Degradação da Qualidade de Reatores
Eletromagnéticos de Lâmpadas de Descarga
Henrique A. C. Braga
1, Danilo P. Pinto
1, Ricardo H. Rosemback
2, R
odnei A. Abreu
1,
Márcio do C. B. P. Rodrigues
3, Felipe T. Vicente
4, Pedro Fracetti
41
Universidade Federal de Juiz de Fora, UFJF
2
CEFET MG – Campus III, Leopoldina/MG
3
IF Sudeste MG, Campus Juiz de Fora
4
Grupo ENERGISA, Cataguases, MG
E-mails: henrique.braga@ufjf.edu.br; danilo.pinto@ufjf.br; felipe.tenorio@ENERGISA.com.br.
Abstract – This paper describes the procedures and results of a study to evaluate the quality and determination of the electromagnetic losses in ballasts used for the illumination of large areas (as the ones in industry buildings) or in public lighting networks. A number of new and old high pressure sodium and mercury vapor lamp ballasts were tested, which are adopted by the energy company ENERGISA S. A., with the aim of verifying whether they satisfy, in fact, the Brazilian standards and determine the energy losses throughout their lifetime (some with more than 10 years of use). The study has shown that less than 1% of tested units presented problems of power losses above the established standards. In addition, 12.7% of the old ballasts have not complied with short-circuit standards. Dielectric strength tests were also performed in a number of samples, and showed no significant problems. However, the power factor observed was significantly below the minimum threshold, which is 0.92 (inductive), for a large amount of tested unities. Something more troubling, which was verified when carrying out the studies, is that the degradation of power factor occurs even for units recently installed on the public lighting networks, in some cases with less than three months of use. This condition was relatively well distributed in terms of the manufacturer, model of the ballast and place of installation.
I. INTRODUÇÃO
A eficiência dos sistemas de iluminação de grandes áreas comerciais e industriais, bem como de logradouros públicos (iluminação pública – IP) está ligada diretamente à precisão das atividades desenvolvidas pelos usuários e à qualidade de vida dos cidadãos. Assim, soluções que promovam economia e avanços tecnológicos neste setor resultam numa melhoria das condições do ambiente ou do município onde são implantadas.
Muitos trabalhos têm sido publicados nos últimos anos abordando a importância da qualidade dos componentes e processos associados às lâmpadas de descarga e a necessidade de se estabelecer padrões de qualidade nas etapas de aquisição, recepção, manutenção on-site e em laboratório envolvendo tais componentes [1]-[6]. Os objetivos principais são a agilidade nos processos, redução de desperdício de materiais, economia de recursos e maior eficiência energética do sistema.
Outra preocupação importante se refere ao comportamento elétrico dos componentes empregados na IP, em especial os impactos na qualidade de energia e as perdas relacionadas ao funcionamento dos reatores [7] - [16].
Com o objetivo de se reduzir as perdas técnicas supostamente associadas aos reatores eletromagnéticos empregados nas redes de iluminação pública controladas pelo Grupo ENERGISA S. A., foi estabelecido um grupo de estudo envolvendo alguns centros de pesquisa. A empresa, em parceria com a Universidade Federal de Juiz de Fora e o Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, desenvolveu um projeto para avaliar a qualidade e as perdas em reatores eletromagnéticos usados nas redes de IP. Neste caso, estão incluídos os reatores para lâmpadas de vapor de sódio (VS) e vapor de mercúrio (VM) que também são muito usados na iluminação de grandes áreas, tais como galpões industriais. Pretendeu-se avaliar os reatores comercializados com o objetivo de verificar se atendem, de fato, às normas brasileiras e determinar as perdas de energia ao longo da vida útil de reatores instalados na rede.
Este artigo se dedica a descrever as principais etapas de desenvolvimento do projeto acima descrito, bem como os principais resultados alcançados. Na próxima seção será descrita a metodologia adotada para a avaliação dos reatores empregados no Grupo ENERGISA. Em seguida, é apresentado um resumo dos resultados obtidos ao se realizarem os ensaios de perdas e rigidez dielétrica sobre a amostra de componentes. Na sequência, há uma seção que aborda a degradação do fator de potência (FP) de acordo com os estudos realizados sobre amostras de reatores usados (instalados há mais de 12 meses nas redes de IP) e novos (período de funcionamento inferior a três meses). Em seguida é apresentada uma discussão simplificada com o intuito de se estimar as perdas financeiras em redes de IP típicas. Por fim, são apresentadas as principais conclusões do trabalho.
