Correção do Fator de Potência e Redução da Distorção Harmônica em planta industrial por meio de Banco de Capacitor Dessintonizado.

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1 Correção do Fator de Potência e Redução da Distorção Harmônica em planta industrial por meio de Banco de Capacitor Dessintonizado. Resumo Este artigo tem como objetivo apresentar resultados obtidos de medições e simulações referentes à utilização de banco de capacitores convencionais e dessintonizados para a correção do fator de potência e melhora na qualidade de energia, tanto por parte da concessionária como por parte do consumidor. A planta em análise teve como principal problema a queima e mau funcionamento dos bancos de capacitores convencionais. Em função da carga deste cliente ser em sua maioria composta de inversores de frequência associada a uma baixa potência de curto circuito, o nível de distorção harmônica de tensão nas barras de baixa tensão era elevado, em decorrência da amplificação provocada pelos bancos de capacitores inseridos no sistema elétrico. Para análise da qualidade de energia, foram realizadas medições preliminares tanto no sistema elétrico da concessionária em 13,8kV PAC (Ponto de Acoplamento Comum) como na baixa tensão do cliente em,38kv. O alimentador deste cliente é radial em 13,8kV, com uma corrente de curtocircuito trifásica de 762A. Este cliente está a aproximadamente 1 quilômetros de distância da subestação da concessionária. Palavraschaves Capacitores, Indutores, Filtro de Harmônicas, Banco de Capacitores Dessintonizado, Ressonância, Fator de Potência, Inversor de Frequência, Medição, Carga não Linear. I. INTRODUÇÃO A correção do fator de potência por bancos de capacitores com indutores de dessintonia é realizada para evitar a ressonância do banco de capacitores com o sistema elétrico, evitando a queima, aumentando a vida útil e também reduzindo consequentemente a amplificação dos níveis de harmônicos. O estudo prévio do sistema para o projeto envolve medições e simulações, quando existe um nível de distorção harmônica elevado no sistema. Dependendo do FD (fator de dessintonia) e da impedância do sistema, mais harmônicas serão absorvidas pelo conjunto banco de capacitor e indutor. Analisando o fator de dessintonia é possível verificar que, quanto menor é o percentual do fator de dessintonia, maior é a Fr (frequência de ressonância entre o indutor e o capacitor). O projeto do banco de capacitores dessintonizado visa primeiramente a correção do fator de potência em redes com elevada distorção harmônica, entretanto como esse sistema é também um filtro, a característica da impedância do sistema é modificada, evitando a ressonância e drenando mais ou menos correntes harmônicas conforme fator de dessintonia e demais características. II. ANÁLISE E MEDIÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO ANTES DA INSTALAÇÃO DOS BANCOS DE CAPACITORES DESSINTONIZADOS Fig. 1. Diagrama Unifilar Geral. Na figura 1 são indicados os pontos de medição juntamente com o diagrama unifilar da planta, disposição dos transformadores, bancos de capacitores e cargas. Volts /2/21 AB Vrms (avg) BC Vrms (avg) CA Vrms (avg) 3: 6: 9: 12: 1: 18: 21: 24/2/21 Fig. 2. Medição 1, Tensão Fase Fase [V] na Barra de 13,8kV. ABVrms 1414 BCVrms 1489 CAVrms ABVrms 1427 BCVrms 1418 CAVrms 1387 As informações que seguem foram fornecidas pela concessionária de energia e dados levantados em campo. 1

