquitetura de rede é projeto onde é apresentada toda a comunicação entre todos os equipamentos do projeto de energia que serão monitorados além dos equipamentos de automação necessários para adequação das diferentes formas de comunicação e, com isso, garantir o perfeito funcionamento do sistema de supervisão Equipamentos Para possibilitar a comunicação entre os equipamentos e o servidor do sistema de supervisão, além da infraestrutura de cabos, se faz necessário à utilização de um conversor do protocolo de comunicação utilizado para Ethernet. Como exemplo, podemos apresentar o conversor Modbus/Ethernet. Além destes conversores, também são utilizados módulo de I/O Modbus. Estes recebem o sinal de um contato seco, como exemplo um disjuntor, e converte para o protocolo Modbus. O Conversor Modbus/Ethernet converte as leituras dos equipamentos para o protocolo Ethernet, tornando mais fácil a comunicação com o servidor e também com unidades de monitoramento locais e/ou remotas. O Módulo de I/O Modbus, converte os sinais digitais vindos dos equipamentos (neste caso, contatos de sinalização dos disjuntores) para o protocolo Modbus, a fim de possibilitar o monitoramento destes sinais através do sistema de supervisão Modelos de comunicação Existem várias tecnologias relacionadas à comunicação, para começarmos a apresentação dos diferentes protocolos de comunicação utilizados em um projeto de

32 32 comunicação para um sistema de supervisão vamos inicialmente apresentar o conceito de LAN Rede Local Segundo Dantas (2002, pag. 15) LAN (Local Área Network) é uma rede local convencionalmente definida como uma rede com abrangências físicas de até poucos quilômetros, com alta taxa de transferência, baixa ocorrência de erros e sem roteamento da informação (o roteamento é caracterizado por um broadcast, o que significa dizer que todos os elementos ligados naquele segmento de LAN irão saber que uma informação foi enviada). Esta é a rede necessária para execução de um supervisório de um projeto de missão crítica, pois as informações vindas dos equipamentos irão para todas as interfaces (computadores) com os operadores. Segundo Tanenbaum (1997, pag. 19) No projeto das primeiras redes de computadores o hardware foi colocado como prioridade e o software e segundo plano. Essa estratégia foi deixada pra trás. Atualmente o software de rede está altamente estruturado. Pensando em um projeto de rede, as mesmas foram divididas em uma série de camadas que são colocadas uma em cima da outra. Segundo Tanenbaum (1997, pag. 19): O número, o nome, o conteúdo e a função de cada camada difere de uma rede para outra. Em todas as redes, no entanto, o objetivo de cada camada é oferecer determinados serviços para as camadas superiores, ocultando detalhes de implementação desses recursos. A camada n de uma máquina se comunica com a camada n da outra máquina. Coletivamente, as regras e convenções utilizadas usadas nesse diálogo são chamadas de protocolo de camada n. Basicamente um protocolo é um conjunto de regras sobre o modo como se dará a comunicação entre as partes envolvidas. Na realidade, os dados não são diretamente transferidos da camada n de uma máquina para a camada n da outra. Na verdade, cada camada transfere os dados e as informações de controle para a camada imediatamente abaixo dela, até a última camada ser alcançada. Abaixo da camada 1 esta o meio físico através do qual se dá a comunicação propriamente dita. Para apresentar como essa informação trafega entre as camadas, Tanenbaum (1997, pag. 19) diz que entre cada par de camadas adjacentes há uma interface. A interface define as operações e serviços que a camada inferior tem a oferecer para a camada superior a ela.

33 33 Com estas definições, podemos entender que as camadas de cada máquina não podem comunicar-se diretamente com as mesmas camadas de outra máquina. Elas necessitam que as camadas abaixo delas realizem o serviço de repassar a sua informação até a próxima camada. Isso acontece até a chegada ao meio físico, por onde essa informação trafega até a outra máquina onde o funcionamento é inverso até a chegada à camada desejada. Para Tanenbaum (1997, pag. 19) Um conjunto de camadas de protocolos é chamado de arquitetura de rede. Com o entendimento da arquitetura de rede, passaremos a apresentar um modelo de referência, o modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection). O modelo de referência OSI foi desenvolvido pela ISO (InternationalStandanrdsOrganization) para se realizar uma padronização dos protocolos utilizados, Figura 2.6. forma: A divisão do modelo OSI é mostrada por Tanenbaum (1997, pag. 32) da seguinte O modelo OSI tem sete camadas. Veja a seguir os princípios aplicados para se chegar às sete camadas. Uma camada deve ser criada onde houver a necessidade de outro grau de abstração. Cada camada deve executar uma função bem definida. A função de cada camada deve ser escolhida tendo em vista a definição de protocolos padronizados internacionalmente. Os limites de camada devem ser escolhidos para reduzir o fluxo de informações transportadas entre as interfaces. O número de camadas deve ser suficientemente grande para que funções distintas não precisem ser desnecessariamente colocadas na mesma camada e suficientemente pequeno para que a arquitetura não se torne difícil de controlar.

34 34 Figura 5 - Modelo de Referência OSI Fonte: Rede de Computadores (1997, p. 33) Segundo Torres (2001, pag. 42) As camadas do modelo OSI podem ser divididas em três grupos: aplicação, transporte e rede. As camadas de rede se preocupam com a transmissão e recepção de dados através de rede e, portanto, são camadas de baixo nível. Tabela 4 - Grupos de camadas do modelo OSI Camada Nome Grupo 7 6 Aplicação Apresentação Aplicação

35 35 5 Sessão 4 Transporte Transporte 3 Rede 2 Links de Dados Rede 1 Física Com o conhecimento da divisão do modelo OSI, agora serão apresentadas as definições e funcionalidades das sete camadas deste modelo Camada de Aplicação Segundo Torres (2001, pag. 43) A camada de aplicação faz a interface entre o protocolo de comunicação e o aplicativo que pediu ou receberá informação através da rede. Esta camada esta diretamente ligada ao usuário Camada de Apresentação Esta camada é a responsável por transformar a informação repassada pela camada sete em um formato que possa ser entendido pelo protocolo usado. Para Torres (2001, pag. 44): Camada de Sessão Pode ter outros usos, como compressão de dados e criptografia. A compressão de dados pega os dados recebidos da camada sete e os comprime (como se fosse um compactador comumente encontrado em PC s, como Zip ou Arj) e a camada seis do dispositivo receptor fica responsável por descompactar esses dados. A transmissão dos dados torna-se mais rápida, já que haverá menos dados a serem transmitidos: os dados recebidos da camada sete foram encolhidos e enviados a camada cinco. Para aumentar a segurança, pode-se usar algum esquema de criptografia neste nível, sendo que os dados só serão decodificados na camada seis do dispositivo receptor. Segundo Torres (2001, pag. 44) A camada de Sessão permite que duas aplicações em computadores diferentes estabeleçam uma sessão de comunicação. Nesta sessão, essas aplicações definem como será feita a transmissão de dados e coloca marcações nos dados que estão sendo transmitidos. Neste caso, assim que esta sessão de comunicação se estabelece, caso ocorra uma interrupção na transmissão, assim que o funcionamento se normalizar a transmissão continua de onde parou.

