Infraestrutura de Sistemas de Energia CA em Sites de Telecomunicações Este tutorial apresenta a descrição de conceitos de Infraestrutura de Sistemas de Energia CA em Sites de Telecomunicações. (Versão revista do tutorial original publicado em 29/03/2004). 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 - 2001, 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
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. Email: vmartins@teleco.com.br Categoria: Infraestrutura para Telecomunicações Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 24/11/2008 2
Infraestrutura de Sistemas de Energia CA: O que é? O Sistema de Energia CA é um conjunto de infraestrutura de componentes e equipamentos eletro-eletrônicos que tem por finalidade prover o suprimento, distribuição e supervisão de energia em corrente alternada (CA) de baixa tensão para as cargas de sistemas e equipamentos instalados em estações de telecom. As cargas consumidoras da energia CA nas estações de telecom são basicamente: sistema de iluminação geral e tomadas; sistema de energia CC (24 ou -48 Vcc); sistema de ar condicionado; alimentação de motores em geral, tais como bombas e elevadores. Neste tutorial não estarão abordado sistemas ininterruptos de energia do tipo No-break ou também chamadas UPS (Uninterruptible Power System), ou outros tipos de alimentação alternativas, tais como painéis solares, fotovoltaicos etc. As instalações dos sistemas de energia de corrente alternada merecem um tipo comum de classificação segundo o porte de demanda do consumo de energia, dimensionado em KVA (kilo Volt-Amperes). Essa classificação determina portanto três tipos sistemas de energia CA: Sistema Demanda Aplicável nos casos mais comuns de... Pequeno Porte até 60 KVA estações do tipo ERBs Médio Porte 60 a 300 KVA estações centrais Grande Porte acima de 300 KVA estações e edifícios de grande consumo de energia. 3
Infraestrutura de Sistemas de Energia CA: Princípio de Funcionamento Um sistema de energia AC para aplicação na industria de telecom é dimensionado de maneira a prover alimentações de 127, 220 ou 440 volts AC, monofásico e trifásico, para os consumidores internos de uma planta de telecom, a partir e fontes de energia provenientes da rede de energia elétrica de concessionárias comerciais ou, na falta desta, por geradores locais de energia. Se observado o diagrama a seguir, podemos identificar os principais componentes constituintes de um sistema de energia AC. Fonte de Energia de Entrada - Representa uma fonte de energia de CA de propriedade de uma concessionária local de suprimentos de energia comercial. Essa fonte de energia pode ser em Alta Tensão ou em Baixa Tensão. Quadro ou Cabine de Entrada - A distribuição interna ao site de telecom é sempre em Baixa Tensão, em valores de tensão padrões de 127, 220 ou 440 volts AC. No caso de fornecimento em Alta Tensão, o site de telecom terá uma cabine ou subestação local que transforma em uma rede de Baixa Tensão. Este quadro ou cabine de energia é o ponto é o ponto de interface entre o fornecimento externo de energia e os demais elementos do sistema internos à estação. Grupo Moto Gerador (GMG) - É uma fonte de energia local na própria estação de telecom, constituída por um ou mais grupos moto geradores (GMG). O GMG é um equipamento constituído por um motor a diesel acoplado a um alternador síncrono trifásico, montado sobre uma base comum. Ele poder ser estacionário (fixo) na estação, ou então pode ser um móvel (GMG-M), que é levado e conectado à estação em situações em que houver a falta de energia principal da concessionária. Quadro de Distribuição Geral - É o quadro que alimenta as cargas instaladas, devendo sempre existir em qualquer configuração de um sistema de energia CA. É desse quadro que é feita a distribuição para outros quadros intermediários de distribuição de energia ao longo da estação telecom. Pelo fato de haver um compromisso de custo de disponibilidade de energia elétrica, as instalações são projetadas considerando o 4
grau de criticidade das cargas. Para tanto, as cargas de energia AC de uma estação podem ser classificadas em normais ou essenciais, ligadas em barramentos de conexões independentes e isolados. Unidade de Supervisão de Corrente Alternada (USCA) - É a unidade que recebe, controla, protege e comanda a transferência das fontes de energia CA disponíveis na estação, sinalizando seu estado de funcionamento para dispositivos locais ou a sistemas de gerenciamento remoto. Alimentação DC da USCA - As unidades USCA são alimentadas por uma fonte de energia independente, normalmente proveniente do sistema de energia DC - alimentado por banco de baterias. Quadro de Transferência Manual/Automático - Destinado a efetuar a comutação automática ou manual da alimentação do barramento essencial pelas fontes de energia CA - comercial ou GMG. 5
