Confiabilidade de sistemas de automação de subestações

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1 32 Capítulo XV Confiabilida sistemas automação subestações Equipe engenharia da Schweitzer Engineering Laboratories (SEL) Engenheiros proteção sistemas elétricos utilizam análise confiabilida para assegurar, baseado em critérios técnicos, a melhor cisão na escolha da aplicação sistemas supervisão, proteção e controle. A confiabilida em tais sistemas é importante vido aos altos impactos em custos operacionais e na satisfação clientes causados pela falha na operação. As motivações principais quantificar as questões confiabilida incluem a condução melhor tomada cisões sobre como melhorar o sistema proteção, como melhorar a forma gerir a confiança versus segurança e como obter os melhores resultados com o mínimo dinheiro. Confiança é a capacida um sistema proteção operar corretamente. Um sistema confiável é aquele que opera quando é solicitado. Assim, um sistema proteção que sempre atua, quando solicitado, é 100% confiável, porém, este sistema po ocasionalmente operar quando não ve. Já um sistema que nunca opera invidamente é 100% seguro, mas po ocasionalmente não operar quando veria. Assim sendo, confiança e segurança são questões confiabilida. Este capítulo irá explicar os conceitos e as ferramentas avaliação e melhorias da confiabilida do sistema proteção. O objetivo é apresentar ferramentas para projetar sistemas proteção que ofereçam a confiabilida necessária e uma boa relação custo-benefício. Inicialmente será abordado o método análise diagramas blocos que são úteis para analisar a confiabilida sistemas simples. Posteriormente, será abordado o método análise da árvore falhas, que é mais versátil e fácil aplicar para sistemas complexos do que a análise por diagramas blocos. O método análise da árvore falhas usado e aperfeiçoado ao longo dos anos é atraente, pois não exige um trabalho teórico extenso e é uma ferramenta prática que qualquer engenheiro po aprenr a usar. Embora os programas computador estejam disponíveis para auxiliar no senvolvimento e análise árvores falhas complexas, este artigo mostra que as árvores pequenas falhas, que são facilmente analisados manualmente, também são muito úteis. Conceitos confiabilida A Tabela 1 fine as medidas frequentemente utilizadas para screver o sempenho confiabilida produtos, assumindo a falha constante e as taxas reparo.

2 33 Tabela 1 - Definições medições confiabilida Medida Disponibilida (A) Indisponibilida (U) Taxa falha (λ) Taxa reparo (μ) Tempo médio entre falhas (MTTF) Tempo médio para reparos (MTTR) Tempo médio entre falhas (MTBF) Definição Aplicada tanto para o sempenho componentes individuais ou um sistema, é a fração tempo que um componente ou sistema está em serviço e realiza satisfatoriamente a sua função. É a fração tempo que um componente ou sistema está fora serviço vido a falhas ou interrupções programadas. Matematicamente, a indisponibilida = (1-disponibilida). Determina o término da capacida um item executar a sua função especificada. Taxa falhas é a frequência, com a qual um sistema ou um componente projetado falha. Representa o número médio falhas um componente por unida tempo exposição e po ser calculado pegando-se o número total falhas dividido pelo tempo total operação do equipamento. Geralmente, o tempo é expresso em anos e a taxa falha é dada por falhas no ano. Semelhante à taxa falhas, representa o número total reparos dividido pelo tempo total operação do equipamento. Representa o tempo médio até a primeira falha um equipamento. O tempo médio entre o início operação ou retorno reparo até a nova falha. Para uma taxa falha constante, MTTF = λ 1. Tempo médio para corrigir uma falha e restabelecer o equipamento à condição funcionamento. Inclui preparação, manutenção ativa e tempo logística. Para uma taxa reparo constante, MTTR = μ 1. O tempo médio entre falhas para unidas reparadas e volta a operação.

