Tópicos fundamentais para avaliação e acompanhamento de bancos de capacitores de média e alta tensão

Bancos de capacitores são equipamentos de grande importância para o sistema elétrico de potência e a indisponibilidade destes pode ocasionar prejuízos consideráveis, visto que são responsáveis pela compensação reativa e filtragem de harmônicos.

Dentre todos os componentes de uma subestação de energia, os capacitores de potência são alguns dos equipamentos mais sensíveis aos parâmetros de qualidade da energia elétrica, portanto, qualquer variação não prevista durante a fase de projeto resultará em degradação da vida útil.

Assim como os demais equipamentos elétricos em uma subestação, os bancos de capacitores possuem sistemas de proteção dedicados, necessitam de monitoramento e constar nos planos de manutenção da instalação.

Os capacitores de potência são compostos de óleo isolante e caixas metálicas seladas, falhas internas podem resultar em geração de gases e, consequentemente, elevar a pressão interna ao ponto de romper o limite de suportabilidade dos componentes estruturais resultando em danos severos.

Visando não apenas a confiabilidade operativa, mas também a segurança da instalação e dos colaboradores que circulam próximo a estes equipamentos, algumas ações protetivas são fundamentais, como:

• Medição da tensão de barra;
• Medição da corrente de fase;
• Medição da corrente ou tensão de desequilíbrio;
• Balanceamento adequado das células capacitivas.

Basicamente, o monitoramento da tensão de barra é realizado devido às exigências operativas sistêmicas e, portanto, o intervalo de variação é pré-definido e controlado constantemente. Durante a fase de projeto e especificação dos bancos de capacitores, sejam eles utilizados para compensação shunt, sejam para filtragem de harmônicos, o fator tensão de operação é fundamental para o correto dimensionamento, uma vez que a sensibilidade a este parâmetro é bem restritiva e prevista nas normas ABNT NBR 5282 e IEC 60871-1.

As medições de corrente de fase são importantes para acompanhamento de possíveis sobrecargas que podem ocasionar fadiga no dielétrico e aquecimento excessivo do equipamento. As correntes de sobrecarga podem ocorrer por diversos motivos sendo alguns deles: variação da capacitância do banco e consequente alteração na impedância do equipamento; alteração nas componentes harmônicas do sistema; variação na sintonia de filtros devido a alteração na capacitância e/ou indutância; e falha de elementos como resistores paralelos ocasionando alteração no fator de qualidade do filtro. Além das sobrecargas mencionadas anteriormente, uma função importante da medição de corrente de fase é a identificação de faltas internas ao banco de capacitores, por exemplo, curto-circuito entre fases e curto-circuito fase terra, ambos ocasionados por animais, intempéries ou montagem inadequada.

Os pontos mencionados anteriormente são importantes e de conhecimento da grande maioria dos operadores, tendo em vista que são proteções básicas e comumente encontradas em outros equipamentos da instalação. No entanto, os bancos de capacitores possuem uma particularidade que merece total atenção e acompanhamento, o balanceamento das células capacitivas.

Bancos de capacitores são compostos por diversas unidades capacitivas conectadas em série e paralelo, resultando na capacitância equivalente por fase. A combinação das unidades capacitivas pode ser feita de diversas maneiras, no entanto, poucas são as configurações dentro de uma mesma fase, que resultam em uma distribuição de corrente homogênea e consequentemente, pela lei de Ohm, uma distribuição de tensão equilibrada entre os terminais das células capacitivas.

Conforme apresentado na Figura 1, a distribuição correta de capacitância resulta em uma queda de tensão uniforme em todos os componentes do banco de capacitores. O oposto também é válido, um balanceamento inadequado pode resultar em sobretensões permanentes nas unidades e consequentemente redução da vida útil.

Além do balanceamento intrafase, o balanceamento interfases deve ser avaliado cuidadosamente, uma vez que esse pode causar problemas sistêmicos devido à diferença de impedância das fases ou até mesmo a atuação indevida da proteção de desequilíbrio, tema para um outro diálogo.

Finalmente, o parâmetro considerado de maior importância para o acompanhamento da “saúde” operativa do banco de capacitores é a corrente ou tensão de desequilíbrio, que é responsável por avaliar a situação das células capacitivas individuais que compõe a solução reativa, banco de capacitores shunt ou filtro de harmônicos.

Muitos operadores ainda apresentam dificuldades em entender a diferença entre corrente ou tensão de desequilíbrio do banco de capacitores com o desequilíbrio sistêmico, vamos esclarecer:

• Desequilíbrio sistêmico: desequilíbrio resultante da somatória vetorial das três fases que compõem o sistema elétrico e que, por sua vez, alimenta o banco de capacitores. Os relés de proteção geralmente têm uma fórmula matemática que demonstra em seu display a corrente ou tensão de desequilíbrio calculada baseada nas medições das três fases. O parâmetro aqui mencionado não deve ser utilizado para avaliar a “saúde” operativa do banco de capacitores, uma vez que o desequilíbrio de fases não necessariamente é reflexo do desequilíbrio gerado pela variação de capacitância das unidades capacitivas. Resumindo, este desequilíbrio pode ser devido a problemas externos ao banco de capacitores;

• Desequilíbrio do banco de capacitores: desequilíbrio resultante da variação de impedância ocasionada pela falha de elementos capacitivos. O acompanhamento deste parâmetro é fundamental para identificar a evolução de falhas internas e, consequentemente, auxiliar na prevenção de falhas inesperadas e custos elevados devido a indisponibilidade do equipamento. A queima de elementos internos do capacitor resulta na variação da corrente ou tensão de desequilíbrio, assim, dependendo da topologia protetiva adotada, é possível detectar o número de elementos falhados e o avanço das falhas.

O tema discutido nesse artigo teve por objetivo abordar de forma rápida e sucinta um aspecto importante e diretamente relacionado com o projeto e operação dos bancos de capacitores, que é sua sensibilidade às variações sistêmicas e sua necessidade de monitoramento constante. Estes equipamentos são amplamente utilizados para minimizar e eliminar problemas de qualidade de energia elétrica em nosso sistema e sua correta operação resultará em uma alta disponibilidade.

Autores:

Por Evandro Marcos Vaciloto Filho, Application Engineer, Power Quality Products, GE | [email protected]

Por Marco Leandro Bonelli, lead Sales & Proposal Manager na GE | [email protected]

Por Ricardo Carvalho Campos, senior Sales and Proposal Staff Manager na GE | [email protected]