II. METODOLOGIA
Para se atingir os objetivos delineados no projeto, a equipe de técnicos organizou a seguinte proposta para definição das
amostras a serem ensaiadas e organização dos resultados do estudo:
• Identificação dos fabricantes e modelos de reatores empregados em todas as empresas do Grupo ENERGISA.
• Aquisição de reatores novos e de referência, para uso como modelos de comparação.
• Avaliação das normas técnicas em vigor (concernentes aos reatores empregados pelas empresas do grupo) e organização de um sistema de ensaios de tipo, com base nos procedimentos e equipamentos recomendados nas normas.
• Definição do número e pontos de coletas de amostras.
• Realização de ensaios e tabulação dos resultados. • Análise estratificada e crítica dos resultados obtidos. No grupo ENERGISA há o predomínio de utilização de reatores eletromagnéticos para uso externo, para lâmpadas de vapor de sódio de 70W, 100W, 150W, 250W e 400W e vapor de mercúrio de 125W, 250W e 400W. Entretanto, em algumas localidades no nordeste brasileiro são usados reatores integrados com as luminárias, pois o sistema de IP tem suas características próprias.
Foram analisadas a Norma de Distribuição Unificada NDU–10 (instituída pela concessionária), as normas NBR 13593 (reator para Lâmpada de Vapor de Sódio) e NBR 5125 e 5170 (reator para Lâmpada de Vapor de Mercúrio). Um amplo estudo das normas foi conduzido com o objetivo de avaliar o processo de homologação de fabricantes, bem como a realização de ensaios em laboratório [17]-[20].
As perdas admissíveis para os reatores, especificadas na Norma de Distribuição Unificada (NDU-10) estão de acordo com os valores das principais normas brasileiras, conforme pode ser observado na Tabela I no que se refere aos reatores para lâmpadas VS [20].
A Tabela II lista o rendimento mínimo e a perda máxima nos reatores para lâmpadas de vapor de mercúrio, de acordo com a norma NBR 5125 para as potências adotadas no Grupo ENERGISA.
TABELA I
PERDAS ADMISSÍVEIS NOS REATORES PARA LÂMPADA VS. Limite de Perdas (W) Potência (W) NDU-010 Selo PROCEL ENCE INMETRO NBR-13593 ABNT 70 14 12 14 15 100 15 14 17 18 150 18 18 22 26 250 25 24 30 37 400 32 32 38 46 TABELA II
RENDIMENTO MÍNIMO E PERDAS ADMISSÍVEIS NOS REATORES PARA LÂMPADA VM (NBR 5125). Potência (W) Rendimento Mínimo (%) Perdas Máximas (W) 125 89 15 250 90 28 400 91 40
Foram solicitadas amostras dos reatores utilizados no sistema de IP do Grupo ENERGISA de modo a criar uma base de dados com informações sobre os parâmetros elétricos (como tensões, correntes e potências de entrada e saída, perdas, fator de potência) e outras particularidades (como cidade de instalação e fabricante). O objetivo do levantamento destas informações foi verificar se tais reatores mantêm suas características ao longo de sua vida útil e identificar os possíveis causadores da degradação dessas características, além de possibilitar a proposição de estratégias de manutenção e/ou substituição destes equipamentos.
Foi definido um critério para escolha dos pontos de coleta de reatores instalados que primou pela diversidade de localidades em função das características distintas da área de concessão das empresas do Grupo ENERGISA. Além dos pontos de coleta definidos, foram solicitadas amostras de reatores novos.
No total, foram recebidos e testados 79 reatores usados (reatores que já estavam instalados no sistema de IP, com tempo de operação indeterminado) e 74 reatores de controle (reatores novos, instalados no sistema de IP e ensaiados após cerca de três meses de operação), além de uma amostra nova (comercial) e de referência para cada potência empregada. Todas as amostras foram ensaiadas no laboratório do Núcleo de Iluminação Moderna (NIMO) da UFJF.
