Desenvolvimento de Dispositivo para
Monitoração da Integridade de Bancos de
Baterias Estacionárias
A.M.Melo, Manaus Energia; R.F.Beck, CPqD;
P.E.R.Cardoso, CPqD; M.F.N.C.Rosolem, CPqD; e L.A.Soares, CPqD
Resumo: As baterias são elementos vitais na confiabilidade de
uma Subestação, pois é através delas que todos os sistemas de
comando, proteção, controle, telecomunicação e supervisão são
alimentados numa falha de energia. Para tanto, a bateria deve
estar sempre em condição de operação adequada, sendo
imprescindível conhecer o seu estado de degradação.
Mundialmente tem-se estudado a aplicação de métodos como
impedância e condutância na avaliação de baterias chumboácidas estacionárias.
O CPqD há anos vem estudando metodologias baseadas na
medição ôhmica interna da bateria (condutância e impedância)
para serem empregadas na avaliação do estado de degradação
das baterias chumbo-ácidas ventiladas e reguladas por válvula
instaladas em subestações de energia elétrica.
Neste projeto de P&D o CPqD, em conjunto com a Manaus
Energia, desenvolveu um dispositivo microcontrolado
autônomo para a Monitoração da Integridade de Bancos de
Bateria, intitulado DIMIBA.
Este dispositivo busca também reduzir substancialmente os
recursos logísticos, não provocar o aceleramento da perda de
vida útil da bateria e obter maior confiabilidade quando
comparado com as metodologias tradicionais de avaliação da
integridade dos bancos de baterias.
Finalizando, este trabalho apresenta a metodologia empregada
para medição e análise da resistência interna para permitir a
avaliação da condição de integridade dos bancos de bateria.
Palavras-chave: Baterias Chumbo-ácidas Estacionárias;
Monitoração, Resistência Interna.
I. INTRODUÇÃO
A bateria chumbo-ácida foi descoberta por Planté em
1860 e, até o momento, continua sendo a solução dominante
em aplicações estacionárias, do ponto de vista técnico e
financeiro, na utilização como reserva de energia para
ocasiões de falha ou transitório no suprimento da energia em
corrente alternada, tornando-se elemento vital na
confiabilidade e disponibilidade dos sistemas de supervisão
e controle e demais equipamentos eletroeletrônicos dos
serviços auxiliares existentes nas subestações das empresas
de energia elétrica.
Até o início da década de 90 o mercado brasileiro era
dominado exclusivamente pelas baterias chumbo-ácidas
ventiladas. Entre 1995 e 1998 começou a ser introduzida em
algumas empresas do setor elétrico a bateria chumbo-ácida
regulada por válvula (VRLA - Valve Regulated Lead Acid),
a qual possui patente desde 1973 e cuja fabricação comercial
iniciou-se em 1980 nos EUA.
A bateria chumbo-ácida ventilada é composta por placas
positivas de peróxido de chumbo e placas negativas de
chumbo metálico, tendo como eletrólito uma solução aquosa
de ácido sulfúrico. A bateria chumbo-ácida regulada por
válvula (VRLA) possui a mesma composição da bateria
ventilada, no entanto o ácido sulfúrico é mantido
imobilizado por uma matriz gelificante (tipo gel) ou
utilizando entre as placas um separador a base de micro fibra
de vidro (tipo absorvido).
A manutenção da bateria ventilada é efetuada através da
leitura de tensão, temperatura do eletrólito, densidade do
ácido e reposição de água. Seu vaso é fabricado com acrílico
transparente, possibilitando fácil inspeção visual interna e a
imediata identificação de eventuais degradações.
O vaso da bateria VRLA é de plástico ABS não
transparente e sua tampa incorpora uma válvula reguladora
de pressão que abre para permitir o alívio quando uma
determinada pressão interna é atingida. Para evitar a entrada
de ar (no interior da bateria) que acarreta o desequilíbrio
interno do ciclo do oxigênio, podendo levar à oxidação da
placa negativa da bateria, não é permitido a retirada desta
válvula. Desta forma, na sua manutenção só podem ser
efetuadas as leituras de tensão e temperatura externa do
vaso, informações estas que não relatam com precisão o
verdadeiro estado da bateria.
