* Av. Acadêmico Hélio Ramos, s/n. UFPE/CTG/DEESP - 4º Andar. CEP 50740-530 - Recife - PE - BRASIL Tel.: +55 (081) 3271-8989 - FAX: +55 (081) 3271-8739 - E-mail: caabreu@ufpe.br
Seminário Brasileiro sobre Qualidade da Energia Elétrica 17 a 20 de Agosto de 2003
Aracaju – Sergipe – Brasil
Código: AJU 11 157 Tópico: Compatibilidade Eletromagnética AVALIAÇÃO DOS ACOPLAMENTOS ELETROMAGNÉTICOS EM SUBESTAÇÕES 69/13,8KV
Cristina de A. Silveira* George M. da Fonseca Felipe Nyland Luiz H. A. de Medeiros Ronaldo R. B. de Aquino Adroaldo Raizer
UFPE/LCMag UFPE/LCMag UFSC/GEMCO
RESUMO
Este Artigo apresenta uma análise dos acoplamentos eletromagnéticos em subestações 69/13,8kV baseada em medições de campo, em regime permanente, de acordo com os critérios da Compatibilidade Eletromagnética e da Qualidade da Energia Elétrica. A influência do arranjo dos equipamentos na instalação, das características da malha de terra e da localização dos equipamentos eletrônicos sensíveis na planta é evidenciada neste estudo, bem como a necessidade de conhecimento dos fenômenos eletromagnéticos na instalação, que podem vir a comprometer o desempenho de todo o sistema. PALAVRAS-CHAVE
Compatibilidade Eletromagnética, Interferência Eletromagnética, Ambiente Eletromagnético, Subestações, Acoplamentos Eletromagnéticos. 1.0 - INTRODUÇÃO
Compatibilidade Eletromagnética (EMC) é a habilidade de um dispositivo, equipamento ou sistema de funcionar satisfatoriamente em seu ambiente eletromagnético e sem causar distúrbios intoleráveis a nenhum outro dispositivo neste ambiente [1-3]. Através da EMC é possível identificar as principais fontes de interferência no ambiente de uma subestação, eliminando-as ou reduzindo-as a níveis toleráveis para os equipamentos eletrônicos sensíveis (EES) instalados na planta.
Dentro deste contexto, a prevenção quanto à ocorrência de interferências eletromagnéticas (EMI) significativas em uma subestação é feita através de [3]:
Supressão da emissão da fonte;
Redução da eficiência do meio de acoplamento entre a fonte e a vítima;
Redução da susceptibilidade do dispositivo vítima às emissões da fonte.
A depender da natureza do fenômeno eletromagnético (conduzido ou radiado, de alta ou de baixa freqüência) e das características dos equipamentos envolvidos, a ocorrência de um distúrbio pode causar o comprometimento de várias funções dos sistemas automatizados de forma imprevisível.
2.0 - EMC EM SUBESTAÇÕES 2.1 Acoplamentos
Os acoplamentos eletromagnéticos podem ser conduzidos ou radiados.
Acoplamentos conduzidos são freqüentemente referidos como condutivos ou galvânicos; quando um distúrbio é conduzido através dos cabos de conexão, ele pode alcançar o circuito vítima e influenciá-lo, resultando em outro acoplamento que irá depender da impedância através da qual a corrente flui.
Os acoplamentos radiados ocorrem sem que haja contato elétrico direto entre os circuitos e podem ser indutivo, capacitivo ou radiado, dependendo das características das componentes elétricas e magnéticas do campo eletromagnético.
principalmente a IEC 61000 [5] que estabelece os valores limite para diferentes tipos de fontes interferentes.
2.2 Ambiente Eletromagnético em Subestações Define-se como ambiente eletromagnético de uma instalação a totalidade dos fenômenos eletromagnéticos presentes nesta instalação [1,3]. Logo, para avaliar os efeitos destes eventos é necessário conhecer características da subestação, tais como:
Estruturas básicas: área, distâncias elétricas, detalhes de cabos, conexões e do sistema de aterramento, entradas e saídas de linha;
Valores operacionais: valores medidos de corrente, tensão, campos elétricos e magnéticos, curvas de carga.
