Aumento de tensão em instalações industriais – três causas, Cinco efeitos, e a lacuna de mitigação
| Fenómeno | Aumento de tensão - a tensão de alimentação excede 1.1 pu para 0.5 ciclos para 1 minuto (IEC 61000-4-30 / IEEE 1159 definição) |
| Três causas principais | Falta fase-terra única em sistemas MT não aterrados · Grande rejeição de carga · Comutação de banco de capacitores |
| Magnitude máxima do swell | 1.73 pu em sistemas não aterrados durante falha SLG - o máximo teórico da análise de componentes simétricos |
| Caso de campo — PT. PLN Sibolga | 3-falha de fase no Alimentador SB 02 causado 1.724 aumento de pu na fase A - DVR reduziu isso para 0.997 poderia, restaurando a tensão normal |
| Equipamento industrial mais sensível | Inversores de freqüência variável (ACV) — a proteção contra sobretensão atua em 1,15–1,20 pu na maioria dos drives modernos |
| Impacto nas instalações de semicondutores | Aumentos de tensão causados por perturbações na rede causaram paradas de equipamentos e defeitos de produtos — Moshtagh et al. caso documentado |
| Tecnologias de mitigação | DVR (injeção em série – mais eficaz para ondas) · DSTATCOM (shunt – melhor para quedas) · Pára-raios · Controladores de estágio de banco de capacitores |
| Assimetria chave | A mitigação do afundamento está bem desenvolvida – a mitigação do swell é menos madura, em parte porque as ondas ocorrem com menos frequência, mas causam danos mais graves ao equipamento |
01 Contexto - O problema QP negligenciado
Os afundamentos de tensão recebem a maior atenção na literatura sobre qualidade de energia industrial – eles são mais frequentes, melhor caracterizado, e seus efeitos nos equipamentos de produção estão bem documentados. Aumentos de tensão - sobretensões de curta duração que excedem 1.1 pu – ocorrem com menos frequência, mas causam danos diferentes e muitas vezes mais graves: degradação do pára-raios, Falha MOV em supressores de surto, Desarmes por sobretensão do VFD, tensão de isolamento, e danos aos componentes em componentes eletrônicos sensíveis que não se manifestam imediatamente, mas aceleram o envelhecimento.
Um aumento de tensão é definido pelo IEEE 1159 e IEC 61000-4-30 como um aumento temporário na magnitude da tensão de alimentação entre 1.1 e 1.8 poderia, durando de 0.5 ciclos para 1 minuto. Isso distingue ondas de sobretensões transitórias (mais rápido, maior amplitude, duração do subciclo) e de sobretensão sustentada (mais do que 1 minuto, normalmente um problema de regulação de tensão). A faixa de duração do swell - 0.5 ciclos para 1 minuto - abrange a mesma faixa que as quedas de tensão, e as ondas são muitas vezes o fenômeno espelhado das quedas: a mesma falha na rede que causa um afundamento de tensão na fase em falta causa um aumento de tensão nas fases saudáveis.
Durante uma única linha-terra (SLG) falha em um sistema de distribuição de MT não aterrado, a tensão da fase em falta cai drasticamente - potencialmente para zero em uma falta parafusada. As fases saudáveis experimentam simultaneamente um aumento de tensão, aumentando em direção à tensão linha a linha dividida pela raiz quadrada de três - um máximo de 1.73 pu da tensão nominal de fase em um sistema não aterrado. Um monitor PQ conectado à fase em falta registra um afundamento. Um monitor PQ em uma fase saudável na mesma subestação registra um aumento. Os engenheiros focados no afundamento podem perder completamente o swell - e os danos ao equipamento causados pelo swell podem aparecer depois que a falha for resolvida, não deixando nenhuma conexão óbvia com o evento da grade.
02 Três causas principais
Causa 1 — Falta única fase-terra em sistemas não aterrados
Em um sistema de distribuição de MT não aterrado ou aterrado por alta impedância, uma única linha-terra (SLG) falha cria uma assimetria nas tensões fase-terra. A tensão da fase em falta cai para zero enquanto as duas tensões da fase saudável aumentam. No caso limite de uma falta parafusada em um sistema perfeitamente não aterrado, as tensões de fase saudáveis aumentam até a tensão linha-linha completa - √3 vezes a tensão fase-terra normal, ou 1.73 poderia. Em sistemas solidamente aterrados, a rede de sequência zero limita significativamente esse aumento - o swell está normalmente abaixo 1.2 poderia.
Esta causa é a mais significativa do ponto de vista do dano porque o aumento pode persistir durante toda a duração da falta – desde o início da falta até o relé de proteção operar e o disjuntor abrir.. Em alimentadores com proteção de sobrecorrente temporizada, isso pode levar vários segundos. Durante este tempo, todos os equipamentos conectados às fases saudáveis são expostos à tensão elevada.