O método tradicional para avaliação de bancos de baterias
ventiladas ou reguladas por válvula é o ensaio de
capacidade, o qual revela o quanto de reserva energética a
bateria possui. O mesmo é conduzido através de uma
descarga da bateria durante um tempo não inferior a 3 horas.
Durante este período é necessária a desconexão da bateria
do sistema de energia, o que, além de deixar todo o sistema
de operação e supervisão da subestação sem reserva de
energia durante cerca de 24 hs (devido ao tempo necessário
para completa recarga das baterias), também contribui para a
diminuição da vida útil da bateria. Toda a condução deste
ensaio requer o acompanhamento de um técnico. Nos
últimos 10 anos, tem-se observado um esforço mundial na
busca por outras metodologias que possam avaliar o estado
de degradação das baterias num curto período de tempo, sem
a necessidade de desconectá-las dos equipamentos
consumidores, e também que não contribua para seu
envelhecimento precoce.
Uma das metodologias que vem sendo muito pesquisada é
a avaliação da medição ôhmica interna da bateria.
O CPqD há vários anos vêm estudando metodologias
baseadas na medição ôhmica interna da bateria (condutância
e impedância) para serem empregadas na avaliação do
estado de degradação das baterias chumbo-ácidas ventiladas
e reguladas por válvula instaladas em subestações. Estas
metodologias tem sido implementadas em equipamentos
manuais portáteis de medição de condutância ou impedância
e seu uso ainda depende da presença de um técnico junto as
baterias, além de que a análise destes resultados pode se
tornar bastante dispendiosa.
Neste cenário, a Manaus Energia, juntamente com o
CPqD, desenvolveram um Dispositivo de Monitoração da
Integridade de Bancos de Bateria – DIMIBA, cuja função é
medir e analisar a resistência interna da bateria inferindo seu
estado de degradação e gerando alertas e alarmes quando
este parâmetro ultrapassa limites pré-determinados.
II. DESENVOLVIMENTO
Para a implementação eletrônica do DIMIBA foi seguida
a seguinte metodologia:
Inicialmente foi estudado o estado da arte na monitoração
de baterias chumbo-ácidas estacionárias. Para tanto fez-se
uma intensa busca na literatura para se conhecer as novas
metodologias e técnicas para a medição da resistência
interna de baterias.
Paralelamente foi realizado um estudo das características
das baterias utilizadas nas subestações da Manaus Energia.
Neste estudo foi possível determinar as tecnologias e a faixa
de capacidades utilizadas, além das medições da
condutância e da impedância de grande parte das baterias
instaladas na Manaus Energia.
A partir dos estudos do estado da arte na monitoração de
bateria e das características das baterias utilizadas pela
Manaus Energia foi possível elaborar a especificação inicial
do DIMIBA.
Partindo destas especificações foram desenvolvidos
protótipos de laboratório, finalizando no protótipo de campo
apresentado na Figura 1.
meio de medição da resistência interna da bateria.
Desta forma, o DIMIBA realiza esta medição, analisa por
meio de critérios as medições e reporta a condição em que a
bateria se encontra, seja boa, em alerta ou em alarme,
quando são necessárias ações mais intensas, como a
substituição da bateria.
Durante o desenvolvimento deste projeto, verificou-se
que a melhor forma de monitorar a bateria, para que esta
monitoração atendesse os objetivos do projeto, seria obtida
dividindo-se o banco de bateria em quatro segmentos e
realizando as medições da resistência interna em cada um
destes segmentos. Para realizar a medição, a metodologia
desenvolvida e implementada é a de medição por corrente
senoidal. Esta metodologia está baseada no princípio de que,
quando uma corrente elétrica percorre uma bateria, ocorre
uma perturbação na tensão entre seus pólos. Desta forma, o
DIMIBA faz percorrer uma corrente senoidal, de 10 A pico
a pico, com freqüência de 50 Hz, fazendo com que nos pólos
da bateria apareça uma perturbação senoidal de tensão,
também em 50 Hz, com amplitude proporcional à resistência
interna.
