Influencia do Efeito Coup de Fouet em UPS

Anderson Luiz A. Ribeiro Engenheiro de Equipamentos

Petrobras Rio de Janeiro, RJ - Brasil

Claudio Alvares Conceição Consultor Petrobras

Betim, MG - Brasil

Geraldo Bieler Consultor Petrobras

Rio de Janeiro, RJ - Brasil

I. RESUMO

A refinaria Gabriel Passos, pertencente a holding PETROBRAS, está localizada na cidade de Betim no estado de Minas Gerais – Brasil. Esta refinaria é alimentada por duas linhas de transmissão de 138 kV, por meio da concessionária de energia elétrica local, CEMIG.

Devido a um problema ocorrido em uma das subestações da concessionária, as duas linhas que alimentam a refinaria foram desligadas, levando a um black-out do sistema elétrico.

O controle e o monitoramento das variáveis de processo são realizados por meio de um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), cuja alimentação deste provém de uma UPS (Uninterruptible Power Supply).

Na ocorrência deste desligamento, as UPS´s ficaram sem a alimentação de entrada da chave estática e do retificador. Neste instante, a única fonte de energia para alimentação das cargas era proveniente do banco de baterias. Contudo, algumas UPS’s desligaram, deixando os respectivos consumidores sem energia.

Após a normalização do sistema, iniciou-se um estudo para identificar o motivo do desligamento das UPS’s durante o evento de falta de energia. O primeiro teste realizado foi o de capacidade do banco de baterias, onde se verificou uma autonomia superior a 80%. A principio não foi identificado o motivo do desligamento da UPS, pois as baterias tinham carga suficiente para alimentar o consumidor durante o black-out. Iniciou-se vários testes na UPS, sendo um deles oscilografar o instante que a bateria assumia a carga, e neste teste pode-se verificar que o motivo do desligamento foi devido ao efeito intrínseco as baterias chumbo acidas denominado efeito “Coup de Fouet”.

Este trabalho visa mostrar os riscos deste efeito para sistemas críticos, a solução para o problema bem como procedimentos de manutenção para a convivência com o mesmo.

II. INTRODUÇÃO

O presente trabalho tem como objetivo apresentar um estudo de caso numa instalação elétrica de uma refinaria de petróleo onde a falta de energia elétrica da concessionária local provocou a perda de produção. Como conseqüência, houve falha em algumas UPS que alimentavam os controladores de processo. Durante a falta de energia, as UPS deveriam continuar alimentando os controladores pelas baterias.

Foram realizados testes de capacidade de descarga dos

bancos de baterias. Notou-se que os bancos de baterias estavam com uma capacidade acima de 85%, superior ao valor estabelecido em normas. Como os valores obtidos não justificavam as falhas das UPS durante o evento, foi oscilografado o instante em que as baterias assumiram a carga. Com esta oscilografia foi observado um afundamento de tensão com um valor suficiente para atingir o valor de desligamento do inversor e tempo de recuperação da tensão da ordem de dezenas de milisegundos. Concluiu-se que o desligamento dos inversores foi devido ao fenômeno coup de fouet.

O efeito coup de fouet é um fenômeno intrínseco as baterias chumbo ácidas para o qual ainda existe pouca literatura e informação. Observou-se que os fabricantes de UPS, retificadores e inversores não contemplam em seu projeto a compensação do efeito coup de fouet no ramo CC.

Após a identificação do efeito coup de fouet, foram alterados os procedimentos de manutenção para incluir a detecção do mesmo na manutenção de rotina. Foi proposto fazer um estudo comparativo do efeito coup de fouet em relação à variação da condutância das baterias e sua vida útil.

III. ESTUDO DE CASO DA REFINARIA GABRIEL

PASSOS (REGAP)

A PETROBRAS é uma empresa estatal de petróleo com 13 unidades de refino distribuídas pelo território brasileiro, das quais a refinaria Gabriel Passos (REGAP) localizada na cidade de Betim no estado de Minas Gerais – Brasil com capacidade de processamento de 150 mil barris por dia.

