Artigo - Apenas Religadores Inteligentes Constroem Redes Inteligentes

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TÍTULO: APENAS RELIGADORES INTELIGENTES CONSTROEM REDES INTELIGENTES 
(ORIGINAL: ONLY SMART RECLOSERS BUILD SMART GRIDS) 
 
AUTORES: NEIL O’SULLIVAN, BRUNO KIMURA 
 
 
Resumo: 
 
Atualmente quase todas as concessionárias 
de energia elétrica possuem redes 
inteligentes (Smart Grids) nos seus planos. 
Uma rede realmente inteligente inicia-se 
com a automação das redes de distribuição, 
onde o religador automático é um bloco 
chave na construção dessas redes 
automatizadas. O que os religadores 
modernos precisam oferecer para serem, 
verdadeiramente, estes blocos chave? Este 
artigo tenta resumir a resposta. 
 
Introdução: 
 
As concessionárias ao redor do mundo 
enfrentam desafios similares todos os dias 
para lidar com assuntos de geração, 
transmissão e distribuição. Estes vão desde 
qualidade e fornecimento ininterrupto de 
energia até investimentos e questões 
comerciais, almejando aumento de receitas, 
evitando penalidades dos órgãos 
reguladores (em alguns países) e, 
finalmente, aumento de retorno financeiro 
para investidores. 
 
Embora não haja uma definição única e 
universalmente aceita para Smart Grid, o 
seu conceito certamente está ligado à 
aplicação de produtos de alta tecnologia 
para melhorar a operação do sistema 
elétrico de potência, aumentar a qualidade 
de energia, aperfeiçoar o uso dos 
equipamentos, reduzir custos de 
manutenção e reparo de equipamentos, 
criar e manter novos serviços geradores de 
receita, diminuir perdas elétricas nos 
sistemas de distribuição, reduzir a demanda 
elétrica geral, vender mais kilowatt-hora de 
eletricidade, conseguir economias 
relacionadas à mão-de-obra, alcançar 
metas ambientais e outros. 
 
Considerando os catalisadores de negócios 
acima, atuais oportunidades na automação 
da distribuição envolvem melhoria da 
relação VOLT/VAR, detecção e isolação de 
falta, restauração, proteção digital e 
automação do controle, aplicações gerais 
de monitoramento e diagnóstico, 
alavancagem de sistemas SCADA, DMS, 
OMS, GIS e outros. 
 
Especialmente para a distribuição, sem 
dúvidas o mais problemático e, portanto, 
menos confiável setor do sistema elétrico de 
potência, a detecção e isolação de falta e 
posterior restauração permitem que as 
concessionárias de energia façam a 
reconfiguração da rede de maneira remota 
e/ou automática em resposta a 
desligamentos planejados ou não 
planejados. Os atuais sistemas inteligentes 
de proteção digital permitem que tais 
processos sejam automatizados. O 
benefício principal da detecção, isolação e 
restauração após falta é o aumento da 
confiabilidade, frequentemente medida 
através dos índices de duração e frequência 
de interrupção como, por exemplo, o 
DEC/FEC. 
 
Religadores são vistos como blocos chave 
na construção de redes inteligentes, 
disponíveis para a detecção, isolação e 
restauração pós falta nos sistemas de 
distribuição. A consequência direta desse 
fato tem sido um crescimento sem 
precedente na demanda global por este 
produto. 
 
Muitas concessionárias são tentadas a 
comprarem a solução mais barata. Uma 
solução completa pra este tipo de produto 
considera um tanque de longa vida útil com 
contenção e exaustão de arco interno como 
segurança, medição de corrente e tensão 
em ambos os lados do dispositivo e um 
controle baseado em micro processador 
avançado capaz de fornecer soluções 
completas para redes inteligentes. 
 
