Sistemas de Energia DC - Baterias em Telecom
Este tutorial apresenta a descrição de conceitos de baterias para uso em infra-estrutura de telecomunicações.
James Clayton de Vasconcelos
Engenheiro em Eletrônica (FACENS/Sorocaba 2002).
Técnico em Eletrotécnica (ETE Rubens de Faria e Souza/Sorocaba 1996).
Atuado na área de infra-estrutura de sistemas de Telecomunicações em empresas como: Henisa, Amper,
Emerson e Tejofran, na prestação de serviços a Telesp/Telefônica e Telesp Celular.
Atuado na área de testes e assistência técnica da Saturnia Sistemas de Energia.
Atuado como Engenheiro projetista de equipamentos de levantamento e movimentação de cargas pela
empresa PIC e em automação industrial da empresa SAT integradora SIEMENS em Sorocaba.
Atual engenheiro eletricista da Prefeitura no Serviço Autônomo de Água e Esgoto de Sorocaba.
Email: [email protected]
Categoria: Infraestrutura para Telecomunicações
Nível: Introdutório
Enfoque: Técnico
Duração: 15 minutos
Publicado em: 07/02/2005
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Energia DC: O que é uma bateria?
As baterias apresentam uma importância fundamental de infra-estrutura nos sistemas de energia de
telecomunicações.
As baterias são constituídas de placas positivas e negativas, mergulhadas numa solução aquosa chamada
eletrólito (baterias ventiladas) ou mergulhadas em um gel pastoso (baterias seladas).
As baterias são responsáveis pela garantia do fornecimento de energia ininterrupta para a carga. Em uma
falha no fornecimento de energia pelo sistema de retificadores, seja por defeito ou falta de energia
distribuída pela concessionária, as baterias garantem o fornecimento de corrente contínua, além de melhoria
do "ripple" dos retificadores no sistema.
É considerado um banco de bateria, um conjunto constituído de diversos elementos de bateria ligados em
série. De acordo com o número de elementos ligados em série, é determinada a tensão do banco: +24V,
-48V.
Sendo como +24V tendo o negativo aterrado.
Sendo como -48V tendo o positivo aterrado.
Fiogura 1: Vista interna de um elemento de bateria.
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Energia DC: Capacidade do sistema
Capacidade em Ampére-Hora da bateria
A capacidade de fornecimento de energia é definida em ampère-hora.
A capacidade ou autonomia, no sistema, depende de alguns fatores, tais como: corrente do consumidor
(carga instalada: central telefônica, rádio, etc), número de bancos de baterias, capacidade do banco (dado
em Ampère hora/10 horas), condição da capacidade da bateria (se a mesma está em condições de fornecer
100% de sua capacidade).
Em algumas localidades, ainda é possível encontrar centrais telefônicas do tipo eletromecânicas. Estas por
possuírem uma variação muito grande de corrente, deve ser considerada a corrente de HMM (Horário de
Maior Movimento), para se determinar a autonomia do sistema.
O cálculo para autonomia do sistema, deve ser considerado a corrente do consumidor e a autonomia da
bateria, por exemplo:
Bateria de 300Ah/10hs - Corrente Consumidor 15A.
Previsão de autonomia de:
300
= 20hr
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Capacidade da Bateria
Considera-se uma bateria ideal, a que possui 100% de sua capacidade nominal.
Com o passar dos anos, devido ao número cargas, descargas e cargas incompletas, ocorre à perda da
capacidade total do banco, considerando que quando a bateria chega a 80% da sua capacidade, chega-se o
fim da vida útil da bateria.
Para se determinar à capacidade da bateria, deve-se aplicar um teste, para se analisar a curva característica
de descarga.
Este teste se constitui na desconexão da baterias e efetuar uma descarga, com o auxiliar de uma carga
externa, até a tensão de 1,75V/elemento.
Para isso é essencial a curva característica da bateria, que pode ser encontrada no manual do fabricante.
A descarga deve ser realizada com o auxilio de uma carga externa resistiva.
Podemos utilizar diversos tipos de descargas, de acordo com cada bateria, por exemplo, uma bateria que
apresenta a tabela abaixo:
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BATERIA
QUALQUER
150Ah/10h
CAPACIDADE EM Ah Descarga de 1,75V/elem.ref.25°C
10h
8h
5h
3h
1h
150A
144A
129A
106A
72A
Interpretando a tabela:
Para uma descarga de 10h, necessitamos consumir 150A, ou 15A por hora;
Para uma descarga de 5h, necessitamos consumir 129A, ou 25,8A por hora;
Para uma descarga de 1h, necessitamos consumir 72A em uma hora.
Para se calcular a capacidade, devemos medir a tensão em um determinado tempo, por exemplo no teste de
10h, podemos medir a tensão em cada hora e então comparar com a curva característica do manual, que
apresenta o valor de tensão para cada tipo de descarga em cada hora. Assim é possível calcular a sua
capacidade, dividindo-se a tensão real, pela tensão da curva.