Semanalmente o DIMIBA realiza uma medição na bateria
à qual está conectado, armazena internamente estes
resultados e os analisa. A avaliação destes resultados é
realizada de três modos, a saber:
a) Análise de Referência
Neste caso, a última medição realizada é comparada à
primeira medição, coletada no momento de instalação do
DIMIBA, a qual é tomada como referência. O critério de
avaliação verifica qual o percentual que a resistência interna
variou, desde a instalação até a última medição coletada.
Caso esta variação esteja abaixo de 20% - portanto medições
abaixo de 120% do valor de referência - a bateria é
considerada boa; caso a variação esteja compreendida entre
20% e 50% - portanto medições entre 120% e 150% do
valor de referência - indica que a bateria está na faixa de
alerta, quando deverá ser tomada alguma ação corretiva; e
caso a variação passe de 50% - ou seja, medições acima de
150% do valor de referência - é um indicativo de que a
bateria provavelmente não mais atende os requisitos
operacionais, devendo ser substituída. A Figura 2 ilustra esta
análise.
Análise de Referência
Figura 1. Protótipo de Campo do DIMIBA.
O protótipo de campo desenvolvido foi instalado na
bateria de 48V da subestação V8, onde semanalmente coleta
as medidas da resistência interna de cada um dos 4
segmentos, realizando as análises e, no caso de necessidade,
reportando ao usuário as condições de alerta ou alarme.
III. METODOLOGIA DE MEDIÇÃO E ANÁLISE
Para que seja possível realizar a monitoração da
integridade da bateria foi feito um estudo que demonstrou
que a melhor maneira de se realizar esta monitoração é por
Resistência Interna (%)
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Semana 01
Semana 02
Semana 03
Semana n
Semana N
Figura 2. Diagrama Ilustrativo da Análise de Referência.
b) Análise de Tendência
Neste caso, a última medição realizada é comparada à
penúltima. Desta forma avalia-se a tendência de variação, de
uma semana para a seguinte. O critério de avaliação também
verifica qual o percentual que a resistência interna variou.
Caso esta variação esteja abaixo de 0,5%, a bateria é
considerada boa; caso a variação esteja entre 0,5% e 2% é
um indicativo de que a bateria está na faixa de alerta,
quando deverá ser tomada alguma ação corretiva; e caso a
variação passe de 2% é indicativo do início do processo de
fim de vida da bateria. A Figura 3 ilustra esta análise.
sob avaliação ultrapassam limites determinados na execução
deste projeto.
V. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Variação Semanal (%)
Análise de Tendência
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
-2
-2,5
-3
Artigos em Anais de Conferências (Publicados):
[1] Souza, F.S.; Silva, J.R.A. e Rosolem, M.F.N.C. - “Medidas de
Impedância como Método de Avaliação de Baterias Chumbo-Ácidas
Reguladas por Válvulas”; CININTEL´97 – Fortaleza
Semana 01 Semana 02 Semana 03
Semana n
Semana N
Figura 3. Diagrama Ilustrativo da Análise de Tendência.
Nesta avaliação são comparados os segmentos da bateria
entre si, a fim de se verificar se algum fenômeno está
ocorrendo de forma desigual na bateria. O critério verifica o
percentual de variação entre os segmentos que apresentaram
o maior e o menor valor de resistência interna. Caso esta
variação esteja abaixo de 20%, a bateria é considerada boa;
caso a variação esteja entre 20% e 50% a bateria está na
faixa de alerta, quando deverá ser tomada alguma ação
corretiva; e caso a variação passe de 50% é indicativo de um
grande desbalanceamento na bateria que pode levar a uma
degradação acentuada, diminuindo a vida útil da bateria. A
Figura 4 ilustra esta análise.