Um religador inteligente oferece um projeto 
completo, com funcionalidades de Smart 
Grid integradas, permitindo não apenas 
controle remoto, mas também automação, 
medição e registro de dados analógicos 
para alcançar os objetivos de negócios das 
concessionárias. Religadores inteligentes 
permitem automação da distribuição, 
medição analógica instantânea para 
melhoria da relação VOLT/VAR, detecção 
automática de falta incluindo direcionalidade 
completa para isolação e restauração 
automática, múltiplos protocolos de 
comunicação para integração SCADA e 
capacidade de mapeamento por GPS para 
ser integrado aos últimos sistemas DNS. 
 
A visão dos autores é que apenas 
religadores inteligentes, em hardware e 
software, constroem redes inteligentes. 
Algumas das importantes características 
desses computadores em postes são 
brevemente discutidas nos próximos 
parágrafos. 
 
Hardware Inteligente 
 
Embora grande parcela do que um religador 
inteligente é capaz de realizar esteja 
intimamente ligada com o código que o seu 
firmware e software possuem, possuir o 
hardware correto é a base não apenas para 
suportar tais softwares avançados , mas 
também para assegurar uma longa vida útil 
livre de manutenção e provada em campo. 
 
� Atuadores Magnéticos 
 
Para religadores de poste uma das 
considerações mais críticas a serem feitas 
deve estar sempre associada com a energia 
necessária para operar o dispositivo. Em 
virtude da instalação em poste, um sistema 
UPS é necessário para operar o controle e o 
equipamento de comunicação remota. É 
também importante que o equipamento de 
chaveamento/interrupção seja capaz de ser 
operado independente da presença de AT, 
assegurando assim operações de abertura 
e fechamento em linhas não energizadas. 
 
Atuadores magnéticos combinados a 
interruptores a vácuo permitem o máximo 
em forças de operação e o mínimo em 
energia necessária, fornecendo assim a 
melhor solução. Os atuadores magnéticos 
também permitem a execução de ciclos de 
religamentos automáticos tão rápidos 
quanto CO-0.1s-CO-1s-CO-1s-CO, 
utilizando energia armazenada em 
capacitores para abrir e fechar o dispositivo. 
 
 
Figura 1 Modelagem 3D no Projeto de Religadores 
Inteligentes 
 
� Isolação em Dielétrico Sólido: Sem Óleo 
/ Sem Gás 
 
Os religadores automáticos têm sido usados 
nas redes aéreas de distribuição desde o 
início dos anos 40, com o advento dos 
primeiros dispositivos hidráulicos que 
utilizavam óleo como meio de interrupção e 
isolação. A evolução então trouxe 
interruptores a vácuo dentro de tanques de 
alumínio e aço, óleo como meio de isolação 
e buchas de porcelana. A próxima geração 
de produtos utilizava SF6 como meio de 
interrupção e isolação. Desenvolvimento 
posterior trouxe o uso de interruptores a 
vácuo dentro de tanques com isolação em 
SF6 e buchas em porcelana ou poliméricas. 
Algumas dessas opções de produtos ainda 
podem ser encontradas atualmente, mas 
devem ser consideradas como 
ultrapassadas devido aos riscos de saúde e 
ambientais associados com o uso de SF6 e 
manutenções regulares, não sendo 
consideradas viáveis atualmente. 
 
Houve, então, a introdução de produtos no 
mercado com interrupção a vácuo e 
isolação em dielétrico sólido. A maioria 
desses produtos utiliza resina de epóxi ciclo 
alifática e embute os interruptores a vácuo 
nos pólos de resina que estão expostos ao 
ambiente. Os mecanismos do tipo 
atuadores magnéticos são então usados 
para operar cada pólo. Tais atuadores 
magnéticos são geralmente dispostos em 
tanques de aço, fornecendo uma base para 
montagem dos pólos de resina ciclo 
alifática. Essa última configuração atingiu o 
objetivo de eliminar o uso de isolantes 
nocivos tais como óleo e SF6, sendo a 
melhor escolha atualmente, considerando a 
segurança e o meio ambiente. 
 
