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1 Infraestrutura de Sistemas de Energia CC em Sites de Telecomunicações Este tutorial apresenta a descrição de conceitos de Infraestrutura de Sistemas de Energia CC em Sites de Telecomunicações. (Versão revista do tutorial original publicado em 16/02/2004). Augusto José Maluf Engenheiro Eletrônico (Mauá 1980), tendo atuado nas áreas de pesquisa e desenvolvimento de sistemas de automação predial, pesquisa e desenvolvimento de periféricos, engenharia de produtos, e implantação e operação de redes de Telecomunicações: Celulares, Fibra Óptica e Rádio. Ocupou posições de coordenação e gerência em empresas como Itautec, Intelis, Banco Safra e Pegasus Telecom. Atualmente trabalha na Telemar como consultor em sistemas de apoio à operação. Vergílio Antonio Martins Engenheiro de Eletrônica e Teleco, formado em 1983, FACENS-Sorocaba, tendo atuado nas áreas de Implantação e Gerenciamento de Projetos de Redes Ópticas, Sistemas Celulares e Sistemas de Automação e Controle. Mestre em engenharia pela Faculdade de Engenharia Naval - POLI-USP, com ênfase em Gerenciamento de Projetos. Especialista em Gestão de Projetos pela CEGP Fundação Carlos Alberto Vanzolini. MBA em Gestão Empresarial , pela EPGE-RJ da FGV. Doutorando, com ingresso em 2007, pela Faculdade de Engenharia Naval - POLI-USP. A partir de 1998 passou a se dedicar ao segmento de telecom, tendo sido Gerente de Operação e 1

2 Manutenção da Pegasus Telecom e Gerente de Planejamento e Controle de Projetos da BMT-Bechtel Método Telecom. Atualmente atua como diretor da Teleco em serviços de operações de outsourcing estratégico. Atua também em sua empresa a Kuai Tema Engenharia, criada em 2001, que tem por finalidade a prestação de serviços de gerenciamento de projetos. Categoria: Infraestrutura para Telecomunicações Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 20/10/2008 2

3 Sistemas de Energia CC: O que é uma Infra de Sistema de Energia CC? Dentre os sistemas de facilidades da infraestrutura de um site de Telecomunicações, o Sistema de Energia CC (corrente contínua) tem por finalidade o fornecimento de alimentação nas tensões de -48 ou 24 volts aos equipamentos eletrônicos do site. Ele tem por objetivo alimentar todas as cargas críticas e essenciais à operação e manutenção da estação, garantindo níveis e oscilação de tensão compatíveis com os equipamentos eletrônicos, além de suprir a alimentação durante períodos de falta de energia principal do site, proveniente do sistema de energia CA (corrente alternada). Além da alimentação dos equipamentos específicos para telecomunicações, as seguintes cargas são normalmente alimentadas pelo sistema de energia CC: Sistema de iluminação de emergência; Sistema de combate a incêndio; Sistema de ventilação de emergência dos equipamentos eletrônicos de telecomunicação; Sistema de Controle de Alarmes. Nas instalações no Brasil existem três tipos mais populares de configurações dos Sistemas de Energia CC: em containers, gabinetes e estações centrais. Sistemas em Container Neste tipo de aplicação, em que o ambiente é fechado (indoor), a estrutura é construída em concreto, aço ou alumínio. No Brasil é muito comum a utilização também de construções de alvenaria. Estas estruturas são normalmente equipadas com equipamentos de Ar Condicionado (HVAC - Heating, Ventilating and Ar Conditioning) para o controle climático necessário ao bom funcionamento dos equipamentos eletroeletrônicos. Esses sites podem ser de diversos tamanhos, dimensionados em função da finalidade a que se destinam, tais como estações repetidoras ou então ERBs em redes wireless. Usualmente são utilizados uma ou duas fileiras de banco de baterias do tipo selada (VLRA - Valve Regulated Lead Acid), numa configuração paralela para energia standby necessária para as aplicações de telecomunicações. Estes sites utilizam +24Vcc ou -48Vcc como fonte de energia. Para o caso de falta de energia CA da concessionária publica, ou fornecida por um GMG (Grupo Moto Gerador), o banco de baterias é normalmente dimensionado para prover energia ininterrupta por 8 a 12 horas. Sistemas em Gabinete Outdoor Este tipo de aplicação é típica para gabinetes remotos de sistemas wireless do tipo outdoor. Nestes casos as dimensões vão desde pequenos gabinetes instalados em postes até gabinetes maiores instalados em topos de prédio ou terrenos urbanos ou rurais; como é o caso de aplicação em telefonia. O equipamento de energia CC é normalmente integrado com o gabinete, ou então montado num armário ao lado do gabinete. O banco de baterias é normalmente dual, provendo paralelismo para energia standby, com baterias do tipo seladas. Nestas aplicações são comuns também alimentações de +24Vcc ou -48Vcc. Sistemas em Estações Centrais 3

