Maximizando a Produção: Milissegundos que Definem a Parada ou a Continuidade do Processo. Paulo Lima Schweitzer Engineering Laboratories, Inc.

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1 Maximizando a Produção: Milissegundos que Definem a Parada ou a Continuidade do Processo Paulo Lima Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. Copyright SEL 2015

2 Agenda Como garantir a partida de um motor com carga de alta inércia? Como reduzir os danos e tempo de retorno em operação após um evento com arco? Transferência rápida de fontes para barramento de motores Mantendo cargas essenciais independentemente da alimentação da concessionária

3 Como Garantir a Partida de um Motor de Alta Inércia?

4 Introdução Faltas Faltas à terra Tipo do aterramento do sistema Tipo de falta (arco, impedância, sólida) Faltas entre fases Bifásicas Trifásicas Faltas entre espiras

5 Introdução Operação Anormal Sobrecargas mecânicas Carga emperrada, mancais, rotor travado na partida, etc. Temperatura ambiente elevada Ventilação restrita Partidas muito frequentes Tensão de alimentação anormal Tensão elevada ou baixa, desbalanço, sequência negativa

6 Proteção Térmica Rotor travado na partida Sobrecarga em operação Desbalanço em operação Partidas frequentes ou prolongadas Perda de eficiência no sistema de resfriamento

7 Motores com Carga de Alta Inércia Partidas longas Tempo de partida próximo ao tempo máximo de rotor travado Desgaste maior para o rotor Problema para o motor e processo

8 Corrente, R r vs. Slip 8

9 Distribuição de Correntes nas Barras do Rotor Barra do Rotor Barra do Rotor Barra do Rotor Partida S' = S = 1 Rodando S' = S = 0.01 Desequilíbrio S' = 2 S S = Escorregamento S' = Frequência da Corrente do Rotor

10 Comparando Respostas Elementos Convencional Dependente do escorregamento 10

11 Modelo Térmico de Primeira Ordem U trip U _ + Quando : TRIP Calor Aquece Motor Calor Dissipado U U U U trip trip TRIP TRIP 0 1 I 2 r( s) C th R th Fonte de Calor Motor Dissipação de Calor

12 Barras Rompidas em Motores de Indução Barra rompida

13 Fenômeno Evolutivo Redução de torque Aumento de vibração Primeira barra rompe Redução de eficiência Sobreaquecimento Outra barra rompe Adiciona esforço às outras barras

14 Geração de Frequências em Torno da Fundamental f = ± 2. k. s. f 0

15 Detecção da Falha

16 Teste

17 Carga Constante

18 Duas Barras Rompidas e Carga Variável

19 Carga Mínima Para Detecção f = ± 2. k. s. f 0

20 Oscilação de Tensão

21 Oscilação de Carga

22 Ferramentas Adicionais Relatório de eventos Transformada de Fourier

23 Relatório de Eventos Medidas máximas e os instantes Veracidade e evolução de eventos

24 Transformada de Fourier Ampla faixa de dados Verificação da presença de frequências maiores

25 Resumindo Cargas com alta inércia Partidas longas Desgaste do rotor Modelo térmico preciso permite partidas longas com segurança Elemento de detecção de barras rompidas permite manutenção programada Menos desligamentos inesperados

26 Como Reduzir os Danos e Tempo de Retorno em Operação Após um Evento com Arco?

27 O Que é Um Arco Elétrico? Descarga que pode surgir com a ruptura de um dielétrico (isolação) entre dois pontos com potenciais diferentes Energia do arco: proporcional V I t

28 Riscos Para o Ser Humano Queimaduras Esmagamentos, fraturas ósseas Perda de mebro Surdez Ferrimentos resultantes de estilhaços Comprometimento da visão Morte

29 Danos Materiais e Perda de Produção

30 Categoria de Risco

31 Redução de Energia Incidente 4.16kV, 36kA Proteção de sobreconrrente temporizado Operação do relé 41 ciclos Operação do disjuntor 5 ciclos Energia incidente cal/cm^2 Proteção com detector de arco Operação do relé 4ms (1/4 ciclo) Operação do disjuntor 5 ciclos Energia incidente 3.64 cal/cm^2

