Padronização de Projeto de Automação Industrial com o Uso da IEC 61850

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1 Padronização de Projeto de Automação Industrial com o Uso da IEC Abstract Industrial automation is undergoing constant evolution, driven by the requirements of improved efficiency of processes. However, in general, the systems that supply power to the process, as the substation, distribution panels and motor control center, have always been relegated to the background. Furthermore the devices used in automation and control of industrial processes are becoming more refined, requiring that the electricity supply is increasingly reliable. In this sense the automation of electrical systems of the industries should also be considered in the various aspects involved, such as expansions and maintenance, as well as improvements in operating conditions. To simplify this work suggest the adoption of standards for design automation of electrical systems, such as the IEC Communications network and systems in substation. Resumo A automação industrial tem passado por constante evolução, motivada pelos requisitos de melhora na eficiência dos processos. Porém, em geral, os sistemas que fornecem energia elétrica para o processo, como subestação, quadros de distribuição e centro de controle de motores, sempre foram relegados a um segundo plano. Por outro lado os dispositivos utilizados na automação e controle dos processos industriais estão cada vez mais refinados, requerendo que o fornecimento de energia elétrica seja cada vez mais confiável. Nesse sentido a automação dos sistemas elétricos das indústrias também deve ser considerada nos diversos aspectos associados, como ampliações e manutenções, bem como melhorias nas condições operativas. Para simplificar esse trabalho sugere-se a adoção de normas de projeto de automação de sistemas elétricos, como é o caso da IEC Communications network and systems in substation. Palavras chaves: Automação Industrial, IEC61850, transferência automática de fontes, sincronismo entre fontes, descarte automático de cargas (load shedding), proteção e controle de motores. 1 Introdução O uso da IEC em subestações das concessionárias já é uma realidade e agora começam suas aplicações em subestações industriais, porém aplicados a proteção dos alimentadores principais. Esse artigo ressalta outras aplicações, que avançam sobre a área de automação industrial tradicional, como transferência automática de fontes, sincronismo entre fontes, descarte automático de cargas (load shedding), proteção e controle de motores assíncronos. O melhor entendimento da aplicabilidade da norma IEC 61850, fundamentado na modelagem dos objetos presentes em um sistema de automação, irão beneficiar os sistemas com a redução de custos de cabeamento, maior flexibilidade no projeto e melhor condições de operação e manutenção do sistema. 2 A automação das diversas áreas de uma indústria Na automação de um processo industrial é comum a segregação em áreas, como por exemplo: área industrial, sistemas de energia e utilidades. No processo industrial cada empresa adota um

2 padrão que normalmente é estabelecido junto com o fornecedor do sistema e esta associado à arquitetura escolhida para aquisição de dados, integração com sistema SCADA e comunicação com nível gerencial. Os padrões de rede de comunicação são definidos em função das necessidades do sistema e são bastante variados e podemos citar, por exemplo: MODBUS, Field bus, profibus, device net, profinet, soluções proprietárias entre outros. Estes padrões de comunicação não são orientados ao tráfego de informações com estampa de tempo e muitas automações da área de energia das indústrias são feitas com os protocolos mencionados não sendo possível a utilização da estampa de tempo, também conhecida como seqüência de eventos. Para analisar as falhas ocorridas nos sistemas elétricos é fundamental a presença da seqüência de eventos para definir qual foi o evento que iniciou o distúrbio. A solução devido à dificuldade de fazer as informações de seqüência de eventos chegarem até o sistema SCADA é deixar estes arquivos nos relés de proteção para serem lidos localmente através do laptop da manutenção ou criar uma rede separada para a aquisição destas informações. As soluções desenvolvidas desta maneira dificultam a manutenção e tratam a automação dos sistemas elétricos industriais como sistemas a parte enquanto na verdade as informações deste sistema são fundamentais para a economia de energia, restabelecimento rápido da produção e garantia de energia com qualidade para o processo industrial. Para o tráfego de informações com estampa de tempo foram desenvolvidos protocolos de comunicação como o DNP 3.0, IEC , IEC , IEC Estes padrões de comunicação foram e ainda hoje são amplamente utilizados para a automação elétrica por permitirem o tráfego de informações com estampa de tempo e também por permitirem o funcionamento em redes de baixa capacidade de transmissão de dados como por exemplo o IEC e o DNP3.0 serial que permitiam o funcionamento com modems e baixa velocidade de comunicação. O protocolo DNP foi criado e é amplamente utilizado nos Estados Unidos e Canadá enquanto os protocolos de comunicação IEC foram criados e são amplamente utilizados na Europa. Este artigo, no entanto trata da norma IEC61850 que foi escrita por um comitê formado pelos principais fabricantes do mundo e não possui nacionalidade sendo um padrão de fato que esta sendo amplamente utilizado em todos os países do mundo. Sua grande vantagem em relação aos protocolos DNP e IEC é o fato de não se limitar a um protocolo de comunicação e sim a uma padronização que inclui a linguagem de configuração orientada a objetos, a padronização da documentação do projeto, testes em fábrica e campo e a criação dos logical nodes que são objetos padronizados para cada função do IED, do inglês Intelligent Electronic Device, ou Dispositivo Inteligente. A idéia principal da norma é diminuir os custos com engenharia e permitir a troca de um IED de um fabricante por um IED de outro fabricante com o mínimo de trabalho possível e desta maneira permitir ao usuário projetar e manter um sistema atentando-se aos requisitos do sistema elétrico e de forma independente do fornecedor do sistema. Como os IEDs IEC61850 estão com preços cada vez menores, em função das vantagens a longo prazo de sua utilização estão sendo amplamente utilizados na área elétrica e o objetivo do artigo é apresentar a maneira de utilizar esta norma nos processos elétricos industriais. 3 Uso do IEC61850 na indústria Na subestação de energia que alimenta a indústria encontraremos os mesmos processos de uma subestação associada a uma usina de geração com a devida proporção de tamanho. As soluções que encontraremos são soluções que utilizam a proteção dos alimentadores, transformadores alimentadores, controle de TAPs, controle de energia reativa, fator de potência, religadores e outros.