Infraestrutura de Sistemas de Energia CA:Características Técnicas e Funcionais dos Componentes Na seqüência estão descritas algumas informações gerais a respeito das características técnicas e funcionais dos componentes descritos no item anterior. Quadro Geral de Entrada (QGE) ou Cabine Primária A alimentação da concessionária local são fornecidas em dois padrões de entrada: Alimentação em baixa tensão 220Y/127 V, 3F+N (3 fases + Neutro) Alimentação em 13,8 k V O tipo da fonte da entrada de energia CA dependerá da disponibilidade local por parte da concessionária comercial, além do acesso à linha de distribuição mais próxima. A empresa concessionária de serviço local normalmente tem seus padrões definidos para cada região de sua rede de energia. O projeto do site deve levar isto em consideração para a situação de consumo atual e possíveis expansões futuras. Caso a linha da concessionária seja Alta Tensão, por ex. 13,8 kv, deverá ser provido transformador abaixador para a tensão nominal da estação em 220Y/127 V, 3F+N, 60 Hz. As instalações desse tipo são feitas segunda as normas da empresa de energia local e da norma ABNT NBR-14039 - INSTALAÇÕES ELÉTRICAS EM AT (de 1,0 kv a 36,2 kv), última revisão. Caso a fonte da concessionária já seja em 220Y/127 V, deverá ser prevista a conexão diretamente a um quadro geral de entrada, que tem por finalidade receber o circuito elétrico proveniente da concessionária através de disjuntor caixa moldada. Essa entrada também contém protetores de surto de tensão ou descargas atmosféricas, instalados entre cada fase e terra, com capacidade típica de 200 ka. O fornecimento da cabine ou do quadro de entrada deve estar de acordo com os procedimentos e normas da concessionária local. A documentação e projetos necessários são elementos essências para se obter a aprovação junto à empresa de energia. Portanto, é recomendável que seja feita a contratação global do projeto do entrada de energia do site por uma empresa especializada e acostumada no atendimento das normas e procedimentos locais. 6
Grupo Moto-Gerador (GMG) e Unidade de Supervisão de Corrente Alternada (USCA) O grupo gerador poderá ser fixo ou móvel. No caso fixo, ele permanecerá montado na estação enquanto o tipo móvel será conectado externamente ao QGE, através de tomada de força apropriada. O grupo gerador diesel deverá ser especificado com potência nominal para uso contínuo compatível com o projeto, para alimentar todas as carga consideradas essenciais da estação após a falha da energia proveniente da concessionária. O gerador será trifásico, auto-excitado, 220Y/127 V, 60 Hz, com grau de proteção compatível para instalação ao tempo. Potência nominal do GMG : é a potência do GMG expressa em KVA, com fator de potência 0,8 indutivo calculada com o motor diesel trabalhando nas condições ambientais de 736 mmhg de pressão, 20ºC de temperatura, 60% de umidade relativa do ar e na rotação nominal O GMG funciona sob comando e supervisão de uma USCA. Devido as particularidades de interfaces de conexões entre o GMG e a USCA, é muito comum que o fornecedor do GMG seja o mesmo da USCA. Para o fornecimento de GMG do tipo fixo na estação, é comum haver os seguintes requisitos que devem ser atendidos pelo fornecedor do GMG e USCA: O grupo será fornecido com quadro de transferência automático, que providenciará a partida e transferência da alimentação automaticamente após a queda de energia. A partida do gerador será através de banco de baterias -48 VCC, montado no próprio grupo. O quadro de transferência deverá ser parte integrante do QGE, facilitando as interligações entre circuito Concessionária e gerador. Deverá também ser possível a partida manual, através de chave manual/automática. Após o retorno da alimentação da concessionária, o sistema elétrico da estação será automaticamente suprido essa fonte normal. Porém deverá existir uma temporização para desligamento do gerador e desconexão dos contatores a fim de se evitar partidas após religamentos constantes da Concessionária. Deve ser avaliada a necessidade de provisão de proteção/diminuição de ruídos, caso o local de instalação da estação seja próximo a área residencial, considerando a legislação vigente no respectivo município. Como regra básica, nessa condição, o nível de ruído durante a operação do grupo não poderá ultrapassar 60 db, a 10 m de distância. Deve haver um efetivo intertravamento elétrico e mecânico entre os dispositivos de conexão das fontes de energia CA ao barramento da carga, de tal forma que se garanta a não ocorrência de paralelismo das fontes CA, sob hipótese alguma. Grupo Moto Gerador - Móvel (GMG-M). Grupo Moto Gerador (GMG) com as unidades de controle. Para situações em que o projeto da estação telecom leve apenas em conta a necessidade de utilização de um GMG do tipo móvel - onde o índice de confiabilidade do sistema de energia AC não seja crítico, a estação telecom deve prover uma conexão através de tomada de força 4 polos (3F+N), instalada ao lado do QGE, com capacidade e amperagem suficientes para a conexão desse gerador. 7
