V SBQEE Seminário Brasileiro sobre Qualidade da Energia Elétrica 17 a 20 de Agosto de 2003 Aracaju Sergipe Brasil Código: AJU 04 057 Tópico: Análise, Diagnóstico e Soluções ESTUDO DO IMPACTO DOS INTERHARMÔNICOS GERADOS PELA OPERAÇÃO DE FORNOS A ARCO EM FILTROS DE HARMÔNICOS: CASO REAL Flávio R. Garcia* Gilson Paulilo Ricardo Araújo LACTEC Alexandre C. Naves** INEPAR S.A. RESUMO Este artigo tem como objetivo demonstrar os resultados do monitoramento de componentes inter-harmônicos obtidos em uma grande planta siderúrgica no Brasil. A motivação deste trabalho se deveu a problemas ocorridos nos reatores do filtro de 2 o harmônico, instalados para correção do fator de potência e filtragem dos harmônicos gerados na planta. Serão mostrados os resultados das medições espectrais realizadas em campo, o tratamento estatístico destas medições e os estudos/simulações computacionais desenvolvidos. Ao final do artigo será possível verificar a real influência dos interharmônicos no sistema de filtragem harmônica em termos de sobrecarga, bem como verificar o desfecho do estudo/investigação realizado. PALAVRAS-CHAVE Inter-harmônicos - Filtros de Harmônicos Reatores - Fornos a Arco - Medições. 1.0 - INTRODUÇÃO Os inter-harmônicos, definidos pela IEC-1000-2-1 como sendo as freqüências não múltiplas da fundamental observadas entre duas ordens harmônicas consecutivas, tanto para formas de onda de tensão como para formas de onda de corrente, são hoje objetos de diversos estudos e pesquisas que visam qualificar e quantificar seus efeitos sobre os sistemas elétricos e seus componentes. As principais fontes geradoras de componentes inter-harmônicos são os equipamentos com base em ciclo-conversores, usados em uma grande variedade de aplicações desde de laminadores e motores lineares, até compensadores estáticos de reativos. Outras fontes geradoras de inter-harmônicos são os equipamentos a arco voltaico, tais como soldas elétricas e fornos elétricos a arco. Estes tipos de carga estão tipicamente associados com flutuações de tensão de baixa freqüência (freqüência esta inferior a freqüência fundamental da rede elétrica) e a resultante cintilação luminosa. Estas flutuações de tensão, também conhecidas como flicker, podem ser encaradas como componentes inter-harmônicos de baixa freqüência ou sub-harmônicos. Além destes componentes de baixa freqüência, os equipamentos a arco voltaico também exibem componentes inter-harmônicos em uma larga faixa de freqüências acima da freqüência fundamental da rede, causando problemas de aquecimento de forma similar aos gerados pelos componentes harmônicos. Além dos efeitos térmicos outros têm sido detectados tais como a sobrecarga em filtros sintonizados convencionais, interferência em sistemas de comunicação e saturação de transformadores de corrente. A necessidade da realização deste estudo / investigação se deu por problemas ocorridos nos reatores de um dos filtros de harmônicos (filtro sintonizado na 2 a harmônica) instalados no barramento de 23 kv, o qual também alimenta os fornos a arco. Nas diversas reuniões ocorridas entre o consumidor, a empresa integradora responsável * Centro Politécnico da Universidade Federal do Paraná - CP 19067 - CEP 81531-990 - Curitiba - PR - BRASIL Tel.: +55 (41) 361-6178 - FAX: +55 (41) 266-3582 - E-mail: flavio.garcia@lactec.org.br ** Inepar S/A Industria e Construções E-mail: alexandre.naves@inepar.com.br -
200 pela obra de ampliação da planta, o fabricante dos reatores e o fabricante dos capacitores (responsável pelo projeto dos filtros de harmônicos), foram avaliadas as possíveis causas do problema com os reatores. Uma das causas prováveis levantadas pelo fabricante dos reatores para justificar o problema consistiu na existência do fenômeno dos interharmônicos gerados pelos fornos a arco e as possíveis ressonâncias geradas nestas freqüências intermediárias, existentes entre os filtros de harmônicos e o sistema elétrico em estudo. Medições foram realizadas sobre o filtro de harmônicos onde ocorreu o problema e sobre os fornos a arco. Tratamentos estatísticos das medições em campo e simulações computacionais do sistema elétrico no domínio da freqüência foram executados e serviram de base para as conclusões finais do trabalho. 