3 A adoção do padrão IEC61850 na subestação associada à indústria trás os benefícios associados à padronização da documentação, da linguagem de configuração dos IEDs e menor custo futuro com atualização tecnológica uma vez que poderão ser trocados os IEDs mantendo-se os arquivos de configuração dos mesmos. Além da subestação, outros processos permitem a utilização da norma como por exemplo a transferência automática de fontes com ou sem paralelismo simultâneo, sincronismo de fontes, descarte automático de cargas e controle de motores. Estes tópicos serão abordados na seqüência. 4 Transferência automática de fontes Nos CCMs e Centros de Distribuição de Cargas em média tensão (13,8 KV) ou mesmo em baixa tensão (440 Vac ou menor) é fundamental os sistemas para transferência automática de fontes para garantir o fornecimento ininterrupto de energia. Os disjuntores dos alimentadores das barras possuem relés de proteção associados e estes por sua vez ao atenderem a norma IEC61850 possuirão os logical nodes padronizados para as funções de desarme por sobrecorrente, subtensão, sobretensão, transferência automática de fontes entre outros. Isto quer dizer que o usuário deverá apenas configurar o logical node de transferência automática de fontes que já existe no IED diminuindo muito o esforço de programação. Desta forma a utilização de IEDs que atendem a norma facilita muito o trabalho de configuração, principalmente em sistemas mais complexos onde existe uma cadeia de alimentadores e é necessário fazer um escalonamento de transferências, para que a transferência ocorra primeiro nos níveis mais altos de tensão. Para aumentar a velocidade da transferência entre fontes pode ser utilizadas mensagens não roteáveis denominadas GOOSE. A mensagem GOOSE permite que um IED informe o outro do que esta fazendo ou uma ação que este deve executar. Com o uso de mensagens GOOSE um quadro de alimentação informa o quadro imediatamente a jusante que esta fazendo uma transferência de fonte e que este deve aguardar até a conclusão da mesma. É importante lembrar que as mensagens GOOSE não são roteáveis ou seja não podem passar por um roteador sendo uma mensagem em rede local. Para execução de transferências entre instalações distantes entre si deve ser considerado o uso de redes dedicadas com a utilização de cabo OPGW por exemplo. 5 Sincronismo de fontes Nas indústrias esta sendo cada vez mais comum o uso de várias fontes de energia, incluindo a cogeração que é a utilização de resíduos do processo para gerar energia. Um exemplo é o bagaço da cana que pode ser queimado gerando vapor que faz girar uma turbina a vapor que por sua vez aciona o gerador. Um IED IEC61850 pode ser utilizado com vantagens para fazer o sincronismo das diversas fontes de energia. A vantagem da utilização da norma para esta função repete as vantagens já apresentadas como padronização da documentação, interoperabilidade com outros IEDs através das mensagens GOOSE, disponibilização na rede Ethernet das informações com estampa de tempo tanto dos eventos como da oscilografia permitindo uma análise centralizada das ocorrências relacionadas ao processo de sincronização (função ANSI 25) e de verificação de sincronismo (função ANSI 25 VS). A utilização das mensagens GOOSE no processo de sincronização se faz necessária para enviar comando para outro IED proceder a uma manobra de disjuntor ou seccionadora nos processos de preparação para sincronismo nos casos em que estes equipamentos estejam associados à IED diferente daquele que vai realizar o processo de sincronização. 6 Descarte automático de cargas Um sistema de potência em condições estáveis de operação, com freqüência nominal, deve apresentar um equilíbrio entre as potências de entrada e saída. Um aumento na demanda ou a

