DESENVOLVIMENTO DE CALIBRADOR PARA OSCILÓGRAFOS DE DISJUNTOR

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1 DESENVOLVIMENTO DE CALIBRADOR PARA OSCILÓGRAFOS DE DISJUNTOR Flávio Augusto Mereu Pioto Técnico Pleno de Desenvolvimento Divisão de Gestão de Manutenção Centro de Manutenções Especiais CTEEP Brasil Ricardo Camilo Zampieri Técnico Sênior de Desenvolvimento Divisão de Gestão de Manutenção Centro de Manutenções Especiais CTEEP Brasil CATEGORIA Sistemas de Controle, Proteção e Telecomunicações. RESUMO Os oscilógrafos para disjuntores são instrumentos largamente utilizados nas empresas do setor elétrico para medir a velocidade e o sincronismo da abertura e fechamento dos contatos de disjuntores das subestações. Com a implantação da ISO 9001:2008 nas manutenções em subestações, houve um aumento na demanda dos instrumentos calibrados pelo Laboratório de Metrologia do Centro de Manutenções Especiais de Bauru, incluindo os oscilógrafos. Assim, dá-se início a um estudo para quantificar e desenvolver novos métodos de calibração para estes instrumentos, bem como, um controle dos mesmos. Como não foi encontrado no mercado um calibrador específico para oscilógrafos, os mesmos foram calibrados por terceiros, porém os resultados não foram satisfatórios. Essas empresas prestadoras de serviço de calibração também não dispõem de um padrão específico para tal, utilizando soluções que não atendem plenamente os requisitos para uma boa calibração e, com isso, fornecendo um laudo de baixa confiabilidade. Diante das dificuldades encontradas, o Laboratório de Metrologia iniciou o desenvolvimento de um padrão próprio, que atendesse plenamente suas necessidades. O objetivo deste trabalho é demonstrar como o Laboratório de Metrologia do Centro de Manutenções Especiais desenvolveu uma solução para calibração para disjuntores. Neste projeto foi utilizados instrumentos de alta precisão já existentes dentro da empresa, aliados a uma solução eletrônica robusta, extremamente confiável e de baixo custo, gerando assim, benefícios econômicos e técnicos que serão demonstrados no decorrer deste trabalho. PALAVRAS CHAVE Oscilógrafo, Calibração, Disjuntor, Padrão, Precisão, Confiabilidade, Instrumentos de medição. INTRODUÇÃO Os disjuntores são equipamentos de fundamental importância dentro das Subestações e são responsáveis pela abertura e fechamento de um circuito sob carga em condições normais, além de serem o meio pelo qual as proteções atuam no sistema em caso de falhas. Devido a esse importante papel, é necessário que os disjuntores estejam sempre em ótimas condições de funcionamento, para atuarem com precisão em caso de manobras programadas ou em qualquer eventualidade. Os parâmetros tempo de abertura, tempo de fechamento, tempo de atuação em curto-circuito e verificação de atuação com desacordo de pólos são cruciais para garantir que os disjuntores realizem suas funções satisfatoriamente, variando de acordo com o tipo de disjuntor, número de pólos, ou ainda, se possuem resistores de préinserção. Para garantir que esses tempos de manobra estejam sempre corretos, são realizadas medições desses parâmetros em todas as intervenções realizadas nos disjuntores. Para realizar tais medições são utilizados os equipamentos chamados. Tais equipamentos possuem vários canais e são capazes de realizar medições em contatos secos, contatos com resistores de pré-inserção e por nível de tensão. Sua precisão é fundamental no processo de medição dos tempos dos disjuntores, pois são esses tempos que irão definir o sucesso 1