Análise de Desbalanceamento
Resistência Interna (%)
[3] Rosolem, M.F.N.C.; Beck, R.F. and Júnior, M.G.R. - “Evaluation Tools
for Batteries Employed in Oudoor Cabinets - An Experience of a Brazilian
Telecom Company”; INTELEC 2000 - Phoenix/EUA
[4] Rosolem, M.F.N.C.; Beck, R.F and Soares, L.A. - “Failure Detection of
Stationary Lead-acid Batteries in Service in Various Regions of Brazil”,
INTELEC 2002 - Montreal/Canadá
c) Análise de Desbalanceamento
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
[2] Souza, F.S.; Silva, J.R.A. e Rosolem, M.F.N.C. - "Avaliação de
Desempenho de Baterias VRLA das Estações Experimentais da Telesp";
CININTEL´98 – Fortaleza
[5] Rosolem, M.F.N.C.; Beck, R.F.; Tenório Junior, J.; Roza, P.M. Metodologias Alternativas para Avaliação de Baterias: Uma Experiência na
Light; SNPTEE 2003 - Uberlândia, MG;
[6] Rosolem,M.F.N.C.; Beck,R.F.; Cardoso,P.E.; Soares,L.A.; Yamaguti,F.
- Stationary VRLA Battery Evaluations: Internal Measurements and
Capacity Test - an the Claro Celular Mobile Company; BATTCON 2004 Florida, USA;
[7] Rosolem,M.F.N.C.; Beck,R.F.; Cardoso,P.E.; Soares,L.A.; Urso,J.E.;
Nascimento,V.V.; Soares,R.F.; Tenório Junior,J.; Roza,P M.; Penseti,G.R. Gerenciamento de Baterias Chumbo-ácidas Ventiladas Utilizadas nas
Subestações da Light através de Banco de Dados de Medições de
Condutância; T&D 2004 - São Paulo, SP;
[8] Rosolem,M.F.N.C.; Beck,R.F.; Cardoso,P.E; Soares,L.A. - Evaluation
of the Relationship Between Conductance and Capacity Measurements of
VRLA Batteries in Brazil; INTELEC 2004 - Chicago, USA;
Dissertações e Teses:
50%
20%
[9] P.E.R.Cardoso, "Estudo de Correlação de Parâmetros Elétricos
Terminais com Características de Desempenho em Baterias" Tese de
Mestrado, Departamento de. Eletrônica e Microeletrônica., Faculdade de
Engenharia Elétrica e de Computação, Unicamp, 2005.
Normas:
[10] NBR 14198 - Acumulador Chumbo-Ácido Ventilado Estacionário Terminologia, em. setembro 2002
Semana 01 Semana 02 Semana 03
Semana n Semana N
[11] NBR 14197 - Acumulador Chumbo-Ácido Ventilado Estacionário Especificação, em. setembro 2002;
Figura 4. Diagrama Ilustrativo da Análise de Desbalanceamento.
[12] NBR 14199 - Acumulador Chumbo-Ácido Ventilado Estacionário Ensaio, em. setembro 2002.
Cabe ressaltar que estas análises avaliam o nível de
degradação da bateria à qual o DIMIBA está conectado.
Como a vida útil de determinados tipos/modelos de baterias
pode chegar a mais de 10 anos, a sinalização de
alertas/alarmes do DIMIBA pode levar alguns anos, o que
não representa mau funcionamento do protótipo ou da
técnica desenvolvida.
[13] SDT 240-500-509 – Procedimentos para Ensaio de Tipo para
Acumuladores Ácidos Estacionários Regulados por Válvula
IV. CONCLUSÃO
O projeto de desenvolvimento de um Dispositivo de
Monitoração da Integridade de bancos de Baterias DIMIBA - propiciou a aplicação da técnica de medição da
resistência interna de baterias para a monitoração da
integridade das mesmas. A metodologia de avaliação,
implementada eletronicamente, se fez de maneira simples,
sem que fosse necessário o tratamento de dados pelo
usuário, uma vez que o equipamento se encarrega desta
tarefa, apenas sinalizando ao usuário quando os parâmetros
[14} NBR 14204 – Acumulador Chumbo-Ácido Estacionário Regulado por
Válvula – Especificação, em setembro 2002