EQUIPAMENTO IDENTIFICADOR DE FASES PARA REDES DE BAIXA TENSÃO

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1 EQUIPAMENTO IDENTIFICADOR DE FASES PARA REDES DE BAIXA TENSÃO Cristiane G. Langner 1,2, João A. Pereira 2 Caixa Postal Curitiba, PR (1) PUC-PR Pontifícia Universidade Católica do Paraná (2) LACTEC Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento Abstract The objective of this article is to present the project of the phases identifier equipment for electric power distribution lines in low voltage. This solution has for objective to facilitate the identification of phases and unbalances loads in these lines. In the development, we used digital technology type EPLD for discrimination circuits. The transmission of the information is made by the own distribution line. As result has a portable equipment of small dimensions and robust for applications in field. Resumo O objetivo deste artigo é apresentar o projeto do equipamento identificador de fases para redes de distribuição de energia em baixa tensão. Esta solução tem por objetivo facilitar a identificação de fases e desequilíbrios de cargas nestas linhas. No desenvolvimento utilizamos tecnologia digital tipo EPLD para o circuito de discriminação e transmissão de informações pela própria linha de distribuição. Como resultado temos um equipamento portátil de pequenas dimensões e robusto para aplicações em campo. Palavras Chaves Identificação de fases, Circuito Digital, EPLD. 1 INTRODUÇÃO Para que as concessionárias de energia atendam os requisitos de qualidade no fornecimento de energia elétrica, são necessárias avaliações periódicas e precisas das condições da rede de distribuição. No cálculo da queda de tensão em circuitos de baixa tensão, a identificação das fases, nas quais os consumidores estão ligados, é ação fundamental para determinar o valor correto de carregamento em cada linha de fase específica. Através desta identificação, pode-se executar ações de balanceamento de cargas nos circuitos das redes de baixa tensão, bem como, faseamento em instalações prediais ou industriais. O cálculo eficaz das reais condições destes circuitos reduz os custos operativos com manutenção e elimina eventuais incômodos ao usuários melhorando a qualidade de energia entregue. Pelo fato de não haver equipamentos específicos para a identificação de fases no mercado de distribuição de energia elétrica, funcionários das concessionárias de energia, responsáveis pelo levantamento de fases em redes de baixa tensão, utilizam-se de métodos improvisados, alguns até engenhosos, com a finalidade de auxiliar e agilizar seus trabalhos. No entanto, tais procedimentos muitas vezes podem vir a causar incômodos aos consumidores por haver a necessidade de desligamento temporário de energia ou por causarem acidentes de curto-circuito entre as fases da rede, além dos riscos a saúde do próprio operador que pode estar sujeito a contatos com cabos energizados, uma vez que os acessórios e métodos improvisados não são totalmente seguros.