2 ou a falha de uma manobra. JORNADAS TÉCNICAS ISA Assim como qualquer instrumento de medição, a calibração dos oscilógrafos é extremamente importante, pois, através desta é que se atesta a exatidão e precisão com que o instrumento realiza suas medições, fornecendo a confiabilidade necessária ao processo. Este trabalho descreve o desenvolvimento, confecção e ensaios de um instrumento para calibração, suprindo uma lacuna existente no mercado, pois o mesmo não disponibiliza esse tipo de instrumento. 1 CONSIDERAÇÕES BÁSICAS Os parâmetros de tempo de abertura e de fechamento citados neste trabalho estão baseados nas definições em [1]: Tempo de abertura: o tempo de abertura de um disjuntor é definido de acordo com o método de abertura apresentado a seguir e com qualquer dispositivo de tempo de retardo formando uma parte integrante do disjuntor ajustado a sua posição mínima: a) para um disjuntor disparado por qualquer tipo de energia auxiliar, o tempo de abertura é medido a partir do instante de aplicação desta energia ao disparador, estando o disjuntor na posição fechada, até o instante da separação dos contatos de arco em todos os pólos; b) para um disjuntor disparado com acionamento próprio, estando o disjuntor na posição fechada, o tempo de abertura é medido a partir do instante em que a corrente do circuito principal atinge o valor de funcionamento do disparador de sobrecorrente, até o instante da separação dos contatos de arco em todos os pólos Tempo de fechamento: Intervalo de tempo entre a energização do circuito de fechamento, estando o disjuntor na posição aberta, e o instante em que os contatos se tocam em todos os pólos Tempo de religamento: Intervalo de tempo entre o início do tempo de abertura e o instante em que os contatos se tocam em todos os pólos durante um ciclo de religamento. Os demais parâmetros estão baseados nos documentos em [2] e [3]. 2 2 DESENVOLVIMENTO 2.1 ESTUDO DO PROBLEMA Com a implantação da ISO 9001:2008 nas manutenções realizadas no Sistema Elétrico de Potência - SEP, tornou-se necessária a calibração periódica de todos os instrumentos utilizados nessas manutenções, incluindo os oscilógrafos. Vários instrumentos já eram calibrados na Empresa, mas ainda não havia um padrão específico para os oscilógrafos. A solução imediata foi a contratação externa deste serviço, porém, depois de analisar os certificados emitidos pelos laboratórios contratados, verificou-se alguns dados importantes: Os certificados apresentavam erros e incertezas das medições, o que inviabilizava o uso dos oscilógrafos, já que todos os resultados obtidos atestavam que nossos instrumentos estavam fora da classe de exatidão; Os pontos calibrados eram diferentes dos valores habitualmente encontrados nas oscilografagens de disjuntores quando em manutenção, dificultando a análise dos erros e necessitando de utilização de artifícios matemáticos, como a extrapolação, para encontrar os parâmetros adequados para eventuais correções das leituras; Todos os laboratórios terceirizados visitados pela pelo laboratório de Metrologia, não dispunham de um padrão para oscilógrafos existente comercialmente no mercado; Dificuldades no transporte e contratação dos serviços externos, visto que cada Departamento Regional tem seu cronograma de manutenções, impossibilitando a formação de um lote fechado para envio a terceiros; e Geração de custos com calibração e transporte externos, além do tempo de indisponibilidade do instrumento ser maior por se tratar de terceiros. Diante desses fatos, iniciou-se uma análise para a realização das calibrações internamente, utilizando a estrutura existente no Laboratório de Metrologia do Centro de Manutenções Especiais de Bauru. A partir dai, concluiu-se que, com os instrumentos de precisão existentes no Laboratório e com um aparato