3 34 O Setor Elétrico / Março 2011 Formalmente, o MTBF é a soma do MTTF e o MTTR. Como MTTR é geralmente pequena, assumimos que o MTBF é aproximadamente igual à MTTF e que MTBF = λ 1. Por exemplo, suponha que a confiabilida um dispositivo é dada em tempo médio entre falhas (MTBF) e seja 100 anos. A taxa falha é 1/100 falhas por ano. E, se o sistema tem 300 stes dispositivos, então pomos esperar 300 (1/100) = 3 falhas em dispositivos por ano. Os relés proteção e os sistemas proteção, stinados à operação contínua durante todo o ciclo vida, são projetados para serem reparados. Portanto, medidas confiabilida vem incluir a possibilida falha e reparo. Disponibilida é a probabilida ou fração tempo que um dispositivo ou sistema é capaz operar. A equação (1) fine a disponibilida A para uma taxa falha e reparo constantes. (1) Usuários do relés proteção estão frequentemente preocupados com o tempo inativida ou indisponibilida que po ocorrer em um sistema proteção. Indisponibilida é a probabilida ou fração tempo em que um dispositivo ou sistema é incapaz realizar sua função. A equação (2) fine a indisponibilida U para uma taxa falha e reparo constantes. (2) Probabilida, disponibilida e indisponibilida são números adimensionais. No entanto, po-se convertê-los em minutos ou segundos por ano, multiplicando-se pelos fatores apropriados. interligação lógica dos componentes do sistema, que pom ou não coincidir com a sua interligação física. Diagramas blocos ajudam os engenheiros a avaliar a confiabilida do sistema a partir do nível componente para cima. Em um sistema em série, a falha qualquer componente irá resultar na falha do processo. Portanto, o sistema em série tem menor confiabilida do que os componentes analisados individualmente. Um relé e um disjuntor é um exemplo um sistema em série. Em um sistema paralelo, ambos os componentes vem falhar para o sistema falhar. A confiabilida do sistema é maior do que a confiabilida seus componentes analisados individualmente. Dois relés redundantes formam um sistema paralelo, por exemplo. Se as falhas um sistema pom ser causadas por eventos que não sejam falhas componentes, tais como interfaces externas, o molo ve incluir explicitamente tais elementos externos como blocos no diagrama. Como exemplo, consire dois sistemas proteção. Um les é composto por um único relé e o outro é um sistema redundante paralelo com dois relés idênticos, mas inpenntes. Se a taxa falha um único relé é 0,0033 por ano e a média tempo reparo é 48 horas, pomos terminar o tempo médio entre falhas (MTBF) e da indisponibilida (U) para cada configuração. Para um sistema com um único relé: λ = 0,0033 falhas/ano MTBF = 1/λ = 1/0,0033 falhas/ano = 300 anos (uma falha a cada 300 relés por ano) U = λ MTTR = (0,0033 falhas/ano ) (48 horas) (1/8.760 horas/ano) = Método análise confiabilida em sistemas Molagem confiabilida é útil para analisar sistemas físicos e para comparar a performance diversas configurações. Os métodos mais comuns análise confiabilida são o diagrama blocos e a análise da árvore falhas. Método diagrama blocos Sistemas são constituídos por componentes individuais. Os diagramas blocos confiabilida da Tabela 2 representam a U = (1, ) ( minutos/ano) = 9,5 minutos/ano Para um sistema redundância paralela: MTBF P = 3/2λ = 3/2 (0,0033 falhas/ano) = 455 anos (uma falha a cada 455 relés por ano) UP = λ 2 MTTR 2 = (0,00332) (482) (1/8.760)2 = 3, UP = 1, minutos/ano = 0,01 segundo/ano Tabela 2 MTBF e indisponibilida para diversas configurações sistema. Cada bloco representa um componente do sistema com a falha e as taxas reparo constantes MTBF Indisponibilida Sistema simples Sistema em série Sistema em paralelo A redundância paralela aumenta a MTBF em 50% e reduz a indisponibilida para perto zero. Observe que, com sistemas redundância paralela, menor indisponibilida vem a um custo mais manutenção. Se qualquer uma das unidas paralelas falhar, os usuários vem tectar essa falha e repará-la em benefício menor indisponibilida. Diagramas blocos são úteis para analisar a confiabilida sistemas simples. A análise da árvore falhas é mais versátil e fácil aplicar para sistemas complexos do que a análise por diagramas blocos.