36 Camada de transporte Um modelo de LAN que pode ser utilizado é o modelo Ethernet que foi implementado pelas empresas Digital, Intel e Xerox Ethernet A descrição para a rede Ethernet é feita por Dantas (2002, pag. 18): Ethernet: rede local em barra. Este tipo de rede implementa um protocolo de acesso ao meio (MAC Medium Access Control) com contenção, o que pode ser traduzido como a não existência de um determinismo de acesso ao meio. Em outras palavras, quando um computador quer transmitir, este escuta o meio e verifica se está vazio (um meio no caso do Ethernet, pode ser um cabo coaxial, e estar vazio é não ter computadores trocando mensagens). Em caso de o meio estar vazio, começa sua transmissão. Segundo Torres (2001, pag. 276) o papel do Ethernet é, portanto, pegar os dados entregues pelos protocolos de alto nível e inseri-los dentro de quadros que serão enviados através da rede. O Ethernet define também como fisicamente esses dados serão transmitidos. Com essa afirmação, podemos nos basear que o Ethernet trabalha nas três primeiras camadas do modelo OSI (o modelo pode ser trocado de acordo com o protocolo que estiver sendo utilizado). A descrição destas camadas é apresentada por Torres (2001, pag. 277): As três camadas da arquitetura Ethernet possuem as seguintes funções: Controle do link lógico (LLC, IEEE 802.2): Inclui informações do protocolo de alto nível que entregou o pacote de dados a ser transmitido. Com isso, a máquina receptora tem como saber qual protocolo de alto nível ela deve entregar os dados de um quadro que ela acabou de receber. Controle de Acesso ao Meio (MAC, IEEE 802.3): Monta o quadro de dados a ser transmitido pela camada física, incluindo cabeçalhos próprios dessa camada aos dados recebidos da camada de controle do link lógico. Física: Transmite os quadros entregues pela camada de controle de Acesso ao Meio usando método CSMA/CD (Carrier SenseMultiple Access withcollisiondetection). Define como os dados são transmitidos através do cabeamento da rede e também o formato dos conectores usados na placa de rede. Para realizar a transmissão de dados, os mesmos devem ser codificados (modulados) para que o receptor não tenha problema em separar os dados recebidos. taxa de transmissão: Torres (2001, pag. 281) apresenta as diferentes codificações utilizadas para cada

37 37 10 Mbps (Ethernet Padrão): é usada a codificação Manchester. 100Mbps (Fast Ethernet): é utilizada uma codificação chamada 4B/5B. 1Gbps (Gigabite Ethernet): Usa uma codificação chamada 4D-PAM Normas de comunicação de dados Segundo Cunha (2000, pag. 32) Os meios de comunicação entre os equipamentos na rede industrial, são geralmente os meios seriais, ou seja, os padrões de RS (Recommended Standard). Esses padrões surgiramem meados de 1962, pela necessidade de se interligar dois ou mais pontos em uma rede de computadores. Sua especificação foi criada pela EletronicsIndustryAssociation (EIA), e definiu-se como sendo RS as siglas que a designariam. As redes lidam com equipamentos de diferentes fabricantes e com diferentes taxas de transmissão além de ter seus equipamentos em diferentes distâncias. Para compatibilizar estas diferenças a EIA produz normas para o RS485, RS422, RS232 e RS423, que lidam com comunicação de dados. Existem dois tipos diferentes de padrões Seriais, os do tipo Single Ended Data Transmission e o Differential Data Transmission. Cunha (2000, pag. 32) apresenta da seguinte forma os dois modelos: O Single Ended é caracterizado pela comunicação de uma ponta a outra, ou seja, em uma rede com um mestre e n escravos, deve sair do dispositivo mestre um cabo para cada escravo. Outro detalhe deste modelo, é que os dados são representados e nível de voltagem em relação a um terra comum. Este sistema torna a rede serial lenta, aproximadamente 20kbits/s (Kilobit por segundo) de transmissão e a curtas distâncias de aproximadamente 15 metros sem necessitar de um repetidor. O modelo Differential Data Transmition,oferece uma alta taxa de transmissão, aproximadamente 100 kbits/s e longas distâncias, chegando a 1200 metros. Usa-se uma linha diferenciada, o que implica que o dado é representado pela corrente e não pela voltagem como o modelo Single Ended. O Differential possibilita, pela sua estrutura, uma conexão multi-ponto, onde se pode ter uma conexão de um mestre e vários escravos compartilhando o mesmo meio Padrão RS-232 Este padrão utiliza o modelo Single Ended, ou seja, limita-se a uma taxa de transmissão pequena e transmite a pequenas distâncias. Conforme apresenta Dantas (2002,

38 38 pag. 63) O padrão RS232, como um todo, engloba as áreas das características mecânicas da interface, os sinais elétricos através da interface, a função de cada sinal e um subconjunto de sinais. O modelo mais popular deste padrão é o RS-232C, mas existem os padrões D e E. A tensão que é utilizada para representar os sinais lógicos também são apresentados por Dantas (2002, pag. 63) O padrão RS-232 estabelece que a voltagem negativa maior que-3v significa um sinal binário 1 (ou marca), e que um sinal de voltagem positiva maior que +4V é interpretado como 0 (ou espaço) Padrão RS-422A Este padrão chega a altas taxas de transmissão. Segundo Dantas (2002, pag. 65): Este padrão emprega dois fios separados para cada sinal. Esta técnica, conhecida como transmissão balanceada, dobra o número de fios num determinado cabo e minimiza o efeito da variação de diferença de potencial por não usar um sinal de terra comum. A razão da pequena variação de potencial é explicada pela falta de uso do sinal de terra comum na interface RS-422A. Outra diferença entre o padrão RS- 232 e o RS-422A é a representação entre os sinais marca (ou 1) e o espaço (ou 0). Por causa da falta de sinalização de terra comum, a interface permite que seja menor a região de representação entre os 0s e 1s. Na RS-422A, a diferença é de apenas 0,4V (entre -0,2V e + 0,2V). A taxa de transmissão neste padrão pode atingir 2Mbps, utilizando-se cabos de até 60 metros Padrão RS-423A Este padrão também trabalha com pequenas taxas de transmissão da mesma maneira que o padrão RS-232 empregando fio de retorno de terra para os sinais em uma direção. Ele utiliza o modelo single Ended. Segundo Dantas (2002, pag. 63) Esta técnica de transmissão é chamada de transmissão desbalanceada. Quanto à representação dos sinais binários, o 0 é interpretado quando numa variação de +4V ocorrer, e o sinal binário 1 é compreendido para uma voltagem inferior a -4V. A diferenção de potencail é de 8V Padrão RS-449 Segundo Dantas (2002, pag. 63) O padrão RS-449 é a especificação funcional da interface. A intenção desta especificação é ser mais completa, assim podemos dizer que é um substitutivo para o RS-232. Ele adiciona vários circuitos não existentes no antigo Padrão"

39 Padrão RS-485 Segundo Cunha (2000, pag. 33): A RS485 diferencia-se dos demais modelos, por utilizar um ou dois pares de fios para transmissão de dados. Tem isolamento óptico, e trabalha a taxas de transmissão de 10 Mbps e aproximadamente 1200 metros de distância, sem amplificação do sinal. Permite a conexão multi-ponto, suportando até 32 equipamentos na rede, ou seja, um mestre e 31 escravos. Utiliza o modelo Differential para transmissão Estrutura de comunicação Apresentando a forma de comunicação dos equipamentos, pode-se dizer que a camada de enlace, responsável pelo mecanismo de entrega de pacotes, segundo modelo OSI, é normalmente aplicada como uma estrutura origem/destino ou mestre escravo. Nesta estrutura, os nós são identificados de forma individual, para que o equipamento mestre da rede consiga envia os dados para um nó específico. Com isso, ele pode enviar a mensagem ao nó da rede e esperar pelo retorno da mesma. Segundo Moraes (2000), o mestre tem quatro atividades na rede: a) assegurar a troca de informação entre os escravos. Como os escravos não podem se comunicar entre si, o mestre irá coordenar o tráfego de informações; b) assegurar a troca de informações entre homem/máquina, com uma interface gráfica para a entrada e saída de informações, visualizando assim o processo que se deseja controlar; c) assegurar o diálogo com os demais mestres da rede, ou mestres de outras redes; d) assegurar a passagem de parâmetros de programação para os escravos a fim de obter-se maior agilidade e menor perda no processo automatizado. Existe outra estrutura, o modo difusão, mas para este trabalho a estrutura aplicada é a do modelo apresentado. Para cada estrutura existe uma forma de implementação. Em topologias de redes, existem dois tipos básicos: ligação ponto-a-ponto e multiponto. Combinando-se os dois tipos básicos formam-se redes mais complexas, as chamadas estruturas mistas. Essas topologias são apresentadas Abaixo: Ponto-a-ponto

