XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI 2016 - 07 a 10 de novembro
Curitiba - PR - Brasil
ANDRE DANTAS DIAS
Energisa Sergipe Distribuidora de Energia SA
andre.dias@energisa.com.br
Otimização de Controle e Monitoramento de Transformadores de Subestações
Palavras-chave
Controle de Carregamento por Temperaturas NBR 5416
PRODIST Módulo 8
Regulação Automática de Tensão SEL-2414
Transformadores de Força
Resumo
A Energisa Sergipe, com o objetivo de ampliar a confiabilidade do monitoramento e otimização de controles em suas subestações, realizou a implementação do controle de carregamento de transformadores e acionamento dos mecanismos de ventilação forçada tendo como base as temperaturas do óleo e dos enrolamentos, de acordo com a norma NBR 5416/1997, permitindo assim explorar ao máximo a capacidade de seus ativos, especialmente em situações de contingência, sem gerar perda de vida útil adicional.
Paralelamente, implantou também a regulação automática das tensões nos barramentos das subestações, mantendo as tensões dentro da faixa adequada estabelecida pela legislação vigente (PRODIST, Módulo 8 da ANEEL).
Ambas as implementações, além de monitoradas em tempo real, auxiliam a empresa a mitigar pagamentos de compensações aos clientes, derivadas de violações de nível de tensão e/ou de interrupções no fornecimento de energia.
1. Introdução
Transformadores de potência são equipamentos de alto custo e essenciais para o Sistema Elétrica de Potência (SEP). Eles correspondem aos maiores ativos elétricos presentes nas subestações e, desse modo, necessitam de atenção
especial para que trabalhem com eficiência e garantindo sua vida útil conforme projetado.
Sabe-se que, durante o funcionamento dos transformadores de potência, vários processos de desgaste e de envelhecimento ocorrem, ao longo dos anos, principalmente no seu sistema de isolamento elétrico. Efeitos associados à fadiga térmica, química, elétrica e mecânica, a exemplo de sobreaquecimentos, pontos quentes, sobretensões e vibrações eletromecânicas, são responsáveis por alterações no sistema de isolamento e, por isso, devem ser constantemente monitorados.
O monitoramento constante dos transformadores (grandezas elétricas e fenômenos associados), propicia a realização de intervenções para manutenções preditivas mitigando a redução da vida útil do equipamento e garantindo, assim, maior eficiência do mesmo, a fim de evitar paradas intempestivas, as quais ocasionam aumento de custo, seja por pagamento de compensações aos clientes, em virtude da interrupção do fornecimento de energia elétrica, seja pela realização de manutenções corretivas.
Nesse contexto, a Energisa Sergipe Distribuidora de Energia S/A, adicionalmente aos processos de monitoramento e programas de manutenção preditiva/preventiva já existentes, realizou a implementação de novos mecanismos de controle e monitoramento, em tempo real, através de software supervisório (SCADA - Supervisory Control and Data
Acquisition), de modo a ampliar a confiabilidade de suas subestações, com destaque para o monitoramento do
carregamento por temperatura dos transformadores e a regulação automática de tensão nos barramentos das subestações, tendo, para isso, adquirido monitores modelo SEL-2414 da Schweitzer Engineering Laboratories.
No que tange ao monitoramento do carregamento dos transformadores, de acordo com a norma NBR 5416/1997, da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), publicada para regulamentar a aplicação de cargas em transformadores e autotransformadores de potência, os critérios e os procedimentos para aplicação de cargas, sem limitação de potência, devem se basear nas temperaturas do óleo e dos enrolamentos, associadas à temperatura ambiente. O tradicional e antigo método de controle de carregamento, baseado apenas em corrente ou potência, tem desvantagens significativas como cortes e transferências de cargas desnecessárias e limitações do intercâmbio de cargas.
