A Utilização de Filtros Harmônicos Passivos em Sistemas Desequilibrados em BT: Estudos em Estações Telefônicas

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1 A Utilização de Filtros Passivos em Sistemas Desequilibrados em BT: Estudos em Estações Telefônicas Garcia, Flávio R. (*); Naves, Alexandre C.; Santos, Tércio dos SADEFEM S/A. Feichtenberger, Leandro A.; Braghiroli, Edson M.; Inaba, Mário K.; Santos, Mario J. A. TELEFÔNICA S/A. RESUMO Este artigo tem como objetivo mostrar os resultados da aplicação de filtros sintonizados em baixa tensão ( Volts) em estações telefônicas com cargas fortemente desequilibradas e altos índices de distorção harmônica de tensão. A motivação para a instalação destes filtros de, além da correção do fator de potência que ficou comprometida pelos problemas de queima ocorridos nos bancos de capacitores comuns, consistiu na redução dos níveis de distorção harmônica de tensão e corrente nestas estações telefônicas que estavam causando problemas de queima de equipamentos eletrônicos e atuação indevida das proteções por sobrecarga harmônica. Os resultados mostrados neste trabalho demonstrarão os diversos efeitos positivos da aplicação destes tipos de equipamentos passivos, mesmo em sistemas elétricos fortemente desequilibrados. Palavras-Chave, Desequilíbrios, Filtros Passivos, Fator de Potência, Estações Telefônicas. I. NOMENCLATURA DHTV Distorção Harmônica Total de Tensão; DHTI Distorção Harmônica Total de Corrente; ET Estações Telefônicas II. INTRODUÇÃO: stá bastante difundido nos meios técnicos, industriais e É acadêmicos, diversos casos de aplicação de filtros passivos com o objetivo de reduzir os níveis de distorção harmônica presentes nas formas de onda de tensão e de corrente, bem com prover a correção do fator de potência no ponto onde tais equipamentos são instalados. Porém muito poucos casos práticos utilizaram este tipo de solução em baixa tensão, principalmente na tensão de Volts e com cargas com um alto grau de desequilíbrio, principalmente em corrente elétrica. A aplicação de filtros passivos em tensões mais baixas ( Volts trifásico ou Volts monofásico) quase sempre foi evitada devido aos elevados valores de correntes, fundamentais e harmônicas, que circulam nestes circuitos e a vários paradigmas técnicos tais como: saturação do reator de sintonia, perdas técnicas e aquecimento excessivo dentro dos painéis metálicos, bem como a uma alta dinamicidade das cargas elétricas conectadas nestas barras de baixa tensão, gerando fortes desequilíbrios de corrente. Um dos sistemas elétricos em Volts que mais problemas (*) Flávio R Garcia é consultor técnico da SADEFEM S/A Área de Compensação Reativa e QEE Rodovia Manoel de Abreu, km. Araraquara/SP CEP:.-9 ( vêm experimentando devido aos elevados valores de geração harmônica pelo funcionamento de suas cargas não-lineares são as Estações Telefônicas. Durante muitos anos a correção do fator de potência deste tipo de instalação foi realizada através de bancos de capacitores comuns e, em alguns casos, com filtros dessintonizados. Porém as queimas sucessivas de capacitores e componentes eletrônicos, e atuações indevidas dos equipamentos de proteção destas cargas (disjuntores, fusíveis, etc.) levaram a uma das maiores empresas de telefonia no Brasil a juntar esforços junto a um fabricante nacional de filtros de passivos na busca de uma solução definitiva para os problemas supramencionados. Assim sendo, estações telefônicas (ETs) que apresentavam problemas de e de fator de potência foram selecionados e passaram um processo completo análise contemplando medições em campo de horas, estudos/simulações de e filtros de e fator de potência, projeto, fabricação, instalação, comissionamento, start up e validação dos resultados obtidos em campo. Destas estações, este artigo selecionou três casos diferenciados que serão descritos a seguir, visando mostrar os seguintes pontos: a) Tensão, corrente, FP, Potência Ativa e Reativa; b) Desequilíbrios de tensão e de corrente; c) Níveis de distorção harmônica de tensão e de corrente, com e sem os filtros de ; d) Ganhos obtidos com a instalação de filtros de. Sintonizados. Das estações telefônicas (ETs) onde medições, estudos e equipamentos de filtragem harmônica instalados, foram selecionadas para análise neste artigo: ET irapuera; ET São Bernardo do Campo ET Vila Paulicéia III. ESTUDOS DE HARMÔNICOS E FATOR DE POTÊNCIA: Antes da aplicação de qualquer tipo de filtro harmônico passivo é fortemente recomendada à realização prévia de estudos de e FP visando determinar a melhor solução a ser implementada em termos de quantidade de reativos, freqüência(s) de sintonia necessária(s), graus de suportabilidade de tensão e de corrente, fundamental e harmônica. Os estudos prévios realizados para cada uma das Ets acima demonstrou a necessidade da instalação dos filtros