40 40 Nesta rede, uma linha única conecta o nó central a um equipamento de comunicação de entrada e saída. Quando um nó quiser transmitir, a linha estará livre, já que não existe compartilhamento com outro nó do canal. Para esta implementação, o hardware aplicado ao mestre não necessita de grande sofisticação Multi-ponto Nesta rede existe sempre uma estação controladora que coordena o tráfico de dados das demais estações chamadas secundárias. Este controle é feito através de uma rotina de atendimento, ou multiplexando-se o canal de comunicação. Estas redes permitem que estações secundárias consigam se comunicar entre si diretamente ou apenas através da estação controladora Estrutura Mista Esta utiliza os dois modelos anteriores de forma unificada. As estruturas mistas podem ser do tipo Estrela, Barra, Hierárquica, Anel e Distribuídas Protocolo de comunicação Modbus Para Tanenbaum (1994), Protocolos são conjuntos de regras e convenções para conversação. Essas regras definem a comunicação entre equipamentos, sejam eles computadores, máquinas ou computadores e máquinas. São os protocolos que definem as sintaxes de como os equipamentos irão ordenar os dados para que esses possam ser entendidos por ambos os lados. Segundo Rozas (2004): Modbus é um protocolo de transmissão de mensagens entre dispositivos e supervisórios que permite o tráfego de dados em diversos tipos de redes de comunicação: RS232, RS485, TCP/IP sobre Ethernet, etc. O protocolo Modbus tornou-se padrão de comunicação entre os equipamentos e supervisórios industriais. Desenvolvido na década de 70, continua viabilizando a comunicação entre vários equipamentos. Uma mesma transmissão pode utilizar diferentes meios de transmissão.

41 41 Como o Modbus é uma linguagem informática sem depender do material, ele permite a troca de informações entre equipamentos de natureza e construtores diferentes. Segundo Cunha (2000, pag. 33): Outra definição para o Modbus a nível de controladores, é que ele provê o padrão interno que os controladores usam para analisar gramaticalmente as mensagens. É o Modbus, que possibilita a um controlador que o mesmo reconheça uma mensagem se dirigida a ele, determine o tipo de ação a ser efetuada, e extraia os dados contidos na mensagem. Se uma resposta é requerida, o controlador construirá a mensagem de resposta e enviará a mesma usando o protocolo Modbus Funcionamento O supervisório permite monitorar os status e informações dos equipamentos através da rede de comunicação. O sistema de supervisão se comunica com os elementos da rede utilizando os padrões Ethernet e Modbus. Para que possa ser feita essa comunicação, é necessário utilizar um driver Modbus padrão, fornecido pelo próprio desenvolvedor do software. Este Driver é configurado para se comunicar com os endereços IPs do conjunto de hardware, a fim de fazer a leitura dos dados dos equipamentos. Após configurado o driver de comunicação, basta associar os endereços de monitoramento desejados aos itens no supervisório e montar as telas de exibição.

42 42 3 SITES DE MISSÃO CRÍTICA 3.1 CLASSIFICAÇÃO DE SITES COM CARGA CRÍTICA Conforme a Norma TIA 942/2006 quando temos um projeto de Missão crítica, onde poucos minutos de inatividade podem ocasionar um grande problema de valor de mercado para uma empresa, o projeto deve ser realizado para que, dentro do solicitado, o mesmo tenha a maior disponibilidade possível, ou seja, que dentro dos custos em que a empresa possa disponibilizar, o projeto tenha a menor preposição de ocasionar falhas durante sua atividade. Para realizar a classificação destas cargas, é utilizado o MTBF (tempo médio entre falhas). Para que se consiga chegar o mais próximos do da meta de confiabilidade, o MTBF deve ser compreendido da forma mais sucinta possível. Ao falarmos de cálculo de MTBF, primeiramente devemos entender o conceito de falha e hipóteses. Para começar, podemos definir falha de duas formas distintas: Quando um conjunto não pode realizar sua função; Quando um componente individual, dentro de um conjunto, não consegue realizar sua função, mas não afeta diretamente o funcionamento do conjunto. Mesmo tendo essas definições de falha, é extremamente complicado conseguir com exatidão a definição de falha dentro das inúmeras possibilidades. Por exemplo, podem existir várias hipóteses não avaliadas pelo projetista em relação a falhas inerentes ao meio onde se encontram os equipamentos do projeto. Também pode acontecer o mau uso dos equipamentos por parte do pessoal de manutenção da SE. Essas questões, são elementos básicos dentro das tomadas de decisões na área de confiabilidade. As hipóteses ajudam muito a simplificar o processo de cálculo do MTBF, entretanto, seria praticamente impossível verificar todas as possibilidades ao redor deste cálculo. Mas existem alguns pontos que sempre são avaliados. Abaixo eles são apresentados: Confiabilidade

43 43 É a probabilidade de um componente/sistema de realizar sua função dentro do período pré-determinado de forma satisfatória, sem nenhum problema. A palavra confiabilidade vem do radical fiabilidade que significa (definição sistêmica): a capacidade de uma pessoa ou sistema de realizar e manter seu funcionamento em circunstâncias de rotina, bem como em circunstâncias hostis e inesperadas. Disponibilidade Para utilização dentro dos projetos de Missão crítica, a disponibilidade é um valor estatístico, uma relação entre valores. Para podermos calcular a disponibilidade, primeiramente será apresentado o termo MTTR, que é tempo médio em que um componente ou sistema em pane leva para ser diagnosticado e reparado. Ou seja, o tempo entre uma falha ocorrer e ser reparada, voltando o componente ou sistema às suas condições normais de operação. Este parâmetro é tão ou mais importante em um sistema de missão crítica, pois em sistemas em que há redundância um componente pode falhar sem que esta falha ocasione o desligamento da carga. Entretanto, se esta falha não é rapidamente solucionada, aumenta-se a probabilidade de que o equipamento que permaneceu operando também falhe, derrubando a carga crítica. Com estes termos apresentados, podemos voltar ao cálculo da disponibilidade, que deve ser a relação entre confiabilidade divida pela soma da confiabilidade mais tempo de reparo em caso de falhas multiplicado 100, equação (3.1): (3.1) Conforme pode ser verificado na relação, o valor da disponibilidade nunca será igual a 100, ou seja, quanto mais próximo de 100, melhor será a disponibilidade do seu sistema. Para relações em projetos de missão crítica, o objetivo é alcançar o maior número de noves após a vírgula (mais próximo do 100). Os valores de disponibilidade de um sistema, levam em conta os valores de MTBF e MTTR de cada equipamento individualmente, ou seja, cada equipamento tem um valor que já é definido e apresentado pelo seu fabricante, que detém esta informação através de ensaios. Com a análise do cálculo, apresentamos as diferentes classificações de acordo com o cálculo de disponibilidade para projetos de missão crítica. De acordo com a norma

44 44 TIA-942,quatro itens devem ser avaliados para um projeto de missão critica (neste caso, especificamente para Data Centers), são eles: Arquitetura; Comunicação; Elétrica; Mecânica. Os projetos das áreas apresentadas devem ser realizados de forma bem agregadas para obter o melhor resultado possível para o projeto. No caso deste trabalho, iremos avaliar somente o relevante para a parte de alimentação elétrica, que é o foco do mesmo. A norma TIA-942 apresenta diferentes topologias para classificar um projeto de energia. Esta classificação é composta de quatro níveis (Tiers) distintos por sua vulnerabilidade a falhas: o TIER 1 Projeto básico; o TIER 2 Projeto com componentes redundantes; o TIER 3 Projeto que permita manutenção sem parada; o TIER 4 Projeto tolerante a falhas TIER 1 Projeto básico Para esta classe de projetos é previsto um nível básico de alimentação elétrica para disponibilização a carga, com pequena ou nenhuma redundância. Neste nível, uma falha ou uma manutenção pode ocasionar parada parcial ou total das operações do site. Não há necessidade de redundância na alimentação de entrada. Seus principais pontos de falhas serão mostrados a seguir: Falha da alimentação da concessionária; Falha de qualquer equipamento de alimentação dentro do site.