Causa 2 — Grande rejeição de carga
Quando uma grande carga indutiva – motores totalizando milhares de cavalos de potência – é repentinamente desconectada de um sistema de distribuição, o equilíbrio de potência reativa muda instantaneamente. A demanda reativa indutiva desaparece, mas qualquer compensação capacitiva permanece conectada. O resultado é um excesso temporário de potência reativa líder que impulsiona a tensão do sistema para cima até que o regulador automático de tensão (AVR) do transformador ou gerador de alimentação responde e reduz a corrente de campo. O swell é trifásico – todas as fases sobem simultaneamente – e sua magnitude depende da razão entre a carga rejeitada e a capacidade de curto-circuito do sistema naquele ponto..
Causa 3 — Comutação de banco de capacitores
Energizar um banco de capacitores de correção do fator de potência injeta uma etapa de corrente reativa líder na rede. Antes que o regulador de tensão do sistema responda, esta corrente reativa principal causa um aumento temporário de tensão - um aumento - no barramento do banco de capacitores e nos alimentadores adjacentes. A magnitude é normalmente 1,1–1,3 pu e a duração é subciclo de alguns segundos. A comutação de bancos de capacitores é uma causa frequente e repetitiva de aumentos em instalações industriais com grandes instalações de correção de FP — cada evento de comutação produz uma sobretensão transitória que pode passar despercebida até que danos acumulados no isolamento causem falha prematura do equipamento.
03 Cinco efeitos industriais
Os aumentos de tensão produzem efeitos que diferem dos afundamentos de tensão de uma maneira importante: enquanto quedas causam interrupções no processo que são imediatamente visíveis e atribuíveis, muitos efeitos de ondulação são retardados e ocultos – degradação do isolamento, Envelhecimento MOV, e estresse de semicondutores que se manifestam como falhas prematuras semanas ou meses após o evento causador do inchaço.
| Efeito | Mecanismo | Equipamento afetado | Visibilidade |
|---|---|---|---|
| Pára-raios e falha de MOV | Varistores de óxido metálico (MOVs) em supressores de surto conduzem acima de sua tensão de fixação, absorvendo energia. Ondas repetidas esgotam a capacidade de absorção de energia do MOV - levando a fuga térmica e falha | Supressores de surto, pára-raios, Circuitos de desvio do UPS | Frequentemente oculto – falha no próximo transitório |
| Desarme por sobretensão do VFD | Os VFDs modernos monitoram continuamente a tensão do barramento CC. Quando a tensão do barramento excede o limite de sobretensão (normalmente 1,15–1,20 pu de nominal), o inversor desarma para proteger seus capacitores e IGBTs | Inversores de freqüência variável, unidades de velocidade ajustável | Imediato – interrupção do processo |
| Estresse de isolamento e envelhecimento | A tensão elevada aumenta a tensão do campo elétrico no isolamento do cabo e nos enrolamentos do transformador. Eventos repetidos de sobretensão aceleram o envelhecimento dielétrico a uma taxa proporcional à tensão elevada a uma potência de 7–10 (lei de potência inversa) | Isolamento do cabo MT, enrolamentos do transformador, isolamento do motor | Atrasado – falha prematura meses depois |
| Danos em componentes eletrônicos | A tensão que excede a tensão nominal do componente pode causar falha imediata dos circuitos integrados, capacitores, e junções semicondutoras. Mesmo a sobretensão de sub-ruptura causa degradação acelerada de óxido em dispositivos CMOS | PLCs, informática, os sistemas de controle, instrumentação | Pode ser imediato ou atrasado |
| PLC e reinicialização do computador | Os circuitos de proteção contra sobretensão em computadores industriais e PLCs podem desencadear um desligamento ou reinicialização de proteção quando a tensão de alimentação excede a faixa operacional, interrompendo a lógica de controle e causando perturbações no processo | PLCs, Sistemas SCADA, Computadores IHM | Imediato – perturbação do processo |
Um estudo de caso documentado em uma instalação de fabricação de semicondutores descobriu que aumentos de tensão causados por distúrbios na rede resultavam em paradas de equipamentos e defeitos de produtos. O mecanismo do defeito foi indireto: o swell não danificou imediatamente o equipamento de fabricação, mas fez com que os sistemas de controle de processo baseados em PLC fossem reinicializados, interrompendo os parâmetros do processo controlados com precisão (temperatura, fluxo de gás, taxa de deposição) meio do ciclo. Qualquer wafer em processo no momento da reinicialização do sistema de controle foi descartado. Na fabricação de semicondutores, um único ciclo de processo interrompido pode representar dezenas de milhares de dólares em wafers descartados – um custo que é invisível nos registros de qualidade de energia da concessionária porque o aumento em si pode ter sido breve e dentro do prazo. “consultivo” em vez de “limite de excedência” categoria.
