XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI 2016 - 07 a 10 de novembro
Curitiba - PR - Brasil
Alexandre Albarello Costa Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento [email protected] Giordano Bruno Wolaniuk Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento [email protected] Laerte Clademir da Rosa Junior Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento [email protected]
Eduardo Kazumi Yamakawa Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento [email protected] Lin Ting Yen Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento [email protected]
Felipe Jose Lachovicz Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento [email protected] Marcio Biehl Hamerschmidt Copel Distribuição S.A. [email protected]
Rodrigo Jardim Riella Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento [email protected]
ANÁLISE DOS MODOS DE FALHA DE MEDIDORES ELETRÔNICOS MONOFÁSICOS SUBMETIDOS A TESTES DE VIDA ACELERADOS
Palavras-chave
Diagnóstico eletrônico de falha Ensaio de vida acelerado
Medidor Eletrônico de Energia Elétrica Modo de falha
Resumo
Devido à evolução tecnológica do sistema de distribuição, houve a necessidade de substituir os antigos medidores eletromecânicos de energia elétrica por modelos eletrônicos mais versáteis e com múltiplas possibilidades dentro de um novo horizonte na distribuição. Problemas relacionados à vida útil desses equipamentos já são conhecidos pelas distribuidoras, despertando a necessidade de estudos de vida útil mais elaborados nesses equipamentos. Partindo dos resultados de um ensaio acelerado de vida realizado em medidores monofásicos, este trabalho apresenta um diagnóstico dos modos de falhas mais comuns obtidos através da análise da eletrônica dos medidores falhos durante o teste. Os resultados obtidos são apresentados e levantam alguns questionamentos sobre procedimentos de aplicação não levados em consideração na norma ABNT 16078:2012 que podem impactar diretamente os testes de vida acelerados dos medidores. Um novo lote de medidores trifásicos encontra-se em teste para aprimoramento de tais procedimentos e futuras conclusões.
1. Introdução
estudado, identificar seus modos de falhas recorrentes e extrapolar o tempo de vida para as condições reais de uso. O presente trabalho concentra-se em estudar os mecanismos de falha dos atuais medidores eletrônicos de energia elétrica, que devido as constantes ocorrências de falhas em campo antes dos 13 anos previstos, geram grandes transtornos e prejuízos para as concessionárias distribuidoras de energia.
Tais prejuízos não ocorriam na tecnologia de medidores eletromecânicos produzidos até o ano 2000. Essa tecnologia de medidores apresentava uma vida útil média superior a 20 anos, atendendo assim ao tempo de retorno do investimento de 20 anos, gerando receita para a concessionaria pelo tempo adicional de operação. Somente os últimos lotes desses medidores produzidos até 2003 apresentaram uma vida útil reduzida para aproximadamente 17 anos, devido provavelmente a má qualidade dos componentes usados pelos fabricantes para o encerramento das linhas de produção (SANTANA, 2012, p. 38-58).
Apesar da baixa durabilidade dos eletrônicos, o uso desta tecnologia é indispensável para acompanhar o desenvolvimento tecnológico em andamento nos sistemas de distribuição, devido principalmente à inserção da geração distribuída e smart grids.
Os primeiros lotes e modelos de medidores eletrônicos adquiridos pela Companhia Paranaense de Energia Elétrica (COPEL) tem apresentado uma vida útil curta com relação ao tempo de regulamentação de 13 anos, o que desperta a necessidade de investigar o tipo e a causa das falhas ocorridas. Uma metodologia aplicável neste caso é o uso de ensaios de vida acelerado em câmaras climáticas, utilizando temperatura e umidade como fatores de envelhecimento dos medidores.
A norma brasileira ABNT 16078:2012 padroniza os procedimentos que devem ser levados em consideração para a execução e análise de um ensaio de vida acelerado em medidores eletrônicos de energia, que serviu como referência para a realização dos procedimentos em laboratório neste trabalho. Ao todo foram avaliadas 150 amostras de medidores monofásicos divididos em 5 câmaras climáticas com níveis de temperatura e umidade diferentes ao longo de um período de aproximadamente 6 meses de teste.
