2_0297_artigo

Prévia do material em texto

1
PS 3 – Gerenciamento da vida útil de equipamentos
Avaliação de chaves seccionadoras de alta tensão mediante monitoramento
online – Estudo de caso em Itaipu Binacional

Mario Augusto Caetano dos Santos, Rodrigo Eduardo Chaparro Moraes, Sérgio
Henrique Sobreira de Oliveira
Itaipu Binacional
Brasil / Paraguai
RESUMO

 As concessionárias de geração e transmissão de energia elétrica tem enfrentado grandes desafios
de mercado nos últimos anos, dentre os quais destacam-se a pressão pela redução de custos e as
exigências regulatórias pela melhoria dos indicadores de disponibilidade dos ativos. Neste sentido as
empresas vêm buscando novas abordagens de manutenção para seus equipamentos, visando identificar
de forma antecipada possíveis sinais ou indícios que apontem para futuras falhas, de modo que se
possa intervir antes que as mesmas ocorram. As chaves seccionadoras são equipamentos
indispensáveis para execução de manobras em subestações de alta tensão e, portanto, é fundamental
que se apresentem em condições adequadas para desempenhar tal função. No entanto várias
concessionárias têm relatado um elevado número de problemas nestes equipamentos, especialmente
durante suas operações de abertura e fechamento, acarretando em aumento de indisponibilidade e
custos adicionais com manutenções corretivas, muitas destas em caráter emergencial. Tendo em vista
tais fatos e que as manutenções preventivas periódicas em seccionadores têm ocorrido em espaços de
tempo cada vez maiores, é razoável pensar-se na possibilidade de implantação de sistemas de
monitoramento online capazes de obter dados relevantes para uma análise preditiva. Justamente pelos
motivos ora expostos, a Itaipu Binacional decidiu há algum tempo investir em sistemas de
monitoramento online de ativos de subestações de alta tensão, dentre os quais as chaves seccionadoras.
O presente trabalho expõe os resultados obtidos a partir da implantação destes sistemas, com enfoque
em uma família específica de seccionadores de 245 kV instalados na Subestação Margem Direita. A
partir das análises das diversas grandezas monitoradas, especialmente aquelas associadas ao
mecanismo de acionamento e o motor que a compõe (por exemplo, corrente, tensão, consumo e
deslocamento), foi possível conhecer comportamentos típicos (ou “assinaturas”) do modelo avaliado,
bem como identificar desvios e tendências que apontam para potenciais problemas mecânicos. Tais
informações foram confrontadas com o histórico de ocorrências e com investigações in loco destes
seccionadores, permitindo um melhor entendimento dos modos de falhas e das medidas preventivas a
serem adotadas para evitar as mesmas. Espera-se como resultado uma maior confiabilidade destes
equipamentos e a consequente redução das intercorrências durante as manobras executadas pelos
operadores da subestação. Trabalhos futuros devem ser conduzidos para estabelecer uma rotina de
análises e o refinamento dos alarmes dos sistemas de monitoramento, expandindo inclusive para
outros modelos de seccionadores.
PALAVRAS CHAVE

Seccionadores, alta tensão, monitoramento online, manutenção preditiva, modos de falhas.
Mario Augusto Caetano dos Santos – caetano@itaipu.gov.br
IX WORKSPOT- International workshop on power transformers,
equipment, substations and materials
FOZ DO IGUAÇU, PR – 25 a 28 DE NOVEMBRO DE 2018
2
INTRODUÇÃO

As chaves seccionadoras (seccionadores) são equipamentos amplamente utilizados em
subestações de alta tensão dos sistemas de transmissão de energia elétrica, desempenhando diversas
funções tais como a de bypass ou isolação de equipamentos (disjuntores, por exemplo) e transferência
de barras.
