Case monitoramento de disjuntores de alta tensão, utilizando função dos dispositivos eletrônicos inteligentes IEDS

Por: Caio Cezar Neiva Huais - João Carlos Damasceno Ribeiro Mendes

Com o aumento populacional mundial e o mundo cada vez mais digitalizado e dependente de energia elétrica, as concessionárias de energia procuram adotar um sistema de distribuição mais eficaz a fim de atender as demandas exigidas pelos grandes complexos industriais. Este trabalho visou apresentar um estudo de caso para melhoria de práticas de manutenção mais eficientes e inteligentes em disjuntores de alta tensão utilizando sistemas de monitoramentos por meio de relés microprocessados de um sistema de distribuição de energia. Atualmente as manutenções adotadas em disjuntores são baseadas em intervalos de tempo regulares ou por número determinado de operações, mas não levam em consideração os níveis de corrente interrompida, motivo este que acarreta o desgaste do disjuntor. A concepção do trabalho foi desenvolver um sistema de monitoramento de desgastes de disjuntor via Inteligent Eletronic Device (IED) utilizando os dados fornecidos pelo fabricante e curva de manutenção do disjuntor como dados de parametrização, e são transformados de tal forma que por meio das correntes de faltas no instante do trip uma resolução pode ser feita aos ainda possíveis ciclos de operação. Para que isto se tornasse possível foram utilizados recursos de modernos IED’s (Inteligent Eletronic Device), onde através de uma rede ethernet IEC61850, possibilitou a criação de alarmes via sistema supervisório para que a informação dos resultados de vida útil remanescente seja observada e que a manutenção seja programada de forma oportuna. Foram realizados vários testes em campo, onde todo estudo se mostrou eficaz. Por fim verificou-se que com o emprego do sistema proposto utilizando modernos IED’s para monitoramentos, as intervenções nos sistemas elétricos de potência podem se tornar cada vez mais adotadas, sob o ponto de vista mais técnico e econômico das palavras-chave ao seu final.

Palavras-chave — Dispositivo Eletrônico Inteligente, Disjuntor, Monitoramento, Sistema Elétrico de Potência.

I.    METODOGIA

A.    Pesquisa Realizada

O sistema de monitoramento de disjuntores de alta tensão utilizando relés microprocessados (IED), foi desenvolvido através de pesquisas teóricas, análises técnicas, estudo de equipamentos de alta tensão e simulações realizadas em subestações de alta tensão do sistema elétrico de potência.

A pesquisa teórica foi realizada através de livros, artigos científicos, normas, manuais de fabricantes de equipamentos.

Em seguida realizou-se um estudo de caso específico na aplicação de relés microprocessados para procedimentos que auxiliam na conservação do disjuntor, que permitiu a realização de intervenções em intervalos de tempo, viabilizando as adoções de manutenção mais inteligentes e eficientes.

Posteriormente, realizou-se uma série de análises das funções auxiliares de manutenção de disjuntor existentes nos relés microprocessados.

Após definição, foi realizada a aplicação do procedimento de dois pontos para cálculo da longevidade remanescente, logo após a parametrização e ajustes dos parâmetros no IED com os dados e curva de manutenção fornecida pelo fabricante do disjuntor. Posteriormente passou-se pela fase de estudos em campo, para que todo o estudo e pesquisa fossem validados.

Realizaram-se várias simulações em campo utilizando uma mala de testes hexafásica, simulando várias condições de curto-circuito e logo após as análises dos dados fornecidos pelo IED, onde se mostrou satisfatório.

Depois de realizados os testes e análises dos resultados em campo foram desenvolvidos um sistema via supervisório para emissão de alarmes em relação a vida útil do disjuntor.

II.    RESULTADOS

A.    Pesquisa Realizada

Como hoje as industriais tentam ao máximo diminuir as perdas por paradas no processo, os intervalos entre as inspeções e manutenções preventivas nos disjuntores não devem ser tão longos que coloquem em risco a sua confiabilidade e nem tão curtos que redundem em despesas e trabalhos desnecessários.

Para determinar os tempos das inspeções e manutenções periódicas e programadas devem ter em vista três pontos principais do disjuntor: câmara de extinção, mecanismo de acionamento e isolamento, mas seus períodos de manutenção nem sempre são coincidentes, razão pela qual os seus períodos devem ser estabelecidos tendo-se em vista cada uma delas separadamente.

Os períodos adotados das manutenções preventivas e inspeções são das seguintes espécies: por tempo definido, pelo número de operações realizadas e números admissíveis de interrupções em relação as corrente de interrupção acumuladas durante o período ativo do disjuntor. Esses métodos adotados são estabelecidos conforme as instruções do fabricante e as experiências adquiridas.