Mapear o ambiente eletromagnético da subestação significa, portanto, identificar as fontes de interferência de acordo com o arranjo dos equipamentos na planta, as distâncias elétricas, conexões e o sistema de aterramento. Em subestações do sistema elétrico os campos elétricos e magnéticos são usualmente medidos: Na vizinhança de transformadores de força,
disjuntores, seccionadoras e pára-raios; Sob as entradas e saídas de linhas;
Na vizinhança dos sistemas de cabeamento e blindagens, estruturas metálicas e também sistemas isolados;
Na sala de comando, onde se encontram instalados os dispositivos de medição, proteção, comunicação, controle e automação; Nos pontos de conexão da malha de terra,
próximo aos equipamentos de força e da sala dos equipamentos sensíveis.
Como ainda não há uma regulamentação própria específica em Compatibilidade Eletromagnética no Brasil, estas medições devem ser feitas em conformidade com as normas americanas e européias, inclusive aquelas aplicadas à Qualidade da Energia Elétrica (QEE). Importante ressaltar que as soluções propostas devem ser técnica e economicamente viáveis, sempre visando o melhor desempenho da instalação de acordo com os requisitos da QEE [5].
3.0 - MEDIÇÃO DE CAMPOS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS EM UMA SUBESTAÇÃO
Foram realizadas medições de campos elétricos e magnéticos em uma subestação 69/13,8kV, 10/12,5MVA, cujo croqui é apresentado na figura 1.
Na avaliação desta subestação são consideradas três etapas básicas de investigação [5]:
Análise destas fontes considerando o arranjo físico dos equipamentos na subestação; Diagnóstico eletromagnético da instalação.
Figura 1: Subestação 69/13,8kV.
As medições foram realizadas com um medidor de campos elétricos e magnéticos de baixa freqüência, capaz de realizar medidas unidirecionais, direções xyz, e tridimensionais, pela característica isotrópica de suas pontas de prova.
Para a medição dos campos magnéticos foi utilizada a ponta de prova embutida no aparelho, enquanto que, para a medição de campos elétricos foi utilizada a unidade adicional, E-Unit, fixada em um tripé e, interligada ao medidor principal através de um cabo em fibra ótica de 20m; este acesso remoto aos valores medidos visa eliminar sinais elétricos interferentes causados por equipamentos, pessoas e objetos na vizinhança do ponto onde o campo elétrico está sendo medido.
De acordo com as normas e procedimentos em EMC [4], as medições deveriam ser realizadas para os dados nominais do sistema, o que não é possível para uma subestação em operação, com carga variável. Porém, como a densidade de fluxo magnético é proporcional à corrente, é possível extrapolar linearmente o valor de B para a condição de carga desejada.
Na SE modelo os 223 pontos medidos foram distribuídos em 21 réguas, sendo 15 no setor 69kV e 06 no setor de 13,8kV, com espaçamento médio de um metro; os croquis dos setores 69kV e 13,8kV são mostrados nas Fig. 2 e 3. Além destes pontos, foram feitas leituras na vizinhança do banco de capacitores e nos limites físicos do pátio da SE, interior à malha de terra.
Os resultados destas medições estão resumidos nos gráficos das Fig. 4 e 5, para os campos em 69kV, e das Fig. 6 e 7 para os campos em 13,8kV.
Nestes gráficos a coordenada no plano z corresponde à magnitude do campo, enquanto que as coordenadas no plano xy correspondem às distâncias e ao arranjo físico da planta.
Disjuntor Setor 13,8kV Transformador 69-13,8kV, 10/12,5MVA Setor 69kV Banco Religadores Setor 13,8kV EL 69kV EL 69kV
Figura 2: Croqui de Medição – Setor 69kV.
Figura 3: Croqui de Medição – Setor 13,8kV.
Figura 4: Campo Magnético – Setor 69kV.
Comparada ao campo magnético, a medição do campo elétrico é bem mais complexa.
Os campos elétricos podem ser distorcidos pela presença de pessoas ou objetos na vizinhança do medidor, o que torna necessário tomar algumas precauções adicionais e registrar outros dados durante a realização das medidas, tais como: A exata localização de todos os equipamentos
da instalação;
As condições do tempo, temperatura, umidade do ar, características do solo, etc.
Figura 5: Campo Elétrico – Setor 69kV.
Figura 6: Campo Magnético – Setor 13,8kV.
Figura 7: Campo Elétrico – Setor 13,8kV.