Em geral os seccionadores são construtivamente simples, constituídos de mecanismo de
acionamento, base, colunas isoladoras (fixas e móveis) e parte ativa (contatos móvel e fixo e lâmina
principal). Apesar desta simplicidade construtiva, os seccionadores representam um desafio quanto a
garantia de disponibilidade. Por ser um equipamento de manobra com princípio operativo
eminentemente mecânico e cujas operações ocorrem geralmente de forma esporádica, são comuns
situações onde as manobras de abertura e fechamento não consigam ser completadas de forma correta,
acarretando em indisponibilidade dos equipamentos associados e consequentemente em penalidades
por parte do ente regulatório. Estas informações são corroboradas com os resultados apresentados na
pesquisa de confiabilidade de seccionadores apresentado pelo CIGRÉ [1], onde vê-se que a taxa de
falha geral (aplicação outdoor, classe de tensão ≥ 60 kV) é de 0,29 falhas para cada 100 seccionadores
por ano. Além disso, a pesquisa reporta que 70,4% dos modos de falha correspondem a não execução
das manobras e que 56,3% das falhas originam-se nas partes mecânicas.
Diante do cenário exposto, a busca por técnicas ou métodos de diagnóstico que permitam
identificar de forma premente sinais de anormalidades nos seccionadores passa a ter grande relevância
para a gestão da manutenção.
A Itaipu Binacional, que conhecidamente opera e mantém a Usina Hidrelétrica de Itaipu,
também possui dentre seus ativos vários seccionadores outdoor instalados na Subestação Margem
Direita (50 Hz) operando em tensões de 66, 220 e 500 kV. O trabalho a seguir apresenta os resultados
obtidos a partir da implantação de um sistema de monitoramento online de alguns seccionadores,
expondo-se o estudo de caso para um modelo específico com classe de tensão 245 kV onde foi
possível identificar-se modificações na assinatura de corrente do motor do mecanismo de acionamento
que se relacionam diretamente com problemas mecânicos confirmados pelo histórico de falhas do
equipamento e posterior inspeção em campo.
BREVE HISTÓRICO
A Subestação Margem Direita (SEMD), desde sua criação no início da década de 1980, vem
passando por diversas ampliações para atender principalmente a crescente demanda de energia elétrica
do Paraguai. Em 2011 e 2012 foram realizadas ampliações importantes relativas a instalação de dois
autotransformadores de 500/220 kV, o que demandou a instalação de 6 novos seccionadores de 245
kV (4 em 2011 e 2 em 2012), comando tripolar, tipo abertura vertical, todos de mesmo modelo e
fabricante, com função de isolação de disjuntores, conforme a Figura 1.
Figura 1 – Seccionador 245 kV, tipo abertura vertical, instalado na SEMD (Fonte: Itaipu)
3
Como parte do fornecimento dos seccionadores também foi instalado um sistema de
monitoramento online em cada mecanismo de acionamento dos mesmos. Importante ressaltar que
estes foram os primeiros seccionadores a serem monitorados na Itaipu. A conclusão efetiva do
comissionamento deste sistema ocorreu no primeiro semestre de 2017.
SISTEMA DE MONITORAMENTO DE SECCIONADORES
Conforme o propósito a que se destina, o monitoramento online de seccionadores pode ser
estruturado de diferentes formas. Souza e Marques [2] apresentam uma iniciativa desenvolvida na
Eletrobras Eletrosul para subsidiar as equipes de manutenção com informações sobre o estado de
seccionadores a partir da análise da assinatura de corrente do motor do mecanismo de acionamento,
citando inclusive tentativas anteriores de monitoramento de posição com vistas ao telecontrole que não
foram bem-sucedidas. Neste mesmo sentido, Frontin et al. [3] cita iniciativas de monitoramento de
posição de seccionadores e afirma a efetividade do monitoramento da corrente do motor, uma vez que
esta possui relação direta com o torque do mesmo e consequentemente permite obter-se uma imagem
do conjunto mecânico como um todo.
Segundo Qiu, Ruan, Huang e Huang [4], que também apresentam uma proposta de análise da
corrente do motor de seccionadores, falhas mecânicas se manifestam diretamente alterando o torque
requisitado do motor. A relação entre o torque e a corrente no estator de um motor de indução CA em
regime estável é dada pela seguinte equação= 30.. ( . − . )
onde:
T – torqueentregue no eixo do motor (N.m);
m – número de fases do estator do motor;
n – velocidade síncrona (rpm);
U – tensão de alimentação do motor (V);
I – corrente no estator do motor (A);
R – resistência do enrolamento estatórico (Ω).