32 Redução de Energia Incidente cal/cm^2 Categoria de risco cal/cm^2 Categoria de risco 1 Redução de 88%!!!

33 Detecção de Arco Rápida e Segura Sensor regional ou pontual Supervisão de sobrecorrente ultrarrápido Contatos de saída de alta velocidade Atuação de 2 a 5ms

34 Exemplo de Aplicação Média Tensão Self-Testing Sensors Fault Current

35 Detecção de Arco na Gaveta do CCM

36 Aplicação para Múltiplas Gavetas

37 Aplicação para Múltiplas Gavetas TOL1 TOL2 TOL3 TOL4 Any TOL1 (VB001) 50PAF 50NAF Relé Geral Any TRIP Element GOOSE TRIP (Out101) 1 TOL1 2 TOL1 3 TOL1 4 TOL TOL1 Relés do CCM Via 32 Individual GOOSE Channels ANN.GVSPSGGIO3.Ind0 001.stval

38 Vídeo Arc Flash

39 Resumindo Energia do arco: proporcional V I t Luz e supervisão com sobrecorrente ultrarrápido Auto teste Detecção na média tensão Detecção na baixa tensão, na gaveta do CCM

40 Transferência Rápida de Fontes para Barramento de Motores

41 O Que é a Transferência Rápida Para Barramento de Motores?

42 Por Que é Necessário? Evita perdas onerosas em desligamentos não planejados Segurança pessoal Danos ao meio ambiente

43 Segmentos que Normalmente Requerem um Sistema TRBM Plantas de geração Refinarias Plantas Químicas Papel e Celulose Siderúrgicas Água/esgoto Automotivo Semicondutores

44 Requisitos para TRBM Fonte alternativa Inércia mínima M Rectifier M SM M M M

45 Tipos de Transferência Fechada Source 1 Source 2 Em aberto 3 Motor Bus Transfer Relay or 3 1 A B M Rectifier M SM M M M

46 Modos de Transferência Sequencial Source 1 Source 2 Simultânea 3 Motor Bus Transfer Relay or 3 1 A B M Rectifier M SM M M M

47 Iniciação da Transferência Externa Source 1 Source 2 Tensão 3 Motor Bus Transfer Relay or 3 1 A B M Rectifier M SM M M M

48 Métodos de Transferência Métodos Principais 1.Rápido (1 to 8 ciclos) 2.Em fase (9 to 500 ciclos) Métodos de Backup 1.Tensão Residual (10+ ciclos) 2.Tempo fixo (30 to 1,000 ciclos)

49 Diagrama de Sincronismo Janela de transferência em fase 0 o Janela de transferência rápida Nível de iniciação por tensão 270 o 0v 90 o Nível de transferência por tensão residual V Nominal 180 o Tensão na barra: nominal até zero

50 Transferência Rápida, Início Externo 3 12 Source 1 Source 2 0 o Motor Bus Transfer Relay o 90 o 1 1 or 3 1 A12 B o M Rectifier M SM M M M

51 Transferência Rápida, Início por Tensão 1 Source 1 Source o Motor Bus Transfer Relay o 90 o 1 1 or 3 1 A34 B o M Rectifier M SM M M M

52 Transferência Rápida Motor Bus Voltage Source 2 Voltage Source 1 Trip Initiated Source 2 Close Initiated

53 Transferência em Fase, Início Externo 1 Source 1 Source o 6 1 X L Motor Bus Transfer Relay o 90 o 1 1 or A 45 B 180 o M Rectifier M SM M M M

54 Transferência em Fase Motor Bus Voltage Decays and Frequency Slows In-Phase Closure Source 2 Close Initiated

55 Transferência Residual, Início por Tensão 1 Source 1 Source o o 90 o Motor Bus Transfer Relay 1 1 or A34 B67 6A B o M Rectifier M SM M M M