Embora adote os procedimentos da NBR 5416 desde a década de 1990, o monitoramento das temperaturas, bem como o funcionamento dos mecanismos de ventilação forçada dos transformadores, era realizado por meio dos valores de correntes passantes. Desse modo, a partir de 2014, a Energisa Sergipe iniciou a implantação do controle e monitoramento do carregamento dos transformadores, e acionamento dos mecanismos de ventilação forçada, baseados nas temperaturas do óleo e enrolamentos, permitindo explorar ao máximo a capacidade de seus ativos, especialmente em situações de contingência, sem gerar perda de vida útil adicional, como também minimizando pagamentos de compensações derivadas da interrupção do fornecimento de energia.
Com relação à regulação dos níveis de tensão nos barramentos das subestações, embora a Energisa Sergipe dispusesse de mecanismos de alarmes para o monitoramento deste indicador de qualidade, cabia ao operador do Centro de Operação Integrado (COI), à realização dos comandos remotos para que houvesse a devida alteração de TAP (comutação) e, consequente, adequação dos níveis de tensão. Desse modo, a implementação da regulação automática de tensão, além de mitigar o pagamento de compensações por violações dos limites de tensão adequada, conforme Procedimentos de Distribuição (PRODIST), Módulo 8 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), auxilia na disponibilização total do recurso humano para realização de tarefas essenciais a suas atribuições.
através das temperaturas do óleo e dos enrolamentos, como também para a aplicação da regulação automática de tensão, a Energisa Sergipe optou pela utilização do dispositivo SEL-2414, o qual possui um modelo térmico matemático preciso, que acompanha em tempo real as características operativas do transformador, variando as constantes e gradientes térmicos de acordo com o estágio de ventilação, e levando em consideração a temperatura ambiente do local onde está instalado o transformador.
2.1. Multiprocessador SEL-2414
O multiprocessador SEL-2414 é um dispositivo capaz de realizar o processamento de lógicas programáveis, envolvendo entradas e saídas tanto digitais como analógicas, disponibilizando em um único hardware vários sistemas de monitoramento para transformadores, tais como:
Modelagem térmica conforme IEEE C57.91-1995 e adaptado para a norma NBR 5416 Medição de temperatura ambiente, do óleo e pontos quente
Fator de aceleração de envelhecimento da isolação Estimativa de perda útil diária e total
Monitoramento de faltas passantes Controle de ventilação forçada
Controle de paralelismo de transformadores Controle e indicação de TAP
2.2. Dados para a parametrização do SEL-2414
Para que o SEL-2414 execute suas funções com eficiência, é necessário que sua parametrização esteja adequada ao que se deseja obter como produto final. Desse modo, antes de sua utilização em campo, faz-se necessário o levantamento e cadastro de informações. Destacam-se abaixo alguns dos dados a serem levantados previamente:
Dados gerais do transformador: potência; sistema de resfriamento; variação do comutador sobre carga; projeto elétrico; relação de transformação do TP e TC; ensaios de rotina e de elevação de temperatura;
Comunicação com o supervisório: protocolos; endereços; listas de pontos (variáveis analógicas e binárias); definição de comandos remotos;
Informações para monitoramento térmico: temperaturas padrão a serem usadas no caso de falha de medição; ensaios de aquecimento; constantes térmicas do óleo e do enrolamento; gradientes de temperatura por estágio; norma de fabricação; definição de alarmes e de temperatura para acionamento/desligamento da ventilação forçada;
Regulação de tensão (relé 90): tensão de referência; tensão de comparação; faixas de ajustes para comutação temporizadas; comutação rápida e bloqueio de subtensão e sobretensão; faixa de ajuste para bloqueio da comutação por sobrecorrente;
Controle de paralelismo: discrepância de TAP; tempo para saída do paralelismo; comunicação entre o mestre e comandado – mensagens GOOSE (ethernet) ou Mirrores Bits (serial);
Faltas passantes: impedância dos transformadores; definição de alarmes.
Uma vez levantadas todas as informações necessárias, é feita a parametrização individual e personalizada para cada transformador.
A seguir serão abordados os sistemas de monitoramento e controle implementados na Energisa Sergipe.
