Um estudo acerca de equipamentos eletromédicos radiológicos na qualidade da energia elétrica em estabelecimentos assistenciais de saúde

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1 1 Um estudo acerca de equipamentos eletromédicos radiológicos na qualidade da energia elétrica em estabelecimentos assistenciais de saúde Wellington Maycon S. Bernardes, Student Member, IEEE, Ciciane Chiovatto, Sérgio F. de P. Silva, Decio Bispo, R. A. S. Fernandes Resumo-- Este artigo avalia a interferência de equipamentos eletromédicos radiológicos na qualidade de energia elétrica em um estabelecimento assistencial de saúde. Os equipamentos avaliados são empregados para diagnósticos por imagem e correspondem àqueles que demandam potência elétrica mais elevada (equipamento de raios-x, tomógrafo convencional, tomógrafo helicoidal e aparelho de hemodinâmica). Os resultados obtidos centram na análise das formas de onda destas cargas e nos níveis de distorções harmônicas de tensão e corrente dos diferentes exames, já que estas máquinas são caracterizadas por elevados picos de corrente e formas de onda não senoidais cujas consequências podem ser observadas na tensão de suprimento. Palavras-Chave--Distorção Harmônica, Hospital, Equipamento Eletromédico, Qualidade da Energia Elétrica. A I. INTRODUÇÃO TUALMENTE, a execução de instalações elétricas em hospitais, também conhecidos como estabelecimentos assistenciais de saúde (EASs) não é devidamente acompanhada de medições dos parâmetros que caracterizam a qualidade da energia. Assim, projetos e práticas que resultem na melhoria dos processos clínicos podem não contribuir para a redução do custo final da energia se a qualidade desta provocar danos ou imprecisões nos aparelhos elétricos sujeitos a alimentações que não condizem com as características estipuladas pelos fabricantes. Com o avanço da eletrônica de potência, a presença de dispositivos semicondutores (diodos, tiristores transistores, entre outros) em equipamentos eletromédicos, também Este trabalho foi financiado pela PROPP/UFU e FAPEMIG, através do Projeto ENG2/29 Wellington Maycon Santos Bernardes é aluno de Mestrado do Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (USP) ( wellingtonmaycon@usp.br). Ciciane Chiovatto é Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia (UFU) ( cici.chiovatto@gmail.com). Sérgio Ferreira de Paula Silva é professor da Faculdade de Engenharia Elétrica da UFU ( sergio@eletrica.ufu.br). Tel Decio Bispo é professor da Faculdade de Engenharia Elétrica da UFU ( deciobispo@yahoo.com.br). R. A. S. Fernandes está com o Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São Carlos, USP ( ricardo.asf@usp.br). chamados como equipamentos médico-hospitalares, é cada vez mais frequente. Apesar dos ganhos obtidos na precisão dos diagnósticos, estes modernos equipamentos são caracterizados por formas de onda distorcidas e, por esta razão, são denominados de cargas não lineares [1]. Assim, é bom salientar que esse tipo de carga, além de sofrer as influências de um possível fornecimento não adequado, pode gerar distúrbios relacionados à utilização da energia, principalmente as distorções harmônicas, promovendo a degradação da qualidade em circuitos adjacentes [2,]. Existem poucos estudos publicados no país que avaliam a interferência de equipamentos eletromédicos na qualidade de energia elétrica de um hospital e que apresentam o comportamento das formas de onda durante o regime de funcionamento. Diante desta constatação, o presente trabalho apresenta um estudo realizado em um EAS contemplando investigações individuais e agrupadas de equipamentos eletromédicos de grande porte, procurando identificar possíveis contribuições à degradação da qualidade da energia e, também, fornecer subsídios a pesquisas relacionadas ao comportamento de cargas tipicamente hospitalares por intermédio do estudo de suas formas de onda e seus níveis de distorções harmônicas. II. DISTORÇÕES HARMÔNICAS De acordo com os Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica - PRODIST [4], publicado pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), os valores de referência para as distorções harmônicas totais estão mostradas na Tabela I. Esses valores são aplicados nos pontos de conexão entre distribuidoras e nos pontos de conexão com as unidades consumidoras. TABELA I VALORES MÁXIMOS PARA DISTORÇÃO HARMÔNICA TOTAL (DHT) [4] Tensão nominal do barramento DHT [%] V N 1kV 1 1kV < V N 1, 8kV 8 1,8kV < V N 69kV 6 69kV < VN 18kV

