TÉCNICAS DE MONITORAMENTO DE DISJUNTORES

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TÉCNICAS DE MONITORAMENTO DE DISJUNTORES: REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Antônio Ferreira Cardoso, João Marcos Souza, Celso Andrade Meneses- Mestrandos, PROEE-UFS 
Resumo- Os disjuntores de alta tensão são dispositivos de proteção eletromecânica projetados para conduzir, restaurar e interromper a corrente em seus locais de instalação. Se a sobrecarga ou corrente de falha vier de um curto-circuito, o disjuntor normalmente desarmará para isolar parte do circuito.Os disjuntores de alta tensão são ativos valiosos e o monitoramento desses ativos permite que as concessionárias mantenham os equipamentos de forma proativa. Devido à sua complexidade, diversos parâmetros devem ser cuidadosamente monitorados e analisados ​​para avaliar o estado de operação do disjuntor. São eles: o tempo de contato fechado; o tempo de contato para abrir o contato de forma síncrona; a vibração durante a operação de abertura e fechamento; a operação do circuito de controle; o nível de óleo e a rigidez do óleo isolante de resistência de contato; Pressão do ar (disjuntor SF6 ou ar comprimido).Este artigo irá revisar os diferentes técnicas de monitoramento de disjuntores. Através deste estudo de revisão bibliográfica, pode-se perceber, que mesmo existindo atualmente diversas técnicas desenvolvidas para o monitoramento de disjuntores, não existe ainda um consenso em relação à melhor técnica a ser aplicada, pois cada uma apresenta vantagens e desvantagens diversas. 
Palavras- Chave: monitoramento, disjuntores, corrente da bobina, arco elétrico, contatos. 
I. INTRODUÇÃO
Os disjuntores são equipamentos essenciais no sistema elétrico de potência. Eles são usados para alterar a topologia do sistema para acomodar várias configurações de fluxo de carga e também são usados para isolar partes defeituosas do sistema elétrico de potência [1]. Os disjuntores de alta tensão são dispositivos de proteção eletromecânica projetados para conduzir, restaurar e interromper a corrente em seus locais de instalação. Se a sobrecarga ou corrente de falha vier de um curto-circuito, o disjuntor normalmente desarmará para isolar parte do circuito [2].
 Os disjuntores são interruptores automáticos que podem interromper correntes de falha. A parte do disjuntor conectada em uma fase é chamada de polo. Cada conjunto de polos é composto por um ou mais interruptores. Esses interruptores são montados em um isolador de suporte. O interruptor possui um conjunto de contato fixo e móvel. O contato móvel é conectado ao mecanismo de operação que opera com à ajuda de articulações operacionais. O comando fornece à energia necessária para a abertura e fechamento dos contatos do disjuntor. O arco produzido pela separação dos contatos que conduzem corrente é interrompido por meio adequado e pela adoção de técnica adequada para interrupção do arco [3].
Os disjuntores são considerados o segundo ativo mais importante em uma subestação, depois dos transformadores de potência. Sua operação confiável é fundamental para operar, proteger e isolar os circuitos elétricos da subestação. Embora existam diferentes tipos de disjuntores, baseados em diferentes tecnologias para acionar e extinguir arcos, todos são compostos por diversos componentes mecânicos sujeitos a desgastes e materiais isolantes sujeitos a vazamentos e possível perda de suas propriedades isolantes. Devido à sua complexidade, diversos parâmetros devem ser cuidadosamente monitorados e analisados ​​para avaliar o estado de operação do disjuntor. São eles: o tempo de contato fechado; o tempo de contato para abrir o contato de forma síncrona; a vibração durante a operação de abertura e fechamento; a operação do circuito de controle; o nível de óleo e a rigidez do óleo isolante de resistência de contato (o disjuntor com óleo baixo ou grande) ; Pressão do ar (disjuntor SF6 ou ar comprimido) [4]-[6].