� Contenção e Exaustão de Arco Interno 
 
Embora o uso de dielétrico sólido tenha 
alcançado o objetivo de eliminar o uso de 
isolantes nocivos como o SF6 e o óleo, 
cuidando das questões ambientais atuais, 
ele não trata das questões de segurança e 
longa vida útil de maneira aceitável. 
 
Os religadores devem fornecer contenção e 
exaustão de arco interno de acordo com as 
exigências da IEC62271-200:2003. Esse 
importante aspecto de segurança assegura 
que o religador falhe de maneira controlada 
no caso do desenvolvimento de uma falta 
dentro do tanque e o respectivo arco não 
puder ser extinto, resultando na elevação da 
pressão interna. Essa é uma preocupação 
que deve ser considerada, particularmente 
com a crescente prática de instalações em 
linha viva adotada por concessionárias ao 
redor do mundoquando da instalação de 
novas plantas e equipamentos de média 
tensão não apenas em áreas rurais, mas 
também urbanas de alta densidade 
demográfica, como parte dos seus projetos 
de redes inteligentes. 
 
A patenteada contenção e exaustão de arco 
interno é alcançada através da fabricação 
do tanque em aço inox com mecanismo 
exaustor de arco presente no lado do 
tanque que faceia o poste. 
 
 
 
 
Figura 2 Operação da Contenção e Exaustão de 
Arco 
 
 
 
 
 
� Medição de Tensão na Fonte e Carga 
 
Para maximizar o desempenho do sistema 
utilizando todas as funcionalidades de 
automação, assim como oferecer as 
configurações de proteção atualmente 
exigidas pelas concessionárias é necessário 
a capacidade de medir tensão em todas as 
seis buchas. 
 
Embora a maioria dos religadores possa ser 
aprimorada para permitir esta medição 
completa, isto geralmente é alcançado 
através da instalação de acessórios 
comprados e instalados posteriormente. 
 
Religadores inteligentes devem possuir um 
conjunto completo de acessórios de 
medição, ou seja, serem capazes de medir 
tensão nas seis buchas e corrente nas três 
fases e neutro, permitindo que 
funcionalidades de proteção e automação 
sejam completamente implementadas. Isto 
pode ser alcançado através de sensores de 
tensão capacitivamente acoplados e 
transformadores de corrente, como padrão. 
 
� Projeto Eletrônico Confiável 
 
Religadores inteligentes são, literalmente, 
computadores avançados instalados em 
postes. Os postes, por outro lado, 
constituem ambientes bastante severos 
para a instalação de computadores, com 
alto grau de vibração, ruídos e distúrbios 
elétricos. Por esta razão, ao projetar-se 
produtos confiáveis de longa vida útil, todo e 
qualquer aspecto do projeto eletrônico 
importa e deve ser considerado. 
 
Visto que o tanque do religador está 
localizado próximo às linhas de MT, onde os 
campos elétricos são mais intensos, e 
também devido à vibração existente durante 
o ciclo de operação, é inteligente transferir 
toda eletrônica ativa do mesmo para a 
cabine de controle, onde as questões acima 
mencionadas são minimizadas. PCI´s 
instaladas dentro do tanque já provaram ser 
um ponto fraco no projeto de religadores 
visto que não apenas a taxa de falha 
aumenta significativamente, mas a 
manutenção sempre requer mais trabalho e 
implica em custos mais altos. 
 
Religadores inteligentes devem possuir 
projeto modular, tornando a produção, 
testes, inspeção e eventual substituição 
consideravelmente mais fáceis e rápidas. 
Os módulos propriamente ditos abrigam as 
placas de circuito impresso e, portanto, 
devem ser construídos em aço, constituindo 
em uma gaiola de Faraday para a eletrônica 
interna e também fornecendo boa 
sustentação mecânica. 
 