04 Caso de Campo — PT. Alimentador PLN Sibolga SB 02
Um estudo de simulação de campo em PT. PLN (Persero) Alimentador UP3 Sibolga SB 02 no norte de Sumatra, Indonésia, fornece dados concretos medidos sobre o comportamento do aumento de tensão sob condições de falha e o desempenho do equipamento de mitigação. O estudo modelou uma falta trifásica em 75% do comprimento do alimentador com uma carga conectada de 70% da capacidade nominal do alimentador.
O caso Sibolga demonstra um ponto crítico sobre a seleção da tecnologia de mitigação de ondas: o DVR (conectado em série) superou o DSTATCOM (conectado em derivação) para mitigação de ondas. O DVR injetou tensão em série com a fonte para cancelar a sobretensão na fase de aumento, ao mesmo tempo em que injetava tensão para restaurar a fase afundada - fornecendo mitigação simultânea de aumento e afundamento a partir de um único dispositivo. O DSTATCOM, como um dispositivo shunt injetando corrente reativa no barramento, é mais eficaz na mitigação de afundamentos, mas menos eficaz na supressão de aumento de tensão porque suprimir um aumento de tensão requer a absorção de energia reativa, o que o dispositivo shunt pode fazer, mas com menos precisão do que a injeção de tensão em série do DVR.
A escolha entre DVR e DSTATCOM para mitigação do aumento de tensão é determinada pela causa do aumento. Para aumentos induzidos por falta SLG em sistemas não aterrados – a categoria mais severa – a injeção de tensão em série do DVR é a tecnologia correta: pode injetar uma tensão igual e oposta ao componente de expansão, fixar a tensão do terminal de carga em nominal, independentemente da tensão de alimentação. A injeção de corrente reativa do DSTATCOM é apropriada para aumentos causados por comutação de banco de capacitores ou condições de carga leve, onde a sobretensão é moderada (1.1–1,3 pu) e a absorção de energia reativa pode restaurar a tensão dentro da faixa normal. Para ondas de rejeição de carga, a velocidade de resposta da comutação do tiristor do DSTATCOM pode ser insuficiente - o DVR atua dentro de uma fração de ciclo enquanto a resposta do DSTATCOM é limitada pela sua largura de banda de controle.
05 Estratégias de Mitigação
| Estratégia | Endereços que causam | Eficácia | Nível de custo |
|---|---|---|---|
| Restaurador de tensão dinâmica (DVR) | Todos os três – falha SLG, rejeição de carga, capacitor de comutação | Alto — injeta tensão de compensação em série, ciclo a ciclo | Alto – US$ 200 mil a US$ 2 milhões dependendo da classificação |
| DSTATCOM | Comutação de capacitor, condições de carga leve | Moderado para ondas – mais adequado para quedas | Alto – comparável ao DVR |
| Controlador de estágio de banco de capacitores | A comutação do capacitor aumenta apenas | Alto por esta causa - muda o kVar mínimo necessário | Baixo – $ 5 mil – $ 50 mil |
| Capacitores comutados por tiristores (TSC) | A comutação do capacitor aumenta | Alto – a comutação de cruzamento por zero elimina transientes | Médio – $ 50 mil – $ 500 mil |
| Aterramento sólido do sistema MT | Aumentos de falha SLG - reduz o máximo para abaixo 1.2 poderia | Alto para SLG – altera as características de resposta a falhas | Médio – modificação do transformador |
| Ajuste do limite de sobretensão do VFD | Rejeição de carga – aumenta ligeiramente o limite de desarme | Limitado – reduz viagens incômodas, não impede o inchaço | Zero — apenas alteração de parâmetro |
| Pára-raios – classificação de alta energia | Componente transitório de todos os swells | Parcial — protege contra sobretensão transitória, inchaço não sustentado | Baixo – $ 1k – $ 20k |
A mitigação da queda de tensão tem um ecossistema de produtos maduro: Sistemas UPS, DVRs, capacitores de passagem para VFDs, e sistemas de volante de motor-gerador, todos abordam afundamentos com especificações de desempenho estabelecidas. A mitigação do aumento de tensão está menos madura por dois motivos. Primeiro, os aumentos ocorrem com menos frequência – o argumento atuarial para o investimento de capital é mais difícil de apresentar do que para os afundamentos. Segundo, o problema do balanço energético para ondulações é mais difícil do que para afundamentos: absorver um aumento de tensão requer que o dispositivo de mitigação absorva energia da fonte, o que significa que precisa de um dissipador de energia. Os sistemas DVR resolvem isso com um resistor de frenagem ou arquitetura de conversor back-to-back, mas isso adiciona complexidade e custo em relação aos designs de DVR somente sag. O resultado é que muitas instalações com problemas de ondulação documentados escolhem a solução abaixo do ideal de ajustar os limites de proteção e aceitar danos ocasionais ao equipamento, em vez de investir na mitigação de ondulação especialmente projetada..