III. ENSAIOS REALIZADOS
De acordo com as normas de especificação de reatores NBR 5125 (para lâmpadas VM) e NBR13593 (para lâmpadas VS), os ensaios de tipo a que devem ser submetidos os reatores eletromagnéticos destinados a alimentar lâmpadas de mercúrio e sódio em alta pressão são:
a) verificação visual e dimensional;
b) ensaio de características elétricas de funcionamento: • medição de potência da lâmpada;
• medição de corrente da lâmpada; • medição de corrente de curto-circuito; • cálculo do fator de potência;
• medição de corrente de alimentação; • medição de potência de alimentação; • linearidade;
• rendimento;
• diagrama trapezoidal (1 amostra por lote), reatores VS;
• acendimento da lâmpada (reator VS); • Pulso de Tensão do Ignitor (reator VS). c) ensaio de elevação de temperatura;
d) ensaio de resistência de isolamento; e) ensaio de tensão aplicada ao dielétrico; f) ensaio de estanqueidade;
g) ensaio de proteção contra chuva; h) ensaio de resistência à umidade;
i) ensaio de durabilidade térmica do enrolamento.
No âmbito deste trabalho, e com o objetivo principal de avaliação de perdas no reator e perdas nos alimentadores, foram priorizados os seguintes ensaios e medidas:
• Perdas e rendimento; • Potência de alimentação; • Potência na lâmpada; • Corrente de alimentação; • Corrente de curto-circuito; • Pulso de tensão de ignitor (VS); • Corrente na lâmpada;
• Rigidez dielétrica; • Fator de potência.
Para a realização destes ensaios, a equipe técnica pautou-se pelas normas já mencionadas, além das normas NBR13593 (reator VS) e NBR-5170 (reator VM), empregando equipamentos, cabos e sondas de qualidade, com certificados de calibração em vigor.
Nos testes realizados não foram verificados problemas significativos para a grande maioria dos ensaios relacionados na listagem anterior, à exceção dos ensaios de curto-circuito e de fator de potência (este último é abordado na próxima seção).
Pôde-se observar que 12,7% das amostras de reatores usados não apresentaram conformidade à norma de corrente de curto-circuito. Deste conjunto de amostras, 18,2% dos reatores VS de 70W, 11,1% dos reatores VS de 150W, 8,3% dos reatores VS de 250W e 17,6% dos reatores VS de 400W apresentaram corrente de curto-circuito excessiva. Nenhum reator VM apresentou problemas neste tipo de ensaio. Tampouco os reatores de controle acusaram problemas com o ensaio de corrente de curto-circuito.
As representações de problemas nas amostras, no que diz respeito aos fabricantes e localidades de coleta, indicaram uma distribuição relativamente homogênea, não sendo relacionadas nesta publicação.
IV. DEGRADAÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA
Com base nos ensaios realizados, foi possível observar que, praticamente todos os modelos e potências de reatores, oriundos de diversas localidades atendidas pela empresa, apresentaram uma taxa elevada de baixo fator de potência. A Tabela III apresenta a síntese dos resultados.
Os resultados desta tabela revelam que mais de 60% dos reatores usados apresentaram um FP inferior a 0,92, enquanto cerca de 40% dos elementos da amostra de controle já haviam degradado seu desempenho ideal após três meses de uso em período pouco sujeito a eventos de qualidade de energia ou descargas atmosféricas (junho, julho e agosto). Neste contexto, e tendo em vista o circuito típico de um reator eletromagnético que conta com um capacitor na entrada (exclusivo para a correção do FP), pode-se dizer que tais componentes estão significativamente sujeitos a falhas prematuras.
TABELA III
PERCENTUAL DE REATORES COM FATOR DE POTÊNCIA CLASSIFICADO EM DIVERSAS FAIXAS. Categoria (FP indutivo) Reatores Usados Reatores de Controle FP < 0,6 13,9 % 5,4 % 0,6 ≤ FP < 0,8 21,5 % 5,4 % 0,8 ≤ FP < 0,92 25,3 % 28,4 % FP ≥ 0,92 39,2 % 60,8 %
Com base nos ensaios sobre a amostra de reatores usados, não foi possível estabelecer uma relação direta da degradação dos componentes com a cidade onde estavam instalados, com o fabricante ou com a potência. Em outras palavras, os problemas observados estavam distribuídos de uma maneira relativamente homogênea, seja do ponto de vista geográfico, seja no que se refere a fabricantes e modelos de reatores.