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Energia DC: Características t écnicas e funcionais dos componentes
Tipo de baterias segundo seu aspecto construtivo
As baterias podem ser fabricadas utilizando placas de metais diferentes, podendo ser as baterias de:
Alcalinas (Níquel-Cádmio) e Ácidos (Chumbo Ácido).
Baterias Ventiladas (FVLA - Free Vented Lead Acid)
Baterias Seladas (VRLA - Valve Regulated Lead Acid)
Quando utilizadas as ventiladas, devido à emissão de gases nocivos, elas devem ser instaladas em salas
exclusivas, com sistemas especiais de controle do ar ambiente e instalação elétrica da iluminação à prova de
explosão.
As baterias seladas, podem ser instaladas próximas ao sistema de retificadores.
Para maior compreensão dos tópicos abaixo descritos, consideraremos as baterias não-seladas, como sendo
chamadas de ventiladas, devido aos seus aspectos físicos em relação às baterias seladas.
Figura 2: Exemplo de Bateria Ventilada.
Figura 3: Exemplo de Bateria Selada.
Vida Útil Projetada ou Tempo Médio de Duração
As baterias estacionárias ventiladas, possuem uma vida útil esperada de aproximadamente 15 a 16 anos a
uma temperatura de 25°C e de aproximadamente 12 anos A uma temperatura de 30°C.
Considerando o fim da vida útil a 80% da Capacidade Nominal.
A maioria dos fabricantes de baterias, fornece uma garantia contra defeitos de 10 anos, desde aplicadas às
condições adequadas de trabalho.
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Energia DC: Tensão de flutuação e de carga
Tensão de Flutuação
A Tensão de Flutuação, na qual se refere à tensão do retificadores sobre a bateria, vem a ser o nível de
tensão da qual os retificadores fornecem tensão aos consumidor (carga(s) instalada(s)) e mantém a bateria
em um regime na qual a mesma permanece carregada e sem fornecer corrente ao consumidor. Isso ocorre da
seguinte maneira:
A tensão nominal fornecida por um elemento de bateria estacionária, seja ela ventilada ou selada, vem a ser
em média de 2,0V/el (Volts por elemento), por exemplo, um determinado banco de bateria possui 24
elementos, significa que sua tensão nominal é de 48V.
Assim se submetermos o banco a uma tensão maior,gerada por um retificador, tem-se assim duas fontes de
corrente contínua em paralelo, sendo que a fonte de maior potencial irá fornecer toda corrente requisitada
pela carga.
É exatamente isso que chamamos de tensão de flutuação, a tensão na qual a bateria não fornece corrente,
por estar sendo submetido em paralelo, a uma fonte de maior valor.
Em tensão de flutuação a bateria é mantida carregada, ou seja, pronta para fornecer energia para carga,
quando houver interrupção do fornecimento dos retificadores, por qualquer motivo.
Normalmente, isso dependente de cada fabricante, mas em geral, a tensão de flutuação deve se manter em
2,2V/el.
No caso de baterias seladas, a tensão de flutuação deve ser consultada no manual do fabricante. A maioria
das baterias seladas, possui uma tensão de 2,23V/el. a uma temperatura ambiente de 25°C.
Nestas baterias deve-se salientar, que devido a sua composição, o controle de tensão em função da
temperatura, é um item grande importância.
Por exemplo:
Sistema de 22 elementos bateria ventilada = Tensão de Flutuação de 48,4V.
Sistema de 12 elementos bateria ventilada = Tensão de Flutuação de 26,4V.
Sistema de 24 elementos bateria selada = Tensão de Flutuação de 53,52V.
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Figura 4: Exemplo Banco de Bateria Ventilada.
Figura 5: Exemplo Banco de Bateria Selada - ao lado do sistema de retificadores.
Tensão de Carga
Aplicada comente as baterias ventiladas, a Tensão de Carga ou Carga de Equalização, é um recurso
oferecido pelo sistema de retificadores, sendo sua função, a aplicação de uma tensão maior, que aquela
praticada em regime de Tensão de Flutuação; sendo seu valor determinado por cada fabricante de bateria,
normalmente seus valores são entre 2,35V/el. e 2,4V/el.
Seu propósito é compensar quaisquer irregularidade que possa ter ocorrido, ou regularizar as diferenças de
tensões e densidades entre os elementos individuais de um banco.
A aplicação da Tensão de Carga, pode ser justificada pelos seguintes critérios:
quando a densidade de eletrólito de um elemento cair abaixo de 5 g/dm³ da média dos outros
elementos do banco;
quando a densidade média de todos os elementos cair mais de 5 g/dm³ da densidade a plena carga,
corrigida a temperatura referência (25°C) e ajustado o nível;
quando a tensão de qualquer elemento apresentar uma diferença superior a 0,04V da tensão média dos
elementos da bateria;
quando houver necessidade da correção do nível do eletrólito com água destilada.