Os principais requisitos do disjuntor em operação são: abrir e fechar o circuito no menor tempo; conduzir e suportar termicamente a corrente de carga do sistema; de acordo com as especificações do fabricante, pode suportar a corrente de curto-circuito do sistema térmica e mecanicamente dentro de um determinado período de tempo ; Isole a tensão do sistema em relação ao terra e seus dois pólos; tenha resistência mecânica suficiente para suportar a vibração gerada durante as operações de abertura e fechamento. A necessidade de realizar todas essas tarefas de forma absolutamente confiável inclui a instalação de disjuntores entre os mais complexos equipamentos em subestações de geração, transmissão e distribuição de energia. Devido à sua complexidade, diversos parâmetros devem ser cuidadosamente monitorados e analisados ​​para avaliar o estado de operação do disjuntor. São eles: o tempo de contato fechado; o tempo de contato para abrir o contato de forma síncrona; a vibração durante a operação de abertura e fechamento; a operação do circuito de controle; o nível de óleo e a rigidez do óleo isolante de resistência de contato (o disjuntor com óleo baixo ou grande) ; Pressão do ar (disjuntor SF6 ou ar comprimido). [4]-[6].
	Os métodos de monitoamento das condições dos disjuntores são classificados como off-line, on-line e em tempo real. Em técnicas off-line, as medições podem ser obtidas de equipamentos desenergizados. Em métodos online as medições podem ser capturadas a partir de aparatos energizados sempre que necessário enuanto que em procedimetos em tempo real,as medições precisam ser tomadas continuamente usando amostragem em tempo do real [7-8].
Atualmente, as empresas de energia usam equipamentos de medição chamados analisadores de disjuntores para medir a maioria dos parâmetros acima. Porém, a utilização deste equipamento apresenta algumas complicações, pois sua implementação requer o cancelamento da avaliação do disjuntor. A retirada temporária do disjuntor de operação para fins de inspeção / avaliação incorrerá em vários custos adicionais, seja tempo de inatividade, compra de material ou contratação de mão de obra qualificada. É nesse contexto, que o presente artigo apresenta uma revisão das principais técnicas de monitoramento de disjuntores.
II. TÉCNICAS DE MONITORAMENTO
Esta seção tem como objetivo revisar as principais técnicas de monitoramento de disjuntores, trazendo uma avaliação abrangente sobre o progresso das pesquisas científicas sobre o diagnóstico de disjuntores de alta tensão nos últimos 20 anos (2000-2020). Vários sinais de diagnóstico podem ser empregados para avaliar a condição dos disjuntores em condições offline/online. Diversas técnicas de monitoramento são apresentadas nessa pesquisa: Corrente da bobina; curva dos contatos; medição de resistência dinâmica; estimativa da vida útil restante; sinal de vibração. A figura 1 apresenta a porcentagem de todas a publicações de algumas técnicas de monitoramento de disjuntores. 
Figura 1: Publicações de Técnicas de monitoramento
(2000-2020).
Nos últimos anos, houveram vários trabalhos relacionados ao monitoramento de disjuntores.