A comunicação entre os diferentes módulos 
deve ser feita através de cabos curtos e 
bem isolados para reduzir interferências e 
ruídos nos sinais mV, assim como eliminar 
contatos elétricos incipientes através de 
conexões apropriadas e robustas, tornando 
o interior da cabine mais limpo e 
organizado. Tal comunicação também deve 
ser regida por um protocolo confiável como 
o CAN, largamente utilizado nas indústrias 
automotiva e aeronáutica, onde o erro pode 
ser fatal. 
 
A combinação das melhorias incrementais 
acima descritas contribui para um excelente 
desempenho em campo, percebido apenas 
quando o equipamento é colocado em 
operação. 
 
� Controle Baseado em FPGA 
 
Os controles dos religadores inteligentes 
exigem sofisticados processamentos de 
sinais para disponibilizarem as 
funcionalidades de proteção, medição e 
automação. 
 
OS FPGA´s fornecem a capacidade de 
realizar processamento paralelo permitindo 
que algoritmos complexos sejam 
processados simultaneamente. 
 
Um FPGA é capaz de calcular todos os 
componentes fundamentais de proteção e 
medição, incluindo sequência de 
componentes e dados. Ao utilizar um FPGA 
e as ferramentas de síntese é possível 
otimizar o sistema analógico e permitir ao 
processador principal acesso direto à base 
de dados de sinais analógicos do FPGA. 
 
 
 
 
Figura 3 Diagrama de Controle Baseado em FPGA 
 
� Suporte de Campo Simples & Poderoso 
 
A comunicação remota é um dos pontos 
fortes das redes inteligentes, permitindo que 
operadores monitorem e controlem 
religadores a grandes distâncias e, portanto, 
evita custos relacionados a deslocamento 
destes operadores. Todavia, apesar da 
existência e desenvolvimento contínuo dos 
meios de comunicação, eles também 
sofrem cortes e nem sempre estão 
disponíveis. Além disso, algum nível de 
manutenção operacional sempre será 
necessário ao substituir-se uma bateria, um 
módulo ou, talvez, realizar alguma limpeza. 
 
Quando essas situações ocorrem, o 
controle do religador deve possuir uma 
interface completa e simples com operador, 
permitindo monitoramento completo e 
ajustes das configurações de proteção e 
comunicação através de navegação 
inteligente. Itens como um grande LCD 
capaz de disponibilizar todas as 
informações necessárias de uma só vez, 
eliminando rolagens excessivas, combinado 
a teclas de atalho e LED´s de sinalização 
fazem da experiência de campo algo 
simples. 
 
A interface com o operador também deve 
fornecer completo suporte de idiomas, 
permitindo que usuários em países 
diferentes tenham as mesmas vantagens 
em equipamentos poderosos como os 
religadores inteligentes. 
 
 
 
 
 
 
 
Software Inteligente 
 
Combinado à disponibilidade de hardware 
de alta eficiência, o desenvolvimento de 
softwares inteligentes abre o caminho para 
infinitas possibilidades com relação a 
proteção, automação, comunicação e 
registro de dados. Isso é importante 
enfatizar visto que as tendências e 
necessidades das redes inteligentes são 
dinâmicas e os softwares (tanto firmware 
embutidos quanto software de aplicação em 
PC) bem estruturados devem estar prontos 
para um desenvolvimento rápido e contínuo. 
 
No entanto, as atuais funcionalidades 
básicas para religadores inteligentes 
incluem: 
 
� Proteção Direcional Completa 
 
O sistema elétrico atual é formado por 
circuitos distintos que estão sendo 
gradativamente interconectados uns aos 
outros devido ao compartilhamento e 
transferência de carga, necessidades de 
retaguarda, etc., formando uma rede maior 
e de múltiplas fontes onde lados fonte e 
carga nem sempre podem ser 
determinados. Da perspectiva do religador, 
a impedância e, portanto, níveis de curto, 
assim como número de outros dispositivos 
de proteção, diferem nos circuitos à 
montante e à jusante. 
 