4 perda de uma unidade de geração pode causar um desequilíbrio entre a geração e a carga, resultando em um decremento da freqüência que pode levar ao colapso de todo o sistema. Existe ainda em algumas plantas industriais a necessidade de controle de demanda em horários de pico que realiza o desligamento de cargas não essenciais ao atingir um valor programado de carga máxima contratada para certo horário. No caso de desligamento em função de anomalias na rede, a remoção rápida e seletiva de algumas cargas pode possibilitar uma recuperação do equilíbrio, isto é, para condições próximas às nominais, evitando assim um desligamento prolongado do sistema e permitindo a restauração do serviço em um tempo curto. Este tipo de filosofia é conhecido por Esquema de Rejeição (ou Descarte) de Cargas, ou do inglês Load Shedding, sendo uma tentativa em restabelecer o balanço de potência entre a produção e o consumo de energia. Em particular, este esquema deve cumprir três princípios básicos: (a) deve prover segurança contra disparos indevidos; (b) deve determinar o total de carga a ser desligada; (c) deve atuar em curto intervalo de tempo. Quando ocorre um distúrbio no sistema ocorre uma variação de freqüência no mesmo. A rapidez com que a freqüência varia é diretamente proporcional ao distúrbio ocorrido. Quando ocorre diminuição de capacidade da fonte geradora para suprir à carga a freqüência cai. Quando uma carga é retirada do sistema existe a tendência de aumento da freqüência. Assim o controle de rejeição de carga é feito utilizando relés de freqüência. Com a introdução de dispositivos microprocessados um esquema de rejeição de cargas mais inteligente e preciso pode ser elaborado. Por exemplo, através do uso de IEDs, a informação de diferentes alimentadores pode ser obtida e mesmo trocada entre estes dispositivos microprocessados através de seus recursos de comunicação. Neste caso, a carga real pode ser levada em consideração e atualizada no algoritmo de rejeição de carga, havendo o desligamento apenas das cargas que totalizem a quantidade necessária de potência que permita novamente o equilíbrio do sistema, ou seja, a recuperação da freqüência. Este arranjo permite um esquema de rejeição de cargas denominado distribuído, uma vez que as informações fluem de/para diferentes IEDs posicionados em diferentes pontos ao longo do sistema. Adicionalmente, os IEDs podem estar conectados a um sistema de automação de subestações, o que possibilita um monitoramento e controle em tempo real do sistema. 6.1 Critério de Rejeição de Cargas A fim de que sejam estabelecidos critérios para o sistema de rejeição de cargas um estudo aprofundado do sistema de potência em questão é necessário, seja ele industrial ou de ambiente de concessionária. Em ambos os casos, diversas simulações são realizadas e diferentes situações avaliadas. Tipicamente, o critério de rejeição de cargas é tratado como uma função Booleana que depende da freqüência f e da taxa de freqüência df/dt. É utilizado para a detecção de um desequilíbrio e é baseado na presunção de que em um desequilíbrio a freqüência da rede irá diminuir. Por exemplo, um critério de rejeição de cargas com dois ajustes de freqüência pode ser representado pelo esquema visto na Figura 1. Para este caso, o critério é cumprido quando a freqüência f diminuir para um valor abaixo de f1< e a taxa de freqüência df/dt exceder o valor df>/dt, ou se a freqüência f diminuir para um valor abaixo de f2<.