Essa relação direta entre torque e corrente do motor, e consequentemente a possibilidade de
diagnóstico a partir da mesma, motivou a Itaipu a implantar um sistema de monitoramento para alguns
seccionadores. A Figura 2 apresenta a arquitetura de sistema de monitoramento adotado, conforme
ofertado pelo fornecedor deste. Basicamente o sistema é composto por um hardware chamado de
monitor especialista para seccionadores (SDS) ao qual são conectados os seguintes sensores: encoder
rotativo digital, transformadores de corrente tipo clip-on e sensor de temperatura tipo Pt-100 [5]. O
encoder é acoplado junto a chave de contatos auxiliares para captar o movimento rotativo do
mecanismo de acionamento (ver Figura 3), o qual reflete de forma indireta o deslocamento da lâmina
principal do seccionador. Os transformadores de corrente são utilizados para medir a corrente do
motor em apenas uma fase e a corrente do resistor de aquecimento interno do mecanismo de
acionamento. Já o Pt-100 presta-se para obtenção da temperatura ambiente no local de instalação do
seccionador.
Além dos sinais citados acima, o SDS monitora e utiliza para diagnóstico outras variáveis tais
como tensão do motor, tensão do circuito de comando e contatos secos para reporte do status do
seccionador (aberto ou fechado). O SDS recebe todos estes sinais e os processa, enviando as
informações para um servidor remoto onde as mesmas são armazenadas e podem ser visualizadas a
qualquer tempo. O SDS também possui outras funcionalidades, tais como a aprendizagem da curva
característica de corrente/potência do motor (“assinatura” do seccionador) e a configuração de
diversos alarmes.
Para fins deste trabalho, serão utilizadas apenas as informações armazenadas no servidor
remoto referentes a corrente do motor e o deslocamento do seccionador (obtido via encoder).
4
Figura 2 – Arquitetura do sistema de monitoramento de seccionadores em Itaipu (Fonte: fabricante [5])
Figura 3 – Posição do encoder dentro do mecanismo de acionamento do seccionador (Fonte: Itaipu)
ANÁLISE DAS FALHAS NOS SECCIONADORES
Logo após a instalação dos seis seccionadores citados no início deste trabalho, verificou-se a
ocorrência de falhas durante manobras das mesmas. Estas falhas consistiram principalmente na
interrupção da manobra de abertura ou fechamento sem a mesma ser concluída com êxito, inclusive
com atuação da proteção térmica do motor. A Figura 4 apresenta um resumo das falhas identificadas.
Inicialmente as falhas mostravam-se esporádicas, mas a partir de 2014 houve um aumento
substancial das mesmas. Em grande parte dos casos a equipe de manutenção atuou corretivamente
realizando limpeza e lubrificação dos contatos principais, os quais são do tipo acoplamento direto,
obtendo resultados satisfatórios. Porém, novas falhas voltaram a ocorrer nos anos subsequentes, o que
suscitou dúvidas sobre a real causa dos travamentos que interrompiam as manobras.
5
Figura 4 – Histórico de falhas dos seccionadores sob análise (Fonte: Itaipu)
Com a conclusão do comissionamento do sistema de monitoramento em 2017, foi possível
iniciar uma investigação dos seccionadores a partir dos registros de corrente do motor e do
deslocamento coletados nas manobras.
Tendo em vista que a maioria das falhas ocorreu durante manobras de abertura, decidiu-se
conduzir a investigação a partir dos dados advindos deste tipo de manobra. A Figura 5 apresenta o
perfil de corrente do motor (valor rms) para as últimas manobras de abertura registradas no sistema de
monitoramento dos seccionadores.
Figura 5 – Perfil de corrente do motor em manobra de abertura dos seccionadores sob análise (Fonte: Itaipu)
Na Figura 6, por sua vez, pode-se visualizar os registros de deslocamento obtidos
concomitantemente aos registros de corrente apresentados na Figura 5.
6
Figura 6 – Deslocamento em manobra de abertura dos seccionadores sob análise (Fonte: Itaipu)
A partir dos gráficos da Figura 5 verifica-se que os seccionadores apresentam um perfil de
corrente típico, caracterizado por um pico de corrente de partida e por outro instante de elevação de
corrente associado ao esforço do motor para desacoplamento do contato móvel em relação ao contato
fixo. Notoriamente, o seccionador 13T0X destaca-se pelo elevado valor de corrente durante o
desacoplamento dos contatos e pelo maior tempo para conclusão da manobra.
