DIAGNÓSTICO EM DISJUNTORES DE EXTRA-ALTA-TENSÃO PELO MÉTODO DE TRANSITÓRIOS NOS CAPACITORES EQUALIZADORES DE POTENCIAL

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1 DIAGNÓSTICO EM DISJUNTORES DE EXTRA-ALTA-TENSÃO PELO MÉTODO DE TRANSITÓRIOS NOS CAPACITORES EQUALIZADORES DE POTENCIAL Ozias Gomes de Oliveira Mestrando em Engenharia Mecânica Automação Industrial UNITAU Universidade de Taubaté Rua 4 de Março, 432 Centro Taubaté SP 0xx Orientadores: Prof. PhD. Giorgio Eugênio Oscare Giacaglia UNITAU Coordenador da Pós Graduação giorgio@prppg.unitau.br Prof. Mestre Weberson Eduardo Guioto Abreu UNITAU CTEEP wabreu@cteep.com.br CTEEP Companhia detransmissão de Energia Elétrica Paulista Rodovia Presidente Dutra, Km Taubaté SP ooliveira@cteep.com.br 0xx Paper Code: B-086 Resumo: O objetivo do trabalho é demonstrar a possibilidade de medição on-line dos tempos de operação de cada câmara de extinção de um disjuntor de extra-alta-tensão, de forma indireta, permitindo o diagnóstico das condições reais de operação, sem a necessidade de intervenção no equipamento. O método utilizado na pesquisa foi a obtenção dos parâmetros da corrente elétrica nos capacitores de equalização de potencial do disjuntor, através de sensores transmissores, receptores e acoplamento opto-eletrônico por infravermelho, instalado no disjuntor. Os resultados em condições reais de operação em um disjuntor de 440kV na subestação de Taubaté mostrou-se satisfatório. O método permite um diagnóstico rápido a um custo reduzido, com maior confiabilidade ao sistema interligado de transmissão de energia elétrica. Palavra-Chave: Transmissão de Energia Elétrica, diagnóstico on-line em disjuntores. 1. Introdução O sistema elétrico brasileiro possui grande quantidade de disjuntores pneumáticos de extra-alta-tensão, que operam dentro de sistemas elétricos de potência do sistema interligado, de vital importância ao desenvolvimento do país. As manutenções preventivas geralmente são realizadas com periodicidade pré-definida ou de acordo com as condições de operação do disjuntor, de modo a atender as necessidades e filosofias particulares de cada empresa ou concessionária. Um dos mais importantes ensaios realizados durante a manutenção preventiva é a medição dos tempos de simultaneidade de operação das câmaras principais dos disjuntores, como indicativo de ações a serem tomadas durante a intervenção da equipe de manutenção. Estes ensaios são realizados com os disjuntores desligados, com mobilização de infra-estrutura, tanto material como humana, a um custo elevado e exposição a elevados campos eletromagnéticos. Em bay s de reatores, os disjuntores são manobrados diariamente para controle do nível de tensão do sistema. Devido a grande solicitação elétrica nesses disjuntores, anualmente são realizadas medições dos tempos de operação das câmaras principais, muito antes de completar o ciclo de manutenção parcial ou geral. 2. Metodologia aplicada Devido a complexidade pneumática do disjuntor, e o risco de introduzir mecanismo de medição das câmaras de extinção, buscou-se identificar uma forma indireta de obtenção dos dados necessários a compor um diagnóstico sem a necessidade de intervir no equipamento. Assim sendo, pesquisou-se os transitórios elétricos nos conjuntos capacitores-câmaras, sendo demonstrado na figura 1. A câmara C M 2 está fechada no instante do fechamento da câmara C M 1, se o sensor estiver instalado em C M 2, o parâmetro medido no sensor é a própria I in (Corrente indutiva). Se o sensor estivesse instalado em C M 1, o parâmetro medido seria a corrente de descarga (I d ) menos a corrente indutiva(i in ).

2 I d = Corrente de descarga do Capacitor. I in = Corrente induzida. I t = Corrente Total. V A >V B >V C >V N (Disjuntor aberto e com tensão). Figura 1. Demonstração dos transitórios nos conjuntos câmara-capacitores. Devido as características elétricas do capacitores, (U n =100kV e C 1,2nF), a forma de onda dos transitórios pode ser considerada como um pulso, com base de aproximadamente 1.2 a 1.5 microsegundos, outras correntes elétricas de transição devido indutâncias e capacitâncias parasitas não foram consideradas. 2.1 Circuito elétrico do bay estudado Considerando a impedância formada pela associação série dos seis capacitores de 1,2nF muito maior que a impedância do reator, na posição aberta do disjuntor, podemos considerar próximo de zero a tensão nos terminais do reator. A Diferença de Potencial aplicado em cada capacitor será de aproximadamente 73,3/ 3 kv (Valor eficaz). Figura 2. Circuito elétrico simplificado do disjuntor e reator.

