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É válida qualquer bateria com filtros para compensar a reativa em redes de harmónicos?

ligado .

A solução para compensar a energia reativa em redes com distorção harmónica baseia-se em equipamentos padronizados, mas em certos casos, é necessária a aplicação de equipamentos específicos.

Baterias de condensadores com filtros de rejeição

A particularidade da compensação de energia reativa em redes que apresentam níveis de distorção harmónica significativos, tanto em tensão, como em corrente, é um tema cada vez mais conhecido pelos responsáveis pela prescrição da bateria de condensadores adequada para qualquer instalação elétrica.

De uma maneira geral, a maioria dos fabricantes de baterias automáticas de condensadores incorporam no seu catálogo equipamentos criados para a sua utilização em redes com distorções harmónicas de certo nível. A CIRCUTOR, em particular, oferece uma ampla gama de baterias automáticas de condensadores, tanto com manobra por contatores, como por tiristores, bem como de grupos de compensação fixos, equipados com filtros de rejeição (também conhecidos como filtros dessintonizados) com uma sintonia de 189 Hz (em redes de 50 Hz), correspondente a um fator de sobretensão de p = 7 %.

Esta sintonia de 189 Hz é o padrão escolhido pela CIRCUTOR, dado que oferece uma solução adequada e efetiva para a grande maioria das instalações que exigem uma bateria equipada com filtros de rejeição, ao ser adequada para a presença de harmónicos de ordem 5 (250 Hz em redes de 50 Hz) ou superior, que são os habitualmente gerados pelas fontes de correntes harmónicas mais habituais, ou seja, cargas trifásicas equipadas com uma ponte retificadora de 6 pulsações na sua entrada: variadores de velocidade ou frequência, retificadores CA/CC, fornos de indução,...

Para o caso, bastante menos habitual, de predomínio de harmónicos de ordem 3 (150 Hz em redes de 50 Hz), é oferecida, de forma opcional, a montagem de filtros de rejeição sintonizados para 134 Hz (fatores de sobretensão de p = 14 %).

  • Supõe então esta padronização na frequência de ressonância de 189 Hz, que a escolha da bateria de condensadores dever-se-á realizar simplesmente escolhendo a potência necessária entre os modelos padrão?
    A resposta é simples: não.
  • Existe então algum erro ao ter escolhido esta frequência de 189 Hz como a padrão?
    A resposta volta a ser simples: não.

 

Onde se radica então a problemática?


Tipologia de redes elétricas

A resposta a esta pergunta requer uma breve revisão do princípio de funcionamento dos filtros de rejeição. Observando o gráfico de impedância-frequência de um conjunto em série de reactância-condensador com p = 7% (Fig. 1), vemos que oferece a maior impedância a 189 Hz, e a impedância aumenta paulatinamente para ambos os lados desta, com a particularidade de a impedância ser de carácter capacitivo em frequências inferiores a 189 Hz, e de carácter indutivo, para frequências superiores.

"É precisamente esse carácter indutivo face às frequências harmónicas de ordem 5 ou superior que evita a possibilidade de se reproduzir um fenómeno de ressonância em alguma dessas frequências."

 

Mas também constitui um parâmetro chave para o correto funcionamento do filtro de rejeição, o valor de dita impedância nas diferentes frequências harmónicas, bem como é o valor da impedância de curto-circuito no ponto de conexão da bateria à rede (Xcc em PCC).

Fig. 1 Resposta em frequência de um filtro de rejeição com p = 7 % (189 Hz)
Fig. 1 Resposta em frequência de um filtro de rejeição com p = 7 % (189 Hz)

Numa rede equipada com um filtro de rejeição, com um diagrama unifiliar e um esquema equivalente como os refletidos na Fig. 2, o que acontece habitualmente é que a impedância de curto-circuito (Xcc) no ponto de conexão da bateria à rede (PCC) é significativamente inferior à impedância de cada escalão da bateria de condensadores, de forma a que a absorção por parte de cada escalão das correntes harmónicas circulantes pela rede, deve ser relativamente baixa comparada com a qual circula para a rede, dado que esse é o caminho de menor impedância.