2 2 A. Limites de distorção harmônica de corrente A Tabela II lista os limites de corrente harmônica baseados na dimensão da carga em relação ao sistema elétrico em que essa carga está conectada de acordo com o IEEE Standard [5]. Para usá-la é necessário conhecer a razão entre a corrente de curto-circuito (I CC ) disponível no alimentador pela máxima corrente fundamental de carga (I L ). TABELA II LIMITES DE DISTORÇÃO DE CORRENTE PARA SISTEMAS DE 12 V A 69 KV [5] Ordem harmônica individual (harmônicos ímpares) [%] I CC/I L <11 11 h < h < 2 2 h < 5 DHT I <2 4, 2, 1,5,6 5, 2<5 7,,5 2,5 1, 8, 5<1 1, 4,5 4, 1,5 12, 1<1 12, 5,5 5, 2, 15, >1 15, 7, 6, 2,5 2, Harmônicas pares são limitadas a 25 % dos limites das harmônicas ímpares acima Distorções de corrente que resultam em nível DC, por exemplo, aquelas provocadas por conversores de meia-onda, não se aplicam a essa tabela. Os limites mencionados devem ser utilizados no sistema para o pior caso em sua operação normal e condições que durem mais de uma hora. Para períodos mais curtos, como durante a partida ou condições incomuns, os limites podem ser excedidos em 5%. III. DIAGRAMA ELÉTRICO DAS CARGAS SOB ANÁLISE Os equipamentos eletromédicos em estudo estão alocados no hospital conforme diagrama unifilar simplificado mostrado na Fig. 1. As medições pontuais foram realizadas durante o intervalo de tempo de disparo de cada equipamento eletromédico, resultando em 5 formas de onda (um ciclo completo a 6 Hz) para posterior análise. Para realizar esta tarefa, os instrumentos de medição foram instalados dentro das salas exclusivas de cada um desses equipamentos e configurados para registrar as formas de onda durante a operação dos mesmos. Todos os equipamentos selecionados para as análises são alimentados por um único transformador de 5 kva (1,8 /,8,22 kv) e a rede elétrica em questão é trifásica a quatro fios. IV. EQUIPAMENTOS ELETROMÉDICOS ANALISADOS Quatro aparelhos eletromédicos foram selecionados para as análises: Equipamento de raios-x, tomógrafo computadorizado convencional, tomógrafo computadorizado helicoidal e aparelho de hemodinâmica. Tais elementos foram escolhidos, pois demandam elevados valores de potências, e consequentemente de corrente elétrica para o seu funcionamento. Devido a isso, estes têm a maior probabilidade de influenciar nos distúrbios da qualidade da energia. Para tal meta, dois analisadores de energia (qualímetros) foram utilizados (RMS MARH-21 [6] e Embrasul RE6 [7]). Fig. 1. Diagrama unifilar básico dos equipamentos estudados. As setas amarelas indicam os pontos de coleta de dados. A. Equipamento de raios-x V. RESULTADOS E DISCUSSÃO O gráfico da tensão e corrente eficazes quando o aparelho de raios-x convencional estava em standby e logo em seguida, entrou em operação pode ser vista na Fig. 2. Nota-se que o intervalo de funcionamento foi bastante curto, apenas um pico de corrente, provocando uma oscilação na tensão (pequeno transitório) Fig. 2. Tensão e corrente trifásicas e eficazes no momento da operação do aparelho de raios-x convencional. O autotransformador interno desse equipamento foi ajustado pelo operador em 7 kv e 2 ma. A Fig. mostra a DHT da tensão eficaz e o ciclo da tensão instantânea no instante que apresentou a maior distorção harmônica das três fases. Observa-se que o maior valor foi de 14,5 %, presente na fase A. Conforme a Tabela I, o DHT de tensão máximo é de 1 % para tensões menores que 1 kv. Dessa forma, o DHT de tensão seria extrapolado em poucos instantes, se não fosse o fato de que o parâmetro dessa tabela deve ser calculado para o registro de 18 leituras válidas 9