A fim de se estabelecer uma estimativa sobre os impactos elétricos e financeiros da degradação do fator de potência, foi realizada uma análise das perdas de potência por efeito Joule na rede de distribuição do sistema de IP. Considerando um ramal de IP típico com n reatores instalados, conforme ilustra a Fig. 1, é possível avaliar as perdas de potência adicionais, em decorrência do reduzido fator de potência (< 0,92) observado nas amostras estudadas. Nesta figura, VL é a tensão
eficaz de alimentação dos reatores, ILi é a corrente eficaz que
circula nos alimentadores, Ii é a corrente eficaz consumida
pelos reatores e RL representa a resistência ôhmica dos cabos
de alimentação na forma de parâmetro concentrado. Para a análise descrita nesta seção, considerou-se, por simplicidade, que:
i. O ramal de IP é abastecido com uma tensão senoidal ideal.
ii. A queda de tensão ao longo dos alimentadores é desprezível, de forma que todos os reatores são alimentados com a mesma tensão eficaz VL.
iii. Todos os reatores e lâmpadas são do mesmo modelo e consomem a mesma potência, Pr.
iv. A perda de potência no alimentador que abastece o primeiro reator da série é desprezível, pois se supõe que ele está muito próximo do transformador que fornece energia ao ramal.
v. A corrente dos alimentadores refere-se exclusivamente à potência consumida pelos reatores. Ou seja, o excesso de corrente devido à alimentação de outras cargas é descontado dos cálculos.
vi. Os reatores e lâmpadas são considerados cargas lineares e consomem uma corrente senoidal defasada de um ângulo φ em comparação com a referência de tensão.
vii. Para cada ponto de luz, há apenas um conjunto de reator e lâmpada.
Para as condições estabelecidas nesta seção, é possível afirmar que:
REATOR + LÂMPADA REATOR + LÂMPADA REATOR + LÂMPADA REATOR + LÂMPADA REATOR + LÂMPADA IL1 IL2 IL3 IL(n-1) ILn In I1 I2 I(n-2) I(n-1) RL RL RL RL RL RL VL
Fig. 1. Representação simplificada de um ramal típico de Iluminção Pública.
1 1 −
=
=
=
=
n nI
I
I
I
, (1)cos( )
φ
=
r LP
V I
.(1) Sendo assim, o módulo da corrente que alimenta cada conjunto reator e lâmpada é dado por:
cos
φ
=
r LP
I
V
.
(2)Desta forma, a perda de energia nos alimentadores que abastecem o último reator (reator n) é dada por:
2
2.
cos
φ
=
r Ln L LP
P
R
V
.(3)
Observando-se a Fig. 1, nota-se que a corrente em um determinado alimentador é maior nos trechos mais distantes do último reator, já que incorpora a soma das correntes individuais dos reatores que estão à sua direita. Assim, é possível computar o total das perdas, PTn, para um ramal de IP
com n pontos de luz, o que é dado pela equação (4).
2 1 2 1 2
2.
.
cos
2.
(
1)(2
1) .
6
cos
φ
φ
− =
=
=
=
−
−
∑
n r Tn L k L L r LP
P
R
k
V
R
P
n n
n
V
(4)
Normalizando a equação (4) em função da perda referente ao alimentador do último reator, dada na equação (3), é possível representar graficamente a contribuição do número de pontos no total das perdas de um ramal de IP. A Fig. 2 ilustra esta representação, sendo possível observar que com 15 pontos de luz as perdas são multiplicadas por um fator 1.000, fator que avança para algo em torno de 2.500 quando se incorporam mais 5 pontos de luz de mesma potência.
Outra abordagem de interesse refere-se ao incremento das perdas em função da degradação no fator de potência. Considerando que os reatores conformes às normas operam com um fator de potência 0,92, o acréscimo nas perdas, δp,
devido a um FP inferior a 0,92 é dado pela seguinte equação:
0 5 10 15 20 0 500 1 10× 3 1.5 10× 3 2 10× 3 2.5 10× 3 3 10× 3 n
Número de pontos de luz (reatores).