3.1 Erros cometidos durante as medições
As mais prováveis fontes de erro durante as medições decorrem de aspectos como:
Característica variante da carga do sistema; a característica eletromagnética da subestação está diretamente associada ao perfil de sua curva de carga no momento das medições, constituindo-se um dado relevante na análise dos valores medidos;
Tempo de Medição: tensões e correntes variam em função do fluxo de carga no sistema; EL 69kV EL 69kV TF 69/13,8kV RELIG 13,8kV TSA TF 69/13,8kV RELIG 13,8kV TF 69/13,8kV EL 69kV Inativa EL 69kV Ativa Equip. 69kV 15 14 12 13 Transformador 69-13,8kV 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 3 4 5 6 Transformador 69-13,8kV, 10/12,5MVA 69kV Banco de Capacitores Religadores Setor 13,8kV 2 1
Erros humanos.
4.0 - DIAGNÓSTICO DA SUBESTAÇÃO
As medições foram realizadas em uma manhã de sábado, para a curva de carga dada em kW, mostrada na figura 8:
Figura 8 – Curva de Carga da SE no período das medições
Para esta condição de carga, os valores máximos de campo medidos estão resumidos na tabela 1.
Tabela 1: Valores Máximos de E e B medidos em campo. Intensidade de Campo B (µT) E(V/m) Réguas do Setor 69 kV 4,42 1578 Réguas do Setor 13,8 kV 5,513 311,5
O valor de B medido no 69kV corresponde ao 6º ponto medido na reta 10 e o de E ao 7º ponto medido na reta 08. Estes valores não se referem a nenhum equipamento isolado, e sim, são resultantes da superposição dos campos na vizinhança destes pontos. Com relação a B, o valor de 4,42 µT, embora medido em uma reta do setor 69kV, está no setor de 13,8kV, próximo ao secundário do transformador (TF), não sendo representativo da intensidade de campo magnético do 69kV, cujo valor médio fica abaixo de 2,00 µT.
As mesmas considerações são válidas para o campo elétrico E. Através das medições realizadas foi constatado que a superposição de condutores energizados, seja em paralelo, como em saídas de linhas, seja transversalmente, como nos barramentos, pode resultar em valores de campo menores, em função do acoplamento entre componentes de campo em oposição, que se atenuam.
Logo, o efeito da superposição de condutores e/ou dispositivos energizados pode resultar em um campo bem menor do que o esperado, devido ao efeito de “blindagem” mútua dos circuitos envolvidos. Isto é particularmente relevante em sistemas de automação distribuídos em SE´s que utilizam cabos blindados não aterrados na conexão das Unidades Remotas, o que é uma prática não recomendada pelos critérios da EMC.
A tabela 2 apresenta os valores estabelecidos pelo ICNIRP (International Committee on Non-Ionizing Radiation Protection) com relação aos níveis máximos de exposição humana a campos eletromagnéticos para freqüência de 60Hz [6].
Tabela 2: Limites de Exposição Humana a campos eletromagnéticos a 60Hz - ICNIRP
Valores Limites Público Ocupacional Densidade de Corrente [A/m2] 2 10 Campo Elétrico [V/m] 4166,66 8333,33 Campo Magnético [A/m] 66,66 333,33
Indução Magnética [µT] 83,33 416,66
Como esperado, os valores de campo elétrico e magnético medidos na SE analisada encontram-se bem abaixo destes limites, mesmo encontram-se considerados os valores nominais do sistema, e são mais significativos na vizinhança dos equipamentos de manobra e do transformador de força, razão pela qual não se recomenda a instalação de EES em sua vizinhança.
É importante observar que, em sua configuração atual, a SE possui apenas um transformador de força instalado. Futuramente, ela dobra sua capacidade pela entrada em operação de um segundo transformador, o que modifica o perfil eletromagnético da instalação, não apenas em função da nova fonte, mas também, por efeito do arranjo do sistema e dos campos resultantes dos novos acoplamentos. Ou seja: as características do ambiente eletromagnético da instalação não dependem apenas das fontes de interferência, mas também, de como estas fontes estão distribuídas na planta.
Com base nisso é que a tendência atual de compactar as subestações urbanas, reduzindo as distâncias elétricas entre as saídas de linha e aumentando a potência instalada, precisa ser muito bem analisada quanto aos efeitos dos acoplamentos eletromagnéticos. Neste caso, também seria necessária uma revisão da malha de terra da instalação visando adequá-la à mitigação de sinais de alta freqüência associados aos EES instalados na planta.