 
 
Figura 4 Proteção Direcional Completa em Redes 
de Múltiplas Fontes 
 
A capacidade de realizar proteção direcional 
completa permite que o religador seja 
programado com ajustes de proteção 
(incluindo mapa de auto religamento, curvas 
e tempos) completamente diferentes e 
independentes, dependento do sentido da 
falta: direta ou reversa. O controle 
programado com o ângulo de torque correto 
é capaz de determinar tal direção e aplicar 
os ajustes de proteção pertinentes, 
objetivando a isolação adequada da falta. 
 
Tal funcionalidade depende da medição 
completa de corrente e tensão, sendo um 
item obrigatório para religadores 
inteligentes. 
 
� Algoritmos de Automação Embarcados 
 
Isolação de carga viva e self healing são 
outros dois conceitos que estão se tornando 
cada vez mais importantes conforme a rede 
se diversifica e as exigências por 
fornecimento ininterrupto provem não 
apenas dos órgãos reguladores, mas 
também dos consumidores. 
 
Em situações onde a fonte principal está 
desligada pode ser necessário prevenir que 
cargas vivas realizem alimentação inversa 
através de religamento controlado por 
tensão (VRC). Está funcionalidade monitora 
a presença de tensão em ambos os lados 
do religador e inibe uma operação de 
fechamento caso não haja tensão no lado 
fonte. Controles inteligentes também 
permitem a configuração dos lados fonte e 
carga e também possuem modo anel. 
 
A VRC também é entrada de outros 
algoritmos de selfhealing como o 
Restauração Automática de Alimentação 
(ABR), que permite que pontos NA 
funcionem como chaves inteligentes de 
backup, restaurando a alimentação a partir 
de um alimentador secundário após decidir 
sozinha que a situação exigiu tal 
providência. Estudos prévios são 
necessários, porém uma vez que o 
equipamento tenha sido programado 
corretamente eles vão “pensar” e agir para 
reduzir desligamentos e áreas afetadas, 
assim como restabelecer o fornecimento 
para cargas críticas, como hospitais e 
escritórios de concessionárias. 
 
 
 
 
Figura 3 Algoritmo de Self Healing 
 
Conforme o número de religadores 
instalados na rede torna-se maior, as 
concessionárias enfrentam o desafio de 
realizar a coordenação correta e possível 
entre dispositivos de proteção em série. 
 
Funcionalidades tais como Coordenação de 
Sequência de Zona (ZSC) e Adição 
Provisória de Tempo (TTA) permitem que 
religadores em série se mantenham 
sincronizados durante o processo de 
isolação de falta, mesmo quando estão 
configurados com curvas de proteção 
similares ou idênticas, respectivamente. 
Esse último caso pode ser necessário 
quando o alimentador está divido por um 
grande número de religadores coordenados 
entre si e todos precisam operar abaixo de 
0,8 – 1,0s – antes do disjuntor principal da 
SE. 
 
� Poderoso Software de Aplicação 
 
Projetado em conjunto com a chave e o 
controle, poderosos softwares de aplicação 
também devem ser disponibilizados pelos 
fabricantes para permitir completa 
configuração, monitoramento de dados e 
captura dos eventos para fins de 
planejamento da proteção e automação, 
assim como para estudos do sistema 
elétrico ou resolução de possíveis 
problemas do equipamento. 
 
Estes softwares também devem permitir que 
o usuário gerencie seus arquivos de forma 
inteligente, inclusive através do 
compartilhamento e transferência (cópia) de 
conteúdo entre eles 
 
Softwares mais avançados também aceitam 
o endereço de instalação do dispositivo (ou 
coordenadas de latitude e longitude) e o 
encontra, por exemplo, utilizando o Google 
Maps. Isto permite que o usuário visualize o 
equipamento real no poste e também as 
áreas circunvizinhas. 
 