No entanto, a situação pode mudar no caso de redes onde o valor Xcc seja alto, ou seja, em redes onde a potência de curto-circuito (Scc) no PCC seja baixa. Este tipo de redes também é conhecido com a denominação de redes brancas.

Fig. 2 Diagrama unifilar e Esquema equivalente de uma instalação equipada com um filtro de rejeição

Fig. 2 Diagrama unifilar e Esquema equivalente de uma instalação equipada com um filtro de rejeição

Instalações que podem ser suscetíveis de apresentar esta situação são aquelas em que a potência de curto-circuito na rede de distribuição de Alta Tensão seja baixa no ponto de acoplagem da rede de baixa tensão, ou quando são alimentadas por um transformador de potência com um valor de fator K (fator de sobrecarga de harmónicos) não adequado, por defeito, ao conteúdo harmónico das cargas que está a alimentar, ou se existirem ramais compridos de cabos entre a saída do transformador e o PCC da bateria à rede, implicando uma alta impedância em dito ramal.

Nestes casos, o efeito mais habitual que se apresenta é o aumento das correntes harmónicas absorvidas pelos escalões da bateria de condensadores. Este aumento pode chegar a ser, em alguns casos, muito importante, sobrecarregando de forma grave os condensadores e as reactâncias que compõem cada filtro de rejeição e acelerando, especialmente no caso de condensadores, a sua deterioração, normalmente em forma de diminuição da sua capacidade. Essa diminuição da capacidade aumenta inclusivamente a absorção de correntes harmónicas, tal como se pode deduzir da fórmula que determina a frequência de ressonância (Fig. 1), uma diminuição da capacidade implica um aumento da frequência de sintonia, de forma a que esta se aproxime mais das frequências harmónicas presentes na rede (lembremos que geralmente é a de ordem 5 a predominante), reduzindo, assim, a impedância a dita frequência e, por conseguinte, aumentando o consumo de correntes de dita ordem.

Por outras palavras, o filtro dessintonizado passa a ter um comportamento mais similar ao de um filtro sintonizado ou filtro de absorção, mas ao não haver sido criado para dita utilização, se exceder a sua capacidade, provocando a sua deterioração.

Se se somar a este efeito, o facto de que as redes com valores sob Scc, apresenta, no caso de ter havido uma circulação elevada de correntes harmónicas, altos níveis de distorção harmónica (THD(U)), o que pressupõe um elemento mais que contribui no aumento da corrente harmónica absorvida pelos condensadores.

Definitivamente, uma solução adotada para impedir que a instalação de uma bateria de condensadores afete a rede e, por sua vez, se veja a mesma afetada, pela existência de harmónicos na rede, pode não proporcionar os resultados esperados, com a conseguinte problemática, tanto a nível técnico, como comercial que, sem dúvida, acarretará.

Soluções especiais a ser aplicadas

Que opção podemos considerar então na hora de expor uma compensação de reativa através de uma bateria com filtros de rejeição nesse tipo de instalações?

O primeiro ponto seria obviamente determinar se a instalação a ser compensada pode, ou não, ser do tipo exposto, ou seja, uma rede flexível. Infelizmente, não existe um método infalível e simples de o fazer, mas existe uma série de condicionantes que nos podem ajudar a uma determinação com um grau razoavelmente alto de acerto. Os principais são os que se indicam em seguida:

  • Observa-se uma sensível diminuição do valor da tensão entre a condição de vazio (sem carga) e de carga plana e o nível de distorção harmónica de corrente (THD(I)) é superior a 15% em condições de carga plena.
  • O nível de distorção harmónica em tensão (THD(U)), no ponto onde se vai conectar a bateria de condensadores, é de um valor superior a 3% em condições de vazio da instalação.
  • O nível de distorção harmónica em tensão (THD(U)), no ponto onde se vai conectar a bateria de condensadores, é de um valor superior a 6 % em condições de carga normal da instalação.