45 45 Este nível de projeto é suscetível à interrupção das atividades planejadas. Permite até 28,8 horas anuais de parada (downtime) TIER 2 Projetos com componentes redundantes Para esta classe de projetos é previsto módulos UPS redundantes para N+1 (dupla redundância). Também deve ser provido grupo motor gerados para alimentação de toda a carga crítica do site, mesmo não sendo necessário redundância de grupos. Seus principais pontos de falhas são mostrados a seguir: Falha no grupo motor gerador posterior a uma falha da rede pode acarretar em parada das atividades do site. Permitido até 22,0 horas anuais de parada (downtime) TIER 3 Projeto que permita manutenção sem parada (Autossustentado) Para esta classe de projetos deve-se prever uma solução de redundância para os elementos ativos críticos (equipamentos que realizam alimentação a carga crítica). Com isso, qualquer parada (desligamento) de um equipamento, não irá influenciar na alimentação da carga, pois existe redundância deste equipamento a ser parado. Permitido até 1,6 horas anuais de parada (downtime).

46 TIER 4 Projeto tolerante a falhas Para esta classe de projetos deve-se prever uma disponibilidade elétrica com uma configuração 2 (N+1), ou seja, além da redundância em relação à carga, o projeto ainda tem que prever uma redundância em relação a este equipamento. A alimentação de entrada deve ser dupla e advindas de fontes diferentes para que, no caso de um problema em uma fonte externa de geração, a outra fonte ainda possa alimentar o site. Para cada fonte de arcondicionado da estrutura, deve-se prever dupla alimentação. Seus principais pontos de falhas são mostrados a seguir: Caso não seja implementado uma fonte externa de alimentação dupla advinda de locais diferentes, pode ser perdida a primeira e o sistema pode entrar em colapso assim como nas estruturas de TIER 3. Permitido até 0,4 horas anuais de parada (downtime). cada topologia: A tabela 5 abaixo resume a divisão da classificação com a data de surgimento de Tabela 5 - Classificação dos TIER s Ano de surgimento Downtime (h/ano) Uptime (%) TIER ,8 99,671 TIER ,0 99,749 TIER ,6 99,982 TIER ,4 99,995 Fonte: Norma TIA 942

47 47 4 EQUIPAMENTOS QUE COMPÕEM PROJETOS DE MISSÃO CRÍTICA Em uma subestação voltada para o atendimento às cargas criticas, deve-se projetar e escolher os equipamentos de forma a reduzir o máximo às falhas. Para isso o circuito necessita ter proteções redundantes, e a escolha correta dos equipamentos é fundamental para um projeto confiável. Neste capitulo serão apresentados os principais equipamentos que compõe uma subestação para atendimento às cargas criticas e suas principais características. 4.1 UPS Conforme Power tópico da Power Generation (#6014). A sigla UPS vem de Sistema de Alimentação Ininterrupta, é um sistema de alimentação secundário ligado à carga que entra em atividade assim que a alimentação principal sofrer alguma possível falha. Este sistema fornece uma energia elétrica sem interrupções e com uma alta confiabilidade e qualidade, além de filtrar diversas falhas apresentadas nos sistema elétrico, apresentando assim uma energia de ótima qualidade. Outro grande motivo da utilização da UPS para sistemas que atendem às cargas criticas é que em sua maioria a fonte secundaria ou de backup são grupos geradores, que no momento de uma falha necessitam de um período entre a falha do sistema e o seu acionamento, e este período de transição pode ter grande impacto a este tipo de estruturas, sendo assim a UPS é indispensável em sistemas de segurança. 4.2 GRUPO MOTOR GERADOR (GMG) Equipamento usado em grande escala nas subestações para atendimento à carga critica, o grupo motor gerador tem a função de substituir a energia fornecida pela concessionária no caso de uma falha ou como uma alternativa para altos custos de tarifação. Devido a sua grande importância em sistemas elétricos, o grupo motor gerador necessita ser selecionados de acordo com o projeto para que ofereça uma energia de qualidade e confiável. A classificação dos GMG, conforme manual nº T030G (Ver. Dez 2011 Power Generation) vem de acordo com tipo e a classe de geração do equipamento conforme tabela 6:

48 Tipo de Sistema 48 Tabela 6 - Classificação e Tipo de Sistema Classificação do Grupo Gerador Standby Prime Continua Emergência Energia Prime Carga Básica Standby legalmente exigidos Corte de Pico Co-Geração Standby Opcional Redução de Custos Tipos de Sistemas Sistemas de Emergência São sistemas nos quais suas instalações são obrigadas por leis de órgãos públicos, devendo ser seguidas as normas exigidas pelos departamentos de segurança publica. Em grande parte dos casos este sistema tem como função o fornecimento de energia elétrica para atender a três casos específicos. Evitar que energia para sistemas que dão suporte a vida, evacuação de emergência e para evitar a perda de sistemas críticos de telecomunicação em serviço de segurança publica. Na sua maioria as normas técnicas exigem as características e a carga necessária para este sistema Sistemas de Energia Standby exigidos por lei Também obrigados por lei de segurança de órgãos de segurança publica este tipo de sistema característico para atender a iluminação por curto espaço de tempo e energia para alguma possível emergência como incêndio. Por meio de especificações técnicas normativas são definidos as características dos equipamentos

49 Sistemas de Energia Standby Opcionais Sistemas utilizados em locais em que a segurança não é um fator de suma importância, porém a descontinuidade de energia poderá ter impacto financeiro. É o tipo de sistema que são instalados em sua grande parte em edifícios comerciais/industriais, centro de processamento de dados e em áreas agrícolas Energia Prime São sistemas que não são conectados e não utilizam a energia proveniente das empresas distribuidoras por não serem atendidas. Nestes casos o layout mínimo para a subestação são dois grupos geradores com uma chave comutadora para transferir a energia das cargas conectadas ao sistema. Com este tipo de arranjo normalmente um gerador fica em uso enquanto o outro fica de reserva para alguma eventual falha ou para uma manutenção. No entanto neste arranjo também pode se fazer a alternância entre os GMG utilizando um temporizador na chave comutadora dividindo assim o trabalho das maquinas Operação durante picos de consumo de energia Neste sistema é possível à utilização da energia local para atender a demanda durante os picos de consumo, este sempre com o intuito de economizar custos. Para este tipo de arranjo é necessário um controladora para que possa dar partida e acione o GMG no momento em que estiver próximo ao pico de consumo Redução de Custos Nestes sistemas o consumidor faz um contrato com a distribuidora de energia elétrica, para a utilização de uma carga especifica e em períodos de tempo especificados pela concessionária a fim de conseguir um preço reduzido em suas tarifas. E no restante do tempo é utilizada a energia local.

50 Carga básica contínua Neste tipo de sistema utilizam da energia proveniente apenas localmente. Muito comum à utilização destes tipos de instalações em são utilizadas por empresas de distribuição de energia elétrica ou estão sob seu controle Co-geração de energia Basicamente este sistema utiliza a energia produzida pelos seus geradores, entretanto aproveita o calor que é expelido pelo escapamento, é utiliza para aquecimento do ambiente ou convertido novamente em eletricidade, reduzindo o desperdício de energia elétrica Classificação dos Geradores (Potência) Classificação Energia Standby Conforme manual nº T030G (Ver. Dez 2011 Power Generation) neste tipo de classe não se admite nenhum valor de sobrecarga sustentada de acordo com as normas ISO3046, AS2789, DIN6271 e BS5514. Estas instalações são utilizadas para sistemas que possuem uma fonte de energia continuada com cargas variáveis, servindo apenas de backup para situações de emergência. Estas instalações devem possuir cargas com fator médio de consumo de 80% da classificação Standby num período Maximo de 200 horas de funcionamento a cada ano, ou no tempo Maximo de 25 horas por ano com a carga a 100% da sua classificação Standby, caso exceda algum destes tempos de utilização, deve-se utilizar a classificação Energia Prime ou Carga Básica, também quando necessite operar sustentada em paralelo com a fonte usual de energia. Gráfico na figura 5.