2 A VThd (avg) B VThd (avg) AVThd BVThd AVThd 4.78 BVThd 4.73 III. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA ELÉTRICO O sistema elétrico analisado é basicamente composto por motores de indução trifásicos, sendo os mesmos acionados por inversores de frequência ou partida direta, separados em dois transformadores conforme informações das Tabelas I e II. 23/2/21 Amps /2/21 3: 6: 9: 12: 1: 18: 21: 24/2/21 Fig. 3. Medição 1, DHTv[] Fase Fase [V] na Barra de 13,8kV. A Irms (avg) B Irms (avg) 3: 6: 9: 12: 1: 18: 21: 24/2/21 Fig. 4. Medição 1, Corrente [A] em 13,8kV. AIrms 4.2 BIrms AIrms BIrms.6 As medições no PAC (ponto de acoplamento comum) são indicadas nas figuras 2, 3, 4 e. A tensão está dentro do limite de regulação de 7/+ conforme os limites PRODIST. A DHTv[] (distorção harmônica total de tensão) no PAC está no limite de conforme a IEEE19 e abaixo do limite de 8 conforme o PRODIST AIThd 1.88 BIThd AIThd 11 BIThd 13.4 TABELA I. PERCENTUAL DE CARGAS LINEARES/NÃO LINEARES TR1. Carga Tipo de Carga [] Carga Linear [] Carga Não Linear [] Carga Linear [] Carga Não Linear [] TABELA II. PERCENTUAL DE CARGAS LINEARES/NÃO LINEARES TR2. Carga Tipo de Carga [] Carga Linear [] Carga Não Linear [] Carga Linear [] Carga Não Linear [] A correção do fator de potência era realizada por meio de banco de capacitores ros, mantendo o fator de potência acima de,92i no PAC e na baixa tensão. No TR1 haviam instalados 6kVAr/38V em capacitores com tecnologia PPM (Polipropileno Metalizado) e no TR2 1kVAr/38V, também com tecnologia PPM. Os capacitores com tecnologia PPM possuem valores baixos de suportabilidade para distorção harmônicas de tensão maiores que 3 e para distorções harmônicas de corrente maiores que 1, com base em informações de fabricantes e medições em campo TR1 AVThd AVG 6.2 BVThd AVG 6.64 CVThd AVG 6.79 TR1 9 AVThd 6.46 BVThd 6.6 CVThd /2/21 A IT hd (avg) B IT hd (avg) 3: 6: 9: 12: 1: 18: 21: 24/2/21 Fig.. Medição 1, DHTi[] em 13,8kV /2/21 TOT P() (avg) TOT D(vec) (avg) 3: 6: 9: 12: 1: 18: 21: 24/2/21 TOTP() 192 TOTD(vec) TOTP() 169 TOTD(vec) :7 28/7/21 13:8 13:9 14: 14:1 Fig. 7. Medição 2, DHTv[] em 38V no TR1. TR1 AIThd AVG BIThd AVG CIThd AVG 2.17 TR1 9 AIThd BIThd 12 CIThd Fig. 6. Medição 1, Potência Ativa [] e Fator de Potência[] em 13,8kV. A planta industrial trabalha em regime continuo, parando somente no horário de ponta conforme pode ser verificado na Fig. 4. A DHTi[] (distorção harmônica total de corrente) varia com carga máxima entre 1 e 16 no PAC (Ponto de Acoplamento comum) em 13,8kV. 1. A IT hd (avg) B IT hd (avg) C IThd (avg) 13:7 13:8 13:9 14: 14:1 28/7/21 Fig. 8. Medição 2, DHTi[] em 38V no TR1. 2

3 :7 28/7/21 TOT P() (avg) 13:8 13:9 14: 14:1 TR1 TOTP() AVG 849. VAL.9832 TR1 9 TOTP() Fig. 9. Medição 2, Potência Ativa [] e Fator de Potência [] em 38V no TR TR2 AVThd 4.46 BVThd.41 CVThd.29 TR2 9 AVThd 4.4 BVThd.3 CVThd.17 suportabilidade recomendada, causando problemas já relatados. Nas figuras 1 e 11 onde as medições foram realizadas no TR2 é possível verificar que o nível de DHTv[] está menor que no TR1, ficando no limite da IEEE 19. Este transformador possui em sua maioria somente cargas lineares, tendo o impacto da distorção harmônica tensão proveniente do sistema a montante. IV. SIMULAÇÃO DO FLUXO DE HARMÔNICAS Em função dos problemas ocorridos com os bancos de capacitores ros instalados, os estudos foram realizados visando à solução dos problemas de correção do fator de potência, permitindo a proteção contra a ocorrência de ressonâncias harmônicas no sistema, e mantendo a qualidade de energia dentro do nível aceitável para operação dos equipamentos. 3. 1:7 29/7/21 Thursday 1:8 1:9 1:1 1:11 1:12 1:13 1:14 1:1 Fig. 1. Medição 3, DHTv[] em 38V no TR2. a) Com os Bancos de Capacitores ros Instalados: TR2 AIThd 1.3 BIThd CIThd TR2 9 AIThd 9.2 BIThd CIThd :7 29/7/21 Thursday 1:8 1:9 1:1 1:11 1:12 1:13 1:14 1:1 Fig. 11. Medição 3, DHTi[] em 38V no TR TOT P() (avg) TR2 TOTP() TR2 9 TOTP() Fig. 13. Distorção harmônica de tensão simulada em 13,8kV e nos transformadores TR1 e TR2. 