5 Figura 1: Exemplo de critério de rejeição de cargas De maneira similar, outras cargas podem ser alocados em diferentes prioridades, de acordo com a importância estratégica e econômica de cada uma. Particularmente, um mesmo consumidor pode ter ainda seus diversos alimentadores em sua planta alocados em diferentes prioridades. 6.2 Alocação de Prioridade das Cargas Uma prioridade pode ser especificada para cada alimentador de uma carga, e esses alimentadores com a mesma prioridade podem ser agrupados nas denominadas classes ou grupos de cargas. Por exemplo, em uma determinada planta industrial inicialmente é previsto o corte de energia nos serviços não prioritários, passando-se então ao corte de partes do processo que não tragam grandes impactos, até que estágios vitais de produção comecem a ser desligados. No entanto, cada nível de prioridade deve no final efetuar os desligamentos suficientes para se manter a estabilidade do restante do sistema que permanece alimentado. Por vezes, a dificuldade está em se desligar da maneira mais precisa apenas as cargas essencialmente necessárias, não desligando outras cargas que poderiam permanecer ainda ligadas, conforme Figura 2 abaixo: Figura 2: Rejeição estáticas de cargas Uma maneira de evitar os problemas dos transitórios entre a eliminação de blocos de cargas é o uso de um tempo de retardo mínimo suficiente para acomodação do SEP (Sistema Elétrico de

6 Potência), conforme ilustra a Figura 3 a seguir. Outro aspecto a ser considerado em qualquer estudo e aplicação de esquemas de rejeição de cargas é a restauração do serviço, isto é, a reenergização dos equipamentos que foram retirados do sistema. Os procedimentos de religamento possuem as mesmas preocupações já citadas na interrupção, de modo a permitir que o sistema possa absorver a carga sem maiores interferências ou perturbações. Normalmente a carga rejeitada é restaurada seqüencialmente em blocos de potência que variam de 1 a 3% do total instalado, com intervalos de acomodação superiores há 30 segundos. De uma forma geral, todo o procedimento é realizado de forma contínua e automática, garantindo melhor eficiência e confiabilidade para o SEP. Figura 3: Comportamento da freqüência durante a rejeição de carga automática. 6.3 Rejeição dinâmica de cargas O esquema de rejeição dinâmica de carga, por sua vez, não desliga um número pré-definido de circuitos, mas uma percentagem pré-definida da carga total medida. No esquema dinâmico é necessário que se faça um cálculo contínuo das condições operacionais do sistema protegido, de maneira a rejeitar a percentagem adequada de carga necessária para o restabelecimento das condições de equilíbrio. Para isso, há a necessidade de medição permanente da potência em cada alimentador, cujos valores devem ser disponibilizados ao controle responsável pelo esquema de rejeição de carga. Neste caso, a informação de cada potência pode ser viabilizada através de medição direta ou rede de comunicação a partir de outros dispositivos que já estiverem instalados nos respectivos bays. Para isso, a comunicação digital é necessária a partir destes dispositivos. Um algoritmo especial compara uma potência de referência definida pelo usuário com as potências individuais de cada carga, sendo estabelecidas prioridades para cada uma. O algoritmo então