2 mostrados a seguir visando à redução dos níveis de DHTV e da correção do Fator de Potência nestas instalações. III. ET irapuera: Nesta estação telefônica, os problemas de e fator de potência foram detectados no transformador TR e os filtros foram previstos para instalação neste transformador (vide figura ). No demais transformadores a instalação de filtros de dessintonia ou bloqueadores de já atingem os resultados esperados de correção do fator de potência e limites de distorção harmônica. As figuras e representam os níveis de DHTV sem e com filtros de respectivamente: gerado pelas cargas instaladas nesta estação telefônica. III. ET São Bernardo do Campo SBC: Nesta estação telefônica, os problemas de e fator de potência estão concentrados no único transformador (vide figura ). As figuras e representam os níveis de DHTV sem e com filtros de respectivamente: Figura Diagrama Unifilar Orientativo ET SBC Figura Diagrama Unifilar Orientativo ET irapuera Figura Distorção Harmônica Total de Tensão sem Filtros de de ª, ª e ª Ordem. Figura Distorção Harmônica Total de Tensão sem Filtros de ª e ª Ordem Figura Distorção Harmônica Total de Tensão com Filtros de de ª, ª e ª Ordem. È valido observar que neste caso foram previstos filtros de ª, ª e ª ordens harmônicas em função do conteúdo harmônico Figura Distorção Harmônica Total de Tensão com Filtros de ª e ª Ordem É valido observar que neste caso foram previstos filtros de ª e ª ordens harmônicas em função do conteúdo harmônico

3 gerado pelas cargas instaladas nesta estação telefônica. III. ET Vila Paulicéia VP: Nesta estação telefônica, os problemas de e fator de potência estão concentrados em ambos os transformadores TR e TR (vide figura ). As figuras e 9 representam os níveis de DHTV sem e com filtros de obtidos dos estudos respectivamente: Figura Diagrama Unifilar Orientativo ET VP com o objetivo de reduzir os níveis de distorção harmônica total de tensão para valores inferiores a % nas barras de V e aliviar a circulação de correntes harmônicas pelos transformadores, os seguintes equipamentos de filtragem harmônica e correção do fator de potência foram propostos pela SADEFEM para a instalação nas Ets descritas neste trabalho: a) ET Vila Paulicéia: TR: Filtro Harmônico de Dupla Sintonia ( a / a ordens) fornecendo kvar / V TR: Filtro Harmônico de Dupla Sintonia ( a / a ordens) fornecendo kvar / V b) ET irapuera: TR: Filtro Harmônico de Tripla Sintonia ( a / a / a ordens) fornecendo kvar em V. c) ET São Bernardo do Campo: TR Filtro Harmônico de Dupla Sintonia ( a / a ordens) fornecendo 9 kvar / Volts Todos os equipamentos propostos estão previstos para operação fixa nos barramentos de Volts tendo em vista a operação contínua das cargas, praticamente sem grandes oscilações. Desta forma em algumas centrais onde o nível de tensão na barra está acima de Volts, deverá ser providenciado a alteração do tap do transformador para adequação da tensão. Além dos aspectos referentes a e fator de potência, um outro fato deve ser ressaltado nestas estações, quando da instalação dos filtros de passivos: as cargas são fortemente desequilibradas como podem ser observado nas medições realizadas mostradas a seguir. IV DESEQUILÍBRIO DE CORRENTE: Figura Distorção Harmônica Total de Tensão sem Filtros de ª e ª Ordem As medições realizadas nos transformadores das estações telefônicas em estudo neste trabalho, em termos de corrente RMS e DHTI, focando o tema de desequilíbrio de corrente nas cargas em Hz e são mostradas a seguir (vide figuras a ): IV. ET irapuera: Figura 9 Distorção Harmônica Total de Tensão com Filtros de ª e ª Ordem È valido observar que neste caso foram previstos filtros de ª e ª ordens harmônicas em ambos os transformadores em função do conteúdo harmônico gerado pelas cargas instaladas nesta estação telefônica. Com base em todas as medições e estudos prévios realizados 9// - 9:: 9// - :: 9// - :: 9// - :: 9// - :: 9// - :: 9// - :: 9// - :: 9// - 9:: 9// - :: 9// - :: 9// - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: Figura Corrente RMS Total no Transformador TR.

