Correntes parasitas em tubulações de água em uma planta de osmose reversa (OR)

Autor: David Stockin, E&S Grounding Solutions

Este artigo foi escrito por David Stockin, presidente da E&S Grounding Solutions, uma empresa com ampla experiência no desenvolvimento, projeto e implementação de sistemas de aterramento.

Sobre a osmose reversa

As usinas de água por osmose reversa (OR) dependem de alta pressão e de um processo eletroquímico ou, mais precisamente, de um gradiente eletroquímico, para limpar e dessalinizar a água. É chamado de processo eletroquímico porque envolve química e eletricidade. Neste artigo, limitaremos os detalhes do processo para dizer que o excesso de fluxo elétrico pode não apenas interferir na dessalinização e na limpeza da água, mas também pode aumentar as taxas de corrosão da infraestrutura de aço da usina.

Uma boa regra geral em relação ao uso do tratamento de OR da água do mar para limpar e dessalinizar a água é que você precisará de um sistema trifásico de 480 V que forneça motores com uma classificação de potência agregada de 300 hp (250 kW) para tratar cerca de 500.000 galões (2 milhões de litros) por dia, o que equivale a cerca de 20.000 galões (80.000 litros) por hora. Esse sistema de tratamento, com um inversor de frequência variável (VFD), consumirá entre 400 e 450 A apenas para alimentar os motores da bomba!

As vantagens de adicionar um VFD a um motor elétrico não podem ser exageradas. Além de melhorar a eficiência elétrica, ele pode proporcionar mudanças de velocidade programáveis, melhores classificações de torque, partidas e paradas suaves, operações suaves em velocidades mais baixas, maior consistência, maior torque de frenagem e muitos outros benefícios. Mas há uma desvantagem nos VFDs. Embora todos os motores elétricos gerem algum ruído elétrico e grandes campos eletromagnéticos que podem induzir correntes indesejadas na infraestrutura de aço ao redor, sabe-se que os VFDs introduzem frequências adicionais ressonantes, harmônicas e de comutação questionáveis no sistema elétrico.

Muitas dessas frequências questionáveis acabarão na armadura e no eixo do motor, que por acaso fica exatamente onde o impulsor da bomba de água está conectado. Esse é o local perfeito para a entrada de correntes parasitas no lado da água bruta do sistema de OR.

Há muitas maneiras de reduzir o ruído elétrico gerado pelos VFDs, incluindo o uso de filtros de harmônicas passivos (uma combinação de reatores e capacitores), filtros de harmônicas ativos, tecnologia de modulação por largura de pulso (PWM), transformadores de isolamento, filtros de compatibilidade eletromagnética (EMC), buchas de aterramento para eixos de motor, eletrodos de aterramento isolados e muito mais. Este artigo não examinará a engenharia elétrica necessária para reduzir os impactos de um VFD, a não ser para dizer que, se você estiver usando VFDs, provavelmente terá ruído elétrico questionável, o que significa que você deve procurar melhorar seus sistemas de aterramento e usar algum tipo de tecnologia de filtragem.

Com base nesses fatores, pode-se começar a pensar que muitas instalações de processamento de água parecem ter sido projetadas quase que intencionalmente para injetar correntes parasitas na água que está sendo processada. Muitas pessoas sabem que a água limpa não conduz eletricidade muito bem, mas a água salgada é altamente condutora e a água “bruta” - ou seja, a água antes de passar pelas membranas de tratamento - normalmente também é condutora. Quando as correntes parasitas começam a fluir pela água, elas precisam escapar por algum lugar antes que a água se torne limpa e não condutora.

Se esse ponto de escape for onde as membranas estão situadas, essas correntes parasitas poderão interferir nos processos eletroquímicos que ocorrem entre as camadas das membranas, causando uma perda de eficiência. Se esse ponto de escape for apenas através das carcaças dos filtros de aço ou da tubulação de aço, e as correntes forem forçadas a percorrer grandes distâncias antes de encontrar um caminho para o solo, esse fluxo longitudinal de corrente pode aumentar drasticamente a taxa de corrosão nos membros estruturais de aço da usina de OR.

