VI SBQEE. 21 a 24 de agosto de 2005 Belém Pará Brasil

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1 VI SBQEE 21 a 24 de agosto de 2005 Belém Pará Brasil Código: BEL Tópico: Análise, Diagnóstico e Soluções EXPERIÊNCIA DA CEMIG NA UTILIZAÇÃO DE UNIDADES CAPACITIVAS DE ALTA POTÊNCIA (800kVAr) NO BANCO DE CAPACITORES DA SE DE TAQUARIL E SUAS VANTAGENS TÉCNICO-ECONÔMICAS NO TOCANTE À QUALIDADE DE ENERGIA FABIANO ANDRADE DE OLIVEIRA ABB LTDA. GERALDO MAGELA GONTIJO CEMIG RESUMO O objetivo do presente trabalho é apresentar a experiência da CEMIG na utilização de unidades capacitivas de potências superiores a 400 kvar (padrão adotado por aquela concessionária de energia elétrica), por unidades de 800 kvar e relatar portanto, suas vantagens técnicoeconômicas associadas à Qualidade de Energia. Outro fato que merece destaque e associado ao incremento de potência de cada unidade é a utilização desses capacitores com tecnologia de fusíveis internos em substituição aos antigos de fusíveis externos. Em conseqüência disso, tem-se um aumento da confiabilidade da operação dos bancos de capacitores. PALAVRAS-CHAVE Capacitores de Alta Potência, Fusíveis Internos e Externos, Experiência da CEMIG, Vantagens Técnico-econômicas, Qualidade de Energia. 1.0 CONCEITOS BÁSICOS DE CAPACITORES Inicialmente, serão descritos alguns conceitos básicos de capacitores para o entendimento posterior quanto aos benefícios da utilização de capacitores de alta potência. Sabe-se que os capacitores são construídos basicamente de dois eletrodos isolados cada um por um meio isolante denominado dielétrico. A área dos eletrodos, a distância entre eles e a capacidade de isolação do dielétrico e sua constante dielétrica resulta na capacitância do capacitor. Esse último parâmetro, mais a freqüência e o quadrado da tensão através do dielétrico têm como resultado a potência do capacitor. Por conseguinte, quanto maior o stress de tensão do capacitor no dielétrico, maior será a densidade de potência do capacitor, conforme pode ser visto pela figura 1. Figura 1 - Definição de capacitor Com o desenvolvimento de novos materiais como a substituição do papel por folha de alumínio e filme de polipropileno e do fluido impregnante tipo PCB (Polychlorinated Biphenyl) por óleo sintético biodegradável resultou em um capacitor com potência de valor 10 vezes maior que aqueles fabricados há 40 anos atrás e com conseqüente aumento da isolação e perdas dielétricas muito baixas, conforme pode ser verificado na figura 2. Tel: Tel: Fax: Fax: Av. Monteiro Lobato, 3285-Guarulhos-SP Av. Barbacena, 1200-Belo Horizonte-MG fabiano.oliveira@br.abb.com ggontijo@cemig.com.br

2 46 Figura 2 Desenvolvimento do Capacitor 1.1 Tipos de tecnologia de fusíveis Dentre as tecnologias atualmente utilizadas para capacitores pode-se destacar: capacitores do tipo fusível externo, fusível interno e fuseless. Nesse artigo serão discutidos basicamente os dois primeiros tipos, que foram motivo para a realização desse artigo. Tanto os capacitores de fusíveis externos e internos são constituídos de elementos capacitivos (menor parte de uma unidade capacitiva) e conectados em série e paralelo para formar a unidade capacitiva. Esses elementos capacitivos em série são para limitar a tensão e em paralelo para resultar na potência requerida. Com respeito aos capacitores de fusíveis internos cada unidade capacitiva tem seu próprio fusível interno protegendo cada elemento capacitivo (menor parte de uma unidade capacitiva). O fusível é um limitador de corrente e efetivamente desconectará o elemento capacitivo numa eventual falha. Por conseguinte, apenas uma pequena parcela da capacitância total é perdida e o capacitor, por sua vez, pode permanecer em serviço. Isso prolongará a vida útil do capacitor e proporcionará uma maior flexibilidade para planos de manutenção e substituição das unidades com defeito. Por outro lado, capacitores de fusíveis externos têm apenas um fusível para proteção de toda a unidade. Esse tipo de tecnologia é normalmente utilizado para a proteção de unidades de alta