4 Este tipo de aplicação é diferente das duas anteriores apenas na magnitude dos equipamentos dos equipamentos de energia e no número de fileiras de baterias, que são requeridas para suportar a falta de energia por longos períodos de tempo, ou por falha nos equipamentos de energia. Alguns sistemas podem chegar de 10 a 20 fileiras de baterias do tipo seladas (VRLA) ou não seladas (FVLA - Free Vented Lead Acid). Estes sistemas podem ter que suportar diretamente correntes contínuas na ordem de A ou mais. Em sistemas nesta escala, encontram-se grandes barramentos de cobre, equipamentos de energia de alta capacidade, em configurações por gabinetes em paralelo que permitam fornecer potências para toda a estação de telecomunicações. Devido ao esquema complexo de distribuição de energia no site, existem gabinetes de distribuição intermediária, que provêm uma proteção e distribuição secundária, que alimentam os quadros de distribuição onde estão alimentados os equipamentos de consumo final. É comum também os arranjos de distribuição paralela em dois circuitos independentes de energia. 4

5 Sistemas de Energia CC: Princípio de Funcionamento do Sistema Olhando a figura abaixo, da esquerda para a direita, o sistema inicia com a Unidade Retificadora (URCC - Unidade Retificadora de Corrente Contínua) que converte a alimentação CA de entrada em energia CC. A alimentação é proveniente do sistema de energia AC, resultado da decisão entre a que provem da concessionária de energia, ou na falta momentânea desta, de um Grupo Moto Gerador - GMG. Existem Unidades Retificadoras para alimentações de entrada do tipo monofásica ou trifásica, em tensões de 127 ou 220 Vca. A Unidade Retificadora fornece em sua saída a alimentação DC, em dois valores mais usuais de +24 Vcc ou -48 Vcc, que alimentarão os consumidores e as baterias em seu ciclo de carga. Existem configurações de arranjos que permitem a conexão em paralelo de duas ou mais unidades, de maneira a aumentar o índice de disponibilidade do sistema. O bloco do desenho identificado por baterias é na realidade um conjunto, denominado por banco de baterias, formado por elementos interligados em série de 12 ou 24 elementos, cada qual com uma tensão nominal de 2 Vdc, perfazendo então 24 Vdc ou 48 Vdc. As baterias estão presentes como dispositivos de reserva de energia no caso da falta de energia fornecida pela Unidade Retificadora, seja por queda da energia AC de entrada ou por alguma falha na Unidade Retificadora. É usual a configuração de no mínimo dois bancos de baterias independentes. A Unidade de Supervisão (USCC - Unidade de Supervisão de Corrente Contínua) é responsável pela supervisão e controle do sistema de energia CC. Em regime de operação normal a USCC mantém a supervisão de todos os elementos, fornecendo sinalizações de status desses componentes em indicações locais (painéis de sinalização) ou remete a algum sistema de gerenciamento remoto que porventura houver. Toda e qualquer instalação elétrica tem como um de seus elementos o quadro de distribuição de energia aos seus consumidores (termo este utilizado para identificar o que está conectado no sistema de energia). São duas as finalidades. A primeira é proporcionar um primeiro nível de seletividade de proteção contra curtocircuito de uma carga provida por um equipamento ligado ao sistema CC. A segunda é a possibilidade de conexão e desconexão de energia para a instalação de equipamentos, sem que interfira na alimentação dos demais consumidores. No caso de haver a disponibilidade de dois circuitos 5