51 51 Figura 5 - Classificação Energia Standby Fonte: Manual nº T030G (Ver. Dez 2011 Power Generation) Classificação Energia Prime Esta classe é definida pelo tempo em que existe a troca da utilização da carga local, pela carga fornecida pela distribuidora. O total de horas em operação permitido nesta classe funciona da seguinte maneira. Aplicações com cargas variáveis seu uso não possui restrições de tempo, no entanto em cargas constantes deve seguir as normas conforme ISO8528, ISO3046, AS2789, DIN6271 e BS5514. Dentro da Classificação Prime temos dois subgrupos, tempo ilimitado de funcionamento, que é quando o grupo gerador está disponível para operação em carga variáveis em horas ilimitadas. Em aplicações com carga variável, o fator de carga médio não deve exceder 70% da Classificação de Energia Prime. Uma capacidade de sobrecarga de 10%, é admissível, por um período máximo de 1 hora para cada de um período de 12 horas de operação, porém, não deverá exceder 25 horas ao ano. O tempo total de operação na classificação Energia Prime não deve exceder 500 horas por ano. Outro subgrupo é a Energia Prime com tempo de funcionamento limitado, neste caso o Grupo gerador terá disponibilidade por um número limitado de horas de operação, ao ano, em aplicações com carga constante. Gráfico na figura 6 e 7.

52 52 Figura 6 - Energia Prime, funcionamento por tempo ilimitado Fonte: manual nº T030G (Ver. Dez 2011 Power Generation) Figura 7 - Energia Prime, funcionamento por tempo limitado Fonte: manual nº T030G (Ver. Dez 2011 Power Generation)

53 Classificação Energia de Carga Básica (Continua) Está classificação se dá enquadra quando existe o fornecimento continuo da energia elétrica, para cargas em até 100% de sua classificação básica, em um numero ilimitado de horas. Gráfico na figura 8. Figura 8 - Classificação Energia de Carga Básica Fonte: manual nº T030G (Ver. Dez 2011 Power Generation) Classificação quanto ao Combustível Uma escolha que tem muita importância na escolha de um GMG é o tipo de combustível de queima, eles podem ser do tipo gás natural, diesel ou GLP. Abaixo as características dos combustíveis para a escolha adequada no projeto Diesel O combustível diesel é recomendado para aplicações de emergência e standby. Para obter um bom desempenho de partida e maximizar a vida útil do motor. Deve-se ser dimensionado um local para armazenar o combustível e este não deve ser utilizado após um período de 2 anos, como também pode ser necessário à utilização de um antibactericida para evitar o aparecimento de micro-organismos no combustível, podendo afetar o funcionamento do equipamento pois pode obstruir os filtros do motor.

54 Bio diesel Um combustível alternativo, proveniente de uma quantidade grande de compostos como óleos vegetais, animais e de cozinha. Quando utilizados em motores dieseis, este tipo de combustível tem um ótimo desempenho, reduzindo as emissões de fumaça, aumento da potencia e redução no consumo GLP Uma opção para consumidores que estejam próximos a locais com disponibilidade deste tipo de combustível, pode ter vantagem econômica dependendo das tarifações impostas Escolha do equipamento GMG Após conhecimento prévio das características necessárias para dimensionar o equipamento os fabricantes disponibilizam folhas de dados para que possa chegar ao modelo adequado do equipamento. Conforme figura 9.

55 55 Figura 9 - Folha de dados para Grupo Motor Gerado Fonte: Empresa Power Generation 4.3 CHAVE ESTÁTICA DE TRANSFERÊNCIA AUTOMÁTICA Conforme o manual Power Generation Thomas (2008) a chave estática de transferência automática é um equipamento de grande importância em subestações para atendimento a cargas criticas, onde sua principal função é fazer a troca entre as fontes supridoras de energia sem que seja percebido pelos equipamentos consumidores. No caso de

56 56 fontes sincronizadas a velocidade de troca é em media 4ms, sendo um tempo adequado para subestações onde precisam de confiabilidade do sistema. Já para fontes assíncronas, este intervalo de comutação ocorre em um intervalo muito superior, por este motivo excluísse o uso para instalações que necessitem de uma troca imperceptível pelo sistema, ou seja, não atendem a subestações de sistema de energia seguro. O funcionamento deste equipamento se resume da seguinte maneira, fontes síncronas alimentam a carga por um único ramo (Conforme figura 10), e são definidas por uma hierarquia no circuito a fonte principal e a fonte de emergência. No caso de uma falta ou qualquer outro evento, que afete a frequência ou a tensão do circuito a fonte principal sai de funcionamento e a de emergência é ativada. Figura 10 - Fontes sendo comutadas por ATS Existem algumas características para escolha das chaves de transferência estáticas que devem ser definidas na hora do projeto como as normas brasileiras a serem seguidas. São elas UL1008(Transfer Switch Equipament) e a IEC que definem a construção, desempenho, ensaios de produção e fabricação, como os procedimentos de instalação das chaves. Outro item que deve ser conhecido durante a construção do projeto são os tipos de ATS disponíveis no mercado e suas características particulares: Transferência por transição aberta (ideal para aplicações de emergência) Transferência por transição temporizada (ideal para cargas indutivas, como No-breaks e inversores de frequência) Transferência por transição fechada (ideal para exigências críticas de instalação, como hospitais e Datacenters)

57 57 Transferência By-Pass (ideal para exigências críticas de instalação e manutenção, como hospitais e Datacenters) 4.4 UNIDADE RETIFICADORA Conforme manual TELEBRAS , este equipamento tem a função de converte à alimentação de entrada que é alternada, esta podendo vir da rede da distribuidora de energia ou de uma fonte alternativa como um grupo gerador, em energia continua. Podendo alimentar bancos de baterias que servem como backup para uma eventual falha na rede elétrica, ou alimentar a carga diretamente. As unidades retificadoras são agrupadas com as seguintes características, podendo ser monofásicas ou trifásicas, tensões 127 ou 220 VCA, e corrente de saída de +24cc ou -48cc. Para um projeto, o dimensionamento de um retificador deve seguir o seguinte a seguinte característica, a capacidade (carga) que o inversor acionará, na instalação, é indicado pelos fabricantes que se tenha uma capacidade de corrente idêntica ou maior que a corrente nominal do motor, e que a tensão do inversor e do motor seja.

58 58 5 ELABORAÇÃO DE PROJETO DE MISSÃO CRÍTICA características: Nesse trabalho será realizado um projeto de missão crítica com as seguintes Classificação de TIER 2; Potência crítica de 20kVA; Potência das cargas não críticas de 15kVA. 5.1 ELABORAÇÃO PROJETO ELÉTRICO Para realização do projeto elétrico de missão crítica, deve-se atentar-se a potência da carga crítica a ser atendida e a potência de carga não crítica. A soma destas cargas será a potência utilizada para o cálculo de equipamentos de alimentação geral, como transformador e GMG. A potência crítica ainda será relevante na definição dos equipamentos de alimentação exclusiva, como UPS s e Chaves estáticas. Também se deve verificar a classificação do site, neste caso o site é TIER 2. Por este motivo o projeto deve ter um GMG no mínimo e também deve ter redundância de UPS s. No projeto deste trabalho, foram tomadas como base as potências de 20kVA para carga crítica e de 15kVA para cargas não críticas, totalizando uma potência de 35kVA para o site. Com posse deste dado de potência, foi verificado no mercado equipamentos que pudessem ser utilizados na composição deste projeto. Além disso, deve-se verificar a classificação do site, neste caso o site é TIER 2. Por este motivo o projeto deve ter um GMG no mínimo e também deve ter redundância de UPS s Escolha dos equipamentos Com base na potência total do site, foi pesquisado no mercado um equipamento transformador que atendesse a mesma. Neste caso foi escolhido um transformador da empresa