Os gráficos da Figura 6 igualmente mostram o seccionador 13T0X com o maior tempo de
abertura dentre todos os analisados. Um dado relevante é explícito no deslocamento do seccionador
13T0X, onde no intervalo aproximado entre 4 e 5 segundos de operação vê-se a curva descrever uma
trajetória paralela ao eixo das abcissas, denotando um evidente travamento mecânico que coincide
com o intervalo de elevação de corrente apresentado na Figura 5.
Diante destas observações, decidiu-se programar uma intervenção investigativa no
seccionador 13T0X. Para fins de comparação também se programou uma intervenção no seccionador
73TX5, uma vez que o mesmo não apresenta histórico de falhas e o perfil de corrente não mostra
anormalidades.
INVESTIGAÇÃO E RESULTADOS
A fim de averiguar-se a confiabilidade dos dados coletados pelo sistema de monitoramento, no
início de cada intervenção os valores instantâneos de corrente do motor durante manobra de abertura
foram aquisitados por meio de um oscilógrafo, com intervalo de amostragem de 10 µs. O resultado
obtido para o seccionador 13T0X é apresentado na Figura 7, onde se verifica similaridade com o perfil
de corrente mostrado na Figura 5, tendo o agravante que nesta ocasião houve a atuação do relé térmico
do motor, com consequente interrupção da manobra de abertura. A oscilografia obtida no seccionador
73TX5 (ver Figura 8) também guardou similaridade com o perfil de corrente outrora registrado pelo
monitoramento.
Na sequência, em ambas as intervenções, foram realizadas diversas medidas dimensionais
visando a comparação entre os seccionadores e com os dados fornecidos pelo fabricante através do
manual de instruções [6], bem como medições de resistência de contato. Os principais resultados são
apresentados na Tabela 1, onde constam referências a parte ou componente do seccionador ao qual
correspondem a medições. Essas referências podem ser vistas na Figura 9, com destaque me vermelho.
Após a conclusão de todas as medidas, em função do prazo exíguo de intervenção liberado
pelo operador do sistema, pôde-se apenas realizar limpeza e lubrificação dos contatos no seccionador
13T0X, sem tempo hábil para tentativas de ajustes mecânicos, sendo que na Figura 10 tem-se o perfil
7
de corrente do motor e do deslocamento em manobra de abertura ao final dos trabalhos, obtidos dos
registros do sistema de monitoramento.
Figura 7 – Oscilografia de corrente do motor durante abertura do seccionador 13T0X antes da intervenção
(Fonte: Itaipu)
Figura 8 – Oscilografia de corrente do motor durante abertura do seccionador 73TX5 antes da intervenção
(Fonte: Itaipu)
Tabela 1 – Resultados das medições realizadas nos seccionadores 13T0X e 73TX5 (Fonte: Itaipu)
TIPO MEDIDA FASE REFERÊNCIA FABRIC. SECC 13T0X SECC 73TX5
R 22,5° 31° 26°
S 22,5° 30° 24°
T 22,5° 28° 24°
R sem referência 76,0 mm 78,5 mm
S sem referência 71,5 mm 78,0 mm
T sem referência 75,5 mm 77,8 mm
R sem referência 45,8 mm 54,0 mm
S sem referência 46,0 mm 49,0 mm
T sem referência 45,0 mm 48,0 mm
R 100 µΩ ±20% @20°C 102 µΩ 100 µΩ
S 100 µΩ ±20% @20°C 112 µΩ 103 µΩ
T 100 µΩ ±20% @20°C 103 µΩ 101 µΩ
Resistência de contato total
Ângulo da alavanca de
transmissão (5.9) na base de cada
pólo na posição "aberto"
Distância média (D) entre as
lâminas do contato fixo
Ajuste da molade
balanceamento (2.20)
8
Figura 9 – Partes e componentes do modelo de seccionador sob investigação (Fonte: Adaptado do fabricante [6])
Figura 10 – Registros de corrente do motor e de deslocamento durante abertura do seccionador 13T0X após a
intervenção (Fonte: Itaipu)
Confrontando-se os resultados obtidos na investigação com os registros de corrente e
deslocamento do sistema de monitoramento antes das intervenções, pode-se tecer os seguintes
comentários:
1. O travamento mecânico verificado na curva de deslocamento do seccionador 13T0X na
Figura 6 foi comprovado pela interrupção da manobra de abertura quando do início da
intervenção (ver Figura 7).
