Desenvolvimento de Sistema Computacional para a Integração do Diagnóstico de Defeitos de Transformadores de Potência

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1 1 Desenvolvimento de Sistema Computacional para a Integração do Diagnóstico de Defeitos de Transformadores de Potência L. F. A. Nascimento, C.C. Santos, J. S. Silva, ELETRONORTE e C. J. Dupont, M. P. Moreira, C. Ducharme, W. M. H. Cuenca, C. G. Mata, F. S. Gomes, R. A. L. Barros, K. C.Lam, A. J. Junqueira, R. T. Verdolim, CEPEL Resumo- Este trabalho documenta o Sistema DianE 1.8.1, gerado como produto do projeto de pesquisas da carteira Eletronorte / Aneel - Projeto ELN / Cepel número 1562 Desenvolvimento de Metodologias para a Integração do Diagnóstico de Defeitos de Transformadores de Potência. O projeto foi desenvolvido com o Cepel no período de dezembro/2001 a dezembro/2006. O documento contém as informações relativas às etapas do projeto e os benefícios esperados. Adicionalmente são apresentadas a visão geral do produto e as modificações / complementações de funcionalidades solicitadas pela Eletronorte ao longo do desenvolvimento do mesmo. Dois exemplos de utilização bem sucedida, demonstram os benefícios que começam a ser obtidos pela utilização do Sistema na empresa. Palavras-chave Análise; Diagnóstico; Equipamentos de Subestações; Transformadores I. INTRODUÇÃO A demanda crescente por energia e a sobrecarga atual dos sistemas de potência exigem a utilização de ferramental capaz de aumentar a confiabilidade e reduzir o número de paradas programadas e ocasionais, otimizando assim o fornecimento de energia elétrica e o uso das instalações. Além disso, a implantação de subestações desassistidas é uma tendência importante atualmente presente no planejamento da expansão de praticamente todas as empresas do setor elétrico brasileiro, o que reforça a necessidade de utilização de sistemas on-line de supervisão e controle. Seguindo essa tendência, o Cepel desenvolveu em parceria com a Eletronorte até 2000 o projeto PI SID - Sistema Inteligente de Diagnóstico, que permitiu o desenvolvimento de técnicas e a análise de vários aspectos da questão e gerou uma primeira versão de programa computacional de diagnóstico de transformadores (programa AIDA v.1.0). Paralelamente, Eletronorte e Cepel realizaram nos anos de 1999 e 2000 o projeto proposta técnica DPP-029/98 - "Implementação do Sistema Inteligente de Monitoramento e Diagnóstico de Transformadores - SID, software AIDA, em duas subestações piloto da Eletronorte". Esta parceria aprimorou o programa original e o adaptou às características específicas da Eletronorte, culminando em uma segunda versão do programa. Ainda no ano 2000 o Cepel iniciou o desenvolvimento de um sistema totalmente novo de análise e diagnóstico de defeitos de transformadores desenvolvido desde sua concepção para contemplar todos os transformadores de L. F. A. Nascimento e J. S. Silva trabalham no LACEN e C. C. Santos no COTM da ELETRONORTE ( lidio@eln.gov.br). C. J. Dupont e demais autores trabalham no Centro de Pesquisas de E- nergia Elétrica - CEPEL ( dupont@cepel.br). potência da empresa, atendendo os requisitos de grande porte de dados e de processamento em ambiente em rede corporativa. Como requisitos adicionais a este sistema, de forma a alargar seu horizonte de aplicação, previu-se a necessidade de gerar um programa anfitrião ("host") de longa vida, extensível futuramente a outros equipamentos, facilmente a- daptável às necessidades de diferentes empresas quanto à emissão de laudos e relatórios, modular para a fácil inserção/remoção de metodologias de análise com o tempo, padronizado quanto a interfaces gráficas, acesso a banco de dados e geração de análises e ainda, preparado para interagir com diferentes sistemas de supervisão e controle existentes para a realização