1. Sistema elétrico da refinaria

O sistema elétrico da REGAP é alimentado por duas linhas de transmissão de 138 kV, por meio da concessionária de energia elétrica local, fechadas em anel, que alimentam quatro transformadores que reduzem a tensão para 13,8 kV, sendo que cada transformador alimenta uma barra específica (Figura 1). A unidade não possui geração interna de energia elétrica. O consumo médio de energia é de 45 MVA.

Figura 1 - Sistema elétrico da REGAP.

A refinaria é operada e controlada por dois sistemas de controle independentes: um SDCD para o processo petroquímico e outro SDCD para o sistema elétrico.

A alimentação elétrica para os controladores do processo petroquímico é proveniente de 11 UPS de dupla conversão com fonte alternativa interligada ao sistema elétrico da refinaria (Figura 2), sendo suas baterias do tipo reguladas a válvula (VRLA).

Figura 2 – Diagrama típico das UPS da REGAP.

O UPS possui um banco de baterias com capacidade de

100 Ah, composto de 32 blocos de 6 elementos cada, tensão de flutuação de 436 V, tensão nominal de 384 V e tensão de desligamento do inversor de 308 V.

A alimentação elétrica para os controladores do sistema elétrico é proveniente de 10 retificadores supridos pelo sistema elétrico da refinaria, sendo suas baterias do tipo ventilada (VLA).

2. Ocorrência no sistema elétrico

No dia 05 de novembro de 2009, houve um distúrbio no

sistema elétrico da concessionária, levando à perda do suprimento de energia elétrica.

Durante o evento foi observado a falha de alimentação elétrica para os controladores de 05 unidades de processo levando a uma parada geral da refinaria.

Após normalização do sistema elétrico, foram realizados testes de capacidade dos bancos de baterias VRLA das UPS que falharam durante o evento. Os testes de capacidade demonstraram que as baterias possuíam mais de 85% de autonomia, considerada suficiente para alimentar os controladores durante o evento. Foi utilizada uma carga resistiva duas vezes maior que a carga que a UPS estava alimentando durante o evento (critério utilizado para reduzir o tempo de teste).

3. Teste de verificação do desempenho dos bancos de baterias durante transitório

Como as baterias apresentavam carga suficiente para

atender a demanda, desconfiou-se que o desligamento do inversor poderia ser ocasionado durante a transferência de carga do retificador para o banco de baterias.

Desta forma, para simular a transferência de carga foi montado o circuito conforme a Figura 3, onde o instante de chaveamento foi oscilografado. Foram testados bancos de baterias que apresentaram falhas durante o evento (VRLA), banco de baterias que não apresentaram falha durante o evento (VRLA e VLA).

Figura 3 – Circuito de teste de transferência de carga.

Conforme a Figura 4 que representa a oscilografia de um

dos bancos de baterias VRLA que falharam durante o evento foi observado que houve um afundamento de tensão de 114 V com um tempo de recuperação de 36 ms onde se atingiu o valor mínimo de desligamento inversor (308 V). Os demais bancos de baterias que falharam foram testados e também atingiram o valor mínimo de desligamento do inversor.

Figura 4 - Oscilografia de um dos bancos de baterias que

falharam.

Em um dos bancos de baterias VRLA que não falharam, foi observado que houve um afundamento de tensão de 58 V com um tempo de recuperação de 10 ms onde não se atingiu o valor de tensão de desligamento do inversor (308 V) conforme Figura 5.

Figura 5 - Oscilografia de um dos bancos de baterias que não falharam.

Conforme a Figura 6 que representa a oscilografia de um

dos bancos de baterias ventiladas com tensão nominal de 125 V, que seria substituído por estar no fim da vida útil, foi observado um afundamento de tensão de 125 V com um tempo de recuperação de 25µs. Verificou-se que quando testado com um retificador, a capacitância interna do mesmo conseguiu compensar este afundamento de tensão.