3 eletrônico fazendo a interface entre os instrumentos e o oscilógrafo, seria possível realizar as referidas calibrações. Assim, inicio-se a pesquisa dos dados necessários ao desenvolvimento do projeto, como por exemplo, os parâmetros de tempo utilizados nas oscilografagens, que são geralmente muito baixos. Nos disjuntores Delle Alsthom tipo PK, por exemplo, são da ordem de 20 a 23 ms para abertura dos contatos principais, 30 a 37 ms para fechamento dos contatos principais, 17 a 32 ms para abertura em curto-circuito, 71 a 85 ms para religamento (OCO Open/Close/Open) e de até 4 ms para desacordo de pólos, que é quando uma ou mais fases não operam conjuntamente com as demais. Portanto, a medição dos tempos de disjuntores é uma atividade minuciosa, cuja precisão é imprescindível e requer a utilização de instrumentos de medição precisos e confiáveis. 2.2 DESENVOLVIMENTO E ENSAIO DO HARDWARE Com base nos dados coletados no estudo inicial, partiu-se para o desenvolvimento do hardware. Primeiramente, definiram-se quais os instrumentos que seriam mais adequados para essa atividade, utilizando-se, então, um Sintetizador/Gerador de Funções, marca HP, modelo 3325A e um Contador Universal, marca HP, modelo 5335A. O Gerador/Sintetizador possui uma saída TTL (5 Vdc), fornecendo um sinal de onda quadrada e com estampa de tempo variável de 10 ms a 99,99 s, com uma exatidão de 5 ppm (0,0005%) da leitura de tempo. Figura 1. Diagrama da primeira versão do calibrador Após os estes desta versão, observou-se que a precisão e exatidão das medições realizadas pelo conjunto eram superiores aos valores existentes nos laudos fornecidos por terceiros, o que incentivou o desenvolvimento de melhorias no projeto, como medições e trigger por contato e a possibilidade de realizar as medições também em fechamento/abertura (CO - Close/Open). Durante essa segunda etapa, verificou-se que os circuitos de trigger e de saída deveriam ficar separados, pois nas simulações de CO e OC, era necessário eliminar uma etapa de amplificação para inverter o sinal em 180. Com os circuitos juntos, esta manobra invertia também o trigger, fazendo com que o circuito de medição partisse sem ser disparado. Esse problema foi resolvido projetando dois circuitos idênticos, um para o trigger e outro para a saída, porém recebendo o mesmo pulso da entrada, conforme ilustra a figura 2. O contador universal possui duas entradas de frequência/tempo, com exatidão de 0,005% da leitura e uma precisão de 0,001 ms. O próximo passo foi o desenvolvimento do circuito que faria a interface entre o gerador de funções, o contador universal e os oscilógrafos. Após alguns cálculos e definições, estava pronto o circuito da primeira versão, que contemplava as medições e o trigger por tensão, possibilitando a simulação de abertura/fechamento (OC Open/Close), conforme ilustra a figura 1. 3 Figura 2. Diagrama da última versão do calibrador

4 O circuito funciona da seguinte forma: O sinal do gerador é recebido através de um acoplador ótico, onde é isolado eletricamente para entrar no circuito e sua fase é invertida em 180 ; Após passar por uma etapa pré-amplificadora, o sinal retorna em sua fase natural; e Saindo do pré-amplificador, o sinal é dividido para entrar nos circuitos das saídas e dos triggers, onde passa por mais duas etapas de amplificação e é disponibilizado como saída ou trigger, por tensão ou por contato. O circuito montado desta forma possui as saídas e os triggers em nível baixo (0 V), passando para o nível alto (24 V) durante o tempo pré-definido pelo gerador e retornando ao estado inicial. Isso gera uma simulação de abertura/fechamento (OC). Figura 4. Montagem e acondicionamento da fonte, bornes, chaves, placa eletrônica e fiação Para simular um fechamento/abertura (CO), inverte-se a fase do sinal em 180, eliminando uma etapa de amplificação do circuito das saídas. Esta operação é realizada através da comutação da chave OC CO, que abre o circuito do emissor e conecta a base ao coletor do transistor, tornando-o inoperante. Após todas as alterações e testes, iniciou-se a montagem da última versão do circuito, confeccionando a placa de circuito impresso, caixa para acondicionar circuito e fonte, além de máscara para identificação das funcionalidades. As figuras 3, 4 e 5 ilustram as etapas da confecção e testes da última versão do calibrador de oscilógrafos para disjuntores. Figura 5. Calibrador pronto Após a conclusão do calibrador, iniciou-se uma nova bateria de testes, simulando uma calibração real de um oscilógrafo, conforme ilustra a figura 6. Figura 3. Placa de circuito impresso montada 4 Figura 6. Simulação de calibração com o calibrador