tensão e baixa potência, onde o fusível externo irá operar caso houver uma falta ou uma sobretensão ( flashover externo) desconectando, por conseguinte, a unidade completa com defeito. O fusível também irá operar para um flashover externo entre a bucha e a caixa causado por pássaros, etc. Os dois tipos de tecnologia de fusíveis mais comumente utilizados poder ser vistos na figura 3. Figura 3 Tipos de tecnologia de fusíveis Em um capacitor do tipo fusível externo, a falha de um elemento interno significa que todo o grupo em paralelo com aquele elemento será curtocircuitado. A perda dos elementos internos do grupo em paralelo provocará o aumento da capacitância reduzindo a impedância e, dessa forma, elevando a corrente da unidade. O aumento da corrente eventualmente causará a atuação do fusível. Para uma explicação mais detalhada quanto à falha de elementos internos para capacitores de fusíveis internos e externos seja a figura 4, a qual mostra a distribuição de tensão dentro do capacitor depois da falha de um elemento. As partes escuras significam perda total da capacitância (ou elementos curto-circuitados) e o aumento da tensão é proporcional ao aumento da intensidade da cor. Para capacitores de fusíveis internos haverá um aumento de tensão no mesmo grupo do elemento que falhou. Os demais grupos remanescentes são pouco ou praticamente não afetados, o que resulta uma pequena perda do capacitor, isto é, apenas a do elemento que falhou e, mantendo em operação os demais grupos remanescentes. Por conseqüência, a expectativa de vida continua elevada e a necessidade de manutenção fica praticamente reduzida. Para o caso do capacitor de fusível externo, todo o grupo em paralelo é perdido ao falhar um elemento interno. Uma boa parte do capacitor é perdida e a tensão é distribuída ao longo dos grupos remanescentes com um relativo aumento do valor da tensão quando comparado ao capacitor de fusível interno, de acordo com a figura 4. O fusível externo é usualmente projetado para operar depois da falha de 1 a 2 elementos com a posterior substituição da unidade capacitiva.

3 47 Figura 4 Falha de elemento interno em unidades de fusíveis internos e externos. Independentemente do tipo de tecnologia de fusível utilizado, quando ocorre uma falha causada por uma sobretensão ( flashover externo, descargas parciais nos elementos internos, descargas atmosféricas, transitórios) em um ponto fraco do dielétrico, o filme de polipropileno e a folha de alumínio se fundirão formando um curto-circuito perfeito. As causas de falhas no desempenho dos bancos de capacitores com fusíveis externos estão associadas ao conjunto fusível, composto de elo cartucho e mola, que apresentam queimas indevidas de elos que propagam arcos elétricos nas vizinhanças daquela unidade levando a uma queima generalizada de elos de outras unidades e, por conseguinte a indisponibilidade do banco de capacitores. Vale ressaltar que, devido a sua comprovada performance em relação ao fusível externo, o capacitor com fusível interno e com potências de até 400 kvar tem sido amplamente utilizado como padrão nos bancos de capacitores da maioria das concessionárias. 2.0 MITOS E VERDADES SOBRE UNIDADES CAPACITIVAS DE POTÊNCIAS MAIORES A utilização de unidades capacitivas de potências superiores àquelas usualmente mais empregadas em grande parte pelos consumidores industriais e/ou concessionárias de energia elétrica como, por exemplo, valores de potência médios ou iguais a 400 kvar ainda tem sido motivo de relutância e de resistências quanto à real segurança e confiabilidade da aplicação desses tipos de capacitores. Dessa forma, para se reavaliar alguns conceitos e romper alguns paradigmas no tocante ao emprego de capacitores de potências maiores que 400 kvar, faz-se necessário considerar o aprimoramento da técnica de capacitores autoprotegidos associada ao desenvolvimento do material do dielétrico e da sua confiabilidade que depende sobretudo da tecnologia de proteção adotada. Todas as considerações anteriores proporcionaram o advento dos capacitores autoprotegidos