56 Considereações Finais Perfil da tensão em situação de ilhamento Estresse para equipamentos do processo

57 Mantendo Cargas Essenciais Independentemente da Alimentação da Concessionária

58 Geradores Próprios Reduz compra de energia Atendem uma determinada % da carga Desconexão da concessionária Esquema especial para balancear geração e consumo descarte de cargas Manter estabilidade do sistema ilhado

59 Importância de Um Sistema de Descarte de Cargas Evitar colapso do sistema ilhado Desligamento inesperado de cargas prioritárias Perdas financeiras Segurança pessoal Riscos ambientais

60 Duas Preocupações Estabilidade do Sistema de Potência Rejeitar a quantidade adequada de carga Rejeitar a carga rapidamente Continuidade do Processo Selecionar as cargas para descarte de maneira inteligente para minimizar o efeito na produção

61 O Sistema é Composto de Dois Esquemas... Descarte de cargas por contingência Esquema principal Descarte de cargas por subfrequência Esquema secundário Sistema ilhado

62 Funcionamento do Sistema Topologia do sistema Estado das cargas Estado das fontes Entradas do operador Cálculos préevento Disparo da contingência Ações do evento Sinais para descarte

63 Funcionamento do Sistema Cálculos pré-evento Operador seleciona prioridades Dados lidos do sistema de potência Ações durante o evento Disparo (início) externo Abertura das cargas pré-determinadas (menos prioritárias)

64 Funcionamento do Sistema Cálculo dinâmico da quantidade de carga (MW) a ser descartada Seleção das cargas a serem descartadas a partir da lista de prioridade Métodos seguros para envio de comandos Supervisão de dados coletados com base na qualidade da comunicação

65 Cálculo Dinâmico m L n P n g 1 IRM g n Número da contingência m Número de geradores envolvidos g Número do gerador Quantidade de carga a ser descartada L n P n Disparidade de potência causada pelo evento n Número da contingência IRM g Margem incremental e reserva do gerador

66 Crosspoint Switch f Entradas Início Contingência Cálculos pré-evento Seleção de Cargas DJ Abre t G1 G2 G3 X X X X X X Saídas de TRIP L1 X X X L2 X X X

67 Características Atualização em 2ms Múltiplas contingências Impossível prever todas condições Opera baseado na topologia Tempo total de resposta de até 28ms Início da contingência Contato de TRIP para descartar cargas

68 Arquitetura do Sistema

69 Tempo de Resposta de Descarte Ação Debounce das entradas digitais Tempo (ms) 2 (considerando este valor ajustado nos IEDs) Atualização e Processamento do FEP < 4 Comunicação entre FEP e controlador LSP < 4 Processamento no LSP 2 Comunicação entre controlador LSP efep < 4 Processamento FEP < 2 Comunicação entre FEP e IED < 4 Tempo de fechamento do contato do IED < 6 Tempo total de reação < 28

70 Testes de Performance e Validação Testes em fábrica Testes dinâmico Testes estáticos Teste de round trip Loop test em laboratório Loop test em campo

71 Testes em RTDS Simulador Dinâmico em Tempo Real Para validação do sistema executa-se um estudo de estabilidade dinâmica em um RTDS Modelagem de todos equipamentos do sistema: geradores, disjuntores, reatores, transformadores, cargas Estudos de fluxo de potência e curtocircuito para validação do modelo, comparando resultados com estudos existentes

72 Exemplo de Sistema - IHM

73 Seleção de Cargas Para Rejeição

74 Cargas Selecionadas/Contingência

75 Simulação Dinâmica Pré-Ocorrência

76 Simulação Dinâmica Pós-Ocorrência

77 Resposta do Sistema

78 Simulações Dinâmicas - UFLSP

79 Simulações Dinâmicas - UFLSP

80 Conclusão Esquemas de descarte de cargas são essenciais para continuidade do processo Capacidade de lidar com múltiplas contingências Não é possível prever todas contingências Opera baseado na topologia Testes dinâmicos no RTDS são importantes

81 Obrigado! Paulo Lima (19)