2. O ângulo da alavanca de transmissão (5.9) em todas as fases do seccionador 13T0X é
maior do que os verificados no seccionador 73TX5 e bem superior a referência do
fabricante. Isso pode acarretar em maior avanço e penetração do contato móvel no contato
fixo no seccionador 13T0X, muito embora se observe na Figura 6 que o deslocamento total
de ambos os seccionadores é semelhante e próximo de 140°, o que excede o valor nominal
do fabricante de 135°.
3. A distância média D entre as lâminas do contato fixo são menores no seccionador 13T0X,
especialmente na fase S. Essa distância não pode ser regulada por parafusos e quaisquer
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
0,0
0
0,3
0
0,6
0
0,9
0
1,2
0
1,5
0
1,8
0
2,1
0
2,4
0
2,7
0
3,0
0
3,3
0
3,6
0
3,9
0
4,2
0
4,5
0
4,8
0
5,1
0
5,4
0
5,7
0
6,0
0
6,3
0
6,6
0
6,9
0
7,2
0
7,5
0
7,8
0
8,1
0
8,4
0
8,7
0
9,0
0
9,3
0
9,6
0
9,9
0
10,
20
10,
50
10,
80
11,
10
11,
40
11,
70
12,
00
12,
30
12,
60
Co
rre
nte
 do
 mo
tor
 (A
)
De
slo
cam
ent
o (
gra
us)
Tempo (s)
D - 13T0X - antes intervenção
D - 13T0X - após intervenção
D - 73TX5 - na intervenção
I - 13T0X - antes intervenção
I - 13T0X - após intervenção
I - 73TX5 - na intervenção
9
outros meios de regulagem (mediante deformação, por exemplo) não são citados ou
autorizados pelo fabricante em seu manual.
4. A mola de balanceamento, segundo descrito pelo fabricante, tem a função de compensar o
peso da lâmina principal durante a manobra de fechamento e auxiliar o motor no
desacoplamento dos contatos durante a manobra de abertura, ou seja, a mola sofre retração
no fechamento e expansão na abertura. Constatou-se nas intervenções que as molas do
seccionador 73TX5 estão mais retraídas que as molas do seccionador 13T0X, o que pode
acarretar para este último maior esforço do motor para execução da manobra de abertura.
Um fato interessante é que no histórico de falhas dos seccionadores existem duas
ocorrências de desprendimento da mola de balanceamento, sendo uma delas na fase S do
seccionador 13T0X em 2017, conforme pode ser visto na Figura 11.
5. As resistências de contato de ambos os seccionadores atendem a referência do fabricante e
apresentam-se bastante semelhantes entre si.
6. Conforme pode-se ver na Figura 10, os perfis de corrente e de deslocamento do
seccionador 13T0X, após seus contatos passarem por limpeza e lubrificação durante a
intervenção, assemelham-se aos do seccionador 73TX5 no início da intervenção. Ainda na
Figura 10 decidiu-se inserir as mesmas curvas de corrente e deslocamento do seccionador
13T0X antes da intervenção, apresentadas nas Figuras 5 e 6, a fim de evidenciar a sensível
mudança da amplitude de corrente e do tempo total de abertura.
Figura11 – Ocorrência de desprendimento da mola de balanceamento no seccionador 13T0X (Fonte: Itaipu)
CONCLUSÕES
Em consonância com os resultados obtidos durante a investigação das falhas nos
seccionadores, pode-se concluir que o sistema de monitoramento implantado através do dispositivo
SDS ofereceu dados substanciais para identificação do equipamento mais crítico, contribuindo para a
priorização da intervenção. A análise das curvas de corrente do motor e de deslocamento permitiram a
caracterização das “assinaturas” típicas do modelo de seccionador abordado, cuja associação com o
projeto mecânico potencializou a compreensão dos modos de falhas.