4.2 Potencial na Malha de Terra
A figura 9 mostra os valores de campo elétrico medidos em pontos avulsos no limite do pátio de manobras da SE. Os valores encontrados foram inferiores a 320 V/m, sendo que a grande maioria deles apresentou valor inferior a 200 V/m. Os pontos acima deste valor foram observados no setor 69kV, próximo à entrada de linha (EL) 69kV ativa e poderiam indicar, a priori, a necessidade de uma reavaliação da malha de terra da
2,9 3,1 3,3 3,5 3,7
instalação, principalmente diante do aumento da potência instalada.
Figura 9 – Campo elétrico (V/m) – Pontos Avulsos
Ampliar a malha de terra de uma subestação é, muitas vezes, inviável, principalmente com relação ao espaço físico disponível. Aspectos econômicos também podem ser decisivos. Uma alternativa viável é implantar uma malha de terra híbrida, que, na vizinhança dos EES, tem o espaçamento entre os eletrodos de terra menor que o da malha principal da SE. Isso reduz os riscos de danos a estes equipamentos pela ação dos elevados potenciais decorrentes dos acoplamentos transitórios na malha de terra da SE [7]. Esta malha menor deve ser interligada à malha principal, aumentando o grau de proteção dos EES aos distúrbios envolvendo a terra. 4.3 Acoplamentos Eletromagnéticos
Campos magnéticos na baixa tensão são mais relevantes para o estudo da compatibilidade eletromagnética que os gerados na alta tensão, de menor magnitude e envolvendo distâncias maiores. A figura 10 ilustra a variação de Β em um corte transversal às fases A, B e C, na altura da régua 08, entre o disjuntor e o transformador de força. Pode-se observar a elevação de B nos pontos finais da reta, que já sofrem o efeito do acoplamento eletromagnético com o barramento de 13,8kV (ver figura 1).
Figura 10 – Campo Magnético (µT) – Régua 08
O comportamento do campo elétrico E é apresentado nas figuras 5 e 7.
Tomando a régua 08 como referência, figura 11, observa-se que, na fase central, B, ocorre uma atenuação na magnitude de E decorrente da superposição das componentes em oposição dos campos gerados pelas fases A e C e pelos outros equipamentos instalados na vizinhança.
Figura 11 – Campo Elétrico (V/m) – Régua 08
Considerando um corte longitudinal à instalação, como o da régua 15, figura 12, verifica-se uma redução na magnitude de E a medida em que os pontos passam do setor 69kV para o 13,8kV da subestação, como esperado. Observe-se ainda que, na vizinhança dos religadores e do transformador de serviços auxiliares (TSA), os valores de E voltam a elevar-se em relação ao valor médio do no setor de 13,8kV (figura 7).
Figura 12 – Campo Elétrico (V/m) – Régua 15
Dos gráficos apresentados nas figuras 4 a 7 constata-se que os valores de campo elétrico e de campo magnético são bastante influenciados pelo arranjo da subestação, o que deve ser considerado pelos profissionais envolvidos com o projeto de instalações, de forma a beneficiar o sistema e assegurar o desempenho dos equipamentos eletrônicos sensíveis na planta. O arranjo da instalação pode ser benéfico ao sistema na medida em que dispositivos susceptíveis a distúrbios eletromagnéticos são instalados em pontos distantes daqueles que se constituem fontes de EMI.
4.4 Equipamentos Eletrônicos Sensíveis
A instalação de EES em subestações é uma realidade que se traduz no emprego de equipamentos digitais tais como relés de proteção, registradores de perturbação, unidades terminais remotas, além de outros dispositivos de medição e controle.
Em princípio, a SE automatizada já é projetada para atender aos requisitos da EMC quanto ao desempenho destes dispositivos. Entretanto, a grande maioria das subestações existentes nas concessionárias de distribuição de energia em tensões 69/13,8kV são SE´s eletromecânicas adaptadas para permitir a implantação dos
0 40 80 120 160 200 240 280 320 0 5 10 15 20 25 30 550 750 950 1150 1350 1550 1750 1950 100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 300 450 600 750 900 1050 1200
flexíveis, principalmente com relação aos fenômenos eletromagnéticos. Dispositivos eletromecânicos não irão atuar indevidamente para sinais interferentes de alta freqüência, mas, a medida em que estes dispositivos vão sendo substituídos por dispositivos digitais equivalentes ou são integrados a um sistema supervisório, torna-se necessário adequar os efeitos dos campos eletromagnéticos associados ao processo elétrico, de forma que estes se situem abaixo dos limites de suportabilidade dos EES, assegurando, desta forma, o bom desempenho do sistema, mesmo em regime permanente. 5.0 - CONCLUSÕES
Através das medições em campo é possível avaliar os acoplamentos eletromagnéticos conduzidos e radiados existentes na planta de uma subestação e identificar os pontos da instalação onde não é recomendável a instalação dos EES.