Mallikar et al., em 2016, propuseram um sistema para identificar e monitorar vários parâmetros no disjuntor e dar feedback para um sistema SCADA ou operador. O monitoramento online da condição é feito para evitar diversas falhas. Para monitorar a corrente da bobina de abertura e fechamento é utilizado o osciloscópio. Os parâmetros monitorados foram a pressão do gás SF6, corrente da bobina de disparo, tensão de controle da bobina, status do disjuntor (ligado-desligado), corrente de carga da mola, o tempo de carregamento. Os parâmetros foram categorizados entre: componentes em alta tensão, circuito de controle e contatos auxiliares e mecanismo operacional. A função de status do disjuntor monitora a posição do disjuntor, se está em posição aberta, fechada ou inválida. O módulo de verificação da corrente de fase verifica se é excedido o nível definido, as informações sobre a corrente de fase são reportadas ao módulo indicador de posição do contato. O temporizador de inatividade calcula o número de dias que o disjuntor permaneceu inativo.O cálculo está feito monitorando os estados dos contatos auxiliares. O módulo de tempo de deslocamento dos contatos do disjuntor calcula o tempo de deslocamento dos contatos do disjuntor para a manobra de fechamento e abertura. As principais falhas no disjuntor são devidas a falhas no interruptor e falha do meio dielétrico. Algumas das falhas ocorrem sem qualquer indicação e por isso são difíceis de identificar. Essas falhas podem ser monitoradas de maneira simples, fazendo o teste de medição da densidade do gás. Os componentes de alta tensão incluem isoladores, tanque, contatos principais e de arco. Junto com a medição da densidade do gás, a erosão do contato e o desgaste do interruptor também podem ser monitorados para diagnosticar a condição dos componentes em alta tensão. O circuito de controle e contato auxiliar contém corrente de bobina de abertura e fechamento, contatos auxiliares e fonte de alimentação CC. As correntes de disparo e fechamento da bobina podem ser tomadas e comparadas com a curva de referência para que se indique qualquer anormalidade presente no disjuntor. Os parâmetros que podem ser monitorados na operação de mecanismo são o deslocamento e a velocidade do contato, o número de operações, a condição do aquecedor e a temperatura ambiente. O monitoramento desses parâmetros dará informações sobre a condição do mecanismo, como necessidade de lubrificação, ajuste de temperatura na carcaça do mecanismo, condição do mancal. Todos os parâmetros do disjuntor são monitorados e comparados com os valores de referência. No caso de qualquer anormalidade em qualquer parâmetro do disjuntor, um o alarme é iniciado. Assim, salva-se o disjuntor de completa falha e reduz-se o custo de manutenção, bem como o tempo do sistema de inatividade. Além disso, melhora-se a confiabilidade do sistema de energia.
Nicolau et al., em 2013, propuseram um método para modelagem de mecanismos de acionamento óleo pneumáticos (MOP) em disjuntores de alta tensão para o monitoramento e diagnóstico preditivo online com detecção precoce das tendências de falha. O sistema de monitoramento é proposto junto com um simulador MOP para diferentes estados de falha. O sistema de monitoramento proposto lê os sinais do instrumento painel, em relação aos estados do grupo bomba-motor dos circuitos de recuperação de pressão. Em seguida, ele calcula e armazena as variáveis que caracterizam o comportamento dos mecanismos MOP.A estrutura do sistema de monitoramento é implementada no Labview. Os principais requisitos do sistema de monitoramento são: aquisição periódica de dados do painel de instrumentos; calcular os valores reais dos parâmetros do modelo para todos os mecanismos MOP. O sistema de monitoramento está estruturado em dois níveis de controle. O primeiro nível é um sistema de aquisição de dados baseado em controlador lógico programável (PLC), que lê os estados dos grupos bomba-motor e faz pequenos cálculos, como técnicas de pré-processamento em conjuntos de dados. No segundo nível, um computador pessoal armazena todas as variáveis em um grande banco de dados e oferece ao usuário uma interface gráfica. A interface gráfica do usuário exibe informações para todos os mecanismos de acionamento do tipo MOP de disjuntores de subestação de alta tensão. Neste artigo, são considerados dois tipos de disjuntores de alta tensão: 110 e 400 kV. Os disjuntores são identificados por nomes. Para cada MOP, NS e TF são exibidos para a hora real e também como valores gráficos e numéricos para o horizonte de tempo de 24 horas. Se as condições de desempenho não forem atendidas, 4 tipos de erro podem aparecer, para NS e TF, muito grande ou muito pequeno. Dependendo do tipo, os disjuntores possuem 1 ou 3 MOPs, respectivamente. O simulador MOP contém: um LED, que simula o sinal recebido pelo PLC do painel de instrumentos, e dois indicadores numéricos, simulando o número de partidas e total tempo de funcionamento por hora, calculado por PLC. Quatro estados diferentes de MOP são simulados: MOP1 caracteriza uma operação normal (semelhante ao ponto de operação P1), MOP2 está com defeito com o número de partidas por hora muito grande (NS> NSmax), MOP3 tem tempo total de funcionamento por hora também alto (TF>TFmax), e MOP4 tem ambos os parâmetros muito grandes (semelhante ao ponto operacional P3).