Quadros de Distribuição 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 alternadas. Os disjuntores devem conter o número de pólos compatível com o circuito a alimentar não utilizar disjuntores monopolares, conectados por barras, para proteção de circuitos bi ou tripolares possuir barramentos de cobre eletrolítico estanhado atender a norma ABNT/NBR-6808 - CONJUNTOS DE MANOBRA E CONTROLE DE BAIXA TENSÃO, em sua última revisão. Como regra geral, a distribuição interna da energia do site deverá ser efetuada através de esteiras (leitos para cabos), perfilados ou eletrodutos embutidos, todos especificados em aço galvanizado a fogo, dimensionados conforme o projeto de detalhamento. Circuitos de tensão e isolação de cabos diferentes não podem ser instalados na mesma esteira, eletroduto ou perfilado, sob nenhuma hipótese, devendo possuir separação suficiente para se evitar interferências em sinais eletrônicos ou de controle. Nos locais de circulação de veículos, é recomendável que os eletrodutos enterrados deverão ser envelopados, a uma profundidade mínima entre o nível superior do envelope e o piso de no mínimo 0,80 m. Quando necessária a instalação de caixas de passagem para as tubulações, estas deverão ser fornecidas em ferro galvanizado a fogo com alças de mesmo material, além de possuir selagem conveniente para os circuitos de entrada e saída e a tampa, garantindo-se a perfeita estanqueidade da mesma. 8
Infraestrutura de Sistemas de Energia CA: Configurações As configurações macro de sistemas de energia CA podem ser estabelecidas levando-se em consideração a qualidade da fonte de energia externa de CA oferecida por uma concessionária, ou mesmo ainda no caso da não existência da mesma. A seguir estão apresentadas algumas das configurações possíveis de instalações desses sistemas de energia, que levam em conta principalmente o grau de disponibilidade desejado para o sistema. Configuração Sem Energia Comercial - utilização de dois grupos moto geradores (GMG) Esta configuração pode ser vista em situações de alimentação de Estações Rádio Base (ERB) móveis, utilizadas em eventos temporários. Configuração Com Energia Comercial em Estações de Pequeno Porte - uma entrada de alimentação comercial e um grupo moto gerador (GMG) fixo. Este tipo de configuração é a mais utilizada quando a rede comercial de energia é confiável. Todas as cargas são do tipo normal, ligadas num único barramento. O GMG atua como elemento de contingência para o caso de queda da energia comercial. 9
Configuração Com Energia Comercial em Estações de Médio de Grande Porte - Uma entrada de energia da rede comercial, um GMG fixo e mais uma conexão para GMG-M. Situação e que a instalação de energia CA contenha elementos de carga essenciais, exigindo um grau maior de contingência, através de uma terceira fonte de energia CA, pelo GMG móvel. Esta configuração é a mais utilizada m estações de médio e grande porte, em que o desligamento de certas cargas essenciais trarão grande impacto na rede e telecom. 10
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Infraestrutura de Sistemas de Energia CA: Considerações Finais Importância da documentação da instalação ( as-built ) Um projeto de um sistema de energia CA deve conter no mínimo: Critérios Gerais do Projeto de Sistema de Energia CA 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 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 CA, de forma a garantir uma boa qualidade na instalação final. Sistema de Aterramento Descarga Atmosférica Num sistema de energia CA é muito importante a sua conexão ao sistema de aterramento da estação de telecom. As companhias comercias de energia elétrica condicionam a aprovação dos projetos elétricos conjuntamente com o projeto de aterramento. Consideramos que um tutorial deve ser escrito exclusivamente sobre esse assunto, no entanto, traçamos alguns pontos importantes em relação a esse tópico neste tutorial. Segundo a norma Telebrás para aterramento, um sistema de aterramento para telecom tem por finalidade: segurança do pessoal de operação, manutenção e usuários contra tensões perigosas; proteção contra sobretensões elevadas que possam provocar danos nos equipamentos; limitação dos níveis de ruído e diafonia; uso do terra como caminho de retorno para um dos condutores do circuito de corrente contínua; prevenção contra entrada na rede elétrica local de correntes de alta freqüência geradas por retificadores; atendimento aos requisitos legais, porventura existentes. Existem inúmeros processos de execução de aterramento, baseados em conceitos técnicos distintos; marcados por muita controvérsia. Sem levar isto em consideração aqui neste tutorial, a seguir estão listadas algumas regras básica para o projeto de um sistema de aterramento: Deverá ser prevista malha geral de aterramento, através de cabo de cobre nu e hastes de aterramento de aço revestido por camada de cobre, em quantidade suficiente para se obter uma resistência a terra mínima de 5 ohms. Todas as partes metálicas não condutoras da estação, inclusive a torre, cercas, esteiras, caixa telefônica (RF), etc., deverão ser conectadas à malha geral. O aterramento é uma conexão dos circuitos elétricos a um meio condutor (terra) que se torna um plano de referência comum. Sistema de Aterramento é um conjunto de eletrodos, barramentos e condutores de terra, interligados 12