Fig. 2. Representação gráfica das perdas totais normalizadas em função do número de pontos de luz do ramal de IP.
2 2 2
1
1
2
(cos )
0,92
r p L LP
R
V
δ
φ
=
−
.
(5)Se o resultado da equação (5) for computado percentualmente em relação às perdas observadas para o reator que está conforme as normas (equação (3) com FP = cosφ = 0,92) obtém-se a representação gráfica da Fig. 3. Note que para um FP de 0,8, o acréscimo percentual é em torno de 33%, subindo a 50% quando o FP é da ordem de 0,75 e mais de 130% com FP de 0,6.
V. DISCUSSÃO
A fim de quantificar efetivamente as perdas de energia e fazer uma associação financeira de seus impactos para uma concessionária de energia, considerou-se um ramal de IP com 12 conjuntos de reatores e lâmpadas.
0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 50 100 150 Fator de Potência
Fig. 3. Alteração percentual nas perdas de um ramal de IP de acordo com a variação de FP. P er d as t o ta is n o rm al iz ad as A cr és ci m o P er ce n tu al n as P er d as
Desprezando-se a estatística relacionada aos reatores de controle (terceira coluna da Tabela II) e levando em conta apenas os dados relativos aos reatores usados, pode-se adotar um fator de potência típico de 0,70, que será considerado para todos os reatores do ramal de IP. Para os cálculos também será admitido que os pontos de luz estejam afastados de 40m uns dos outros e que cada conjunto de reator e lâmpada consome uma potência fixa de 400W. Considerando que os cabos de alimentação são do tipo AWG 1/0 de alumínio e por meio de consulta ao catálogo do fabricante, sabe-se que um trecho de 40m de fio possui uma resistência total de cerca de 0,214Ω. Introduzindo estes dados na equação (4), é possível encontrar a perda total para os 12 pontos de luz, o que é indicado em (6).
(
)
2 (12)400
2.0, 0214
506
220.0,7
146,11W .
=
=
=
TP
(6)Realizando o mesmo cálculo para um FP de 0,92, encontram-se 84,6W de perdas. Portanto uma diferença de 61,52W ou cerca de 70% de acréscimo, o que está de acordo com o gráfico da Fig. 3. Considerando-se que o sistema de IP fique energizado 12 horas por dia durante 365 dias do ano, chega-se a perto de 270 kWh de energia perdida desnecessariamente.
As perdas de energia podem ser convertidas em moeda admitindo-se, por exemplo, uma tarifa de R$0,39/kWh. Isto permitirá o cômputo do prejuízo com a redução do fator de potência no sistema. É importante ressaltar que esta é uma abordagem simplificada e não leva em conta fatores como desgaste dos componentes e cabos e as perdas internas nos reatores. Contudo, presta-se como uma base de parâmetro e pode ser útil numa análise comparativa.
A Tabela IV resume as perdas em kWh durante um ano e o valor desta energia, em R$, que poderia ser alcançado pela concessionária, caso tal excedente pudesse ser comercializado.
TABELA IV
PERDA TOTAL (12 PONTOS DE LUZ) NOS CONDUTORES DEVIDO À OPERAÇÃO COM FP=0,7 (CASO HIPOTÉTICO).
Potência das lâmpadas (W) kWh ano Perda total por ano (R$) 400 265,78 103,65 250 103,82 40,49 150 37,37 14,58 125 25,95 10,12 100 16,61 6,48 80 10,63 4,15 70 8,14 3,17
Deve-se lembrar que os valores estão estratificados em função da potência da lâmpada e referem-se a apenas um ramal típico, com 12 pontos de luz. Desta forma, a estimativa dos prejuízos globais deve ser computada em função do total de ramais e pontos de luz operados pela concessionária.
Outra forma de avaliar as perdas seria por meio de cálculos tomando como base as faixas de fator de potência (conforme obtidas nos ensaios e resumidas na Tabela III). Os números relativos a este raciocínio, que levam a perdas da ordem de 30% mais altas, não são, contudo, tabelados aqui.