Figura 6 - Oscilografia de um dos bancos de baterias

ventiladas no final da vida útil.

Conforme os testes descritos anteriormente, pode-se observar que as baterias VRLA apresentam um tempo de recuperação de tensão maior que as baterias ventiladas VLA. Devido ao tempo de recuperação das baterias VLA ser menor, os componentes do filtro do ramo CC das UPSs e retificadores conseguem compensar este efeito.

IV. EFEITO COUP DE FOUET

1. Modelo de dissolução/precipitação

Conforme Rocha 1, o modelo de dissolução/precipitação é o modelo aceito atualmente pela maioria dos pesquisadores da área, para descrever as reações que acontecem nos eletrodos positivos e negativos nas baterias de chumbo-ácido 2,3,4,5. Basicamente, este modelo supõe que as reações do duplo sulfato, propostas por Gladstone e Tribe 6, acontecem pelo mecanismo de dissolução/precipitação. Segundo este mecanismo, os íons Pb4+, da matriz de PbO2, que se encontram na interface PbO2/solução, recebem 2 elétrons, e passam a Pb2+ (ver Figura 7).

Figura 7 - Esquema do mecanismo de

dissolução/precipitação

Após esta etapa de transferência de elétrons, os Pb2+ se dissolvem na solução criando um estado supersaturado de íons Pb2+. O estado de supersaturação, que segundo esta teoria é a causa do aparecimento do coup de fouet, ou seja, de um pico catódico de potencial nos momentos iniciais da descarga 7,8,9, permite a nucleação da nova fase, o PbSO4, em solução. Após o aparecimento dos primeiros núcleos de PbSO4 em solução, a precipitação de PbSO4, sobre estes núcleos, aconteceria de forma regular e constante, no seio da solução de ácido sulfúrico saturada com íons Pb2+. Quando o sulfato de chumbo atinge seu limite de solubilidade, aconteceria a precipitação destes cristais sobre o PbO2. Uma revisão completa destes processos está disponível 10 e periodicamente são publicadas bibliografias da literatura mais recente sobre este assunto 10,12. Na Figura 7 pode-se ver a representação esquemática deste mecanismo.

A literatura disponível sobre o efeito coup de fouet cita o efeito com uma queda brusca de poucos milivolts por elemento seguida de um tempo de recuperação da ordem de segundos ou minutos. Estudos mostram 11 que ao longo da vida útil das baterias este efeito tende a aumentar porem se mantém com suas características inicias de queda e recuperação da tensão. Outro fato interessante está ligado ao processo de formação do fenômeno coup de fouet que a principio o mesmo ocorre nos primeiros segundos da descarga inicial do eletrodo positivo, no qual o sulfato de chumbo esta presente sob a forma de íons Pb2+, formando uma solução supersaturada na superfície da placa até que micro cristais de sulfato de chumbo sejam formados. Em função disto, a tensão inicial de descarga cai 20 mV ou mais até que suficientes micro cristais tenham sido formados e a supersaturação desaparece, elevando a tensão ao nível especificado.

Nos testes que realizamos nas baterias, podemos verificar que o perfil do fenômeno coup de fouet é diferente nos apresentados nos artigos citados (ver Figuras 4, 5 e 6). Os mesmos se mostraram com uma queda acentuada e tempo de recuperação de algumas dezenas de milisegundos. Verificamos também que mesmo após a primeira descarga inicial onde a solução supersaturada foi desfeita e os micros cristais de sulfato de chumbo foram formados, aplicando ciclos de descarga consecutivos o fenômeno continua presente mostrando que a inércia química continua presente. Outra observação feita foi que o tempo de recuperação da tensão variou com o estado de carga da bateria, baterias com maior carga o afundamento é menor e o tempo de recuperação é menor e baterias com estado de carga menor tem uma queda de tensão maior e tempo de recuperação maior (ver Figuras 4 e 5).