Os intervalos entre as manutenções e inspeções que dependem do número de operações podem ser variáveis, uma vez que o número de operações, em geral depende de fatores muitas vezes aleatórios, pois podem ocorrer números anormais de operações e também altos níveis de corrente de curto circuito em pouquíssimas manobras. O período por tempo definido é aquele que por intervalo de tempo entre as inspeções e manutenções preventivas é dado em semana, meses ou anos.

Assim o estudo veio enfatizar essa readequação nas manutenções preventivas dos disjuntores e com a utilização da função de monitoramento auxiliar a sua conservação e possibilitar que os trabalhos se tornam cada vez menos rotineiros e as manutenções preventivas se tornar aplicável quando seu grau de uso se tornar necessário.

B.    Função do IED – Monitoramento do disjuntor

Uma programação inteligente da manutenção do disjuntor leva em consideração os dados fornecidos pelo fabricante referentes ao desgaste dos contatos versus níveis de interrupção e número de operações. Utilizando a curva de manutenção do fabricante do disjuntor como dados de entrada, a função de monitoramento do disjuntor dos IEDs, compara esses dados com a corrente medida no instante do trip e com o número de operações de abertura. Cada vez que ocorre trip do disjuntor, a informação da corrente medida é integrada. Quando o resultado dessa integração exceder o limite da curva de desgaste do disjuntor (ver Fig. 1), o IED gera um alarme via supervisório. Esse tipo de informação permite que a manutenção do disjuntor seja programada de forma oportuna e econômica.

Fig. 1 – Número admissível de desligamentos corrente x manobras.

C.    Subfunções do IED

As subfunções de monitoramento geral do disjuntor acumulam as correntes de trip, dos trips iniciados pelas funções de proteção e abrange as quatro seguintes subfunções autônomas:

  • Soma da corrente de trip (procedimento ΣI);
  • Soma das potências de trip (procedimento ΣIx);
  • Procedimento de dois-contatos para calcular a vida útil remanescente (procedimento 2P);
  • Soma de todas as integrais dos quadrados da corrente de falta (procedimento I2t).

               A operação de aquisição de valor medido e preparação são executadas seletivamente por fase, em todas as quatro subfunções. Cada um dos três resultados é avaliado usando-se um limite que é específico para cada procedimento (veja a Fig. 2).

Fig. 2 – Diagrama de procedimentos de manutenção do disjuntor.

D.    Subfunção escolhida para aplicação

A subfunção aplicada será a de dois pontos para calcular a vida útil remanescente dos contatos dos disjuntores – procedimento 2P.

Os dados fornecidos pelo fabricante do disjuntor foram transformados de tal forma que, por meio da medição das correntes de falta, uma resolução pode ser feita com respeito aos ainda possíveis ciclos de operação. Os diagramas de ciclo operacional de duplo registro dos fabricantes do disjuntor formam a base das correntes de falta medidas no momento da separação do contato.

Os três resultados da vida útil remanescente calculada são representados como valor estatístico. Os resultados representam o número de trips ainda possíveis, se o trip ocorrer quando a corrente atingir a corrente nominal operacional. Eles são mostrados sem unidades e sem decimais.

Um limite combina logicamente os três “resultados de vida útil remanescente” via uma operação OR e faz a avaliação. Forma o “limite inferior”, desde que a vida útil remanescente esteja diminuindo a cada trip pelo número correspondente de ciclos de operação. Se um dos valores trifásicos cair abaixo do limite, uma mensagem correspondente será emitida.

Conforme Fig. 3, o ponto P1 é determinado pelo número de ciclos operacionais permitidos na corrente operacional nominal Ir, o ponto P2 pelo número máximo de ciclos operacionais na corrente de trip falta nominal Isc.

Fig. 3 – Diagrama de ciclos de operação para o método 2.

A Fig. 3 mostra um diagrama de duplo registro, a linha reta entre P1 e P2 pode ser expressa pela seguinte função exponencial:

A equação de linha geral para a representação logarítmica dupla pode ser derivada da função exponencial e conduz aos coeficientes b e m.

Abaixo será descrito as etapas da pesquisa e implementação do sistema de monitoramento de disjuntores. São estas as etapas:

  • Levantamento de campo da quantidade de número de manobras dos disjuntores;
  • Parametrização dos IED’s utilizando as curvas de manutenção fornecidas pelo fabricante;
  • Testes de aceitação em campo;
  • Elaboração das telas de alarmes via supervisório;
  • Implementação do sistema nos IED’s das subestações;

Levantamento de campo da quantidade de número de manobras dos disjuntores.