tipo fusível interno e pela própria filosofia de operação de desconectar imediatamente qualquer elemento que tenha sofrido curto-circuito e de preservar os demais elementos do capacitor, permitiu a utilização de capacitores de potências maiores daquelas tradicionalmente empregadas. Adicionalmente, vale ressaltar alguns conceitos/paradigmas que ainda perduram sobre a aplicação de capacitores de fusíveis internos associados a altas potências e suas respectivas explicações que possam desmistificar as más interpretações, as quais se podem chamar de mitos e verdades e que são descritas a seguir: Os capacitores grandes e pesados dificultam a sua reposição: O argumento largamente utilizado é que unidades grandes e pesadas são difíceis de serem manuseadas. Entretanto, a maior confiabilidade com a utilização de capacitores com fusíveis internos significa que não será necessária uma troca tão freqüente, como ocorre com capacitores de fusíveis externos. Além disso, para grandes bancos de capacitores da ordem, por exemplo, de centenas de MVAr existem os dispositivos de içamento que possibilitam uma fácil substituição de unidades capacitivas de alta potência. A CEMIG, desde a instalação do banco de capacitores da SE Taquaril em 2001, não tem verificado a necessidade da troca de unidades capacitivas. Também não foi registrada nenhuma falha nos capacitores e em nenhum dos elementos ou equipamentos dos bancos de capacitores desde sua instalação. Foi necessário, logo no início da operação dos bancos de capacitores a intervenção no arranjo das ferragens dos bancos devido à identificação de esforços laterais no topo dos isoladores que provocaram trincas e quebras nos isoladores de sustentação dos bancos. O intuito inicialmente foi o aproveitamento das ferragens, dos isoladores dos respectivos bancos. A solução adotada foi a modificação na furação das ferragens, substituição de todos os isoladores e inserção de discos de borracha no topo e na base dos isoladores para amortecimento de eventuais deslocamentos naturais por temperatura, o que resolveu definitivamente o problema, conforme pode ser visto nas figuras 5a e 5b.

4 48 substituída por outro composto por 18 unidades capacitivas de dados nominais de 800 kvar x kv x 60 Hz dotados de fusíveis internos. Esses últimos capacitores possuem aproximadamente 80 bobinas, sendo cada uma delas protegidas por seu respectivo fusível, o que conduz a um banco de unidades capacitivas individualmente protegidas, que no caso da queima do fusível, ocasiona a perda de potência de 10 kvar contra 100 kvar do capacitor com fusível externo, ou seja, 10 vezes maior a perda para o banco com fusível externo. Figura 5a - Estrutura de ferragens e isoladores antigos. Figura 5b - Estrutura de ferragens adicionais e isoladores novos. As perdas de energia são maiores em capacitores com fusíveis internos: Uma outra interpretação equivocada associada aos capacitores de potência é que os mesmos possuem perdas ligadas diretamente à sua potência nominal. Ao comparamos banco de capacitores de mesma potência de fabricantes já tradicionais no mercado, dotados ou não de fusíveis internos, o nível de perdas são equivalentes, ou seja, menor que 0,2 Watt/kvar para ambos. Capacitores com fusíveis internos por serem de grande potência ocasionam grandes perdas de potência em caso de falha: Ao contrário do que se pensa, quando se compara um banco de capacitores dotados de fusíveis internos com um banco de fusíveis externos, tem-se uma sensível vantagem quanto ao número de unidades capacitivas protegidas. Seja o exemplo da SE Taquaril da CEMIG que possui um banco de capacitores de kvar x 13,8 kv x 60 Hz com 144 unidades de dados nominais de 100 kvar x V x 60 Hz, protegidas por fusíveis externos e que foi É necessário maior manutenção em bancos com capacitores de fusíveis internos; Ao contrário do que se pensa, a manutenção em bancos de capacitores dotados de fusíveis internos sempre acontecerá mais tarde quando comparados a bancos dotados de fusíveis externos. Isto é explicável, uma vez que, a ausência