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A aplicação da Tensão de Carga pode ocorrer de três maneira:
Manual: quando o técnico manualmente, aciona a Tensão de Carga, através da USCC (Unidade de
Supervisão de Corrente Contínua) ou USD (Unidade de Supervisão de Distribuição);
Automática: quando ocorre uma interrupção do fornecimento de tensão dos retificadores, a bateria
assume a consumo. Após a normalização do sistema, a baterias que foi recarregada, passa a requerer
uma corrente de carga. Um circuito no sistema de supervisão detecta a corrente, que ao assumir um
valor acima do ajustado (de acordo com a capacidade de Ampère-Hora da bateria), aciona
automaticamente a Tensão de Carga, voltando a Tensão de Flutuação, quando a corrente diminui do
valor pré-ajustado;
Uma outra forma, porém muito rara, é a Carga Remota, onde através de um telecomando a carga é
acionada manualmente; porém além de raro é pouco recomendado, por não haver supervisão.
Em baterias seladas, a carga é realizada em tensão de flutuação, ocorrendo naturalmente sua recarga, que
pode ser observada, pela diminuição da corrente de carga, em função do tempo.
A tensão de carga de equalização, deverá ser aplicada somente em casos excepcionais, por exemplo, após
descargas profundas, repetidas recargas insuficientes ou descargas consecutivas.
Esta poderá ser realizada utilizando-se uma tensão mais elevada de 2,23 (normalmente utilizada) sendo seu
valor entre 2,33 a 2,40V/elemento durante 12 à 24horas (consultar respectivo manual do fabricante).
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Energia DC: Aspectos da manutenção das baterias
Manutenção
Vários fatores, às vezes de pequena importância aparente, podem afetar ao longo dos anos, o desempenho de
um sistema de banco de baterias.
A leitura de tensão, corrente de flutuação, densidade e nível do eletrólito e temperatura, permite a obtenção
de informações a respeito do estado dos elementos da bateria.
Um relatório, deve ser preenchido em todas as manutenções, para registro dos dados colhidos e interpretação
dos mesmos. Assim pode-se perceber se o sistema está sofrendo algum problema através dos meses.
A periodicidade da manutenção deve ser realizada levantando alguns critérios como:
importância da estação;
demanda de energia;
quantidade de baterias;
índice de falhas do fornecimento de energia comercial;
idade das baterias;
existência de GMG (Grupo Motor Gerador);
consumo de água.
Porém o convencional adotado é a manutenção mensal.
Aplicando a Manutenção
Este tópico, tem por objetivo, estabelecer e orientar, sobre procedimentos de manutenção preventiva em
baterias ácidas estacionárias.
Com o auxílio de um densímetro, deve-se retirar a leitura da densidade do eletrólito, dos elementos.
Os elementos possuem, na maioria das vezes, um orifício, que possui uma tampa, para introdução dos
densímetro. Quando a bateria não possuir este orifício, a válvula do elemento deve ser removida para
a realização da leitura.
A prática de equalizar a densidade dos elementos, por intercambio de eletrólito é prejudicial e não
deve ser usada.
Após o término das leituras dos elementos de um banco, antes de se realizar a leitura de um outro
banco, deve-se lavar o densímetro, para que não haja contaminação dos elementos.
Em baterias seladas, a leitura do eletrólito não é aplicada, pois a mesma possui um gel pastoso, assim como a
adição de água e leitura da temperatura dos elementos.
O eletrólito não é um ácido e sim uma solução aquosa que possui ácido, na sua composição, assim o contato
com a pele deve ser evitado, se isso ocorrer, basta lavar o local do contato. Dessa maneira sempre deve
haver água e bicarbonato de sódio (que neutraliza o efeito do ácido) próximo aos técnicos de manutenção.
Através do processo de eletrólise (transformação da energia química em elétrica), ocorre à diminuição da
água dos elementos, que depende do número de descargas da bateria. É evidente que ocorre uma
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evaporação da água, mas o consumo de água está relacionado às reações químicas.
Assim o nível do eletrólito deve ser sempre mantido entre os níveis máximo e mínimo indicados nas laterais
dos vasos dos elementos.
A adição de água deve ser feita abrindo-se a tampa da válvula e com o auxílio de um funil e uma jarra,
ambos limpos.
A água a ser adicionada, deve ser livre de impurezas, assim a água da torneira não serve, pois possui flúor e
demais produtos aplicados pela distribuidora de água.
A água deve ser destilada. Algumas estações possuem um aparelho ligado a uma torneira, que realiza a
deionização da água, deixando-a em adequadas condições para a aplicação em baterias.