de análises "on-line". Este novo sistema recebeu o nome de Sistema DianE Sistema de Análise e Diagnóstico de Equipamentos. Para que este sistema continuasse seu desenvolvimento na direção de uma otimização de diagnósticos, para desenvolver métodos e modelos de análise e integrá-las apropriadamente, mais dados de campo e pesquisas eram necessárias. No período de dezembro/2001 a dezembro/2006, em um projeto de pesquisa da carteira Aneel e utilizando os conhecimentos anteriores, Eletronorte e Cepel desenvolveram o projeto número Desenvolvimento de Metodologias para a Integração do Diagnóstico de Defeitos de Transformadores de Potência. O projeto foi realizado para suprir a lacuna acima mencionada. Este trabalho, juntamente com o manual do Sistema, documenta as atividades desenvolvidas no projeto e o produto (Sistema DianE 1.8.1) resultante. II. OBJETIVO O objetivo do projeto foi o de estabelecer bases para o desenvolvimento a médio prazo de módulos computacionais e modelos voltados ao aprimoramento da integração das metodologias de análise do estado operativo e do diagnóstico de defeitos de transformadores de potência. Para tal foram realizadas atividades de pesquisa sobre os dados que estavam sendo disponibilizados em base de dados histórica única implantada na Eletronorte, para identificar deficiências nos modelos de análise e gerar outros módulos computacionais mais adequados para substituir modelos menos eficientes por outros e/ou inserir novos módulos de análise. Esta é uma tarefa demorada pois depende da consolidação dos dados ao longo do tempo, que requer alguns anos para se efetivar. Como produto final do projeto foram disponibilizadas metodologias aprimoradas de análise sendo o sistema de diagnóstico e análise de equipamentos otimizados a partir de uma longa observação da história dos dados. No período do projeto o Sistema DianE evoluiu da versão 1.0 até a versão 1.8.1

2 2 O projeto excedeu as expectativas iniciais, de forma a que em seu final foi disponibilizado em produção na empresa um sistema de análises e diagnósticos não apenas de transformadores, mas de todos os tipos de equipamentos de SE s. O sistema foi concebido para ser um sistema de uso corporativo, modular e evolutivo (longa vida), capaz de favorecer a coleta adequada de dados de diversas procedências (online e/ou off-line) e estabelecer uma base para a otimização das técnicas de análise a partir de uma proposta de integração e padronização dos diagnósticos. O sistema será ainda aprimorado ao longo dos anos em outros projetos da Carteira Institucional (PI) do Cepel com a Eletronorte e outras empresas do Grupo Eletrobrás. III. BENEFÍCIOS Os seguintes benefícios são esperados com a implantação na Eletronorte do sistema computacional DianE utilizando a metodologia integrada aprimorada no projeto: - Processo aperfeiçoado para execução de análises e diagnóstico de transformadores de potência e demais e- quipamentos de subestações, através da integração de técnicas tradicionais e novas técnicas em desenvolvimento; - Utilização de um produto customizável e de longa vida (somente módulos são substituídos); - Aumento da confiabilidade e da flexibilidade operativa; - Redução do número de falhas; - Redução na quantidade de interrupções do fornecimento de energia; - Extensão da vida útil dos equipamentos; - Decisões quanto ao aumento do carregamento admissível; - Auxílio no processo de gerenciamento e manutenção dos equipamentos na empresa com conseqüente redução de custos; - Otimização da operação e da manutenção dos equipamentos a partir da tomada de decisões on-line pela extensão das facilidades já providas pelo projeto anterior; - Consolidação de uma base de dados histórica com informações sobre os transformadores de potência e demais equipamentos da Empresa, gerando maiores condições para