Sobre aterramento

Em geral, há dois tipos de sistemas de aterramento: os que são projetados para lidar com correntes indesejadas e os que são projetados para proteger os sistemas contra essas correntes. Considere uma subestação elétrica de alta tensão ou um sistema de proteção contra raios; ambos são projetados para lidar com correntes elétricas questionáveis e conduzir com segurança essas correntes para a terra. Nesses casos, queremos projetar um sistema de aterramento com muitas conexões e caminhos paralelos para que possamos “dividir e conquistar” a corrente. No entanto, no caso de um dispositivo eletrônico sensível dentro de uma subestação, queremos instalar apenas conexões de ponto único ou de “aterramento isolado” para evitar que correntes questionáveis danifiquem o equipamento sensível. No caso de uma usina de OR, queremos dividir e controlar a corrente com muitas conexões dos componentes de aço até o terra.

Nota: O termo “corrente questionável” é frequentemente usado pelo Código Elétrico Nacional (NEC) para indicar correntes neutras normais que retornam ao transformador por meio do sistema de aterramento em vez de pelo fio neutro. Neste artigo, estamos usando o termo de forma mais ampla para todos os tipos de correntes parasitas, correntes harmônicas, correntes de comutação, correntes transitórias, etc. Conceitos semelhantes são empregados nas várias normas IEC em relação ao aterramento.

Este pode ser um bom momento para abordar alguns princípios básicos:
Primeiro, a eletricidade depende do movimento de elétrons livres e íons, que são contribuídos pelos átomos. Onde é que temos muitos átomos? Na terra! Portanto, se tivermos um sistema de aterramento bem projetado, poderemos “despejar” correntes questionáveis na terra para nos livrarmos delas, fornecendo um caminho condutor para elas.

Segundo, o cobre é 12 a 17 vezes mais condutor do que o aço. O cobre também é diamagnético, de modo que o campo magnético pode penetrar nele a uma profundidade de 250 a 6.000 vezes maior do que no aço, de modo que as correntes de alta frequência são conduzidas com menos concentração na superfície do condutor. Esse efeito positivo é multiplicado nas altas velocidades de comutação e nas harmônicas do ruído do VFD, tornando a ligação direta do sistema de aterramento ao VFD uma maneira eficaz de conduzir correntes questionáveis diretamente para a terra e para longe de sistemas sensíveis.

Terceiro, o fluxo longitudinal de corrente no aço (e em outros metais) pode aumentar a taxa de corrosão. Fornecer um caminho alternativo e mais condutivo para a terra, na forma de condutores de cobre, alumínio ou aço inoxidável, ajudará a equilibrar a diferença de potencial dentro da instalação. Essa é uma das melhores maneiras de proteger suas instalações contra os riscos de correntes questionáveis.

Então, o que aprendemos? Primeiro, é muito importante instalar medidas elétricas no VFD para reduzir a quantidade de correntes indesejáveis e parasitas que entram no sistema de água durante o estágio inicial de bombeamento. Segundo, um sistema de aterramento sólido e bem conectado removerá as correntes restantes, ajudando a melhorar a eficiência das membranas e a reduzir as taxas de corrosão.
 

Teste de sistemas de aterramento

Como podemos fazer medições para verificar se há correntes parasitas em nosso sistema de água? Para isso, a melhor ferramenta é um testador de resistência de aterramento Megger DET14C ou DET24C. Os produtos DET2/3 e DET4 oferecem funcionalidade semelhante com o chamado método “sem estacas”, que usa duas pinças separadas. Esses instrumentos contêm dois transformadores de transdução capazes de medir com precisão correntes alternadas tão baixas quanto 0,5 mA. Eles também podem medir a resistência induzindo um sinal de teste por meio de uma das bobinas. A primeira bobina é uma bobina ativa que injeta um sinal de teste conhecido em qualquer objeto colocado entre suas garras. A segunda bobina é uma bobina passiva capaz de medir o sinal de retorno e quaisquer perdas que possam ter ocorrido durante suas viagens pelo circuito, permitindo assim que o instrumento calcule um valor de resistência para o circuito em teste. Podemos usar esse instrumento para testar se nossa usina de OR tem correntes parasitas e questionáveis.

Há vários locais em nossas instalações onde queremos fazer medições. Em primeiro lugar, vamos medir a corrente configurando o instrumento no modo amperímetro (seletor na posição “A”). No modo de medição de corrente, o transdutor ativo é desligado e o transformador de corrente passivo é ligado. 