6 provenientes dos retificadores e banco de baterias, os Quadros de Distribuição fornecem dois ramos de circuitos independentes aos equipamentos consumidores, normalmente identificados por circuitos "A" e "B". 6

7 Sistemas de Energia CC: Características Técnicas e Funcionais dos Componentes A escolha dos componentes e dispositivos elero-eletrônicos está muito relacionada à área de aplicação. Numa instalação elétrica de energia CC, a fim de facilitar e garantir a interface entre os diversos componentes, existem normas e padrões para a fabricação e operação, que são estabelecidas por entidades privadas ou públicas. No caso de telecomunicações as internacionais mais conhecidas são a ITU-T, IEEE e ANSI. No Brasil, temos a ABNT e as recomendações da Anatel, que herdou muitas das regras estabelecidas pela antiga Telebrás. Ao final deste trabalho estão citadas as principais referências para aplicação aos sistemas de energia DC. Na seqüência estão apresentados algumas informações gerais a respeitos das características técnicas e funcionais dos componentes descritos no item anterior. Baterias Mesmo se tratando do uso para telecom, existem uma série de tipos e arranjos de baterias determinados pela aplicação, tecnologia e custos. Tipos de baterias segundo a composição do material interno Alcalinas (Níquel-Cádmio) e Ácidos (Chumbo Ácido). Tipo de baterias segundo seu aspecto construtivo Seladas (VRLA - Valve Regulated Lead Acid) e Não-Seladas (FVLA - Free Vented Lead Acid). É mais comum a utilização das seladas pela não liberação de gases ao ambiente e redução de intervenções de manutenção. Quando utilizadas as não-seladas, devido a emissão de gases nocivos, elas devem ser instaladas em salas exclusivas, com sistemas especiais de controle do ar ambiente. Vida Útil Projetada ou Tempo Médio de Duração As baterias são fabricadas e devem ter garantia para ter uma vida média de 10 anos, desde que trabalhando em temperaturas adequadas, que normalmente é em torno de 25ºC. Tensões de Flutuação (Volts) Tensão na qual a bateria está em plena carga e sem carga conectada. Para uma célula de bateria seladas de 2Vdc, a tensão normal de flutuação é de 2,23 a 2,27 volts. Flutuação: Regime de carga da bateria quando o fornecimento de corrente para os consumidores é feito pela URCC, não havendo débito de corrente por parte das baterias. A corrente consumida pelas baterias (fornecida pela URCC) é destinada a compensar as perdas por auto-descarga dos elementos e manter a carga completa das mesmas. Capacidade em Ampere-Hora (Ah) É a capacidade de fornecimento de energia definida em ampére-hora. Existe uma gama muito grande de 7

8 fornecimentos segundo a capacidade, podendo variar de 50 a 3000 Ah. Dimensões (cm) e Peso (Kg) Estes dois parâmetros são importantes para o dimensionamento do espaço em que as baterias estarão instaladas. Uma bateria de um elemento de 2 Vdc, de 100(L)x200(P)x400(A) cm, pode pesar de 20 a 30 Kg. Banco de Baterias Nas aplicações em telecomunicações é muito comum a necessidade de grandes autonomias para operações por parte das baterias, que se traduz na definição da capacidade de carga de uma bateria. Um banco de bateria é portanto um arranjo serial de elementos de baterias que permite configurações de grandes autonomias de energia CC. A dimensão física desses arranjos de baterias é proporcional à necessidade de autonomia de energia. Assim, verdadeiras salas de baterias são por vezes encontradas nas plantas de telecomunicações, como é o caso das centrais descritas anteriormente. Um exemplo típico de descrição de especificação de fornecimento de um banco de bateria seria: "O conjunto de baterias deverá ser fornecido na tensão nominal de -48 VCC, e deverá atender ao que se segue: Deverão ser fornecidos 02 (dois) bancos de baterias seladas, independentes, tipo chumbo ácidas reguladas por válvula, montadas em painel metálico auto portante ou em estante metálica aberta. Caso a opção seja painel metálico, esse deverá ser fornecido com proteção de acrílico na porta, devidamente projetado para permitir uma troca de ventilação interna que evite o acúmulo de gases. A Contratada também deverá fornecer o banco de baterias totalmente montado e interligado internamente." E segue quanto aos cuidados quanto ao dimensionamento do Sistema de Ar Condicionado no local de sua instalação. "O projeto da instalação elétrica e sistema de ar condicionado deverá considerar as características particulares desse tipo de bateria no tocante à garantia da temperatura ambiente e manutenção em flutuação, nos padrões do fabricante. Temperaturas acima da especificada pelo fabricante, variações bruscas dessa temperatura ou falha do sistema de flutuação do retificador implicam em perda significativa da vida útil do banco." 8