o aprimoramento das metodologias atuais de análise e a criação de novos módulos de avaliação do estado operativo. IV. ETAPAS DO PROJETO As etapas previstas para a execução do projeto foram: Etapa 1 - Especificação, aquisição e instalação de sensores nos Transformadores Etapa 2 - Instalação e Adaptações de sensores nos transformadores e SE's Etapa 3 - Instalação inicial do sistema anfitrião dos métodos de diagnóstico Etapa 4 - Customização do Sistema Etapa 5 - Desenvolvimento de novos modelos de análise / estudo / diagnóstico Etapa 6 - Implantação e Acompanhamento de modificações e novos modelos Etapa 7 - Emissão de relatório de acompanhamento para a Aneel Etapa 8 - Emissão de relatório técnico Durante o projeto as etapas 4 e 5 foram estendidas de forma a que o sistema pudesse ser utilizado também para outros equipamentos de subestações e não apenas para transformadores de potência. V. VISÃO GERAL DO PRODUTO O sistema DianE é um aplicativo para uso em análise e diagnóstico de equipamentos de subestações, que pode ser acessado de qualquer computador que tenha acesso à rede intranet da Eletronorte. Tendo como ponto de partida os métodos de análise de transformadores, já utilizados pelo CEPEL em outros sistemas, o objetivo do sistema é unir muitas das técnicas conhecidas em um único sistema, capaz de dar ao usuário o máximo de informações que o auxiliem na tomada de decisões sobre o uso e manutenção dos equipamentos. O Sistema DianE é uma única aplicação composta de módulos. No escopo do projeto para a Eletronorte, foram integrados em um único sistema os seguintes módulos: Cadastro de transformadores de potência, buchas, comutadores, TP s, TC s, TPC s, disjuntores, seccionadoras, GIS e pára-raios; Cadastro de movimentações e manutenções realizadas nos equipamentos cadastrados; Cadastro de ensaios off-line e on-line e de resultados de avaliações autônomas para os equipamentos cadastrados; Visualização de figuras para os dados dos ensaios para os equipamentos cadastrados; Telas acessórias para cadastro e demais funcionalidades; Telas para análise de defeitos / métodos de análise; Telas para análise de situação geral dos defeitos; Telas para diagnóstico com emissão de rankings de causas e ações mais adequadas, baseada em análise de risco; Telas para ranking de análises simultâneas de todos os equipamentos; Telas para ranking de riscos simultâneos de todos os equipamentos; Telas para emissão de relatórios e laudos; Os cadastros referidos acima como on-line referem-se a variáveis que podem ser aquisitadas a partir de uma interação com o sistema supervisivo SAGE (grande volume de dados históricos). Os demais cadastros de ensaios referemse a resultados que podem ser cadastrados manualmente ou importados (caso do 2fal, físico-químico e cromatografia gasosa) a partir de plugins de aquisição, especialmente desenvolvidos para a empresa, como o plugin para importação do sistema SIGLACEN da Eletronorte.

3 3 VI. MODIFICAÇÕES REALIZADAS NO PROJETO Ao longo do desenvolvimento do projeto do software DianE foram feitas várias correções e alterações na interface e banco de dados por solicitação da Eletronorte e empresas do Grupo Eletrobrás. As principais alterações foram as solicitações para que o sistema incluísse não apenas transformadores mas todos os equipamentos de subestações, e para que permitisse uma visualização de defeitos, causas e ações e dos graus de defeitos e riscos ranqueados em uma interface que apresentasse uma figura da empresa. Com essa modificação ficou muito mais fácil para os usuários acompanhar simultaneamente o estado de todos os equipamentos da empresa. As figuras do sistema apresentadas no Anexo-A refletem as principais modificações com telas de diagnóstico e riscos e visualização de riscos. Os valores apresentados e as telas mostram como o sistema