2. Desenvolvimento
2.1. Procedimentos do ensaio para identificação das falhas
A execução do teste de vida acelerado com medidores monofásicos se deve a sua simplicidade em relação aos polifásicos. As 150 amostras foram divididas em 5 conjuntos de 30 medidores por câmara climática com níveis de estresse distintos, conforme a tabela 1, e cada um dos conjuntos de 30 medidores foram ligados em série a uma carga de 100 ? resultando em uma corrente de 1,28 A nos barramentos dos medidores. Os medidores são todos classe B com tensão de operação de 120 V, 15 A (120 A pico), 60 Hz, 1 elemento, 2 fios, constante de 1 Wh/impulso.
Tabela 1- Condições climáticas usadas no ensaio de vida acelerado
dos medidores ao menos uma vez ao dia, de segunda a sexta feira, para detecção de falhas no display, queima dos medidores ou não pulsação do LED indicador de Wh/pulso, realizada com teste em andamento. A segunda forma foi pela interrupção do teste em média a cada 467 horas em câmara, com o objetivo de identificar os medidores que saíram de classe e validar as falhas identificadas na primeira etapa, pois a norma estabelece que os medidores são considerados falhos se o problema persistir em temperatura ambiente. Comprovada a falha, os medidores foram encaminhados para análise da sua eletrônica em laboratório para identificação das causas responsáveis por cada modo de falha identificado. As falhas consideradas durante o ensaio são descritas como: medidor queimar (MQ); medidor parar de medir ou medir incorretamente (FC – fora de classe); medidor parar de mostrar registro (FD – falha de display); LEDs com problema (NP – LED não pisca/não funciona) e falhas intermitentes ou outras falhas (FI). A Figura 1 apresenta a distribuição total das falhas ocorridas ao longo de todo o teste.
Figura 1- Distribuição total das falhas por tempo de ensaio
2.2. Mapeamento do circuito eletrônico dos medidores
O medidor eletrônico de energia elétrica produzido e comercializado no Brasil deve seguir a norma ABNT 14519, o que em sua concepção pode-se dizer que possui basicamente quatro blocos funcionais; fonte de alimentação, circuitos de condicionamento de tensão e corrente, circuito de medição microprocessado e interfaces com o usuário (display e portas de comunicação). As arquiteturas de cada bloco funcional variam entre fabricantes e entre modelos pelos mais diversos motivos. A Figura 2 apresenta o mapeamento eletrônico dos medidores monofásicos testados neste primeiro lote, com o objetivo de identificar a região do circuito relacionada a cada modo de falha.
Figura 2- Mapeamento do circuito eletrônico do medidor
2.3. Diagnóstico dos modos de falha analisados
Analisando os resultados apresentados na Figura 1 observa-se a existência de um pico de falhas nas primeiras mil horas de ensaio, sendo que três dos cinco tipos ocorreram apenas neste intervalo de tempo: FI, NP e MQ. As falhas FC e FD são a maioria com ocorrências até o final do teste. Os medidores falhos foram enviados para análise, e os tópicos a seguir descrevem os resultados obtidos analisando cada modo de falha.
2.3.1. Diagnóstico das falhas FI
A Figura 3 apresenta a ocorrência das falhas FI por níveis de estresse ao longo do ensaio. Ocorreram apenas duas falhas deste tipo nas primeiras 500 horas de teste para as condições climáticas de 65 °C com 98% UR e de 85 °C com 98% UR. Os resultados do diagnóstico nos dois medidores são mostrados na tabela 2, e ambos apresentaram defeito no no microprocessador.
Tabela 2- Diagnósticos das falhas FI que ocorreram
As duas falhas ocorreram em temperaturas distintas, e houve sinal de sobreaquecimento no processador na amostra submetida a 65 °C, o que descarta uma correlação simples com a temperatura. A alta umidade estava aplicada em ambos os casos, podendo ser um fator de ativação do mecanismo de falha envolvido nos processadores.