2 2 SOLUÇÃO PROPOSTA No sentido de se disponibilizar um equipamento confiável e seguro foi desenvolvido o Equipamento Identificador de Fases, único no mercado, robusto, portátil, de prática instalação na rede, de simples operação e sem qualquer tipo de ajuste ou calibração. O mesmo foi projetado para operar em redes trifásicas de distribuição de energia, a qual é fisicamente composta por um cabo de neutro e três cabos de fases com sinais senoidais de tensão defasados de 120º entre si. O equipamento tem como princípio de operação a transmissão de um sinal que identifique uma das fases como de referência com relação às demais, tomando-se os seus ângulos de fase como meio de distinguí-las. Este sinal é então recebido por um circuito, denominado receptor, que executa a função de compará-lo ao ângulo de fase do sinal da linha em teste. Assim, o equipamento é fisicamente constituído por um Módulo Transmissor, um Módulo Receptor e o Meio de Comunicação, os quais serão tratados com maiores detalhes na seqüência. 2.1 MÓDULO TRANSMISSOR (TX) O Módulo Transmissor (TX) é a unidade fixa que deve ser instalada, por exemplo, junto ao transformador de distribuição, posição esta onde se tem acesso a todas as linhas de fases e o neutro da rede (Figura 11). Assim sendo, com base no diagrama de blocos da Figura01 e formas de onda da Figura02, o módulo TX toma os sinais referentes a cada linha de fases, F1(IN), F2(IN) e F3(IN) (110V/ 220V-60Hz), e os converte, nos blocos A/D, em pulsos de 5,0V com duração de 1,0ms, sempre no instante em que a respectiva senoide passar por 0V (zero volts). Desta forma, tem-se três pulsos digitais seqüenciais defasados de 120º entre si (PF1, PF2 e PF3). O sinal PF1, particularmente, serve como start para o contador do bloco BASES DE COMPARAÇÃO que gera os sinais J120 e J240 com duração de 4,0ms em nível lógico alto e defasados de 120º e 240º com relação ao sinal de referência (o próprio PF1). Na seqüência, os sinais digitalizados referentes às duas outras linhas, PF2 e PF3, são comparados aos sinais J120 e J240 nos blocos COPARADORes, gerando os sinais LED F2 e LED F3 que, por sua vez, ativam os respectivos LEDs coloridos no painel do aparelho, os quais são responsáveis por associar uma cor a cada fase, conforme ângulo de fase correspondente em relação à fase tomada como referência e de acordo com a Tabela 01. O sinal PF1, por corresponder diretamente ao sinal de referência, por si só gera o sinal LED F1 que ativa o LED amarelo, cor esta associada ao ângulo de fase 0º. Tabela 01 Associação de cores para os ângulos de fases COR ÂNGULO DE FASE AMARELO 0 Graus VERMELHO 120 Graus VERDE 240 Graus Outra função do módulo TX, a qual dá a ele este nome, é a de tomar o sinal digital PF1, referente à fase de referência, e com ele modular um sinal de portadora no bloco MODULADOR gerando o sinal REF(F1). Este sinal, por sua vez, é amplificado no MODULO DE POTÊNCIA e, por fim, é acoplado às três linhas de fases da rede através das próprias pontas de prova utilizadas anteriormente para amostrar os sinais da rede elétrica. Do acoplamento, realizado pelos blocos ACOPLADORES, gera-se os sinais F1(OUT), F2(OUT) e F3(OUT). Assim, o sinal REF(F1) pode propagar-se pelas linhas de fase até chegar ao módulo RX, instalado em pontos de testes remotos da rede (Figura 11) onde, depois de tratado, é comparado com o sinal da fase local identificando seu ângulo de fase e consequentemente a fase em si, por intermédio dos mesmos padrões de cores associados anteriormente no módulo TX.

3 Figura 01 Arquitetura do Módulo TX Figura 02 Formas de onda que resumem o princípio de operação do Módulo TX

4 2.2 MÓDULO RECEPTOR O Módulo Receptor (RX) é a unidade portátil do Equipamento Identificador de Fases e trabalha em conjunto com o Módulo TX, o qual deve ser instalado previamente. A instalação do módulo RX deve ser feita conforme Figura 11, num painel de medição convencional ou em algum ponto da rede onde se tenha aceso a pelo menos uma fase e neutro. As Figura 03 e 04 ilustram o princípio de operação do Módulo RX onde, em primeira instância, o sinal de tensão proveniente da linha de fase em teste, FT, passa por circuitos específicos que dele extraem dois sinais fundamentais para a operação de identificação de fases, que são os sinais PREF e RL. Figura 03 Arquitetura do Módulo RX Figura 04 Formas de onda que resumem o princípio de operação do Módulo RX