é visto no seu ambiente de desenvolvimento no Cepel. O sistema em produção na Eletronorte apresenta telas diferentes quanto a seu conteúdo. VII. IMPLANTAÇÃO NA ELETRONORTE Por tratar-se de um sistema de grande porte, o sistema passou por várias fases de implantação e testes até o momento de entrada definitiva em produção na empresa. Durante essas fases, foram implementadas funcionalidades adicionais e desenvolvidos plugins para captura automática de informações sobre resultados de gases e de físicoquímico do óleo isolante, a partir do sistema SIGLACEN da Eletronorte e variáveis de processo, como tensões, correntes e temperaturas, a partir do sistema supervisivo SAGE. O sistema foi também preparado para receber futuramente outras informações provenientes de sistemas de monitoramento que venham a ser adquiridos pela empresa. Uma revisão de dados cadastrais foi (e está sendo) realizada na empresa para que os dados possam ser inseridos no sistema e utilizados com confiabilidade. No momento todos os transformadores de grande porte da empresa já se encontram cadastrados. O cadastro de outros equipamentos como reatores, pára-raios, disjuntores, etc está sendo providenciado. Devido a sua facilidade de utilização o sistema não requer um grande período de treinamento por parte dos usuários. Uma vez treinados para a análise de um tipo de equipamento, por exemplo transformadores, os usuários podem utilizar os mesmos conhecimentos para realizar a análise de qualquer tipo de equipamento de Subestação que esteja devidamente cadastrado no Sistema. A fase de treinamento ocorreu em diversas oportunidades, sendo um total de aproximadamente 80 empregados treinados ao longo do tempo, em curso com até 2-3 dias de duração. A Tabela 1 apresenta o cronograma de entrega de versões do sistema, sua documentação e as datas de realização de treinamentos. ENTREGA DE PRODUTOS E REALIZAÇÃO DE TREINAMENTOS PARA A ELETRONORTE PRODUTO/ VERSÃO DATA DA INSTALAÇÃO DIANE MARÇO MANUAL DO USUÁRIO E DO MAIO ADMINISTRADOR DO SISTEMA DIANE 1.3 SETEMBRO DIANE MANUAL DO USUÁRIO E DO SETEMBRO ADMINISTRADOR DO SISTEMA DIANE a 04 CURSO DE TREINAMENTO DIANE 1.4 OUTUBRO 02 A DIANE DEZEMBRO 02 A MANUAL DO USUÁRIO E DO 03DEZEMBRO ADMINISTRADOR DO SISTEMA DIANE A CURSO DE TREINAMENTO DIANE DEZEMBRO DIANE TREINAMENTO E MANUAL DO USUÁRIO E DO ADMINISTRADOR DO SISTEMA DIANE DIANE MANUAL DO USUÁRIO E DO ADMINISTRADOR DO SISTEMA CURSO DE TREINAMENTO DIANE VER- SÃO E VERSÃO CORRIGIDA DO MANUAL VER- SÃO DIANE COM MANUAL COMPLETO VIII. CASOS DE UTILIZAÇÃO DO SISTEMA OUTUBRO 2003 DEZEMBRO A 18 DE JUNHO ,15E 16 DE JUNHO ,15E 16 DE JUNHO DE NOVEMBRO A 02 DE DEZEMBRO DE NOVEMBRO DE 2007 São apresentados a seguir dois casos recentes onde a utilização do sistema foi fundamental para determinar uma intervenção pró-ativa em transformadores da Eletronorte. CASO 1: FUSÃO/CORROSÃO NOS LINKS DE INTERLIGAÇÃO DAS BUCHAS DE BT E TERMINAIS DO COMUTADOR DO TAPE FIXO DO TRAFO ELEVADOR DA UHE TUCURUI (FIGURAS 1 A 8) Em 25/01/2003, foi solicitada pelo ONS a comutação dos tap s dos doze transformadores da primeira etapa na UHE Tucuruí Após esta comutação, verificou-se pela manutenção preditiva e por meio das análises de gás-cromatográfica, a geração de gases que sugeria defeito térmico de alta temperatura nos transformadores. TABELA I

4 4 O resultado da Figura 2 foi obtido pela integração da opinião dos 4 métodos de análise utilizados na Figura 3. As curvas no gráfico da Figura 4 mostram o crescimento e as tendências de geração dos gases de aquecimento. Figura 1 Transformador Caso 1 Com os resultados dos ensaios de óleo dos transformadores, as análises e diagnóstico dos defeitos nestes equipamentos foram processados pelo Sistema DianE, conforme segue as figuras abaixo: Figura 4 Geração de Gases Caso 1 As Figuras 5 até 8 apresentam fotografias do transformador quando aberto para manutenção. Figura 2 Sobreaquecimento na Parte Ativa Caso 1 A Figura 2 indica em vermelho que o defeito principal é de sobreaquecimento na parte ativa. Figura 5 Detalhe do flange da bucha Caso 1 Figura 6 Detalhe dos links de interligação Caso 1 Figura 3 Opinião dos métodos ABNT, Dornemburg, Rogers, Dornemburg e IEC Caso 1