2.3. Monitoramento térmico
O SEL-2414 possui um elemento térmico, o qual usa a temperatura do óleo e o ponto mais quente do enrolamento para calcular o fator de aceleração do envelhecimento da isolação, como também a estimativa de perda de vida útil diária e total. O elemento térmico opera em três modos, dependendo da presença ou não das entradas de medição de temperatura:
Presença de medição de temperatura ambiente e óleo: calcula a temperatura do ponto mais quente do enrolamento.
Presença de medição somente de temperatura ambiente: calcula a temperatura do óleo e do ponto mais quente do enrolamento.
Presença de medição do óleo e do ponto mais quente do enrolamento: utiliza o ajuste de temperatura padrão previamente configurado pelo usuário.
Cabe destacar a importância da temperatura ambiente para a determinação da capacidade de carga do transformador, uma vez que a elevação de temperatura para qualquer carga deve ser acrescida à ambiente para se obter a temperatura de operação. Conforme indicação da NBR 5416/1997, preferencialmente, deve-se utilizar a medição da temperatura ambiente real para se determinar a temperatura do ponto mais quente do enrolamento e a capacidade de carga do transformador. Nesse contexto, a implementação realizada na Energisa Sergipe adota medições de temperatura ambiente real, sendo esta e a temperatura do óleo coletadas através de sensores PT-100.
A Tabela 1 a seguir, apresenta as temperaturas limites para aplicações de cargas nos transformadores sem impacto adicional na vida útil dos mesmos, conforme estabelecido em norma.
Tabela 1 – Temperatura limites para carregamento de transformadores (NBR 5416/1997).
A partir das informações coletadas para cada equipamento, e do modelo térmico matemático utilizado, foram definidos dois tipos de alarmes para cada uma das temperaturas apresentados na Tabela 1.
O primeiro tipo de alarme se dá quando a(s) temperatura(s) atinge(m) 10ºC abaixo do(s) limite(s). Trata-se de um alarme em caráter de atenção, sinalizando a proximidade com a(s) temperatura(s) limite(s), proporcionando adotar as ações previamente programadas/intervenções caso as temperaturas continuem aumentando.
O segundo tipo se dá quando a(s) temperatura(s) atinge(m) o(s) limite(s) apresentado(s) na Tabela 1. Trata-se de um alarme para intervenção imediata no sistema, seja por corte ou transferência de cargas.
Desse modo, é possível explorar ao máximo a capacidade dos transformadores, presando sua vida útil, haja vista estes não serem submetidos a um sobreaquecimento danoso.
Cabe destacar ainda que, o acionamento/desligamento dos mecanismos de ventilação forçada dos transformadores foi parametrizado a partir da temperatura do óleo. Quando a temperatura se eleva e atinge 60ºC, o mecanismo de ventilação é acionado para resfriar o transformador. Quando a temperatura diminui e atinge 55ºC, o mecanismo de ventilação é desligado. Essa parametrização foi aplicada para ambas as classes de transformadores apresentadas na Tabela 1.
O acionamento dos mecanismos de ventilação forçada também é indicado através de alarmes, podendo ser acionados de forma automática ou manual. Adicionalmente também há indicação através de alarmes quando o SEL-2414 identifica alguma falha no funcionamento dos ventiladores.
2.4. Monitoramento de evento de falta passante
A corrente de falta passante é a corrente que circula através dos enrolamentos do transformador durante condições de faltas externas (que ocorrem no sistema de distribuição) e, a depender de sua magnitude e a duração, conforme norma IEEE C57.109-1993, podem ocasionar consequências danosas aos transformadores, como estresses térmicos e mecânicos, o que pode levar à degradação do sistema de isolação e ao deslocamento físico dos enrolamentos do transformador. Dessa forma, percebe-se que a realização do monitoramento desses eventos é de extrema importância. Nesse contexto, além dos recursos de monitoramento térmico, o SEL-2414 também possui a capacidade de monitorar a energia acumulada das faltas passantes a que o transformador foi submetido. Estes eventos são monitorados a partir das correntes das três fases, através de uma lógica específica. Quando os limites previamente definidos são ultrapassados, as informações são registradas.