9 E quanto a sua autonomia: "A autonomia mínima do banco deverá ser de 10 h, com tempo de recarga profunda máximo de 10 h para 80% da carga. A vida útil do banco deverá ser superior a 10 (dez) anos, totalmente garantida pelo fabricante." Unidade Retificadora de Corrente Contínua De igual maneira que as baterias, existe uma quantidade grande de soluções de Unidades Retificadoras no mercado. É usual os fabricantes fornecerem um solução conjunta com a Unidade de Sinalização de Corrente Contínua (USCC). Tensão de Alimentação de Entrada AC 127 ou 220 Vca nominais, podendo ser monofásica ou trifásica, dependendo do tipo de retificador. Faixa de Variação de Tensão de Entrada +/- 15% em relação ao valor nominal. Faixa de freqüência Especificação da freqüência da rede elétrica de entrada ou do GMG, que para o Brasil é de 60 Hz +/- 5%. Cuidado em espacial quando o for o caso de importação de regiões em que o fornecimento é de 50 Hz. Configurações de Redundância N+1 Com a finalidade de aumentar o nível de disponibilidade da unidade retificadora, é comum a solução que permita o paralelismo entre URCC, onde N representa o número de módulos utilizados mais um único modulo reserva. A URCC deve ser dimensionada para alimentar todas as cargas em CC e, simultaneamente, alimentar as baterias em condição de descarga profunda. Rendimento e Fator de Potência Esta informação é um dos critérios de qualidade das Unidades Retificadoras. Baixos rendimentos significam perdas na forma de calor. Valor típico é 90% e 0,98, respectivamente. Níveis de Saída de CC Para a alimentação de -48Vcc, a norma estabelece as seguintes faixas: Alarmes e Sinalizadores Faixa estreita (consumidores com fontes não reguladas): - 44 a - 52 V Faixa larga (consumidores com fontes reguladas): - 36 a - 60 V 9

10 As sinalizações e comandos mais comuns presentes tanto nos painéis locais quanto disponíveis nas interfaces de comunicações com sistemas remotos de gerenciamento do sistema de energia CC são: Manutenção Flutuação Anormal das Baterias Retificador Anormal Bateria Desconectada Alimentação AC Anormal Bateria em Descarga Tensão Alta para o Consumidor Bateria em Carga Comando Remoto de GMG suprindo AC Quadros de Distribuição Os quadros podem ser de diversos tipos e levam também diversas denominações. Muito comum é denominação QDCC (quadro de Distribuição de Corrente Contínua). Um tipo particular são os QFL (Quadro Final de Fila) utilizados em salas de equipamentos, localizados ao final de fila (daí a sua denominação) do layout dos equipamentos. Os quadros de distribuição são estruturas metálicas que acomodam os dispositivos elétricos de proteção e chaveamento de cargas. Normalmente são dispositivos do tipo disjuntores e fusíveis, especiais para uso em corrente contínua, devido às características do comportamento da corrente quando chaveadas. A extinção de energia num disjuntor sob corrente contínua pode provocar um arco-voltaico, portanto são feitos especificamente para essa aplicação. É comum haver o descuido na seleção desses dispositivos, utilizando os especificados à energia AC. Equipamentos com alimentação dual devem ser alimentados preferencialmente a partir de quadros distintos ou a partir de dois pontos de consumidor de quadro alimentado de forma dual. 10