5 5 Figura 7 Detalhe dos terminais de AT Caso 1 Figura 9 Arco Elétrico e Descargas Parciais Caso 2 Figura 8 Detalhe de conexão de AT Caso 1 As figuras comprovam as análises fundamentadas na base de dados do DianE: Todas as buchas de BT se encontravam em processo de corrosão/fusão nas suas faces de conexão; Todos os flanges dos links de interligação das buchas de BT se encontravam em processo de corrosão/fusão nas suas faces de conexão O terminal do cabo de conexão do comutador se encontrava em processo de corrosão/fusão nas suas faces de conexão Figura 10 Opinião dos métodos ABNT, Dornemburg, Rogers, Dornemburg e IEC Caso 2 Percebe-se na Figura 10 que apesar de utilizarem os mesmos dados, diferentes métodos podem apresentar conflitos de opinião quando à gravidade do defeito. CASO 2: FUSÃO/DESCARGA NO TERMINAL DE CONEXÃO DO ANEL DE EQUALIZAÇÃO DE TENSÃO DA BUCHA DE AT E BORNES DAS TAMPAS DAS JANELAS DE INSPEÇÃO DO TRAFO ELEVADOR DA UHE TUCURUI (FIGURAS 9 A 8) Embora as análises de gás-cromatográficas anteriores, a partir da entrada em operação em 01/2003, sempre apresentarem-se dentro dos valores aceitáveis, na última análise semestral do ano de 2006 o valor da taxa de crescimento de gases combustíveis se elevou com o aparecimento do gás acetileno, tal gás não tinha sido manifestado anteriormente. Com o surgimento deste o gás foi solicitado que se efetua uma reamostragem, onde foi confirmada a presença do gás, caracterizando o defeito de arco elétrico, descargas parciais, com algum sobreaquecimento, conforme identificado na Figura 9, no DianE. Figura 11 Geração de Gases Caso 2 As curvas da Figura 11 mostram o crescimento e as tendências de geração dos gases de descargas parciais e arcos elétricos. As Figuras 12 a 14 apresentam fotografias do transformador quando aberto para manutenção.

6 6 Só em termos de preço do transformador, sem levar em conta as possíveis perdas na SE blindada, os periféricos e o tempo fora de operação, evitou-se perdas na ordem de R$ ,00/trafo. Figura 12 Detalhe do Terminal de Conexão- Caso 2 IX. PESQUISAS FUTURAS Conforme demonstrado pelos casos de utilização do item VIII, o sistema já começa a demonstrar o potencial da utilização de técnicas integradas de diagnóstico para a ação próativa visando a redução de perdas econômicas e de confiabilidade nos sistema resultantes de defeitos nos equipamentos. A arquitetura atual do sistema está baseada em acesso via intranet utilizando o Terminal Server da Microsoft. Essa arquitetura tem permitido o acesso ao sistema pela rede corporativa em toda a empresa mesmo em condições adversas de banda ou conexões remotas via modem. Apesar de atender bem os requisitos funcionais atuais, Eletronorte e Cepel entendem que a estrutura pode ainda evoluir para uma arquitetura totalmente voltada à Web. De fato, um novo projeto já está em andamento. Esse projeto, feito em parceria com outras empresas do grupo Eletrobrás, tem por objetivo consolidar definitivamente a questão do diagnóstico corporativo de equipamentos e o acesso integrado às informações na empresa a partir do estabelecimento de uma CME Central de monitoramento de equipamentos. A nova arquitetura proposta representará uma evolução dos conceitos atuais uma vez que permitirá: Adesão a padrões consagrados, Aumento de portabilidade; Aumento do alcance dos usuários do DianE; Melhor integração com outros sistemas; Participação mais ativa das empresas no desenvolvimento do DianE. A Figura 1 