4 9// - 9:: 9// - :: 9// - :: 9// - :: 9// - :: 9// - :: 9// - 9:: 9// - :: 9// - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: Figura DHTI no Transformador TR. // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: Figura - DHTI no Transformador TR. IV. ET São Bernardo do Campo SBC: a) TR: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: Figura Corrente RMS Total no Transformador TR. // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: Figura Corrente RMS Total no Transformador TR. // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: Figura DHTI no Transformador TR. Figura DHTI no Transformador TR. IV. ET Vila Paulicéias VP: a) TR: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: Figura Corrente RMS Total no Transformador TR. As medições demonstraram que o desequilíbrio de corrente que ocorre nos transformadores das ETs irapuera, São Bernardo do Campo e Vila Paulicéia é, em grande parte, causado pelos desequilíbrios das correntes harmônicas geradas pelas cargas. Isto significa que as cargas, apesar de estarem bem equilibradas para as correntes fundamentais, possuem um alto desequilíbrio gerado pelas componentes harmônicas. Estes desequilíbrios foram considerados no dimensionamento dos filtros de, visando a suportabilidade térmica dos componentes destes filtros. Também foram avaliadas as performances dos filtros de operando nestes sistemas desequilibrados e os resultados obtidos quanto aos níveis de distorção de tensão na barra e de corrente nos filtros e nos transformadores são mostrados no tópico a seguir.

5 V RESULTADOS DAS INSTALAÇÕES DOS FILTROS DE HARMÔNICOS NAS ESTAÇÕES TELEFÔNICAS: Os resultados foram obtidos após a a posta em marcha dos filtros de passivos em cada uma das estações telefônicas descritas anteriormente. V. ET irapuera (TR): Na figura a distorção harmônica de corrente foi reduzida de,% para valores abaixo de % no secundário do transformador TR, além de uma redução significativa na corrente RMS neste transformador (figura ). V. ET São Bernardo do Campo SBC (TR): Entrada dos Filtros em Operação Entrada em operação dos Filtros de /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :9: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :9: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :9: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :9: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :9: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:9: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: Figura Corrente RMS com e sem filtros de. Figura Corrente RMS com e sem filtros de. 9 Entrada dos Filtros em Operação Entrada em operação dos Filtros de /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: Figura DHTV com e sem filtros de. Figura 9 DHTV e sem filtros de. Entrada dos Filtros em Operação Entrada em operação dos Filtros de /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: /9/ - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - 9:: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: Figura DHTI com e sem filtros de. Observações: Na figura 9 a distorção harmônica de tensão foi reduzida de,% para valores inferiores a % no secundário do TR (dentro do limites recomendados pela IEEE-9/99). Figura DHTI com e sem filtros de. Observações: Na figura a distorção harmônica de tensão foi reduzida de,% para valores inferiores a % no secundário do TR (dentro do limites recomendados pela IEEE-9/99). Na figura a distorção harmônica de corrente foi reduzida de,% para valores abaixo de % no secundário do transformador TR, além de uma redução significativa na corrente RMS neste transformador (figura ).

6 V. ET Vila Paulicéia VP: a) TR: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: Figura DHTV com e sem filtros de. // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: Figura Corrente RMS com e sem filtros de. 9 // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: Figura DHTV com e sem filtros de. Figura 9 DHTI com e sem filtros de. Observações: Nas figuras e a distorção harmônica de tensão foi reduzida de,% para valores inferiores a,% no secundário do TR e de,% para,% médios no TR (dentro do limites recomendados pela IEEE-9/99). Nas figuras e 9 a distorção harmônica de corrente foi reduzida de,% para valores abaixo de % no secundário do transformador TR e de % para,% médios no secundário do transformador TR, além de uma redução significativa na corrente RMS nestes transformadores (figuras e ) // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: Figura DHTI com e sem filtros de. a) TR: 9 VI CONCLUSÕES: As medições, estudos e simulações acima mostrados nos permitem concluir que, além da correção do fator de potência das instalações, a aplicação de filtros de passivos sintonizados traz grandes benefícios técnicos com a redução dos níveis de distorção harmônica de tensão e corrente, aliado a uma forte redução da corrente RMS nos circuitos dos secundários dos transformadores e uma conseqüente liberação de carga nestes transformadores. O Artigo também demonstrou que mesmo com cargas não-lineares desequilibradas, os filtros passivos mantiveram os resultados de desempenho previstos nos estudos realizados. // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :9: // - :: // - :: // - :: // - :: // - :: Figura Corrente RMS com e sem filtros de. VII REFERÊNCIAS: [] Relatórios de Estudos de e Fator de Potência para Estações Telefônicas - SADEFEM S/A - TELEFÔNICA S/A. Maio/. [] Relatórios de Posta em Marcha Harmônicas - SADEFEM S/A - TELEFÔNICA S/A. Agosto a Outubro de.