Nessa etapa foi realizado todo levantamento do número de manobras que se encontravam nos contadores de manobras dos disjuntores a serem monitorados.

A Fig. 4 mostra que o número de operações realizadas pelo disjuntor desde sua montagem e instalação, foi de 653 manobras.

Fig. 4 – Número de operações realizadas.

Parametrização dos IED’s utilizando as curvas de ciclo de operação

Foi realizado o levantamento e estudo de cada parâmetro para que o método 2P seja habilitado e parametrizado de maneira correta.

Como mostrado na Fig. 5 o parâmetro 172 52 BREAKER WEAR MONIT foi ajustado para a subfunção 2P-Method, para ativar o procedimento 2P.

Fig. 5 – Seleção da função método 2P.

Posteriormente foram utilizados os dados de placa do disjuntor conforme Fig. 6, o diagrama de ciclos de operação fornecido pelo fabricante mostrado na Fig. 7 os tempos de operação do disjuntor conforme dados dos manuais mostrados na Fig. 8.

Fig. 6 – Dados técnicos do disjuntor SIEMENS 3AP1.

Fig. 7 – Número permissível de ciclos de operações disjuntor 3AP1.

Fig. 8 – Tempos de operação disjuntor Siemens 3AP1.

Logo após o estudo da curva de ciclos de operações foram realizados os ajustes dos parâmetros dos endereços do IED descritos na Tabela I abaixo

Tabela I

Posteriormente foi realizado o ajuste dos endereços 260 aos 267, mostrado na Fig. 9, onde o ponto P1 é determinado pelo número permitido de operações de interrupção (parâmetro 261 OP.CYCLES AT Ir), para a corrente nominal de operação Ir (parâmetro 260 Ir-52) e o ponto P2 é determinado pelo número máximo de operações de interrupção (make-break) (parâmetro 263 OP.CYCLES Isc), para a corrente nominal de falta de trip Isc (parâmetro 262 Isc-52).

Para que o procedimento opere corretamente, o tempo de resposta do disjuntor foi especificado nos parâmetros 266 T 52 BREAKTIME e 267 T 52 OPENING.

Fig. 9 – Parametrização do método 2P. 

                     

E.    Teste de aceitação em campo

Nesta etapa, foram realizados vários estudos em ambiente de simulação. Simulou-se o sistema do procedimento de dois pontos para o cálculo da longevidade remanescente (método 2P), em campo conforme Fig 9, utilizando uma mala de testes hexafásica fabricante CONPROVE modelo CE-6006 (FIG. 34), simulando várias condições de corrente de curto-circuito Isc, a fim de verificar se o funcionamento irá atender a condições de monitoramento dos contatos do disjuntor.

Fig. 9 – Testes em campo.

Fig. 10 – Mala hexafásica utilizada nos testes em campo.

Os testes foram realizados utilizando um IED fabricante SIEMENS modelos SIPROTEC 4 – 7SJ80 (Fig. 10), onde eles monitoram as correntes normais e de curto-circuito dos disjuntores e realizam ações de acordo com a configuração ajustada para monitoramento do disjuntor.

Fig. 11 – 7SJ80 utilizado nos testes em campo.

Com ajuda da equação abaixo se pode calcular o número máximo de interrupções com diferentes correntes, e desta forma prever o desgaste.

F.    Resultados e ganhos esperados

1)    Primeiro caso – Trips monofásicos

Primeiramente foram simuladas correntes de curto-circuito monofásico conforme Tabela II.

Tabela II

Correntes de curto-circuito simuladas.

A Fig. 12 mostra que a operação de aquisição de valor medido e preparação foram executadas seletivamente por fase pelo IED.  E o valor de corrente acumulada da fase A está conforme Tabela II.

Fig. 12 – Valores estatísticos da duração residual dos contatos do disjuntor.

Logo com a ajuda da equação para calcular o número máximo de interrupções, e utilizando os valores da Tabela II e também o diagrama de ciclos de operação fornecido pelo fabricante. Foram calculadas quantas interrupções ainda são possíveis com a corrente nominal do disjuntor.  Comprovando assim a eficiência do procedimento 2P.

2)    Segundo caso – Trips bifásicos

Foram simuladas correntes de curto-circuito bifásicos conforme Tabela III.

Tabela III

Correntes de curto-circuito simuladas.

A Figura 12 mostra que a operação de aquisição de valor medido e preparação foram executadas seletivamente por fase pelo IED.