7 seleciona os alimentadores, de acordo com as prioridades, de maneira a se obter uma soma maior que o valor de referência, minimizando a diferença entre o que deve ser rejeitado e as cargas a serem desligadas. Este algoritmo deve continuamente atualizar suas medições baseadas nas condições atuais de operação do sistema. Tipicamente, os resultados são compilados em um formato final de tabela dinâmica, que define as cargas a serem imediatamente desconectadas. Isto permite que o esquema funcione praticamente de maneira instantânea, ou seja, as tabelas que são continuamente atualizadas irão desligar as cargas respectivas tão logo ocorra o gatilho que dá início ao processo de rejeição. Em comparação ao esquema tradicional de rejeição de cargas, ou rejeição estática, a rejeição dinâmica possui uma maior de capacidade de desligar cargas cujo somatório é mais próximo da quantidade real necessária para se atingir o nível de estabilidade. Assim, quase sempre, o esquema é eficiente já na primeira tentativa, ou seja, apenas o primeiro nível de cargas é desligado. 6.4 Rejeição inteligente de cargas Neste esquema, uma seqüência de quantidade de cargas deve ser rejeitada corretamente levandose em consideração a potência entregue pela rede da concessionária antes do ilhamento, e a quantidade de geração local disponível para se manter as cargas essenciais, utilizando-se para isso dos preceitos estabelecidos por uma rejeição dinâmica de cargas. Portanto, as potências consumidas e geradas devem ser continuamente monitoradas. Um sistema inteligente de rejeição de cargas deve, portanto, apresentar os seguintes recursos: Corrigir automaticamente seus cálculos de acordo com a configuração do sistema e condições de operação conforme a entrada ou saída de cargas ; Tomar decisões rápidas e precisas utilizando o estado atual das cargas em cada circuito ; Rejeitar uma quantidade mínima de carga para manter a estabilidade e freqüência nominal; Possuir uma tabela dinâmica de rejeição de cargas que é atualizada conforme as mudanças de configuração do sistema. Comparativamente, o esquema inteligente realiza um processo semelhante ao esquema dinâmico, com exceção de que a potência de referência é agora a potência produzida na rede. O objetivo final é rejeitar o mínimo de carga, tão rápido quanto possível, levando-se em consideração as prioridades das cargas individuais. A inteligência deste esquema é ainda associada à possibilidade de livre alocação de uma prioridade a qualquer momento. Esta prioridade pode ainda ser associada a cada uma das cargas, e não apenas aos alimentadores como ocorre no esquema estático, baseado em relés de freqüência. A grande vantagem desta lógica é que a quantidade de carga mais próxima da realmente necessária será desligada, obedecendo a prioridades que podem ser definidas pelo usuário, garantindo uma melhor estabilidade do sistema associada ao cumprimento de requisitos de operação do sistema. Para isso devem ser aplicados critérios que possam definir o melhor algoritmo para descartes, através de estudos que envolvem a relação entre os três principais componentes: prioridade de cargas; menor número de cargas a descartar; valor real descartado mais próximo possível ao valor calculado para estabilizar a ocorrência de perda de fonte sem que ocorra uma sobrefreqüência por um descarte excessivo de cargas. Diante destas definições surgiram alguns algoritmos clássicos para realizar o descarte das cargas: a) Descarte Linear: os disjuntores das cargas habilitadas para descarte são abertos seguindo unicamente a tabela de prioridades, podendo causar um descarte muito excessivo em relação ao valor calculado se a última carga descartada tiver um valor muito acima do valor de descarte remanescente.

8 b) Descarte por Equalização Dinâmica: diferentemente do descarte linear, quando se aplica esse algoritmo, a lista de prioridades é seguida. Porém se uma carga tem um valor superior ao valor de descarte remanescente, acima de um percentual pré-estabelecido, essa carga deixará de ser descartada e o sistema irá verificando a próxima prioridade até que ocorra uma situação onde o valor da carga esteja mais próximo ou menor que o valor de descarte remanescente; em muitos casos se utiliza uma combinação dos algoritmos de descarte linear para cargas de pequeno valor e equalização dinâmica para cargas com valor mais elevado. c) Descarte por Combinação Inter-Grupos: neste tipo de algoritmo as cargas são combinadas por ordem de prioridade em N grupos de X elementos (N e X) são definidos conforme a importância da prioridade; sendo N definido inversamente à importância da prioridade e X definido como sendo o número total de cargas dividido pelo N [número de Grupos]; Nesse algoritmo, o sistema verifica se o valor de descarte remanescente é maior que a somatória das cargas do grupo; caso seja o grupo todo é selecionada para descarte e caso contrário o sistema fará uma combinação entre os elementos do grupo de modo ao valor efetivamente descartado seja igual ou imediatamente superior ao valor do descarte calculado. 6.5 Sistema para rejeição de cargas Baseando-se nos conceitos apresentados de esquemas dinâmicos e inteligentes para rejeição de cargas, e nos preceitos alinhados ao desenvolvimento da Norma IEC61850 é possível a concepção de um Sistema de Rejeição de Cargas que tem como função manter o consumo de uma planta elétrica dentro dos limites de geração disponível. Este sistema de rejeição pode ser concebido através de plataforma digital baseada em software supervisório que apresenta interface com dispositivos eletrônicos inteligentes distribuídos ao longo do processo. Este sistema adquire o estado da planta elétrica, tais como a posição de disjuntores e seccionadoras e as potências fornecidas e consumidas. A partir destas informações o sistema calcula o consumo das cargas do sistema no momento e determina as cargas a serem descartadas no caso de perda de cada uma das fontes do sistema para manter o equilíbrio fonte-consumo. Esta previsão de descarte é transferida para os IEDs, que, no caso de uma ocorrência (perda de uma ou mais fontes de energia), promove o desligamento das cargas pré-definidas pelo próprio sistema digital, de acordo com a ordem de prioridades. A Figura 4 ilustra uma arquitetura simplificada de um sistema para rejeição de cargas. A Figura 4 : Arquitetura simplificada de um sistema para rejeição de cargas.