No caso de se cumprir alguma ou várias das anteriores situações, é altamente aconselhável a prescrição de uma bateria de condensadores equipada com filtros de rejeição com uma sintonia diferente da padrão de 189 Hz (sempre, naturalmente, na pressuposição de que os harmónicos presentes na rede sejam de ordem 5 ou superior).

Que sintonia é então a aconselhada?

A CIRCUTOR propõe para estes casos uma sintonização num valor de 170 Hz, corresponde a p = 8,7 %, que confere altos níveis de proteção da bateria de condensadores ao ser instalada em redes da tipologia mencionada.

O que conseguimos com essa mudança de sintonia?

Relembrando o gráfico da resposta em frequência de um filtro de rejeição (Fig. 1), observa-se que ao diminuir a frequência de ressonância, aumenta-se a impedância que o filtro apresenta os harmónicos de ordem 5 ou superior, portanto, reduzimos significativamente a possibilidade de altos consumos de ditas correntes harmónicas. Além disso, esta mudança de sintonia é acompanhada além disso da utilização de condensadores de tensão nominal superior aos utilizados nos filtros padrão de p = 7 %, e da utilização de reactâncias com um valor de indutância (mH) também superior aos padrão. Tudo isto resulta numa bateria de condensadores sensivelmente mais robusta do que a sua análoga em potência com p = 7 %.

Caso de estudo

Em seguida, descreve-se um caso real, onde a aplicação de duas baterias de filtros de rejeição, com manobra por tirístores, e conjuntos de reactância-condensador sintonizados para 170 Hz, permitiu conseguir uma perfeita compensação da rede e, adicionalmente, melhorou ostensivamente a qualidade de fornecimento (qualidade da tensão) em dita rede.

A instalação corresponde a um funicular da cidade de Barcelona, cujo esquema unifilar simplificado é o indicado na Fig. 3.

Fig. 3 Esquema unifilar simplificado da instalação de um funicular da cidade de Barcelona.
Fig. 3 Esquema unifilar simplificado da instalação de um funicular da cidade de Barcelona

Fig. 4 Instalação do funicular. A bateria de condensadores observa-se à esquerda da foto
Fig. 4 Instalação do funicular. A bateria de condensadores observa-se à esquerda da foto

Este tipo de instalações apresentam claramente uma sintomatologia similar à exposta para determinar se são ou não suscetíveis de apresentar problemas no caso de se instalar uma bateria de condensadores com filtros de rejeição convencional, uma vez que se situam longe da subestação em alta tensão que os alimenta, com uma distância entre o transformador MT/BT e a carga principal, neste caso, o conversor de potência e o motor de acionamento, habitualmente de vários metros e, com a existência, precisamente, de um conversor de potência que faz com que o nível de distorção harmónica em corrente seja bastante elevado.

Situação anterior à instalação da bateria de condensadores

A Fig. 5 indica-se a evolução das potências ativas e reativa indutiva (período de integração de 1 s) num dos dois transformadores da instalação. A bateria de condensadores, correspondente, é um equipamento da CIRCUTOR, com manobra de tirístores, de 6 x 55 kvar / 500 V / 50 Hz / p = 8,7 %, está desconectada.

Fig. 5 Evolução da Potência Trifásica Ativa Gerada (vermelho), Potência Trifásica Ativa Consumida (verde), e Potência Reativa Indutiva Consumida (roxo e azul)
Fig. 5 Evolução da Potência Trifásica Ativa Gerada (vermelho), Potência Trifásica Ativa Consumida (verde), e Potência Reativa Indutiva Consumida (roxo e azul)

A Fig. 6 denota com clareza a influência na tensão da rede do valor da corrente que fornece o transformador, outro claro sintoma de rede flexível.

Fig. 6 Evolução da Tensão entre fases L1 e L2 (azul) e da Intensidade da Corrente em L1 (verde) no Ponto A
Fig. 6 Evolução da Tensão entre fases L1 e L2 (azul) e da Intensidade da Corrente em L1 (verde) no Ponto A

A Fig. 7 apresenta a evolução dos níveis de distorção em tensão THD(U), significativamente altos nos momentos de maior consumo de intensidade de corrente por parte do conversor de potência.