3.0 - MEDIÇÕES REALIZADAS EM CAMPO Foram realizadas diversas medições em campo, tanto do ponto de vista de harmônicos utilizandose analisadores de harmônicos, quanto do ponto de vista de inter-harmônicos utilizando-se analisadores espectrais. Como o problema de queima dos reatores ocorreu no filtro de 2 o harmônico, todas medições mostradas estarão sendo concentradas no barramento da aciaria e no referido filtro. 3.1 Medições de Harmônicos Os resultados das distorções harmônicas de tensão (DHV%) e corrente (DHI%) no secundário do transformador alimentador da aciaria está mostrado na figura 2 a seguir. 2.0 - SISTEMA ELÉTRICO ESTUDADO O sistema elétrico industrial estudado consiste em um planta siderúrgica de grande porte. O diagrama unifilar simplificado desta planta, sem as ampliações futuras, está mostrado na figura 1 a seguir. Figura 2 DHV e DHI na barra da aciaria. As componentes harmônicas típicas geradas por um forno a arco segundo o CIGRE e utilizadas nos estudos estão mostradas na figura 3. Figura 1 Diagrama Unifilar As informações coletadas para a realização dos estudos e simulações computacionais estão descritas a seguir. Alimentação da Planta em 138 kv. 02 Transformadores abaixadores para 23 kv, sendo um para Aciaria e o outro para a usina. 02 Fornos elétricos a arco direto. 04 Filtros de harmônicos para a aciaria (sintonizados na 2 a, 3 a, 4 a e 5 a ordens). 03 Filtros de harmônicos para a usina (sintonizados na 3 a e 5 a ordens e amortecidos na 7 a ordem). Laminadores instalados na barra da usina. Figura 3 Espectro harmônico típico de um forno a arco segundo o CIGRE. Na figura 4 são mostradas medições harmônicas realizadas nos filtros de 2 a e 3 a ordem, ambos alimentados pelo mesmo disjuntor de entrada.
201 harmônicas. A análise de espectro foi realizada através de um osciloscópio digital da Tektronics. O range de freqüências analisadas foi de 0 à 500Hz com passos de 0,4Hz gerando uma precisão de amostragem bastante significativa. Figura 4 DHV e DHI nos filtros de 2 a e 3 a harmônica. O espectro harmônico típico medido nos filtros harmônicos está mostrado na figura 5 a seguir. Figura 6 Análise espectral da corrente do forno em um dado momento da fusão. Figura 5 Espectro harmônico típico nos filtros de 2 a e 3 a ordem. Os resultados das medições de harmônicas realizadas indicaram que os valores de DHT e DHI medidos nos filtros e no transformador da instalação da aciaria se encontram em conformidade com aqueles previstos e estimados pelos estudos e simulações realizados antes do fornecimento dos equipamentos. Os valores de corrente total, fundamental e harmônica que circulam no filtro de 2 a harmônica se encontram dentro do previsto e inclusive, muito abaixo do valor nominal de 650A. 3.2 Medições de Inter-harmônicos Com base nas suspeitas levantadas pelo fabricante do reator afirmando serem os interharmônicos gerados pelos fornos a arco e as ressonâncias harmônicas a eles atreladas como as possíveis causas do problema, foram realizadas medições utilizando-se equipamentos de análise espectral de freqüências para capturar as formas de onda sobre o reator nos momentos mais críticos, ou seja, durante a entrada do forno a arco direto em fusão plena. As figuras de 6 e 7 a seguir representam, o comportamento das freqüências intermediárias às Figura 7 Análise espectral da corrente do forno em um dado momento da fusão. A plotagem utilizada, com melhor resolução na escala vertical, ou seja, 250A de fundo de escala, permite uma visualização melhor a diferença existente entres as correntes harmônicas e as interharmônicas. A corrente fundamental dos fornos a arco era de aproximadamente 1400 A. Com o objetivo de observar o comportamento em termos de valores absolutos das componentes de freqüência intermediária da corrente dos fornos, foram obtidas através de software de tratamento de medições especialmente desenvolvido para este estudo, as figuras à seguir apresentam o perfil ou comportamento dessas componentes, variando a cada 0,4 Hz em valores absolutos(a). A figuras 8 a 11 mostram exemplos do comportamento de frequências interharmônicas analisadas. Com base nas figuras anteriores e todas as demais geradas pelo estudo, podemos notar que, comparativamente em relação às correntes harmônicas, as componentes inter-harmônicas são muito baixas, não representando uma característica elétrica que possa estar danificando o reator e muito menos invalidando as análises realizadas no estudo de penetração harmônica.