Fig. 12 – Valores estatísticos da duração residual dos contatos do disjuntor.

Logo com a ajuda da equação para calcular o número máximo de interrupções, e utilizando os valores da Tabela II e também o diagrama de ciclos de operação do disjuntor. Foram calculadas quantas interrupções ainda são possíveis com a corrente nominal do disjuntor.  Comprovando assim a eficiência do procedimento 2P.

G.    Elaboração de alarmes via supervisório

Nesta etapa utilizou-se o sistema SCADA fabricante SIEMENS SICAM 230, para a criação e adaptação dos alarmes de duração residual dos contatos dos disjuntores e sinalizando a condição para o operador do sistema elétrico, sendo que a partir dos alarmes as ações tomadas sejam realizadas corretamente.

Foram utilizados os contadores estatísticos que se encontram no IED (Fig 13), onde os valores limites parametrizados foi de 1500 manobras, de forma que uma mensagem seja gerada assim que sejam atingidos os valores pré-definidos.

Fig. 13 – Valores de Set Points parametrizados.

Essas mensagens foram alocadas via rede IEC 61850 para telas no sistema SCADA.

A Fig. 14 mostra a mensagem “Caiu Abaixo do Limite de Duração Residual do Disjuntor (Thresh.R.Endu.<)”, onde essa mensagem foi enviada quando o disjuntor caiu abaixo do limite valores limite parametrizados (Fig. 13).

Fig. 14 – Lista de informações estatísticas de saída do IED

Para que o operador tenha total controle sobre o sistema, foram desenvolvidas telas no sistema SCADA, conforme Fig. 15. Onde a mesma mostra a ocorrência de trip por função de sobrecorrente instantânea – (ANSI 50), ocorrido no circuito do alimentador da aciaria. Posteriormente o alarme de duração residual do disjuntor.

Fig. 15 – Tela do supervisório e alarmes.

Implementação do sistema nos IED’s das subestações

Nesta etapa serão programadas as parametrizações e elaboração dos alarmes do supervisório para cada IED e seu respectivo disjuntor.

III.    Considerações finais

Com a implementação do sistema de monitoramento, as manutenções terão uma flexibilidade maior em termos de manutenções programadas, pois se podem realizar as manutenções dos disjuntores quando a condição de seus contatos se tornarem necessário, visto que esta condição gera menores tempos de parada dos equipamentos e consequentemente poucas perdas produtivas.

Após várias simulações em campo o sistema está apto a ser implementado na subestação real possibilitando o aumento do desempenho e diminuindo o tempo de paradas do sistema elétrico, sendo a solução proposta aplicável não somente para o sistema analisado, mas para demais sistemas com configurações similares como a apresentada.

Outro ponto que vale ressaltar, é que para a implantação deste sistema, haverá um baixo custo de investimento, pois a subestação já possui equipamentos que são capazes de suportar as funções adicionais para este sistema de monitoramento.

Para futuros estudos e melhorias do sistema de monitoramento o tempo de carregamento da mola poderá também ser monitorado. Logo que o disjuntor é fechado, tem início a medição do tempo para ativar as entradas digitais do IED conectado ao contato da mola carregada do disjuntor. Se este tempo aumentar à medida que o número de operações aumenta, isso pode prognosticar um problema no mecanismo de carregamento da mola.

Outro método para estudos futuros é o tempo de operação mecânica. Onde pode ser calculado através da medição do intervalo de tempo entre o comando de trip ou o comando de fechamento e a ativação das entradas digitais do IED conectado aos contatos de estado do disjuntor. Ocorrendo algum desvio nestes valores podemos indicar problemas no mecanismo de acionamento.

Referências

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Autores:

Caio Huais é engenheiro de produção, pós-graduado em Engenharia Elétrica e Automação com MBA em engenharia de manutenção e Gestão de negócios. Atualmente ocupa posição de Gerente corporativo de manutenção no Grupo equatorial respondendo pelo desempenho da Alta Tensão de 7 concessionárias do Brasil, num parque de mais de 860 subestações e 24mil km de linhas de transmissão, atendendo mais de 16 milhões de Unidades consumidoras que representam mais de 10% de toda população brasileira;

João Carlos é engenheiro eletricista e técnico em eletrônica industrial, pós-graduado em transmissão e distribuição de energia pela PUC Minas, e cursando pós graduação em equipamentos de alta tensão. Atualmente trabalha na Equatorial Energia Goiás, na posição de engenheiro de manutenção no setor de engenharia de manutenção, e planejamento de toda concessão de distribuição do Estado de Goiás.

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