Fig. 7 Evolução da distorção harmónica em tensão por fase no Ponto A
Fig. 7 Evolução da distorção harmónica em tensão por fase no Ponto A

Fig. 8 Formas de onda da tensão e a corrente nos momentos de máximo consumo do conversor
Fig. 8 Formas de onda da tensão e a corrente nos momentos de máximo consumo do conversor

Situação atual, depois da instalação da bateria de condensadores

A Fig. 9 indica-se a evolução das potências ativas e reativa indutiva (período de integração de 1 s) num dos dois transformadores da instalação. A bateria de condensadores encontra-se já em funcionamento.

Fig. 9 Evolução da Potência Trifásica Ativa Gerada (vermelho), Potência Trifásica Ativa Consumida (verde), e Potência Reativa Indutiva Consumida (roxo e azul)
Fig. 9 Evolução da Potência Trifásica Ativa Gerada (vermelho), Potência Trifásica Ativa Consumida (verde), e Potência Reativa Indutiva Consumida (roxo e azul)

A Fig. 10 mostra como a redução do valor da corrente que deve fornecer ao transformador reduz muito sensivelmente as variações da tensão na rede, melhorando a qualidade de fornecimento.

Fig. 10 Evolução da Tensão entre fases L1 e L2 (azul) e da Intensidade da Corrente em L1 (verde) no Ponto A
Fig. 10 Evolução da Tensão entre fases L1 e L2 (azul) e da Intensidade da Corrente em L1 (verde) no Ponto A

A Fig. 11 apresenta a evolução dos níveis de distorção em tensão THD(U) quando o equipamento de compensação de reativa está em funcionamento. Comparando ditos valores com os da Fig. 7, pode-se observar uma sensível redução das taxas de distorção harmónica em tensão (cerca de 40% para os valores máximos). A conexão da bateria tem um duplo efeito redutor de ditas taxas, efeito causado tanto pela absorção de certa percentagem da corrente harmónica gerada pelo conversor por parte dos condensadores (neste caso, sem pressupor risco nestes ao tratar-se de um equipamento reforçado para dita situação), como pela redução da corrente que circula entre a saída do transformador de potência e o PCC, o que diminui de forma importante a queda de tensão harmónica em dito cabo, assim como reduz as próprias perdas internas no transformador. Definitivamente, a qualidade da tensão na rede, continua a apresentar níveis de distorção elevados, melhora até valores mais toleráveis, repercutindo numa sensível melhoria da qualidade de fornecimento elétrico na instalação, minimizando assim o risco de avaria do equipamento.

Fig. 11 Evolução da distorção harmónica em tensão por fase no Ponto A
Fig. 11 Evolução da distorção harmónica em tensão por fase no Ponto A

Conclusões finais

Das diversas conclusões às quais conduz tudo o indicado anteriormente, podemos considerar que a principal seria a recomendação, por outro lado habitual e constante por parte da CIRCUTOR, de efetuar, na medida do possível, uma análise de qualquer instalação que requeira a incorporação de uma bateria de condensadores para compensação de reativa, perante a qual nos possam surgir dúvidas razoáveis de um possível problema a nível da distorção harmónica existente na rede; uma análise que nos proporcione as informações necessárias para a seleção correta e segura do equipamento mais adequado para cada caso em particular. Relembrar, neste sentido, que a CIRCUTOR põe à disposição do mercado, uma completa gama de analisadores de redes, da tecnologia mais recente e avançada que, conjuntamente com um software de gestão de dados eficaz, permite realizar qualquer estudo referente à temática exposta neste artigo.

A CIRCUTOR, o seu mais fiável aliado perante qualquer necessidade referida no campo da compensação de reativa e da filtração de harmónicos

Mais informações:

Soluções para Compensação de Reativa em Baixa Tensão

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