9 Nesta arquitetura os IEDs distribuídos ao longo da planta elétrica promovem a leitura de grandezas elétricas: correntes, tensões e potências para cada carga, e reportam estas medições ao servidor do sistema de rejeição de cargas, que então executa os algoritmos associados. Adicionalmente, através de entradas digitais os IEDs fornecem ao mesmo sistema os estados dos equipamentos de manobra: por exemplo disjuntores. Havendo perda de uma unidade de geração é disparado um gatilho, que poderá circular até os IEDs relativos às cargas por configuração de mensagens do tipo GOOSE. Estes gatilhos, ao chegarem aos IEDs das cargas, e em conjunto com as lógicas já recebidas através das tabelas dinâmicas, irão promover os desligamentos necessários para que seja mantido o equilíbrio entre fonte e consumo. A atuação do Sistema através de gatilho normalmente acionado por abertura de disjuntor em contrapartida a tradicional atuação por subfreqüência traz um grande ganho de eficiência ao sistema, uma vez que a atuação por subfreqüência só ocorrerá após os geradores remanescentes perderem parte da inércia nominal, em muitos casos comprometendo a estabilidade ou na maior parte dos casos necessitando de um descarte adicional para que retorne a rotação nominal e por sua vez normalize a freqüência. A atuação praticamente instantânea com o gatilho na abertura do disjuntor da fonte promove uma equalização entre fontes remanescentes e cargas num tempo extremamente curto, tornando o descarte muito mais eficiente, mesmo cortando um número menor de cargas. A cada ciclo de processamento, o sistema digital verifica quais fontes e cargas estão conectadas ao sistema elétrico e determina, para cada ilha prevista, quais cargas deverão ser desligadas no caso de perda das fontes de energia presentes. Neste cálculo de potência a descartar pode ser considerada uma equalização dinâmica das cargas, de forma que a carga só será selecionada para descarte se a potência da carga for menor ou igual à carga a ser descartada ou se 70% de sua potência consumida for menor que a potência ainda a ser descartada. Isto evitará que uma carga de maior potência seja descartada desnecessariamente. O sistema digital, através da rede de comunicação em fibra ótica com todos os IEDs, irá coletar os valores de potência consumida saída de geradores, sendo esses valores armazenados nas tabelas analógicas. A eficácia deste sistema para aplicação em descarte de cargas reside no fato do mesmo utilizar os recursos da comunicação vertical e horizontal. A comunicação vertical descreve a comunicação entre o sistema digital e os IEDs. Esta comunicação inclui monitoração do processo de dados movido a eventos, comandos e parametrização e utiliza o recurso de mensagens explícitas. Por outro lado a comunicação horizontal descreve a comunicação entre os IEDs. Este tipo de comunicação é utilizado para, por exemplo, realizar a transferência de dados de intertravamentos ou de tráfego dos gatilhos de perda de unidades de geração. Os IEDs IEC61850 atualmente comercializados integram várias funções de proteção, controle, monitoramento, sinalização e análise, além da possibilidade de criar esquemas de rejeição de carga, de maneira que um único equipamento seja capaz de atuar sobre o sistema e restabelecer a condição normal de operação em situações de desequilíbrio entre geração e carga. Com tal flexibilidade e abrangência, é válido salientar as principais características presentes nestes IEDs: Contínuo monitoramento de hardware e software para a rápida detecção de faltas internas. Captura de oscilografias das formas de onda. Monitoramento e registro da freqüência com alta precisão. Logical Nodes para a realização de esquemas de rejeição de carga. Configuração da variação da freqüência no tempo df/dt. Diferentes combinações de funções de proteção e supervisão. Interfaces de configuração por software ou teclado.