3 (168 horas) em intervalos consecutivos (período de integralização) de 1 minutos cada [4]. A Fig. tem um período de integralização de apenas 1 ms e nesse trabalho é inserida apenas para melhor visualização da oscilação ocorrida. DHTV [%] Va [V] Vb [V] Vc [V] DHTVa DHTVb DHTVc Fig.. DHT da tensão eficaz e tensões instantâneas em t = 1,15 s nas três fases. Diante desta constatação, cabe destacar que os procedimentos de medição de distorções harmônicas adotados internacionalmente [8] (protocolo de medição) consideram além do tempo de integração de 1 minutos, também permitem o expurgo de 5% dos maiores valores (probabilidade de ocorrência para 95% do tempo de medição) encontrados durante o período de medição. Desta forma, como o período de violação é da ordem de segundos e o equipamento permanece em standby durante minutos ou até horas, esta violação tendeu a não ser observada em longos períodos de monitoração. Na seção V item E, isto será demonstrado pelas medições semanais realizadas no alimentador. Em acréscimo, a DHT da corrente eficaz e o ciclo da corrente instantânea que teve a maior distorção harmônica das três fases são mostrados na Fig. 4. Os valores apresentados são consideravelmente elevados, aonde, por exemplo, na fase C tem-se taxas de 4 % em modo standby (integralização de 1 ms). Todavia, a corrente resultante foi de baixa amplitude (2,5 A) e não prejudicou, a priori, o barramento, já que esse suportou a corrente nominal do equipamento, neste caso, de 76 A. Vale ressaltar que o circuito em questão era segregado dos demais circuitos (iluminação, condicionadores de ar, sistema de bombeamento, entre outros). Obstante a este fato, estudos da ordem das correntes harmônicas que provoca altos níveis de DHT devem ser levados em consideração, pois existem harmônicas que podem confinar no núcleo do transformador, ocasionando aumento de temperatura ou harmônicas que podem atingir setores remotos. No instante em que o equipamento de raios-x foi acionado, os picos de corrente originaram harmônicos em que as ordens mais significativas foram de quinta e sétima ordem, com média de 6,4 % (54,97 A) e 7,1 % (,99 A) respectivamente, em relação à fundamental (91,55 A), conforme podem ser vistas pela Fig. 5. Outras harmônicas bem presentes foram a de 11ª, 1ª, 17ª e 19ª ordem Fig. 4. DHT da corrente eficaz por fase e correntes instantâneas em t = 1,15 s. Distorção harmônica [%].1 Ordem harmônica [.ª] Fig. 5. Espectro harmônico da corrente do equipamento de raios-x durante disparo súbito. Esta situação é semelhante a um conversor de seis pulsos. Segundo a teoria, um conversor com número p de pulsos gera sob condições ideais de corrente de ordem n = pk ± 1 no lado de sinal alternado, sendo K um número inteiro (1, 2,...) e p o número de comutações não simultâneas por ciclo de tensão alternada fundamental. Diante disso, os harmônicos de ordens 6K+1 são de sequência positiva (7, 1...) e os harmônicos de ordens 6K-1 são de sequência negativa (5, 11, 17...) [9]. Se houve ou não a violação da DHT de corrente conforme as normas, isso será elucidado na seção V item E, por meio da análise das medições no alimentador. B. Tomógrafo computadorizado helicoidal O gráfico da tensão e corrente eficazes no momento da operação do tomógrafo computadorizado pode ser visto na Fig. 6. O comportamento da corrente foi bastante oscilante e compreendeu um tempo de operação superior ao observado nos equipamentos de raios-x. A DHT da tensão eficaz e um ciclo da tensão instantânea são demonstrados na Fig. 7. O maior valor apresentado foi de,4 % na fase C. Se para um período de integralização de 1