2.3.2. Diagnóstico das falhas NP
Semelhante ao caso dos medidores com falhas intermitentes, as falhas NP ocorreram nas primeiras 500 horas de ensaio sendo 2 casos para a condição climática de 85°C com 98%UR e um caso para a condição 85°C com 80%UR, conforme mostra a Figura 4.
Figura 4- Ocorrência das falhas NP no tempo por estresse
Tabela 3- Diagnósticos das falhas NP que ocorreram
Nota-se nos resultados mostrados na tabela 3 que todos os medidores apresentaram defeito no processador com presença de sobreaquecimento. Apesar de todas as falhas ocorrerem a 85 °C, não parece haver correlação com a temperatura de ensaio pelo fato das falhas acontecerem somente no início do teste.
2.3.3. Diagnóstico das falhas MQ
As falhas de medidores que deixaram de funcionar, ou seja, aqueles sem sinal algum de funcionamento, ocorreram nas primeiras 1000 horas de teste e em três das cinco condições climáticas, totalizando 15 falhas com maior ocorrência para a condição climática de 75°C com 98%UR, conforme mostra a Figura 5. A Tabela 4 apresenta o resultado do diagnóstico de quatro dessas amostras.
Figura 5- Ocorrência das falhas MQ no tempo por estresse
Tabela 4- Diagnósticos das falhas MQ que ocorreram
2.3.4. Diagnóstico das falhas FD
As falhas de display foram as que mais ocorreram durante o ensaio, afetando 61 medidores o que representa 40,67% do lote. Foram considerados como falha de display aqueles que estavam desligados, com dígitos incompletos e sem atualizar a leitura. Houve problemas de descolamento da película de alguns displays, mas como não se confirmou a ocorrência desta falha em campo e a mesma não impedia a leitura de energia, esta foi desconsiderada. Ocorreram falhas de display em todas as condições climáticas, a Figura 6 apresenta esta distribuição ao longo do tempo, com maior ocorrência para as condições mais extremas de estresse.
Figura 6- Ocorrência das falhas FD no tempo por estresse
A Tabela 5 apresenta as tensões de referência presentes nos pinos do display para um medidor sem falha, com isso percebeu-se problemas de subtensões nos pinos 9 a 12 e sobretensão no pino 13 nos displays que apresentaram falha de dígitos incompletos. A Tabela 6 apresenta o resultado do diagnóstico de quatro amostras com falha de display. O Display é uma matriz em que uma combinação de dois pinos acende um segmento se estiver oscilando.
Tabela 5- Tensões de referência nos pinos do display
Tabela 6- Diagnósticos das falhas FD que ocorreram
2.3.5. Diagnóstico das falhas FC
A falha de erro de medição foi o segundo tipo dominante de falha no ensaio, ao todo falharam 51 amostras
representando 34% do lote. Analisando a Figura 7 que apresenta a distribuição das falhas ao longo do ensaio existe maior ocorrência desse tipo de falha nas condições climáticas com maiores estresses de umidade. Semelhante aos casos anteriores os medidores identificados com modo de falha durante o ensaio foram encaminhados para laboratório de análises eletrônicas, entretanto neste tipo de falha 3 situações ocorreram.
apresentou falha após a injeção de ar quente nas mesmas temperaturas encontradas em campo, na terceira situação, por outro lado, não houve falha nos testes de laboratório de análise indicando a regeneração do medidor após um tempo. A Tabela 7 apresenta um resumo destes resultados em quatro amostras.
Figura 7- Ocorrência das falhas FC no tempo por estresse
Tabela 7- Diagnósticos das falhas FC que ocorreram
2.4. Discussão dos resultados
Com base nos resultados apresentados nos tópicos anteriores alguns pontos merecem atenção especial. As falhas FI, NP e MQ ocorreram apenas nas primeiras horas do ensaio, podendo ser consideradas falhas prematuras, logo é possível concluir que os fatores climáticos pouco influenciam nestes tipos de falhas se considerado o envelhecimento das amostras, já que outros casos não ocorreram mesmo após 3000 horas de teste após o último caso registrado. Esses modos de falhas podem estar relacionados a problemas de fabricação do medidor, ou a problemas do procedimento de teste, como condensação de umidade na eletrônica, problemas de qualidade de energia ou surtos na rede. O período em que ocorreram as falhas FI, NP e MQ coincidem com observações de oscilação da rede elétrica dos laboratórios, o que reforça esta suspeita.