Referências O neutro da Concessionária, o neutro do gerador, juntamente com as barras de terra e de neutro do QGE, deverão também ser conectados à essa malha, através de uma única barra de cobre centralizadora dessas conexões. permanentemente, formando uma unidade de baixa resistência. A partir da barra de terra do QGE, será provida interligação com cabo isolado à barra de terra do Quadro de Energia CC da estação. A partir dessa barra de terra, deverão ser providos cabos isolados para aterramento individual de todos os sistemas independentes internos à estação. Os quadros eletrônicos também devem ser aterrados através desse cabo isolado. Deverá ser previsto poço de inspeção para medição de resistência de terra. O projetista será também responsável pela medição local da resistividade do solo. Deverá ser previsto um sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA), tipo Franklin, projetado de acordo com as normas ABNT/NBR-5419 - PROTEÇÃO DE ESTRUTURAS CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS, ou conforme ANSI/NFPA 78 - LIGHTNING PROTECTION CODE -USA, em sua última revisão. O conceito e premissa básicos para o projeto do SPDA deverá ser sua instalação fora do prédio da estação. Isso significa que não poderão ser previstos para raios na parte superior (teto) do prédio, devendo ser projetados os captores em estruturas construídas nas laterais da estação. Os ângulos e áreas de proteção deverão seguir as normas acima referenciadas. As descidas do sistema de proteção atmosférica deverão ser efetuadas com cabo de cobre nu, devidamente protegidas. A conexão ou não do sistema de proteção atmosférica à malha geral de aterramento deverá ser discutida e registrada em ata, com os fornecedores dos equipamentos da estação, durante a fase de projeto, mantendo as garantias operacionais e de manutenção, sob qualquer situação. 1. TELEBRAS 240-505-701: Especificações Gerais de Sistemas de Corrente Alternada; 2. TELEBRAS 240-475-701: Especificações Gerais de Unidade de Supervisão de Corrente Altrnada (USCA); 3. TELEBRÁS 240-505-704 : Especificações Gerai de Grupo Moto Gerador - GMG; 4. TELEBRÁS 240-520-701 : Especificação Gerais de Sistema de Aterramento; 5. ABNT NBR-14039 Instalações Elétricas em AT (de 1,0 kv a 36,2 kv); 6. ABNT NBR-6808 Conjuntos de Manobra e Controle em BT; 7. ABNT NBR-5410 Instalações Elétricas em BT; 8. NFPA 70 National Electrical Code ( NEC); 9. ABNT NBR-6150 Eletrodutos de PVC Rígido; 10. ABNT NBR-7288 Cabos de Potência com Isolação em PVC para Tensões de 1 a 20 k V; 11. ABNT NBR-6148 Fios/Cabos com Isolação em PVC para Tensões de 750 V sem Cobertura; 12. IEEE/ANSI Std.446 Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems; 13. IES Lightning Handbook; 14. ABNT NBR-5419 Proteção de Estruturas Contra Descargas Atmosféricas; 15. ANSI/NFPA 78 Lightning Protection Code; 16. Portaria nr. 1141/GM5 do Ministério da Aeronáutica publicada em 08/12/87 pelo Diário Oficial da União. 13
Infraestrutura de Sistemas de Energia CA: Teste seu Entendimento 1. Em relação aos conceitos do Sistema de Energia CA, qual das alternativas está incorreta? Um sistema de pequeno porte são aqueles em que o fornecimento de energia é menor que 40 KVA. Em estações de telecom, o projeto elétrico deve levar em conta uma classificação das cargas consumidoras em essenciais e normais. O aterramento é uma conexão dos circuitos elétricos a um meio condutor (terra) que se torna um plano de referência comum. 2. De acordo com texto, qual das afirmativas NÃO está correta? Alimentação de entrada da concessionária são classificadas em Alta e Baixa Tensão. As tensões de baixa tensão CA são de 24Vca e 48Vca. A USCA tem por finalidade controlar, proteger e comandar a transferência das fontes de energia CA disponíveis na estação. 3. Qual das afirmativas NÃO está correta? Deve existir um mecanismo de intertravamento na USCA que evite paralelismo na carga entre as fontes de alimentação do GMG e energia comercial. Quando a concessionária comercial fornece apenas tensão de alimentação em 13,8 KV, a estação deve conter um transformador abaixador de tensão. O sistema de aterramento de uma estação tem por única finalidade a segurança do pessoal de operação, manutenção e usuários contra tensões perigosas. 14