4 36 Método da análise da árvore falhas A análise da árvore falhas é uma ferramenta prática para responr a perguntas como esta: Como a falha um componente po contribuir para um evento falha específico?. Os engenheiros pom usar a análise da árvore falhas para comparar a confiabilida relativa dos esquemas proteção propostos. A análise da árvore falhas é aquada para consirar o sempenho, a confiabilida cima para baixo um sistema para um evento específico falhas. Para a construção cada árvore, você ve intificar quais as falhas componente pom causar uma falha na operação ou uma operação incorreta. O evento falha interesse é chamado evento principal. Um sistema po ter mais um evento principal que mereça ser investigado. A taxa falha para o evento principal é uma combinação das taxas falhas dos eventos básicos que contribuem para o seu acontecimento. Eventos básicos são falhas componentes individuais, com taxas falhas intificadas. São usadas portas lógicas E (AND), OU (OR) e outras portas para representar as combinações taxas falhas. É possível usar disponibilida, indisponibilida ou MTBF no lugar taxas falhas na análise árvore falhas. Taxa falha e indisponibilida dispositivos A taxa falha do dispositivo nos dá o número falhas que se po esperar por unida tempo. Durante o tempo vida útil um dispositivo, frequentemente, assumimos uma taxa falha constante. As taxas falhas pom vir a partir cálculos teóricos ou a partir das experiências campo. Por exemplo, imaginemos que exista uma população em serviço 10 mil dispositivos e observamos z falhas dispositivos em um ano. Uma estimativa da taxa falha a partir sses dados campo é 10/ = 0,001 falhas por ano. A recíproca dá um MTBF estimado anos. Isso não significa que um dispositivo irá durar mil anos. A taxa falha é muito útil na previsão custos manutenção, mas não revela o histórico um dispositivo se este estará disponível a operar quando solicitado. Assim, precisamos consirar a indisponibilida do dispositivo. Indisponibilida é a fração tempo que um dispositivo não po executar sua função. Conforme visto na equação (2), temos a indisponibilida U um dispositivo para uma taxa falha e taxa reparo constantes que é dada por: Relés com funções autotestes e com contatos alarme monitorado têm melhor disponibilida, caso não existam procedimentos testes periódicos. Isso porque um dia com o relé fora serviço a cada dois anos vido aos testes rotineiros causa uma indisponibilida muito maior que a indisponibilida, por conta falhas automaticamente tectadas pelos relés e que são prontamente reparadas. Como exemplo, consire um relé proteção com autotestes watchdog que tecte todas as falhas no equipamento. Se o relé tem um MTBF 100 anos, então ele tem uma taxa falha 0,01 falhas/ano. Primeiro vamos assumir que a função autoteste tecta problemas em questão segundos, mas leva dois dias para reparar a falha, uma vez que é tectada. Se o contato do relé alarme é monitorado, então o relé po estar volta em serviço em dois dias, e a indisponibilida é 0,01 falhas/ano 2 dias = 0,02 dias/ ano. No entanto, se o contato alarme não é monitorado, vemos consirar como scobrir as falhas no relé. Suponhamos que testá-lo a cada dois anos e repará-lo no mesmo dia em que este é testado. Se um teste tecta uma falha, então na média o relé está fora por um ano. A indisponibilida é 1 ano 0,01 falhas por ano = 3,65 dias/ano e isso é 183 vezes pior que a situação anterior. Sem o autoteste e monitoramento do contato alarme, o MTTR po ser muito maior. Com os relés eletromecânicos, por exemplo, as falhas pom não ser tectadas até que a próxima falta no sistema potência ocorra. Neste ponto, é importante lembrar que, penndo do sistema a ser analisado, faz-se necessário o automonitoramento mais funções que vem ser observadas durante a especificação do equipamento. Como exemplo, os relés proteção com funções monitoramento interfaces comunicação, que são muito importantes para a confiabilida sistemas em IEC ou sistemas tecção arco voltaico em painéis média e baixa tensão, visto que pom monitorar as fibras óticas responsáveis pela tecção luminosida. A Tabela 3 relaciona os valores confiabilida para um número componentes nos sistemas proteção. Tabela 3 Valores confiabilida por equipamentos Componente Indisponibilida 10-6 Relé proteção, falha confiança 18 Relés proteção, falha segurança 2 Relé proteção, falha hardware 55 Relé proteção, falha interface 274 Gateway comunicação 385 Switch 477 Roteador 557 Transformadores corrente 11 Transformadores tensão 44 Sistemas baterias 27 Disjuntores 300 Equipamentos microondas analógicos 200 Equipamentos tom 100 Canal fibra ótica 100 Fiação 200