4 4 ms o DHT de tensão já foi abaixo de 1 %, deduz-se que, para um período de 1 min (referente a Tabela I) também não será extrapolado Fig. 6. Forma de onda trifásica e eficaz da tensão e corrente do tomógrafo computadorizado helicoidal. DHTV [%] Va [V] Vb [V] Vc [V] DHTVa DHTVb DHTVc Fig. 7. DHT da tensão eficaz por fase e tensões instantâneas em t = 4,9 s. Por outro lado, a DHT da corrente eficaz apresentou 15 % na fase C na pior situação conforme demonstra a Fig Fig. 8. DHT da corrente eficaz por fase e correntes instantâneas em t = 4,9 s. Quando o equipamento não estava em operação, a corrente foi resultante somente da parte eletrônica do mesmo e de valor muito baixo. Assim sendo, houve uma elevada distorção, provocada por harmônicos como os de ª ordem. Ainda, notou-se que quando o tomógrafo estava efetivamente em operação, a corrente aumentou significativamente e a porcentagem de harmônicos de 5ª, 7ª, 11ª e 1ª ordem se tornou predominante. Essa situação é típica de conversores de 6 pulsos (semelhante ao equipamento de raios-x). Da mesma forma que o anterior, se houve ou não a violação da DHT de corrente conforme as normas, isso será visto na seção V item E, por meio das medições no alimentador. C. Tomógrafo computadorizado convencional O gráfico da tensão e corrente eficazes do tomógrafo convencional durante um exame pode ser visto na Fig. 9. A corrente ficou em torno de 17 A rms e a tensão em 222 V rms. A amplitude máxima da DHT de tensão eficaz nas três fases foi de 2,1 %, sendo menor que o valor admissível conforme a Tabela I, já para um período de integralização de 1 ms Fig. 9. Tensão e corrente eficazes por fase do tomógrafo computadorizado convencional. Em adição, a Fig. 1 demonstra o DHT de corrente presente nas três fases e uma forma de onda de um ciclo completo da corrente, evidenciando as elevadas distorções de correntes resultantes da operação do tomógrafo. Através das medições no alimentador, que será vista na Seção V item E, confirmar-se-á se os limites determinados pela norma técnica foram extrapolados ou não. D. Aparelho de hemodinâmica Durante a realização de uma operação em um paciente, o aparelho de hemodinâmica, também chamado de equipamento de angiografia, alcançou uma corrente máxima integralizada de 2,28 A, conforme Fig. 11. Já a corrente nas três fases em modo standby foi de aproximadamente 2,5 A Fig. 1. DHT da forma de onda da corrente por fase e correntes instantâneas em t = s

5 Tempo [min] Fig. 11. Forma de onda da tensão e corrente por fase do aparelho de hemodinâmica. A DHT de tensão eficaz é demonstrada na Fig. 12 e que está em consonância com a Tabela I. DHTV [%] a [V] Va Tempo [min] 2-2 Vb DHTVa DHTVb DHTVc Tempo(s) Tempo(s) Tempo(s) Fig. 12. DHT da tensão eficaz nas três fases do aparelho de hemodinâmica e tensões instantâneas em t = 1,19 s. A Fig. 1 mostra o DHT de corrente eficaz medido nas três fases durante o regime de funcionamento e a forma de onda em um ciclo completo, em que a corrente de pico chegou a 27 A Tempo [min] a [V] Vc Fig. 1. DHT da corrente eficaz por fase do aparelho de hemodinâmica e correntes instantâneas em t = 1,19 min. a [V] Da posse dos resultados apresentados, pode-se constatar que, quando em operação, todos os equipamentos eletromédicos analisados apresentaram alta DHT de corrente. As harmônicas mais significativas foram de 5ª, 7ª, 11ª, 1ª, 17ª e 19ª ordem. Todavia, hoje no Brasil, os limites de correntes harmônicas são determinados por cada sistema supridor por meio de análise de penetração harmônica em sua rede. Assim sendo, essa análise não se preocupa diretamente com a distorção de corrente, mas sim com o efeito da distorção da corrente na tensão. De qualquer maneira, essa grandeza será confrontada com os limites aceitáveis pela norma na seção V item E. Por último, todos os equipamentos individualmente analisados não extrapolaram o limite de DHT de tensão dado na Tabela I. E. Alimentador dos