11 Sistemas de Energia CC: Considerações Finais Tão importante quanto os conhecimentos funcionais e técnicos dos componentes de um sistema e os cuidados que se devem ter na implantação e manutenção corretiva e preventiva do sistema, é o processo de manutenção de um inventário de consumidores sempre atualizado. Importância da documentação da instalação ( as-built ) Um projeto de um sistema de energia CC deve conter no mínimo: Critérios Gerais do Projeto de Sistema de Energia CC; Plantas de Diagramas Unifilares; Plantas de Arquitetura de Posicionamento e Detalhamento de Quadros e Equipamentos; Memoriais Descritivos de Funcionamento das Unidades de Retificação e Sinalização; Especificações dos Equipamentos; Especificações e Lista de Matérias de Dispositivos e Materiais Utilizados; Manuais de Operação e Manutenção dos Equipamentos e Dispositivos (ex. baterias); Lista de Sobressalentes; Certificado de Ensaios Técnicos dos Equipamentos; Os projetos devem atender às normas aplicáveis de instalação, e os desenhos de plantas devem atender a normas da ABNT. Recomendamos que a empresa contratante crie seus documentos de especificação de implantação de sistemas de energia CC, de forma a garantir uma boa qualidade na instalação final. Cuidados na Operação e Manutenção Pela natureza de seu negócio, a industria de telecomunicações é uma das únicas que tem como prática a manutenção e reparo e modificações de seus sistemas em estado operacional. Este fato requer de sua equipe de técnicos um cuidado maior no manuseio dos equipamentos de energia CC, em especial quanto ao risco de acidentes ocasionados por curto-circuito nos bancos de baterias. Os técnicos sabem que as tensões nesses barramentos são baixas (na ordem de 2 Volts por elemento de bateria e 24 ou 48 volts no banco de bateria), consideradas não letais, entretanto, o potencial de energia provocado por um curto-circuito pode vir a ser letal. A depender da magnitude de corrente de um curtocircuito é extremamente alta. Se não dor interrompida a tempos de milésimos de segundos, o perigo e destruição tomam proporções enormes. Podem ocorrer danos de cabos, derretimento de terminais de baterias e barramentos, vaporização de metais pesados, ionização de gazes, arcos voltaicos, liberação de hidrogênio; explosão e incêndio. Referências IEEE Std : Recommended practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications; TELEBRAS : Características técnicas comuns para equipamentos dos sistemas de corrente contínua para telecomunicações; 11

12 TELEBRAS : Especificações gerais para retificadores chaveados em alta freqüência; TELEBRAS : Especificações gerais de sistemas retificadores chaveados em alta freqüência; EUROBAT 10+: Norma européia para banco de baterias seladas; TELEBRAS : Especificações gerais de suprimento de energia CC à equipamentos de telecomunicações. 12

13 Sistemas de Energia CC: Teste seu Entendimento 1. Em relação aos conceitos de baterias, qual das alternativas está incorreta: Na flutuação a bateria fornece energia aos equipamentos consumidores; As baterias não-seladas exigem a instalação em salas especiais; A média da vida útil projetada de uma bateria em telecom é de 10 25ºC. 2. De acordo com texto qual das afirmativas está correta: Para a maior disponibilidade do sistema CC é necessária apenas a duplicação do banco de baterias; As tensões mais usuais em sistemas CC de telecom são +24Vcc e - 48Vcc; Na falta de energia CA, o GMG alimenta diretamente o banco de baterias. 3. Qual das afirmativas está correta: Os QDCC tem por finalidade única o desligamento de consumidores; É um erro dos técnicos de manutenção imaginarem que as intervenções em sistemas CC não causem perigo, devido ao fato de que níveis de tensão no banco de baterias seja baixo; Na alimentação de uma URCC é permitida variações da energia CA numa faixa de apenas 5%. 13

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