A Figura 1 mostra um exemplo de relatório de monitoramento de faltas passantes em um transformador de uma subestação da Energisa Sergipe.
Figura 1 – Relatório de monitoramento de faltas passantes.
O ganho principal desse tipo de monitoramento é proporcionar informação para a realização de manutenções preventivas nos transformadores, como também nos alimentadores, mitigando reincidências e, consequentemente, assegurando a vida útil dos transformadores e demais equipamentos.
2.5. Regulação automática de tensão
Para a realização da regulação automática nos barramentos de 13,8 kV, utilizou-se o dispositivo SEL-2414 associado a um Matriz de Diodo. Para tanto, foi necessária a parametrização da tensão de trabalho nominal, como também a definição/ajuste de uma banda em torno dessa tensão, definindo assim a faixa de operação nominal de tensão do transformador.
Caso a tensão esteja dentro da faixa definida, não haverá mudanças no TAP do transformador. Contudo, ao operar fora da faixa parametrizada, o desvio entre a tensão medida e a tensão nominal (Vn) irá definir entre a realização de uma comutação temporizada ou rápida, ou até mesmo pelo bloqueio do controlador de TAP, de acordo com a definição das faixas de tensão e a parametrização implantada.
A Figura 2 a seguir apresenta um esboço dos comandos de comutação de TAP, associadas a faixas assimétricas de tensão com limites que podem ser alterados conforme interesse.
Figura 2 – Esboço das faixas dos comandos para comutação de TAP.
Cabe ressaltar que, na definição das faixas e tempos de comutação, é levado em consideração a implementação de ajustes que minimizem um número exacerbado de comutações, mitigando a aceleração do desgaste dos contatos do comutador.
Além do controle individual, para as subestações que dispõem de dois transformadores e que têm a possibilidade de operar com estes em paralelo, foi implementada uma lógica de paralelismo, com protocolo IEC-61850, usando mensagem GOOSE entre os SEL-2414. A lógica, além de checar a realização do paralelismo, checa e realiza o controle dos TAPs e a discrepância entre eles, operando no formato mestre/comandado.
Com a implementação da regulação automática de tensão, foi possível garantir que as tensões no barramento das subestações estarão, não apenas dentro do faixa estabelecida pela legislação vigente (PRODIST, Módulo 8 da ANEEL), como também dentro de uma faixa específica e de interesse, mitigando assim o pagamento de compensação por parte da distribuidora.
2.6. Produtos e resultados obtidos
A implementação realizada na Energisa Sergipe foi desenvolvida entre 2014 e 2015 e abrangeu 28 subestações e 39 transformadores de força. O sistema de monitoramento do carregamento por temperaturas foi implantado em todas
as subestações, contudo a regulação automática das tensões foi implantada em apenas 17 delas, em virtude da ausência de dispositivo LTC (Load TAP Changer – comutador de TAP sob caga) em 11 subestações.
A utilização da tecnologia agregou benefício tanto no monitoramento, quanto operacionalidade do sistema. Estão sendo monitorados dados como temperatura do óleo, temperatura do enrolamento, temperatura ambiente, indicação de TAP, número de comutações, carregamento dos transformadores de força, tensões, correntes, fator de potência, acionamento da ventilação forçada, perda e tempo de vida útil. Destaca-se que além dos controles/comandos automáticos implantados, é possível realizar comandos manuais (remotamente ou por intervenção in loco).
Através de telas de monitoramento do supervisório (SCADA) é possível realizar a visualização e o comando das principais grandezas/alarmes mencionados, conforme pode ser observado na Figura 3 abaixo.
Figura 3 – Tela simplificada do supervisório para monitoramento/comando.
Além da visualização através das telas (monitoramento/alarmes em tempo real), é possível realizar a coleta de dados no supervisório para estas e demais grandezas, o qual possui um banco de dados com informações armazenadas a cada 15 minutos, sendo possível fazer uma análise do comportamento no decorrer do tempo.