59 59 WEG com as seguintes características: Potência 45kVA; Instalação em poste; Relação de transformação de13,8kv para 0,38kV; Frequência de 60Hz. anexo 1. O projeto com as características completas deste equipamento estão descritos no Também de acordo com este dado de potência, foi pesquisado no mercado um Grupo Motor Gerador (GMG) com as características para atende o projeto. Neste caso foi escolhido um GMG com carenagem (para utilização em ambiente externo) de fornecimento da empresa Stemacdo modelo D229-4, que detêm as seguintes características: Potência Stand-by de 55kVA; Potência Prime de 45kVA; Tensão de geração 380/220V; Quadro de comando automático com saída de comunicação no padrão do protocolo Modbus. Este equipamento foi escolhido também por ter sua IHM compatível com acréscimo de um CLP, que poderia ser utilizado na concepção de projeto de supervisão e gerenciamento. As características completas do equipamento podem ser verificadas no anexo 02. O próximo equipamento a ser escolhido é a UPS. Esta deve ser escolhida não somente pela potência de fornecimento, mas também pela sua tecnologia de construção e o modelo de alimentação oriunda da mesma, não deixando de se atentar nos valores de MTBF e MTTR. Neste projeto, foi escolhida uma UPS de fornecimento da empresa Leistung do modelo modular, ou seja, com capacidade de ampliação da alimentação da mesma. Esta tecnologia agrega várias UPS s dentro de um módulo de fornecimento de energia, ou seja, pode-se ir agregando UPS s no gabinete de fornecimento até o limite físico do mesmo. Além

60 60 disso, este equipamento trabalha com sincronismo na fase das alimentações de saída, detalhe crucial na utilização de uma Chave estática para alteração da alimentação da carga crítica com um sistema paralelo redundante (duas linhas de alimentação que podem ser escolhidas e/ou alteradas pelo operador na CHE). A seguir são apresentadas as principais características do equipamento escolhido: Tensão de entrada: 380V; Potência por módulo UPS: 20kVA; Capacidade máxima: 4 módulos; Potência máxima: 80kVA; Frequência de saída: 60Hz; Dupla conversão; Sistema True on-line (alimentação de saída sempre passando pelo sistema da UPS); Uma IHM por módulo; Comunicação do módulo através de porta USB, porta serial RS 432 (ou RS 485). As características do equipamento, assim como os cálculos do banco de baterias, podem ser verificadas no anexo 03. Para que seja finalizada a parte de escolha dos equipamentos, deve-se realizar a escolha da Chave estática de Transferência Automática (CHE) que receberá as alimentações oriundas das UPS s. Neste projeto, foi escolhida a CHE da marca APC modelo MGE Upsilon STS 60A. Este equipamento foi escolhido por atender as características de distribuição para a carga e por atender as características de velocidade em mudança de linha de alimentação, pois, no caso de mudança de linha de alimentação, a carga crítica não pode receber nenhuma alteração de rede. Abaixo as principais características do equipamento escolhido: Tensão de alimentação: 380V; Corrente de alimentação: até 60A; Frequência: 50 ou 60Hz com erro de 10%; Tempo de transferência: 5ms (típico); Comunicação no padrão do projeto.

61 61 As características completas do equipamento podem ser verificadas no anexo Arquitetura do diagrama unifilar Com os dados de potência e com os equipamentos devidamente conhecidos, podemos agora realizar o projeto do diagrama Unifilar. Neste deve-se apresentar a arquitetura das alimentações elétricas e os devidos encaminhamentos entre os equipamentos. Conforme detalhes de projeto, temos um transformador em poste de 45kVA de onde parte um circuito de alimentação para a USCA/QTA do GMG. Desta USCA parte o circuito de alimentação das cargas essenciais, que deve chegar em um ponto de derivação entre cargas essenciais e críticas. Este ponto de derivação será chamado de QGFL (Quadro Geral de Força e Luz). Deste quadro sairão os alimentadores dos circuitos de cargas não críticas (tomadas, iluminação, iluminação de emergência etc.). Também deste quadro, partem as alimentações para as duas UPS s, lembrando que deve-se ter duas UPS s em paralelo para termos a classificação de TIER 2 que é a característica do nosso site. As UPS s recebem duas alimentações cada, uma para sua alimentação original, circuito que irá passar pelo inversor da UPS s e ser sincronizado com a saída da outra UPS e alimentação de by-pass interno. Do QGFL também sairá uma alimentação de by-pass esterno das duas UPS s (alimentação para manutenção), esse circuito chegará até um disjuntor de entrada do ponto de alimentação das cargas críticas que será chamado de QDFC. De cada UPS sairá um circuito de alimentação, estes circuitos estão sincronizados com a rede e entre si, por conseguinte. Estes circuitos chegarão até a Chave Estática de Transferência Automática, que por definição, estará transmitindo o circuito da linha 01 até um outro disjuntor de alimentação do QGFE. Estes dois disjuntores de alimentação do QGFE terão intertravamento entre si por segurança. O projeto do diagrama Unifilar pode ser verificado no anexo Quadros elétricos (conjunto de manobra) Neste caso, não foi realizada uma escolha referente a um fornecedor específico, somente deve-se atentar a necessidade de os disjuntores terem sistema de contato seco para

62 62 realizar a coleta da informação. Os painéis devem seguir a Norma NBR IEC , que fala sobre painéis TTA e PTTA. Segundo a Norma NBR IEC (2003, pag. 5) conjunto de manobra é combinação de um ou mais dispositivos e equipamentos de manobra, controle, medição, sinalização, proteção, regulação etc., em baixa tensão, completamente montados, com todas as interconexões internas elétricas e mecânicas e partes estruturais sob a responsabilidade do fabricante. As definições de TTA e PTTA são definidas pela Norma NBR IEC (2003, pag. 5) da seguinte forma: TTA é o conjunto de manobra e controle de baixa tensão em conformidade com um tipo ou sistema estabelecidos, sem desvios que influenciem significativamente o desempenho em relação àquele conjunto típico verificado que está em conformidade com esta Norma. PTTA é o conjunto de manobra e controle de baixa tensão contendo disposições de tipo ensaiado e disposições de tipo nãoensaiado, contanto que o último é derivado (por exemplo, por meio de cálculo) de disposições de tipo ensaiado que satisfizeram os ensaios pertinentes. Conforme é apresentado pela Norma, são realizados ensaios nestes painéis para garantir a integridade física e a capacidade de isolação dos mesmos. Estes ensaios são realizados principalmente para garantir a integridade física do futuro operador. Tabela 7 - Lista de verificações e de ensaios a serem realizados em TTA e PTTA Número Características a serem conferidas Sub TTA PTTA 1 Limites de elevação da temperatura 2 Propriedades dielétricas 3 Corrente suportável de curto-circuito Verificação dos limites de elevação da temperatura por ensaio (ensaio de tipo) Verificação das propriedades elétricas por ensaio (ensaio de tipo) Verificação da corrente suportável de curtocircuito por ensaio (ensaio de tipo) Verificação dos limites de elevação da temperatura por ensaio ou extrapolação Verificação das Propriedades dielétricas por ensaio, de acordo com ou 8.3.2,ou verificação de resistência de isolação,de acordo com (ver nos 9 e 11) Verificação da corrente suportável de curto-circuito por ensaio ou por extrapolação de arranjos típicos ensaiados de forma similar