Há algumas áreas importantes em que convém fazer medições:

• O condutor do eletrodo de aterramento (GEC) no painel elétrico principal 
• O GEC (X0) no transformador de alimentação, se possível 
• O GEC para o sistema principal de eletrodos de aterramento 
• O GEC, se instalado, no inversor de frequência variável (VFD) 
• O condutor de aterramento do equipamento (EGC) que vai para o VFD
• Todas as conexões de rede de aterramento equipotencial para o aço estrutural da usina de OR 
• Qualquer tubo de água de plástico que você possa prender, especialmente no lado da água bruta

Os testadores de resistência de aterramento Megger DET14C e DET24C contam com um recurso de aviso automático de corrente de ruído integrado que detecta se há ruído elétrico (transientes, harmônicas e outras frequências) no circuito que está sendo testado. Anote a corrente de cada objeto testado e também se o recurso de aviso de corrente de ruído está ativado ou não. Todas as correntes medidas devem ser menores que 1 A e, de preferência, devem ser menores que 100 mA.

Embora seja quase impossível discutir neste artigo todas as possíveis causas de correntes mais altas, veja alguns exemplos:

• Alta corrente no XO do transformador - pode haver uma ligação neutra-terra incorreta em um subpainel (consulte NEC 250.6) 
• Alta corrente no GEC ou EGC do VFD - talvez seja necessário um dispositivo de filtragem de ruído elétrico, conforme discutido anteriormente neste artigo 
• Alta corrente no eletrodo de aterramento ou nas ligações estruturais equipotenciais de aço - pode haver um sistema de eletrodo de aterramento subestimado que não é capaz de conduzir a carga de corrente colocada nele para a terra 
• Alta corrente no tubo de água de plástico - pode haver correntes parasitas no sistema de água

Testes de resistência: exemplos práticos

Para realizar alguns testes de exemplo, vamos colocar nosso testador de resistência de aterramento Megger DET14C ou DET24C no modo de resistência, configurando o instrumento no modo ohmímetro (seletor na posição “Ω”). Como você deve se lembrar, esse medidor tem dois transformadores de transdução, um ativo e um passivo. No modo de resistência, ambas as bobinas serão ligadas; a bobina ativa induzirá um sinal conhecido no condutor ao qual o medidor está preso e a bobina passiva lerá o sinal de retorno para fornecer uma medição de resistência até as limitações do instrumento. Se nenhum sinal for retornado, o instrumento indicará circuito aberto (ou seja, uma resistência maior do que a que ele pode medir). Com o instrumento no modo de resistência, devemos medir os seguintes itens:

• O GEC para o sistema principal de eletrodos de aterramento 
• O condutor de aterramento do equipamento (EGC) que vai para o VFD 
• Todas as conexões da rede de aterramento equipotencial ao aço estrutural da usina de OR

Os resultados esperados variam muito, dependendo de como o sistema foi construído e de qual dos circuitos estamos medindo. Veja alguns exemplos para ajudá-lo a avaliar seus resultados:

• CASO 1 – Circuito Em alguns casos, quando prendemos o medidor em torno de um condutor, o sinal do transdutor ativo percorrerá o caminho condutor do circuito de volta ao transdutor passivo, passando inteiramente por componentes metálicos. Nesse caso, estamos medindo a “continuidade” (a resistência de um circuito metálico desconhecido) e queremos ver uma resistência muito baixa, muito menor que 0,1 ohms. Isso confirma que há pelo menos um conjunto completo de caminhos metálicos condutores (um circuito) com ligações efetivas nessa área imediata. 
• CASO 2 – Resistência à terra Em outros casos, quando prendemos o instrumento ao redor do condutor, o sinal percorre o condutor, passa por um eletrodo de aterramento, entra e atravessa a terra (que se apresentará como uma resistência), sobe por outro eletrodo de aterramento e, em seguida, passa por um caminho metálico, completando assim o circuito de volta ao instrumento. Nesse caso, esperaríamos ver uma resistência de, digamos, 25 ohms e, em alguns casos, muito mais. 
• CASO 3 – Aterramento de ponto único ou isolado Em outro caso, quando prendemos o medidor ao redor do condutor, o sinal passará para um condutor que está ligado a um objeto eletricamente flutuante sem caminho de retorno. Imagine um monopolo de madeira com um único fio terra ligado a uma caixa de metal. Nesse caso, esperaríamos que o medidor retornasse uma leitura de circuito aberto, confirmando que a conexão é de fato um ponto único. Um ohmímetro comum com cabos de teste deve ser usado para confirmar a continuidade de volta ao sistema de aterramento da instalação nesses casos.