No caso específico do seccionador 13T0X, a limpeza e lubrificação dos contatos permitiu o
retorno temporal do perfil de corrente aos mesmos moldes do seccionador 73TX5, que apresenta
histórico de falhas nulo. Embora este fato nos induza a concluir que o problema do seccionador
13T0X era a falta de lubrificação, há que se considerar que este mesmo seccionador passou por
manutenção corretiva em 2016, cuja ação adotada foi a lubrificação dos contatos com a graxa
recomendada pelo fabricante. Além disso, o manual do fabricante também recomenda a verificação
dos contatos a cada 5 anos ou 500 manobras, sendo que a Itaipu adota uma política de manutenção
preventiva quadrienal (com equipamento desenergizado) e que o número total de manobras registradas
10
para o seccionador em questão era de 248 até a data da intervenção. Portanto, é pouco provável que a
lubrificação dos contatos seja a real causa das falhas e que o efeito resolutivo obtido a partir desta ação
é de caráter temporário e paliativo.
A despeito da ausência de tempo hábil para testar-se novos ajustes mecânicos no seccionador
13T0X, é razoável conjecturar-se que as diferenças identificadas na mola de balanceamento e
especialmente na distância média entre as lâminas do contato fixo tenham relação com o travamento
mecânico durante o desacoplamento dos contatos.
Há ainda uma informação relevante a respeito do ano de instalação dos seccionadores, pois
justamente os dois últimos que foram instalados em 2012 (73TX5 e b3T05) apresentam um histórico
de apenas uma falha, em contraposição aos demais 4 seccionadores que foram instalados em 2011
(pertencentes a outro contrato de fornecimento) e que tiveram 19 falhas. Desta forma, é possível que
pequenas diferenças construtivas ou de montagem tenham ocorrido, impactando na confiabilidade do
equipamento. As duas ocorrências de desprendimento da mola de balanceamento reforçam essa
hipótese.
Por fim, cabe ressaltar que o monitoramento online de seccionadores se constitui numa
ferramenta de manutenção preditiva, com capacidade de auxiliar no diagnóstico e prognóstico dos
equipamentos. A determinação exata das causas das falhas necessita inexoravelmente do valioso
conhecimento dos profissionais de manutenção, que por vezes encontram-se sediados em locais
remotos em relação às subestações, advindo daí mais uma vantagem dos sistemas de monitoramento
online, qual seja a possibilidade de visualização dos dados coletados através de um servidor web, sem
necessidade de visitas in loco.
A partir deste trabalho pretende-se avançar na utilização dos demais recursos do sistema de
monitoramento, especialmente na parametrização adequada de alarmes que permitam ações proativas
para maximizar a disponibilidade dos seccionadores.
BIBLIOGRAFIA
[1] Working Group A3.06 CIGRÉ. “Final Report of the 2004 – 2007 International Enquiry on
Reliability of High Voltage Equipment: Part 3 – Disconnectors and Earthing Switches” (CIGRÉ.
Paris, October 2012).
[2] A. F. de Souza; J. L. B. Marques. “Sistema para monitoração da operação de chaves
seccionadoras de alta tensão baseado na análise das correntes do motor de acionamento” (CIGRÉ
– Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica. Curitiba, 2005).
[3] S. O. Frontin et al. “Equipamentos de Alta Tensão – Prospecção e Hierarquização de Inovações
Tecnológicas” (Finatec/UnB. Ed. 1ª. Brasília, 2013).
[4] Z. Qiu; J. Ruan; D. Huang; Y. Huang. “Mechanical Faults Diagnosis of High Voltage Outdoor
Disconnector Based on Motor Current Signal Analysis” (International Conference on PowerSystem Technology. Chengdu, 2014).
[5] “Manual Técnico – Monitor Especilista de Seccionadores SDS” (Treetech Sistemas Digitais Ltda.
Revisão 2.01. Atibaia, 2014).
[6] “Manual de Instruções Nº D-590-P – Seccionador de abertura vertical S3CV / S3CVT 245 kV –
1250 – 2000 A” (Alstom. Ed. 3ª, 2008).