1:7 29/7/21 Thursday 1:8 1:9 1:1 1:11 1:12 1:13 1:14 1:1 Fig. 12. Medição 3, Potência Ativa [] e Fator de Potência [] em 38V no TR2. As figuras 7 e 8 mostram os valores da Distorção Harmônica de Tensão e Corrente percentuais, confirmando os dados da Tabela I, onde a maior parte da carga deste transformador são inversores de frequência, as figuras 9 e 1 indicam a Potência Ativa em KW e seu respectivo Fator de Potência [] ao longo do tempo. O nível de DHTv[] está acima de conforme a IEEE 19, reduzindo a vida útil, causando vazamentos, e posterior queima das células capacitivas e provocando constante troca dos mesmos. Com base na suportabilidade e análise das células PPM com tensão de dielétrico igual ao do barramento de conexão, é possível verificar que o nível de DHTv[] existente nas barras de conexão dos capacitores é superior a Fig. 14. Resposta em frequência da Impedância em no PAC, e nas barras de baixa tensão dos transformadores. É possível verificar que os valores medidos de distorção harmônica de tensão listados nas figuras 3, 7 e 1 na baixa e alta tensão, refletem com os dados da figura 13 conforme modelos simulados. 3

4 b) Com os Banco de Capacitores Dessintonizados: Volts ABVrms 137 BCVrms CAVrms ABVrms 1384 BCVrms CAVrms AB Vrms (avg) BC Vrms (avg) CA Vrms (avg) 3: 6: 9: 12: 1: 18: 21: 21/3/212 Fig. 18. Medição 4, Tensão Fase Fase [V] em 13,8kV 4 3 AVThd BVThd 2.42 CVThd AVThd BVThd CVThd 2.62 Fig. 1. Distorção harmônica de tensão simulada em 13,8kV e nos transformadores TR1 e TR : 6: 9: 12: 1: 18: 21: 21/3/212 Fig. 19. Medição 4, DHTv[] Fase Fase em 13,8kV Amps AIrms 4.81 BIrms.34 CIrms AIrms 4.8 BIrms 49.6 CIrms A Irms (avg) B Irms (avg) C Irms (avg) 3: 6: 9: 12: 1: 18: 21: 21/3/212 Fig. 2. Medição 4, Corrente [A] em 13,8kV Fig. 16. Diagrama Unifilar com os pontos de instalação dos bancos de capacitores Dessintonizados (FD=7 222Hz) AIThd 12.1 BIThd 1.82 CIThd AIThd BIThd 1.17 CIThd : 6: 9: 12: 1: 18: 21: 21/3/212 Fig. 21. Medição 4, DHTi[] em 13,8kV Fig. 17. Resposta em frequência da Impedância em no PAC e nas barras de baixa tensão dos transformadores TOT P() (avg) TOTP() 174 TOTD(vec) TOTP() 16 TOTD(vec).9689 V. ANÁLISE DAS MEDIÇÕES REALIZADAS APÓS A INSTALAÇÃO DOS BANCOS DE CAPACITORES DESSINTONIZADOS. As medições realizadas após o projeto e instalação dos bancos de capacitores dessintonizados foi realizada nos transformadores de baixa tensão TR1 e TR2, bem como no PAC em 13,8kV conforme figura TOT D(vec) (avg) 3: 6: 9: 12: 1: 18: 21: 21/3/212 Fig. 22. Medição 4, Potência Ativa [] e Fator Potência [] em 13,8kV 4

5 TOT P() (avg) TR2 AVThd 4.2 BVThd 3.4 CVThd 3. TR2 9 AVThd 4.1 BVThd 3.3 CVThd TR1 TOTP() TR1 9 TOTP() : 4: 6: 8: 1: 12: 14: 16: 2: 4: 6: 8: 1: 12: 14: 16: Fig. 23. Medição 6, DHTv[] em 38V no TR2. Fig. 28. Medição, Potência Ativa [] e Fator de Potência [] em 38V no TR : 4: 6: 8: 1: 12: 14: 16: Fig. 24. Medição 6, DHTi[] em 38V no TR2. TR2 AIThd 17.2 BIThd 8.4 CIThd 1.2 TR2 9 AIThd 13.7 BIThd 7.4 CIThd 13. As figuras acima foram retiradas das medições, e demonstram uma melhora geral na qualidade de energia, tanto na barra de média tensa 13,8kV como na baixa tensão dos transformadores. O sistema opera com fator de potência acima de,92i e tensão dentro dos limites de regulação de tensão impostos pelo PRODIST. O tendência da DHTv[] no PAC e na baixa tensão dos transformadores permaneceu abaixo do limite de conforme recomenda da IEEE TOTP[] 2: 4: 6: 8: 1: 12: 14: 16: Fig. 2. Medição 6, Potência Ativa [] e Fator Potência [] em 38V no TR2. 2: 4: 6: 8: 1: 12: 14: 16: Fig. 26. Medição, DHTv[] em 38V no TR1. 