A bateria em flutuação ocorre um borbulhamento mínimo e conseqüentemente a gaseificação deve ser
imperceptível. O borbulhamento mais acentuado na flutuação é indício que os elementos estão com defeito
ou a tensão de flutuação está acima da especificada.
A bateria em carga de equalização, apresenta um borbulhamento que se acentua desde o início.
se algum elemento não borbulhar igual aos restantes do banco, é indicio de curto-circuito entre as
placas;
se algum elementos borbulhar prematuramente ou intensamente, é provável que exista sulfatação das
placas ou impurezas no eletrólito.
A leitura da temperatura dos elementos, também deve ser realizada, com o auxílio de um termômetro,
inserido no eletrólito, em dois elementos do banco, selecionado ao acaso.
Quando submetida ao regime de Tensão de Flutuação, ocorre uma pequena circulação de corrente na
bateria, por volta de miliampères, dependendo da quantidade de baterias, capacidade e idade do banco. Mas
sua monitoração é importante, para detectar possível aumento da corrente, podendo ser diagnosticado com
antecedência algum problema em algum elemento, que possa danificar o banco ou prejudicar o sistema.
A leitura da tensão do banco deve ser realizada em tensão de flutuação, com uma queda máxima permissível
de 0,5V em relação à tensão do sistema de retificadores.
A leitura individualmente de todos os elementos, deve ser realizada e anotadas, para verificando se não
ocorrem grandes diferenças entre os elementos, que não deve ser maior que 0,04V da média da tensão do
banco (somatória das tensões dividida pelo número de elementos).
A tensão das baterias seladas é corrigida pela unidade de supervisão, devido à temperatura colhida pelo
transdutor de temperatura instalada no banco de baterias.
A compensação de tensão por temperatura, ou seja, o sistema de flutuação possui uma variação
inversamente proporcional à temperatura ambiente da bateria, havendo um acréscimo da tensão de flutuação
quando ocorre uma queda da temperatura ou ocorre o inverso quando a temperatura aumenta.
Esta relação pode ser dada pela seguinte equação, admitindo por exemplo uma bateria OPzV da Saturnia que
tem uma relação de 0,03V/°C:
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Vflutuação = (2,23*n° elementos)+(0,03* (25-temperatura_atual)):
para temperaturas abaixo de 25°C
Vflutuação = (2,23*n° elementos)-(0,03* (temperatura_atual-25)):
para temperaturas acima de 25°C
A verificação da formação de corrosão ("zinabre") nas barras interligadoras deve ser verificada. Se este item
não for tratado, pode haver a abertura do banco pela barra corroída. Assim, se constada à corrosão, o banco
deve passar por uma limpeza das barras, adotando-se o seguinte procedimento:
Um banco reserva, ou definitivo, deve haver em paralelo;
O fusível da bateria deve ser aberto;
Cuidadosamente (para não ocorrer um curto-circuito),deve ser retirada todas as barras de interligação,
limpando-as com uma escova de aço, retirando toda a graxa e impurezas. A utilização de produtos
químicos, como lauril, por exemplo pode ajudar na limpeza;
Após todas as barras serem limpas e secas, deve-se aplicar uma camada de graxa antioxidante nova;
Em "Banho Maria" a graxa deve ser aquecida, quando deixar de ser pastosa, a barra deve ser
mergulha rapidamente, para não haver excesso e montada novamente no sistema.
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Energia DC: Considerações Finais
Este tutorial apresentou a descrição de conceitos de baterias para uso em infra-estrutura de
telecomunicações.
Referências
Prática Telebrás 550-600-400;
Manual Técnico Baterias Estacionárias tipo OPzV - Saturnia;
Manual Técnico Baterias Estacionárias - C&D.
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Energia DC: Teste seu Entendimento
1. Em relação aos conceitos de baterias, qual das alternativas está incorreta:
É considerado fim da vida útil, quando a bateria atinge 80% de sua capacidade nominal;
A autonomia da bateria está ligada a corrente dos retificadores;
As leituras de tensão e densidades devem ser realizadas para análise das condições da bateria.
2. Em relação aos conceitos de baterias, qual das alternativas está incorreta:
nas baterias seladas, devemos retirar as válvulas para verificar as condições do eletrólito;
baterias seladas possuem um eletrólito em forma de gel, por isso a bateria é selada;
devemos acrescentar somente água destilada ou deionizada, nas baterias ventiladas;
3. De acordo com texto qual das afirmativas está correta:
a bateria em flutuação ocorre um borbulhamento mínimo e conseqüentemente a gaseificação, que deve
ser imperceptível;
quando submetida a um regime de Tensão de Flutuação, não ocorre circulação de corrente na bateria;
a adição de ácido deve ser feita abrindo-se a tampa da válvula e com o auxílio de um funil e uma jarra,
ambos limpos.
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