equipamentos sob análise As medições elétricas foram realizadas durante três semanas ininterruptas (registro de.24 minutos). Objetivouse a verificação da variação de energia e demais distúrbios que ocorriam nesse setor (subsolo do hospital) durante todo o período (horário comercial, noite, madrugada e finais de semana). Para as medições realizadas, adotou-se um período de integralização de 1 minutos para tensões, correntes, desequilíbrios, distorções harmônicas, fator de potência, potências ativa, reativa e aparente. Ao analisar a DHT de tensão por fase, o maior valor apresentado foi na fase B, sendo de 2,85 %. Lembra-se que o DHT de tensão máximo é de 1 % para tensões menores que 1 kv, conforme Tabela I. Dessa forma, esse nível de distorção não foi extrapolado, mesmo com todos aparelhos médicohospitalares em funcionamento. Por fim, a DHT de corrente é demonstrada na Fig. 14. Embora a corrente total (fundamental mais harmônicos) não foi significativa, não alcançando a capacidade de condução dos condutores, deve-se tomar procedimentos capazes de evitar que a elevada DHT de corrente prejudique a instalação. Nas seções anteriores, já foi constatado que as medições individuais dos equipamentos eletromédicos apresentaram uma alta DHT de corrente. [%] DHTI [ /9 11/9 1/9 15/9 17/9 19/9 21/9 2/9 25/9 27/9 Dia / Mês Fig. 14. DHT de corrente por fase eficaz. A Fig. 14 mostrou que a DHT de corrente alcançou valores aproximados de 6 % na fase C e de 8 % na fase B. Sendo a potência nominal do transformador de 5 kva (Fig. 1 ) e sua

6 6 impedância percentual de 4,6 %, o nível de curto-circuito no seu lado secundário (alimentador principal) é 16,515 ka. Sabendo que a corrente máxima de carga registrada nesse ponto é a nominal (759,69 A), logo a relação I CC /I L é de 21,74. Quando se confronta os resultados com a Tabela II, percebe-se que o limite de distorção de corrente foi ultrapassado, pois o valor máximo permitido é de 8 %. Para amenizar o efeito dessa distorção, e dessa maneira evitar que propague pelo sistema elétrico e interfira em outras máquinas no hospital, o circuito que alimenta os equipamentos eletromédicos de diagnósticos por imagem deve ser devidamente isolado. Embora ainda não exista legislação no Brasil pertinente a DHT de corrente e levando-se em conta os resultados observados, a alta distorção de corrente em ambientes hospitalares é uma situação bem alarmante, que pode se estender em outros problemas, tais como interferência em sistemas de comunicação ou processamento de dados, ressonância em capacitores ou imprecisão de instrumentos de medição, caso o projeto não leve esses efeitos em consideração. VI. CONCLUSÃO Os resultados das análises evidenciaram que os equipamentos eletromédicos não contribuíram significativamente para uma perturbação no sistema elétrico do hospital, conforme normas vigentes do ponto de vista da DHT de tensão. Até mesmo os equipamentos eletromédicos mais potentes, como o aparelho de hemodinâmica não causaram elevados níveis de DHT de tensão na rede elétrica do hospital. Cabe destacar que esta adequação foi influenciada pela elevada potência e baixa impedância percentual do transformador utilizado para atender exclusivamente esses equipamentos. Adicionalmente, não houve registros por parte da equipe técnica do hospital a respeito de anomalias, falhas ou ocorrências (imperfeições ou borrões nas imagens radiológicas) que poderiam ser relacionadas ao suprimento elétrico ou mesmo à interferência de um equipamento em outro. Por fim, apesar das elevadas amplitudes e distorções observadas nas correntes de alimentação dos equipamentos analisados, considerando o fator de simultaneidade e o nível de curto-circuito, verificou-se que não houve reflexos significativos na tensão. Não obstante a esta aparente normalidade, devido às distorções de corrente, fica claro a indicação de não emprego de capacitores no barramento de alimentação