5 O sinal PREF traz a informação de fase de referência. O mesmo é proveniente do sinal REF(F1), Figura 02, gerado pelo Módulo TX e transmitido à linha por acoplamento. Este sinal é recuperado no Módulo RX através de um circuito de ACOPLAMENTO seguido por um filtro passa alta (FPA) e um circuito de DEMODULAÇÃO gerando assim o sinal PREF, base para a geração dos sinais J0, J120 e J240 no bloco BASES DE COMPARAÇÃO, de forma semelhante ao mesmo circuito no Módulo TX. Já o sinal RL, por sua vez, traz a informação de referência local, ou seja, como no caso do Módulo TX, a referência local nada mais é do que um sinal na forma de um pulso de 5V com 1,0ms de duração gerado no instante em que o sinal senoidal de fase amostrada passar por 0V. O sinal RL é gerado depois que o sinal de fase, FT, tenha passado por um filtro passa baixa (FPB) resultando no sinal SFL que por sua vez é tratado no circuito A/D gerando, por fim, o sinal RL. No bloco COMPARADOR é feita a comparação do instante em que o evento RL ocorre com relação às bases de comparação J0, J120 e J240, fazendo com que os sinais LED F1, LED F2 e LED F3 passem para nível lógico alto quando o pulso RL coincidir com os sinais J0, J120 e J240 respectivamente. Os sinais LED F1, LED F2 e LED F3, quanto ativados, acionam LEDs nas cores amarelo, vermelho e verde, respectivamente, no painel do equipamento, de forma a associar uma cor a cada ângulo de fase conforme padrão anteriormente definido no Módulo TX Desta maneira, em um teste de campo, como exemplificado pela Figura 11, em que para a fase B é associado um LED verde do Módulo TX, no Módulo RX o LED verde também deverá acender, quando a linha em teste for a mesma da fase B. Resumidamente, a identificação de fases é obtida comparando-se as indicações de ângulo de fases tomadas no Módulo TX com a indicação de ângulo de fase tomada pelo Módulo RX, ambos tendo a mesma fase como referência. Esta por sua vez é informada ao Módulo RX por meio do sinal de referência modulado em freqüência, enviado pelo Módulo TX pela linha de energia. 2.3 MEIO DE COMUNICAÇÃO O meio de comunicação adotado para transmissão da informação entre os Módulos TX e RX foi a própria linha de energia de baixa tensão. Apesar de alguns inconvenientes, a comunicação de dados pela linha de energia foi adotada pelo fato da mesma estar presente tanto no ponto de tomada de referência quanto no ponto de medição, possibilitando a implementação de circuitos de comunicação simples e de baixo custo. No entanto, vale a informação de que, para a transmissão de dados em taxas mais altas são necessários circuitos mais elaborados. Para o caso proposto, a rede elétrica não permite um alcance de comunicação superior a 200 metros. Isto se deve ao fato do sinal de referência dissipar-se ao longo da linha chegando com baixa amplitude no ponto onde se utiliza o Módulo RX. Esta característica está relacionada à baixa impedância da linha de energia, a qual ainda pode variar de um sistema de distribuição para outro, não permitindo, em alguns casos, que o sinal atinja sequer os 200 metros. A solução de utilização de um módulo de potência mais eficiente acarretaria em um aumento de peso e consumo, do Módulo TX, não satisfatório com relação ao aumento do raio de ação correspondente. Assim, adotou-se a configuração atual de forma a satisfazer a maioria dos casos previstos pelas concessionária de energia, sem comprometer o peso e o consumo do equipamento. Em casos de teste de campo em que se necessite maior alcance, o procedimento normalmente utilizado é a medição de fases por trechos de linha. 3 IMPLEMENTAÇÃO O circuito eletrônico que compõem o Identificador de Fases pode ser dividido em duas partes quanto à tecnologia de operação. Uma parte analógica, constituída de circuitos como conversor A/D, fonte de alimentação, circuito de sincronismo com cristal oscilador, circuito de acoplamento e display de LEDs, que foi implementada com componentes comerciais e de simples tecnologia, e outra parte em tecnologia digital, que realiza a operação de identificação de fases propriamente dita. Esta por sua vez foi implementada em tecnologia EPLD (Erasable Programmable Logic Devices) possibilitando circuitos com excelente repetibilidade para produção em série, com garantia de sigilo das principais informações do projeto e redução de área e número de componentes na placa de circuito impresso. Para implementação da parte digital do Equipamento Identificador de Fases, descrita a seguir, utilizou-se o dispositivo de EPM7064SLC44-10 da ALTERA, com 64 células lógicas.