Com relação à regulação automática de tensão, a implementação da tecnologia atendeu aos objetivos propostos, garantindo os níveis de tensão dentro da faixa estabelecida pela legislação vigente, sem a necessidade de intervenção
direta do operador.
Na Figura 4 a seguir é apresentado o comportamento das tensões, no barramento de 13,8 kV de uma das subestações da Energisa Sergipe.
Figura 4 – Comportamento das tensões no barramento da subestação antes e após a regulação automática. Percebe-se que, antes da implementação da regulação automática, houve alguns registros de tensão acima da faixa adequada, caracterizando um risco de pagamento de compensação, com preocupação adicional para os grandes clientes (atendidos em média tensão), cujas compensações podem atingir valores muito elevados.
Observa-se, contudo, que após a implementação, não houve mais nenhuma violação da tensão, consequentemente, mitigando os riscos de pagamento de compensação, por violação dos níveis de tensão de fornecimento, conforme estabelecido pelo PRODIST (Módulo 8).
3. Conclusões
A implementação dos novos mecanismos de controle e monitoramento em tempo real na Energisa Sergipe, a exemplo do monitoramento do carregamento dos transformadores de força através das temperaturas do óleo e do enrolamento, como também da regulação automática de tensão nos barramentos das subestações, proporcionaram um aumento na confiabilidade das subestações contempladas.
O monitoramento do carregamento do transformador e acionamento da ventilação forçada que, outrora, era feito através de valores de correntes passantes, passou a ser realizada através das temperaturas ambiente, do óleo e do enrolamento, tornando o monitoramento mais preciso e confiável, conforme a norma NBR 5416/1997, uma vez que é possível explorar ao máximo a capacidade dos transformadores de força, carregando-os até o seu limite térmico, sem a necessidade de transferências ou cortes de cargas, e preservando a vida útil dos mesmos. Sob condições específicas de contingência, a implantação da tecnologia ajuda na redução do pagamento de compensações, uma vez que menos clientes terão o fornecimento de energia interrompido. Vale ressaltar que a implementação da tecnologia auxilia também para um direcionamento otimizado dos investimentos em obras de expansão.
A regulação automática de tensão proporcionou um maior controle dos níveis de tensão nos barramentos de 13,8 kV, evitando com que níveis de tensão indesejados fossem aplicados na rede elétrica e, consequentemente, mitigando riscos de pagamento de compensação, conforme estabelecido pelo PRODIST (Módulo 8).
O Centro de Operação Integrado (COI) passa a dispor de informações adicionais, em tempo real, para auxílio na tomada de decisão (transferências/corte de cargas), além de outras grandezas, como também mitigou a possibilidade de falha humana na regulação das tensões dos transformadores, a qual era feita pelos operadores do COI, através de comandos remotos, quando as tensões ultrapassavam determinados valores.
4. Referências bibliográficas
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST - Módulo 8 - Qualidade da Energia Elétrica. Acesso em 03/05/2016, disponível em http://www.aneel.gov.br/modulo-8
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FRANCO, Paulo et al. Utilizando SEL-2414 para Modelagem térmica, Controle de Paralelismo e Controle e Indicação de TAP em Transformadores. Campinas/SP. Schweitzer Engineering Laboratories, Comercial LTDA, 42 p.
IEEE C57.109-1993. IEEE Guide for Liquid-Immersed Transformer Through-Fault-Current Duration. New York, NY: IEEE Power Engineering Society, Transformers Committee, 1993.
ROCHA, Geraldo et al. Sistema de Monitoramento de Subestações de Distribuição. Schweitzer Engineering Laboratories, Comercial LTDA, 11 p.
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SEL. Schweitzer Engineering Laboratories, Comercial LTDA. Revista Interface, ano 11, n. 36, p. 04-05, Campinas: Samara Monteiro Mtb., fev./mar. 2016.