3 2.2 Distribuição de tensão nas câmaras principais do disjuntor O gráfico abaixo mostra as diferenças de potenciais em cada capacitor no instante de pré-fechamento das câmaras. (V B -V A ) (V C -V B ) (V D -V C ) (V E -V D ) (V F -V E ) (V G -V F ) C M 1 C M 2 C M 3 C M 4 C M 5 C M 6 t3 t0 t4 t5 t1 t2 B C D E F A G Figura 3. Ilustração de um pólo do disjuntor e as quedas de tensão nos capacitores no instante de fechamento da câmaras.

4 2.3. Distribuição temporal de transitórios nos capacitores O gráfico abaixo mostra a distribuição cronológica dos transitórios nos capacitores, no instante de fechamento dos contatos principais. Figura 4. Transitórios nos capacitores para fechamento no semiciclo positivo. Figura 5. Transitórios nos capacitores para fechamento no semiciclo negativo. 2.4 Resultados esperados nos registradores Os gráficos abaixo mostram através de sensores de acoplamento óptico (infravermelho), um exemplo de distribuição cronológica dos transitórios nos capacitores no instante de fechamento das câmaras principais, considerando circuitos amplificadores com fontes de alimentação simétrica. Durante a abertura do disjuntor os transitórios aparecem com efeitos semelhantes e de forma decrescente, com os tempos de simultaneidade entre câmaras pequenos.

5 Figura 6. Exemplo de pulso obtido no receptor durante o fechamento do disjuntor. Figura 7. Exemplo de resposta obtida no receptor durante abertura do disjuntor. 3. Desenvolvimento do sensor emissor Para a detecção de transitórios nos capacitores do disjuntor foram utilizadas bobinas de Rogowski, com menor impacto nas característica físicas e elétricas do equipamento. O posicionamento do sensor e a blindagem foram estudadas levando em consideração a presença de forte campo eletromagnético. Um dispositivo que opera em condições adversas, e regime permanente, e que não possa sofrer interrupções para manutenção, deve ser robusto, simples, de auto realimentação, e conter dispositivos limitadores de tensão induzida, para proteção de componentes eletrônicos. O acoplamento por infravermelho foi utilizado para possibilitar a coleta de dados analógicos, não foi utilizado fibra óptica entre o sensor e o receptor, pois necessitam de implementação de componentes externos, inviabilizando o projeto, com significativas alterações das características dielétricas do disjuntor. 3.1 Sistema por dupla bobina de Rogowski A fixação do capacitor é feita por dois parafusos, facilitando a implementação das bobinas de Rogowski, como fonte de tensão e acoplados ao circuito com polaridades invertidas. O sistema de diodos fornece informações de transientes mesmo que sejam de polaridades negativas, quando do fechamento da câmara no semiciclo negativo da freqüência industrial. Na necessidade de pesquisar pequenos valores de transitórios e, devido a tensão de polarização do diodo emissor de infravermelho ser superior a 1,0Vcc, foi necessário a instalação de uma bateria recarregável de 1,2V-200mA. Os resistores

6 limitam a corrente no diodo I.R.. Em cada bobina foram instalados dois diodos Zenner de 6,0V como limitador da tensão induzida nas bobinas. A B N = 164 S = 32 AWG N= Número de espiras S= Seção do condutor - 0,032mm2 Figura 8. Diagrama elétrico do sensor emissor. BLINDAGEM 3.2 Ciclo de operação Vr Ro1 V Ro2 I1 I1 Consumo da Bateria 1,2V I2-1,2V Ro2 I2 -I1 -I1 Ro1 Figura 9. Ilustração do ciclo de operação do sensor emissor. Recarregamento da Bateria O circuito elétrico com fontes de tensão induzida e polaridades simétricas permitem em qualquer que sejam o semi ciclo de fechamento do disjuntor (freqüência industrial), a condução de uma corrente no diodo emissor de infravermelho e realimentação simultânea na bateria, com a resistência de realimentação ajustada para obter ganhos de corrente em relação a consumida (tensões superiores a 1,2Vcc). Para tensões induzidas inferiores a 1,2Vcc, o diodo de infravermelho conduzirá normalmente, porém sem a reposição de carga na bateria. As áreas superiores do gráfico mostram a perda de carga da bateria, e a inferior mostra o ganho de carga realimentado pela bobina conjugada do sensor. Quando não há solicitações no conjunto emissor, a corrente elétrica na bateria tende a valores ínfimos mantendo polarizado o diodo emissor.