de fusíveis externos possibilita a redução dos pontos de conexão e conseqüente ocorrência de pontos quentes por má conexão entre fusíveis-barramento, fusíveis-capacitor, além das queimas de elos fusíveis que provocam parada obrigatória do banco para a troca da unidade e verificação do estado das demais. No caso da SE Taquaril, os custos que envolviam a manutenção devido à queima de unidades capacitivas e conseqüente substituição das mesmas eram altos, pois freqüentemente havia a necessidade da reposição de capacitores como também dos próprios fusíveis externos que não operavam adequadamente para a proteção dos respectivos capacitores. Deve-se ressaltar também as perdas do sistema devido ao tempo de indisponibilidade de cada banco de capacitores, o qual era incrementado devido ao peso dos capacitores antigos (70 kg) e a necessidade de intervenção da equipe de manutenção localizada em Belo Horizonte (40 km da SE Taquaril). Essa conscientização e mudança de conceitos/ paradigmas possibilitará uma contribuição na melhoria da Qualidade de Energia, principalmente, no tocante ao desempenho do sistema elétrico assegurando, por sua vez, a continuidade do serviço. 3.0 COMPARAÇÃO ENTRE UNIDADES CAPACITIVAS DE POTÊNCIAS DE 400 KVAR E 800 KVAR E SUAS VANTAGENS Uma análise simples e comparativa quanto às unidades capacitivas de potências de 400 kvar (unidade padrão da CEMIG) e as de 800 kvar e

5 49 suas vantagens é descrita a seguir pela tabela 1 e são baseadas fundamentalmente na quantidade de material ativo e passivo de cada unidade. Para uma melhor compreensão, o material ativo de um capacitor corresponde ao filme de polipropileno, à folha de alumínio e ao fluído impregnante, enquanto que o material passivo está relacionado aos isoladores, buchas e à caixa de aço inoxidável. Tabela 1 Comparação entre Unidades Capacitivas: 400 kvar x 800 kvar Tamanho da Material Ativo Material Passivo Unidade (Filme, Folha, Fluído) (Isoladores, Buchas, Aço) 400 kvar 48% 52% 800 kvar 65% 35% Embora o conteúdo ativo em uma unidade capacitiva de 800 kvar é incrementado de 35 %, o material passivo é reduzido de 33%, resultando em uma melhor utilização do material e um preço relativamente mais baixo. O peso das unidades capacitivas antigas de 100kVAr com PCB e fabricação ITEL de 1970 que estavam instaladas na SE Taquaril era de 70kg enquanto que, as unidades instaladas de 800kVAr é de 52kg. Com relação à similaridade entre 02 unidades de 400 kvar e 01 unidade de 800 KVAr, as mesmas possuem o mesmo stress dielétrico, igual número de elementos e o mesmo material ativo com uma substancial diferença na quantidade de buchas, isoladores e caixa inoxidável referente ao material passivo, conforme pode ser visto na figura 6. Melhor utilização do material com menor quantidade de partes passivas; Menor quantidade de partes mecânicas (buchas, racks metálicos); Menor risco de falhas mecânicas; Maior confiabilidade; Menor taxa de falha; Custo total menor. As figuras 7a e 7b a seguir mostram o antigo banco de capacitores de 144 unidades de 100 kvar x 7960 V x 60 Hz de fusíveis externos, óleo Askarel e o atual composto de 18 unidades de 800 kvar x V x 60 Hz de fusíveis internos e de óleo biodegradável. Figura 7a Antigo banco de capacitores. Figura 7b Novo banco de capacitores. Figura 6 Similaridades e diferenças entre unidades capacitivas: 2x400 kvar e 1x800kVAr Dentre as vantagens de se utilizar capacitores de alta potência e, por conseguinte, uma alta taxa de material ativo pode-se destacar: Menor número de capacitores para um mesmo banco de capacitores; Projeto mais compacto e conseqüente redução de espaço; 4.0 EXPERIÊNCIA DA CEMIG NA UTILIZAÇÃO DE CAPACITORES DE ALTAS POTÊNCIAS DE 800 kvar NA SE DE TAQUARIL A solução adotada resultou num projeto com mínima modificação no arranjo, com pequena aquisição de materiais e ferragens adicionais, o que minimizou a indisponibilidade de reativo para o sistema. A obra de instalação dos bancos de capacitores teve uma duração de 01 mês para os 02 primeiros módulos e 20 dias para os demais 03 módulos.