63 63 4 Eficácia do circuito de Proteção Conexão eficaz entre as partes condutoras do conjunto e o circuito de Proteção Verificação da conexão eficaz entre as partes condutoras do conjunto e o circuito de proteção por inspeção ou por medição da resistência (ensaio de tipo) Verificação da conexão eficaz entre as partes condutoras expostas do conjunto e o circuito de proteção por inspeção ou por medição da resistência Corrente suportável de curto-circuito do circuito de proteção 5 Distâncias de isolação e de escoamento 6 Funcionamento mecânico Verificação da corrente suportável de curtocircuito do circuito de proteção por ensaio (ensaio de tipo) Verificação das distâncias de isolação e de escoamento (ensaio de tipo) Verificação do funcionamento mecânico (ensaio de tipo) 7 Grau de proteção Verificação do grau de proteção (ensaio de tipo) 8 Conexões dos Inspeção do conjunto condutores, inclusive inspeção das funcionamento conexões dos condutores elétrico e, se necessário,ensaio de funcionamento elétrico (ensaio de rotina) 9 Isolação Ensaio dielétrico (ensaio de rotina) 10 Medidas de proteção Verificação das medidas de proteção e da continuidade elétrica dos circuitos de proteção (ensaio de rotina) Verificação da corrente suportável de curto do circuito de proteção por ensaio ou projeto apropriado e arranjo do condutor de proteção Verificação das distâncias de isolação ele escoamento Verificação funcionamento mecânico do Verificação do grau de proteção Inspeção do conjunto inclusive inspeção das conexões dos condutores e, se necessário, ensaio de funcionamento elétrico Ensaio dielétrico ou verificação da resistência de isolação de acordo com8.3.4 Verificação das medidas de proteção 11 Resistência de isolação Verificação da resistência de isolação salvo os ensaios de acordo com ou8.3.2 tenha sido realizado Fonte : Norma NBR IEC (2003, pag. 36) Projeto de locação e dimensionamento de cabos e proteções Com o diagrama Unifilar realizado e os equipamentos conhecidos, deve-se realizar um projeto de locação dos equipamentos para que se possa ter uma noção exata do distanciamento dos circuitos de energia. O projeto de locação pode ser verificado no anexo 06.

64 64 Com os distanciamentos conhecidos, os cálculos de dimensionamento de bitolas de cabos e das proteções (disjuntores) dos Quadros de distribuição podem ser realizados. Para este projetos estão sendo utilizados cabos do modelo de isolação HEPR com isolação de 1kV. Com os dados apresentados no item 4 deste trabalho, foram calculadas as bitolas e as proteções do projeto. A tabela 9 contém os respectivos resultados desses cálculos: Tabela 8 - Tabela de Cabos CA 5.2 ELABORAÇÃO PROJETO SUPERVISÃO Para realizar o projeto de supervisão deve-se realizar dois diferentes processos. Um é a representação gráfica do projeto do sistema de supervisão, onde serão apresentados todos os dados que se deseja verificar do sistema de energia. O outro é a interligação física dos equipamentos com a interface com o operador, onde será apresentado o projeto de arquitetura de rede, o qual demonstra os equipamentos e os protocolos de comunicação que levarão as informações até esta interface (computador).

65 REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO SISTEMA DE SUPERVISÃO O sistema de supervisão de um projeto de missão crítica deve ser baseado em realizar as verificações necessárias nos pontos críticos do diagrama unifilar, ou seja, ele deve apresentar em sua tela inicial o diagrama Unifilar geral e dentro deste diagrama fazer monitoramento dos locais onde um problema possa ocasionar uma falha na alimentação da carga crítica. Ele também deve dispor de telas que realizem o monitoramento completo dos equipamentos que fazem parte deste projeto. Analisando o diagrama unifilar do projeto proposto, podemos apontar os seguintes pontos como pontos a serem monitorados: Entrada de energia da concessionária; Alimentação gerada pelo GMG, Grupo motor gerador (funcionamento e falha); Disjuntor geral do QGFL; Multimedidor do QGFL; Disjuntores de alimentação principal das UPS s; UPS 1.1 e UPS 2.1 (funcionamento e falha); Status da CHE (qual linha é a atual). Com está definição realizada, pode-se realizar com o auxilio do software do supervisório, realizar a montagem das telas de supervisão. O software escolhido para realizar o sistema de supervisão deste trabalho foi o Elipse e3. Este foi escolhido pelas características de comunicação e por ser um software amigável na montagem das telas de supervisão. O datasheet do software pode ser verificado no anexo 07. A primeira tela a ser montada é a tela do diagrama unifilar geral, figura 11:

66 Figura Unifilar Geral 66 Pôde-se verificar que os pontos críticos estão sendo monitorados diretamente. No caso da tela apresentada, temos o funcionamento normal, com todos os itens fechados (em azul), menos claro o do GMG que ainda não teve a necessidade de ser acionado. As próximas telas são as dos equipamentos, ou seja, aqueles pontos que foram considerados críticos: Tela do GMG Na tela do GMG, devemos incluir algumas medições importantes para que se possa ter noção do seu funcionamento, tais como: tensão das baterias, tensão da geração, frequência, potencia etc. Abaixo, conforme figura 12, foi montada a tela do Grupo Motor Gerador:

67 67 Figura 12 - Tela de GMG Tela do Multimedidor do QGFL Na tela do multimedidor devem constar os dados da alimentação que chega passa pelo seu disjuntor geral. Essas informações são importantes para que possamos ter conhecimento da qualidade da alimentação oriunda concessionária e/ou do GMG (quando necessário). conforme a tela do multimedidor, figura 13: Figura 13 - Multimedidor do QGFL

68 68 Tela de UPS Na tela da UPS devem ser apresentados os dados da alimentação de chegada, da alimentação das baterias, e da alimentação de saída. A figura 14 mostra a tela da UPS: Figura 14 - UPS Com as telas do sistema de supervisão prontas, pode-se passar para o projeto de arquitetura de rede, que realizará a interligação dos equipamentos entre si e a ligação do sistema com a interface com o operador. 5.4 PROJETO DE ARQUITETURA DE REDE Para o projeto de arquitetura de rede deste projeto, foram divididos em duas formas de interligações. A primeira parte é a que interliga os equipamentos utiliza o padrão RS-485 e o protocolo de comunicação Modbus. Este caminho vem desde o multimedidor do QGFL, passando pela CHE, UPS s, USCA e GMG até um Conversor de Modbus para Ethernet. O cabo que é utilizado neste encaminhamento é o Cabo serial RS485. A segunda parte, interliga os disjuntores que serão supervisionados, são eles: DJ-R, DJ-R, DJ-1, MDJ-2, MDJ-3, MDJ-4 e MDJ-5. Esses disjuntores utilizam contatos secos para realizar a verificação dos status aberto e fechado. Neste caminho são utilizados 7 cabos de 2x1mm², um comum e

69 69 um retorno para cada disjuntor. Estes cabos são ligados em um Módulo de I/O, de onde parte outro cabo serial RS-485 para o Conversor Modbus para Ethernet. Do conversor Modbus para Ethernet, sai um cabo que interliga o sistema na LAN onde se encontra a interface com o operador (sistema de supervisão). Esta arquitetura é que recebe os status dos equipamentos e status de abertura e fechamento dos disjuntores e envia até o driver do sistema de supervisão, possibilitando assim o monitoramento do sistema de energia. O projeto de arquitetura de rede pode ser verificado no anexo 08. Desta forma ambos os projetos estão prontos, tanto o projeto de energia quanto o projeto do sistema de supervisão. Assim podemos realizar as simulações de funcionamento do sistema.

70 70 6 SIMULAÇÕES DO SISTEMA DE SUPERVISÃO 6.1 FUNCIONAMENTO NORMAL No modelo em funcionamento normal, a concessionária estará alimentando a USCA que por sua vez estará alimentando o QGFL. Dentro do QGFL, todos os disjuntores que alimentam as duas UPS s devem estar acionados e as mesmas alimentando a Chave Estática. Na chave estática, a linha principal é a linha 1, linha da UPS 1.1 que alimenta as cargas críticas. Estes estados podem ser verificados na tela do supervisório apresentada na Figura 15: Figura 15 - Funcionamento Normal 6.2 FALTA DE REDE DA CONCESSIONÁRIA Com falta da rede da concessionária, a USCA deve realizar a ignição do Grupo Motor Gerador e verificar as medições de tensão e frequência até a estabilização dos mesmos. Assim que o GMG estabilizar, a USCA realiza o acionamento do contator que é alimentado pelo GMG e a aberturado contator de onde vem à alimentação da concessionária. Isto é necessário porque quando acontecer à realimentação da concessionária, esta não pode entrar em paralelo com a alimentação gerada pelo GMG, pois as mesmas não estarão em fase.