Foram realizados outros testes onde foram inseridos alguns elementos com resistência interna elevada em um banco de bateria novo, e verificamos que provocou um aumento significativo no fenômeno coup de fouet. Podemos concluir que a equalização dos elementos de um banco de bateria é necessária para se garantir que o banco de bateria chegue ao final de vida útil sem causar surpresas indesejadas.

Observou-se que o efeito coup de fouet se agrava à medida que se aumenta o valor da corrente de descarga, concluindo que um projeto mal dimensionado poderá causar desligamentos indesejados em UPSs quando o banco estiver próximo do final de vida útil. A norma IEEE 485 cita um fator de sobre dimensionamento do banco de baterias para compensação do efeito de queda de tensão inicial, porém este fator não está disponibilizado nos catálogos de fabricantes.

V. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

Com o resultado do trabalho apresentado e a literatura técnica pesquisada observou-se: • O desconhecimento do fenômeno coup de fouet pode

induzir a concluir erroneamente que o UPS ou inversor apresenta falha ao observar uma transferência para a chave estática.

• Os fabricantes de baterias não fornecem fatores de dimensionamento para compensar o efeito coup de fouet.

• Os fabricantes de UPS, retificadores e inversores não levam em consideração a compensação do efeito coup de fouet nos seus projetos. Os filtros CC são dimensionados para minimizar o ripple e não para compensar o efeito coup de fouet, o que não evita o desligamento do inversor. Caso se conhecesse melhor o fenômeno e sua relação com a vida útil da bateria poderiam ser dimensionados filtros CC com capacitores e reatores de acumulação para compensar o efeito até 80% de sua capacidade nominal.

• As baterias chumbo ácidas abertas e alcalinas, por serem

mais estáveis, se mostram mais confiáveis para alimentar equipamentos de processo industriais críticos.

• As normas de especificação e dimensionamento de baterias não levam em conta a influência do efeito coup de fouet. A norma IEEE 485 apenas menciona a existência do efeito: “Batteries experience a voltage dip during the early stage of discharge, following which the voltage shows some recovery. The designer should ensure that this effect has been taken into account in the manufacturer’s published capacity rating factor.”

Recomendações e propostas de trabalhos de futuros: • Incluir a verificação do efeito coup de fouet nos

procedimentos de manutenção. • Incluir requisitos técnicos mais rigorosos nos processos

de aquisição de baterias chumbo-ácidas. • Fazer estudo para relacionar efeito coup de fouet com a

variação da capacidade das baterias e vida útil.

VI. REFERENCIAS 1. Rocha, J R, “Mecanismos das reações de descarga das

placas positivas nas baterias de chumbo-ácido,” Dissertação Mestrado, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, 2004.

2. Bouet, J, Pompon, J P, “Electrochemica Acta,” 26 (10) (1981) 1477-1487.

3. Takehara, Z, “Journal of Power Sources,” 85 (2000) 29-37.

4. Bullock, K R, “Journal of Power Sources,” 51 (1994) 1-17.

5. Yamaguchi, Y, “Journal of Power Sources,” 85 (2000) 22-28.

6. Gladstone, J H, Tribe, A, “Nature”, 25 (1881) 221-223; 25 (1881) 461-463; 27(1883) 583-584.

7. Bernardi, D M, “J. Electrochemical Soc.,” 137 (1990) 90 1670 – 1681.

8. Armenta-Deu, C, Calvo-Baza, V, “Journal of Power Sources,” 72 (1998) 194-202.

9. Piller, S, Perrin, M., Jossen, A, “Journal of Power Sources,” 96 (2001) 113-120.

10. Rand, D A J, “Journal of Power Sources,” 15 (1985) B1; 18 (1986) B31; 21 (1987) B1; 27(1989) B1.

11. McDowall, J, “Memory Effect In Stationary Ni-Cd Batteries? Forget About It!”.

12. Apâteanu L., Rand D. A. J., Journal of Power Sources, 40 (1992) B1; 45 (1993) B1; 47 (1994) B1