7 3.3 Blindagem e Chassis do sensor Figura 10. Chassis do sensor emissor. 3.4 Dispositivo direcionador de infravermelho Esse dispositivo permite ajustar o alinhamento do diodo emissor com o receptor, utilizando um acoplador provisório à laser. Possui sistema de travas e construído de forma a blindar o conjunto eletrônico do campo elétrico. Figura 11. Dispositvo direcionador de emissão de infravermelho.

8 4. Desenvolvimento do receptor de infravermelho Utilizado sistema óptico com lente de 50mm e foco de 100mm, com ajuste do diodo receptor no foco do sistema. Todo o conjunto metálico é aterrado através da blindagem do cabo de alimentação. Embora instalado no chassis do disjuntor, está sobre influência de campo elétrico de até 35 kv/m. Poderá ser utilizado sistema com lentes menores em conjunto com fibras ópticas, em substituição ao cabo coaxial. Figura 12. Dispositivo receptor de infravermelho. 4.1 Circuito eletrônico do receptor de infravermelho O módulo receptor possui dois estágios amplificadores alimentados com fonte simétrica de 12 Vcc. Um terceiro estágio está instalado no módulo de mesa distante 20m do receptor, através de cabo coaxial de 50Ω. A alimentação do terceiro estágio é simétrica de 12Vcc. O conjunto possui ganho de 50dB a 1MHz com freqüência de corte de 15MHz. Figura 13. Diagrama do amplificador de sinal.

9 5. Instalação do sensor no disjuntor de 440kV Figura 14. Instalação do sensor no capacitor. Figura 15. Detalhe do sensor instalado. Figura 16. Dispositivo receptor.

10 6. Resultados obtidos durante energização do reator 5 Resultados obtidos Câmara 2 Tempo 0 2 Câmara 5 Tempo 500µs 3 Câmara 6 Tempo 650µs 4 Câmara 1 Tempo 760µs 5 Câmara 3 Tempo 870µs 6 Câmara 4 Tempo 890µs 7 Abertura e fechamento súbito da câmara 2 Tempo 1760µs Duração 20µs 8 Abertura e fechamento súbito da câmara 3 Tempo 1870µs Duração 90µs Figura 17. Resultados obtidos durante fechamento em carga do disjuntor. Figura 18. Resultado obtido por método tradicional com o disjuntor fora de serviço.

11 7. Conclusão Os resultados obtidos através de dois sensores instalados na posição 01 e 04 na mesma fase do disjuntor, foram idênticos. Portanto, apenas 01 sensor é necessário em cada fase. Comparado ao método tradicional, foi confirmado a eficiência do processo durante a colocação em serviço do reator na Subestação de Taubaté nos dias 04 e 05 de junho de Como o método tradicional é realizado com periodicidade pré-definida, podemos utilizar como manutenção preditiva o novo processo, evitando ensaios desnecessários. A identificação das câmaras é feita comparando os parâmetros do último ensaio tradicional. O novo método de obtenção dos tempo de operação, permite um diagnóstico rápido, evitando ocorrências que possam levar a falhas, dando maior confiabilidade ao sistema interligado de transmissão de energia elétrica. Este modelo poderá ser utilizado em outras classes de tensão. 8. Referência Bibliográfica Ramboz, J. D. Machinable Rogowski Coil, Design, and Calibration IEEE Transctions on Instrumentation and Measurement VOL 45 n.2 April NBR 7876 Linhas e equipamentos de alta tensão Compatibilidade Eletromagnética. Eletromagnetismo: Edminister, Joseph A., Shaum Mcgraw Hill, Eletromagnetismo: Carlos Peres Quevedo, Mcgraw Hill, Copyright Notice Permitindo cópia apenas para fins acadêmicos. Proibida utilização para fins comerciais sem prévia autorização do autor. O autor está responsável apenas pelo conteúdo descrito no seu paper. 10. Abstract Diagnosis of air-blast circuit breaker in Reactor's bays. The purpose of this paper is to analize the possibility of on-line measurement of the operation time of each extra high tension circuit breaker's main chamber, in an indirect way, with the real condition diagnosis of the operation without the need of unavaibility of the equipment. The method applied on the research is based on electric current parameters in the potential equalization capacitors of circuit breaker, trought transmition sensors and I.R. complement, installed in the circuit breaker. The results obtained in real conditions of a 440kV circuit breaker operation in the substation of Taubaté-SP, compared to the tradicional methods, showed to be satisfactory. The proposed method allows for a fast diagnosis at a reduced cost, whith more reliability in the interconnected system of electric energy transmission. Keywords. System of electric energy transmission, diagnosis on-line of circuit breaker.