2: 4: 6: 8: 1: 12: 14: 16: Fig. 27. Medição, DHTi[] em 38V no TR1. TR2 TOTP[] TR2 9 TOTP[] TR1 AVThd.2 BVThd.2 CVThd 4.7 TR1 9 AVThd. BVThd. CVThd 4. AIThd 16. BIThd 1.4 CIThd AIThd 1.3 BIThd 14.3 CIThd 14.6 TABELA III. RESUMO DAS MEDIÇÕES DO SISTEMA ELÉTRICO COM BANCO DE CAPACITORES. Grandeza DHTv[] Máxima DHTv[] P9 DHTi[] Máxima DHTi[] P9 FP PAC 13.8kV 4,42 4,7 1,88 1,1,9 192 TR1 38V 6,79 6,71 21,62 21,46, TR2 38V,29,3 17,42 16,8,9 267 BC TR1 4,2 BC TR2 37,17 TABELA IV. RESUMO DAS MEDIÇÕES DO SISTEMA ELÉTRICO COM BANCO DE CAPACITORES DESSINTONIZADO. Grandeza DHTv[] Máxima DHTv[] P9 DHTi[] Máxima DHTi[] P9 FP PAC 13.8kV 2,72 2,62 12,1 11,13,9 174 TR1 38V,2, 16, 1,3,98 84 TR2 38V 4,2 4,1 1,2 13,7, BCD TR1 17,1 BCD TR2 1,87 Analisando as tabelas III e IV vemos que todos os objetivos foram atingidos, ou seja, realizar a correção do fator de potência sem a queima das células capacitivas e consequente redução dos níveis de distorções harmônicas de tensão e corrente. Com a aplicação dos bancos dessintonizados, o nível de DHTi[] nos ramos dos bancos de capacitores que ficava entre 3 a 4 reduziu 7 no TR1 e 7 no TR2, com valores de 17,1 de DHTi[] no TR1 e 1,87 de DHTi[] para o TR2. A DHTv[] nas barras de saída ficou dentro do limite da IEEE19 ( ) e também do PRODIST ( 1). Do ponto de vista da DHTi[] nos transformadores e PAC, a redução não foi expressiva, já que os bancos de capacitores dessintonizados não tem como prioridade a filtragem de harmônicas, mas evitar a ressonância entre os bancos de

6 capacitores e o sistema elétrico, bem como a correção do fator de potência. VIII. CONCLUSÃO Com base no estudo realizado, onde foram realizadas medições no sistema de Média Tensão 13,8kV e baixa tensão,38kv de uma planta industrial, concluímos que: As medições de qualidade de energia na baixa e média tensão são importantes para definição de um projeto específico para cada configuração do sistema elétrico. O levantamento do percentual de cargas lineares e não lineares e a correta modelagem do sistema elétrico é necessário para uma correta análise entre os resultados simulados e medidos, e, para uma correta especificação de projeto. A compensação de reativo em sistemas que possuem sistema com cargas não lineares, como inversores de frequência, e, cargas lineares que necessitam de reativo capacitivo, associada à uma baixa potência de curto circuito por parte da concessionária, deverá sempre levar em conta a possibilidade de ressonância para baixar frequências (entre o banco de capacitores e sistema elétrico). Devese analisar ainda a injeção de corrente harmônica por parte do consumidor e a distorção harmônica de tensão imposta pelo sistema de distribuição. A análise do nível de DHTv[] com base na IEEE19 e PRODIST para baixa tensão nem sempre representa um indicador confiável para suportabilidade das células capacitivas com tecnologia PPM. A utilização de banco de capacitores dessintonizados, permite a correção do fator de potência, mantendo os níveis de DHT dentro dos limites adequados, com o aumento da vida útil do sistema de compensação de reativos. A instalação de bancos de capacitores dessintonizados em plantas existentes, sempre deverá ter como base medições preliminares e posteriores(comprobatórias), juntamente com simulação de fluxo de harmônicas, fluxo de potência e pontos de ressonância de todo o sistema. REFERÊNCIAS [1] R. C. Dugan, M. F. Granaghan, S. Santoso e H. W. Beaty. Electrical Power System Quality, McGrawHill. 23. [2] J. Arrilaga, B.C. Smith, N. R. Watson and A. R. Wood. Power System Harmonic Analysis, John Wiley [3] C. Sankaran, Power Quality, CRC Press. 22. [4] Dranetz, DranView 6 User s Guide. [4] PTW32 (Power Tools for Windows) Tutorial. [6] Análise Técnico/Financeira para Correção de Fator de Potência em Planta Industrial com Fornos de Indução. Jeremias Wolff e Guilherme Schallenberger Electric Consultoria e Serviços 21. 6