202 Figura 8 - Corrente Fundamental (60Hz) Figura 12- Componente em 120,8 Hz da Corrente Figura 9 - Componente em 114Hz da Corrente Figura 13 - Componente em 124 Hz da Corrente Figura 10- Componente em 119,2 Hz da Corrente Figura 11- Componente em 120 Hz da Corrente Com base nas figuras anteriores e todas as demais geradas pelo estudo, podemos notar que, comparativamente em relação às correntes harmônicas, as componentes inter-harmônicas são muito baixas, não representando uma característica elétrica que possa estar danificando o reator e muito menos invalidando as análises realizadas no estudo de penetração harmônica. Visando analisar a afirmação pelo fabricante do reator de que as correntes inter-harmônicas geradas pelos fornos a arco geravam ressonâncias harmônicas em magnitude suficientes para provocar os danos nos reatores do filtro de 2 a harmônico, foi realizada também a análise espectral na tensão do barramento 23 kv do transformador da Aciaria. As ressonâncias harmônicas, se existentes, deveriam repercutir fortemente na tensão do barramento. A figuras 14 e 15 a seguir apresentam essas medições e o perfil das freqüências presentes no sinal da tensão no barramento de 23 kv (fundo de escala de 1000 V). A análise de todas as medições realizadas no barramento de 23 kv mostra a não existência de nenhuma ressonância gerada, seja por componentes harmônicos, seja por componentes inter-harmônicos. Os efeitos dos inter-harmônicos medidos tanto na corrente dos filtros de harmônicos quanto na tensão do barramento são pouco significantes.
203 Figura 14 Analise espectral da tensão no barramento de 23 kv da Aciaria. Figura 16 - Espectro Harmônico do Forno 1 Figura 15 Analise espectral da tensão no barramento de 23 kv da Aciaria. 4.0 - SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS Visando verificar os resultados das simulações computacionais realizadas para a especificação do filtro de 2 a harmônico, porém contemplando além dos componentes harmônicos também os inter-harmônicos medidos, foram realizados um conjunto de re-simulações, com as seguintes características: - Modelagem dos Fornos levando-se em consideração as freqüências harmônicas e inter-harmônicas (não múltiplas de 60Hz) com o fator de probabilidade P99 (Média entre as 3 fases). Foram consideradas às freqüências de 114Hz a 126 Hz com passos de 0,4Hz, conforme foi aquisitado na análise espectral. Esse modelo de injeção harmônica foi elaborado para fins de averiguação de máxima solicitação teórica dos filtros. - O programa computacional utilizado foi alterado para permitir a simulação em freqüências não múltiplas da fundamental. Baseado nessas informações, os fornos a arco da aciaria foram modelados com a seguinte característica de injeção harmônica mostrada nas figuras 16 (Forno 1) e 17 (Forno 2). Figura 17 - Espectro Harmônico do Forno 2 Os resultados obtidos da simulação computacional mostraram os seguintes espectros harmônicos para a tensão e a corrente no barramento de 23 kv e a corrente no filtro de 2 a harmônico (vide figuras 18 a 20 a seguir). Figura 18 - Espectro Harmônico do Filtro de 2a harmônica
204 falhar em um filtro de harmônicos é o capacitor, o qual é muito mais sensível aos problemas harmônicos do que os reatores. De posse de todos os estudos apresentados o cliente (planta siderúrgica) resolveu trocar o fabricante dos reatores.os novos reatores estão, no momento, em fase de instalação e comissionamento. 6.0 REFERÊNCIAS Figura 19 - Espectro Harmônico Total e Individual de tensão na Barra de 23 kv. [1] H. W. Dommel, Electromagnetic Transients Program Reference Manual, Vancouver: Department of Electrical Engineering, The University of British Columbia, 1996. [2] Sistemas, Quality Engenharia. Manual do Programa Power Quality Filtros 6.0 Uberlândia Brasil 2003. [3] Kiatiyuth, KVEEYARN : Study of the Propagation of Harmonics on a Power NetWork, CNAM-ESE 15/06/89 / Physics and Metrology Systems. [4] Interharmonic Task Force Working Document IH0101 IEEE 2001 [5] Interharmonic in Power Systems Interharmonic Task Force, CIGRË 36.05 / CIRED 2 CC02 Voltage Quality Working Group 1997. [6] IEC 77A/324/CDV Low Frequency Phenomena. [7] Relatório UIE - Perturbações Provocadas por Fornos a Arco Tradução por Matta, S. K. e Monteiro, M. L. A. Eletricidade Moderna Junho de 1984. Figura 20 - Espectro Harmônico Total e Individual de Corrente no Transformador da Aciaria 5.0 CONCLUSÕES Com base nos resultados em todas medições e simulações realizadas não foi possível constatar nenhum efeito gerado pelos harmônicos ou pelos inter-harmônicos, foco deste trabalho, que justificasse a queima dos reatores do filtro de 2 a harmônica. As maiores correntes harmônicas medidas e simuladas não ultrapassaram a casa do 570 A, muito abaixo do valor da corrente nominal dos reatores iguais a 650 A. Correntes de inrush geradas pela energização do transformador do forno, as quais possuem um forte conteúdo de 2 o harmônico, foram contempladas como parte do estudo realizado e também não justificam a queima dos reatores. Vale ressaltar que, em todas a falhas ocorridas nos reatores fornecidos, nenhum dos capacitores instalados sofreu avarias. Todas as capacitâncias foram medidas e as mesmas não sofreram variação. Normalmente, o primeiro equipamento a