A interface gráfica torna os estudos de 
coordenação e seletividade simples e fáceis 
ao fornecerem ao usuário conjuntos de 
curvas padrão ou não (incluindo curvas 
definidas pelo usuário) e parâmetros 
modificadores para customizações. Tal 
interface também deve exibir as alterações 
feitas nas curvas assim que elas ocorrem. 
 
 
 
Figura 4 Software de Aplicação Completo e 
Inteligente 
 
Softwares de aplicação combinados ao 
firmware inteligente do controle permitem 
configuração completa do protocolo, 
incluindo identificação dos pontos, classes, 
banda morta, etc., tornando possível a 
integração dos dispositivos a quaisquer 
estações mestre pré-existentes. Afinal, 
limitações não são inteligentes. 
 
� Registro de Dados 
 
O gerenciamento de redes inteligentes está 
intimamente ligado com as capacidades de 
entender a rede e gerenciar as interligações 
para melhor distribuir as cargas e reduzir 
picos, quando possível. Os dados 
disponibilizados pelos religadores 
inteligentes devem poder ser acessados 
remotamente pelo sistema SCADA, 
fornecendo informações detalhadas e 
precisas sobre cada alimentador. 
Informações como estas podem ser usadas 
no compartilhamento de carga e 
planejamento do crescimento da rede. 
 
� Simulação 
 
Ferramentas de simulação que permitem o 
desenvolvimento e testes de cenários de 
falta são cruciais no desenvolvimento e 
comissionamento de soluções de Smart 
Grid. Como sequências complexas de 
simulação do sistema elétrico de potência 
não são facilmente geradas, ferramentas de 
injeção primária e secundária podem ser 
programadas e injetadas nos dispositivos 
através de ferramentas de simulação de PC. 
 
� Acesso de Engenharia Remoto & 
Completo 
 
Com o advento dos sistemas de 
comunicação TCP/IP, o compartilhamento 
de canais de comunicação para o acesso 
remoto a múltiplos dispositivos é prática 
comum atualmente. Com a pilha IP 
fornecida nos controles inteligentes, os 
protocolos SCADA podem ser roteados, os 
protocolos do mestre SCADA e proprietário 
podem ser roteados para os softwares 
remotos dos fabricantes, permitindo 
completo acesso de engenharia aos 
controles dos religadores inteligentes. A 
comunicação TCP/IP é o futuro das redes 
de distribuição inteligentes. 
 
 
Conclusão: 
 
As redes inteligentes (Smart Grids) são o 
futuro da indústria de distribuição de energia 
elétrica. Muitas concessionárias possuem 
orçamentos grandiosos e planos detalhados 
de Smart Grid para serem executados ao 
longo da próxima década, sendo a 
cuidadosa escolha do religador automático 
que será o bloco chave na construção das 
redes inteligentes será o principal fator de 
sucesso. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Biografia: 
 
 
 
Neil O´Sullivan é Presidente da NOJA 
Power Switchgear Pty Ltd. Ele é membro do 
IEEE e possui mais de 20 anos de 
experiência na indústria de energia. Sua 
experiência inclui projeto, fabricação, 
marketing, vendas e serviço de produtos de 
interrupção em média tensão. Sua atuação 
na indústria o levou a trabalhar com 
concessionárias e empresas de energia em 
todos os continentes. Com tal experiência 
vem um considerável entendimento sobre 
as atividades e práticas atuais das 
concessionárias, principalmente nas 
aplicações de equipamentos de 
chaveamento e interrupção nas suas redes. 
 
 
 
 
 
 
Bruno Kimura é Diretor de Operações da 
RMS Electric Ltda., distribuidora exclusiva 
da NOJA Power no Brasil. Sua experiência 
inclui treinamento intensivo na matriz da 
NOJA Power na Austrália, fornecimento de 
treinamento e suporte técnico para 
inúmeras concessionárias de energia 
elétrica no Brasil, assim como atividades de 
desenvolvimento de negócios no Brasil e 
exterior.