6 3.1 MÓDULO TRANSMISSOR (TX) Circuito BASES DE COMPARAÇÃO O circuito BASES DE COMPARAÇÃO (Figura 05) tem como entrada o pulso de referência PF1 que ativa um MONOESTÁVEL fazendo com que o sinal LED F1 passe de nível lógico 0 para nível lógico 1 ativando o LED amarelo (0 Graus) no painel do Módulo TX. O sinal PF1 também tem a função de disparar o CONTADOR o qual ativa os circuitos INICIA_J120, RESET_J120, INICIA_J240 e RESET_J240, que geram pulsos que ativam (in) e desativam (clr) os monoestáveis, cujas saídas correspondem às bases de comparação J120 e J240 de acordo com a Figura 02. O estado ativado de J120 e J240 tem cerca de 4,0ms o que garante uma comparação com certa margem de segurança em função de atrasos inerentes a desbalanceamentos ocasionais da rede. Figura 05 Circuito BASES DE COMPARAÇÃO (TX) Circuito COMPARADOR Os sinais J120 e J240, gerados no circuito BASES DE COMPARAÇÃO, são então comparados, em lógicas AND2, com o sinal PF2 (Figura 02), equivalente ao pulso de referência da fase conectada ao terminal F2. O resultado desta comparação é um pulso que atuará em um dos MONOESTÁVEIS cuja saída ativa um dos sinais LED F2 - vermelho 120 ou LED F2 - verde 240, de acordo com o ângulo de fase do sinal PF2 com relação ao sinal de referência PF1. O circuito correspondente aos sinais LED F3 é idêntico ao circuito da Figura 06, a não ser pelo sinal de entrada PF3. Figura 06 Circuito COMPARADOR (TX) Circuito MODULAÇÃO O sinal PF1 ativa o CONTADOR (Figura 07) quando estiver em nível lógico 1. Assim, é gerado o sinal de referência a ser transmitido, REF(F1), na saída do contador, de acordo com a Figura 02. Figura 07 Circuito MODULAÇÃO (TX)

7 3.2 MÓDULO RECEPTOR (RX) Circuito BASES DE COMPARAÇÃO O circuito ilustrado na Figura 08 refere-se ao bloco BASES DE COMPARAÇÃO onde, da mesma forma que no Módulo TX, a lógica de funcionamento baseia-se num CONTADOR ativo pelo pulso de referência PREF, cujas saídas atuam em comparadores que ativam (in) e desativam (clr) os monoestáveis, cujas saídas correspondem às bases de comparação J0, J120 e J240 (Figura 04). Figura 08 Circuito BASES DE COMPARAÇÃO (RX) Circuito COMPARADOR Assim como nos circuitos COMPARADORes do Módulo TX, os sinais J0, J120 e J240 são comparados em lógicas AND2 com o sinal RL (Figura 04), equivalente ao pulso de referência da fase local em análise. O resultado desta comparação resulta em um pulso que atua em um dos MONOESTÁVEIS cuja saída corresponde a um dos sinais LED F1, LED F2 ou LED F3, que por sua vez ativam os respectivos LEDs do painel do Módulo RX. Figura 09 Circuito COMPARADOR (RX) 4 RESULTADOS OBTIDOS Os módulos do equipamento são construídos de forma a atingir os requisitos de segurança e robustez para trabalhos de campo (Figura 10). Para tanto, optou-se pela utilização de caixas plásticas resistentes e com vedação. O acesso à placa do Módulo TX é feito por meio de passadores do tipo prensa-cabos de modo a não comprometer a vedação. Outra característica é que as placas de circuito impresso e seus componentes estão fixados de forma a apresentar resistência mecânica contra impactos. Também utilizou-se de conectores isolados para acesso à rede de forma a reduzir os riscos de choques elétricos. Quanto aos aspectos de operação, buscou-se simplicidade na disposição dos painéis dos módulos, de forma que os mesmos não apresentem qualquer tipo de ajuste e fornecendo sempre uma leitura clara e direta da associação de cada fase a uma cor específica por meio de LEDs de alto brilho.