10 Portas de comunicação ethernet ópticas. Imunidade a transientes e harmônicos. 7 Proteção e Controle de Motores A seguir serão apresentados as funcionalidades associadas à proteção e controle da vida útil de motores de indução trifásico. 7.1 Porque utilizar modernos IEDs para proteção e controle de Motores Assíncronos? Amplamente utilizados na indústria os motores assíncronos, também conhecidos como motores de indução trifásico ocupam posição de destaque entre os equipamentos utilizados no chão de fábrica. Em função dos valores expressivos gastos pela indústria na aquisição e manutenção destes dispositivos e os prejuízos causados pelos defeitos e indisponibilidades operacionais tornase necessário um maior investimento em proteção e controle destes dispositivos. Neste artigo vamos abordar os recursos oferecidos pelos modernos IEDs baseados na norma IEC61850 visando diminuir os custos com a manutenção corretiva dos motores. 7.2 A rede elétrica esta adequada para o funcionamento do motor? Apenas utilizando um voltímetro para medir a tensão das fases não é possível avaliar que a rede elétrica esta adequada para o funcionamento de um motor. Atualmente o uso de lâmpadas fluorescentes, inversores de freqüência, equipamentos eletrônicos e outras cargas não lineares nas redes de energia introduzem distorção na onda senoidal. Os motores são particularmente sensíveis a este problema que pode causar grandes danos com redução significativa da vida útil dos mesmos. Por este motivo os IEDs associados aos motores devem além de realizar a proteção elétrica dos motores realizar uma análise da qualidade da energia que esta alimentando os motores e enviar ao sistema SCADA informações para que a manutenção possa agir no sentido de melhorar esta alimentação com aplicação de filtros ou remanejamento de cargas. Os dados históricos fornecidos servirão para a equipe de manutenção verificar o horário de maior incidência de problemas, sua intensidade e em que circunstancias ele ocorre. O IED deve realizar os cálculos de qualidade de energia, fazer os oscilogramas das grandezas elétricas e disponibilizar estas informações em rede para o sistema. Na prática muitos IEDs atuais dispõe de monitoramento de temperaturas, monitoramento de correntes e tensões, distorção harmônica total (DHT) e níveis de harmônicos mas estas informações não são transmitidas para os sistemas de gestão e as ações preventivas não são tomadas. 7.3 IEDs aplicados a proteção e supervisão de motores Com a evolução dos IEDs se tornou possível a integração das funções de proteção, medição e análise de qualidade de energia em um único dispositivo com preço cada vez menor. A capacidade de integração e interoperabilidade trazidos pela norma IEC reduziu muito o esforço de engenharia para configurar estes equipamentos. A figura 5 abaixo mostra um IED típico para controle de motores.

11 Figura 5 : IED típico para controle de motores Distorção Harmônica Conforme comentado anteriormente os motores são muito afetados pelas distorções harmônicas. As distorções harmônicas são geralmente medidas comparando-se a contribuição total das harmônicas em relação à componente fundamental do sinal. Em um motor de indução trifásico (MIT), tensões de alimentação distorcidas podem produzir sobreaquecimento, perda de eficiência, queda do fator de potência verdadeiro e vibrações mecânicas na máquina. As perdas por efeito Joule no rotor sofrem uma variação maior que as perdas no estator, portanto o sobreaquecimento do rotor é o principal problema associado às distorções de tensão nos terminais do motor de indução. A figura 6 abaixo ilustra as perdas elétricas em motores de indução trifásicos:

12 Figura 6 - Relação entre a distorção harmônica de tensão e as perdas elétricas nos motores de indução trifásicos. Componentes harmônicas presentes na tensão de alimentação de um motor de indução geram oscilações em seu torque eletromagnético. A oscilação mecânica ocorre devido à interação entre as correntes harmônicas induzidas no rotor e o campo magnético no entreferro na freqüência fundamental. Embora o valor médio das oscilações do torque eletromagnético seja praticamente zero para quaisquer taxas de distorção de harmônicas aplicadas ao MIT, as oscilações resultantes são suficientes para aumentar as vibrações no rotor, elevando as perdas por fricção nos mancais de rolamento, reduzindo a vida útil e aumentando a probabilidade de uma falha mecânica da máquina. Harmônicas conhecidas como de seqüência negativa (como 2ª e 5ª ordem por exemplo) tendem a gerar um torque contrário ao produzido na freqüência fundamental, produzindo então uma pequena variação negativa na velocidade da máquina, aumentando o escorregamento, a corrente circulante e o aquecimento no rotor. No que se refere à harmônicas, é importante avaliar as correntes e tensão de alimentação, o rendimento, fator de potência, velocidade, e, logicamente, a temperatura do motor de indução Desequilíbrio de Tensão e Corrente Os desequilíbrio ou desbalanço de tensão pode, ser definido como o desvio máximo da média das tensões trifásicas, dividido pela média das tensões trifásicas, expressado em percentual. As origens destes desequilíbrios estão geralmente nos sistemas de distribuição, os quais possuem cargas monofásicas distribuídas inadequadamente, fazendo surgir no circuito tensões de seqüência negativa. Este problema se agrava quando consumidores alimentados de forma trifásica possuem uma má distribuição de carga em seus circuitos internos, impondo correntes desequilibradas no circuito da concessionária. Estes desequilíbrios de tensão podem causar problemas indesejáveis na operação de diversos equipamentos. Para as análises dos efeitos de tensões desequilibradas aplicadas a um motor de indução, consideram-se somente os efeitos produzidos pelas tensões de seqüência negativa, que resultam em um torque pulsante no eixo da máquina, causando assim sobreaquecimento. Como conseqüência direta desta elevação de temperatura tem-se a redução da expectativa de vida útil dos motores, visto que o material isolante sofre uma deterioração mais acentuada na presença de elevadas temperaturas nos enrolamentos. A figura 7 abaixo ilustra a estimativa de perda da vida útil em relação ao desequilíbrio de tensão no sistema de alimentação da máquina elétrica:

13 Figura 7- Relação entre o desequilíbrio de tensão e a perda da vida útil dos motores de indução trifásicos O desequilíbrio (ou desbalanço) de corrente também afeta os motores diretamente. O impacto deste desequilíbrio é muito parecido com o efeito das harmônicas de 2ª, 5ª e 11ª ordem, pois a componente de seqüência negativa, tende a provocar um torque contrário em relação à componente de seqüência positiva. Desequilíbrios de corrente também podem ocasionar desequilíbrios de tensão no barramento, afetando outros motores e cargas instaladas Sobrecargas Térmicas As sobrecargas podem ser subdivididas em dois tipos, sobrecarga no estator e sobrecarga no rotor (1) Sobrecarga no estator: A temperatura no estator está relacionada principalmente com a corrente circulante no enrolamento e pelas tensões de alimentação. Cargas maiores que o fator de serviço do motor causam aquecimento (RI2) excessivo nos enrolamentos do estator. A sobrecarga térmica ainda está relacionada com o aquecimento causado pelas correntes e tensões de seqüência negativa (citadas anteriormente), em conjunto com as componentes de seqüência positiva. (2) Sobrecarga no rotor: A temperatura no rotor está associada ao valor de sua resistência, que varia com o escorregamento da máquina; quanto maior for o escorregamento, menor é a resistência rotórica. Durante a partida, a resistência rotórica atinge baixo valor enquanto o escorregamento e a corrente circulante são elevados. Isto gera calor e a máxima capacidade térmica do rotor pode ser atingida. A figura 8 abaixo ilustra o comportamento térmico do estator e do rotor, durante o período de partida e de operação normal. É possível notar que durante a partida a temperatura do rotor atinge altos níveis e, que ao longo da operação (em condições normais), a capacidade térmica do estator vai se aproximando do limite.

14 Figura 8 Comportamento térmico dos enrolamentos dos motores. Em relação à sobrecarga térmica, é importante realizar a modelagem precisa, para verificar de maneira confiável a temperatura e desgaste e os esforços térmicos reais enfrentados pelo equipamento, seja em condições normais de operações ou em situações críticas como partidas, travamento do rotor e cargas emperradas. Em resumo, todos os eventos e fenômenos citados, causam de alguma forma a elevação da temperatura no motor que contribui para o desgaste dos materiais isolantes na máquina. Este desgaste, conforme mencionado, ocasiona diversos problemas para o funcionamento e operação dos motores de maneira geral. 8 Conclusão O uso da norma IEC em subestações das concessionárias já é uma realidade e agora começam suas aplicações em subestações industriais e também na área fabril da indústria. Esse artigo ressalta aplicações que avançam sobre a área de automação industrial tradicional, como transferência automática de fontes, sincronismo entre fontes, descarte automático de cargas (load shedding) e controle e proteção de motores. Este artigo mostra que estes processos industriais são beneficiados pelo uso de IEDs conforme a norma IEC61850 e aponta os ganhos obtidos na utilização de equipamentos padronizados em sistemas elétricos que necessitam alta confiabilidade com comunicação rápida e eficiente e podemos afirmar que um melhor entendimento da aplicabilidade da norma IEC 61850, fundamentado na modelagem dos objetos presentes em um sistema de automação, irão beneficiar os sistemas com a redução de custos de cabeamento, maior flexibilidade no projeto e melhor condições de operação e manutenção. 9 Referências Bibliográficas Bernardes, Renan e Rocha, Geraldo - Monitoramento de Motores Assíncronos através de Relés de Proteção Avançados. SEL Schweitzer Engineering Laboratories, 2009 Santos, Luis Fabiano dos ; Tolardo, Odair; Esquema de rejeição de cargas inteligente com funcionalidade distribuída utilizando recursos da norma IEC61850, maio/2009

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