5 Nesta calibração pode-se constatar que a exatidão e precisão das leituras fornecidas pelo conjunto calibrador eram bem maiores do que as encontradas nos certificados de terceiros. A tabela 1 demonstra claramente essa diferença. Pontos calibrados Erro Máximo CTEEP Erro Máximo Terceiros 50 ms ± 0,1 ms ± 20 ms 1000 ms ± 0,1 ms ± 69 ms 2000 ms ± 0,1 ms ± 36 ms Fonte: Elaboração Própria Tabela 1. Amostra comparativa de alguns erros de calibração CTEEP x Terceiros Ressalta-se, porém, que os valores de calibração apresentados nos certificados de Terceiros inviabilizam o uso de todos os oscilógrafos da CTEEP, pois os mesmos estariam fora da sua classe de exatidão, que para os modelos existentes na Empresa, é de ± 0,1 ms. Desse modo, o desenvolvimento do calibrador de oscilógrafos vem garantir e certificar que os oscilógrafos da Empresa estão aptos para serem utilizados nas medições de tempos de disjuntores, dando a confiabilidade necessária ao processo. 3 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES O desenvolvimento do calibrador trouxe vários benefícios à Empresa, dentre os quais pode-se citar: Diminuição dos custos com contratação de calibrações externas e o respectivo transporte à terceiros; Maior confiabilidade do certificado de calibração, pois os erros e incertezas de medição estão abaixo dos valores estabelecidos pelos fabricantes dos equipamentos (oscilógrafos); Maior facilidade na interpretação do certificado de calibração, pois o mesmo foi desenvolvido baseado nos parâmetros reais de tempo utilizados nas medições em campo; Maior confiabilidade nas medições de tempo 5 realizadas nos disjuntores em manutenção; Diminuição do tempo de indisponibilidade do instrumento, facilitando o agendamento da calibração. A soma de todos esses benefícios garante a realização de calibrações e medições com altíssima qualidade, trazendo maior confiabilidade nas manutenções realizadas no SEP e consequente economia de recursos para a Empresa, bem como, veio agregar ainda mais valor aos serviços prestados pelo Laboratório de Metrologia aos Departamentos Regionais da CTEEP. Consequentemente, os Departamentos Regionais poderão realizar ensaios em disjuntores com maior precisão e confiabilidade, de acordo com os preceitos da ISO 9001: REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. [1] Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT. NBR IEC : Equipamentos de alta-tensão - Parte 100: Disjuntores de alta-tensão de corrente alternada. Rio de Janeiro: ABNT; [2] Companhia de Transmissão de Energia Elétrica Paulista - CTEEP. GUIA DE MANUTENÇÃO - 15 ANOS DISJUNTOR 460 kv Delle Alsthom PK 4/6 A,B,C E D. São Paulo: CTEEP; [3] Companhia de Transmissão de Energia Elétrica Paulista - CTEEP. PRO.3.OM Manutenção do Sistema de Transmissão de Potência São Paulo: CTEEP; Flávio Augusto Mereu Pioto Técnico Eletrônico Escola Técnica Liceu Noroeste Bauru, São Paulo, Brasil Posição Atual: Técnico Pleno de Desenvolvimento, Divisão de Gestão da Manutenção, Centro de Manutenções Especiais. CTEEP-Brasil Ricardo Camilo Zampieri Técnico Eletrônico Colégio Técnico Industrial Prof. Isaac Portal Roldan Bauru, São Paulo, Brasil Posição Atual: Técnico Sênior de Desenvolvimento, Divisão de Gestão da Manutenção, Centro de Manutenções Especiais. CTEEP-Brasil