8 1 Conectores tipo jacaré ; 2 Cabo multivelas (4 vias); 3 Prensa-cabo ; 4 Caixa plástica; 5 Display de LEDs; 6 Conector 4 vias. 1 Ponta de Prova; 2 Conector tipo jacaré ; 3 Caixa plástica; 4 Display de LEDs; 5 Passador de borracha para vedação; 6 Cabos. Figura 10 Módulos TX e RX do Equipamento Identificador de Fases A Foto 01 apresenta o Kit Identificador de Fases. À frente é exibido Módulo RX e o Módulo TX encontra-se acoplado à vara de manobra (acessório desenvolvido para facilitar a conexão desse módulo à rede de distribuição de energia). Foto 01 Equipamento Identificador de Fase

9 Como exemplo de aplicação, a Figura 11 ilustra um tipo comum de sistema de distribuição onde o Identificador de Fases pode ser aplicado. Figura 11 Exemplo de aplicação 5 CONCLUSÃO O equipamento Identificador de Fases permite realizar tarefas de identificação de fases em redes de baixa tensão (110/220V 60Hz) de forma eficaz, prática e segura, com baixo custo e manutenção praticamente inexistente. Um curto prazo de desenvolvimento do projeto, em parte, se deve ao fato do mesmo ter sido implementado com tecnologia digital EPLD, o que permitiu a construção de um equipamento leve, de pequenas dimensões, com excelente repetibilidade para produção em série e com garantia de sigilo das principais informações do projeto, além de que sua adaptação para outros sistemas é simples e rápida, sem haver necessidade de alterações do hardware já desenvolvido. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem aos colegas do LACTEC José C. do Nascimento, Ivan Chueiri, Mário Klinkoski, R. Naliwaiko, Adilson M. da Luz, Márcio Rodrigues, Fernando Uada e Marcelo Charan, a Flávio E. Mog da empresa MO Engenharia, fabricante do equipamento, ao Sr. Ary Gioria da empresa FESP, que fornece os acessórios do equipamento e ao Sr. Cavalcante da empresa Bandeirante de Energia S.A. e, principalmente, aos funcionários de campo da COPEL/DIS/SED/SEDGEO por todo o apoio técnico e cooperação nas diversas fases de desenvolvimento do equipamento Identificador de Fases, sem os quais sua realização e este trabalho não teriam sido possíveis.

10 BIBLIOGRAFIA [01] Agência Nacional de Telecomunicações ANATEL, Regulamentação sobre Equipamentos de Radiocomunicação de Radiação Restrita, 1999; [02] ALTERA, Data Books e Max+Plus II Getting Started ; [03] Amitava Dutta-Roy, Networks for Homes, IEEE Spectrum, Dec. 1999; [04] INTELLON, Power Line Communications Sistems, User s Manual for the P200/P300 Evaluation Boards, 1999; [05] National Semiconductor, Aplication Notes 146, Jun. 1975; [06] Norma Técnica COPEL, Materiais de Distribuição Padrão, NTC 81, Rev. Set [07] Norma Técnica COPEL, Montagem de Redes de Distribuição Urbana, NTC 849, Rev. Set [08] POWER Integrations, Inc., Data Sheet, TNY253/254/255 TinySwitch Family, Sep. 1998;

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