Considerando que o ambiente eletromagnético de uma subestação é inadequado a operação satisfatória de dispositivos eletrônicos sensíveis, cabe às empresas do setor elétrico desenvolver análises de compatibilidade eletromagnética destes dispositivos visando assegurar seu desempenho adequado, de acordo com os critérios da Qualidade da Energia Elétrica. Na prática, as soluções adotadas pelas concessionárias costumam ser aplicadas sem maiores investigações acerca dos fenômenos eletromagnéticos e seus efeitos nas instalações, o que pode resultar em gastos desnecessários, ou em medidas efetivamente ineficientes para o problema a ser solucionado.
Conhecer o ambiente eletromagnético de uma subestação deve ser traduzido como aplicar a EMC à instalação considerando o arranjo dos equipamentos na planta, não apenas como fontes de EMI, mas, principalmente, como estes equipamentos se acoplam eletromagneticamente. Esta avaliação pode ser traduzida como uma ação preventiva, capaz de minimizar a ocorrência de falhas de operação de EES, principalmente sob efeito dos fenômenos eletromagnéticos que são inerentes à operação do sistema elétrico, sob condição de operação normal, em regime permanente.
É importante observar que, geralmente, as investigações em EMC têm sido desenvolvidas sistematicamente para casos onde há falhas de EES, no intuito de buscar soluções específicas e individuais, que resultem em uma ação corretiva para os problemas. Exemplos comuns destas investigações são os casos de falhas na atuação
É objetivo da Compatibilidade Eletromagnética aplicada a sistemas elétricos analisar alternativas e métodos que assegurem a operação adequada dos equipamentos eletrônicos sensíveis nas instalações do sistema, restringindo ao máximo a probabilidade de falhas destes dispositivos, tanto para as condições de regime permanente, quanto sob condições transitórias.
Para tanto, universidades e centros de pesquisa têm interagido com as empresas do setor elétrico, compondo parcerias para desenvolver pesquisas em EMC. Eles têm investido na aquisição de equipamentos e na qualificação de pessoal, em busca de soluções que se traduzam em menores custos e em um melhor desempenho para o sistema de acordo com os requisitos da Qualidade da Energia Elétrica.
6.0 - AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio técnico dado pela Companhia Energética de Pernambuco, CELPE, através do Eng. José Mário de Souza Melo, Gestor do GAMP e a toda sua equipe. Ao CNPq e a CAPES, pelo suporte financeiro dado a esta pesquisa através do PROCAD, de parceria tecnológica entre o LCMag, Laboratório de Compatibilidade Eletromagnética e Eletro-magnetismo Aplicado, da UFPE, e o GEMCO, Grupo de Engenharia em Compatibilidade Eletromagnética, da UFSC.
7.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] IEEE Std. 1159-1995. IEEE Recommended Practice for Monitoring Electrical Power Quality. New York, NY: IEEE, June 1995.
[2] IEEE Std. 1100-1992. IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment. New Jersey, NY: IEEE, June 1992.
[3] Clayton R. Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1992.
[4] CIGRÉ Working Group 36.04. Guide on EMC in Power Plants and Substations. Paris, 1997.
[5] C.A. Silveira, L.H.A. de Medeiros, “Electromagnetic Environment in Power System Substations”, Proceedings of the 2002 EMC EUROPE, September 9-13,2002, Sorrento, Italy, Vol.2, p. 1053-1058.
[6] ICNIRP. Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields (up to 300GHz), in Health Physics, April 1998, Volume 74, Number 4; 494-522.
[7] C.A.Silveira. Compatibilidade Eletromagnética em Sistemas Elétricos de Potência: Um diagnóstico em EMC para Subestações. Dissertação de Mestrado. Departamento de Engenharia Elétrica UFBA. Salvador, BA. Novembro, 1999.