Na maioria dos casos, em um cenário de usina de OR, gostaríamos de ver o CASO 1 para podermos confirmar que existe continuidade em nosso sistema de aterramento equipotencial e que as ligações estão em boas condições.

A E&S Grounding Solutions recomenda enfaticamente o uso de uma planta da instalação (mapa) e a colocação dos resultados dos testes na planta para que você possa ver visualmente onde ocorrem leituras de alta corrente e/ou resistência ruim. Só então você poderá tomar uma decisão informada sobre como corrigir os problemas encontrados.

• Sua usina de OR é composta principalmente de tubulações de plástico e há correntes parasitas na água que estão causando falhas no equipamento e corrosão? Talvez seja necessário instalar um pequeno trecho de tubulação de aço inoxidável ligado ao sistema de aterramento para que as correntes parasitas que fluem pela água tenham um caminho para o aterramento que não seja por meio dos filtros de membrana. 
• O sistema de aterramento ligado ao VFD apresenta altos níveis de ruído e corrente? Talvez você precise de um sistema de filtragem eletrônica e de uma conexão melhorada do condutor do eletrodo de aterramento (GEC) ao seu sistema de eletrodos de aterramento abaixo do nível do solo. 
• Você parece ter correntes mais altas do que o desejado em quase tudo o que mediu? Talvez você precise de um sistema de eletrodos de aterramento melhor e de uma boa inspeção do painel para verificar se há correntes neutras questionáveis voltando para o transformador em suas partes metálicas condutoras expostas (consulte NEC 250.6).

Conversamos com Alan Davies, presidente da Hydrolynamic Solutions, líder na instalação de sistemas de osmose reversa de nível industrial. Ele conta a história de um cliente que gasta mais de US$ 100.000 por ano somente com perdas na bomba de água, devido a correntes parasitas no sistema de água bruta da usina de OR. Acredita-se que uma subestação elétrica próxima, de propriedade da empresa de serviços públicos, seja a culpada, pois ele inspecionou seu próprio sistema cuidadosamente. Acredita-se que as correntes parasitas de um transformador com “vazamento” na subestação estejam entrando no suprimento de água e danificando a usina de OR de seu cliente. Atualmente, ele está investigando o uso de uma cortina de cobre anti-EMI enterrada para proteger a usina contra esses riscos. É claro que o que ele realmente precisa é que a empresa de serviços públicos substitua o equipamento elétrico defeituoso na subestação!

Conclusão

As correntes elétricas parasitas na água são um grande problema para muitas pessoas, não apenas no setor industrial, mas também no ambiente residencial. Ao longo dos anos, ouvimos de vários proprietários de residências que as correntes parasitas que saem do cano principal de água e entram em suas casas causam problemas não apenas nos canos de água, mas também nos sistemas de televisão a cabo (CATV), sistemas telefônicos e muito mais.

Um isolador elétrico no cano principal de entrada de água é normalmente uma boa ideia, desde que você não esteja usando o cano principal de água como eletrodo de aterramento principal. (Nota: é necessário ligar a tubulação de água de cobre ao sistema de aterramento; no entanto, você realmente deve usar um eletrodo de aterramento dedicado como caminho da corrente de falha, e não usar a tubulação de água como eletrodo). Medir as correntes na água com um testador de resistência de aterramento Megger DET14C ou DET24C, fixando-o em torno de um tubo de água de plástico, pode ser uma ótima maneira de verificar rapidamente se há correntes alternadas percorrendo o abastecimento de água (correntes diretas não podem ser medidas com esses transdutores).

Um sistema de abastecimento de água devidamente conectado que esteja em conformidade com o Código Elétrico Nacional (NEC), artigos 250.52(A) (1), 250.53(D), 250.68(C), 250.104(A) e outros códigos industriais, é sempre um ótimo ponto de partida para reduzir os impactos de problemas eletroquímicos em seu sistema de água.