6 50 A otimização alcançada com o novo projeto de bancos de capacitores, a operação dos mesmos sem nenhuma falha ou interrupção com a utilização de capacitores de fusíveis internos e sem qualquer problema de vazamento é um fato constatado pela CEMIG reforçando portanto, a satisfação e a melhoria da qualidade de energia do sistema com unidades capacitivas de potências superiores àquelas consideradas como padrão por aquela concessionária. 5.0 CONCLUSÕES O desempenho de capacitores de alta potência com respeito à densidade e valores de potência tem aumentado substancialmente nas últimas décadas. Adicionalmente a esse fato, deve-se considerar a melhoria da confiabilidade em serviço associada ao desenvolvimento do dielétrico do capacitor devido à redução dos pontos fracos do mesmo, da qualidade (pureza) e propriedades do material utilizado e do processo de fabricação utilizado. Para garantir o mínimo de perturbação na operação de bancos de capacitores devido à falhas no dielétrico, diferentes arranjos de capacitores são utilizados como o de fusíveis externos, internos e fuseless. Para o tema aqui abordado, salientamos as vantagens da utilização de capacitores de fusíveis internos de altas potências em substituição aos antigos de fusíveis externos da SE Taquaril da CEMIG ainda com óleo Askarel e de potências de 100 kvar cada unidade. Dentre as vantagens técnico-econômicas do emprego de capacitores de potências superiores a 400 kvar e com experiência em campo pela CEMIG no banco de capacitores da SE Taquaril, vale ressaltar: fornecimento de potência reativa com uma taxa de indisponibilidade menor dos bancos de capacitores, otimização de espaço e conseqüente redução do impacto ambiental (retirando capacitores com askarel e diminuindo o espaço físico do arranjo) e com o aproveitamento das estruturas antigas para a aplicação de capacitores de potências de 800 kvar. Dentre outras vantagens, obteve-se o ganho kvar instalado/r$, além de uma excelente desempenho do banco de capacitores. Para comparações entre os dois níveis de potência de capacitores considerados nesse artigo, foi salientado que os capacitores de potências de 800 kvar possuem o mesmo stress dielétrico, número de elementos e material ativo quando comparados aos da maioria dos bancos da CEMIG e com redução significativa do material passivo (buchas, isoladores, etc). Esse fato, segundo as regras da ANEEL, evita a perda de receita. Deve ser destacado que, a receita nesse caso é considerada razoável, uma vez que, na SE Taquaril são atualmente 18 capacitores de fusíveis internos de 800 kvar em substituição aos 144 capacitores de fusíveis externos de 100 kvar (para cada 5 módulos de kvar). Vale ainda ressaltar ainda que, o banco de capacitores da CEMIG está em serviço desde fev/2001, sem apresentar defeitos ou falhas contribuindo dessa forma para a melhoria da Qualidade de Energia. 6.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Eriksson, Esbjörn ABB Capacitors AB Sweden On the use of Fuses or Fuseless Design Concepts for Protection of Modern Power Capacitors IEEE Summer Meeting 1997 Capacitor Subcommitte, Panel Session.