Atualmente, os reatores para IP utilizam capacitores para correção de fator de potência com vida útil de aproximadamente 4000 horas, o que equivaleria a cerca de um ano, considerando que o reator opere 12 horas por dia. Entretanto, com base nos dados obtidos com os reatores de controle, que ficaram cerca de três meses instalados em campo, pode-se verificar que aproximadamente 40% deles apresentaram baixo fator de potência. Ou seja, do ponto de vista técnico, apresentaram diminuição no valor da capacitância de seus capacitores. Isso indica que tais capacitores, atualmente utilizados, não são adequados para operação nos sistemas de iluminação pública. Portanto, deve-se exigir que os fabricantes utilizem capacitores com maior vida útil e mais adequados à operação em ambientes externos. Além disso, devem-se monitorar, periodicamente, os capacitores de correção de FP dos reatores de IP, substituindo os que estejam inadequados a esta função. Em ambos os casos, certamente, haverá aumento do custo para a empresa, sendo necessário um estudo mais aprofundado de viabilidade técnica para estas soluções.
VI. CONCLUSÕES
Com base numa estratégia de amostragem de unidades de reatores instalados nas diversas cidades atendidas pelo Grupo ENERGISA, foram ensaiados 79 reatores usados com distintos tempos de uso e 74 reatores com cerca de três meses de funcionamento na rede. Os componentes foram recolhidos em diversas regiões do Brasil e englobaram, sempre que possível, amostras das mais variadas potências adotadas no grupo. O resultado geral destes procedimentos mostrou que mais de 60% dos reatores em uso no grupo não apresentam o fator de potência (FP) previsto nas normas (>0,92). Quanto aos reatores usados por um intervalo de três meses, verificou-se que cerca de 40% deles já não apreverificou-sentavam o FP prescrito em norma, o que revelou uma degradação muito prematura deste importante parâmetro dos sistemas de energia elétrica.
Os demais ensaios realizados, como o de perdas elétricas, não apontaram para uma estatística que devesse preocupar a empresa, indicando números desprezíveis dentro do contexto avaliado.
Uma avaliação financeira simplificada revelou que as concessionárias podem ter seu sistema de fornecimento de energia prejudicado, bem como poderão sofrer perdas financeiras importantes ao longo de um período determinado, caso não realizem a pronta manutenção das unidades
defeituosas. Alerta-se que um estudo mais rigoroso poderia ser conduzido pela própria concessionária, e deveria levar em consideração a realidade das diversas empresas do grupo, a quantidade real de pontos de luz atendidos nos ramais, além dos desgastes nos cabos e conexões do sistema.
Apesar do curto intervalo de estudo e do número relativamente reduzido de amostras, foi possível observar que praticamente todos os tipos/potências de reatores apresentaram degradação do fator de potência com o uso. Outro problema constatado foi a não-conformidade de cerca de 13% de reatores para lâmpadas de sódio (reatores recolhidos em campo) quanto ao ensaio de corrente de curto-circuito. Por outro lado, não foram verificados problemas significativos em relação ao aumento das perdas, alteração da corrente de entrada e rigidez dielétrica para as amostras ensaiadas. Além disso, não se observou relação direta da qualidade dos reatores com a cidade onde estão instalados, com o fabricante, nem com a potência. Entretanto, deve-se exigir que os fabricantes utilizem capacitores com maior vida útil e mais adequados à operação em ambientes externos. Adicionalmente, é recomendável monitorar, periodicamente, os capacitores de correção de FP dos reatores de IP, substituindo os que estejam inadequados a esta função.
É interessante registrar que o estudo aqui realizado, com foco na Iluminação Pública, pode ser estendido com proveito à iluminação de grandes áreas internas, tais como em supermercados, centros comerciais (shopping centers) ou galpões fabris e industriais. Em tais casos, o predomínio de reatores eletromagnéticos e lâmpadas de descarga de alta intensidade é ainda uma realidade. Desta forma, o conhecimento das fragilidades e degradação da qualidade dos produtos ao longo do tempo de uso poderá resultar em eficiência e economia de recursos no setor.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer a todas as pessoas envolvidas na realização deste trabalho, em especial ao corpo técnico da ENERGISA S. A. e do Núcleo de Iluminação Moderna da UFJF (NIMO), sobretudo ao acadêmico João Márcio Jorge. Cumpre ressaltar ainda o suporte financeiro da agência de fomento FAPEMIG, que apoiou parcialmente esta pesquisa.
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