71 71 Durante o período em que o GMG realiza sua partida e estabilização, quem assume a carga é a UPS por intermédio do seu banco de baterias. Com isso, a carga não sente nenhuma diferença de alimentação e se mantém em funcionamento normal. A tela do sistema de supervisão mostrados nas figuras 16 e 17, contém a alteração de alimentação para GMG e a tela com as informações referentes à geração pelo GMG: Figura 16 - Falta de Rede da Concessionária Figura 17 - Gerador de Energia 6.3 PROBLEMA NA UPS 1.1

72 72 Com um problema na UPS 1.1, que é a UPS que está alimentando diretamente a carga, a Chave Estática de Transferência Automática deve realizar a alteração para a UPS 2.1 de forma instantânea afim de não ocasionar problema na alimentação da carga crítica. A UPS 1.1 por intermédio de sua IHM ativa um sinal de alarme do problema ocorrido. No sistema de supervisão, é mostrada a alteração para a UPS 2.1 e também um sinal de falha na UPS 1.1. A figura 18 mostra a tela do sistema de supervisão com a alteração na UPS que alimenta a carga crítica na CHE e a falha apontada na UPS 1.1: Figura 18 - Problema na UPS PROBLEMA NA UPS 2.1 Com um problema na UPS 2.1, o sistema fica inalterado, pois a UPS de alimentação prioritária é a UPS 1.1. Entretanto, na IHM da UPS 2.1 e na tela do sistema de supervisão um alerta é acionado para que o problema possa ser verificado. A figura 19 mostra a tela do sistema de supervisão com a falha apontada na UPS 2.1:

73 73 Figura 19 - Problema na UPS PROBLEMA NO GMG Com um problema no GMG o sistema também fica inalterado, pois a alimentação prioritária é a que vem da concessionária. Entretanto, a IHM do GMG e o sistema de supervisão mostram um alarme de falha ocorrida no GMG. A figura 20 mostra a tela do sistema de supervisão com a falha apontada no GMG: Figura 20 - Problema no GMG

74 DESARME DO DISJUNTOR DO ALIMENTADOR DA UPS 1.1 Com o desarme do disjuntor que a UPS 1.1, a CHE deve de forma instantânea realizar a transferência da alimentação da carga crítica para a UPS 2.1, afim de não comprometer o funcionamento normal da mesma. Como este desarme pode ser realizado pelo operador, não é emitido um sinal de falha e sim somente é representado o disjuntor como desarmado. A figura 21 mostra a tela do sistema de supervisão com a representação do disjuntor que alimenta a UPS 1.1 desarmada: Figura 21 - Desarme no Disjuntor do Alimentador DESARME DO DISJUNTOR DO ALIMENTADOR DA UPS 2.1 Com o desarme do disjuntor da UPS 2.1, nada ocorre no sistema de energia, pois o alimentador principal para a carga crítica vem da linha 1. Entretanto, no sistema de supervisão é representado o disjuntor como desarmado. A figura 22 mostra a tela do sistema de supervisão com a representação do disjuntor que alimenta a UPS 2.1 desarmada:

75 75 Figura 22 - Desarme do Disjuntor do Alimentador RESULTADO DAS SIMULAÇÕES Com a verificação das telas do sistema de supervisão foi verificado o funcionamento normal do mesmo. Houve representação de todas as ocorrências de forma correta. Lembrando sempre que este é um sistema ideal, realizado através de software.

76 76 7 CONCLUSÃO Neste trabalho foram feitas simulações baseadas em um caso real de um Data Center, onde o fornecimento ininterrupto de energia elétrica era primordial devido ao tipo de projeto, no qual não poderia ficar sem carga para abastecer seus equipamentos, pois uma falta elétrica acarretaria em muitos problemas decorrentes, como paralisação de serviços computacionais e a perda de dados importantes. Nestas simulações mostramos todas as possíveis falhas que poderiam acontecer e as manobras de correção necessárias, conforme o layout da subestação projetada. No que se refere a projetos para atendimento a cargas criticas, notamos a gama de soluções possíveis paras subestações deste tipo, devendo ser amplamente compreendida pelo engenheiro eletricista para que seja projetado de acordo com as necessidades técnicas da obra a ser atendida, juntamente com os custos que variam de acordo com as redundâncias de proteção. O presente trabalho tem por finalidade aconselhar aos projetistas a levarem em conta todas as variáveis técnicas que neste foram apresentadas, para elaboração de um projeto voltado ao atendimento à subestações para cargas críticas, onde a classificação correta do projeto e o bom entendimento teórico deste estudo irão auxiliar a reduzir os riscos de ocorrências de faltas, sendo este o principal objetivo deste projeto, bem como a redução de redundâncias quando não se fizer necessário, o que terá impacto direto nos custos da obra. O objetivo deste trabalho foi obtido, pois foi possível apresentar por meio das simulações as falhas ocorridas no sistema, onde este atuou conforme esperado fazendo as manobras necessárias para a alimentação da carga não cessar e isolando os trechos esperados.

77 77 8 REFERÊNCIAS Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT. Conjunto de Manobra e Controle de Baixa Tensão. NBR IEC /2003. Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT. Instalações Elétricas de Baixa Tensão. NBR 5.410/2004. Associação das Indústrias de Telecomunicação TIA. Data Center Standards Overview. TIA 942/2006. CREDER, Helio Manual do Instalador Eletricista - 2ª Ed. Rio de Janeiro: Editora LTC,1998. CUNHA, Judson Michel. Protótipo de Rede Industrial Utilizando o Padrão Serial RS485 e Protocolo Modbus f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado) - Curso de Ciências da Computação, Furb, Blumenau, DANTAS, Mario. Tecnologias de Redes de Comunicação e Computadores. Rio de Janeiro: Axcel Books do Brasil, NISKIER, Julio; MACINTYRE, A, J. Instalações Elétricas, 3ª Edição, Rio de Janeiro: LTC, 1996 OLSON, Gary. Generator set and UPS compatibility. Power topic #6014, Sta Thomas, Disponível em <http://www.cumminspower.com/www/literature/technicalpapers/pt-6014-genset-upscompatibility-en.pdf> POWER GENERATION - (Transfer switch BTPC open, closed or delayed transition), Sta Thomas, 2008<http://www.cumminspower.com.br/pdf/chaves/BTPC.pdf> POWER GENERATION - (Manual de aplicações para Grupos Geradores), Sta Thomas, 2011< ROZAS, Norberto. Aplicação do Protocolo Modbus em Comunicação Wireless. Revista Gás Brasil, São Paulo, p.38-39, 22 nov Disponível em: <http://www.syspro.com.br/area_conhecimento/artigos/art_003_modbus.pdf>. Acesso em: 14 jun SILVA FILHO, Teodoro Da. Fundamentos de Eletricidade. Rio De Janeiro: LCT, 2007.

78 78 TANENBAUM, Andrew S. Redes de Computadores. 11. ed. Rio de Janeiro: Editora Campus, TELEBRAS NORMA - Características técnicas comuns para equipamentos dos sistemas de corrente TORRES, Gabriel. Redes de Computadores: Curso Completo. Rio de Janeiro: Axcel Books do Brasil, 2001.

79 ANEXO A Projeto Trafo 79

80 ANEXO B Projeto GMG 80

81 ANEXO C - Catálogo UPS 81

82 82

83 83

84 ANEXO D - Catálogo CHE 84

85 85

86 86

87 ` 87

88 ANEXO E Unifilar Data Center 88

89 ANEXO F Unifilar locação de equipamentos 89

90 ANEXO G Datasheet Elipse 90

91 91

92 92

93 93

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