Um detalhe que deve ser levado em consideração é a temperatura máxima que cada componente eletrônico utilizado no circuito do medidor pode atingir durante o procedimento de soldagem. Para este medidor em especifico, o processador utilizado já contém o circuito “front-end” de medição, e ele é extremamente sensível a temperatura, portanto caso a temperatura máxima de soldagem que o chip suporta seja extrapolada pode haver comprometimento do funcionamento e durabilidade do processador.
Algumas falhas FC não se confirmaram durante testes em laboratório de análise, ou seja, alguns medidores regeneraram de seu modo de falha ao longo do tempo e não deveriam ser considerados falhos. A norma ABNT 16078:2012 estabelece que o medidor
absorção de umidade por alguns componentes sejam a causa, e que a redução da umidade nos componentes afetados ao longo do período fora de câmara fez com que retomassem as características anteriores ao teste.
A norma também não estabelece um procedimento para iniciar o ensaio com a elevação da temperatura e umidade e nem para parar o ensaio com a retirada da temperatura e umidade. Foi verificado que a câmara climática atinge a temperatura de estresse em aproximadamente 10 minutos, o que poderia provocar reações adversas ao envelhecimento pela rápida e expressiva variação térmica. A umidade de estresse também é atingida em aproximadamente 15 minutos, expondo o medidor a excessiva condensação de umidade, o que provavelmente influenciou alguns modos de falhas como no caso de medidores que apresentaram falha FD com decolamento de película.
3. Conclusões
O ensaio de vida acelerado é uma importante ferramenta para estimar o ciclo de vida de um medidor eletrônico, entretanto os procedimentos de ensaio apresentados em norma não abrangem alguns pontos relevantes para a qualidade dos testes, o que pode acarretar em modos de falha indesejados e mascarar resultados. Alguns desses pontos foram levantados com a realização de uma análise na eletrônica dos medidores falhos, como a possível influência da qualidade da energia e a variação abrupta de temperatura e umidade nos testes.
Tendo em vista a redução das incertezas relacionadas as falhas observadas, algumas alterações nos procedimentos de teste foram tomadas para evitar a influência de fatores externos e a ativação de possíveis mecanismos estranhos ao processo de envelhecimento das amostras. Um novo lote de medidores trifásicos foi colocado sob teste de envelhecimento acelerado já com um estabilizador de tensão para amenizar os problemas de qualidade de energia, como a flutuação de tensão da rede elétrica. Os períodos de aquecimento e resfriamento das câmaras também foi modificado, variando agora linearmente pelo período de uma hora até a estabilização tanto em temperatura quanto em umidade, com o cuidado adicional de primeiramente haver a homogeneização térmica para depois haver a elevação de umidade, evitando assim condensações indesejadas nas amostras. O erro de leitura dos medidores é também verificado semanalmente e os medidores que apresentam falha FC são retirados de câmara e energizados em um painel exposto em condição climática ambiente, para verificação diária do erro de medição por uma semana adicional. Assim, somente após a confirmação da falha é que o medidor é encaminhado para diagnóstico do seu hardware em laboratório.
4. Referências bibliográficas
SANTANA, TIAGO A. Engenharia da confiabilidade aplicada à medição de energia elétrica, UTFPR 2012.
ABNT 16078:2012. Equipamentos de medição de eletricidade - Confiabilidade - Ensaio de confiabilidade - Vida acelerada por umidade e temperatura. 2012.
ABNT 14519:2011. Medidores eletrônicos de energia elétrica - Especificação. 2011.
ABNT 14520:2011. Meddores eletrônicos de energia elétrica - Método de ensaio. 2011.