apresenta esquematicamente a nova arquitetura proposta para o sistema. Figuras 13/14 Detalhes da janela de inspeção Caso 2 As figuras comprovaram as análises fundamentadas na base de dados do DianE: O terminal de conexão do anel de equalização de tensão apresentava-se com pontos de descarga e quebrado; As bordas das tampas das janelas de inspeção e respectivas janelas encontravam-se com pontos de descargas elétricas e fusão. Assim, a utilização do sistema de diagnóstico de equipamentos elétricos DianE subsidiou a decisão para retirada dos transformadores de operação permitindo a inspeção interna da parte ativa dos trafos. Analisando as anormalidades encontradas na inspeção interna do transformador, podemos concluir que a nossa expectativa foi atendida, por termos detectado todos os locais de geração de gases. Esta predição evitou possível sinistro com perda total dos equipamentos. Figura 1. Futura arquitetura do Sistema DianE Servidor Web-.Services permitindo acesso à rede corporativa, telefonia celular e outros sistemas corporativos. X. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÃO Eletronorte e Cepel realizaram a partir de dez/2001 até dez/2006 o projeto da carteira Eletronorte / Aneel - Projeto ELN

7 7 / Cepel número 1562 Desenvolvimento de Metodologias para a Integração do Diagnóstico de Defeitos de Transformadores de Potência. A partir da implantação das diversas versões do software ao longo do projeto, as empresas aprimoraram as interfaces do mesmo e suas funcionalidades. Com o término do projeto foi disponibilizado na Eletronorte um sistema corporativo de análises e diagnósticos de equipamentos de subestações (Sistema DianE 1.8.1) com acesso via intranet para toda a empresa e, em meio digital, uma base de dados única histórica - via banco de dados O- racle, que permite avanços na compreensão do relacionamento entre as variáveis de diagnóstico, a ampliação do conhecimento e novos caminhos para a otimização dos modelos de análise de equipamentos de subestações. Foram disponibilizadas interfaces que permitem o cadastro e a análise de transformadores, reatores, TP s, TC s, TPC s, seccionadoras, disjuntores, GIS e pára-raios. Como a metodologia implementada no DianE é genérica e baseada na filosofia do RCM (Reliability Centered Maintenance) recomenda-se, em futuras pesquisas, a evolução das técnicas para e outros tipos de equipamentos (linhas de transmissão, por exemplo) e para um sistema com arquitetura WEB. Figura A.2 Tela com visualização de todas as Ses da empresa XI. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a toda a equipe Eletronorte e Cepel envolvida no projeto. Um agradecimento especial àqueles desenvolvedores do sistema em suas versões anteriores e que hoje não se encontram mais trabalhando no Cepel. XII. BIBLIOGRAFIA [1] C. J. Dupont, A. F. Levy, M. C. Aboumrad, R. B. M. Costa, M. P. Moreira, R. M. de Oliveira, A. T. Carvalho, P. N. Mendonça,V. D. Monteiro, J. A. M. Chaves, G. Pesenti, Diagnóstico de Transformadores de Potência em SETD`S e SESD`S Relatório Final Aneel, Relatório Técnico CEPEL DPP/TEQ 817/01, Out [2] Dupont, C. J.; Falcão, D. M.; Tese de Doutorado: Integração de Análises de Defeitos e Definição de um Grau de Risco Global para Transformadores de Potência - COPPE/UFRJ Rio de Janeiro RJ, Março de Figura A.3 Tela de Ranking de Riscos - visualização de unifilar de SE ANEXO A Figuras Ilustrativas do DianE Figura A.4 Tela de Diagnóstico - visualização da Comparação de Defeitos Figura A.1 Tela inicial de login.

8 8 Figura A.5 Tela de Diagnóstico - Risco da Causa (GoxS) Figura A.8 Tela com exemplo de Impressão de Relatório Figura A.6 Tela de Diagnóstico - visualização ordenada da Lista de Causas Figura A.9 Tela com exemplo de visualização múltipla de resultados e dados Figura A.7 Tela com Gráfico de Descargas Parciais