destas cargas sem um prévio estudo de fluxo harmônico com consequente projeto de filtro para evitar o fenômeno da ressonância. VII. REFERÊNCIAS [1] R. R. N. Souza, D. F. Coutinho, F. S. dos Reis, Estimation of Parameterized Nonlinear Loads: A time-domain approach, in Proc. Power Electronics Specialists Conference, PESP 28, IEEE, Rhodes, ago. 28, pp [2] C. Collombet, J. M. Lupin, and J. Shonek, Harmonic disturbances in networks and their treatment, 1ª ed.: Schneider Electric, [] J. C. Okumoto, "Avaliação das Instalações Elétricas de Centro Cirúrgico. Estudo de Caso: Hospital Universitário da UFMS", Dissertação de Mestrado, Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Mato Grosso do Sul, Campo Grande - MS, 26, 114 p. [4] Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico PRODIST. Módulo 8 Qualidade de Energia Elétrica, Agência Nacional de Energia Elétrica, Brasília, 211. [5] IEEE recommended practices and requirements for harmonic control in electrical power systems, IEEE Standard , New York, NY, [6] RMS SISTEMAS ELÉTRICOS. Manual operacional do medidor/registrador MARH-21, Porto Alegre RS, 28, 97 p. [7] R. C. Barros, Manual de instalação e operação: analisador de energia RE6. Embrasul Indústria Eletrônica Ltda, Porto Alegre RS, 24, 116 p. [8] International Electrotechnical Commission Electromagnetic compatibility (EMC) Part 4, Section 7: General guide on harmonics measurement and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto, in IEC 1-4-7, [9] Chi-Jui Wu, Wei-Nan Chang, Developing a harmonics education facility in a power system simulator for power engineering education, in IEEE Transactions on Power Systems, v. 12, n. 1, feb. 1997, p VIII. BIOGRAFIA Wellington Maycon Santos Bernardes nasceu em Goiânia, GO. Possui formação de curso Técnico em Segurança do Trabalho pelo Serviço Nacional de Aprendizagem Comercial (21) e graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia (21). Atualmente, é mestrando em Engenharia Elétrica na Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. Interesse em eficiência energética, proteção de sistemas elétricos, qualidade da energia elétrica e segurança do trabalho. Ciciane Chiovatto é natural de Araguari, MG. Possui graduação em Engenharia Elétrica - com ênfase em Sistemas de Potência e Engenharia de Computação - (29) e mestrado (211) pela Universidade Federal de Uberlândia (UFU). Atualmente trabalha como Engenheira Eletricista no setor de Óleo e Gás e de Metais e Mineração. Atua e tem interesse principalmente em eficiência energética, coordenação e seletividade de proteção, automação de sistemas elétricos de potência, análise de sistemas de potência e qualidade de energia elétrica. qualidade. Sérgio Ferreira de Paula Silva é natural de Ituiutaba, MG. Possui graduação (1996), mestrado (2) e doutorado (27) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia (UFU). Atualmente, é pesquisador e professor adjunto da UFU. Atua principalmente nos seguintes temas: eficiência energética, distorções harmônicas, qualidade da energia elétrica, harmônicos em sistemas elétricos de potência, atribuição de responsabilidade e normas e indicadores de Decio Bispo nasceu em São Vicente, SP. Graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia, especialista em Sistemas Elétricos de Potência pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Atualmente trabalha como professor e pesquisador na UFU, leciona e publica sobre assuntos relacionados a Máquinas Elétricas, Eficiência Energética e Instalações Elétricas.

7 Ricardo Augusto Souza Fernandes possui graduação em Engenharia Elétrica pela Fundação Educacional de Barretos (27). Recebeu os títulos de mestre e doutor em Engenharia Elétrica pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP), em 29 e 211, respectivamente. Suas atividades de pesquisa incluem a aplicação de sistemas inteligentes em Qualidade da Energia Elétrica e Smart Grids. 7