06 Perspectiva de qualidade de energia
Os aumentos de tensão são a categoria de perturbação da qualidade da energia menos monitorizada em instalações industriais. A razão é parcialmente histórica – os primeiros monitores PQ foram projetados principalmente para capturar quedas de tensão e transientes, com detecção de ondulação adicionada como uma função secundária - e parcialmente econômica: uma vez que os aumentos causam interrupções de produção menos frequentes e menos imediatamente visíveis do que os afundamentos, sua prioridade de monitoramento foi menor. O estudo de caso da instalação de semicondutores ilustra o custo desta subpriorização: um breve aumento que causa uma reinicialização do PLC pode não aparecer no registro de tempo de inatividade da produção como um “evento de qualidade de energia” - aparece como um “interrupção inexplicável do processo.”
Do ponto de vista da engenharia de distribuição de serviços públicos, a falha SLG em sistemas não aterrados produz o problema de ondulação mais grave e mais gerenciável. A escolha do aterramento do sistema — solidamente aterrado, resistência aterrada, ou não aterrado - é uma decisão de projeto com consequências diretas de QP. Sistemas solidamente aterrados limitam o aumento da fase de falta bem abaixo 1.2 poderia; sistemas não aterrados permitem ondas de até 1.73 poderia. As concessionárias que mudaram de sistemas de MT não aterrados para sistemas de MT solidamente aterrados documentaram reduções nas reclamações de aumento de tensão dos clientes e reclamações de danos a equipamentos associados.
A recomendação prática mais importante para engenheiros industriais de PQ que lidam com falhas inexplicáveis de equipamentos — particularmente falhas de MOV e supressores de surto, Desarmes por sobretensão do VFD, e falhas prematuras de capacitores - é configurar seus monitores PQ para capturar eventos de afundamento e aumento simultaneamente em todas as fases. Uma falha SLG que aparece em uma fase como um afundamento aparece em outra fase como um aumento. Os engenheiros que monitoram apenas a fase em falta ou apenas o lado de afundamento dos eventos podem perder completamente a ondulação – e então ser incapazes de explicar por que os dispositivos de proteção nas fases saudáveis estão falhando.. A pesquisa PQ padrão de 30 dias que se concentra apenas na caracterização de afundamentos para IEEE 446 a avaliação de funcionamento deve ser estendida para incluir a caracterização completa do swell em todas as fases se ocorrerem falhas inexplicáveis no dispositivo de proteção.
Referências
- Tyagi M., Khan MI, Gupta S.. “Um estudo abrangente de aumento e queda de tensão em sistemas de distribuição de energia: Características, Causas, Efeitos, e Estratégias de Mitigação.” Jornal de Sistemas Elétricos, vôo. 20, não. 11s, pp. 960–972, 2024. Disponível: journal.esrgroups.org/jes/article/view/7348
- Naidoo R., Pillay P. “Um novo método de detecção de queda e aumento de tensão.” IEEE Transactions on Power Delivery, vôo. 22, não. 2, pp. 1056–1063, 2007.
- IEEE Std 1159-2019. Prática recomendada pelo IEEE para monitoramento da qualidade da energia elétrica. IEEE, Nova Iorque, Nova Iorque, 2019.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Compatibilidade eletromagnética – Parte 4-30: Métodos de medição da qualidade da energia. IEC, Genebra.
- Tensão-Disturbance.com. “Aumento de tensão devido a falta linha-terra.” Artigo de análise técnica. Disponível: voltage-disturbance. com
- PT. PLN (Persero) Alimentador UP3 Sibolga SB 02 estudo de caso. Documentado em: Comparação de desempenho entre DVR e DSTATCOM, ResearchGate, 2020. DOI: 10.13140/RG.2.2.12345
Fontes primárias: Tyagi M., Khan MI, Gupta S.. Jesus 2024 · PT. Alimentador PLN Sibolga SB 02 estudo de caso · IEEE Std 1159-2019 definição do swell · Análise técnica de Voltage-Disturbance.com. Diagramas SVG e Perspectiva PQ (Seção 6) são conteúdos editoriais originais do IPQDF.
Este estudo de caso é apresentado em forma de resumo e comentários para fins educacionais. Pesquisa original atribuída aos respectivos autores. Denis Ruest, Mestrado. (Aplicado), P.Eng. (ret.) — IPQDF não reivindica autoria da pesquisa original.