5 38 Construção da árvore falhas A Figura 1 mostra um sistema proteção sobrecorrente constituído um relé sobrecorrente, um disjuntor, um transformador corrente, um sistema baterias DC e fiação associada. Confiabilida é uma das principais preocupações para esta aplicação. A árvore falhas da figura nos ajuda a analisar a confiabilida do sistema. Os valores indisponibilida são aplicados na Tabela 3 para os componentes individualmente. Note que o evento indisponibilida principal é a soma das indisponibilidas inpenntes eventos básicos. Neste sistema simples, a falha qualquer componente provoca falha no sistema. A indisponibilida do sistema é Figura 1 Árvore falhas para um sistema proteção sobrecorrente simples. Se tivermos redundância, representada por portas AND (E), vemos primeiro terminar a indisponibilida simultânea dos dois componentes, que é o produto suas indisponibilidas. Este cálculo pressupõe que as falhas são inpenntes e não provocadas por uma causa comum. Vamos melhorar o sistema adicionando um relé redundante. A árvore falhas da Figura 2 contém uma porta E (AND), que expressa a iia que ambos os relés proteção vem ixar operar para o evento principal ocorrer. Nossa taxa falhas para os relés em conjunto é = 0, O montante corrente da porta OR é A melhoria da confiabilida neste caso é pequena porque outras falhas representam maiores indisponibilidas que somente a falha do relé. Figura 2 Árvore falhas para um sistema proteção sobrecorrente com relés redundantes.

6 40 Figura 3 Sistema automação subestação. Vantagens do método análise da arvore falhas Árvores falha permitem a comparação da indisponibilida relativa dos diversos esquemas proteção. Mantendo árvores falhas simples e fazendo hipóteses simplificadoras, os engenheiros pom analisar as árvores falhas facilmente com cálculos manuais. Embora os dados sobre indisponibilida componentes individuais sejam aproximados, alguns são apoiados por medições campo, assim, árvores falhas dão resultados úteis e próximos da realida. A análise árvores falhas é um passo fundamental para assegurar a melhor aplicação recursos engenharia. Confiabilida em sistemas automação subestações A análise da árvore falhas para sistemas automação segue o mesmo raciocínio monstrado anteriormente. No caso sistemas automação, além da confiabilida, outros aspectos são analisados, entre eles: Custos instalação, equipamentos e comissionamento; Taxas transferência dados efetiva; Custo manutenção; Custos expansão. Como exemplo, faremos um exemplo baseado em uma subestação 13.8/69 kv com oito disjuntores. Todo o esquema proteção contempla relés proteção principais e retaguardas em um total 16 equipamentos. Todos os equipamentos são equipados com uma interface comunicação. São previstos dois gateways comunicação e um computador industrial com função IHM Local. A re comunicação interna da subestação verá ser projetada com os switches em anel e IEDs em dupla estrela. Um roteador realiza a comunicação entre a re da subestação e o centro operação remoto, conforme ilustra a Figura 3. Neste sistema automação, consirando como evento principal a indisponibilida recepção dados ou controle qualquer um dos oito disjuntores da subestação e usando o método análise da arvore falhas com os dados da Tabela 3, temos a indisponibilida que é 584, Melhorando a confiabilida Para melhorar a disponibilida qualquer sistema, po-se escolher entre as seguintes opções: 1. Simplificar o sistema usando menos componentes, eliminando assim as possibilidas falha; 2. Usar componentes com menor índice falhas, maiores índices MTBF; 3. Reduzir o tempo reparo por meio alarmes monitoramento e autoteste; 4. Ter peças reposição disponíveis; 5. Consultar tempos reparos com os fabricantes dos produtos e levar em consiração a capacida executar reparos com agilida; 6. Verificar prazos garantia e analisar a política garantia fornecedores; 7. Aplicar, hardwares redundantes para reduzir o impacto da falha um terminado componente do sistema. 584,64 Indisponibilida recepção dados ou comando qualquer um dos 08 disjuntores 6,93 Proteção Principal * 55 8 * 274 Proteção Retaguarda * 55 8 * Gateway A 659 0,43 0, Gateway B Switch A 477 Switch B 477 Roteador 577 Figura 4 Sistema automação subestação. *Equipe engenharia da Schweitzer Engineering Laboratories (SEL) FIM Encerramos nesta edição o fascículo sobre. Confira todos os artigos sta série em Dúvidas, sugestões e comentários pom ser encaminhados para o redacao@atitueditorial.com.br