Kezunovic et al., 2005, propuseram uma solução para análise automatizada da operação do disjuntor. A análise é baseada em um registro de formas de onda retiradas do circuito de controle do disjuntor usando um gravador portátil e forçando manualmente uma operação do disjuntor. Essa solução foi impulsionada pela necessidade de realizar à análise de maneira mais oportuna e consistente do que a que está disponível com a tecnologia existente. A solução é implementada usando transformadas wavelet avançadas para extração de recursos de forma de onda e um sistema especialista para tomada de decisão. Uma solução de banco de dados baseada na web é empregada para armazenar e recuperar os dados registrados em campo e processados também é implementada. O software é desenvolvido em duas versões: para aplicações de campo (subestação) e off-line (escritório). A interface do usuário do aplicativo da web fornece suporte para as seguintes funções: autorizar e autenticar os usuários; pesquisar os registros de dados e relatórios de forma básica (padrão); pesquisar os registros de dados e relatórios de forma avançada; exibição de formas de onda de sinal de dados e relatórios de análise; apresentar as estatísticas do sistema e da subestação usando gráficos e exibir as configurações de Processamento de Sinal e Sistema Especializado. Existem duas etapas no procedimento de teste. O primeiro passo é para verificar o funcionamento do processamento de sinal e módulos de sistema especialista. Um disjuntor é retirado de serviço e os dados de teste são intencionalmente criados para conter os recursos desejados e atender a regras. A segunda etapa é definir as configurações para diferentes tipos de disjuntores. Os dados de teste usados nesta etapa são coletados de disjuntores em serviço de diferentes subestações. Foi verificado que os perfis de forma de onda são semelhantes e a transição de tempo definido por parâmetros de tempo estão próximos pelo mesmo tipo de disjuntor. Por exemplo, as configurações do tempo de interrupção da corrente de fase podem ser definidas a partir de referência ao tempo de interrupção do disjuntor nos manuais do fabricante. Outro método é usar modelos probabilísticos para obter a estimativa e desvio dos parâmetros do sinal e definir um valor e tolerância com base nas informações. Para definir as configurações de sinal parâmetros que são difíceis de prever, como o tempo de desativação de bobina X, o tempo de ativação da bobina Y e o nível de ruído dos contatos. Os testes do sistema revelaram várias sensibilidades de tomada de decisão do sistema especialista que precisam ser compreendidas. As sensibilidades estão relacionadas aos dados de entrada e configurações. Foi assumido no desenvolvimento da base de conhecimento que os dados de entrada inseridos no sistema são válidos. Ou seja, todos os sinais são gravados corretamente e não há problemas relacionados à conexão do equipamento gravador. Se dados inválidos forem inseridos, o sistema produzirá resultados imprevisíveis. Com base em um registro de forma de onda tiradas do circuito de controle do disjuntor, os autores desenvolveram uma maneira automatizada usando processamento avançado de sinais e técnicas especializadas para monitorar e analisar a interrupção do disjuntor.
Costa et al., em 2018, revisam os diferentes aspectos do monitoramento do disjuntor, como integridade mecânica, níveis de gás SF6, desgaste de contato, eletrônica de controle e sistema de energia armazenada. Os sistemas abrangentes de monitoramento do disjuntor permitem monitorar continuamente os parâmetros críticos do disjuntor e detectam as condições de falha mais importantes antes que elas aconteçam. Vários estudos do IEEE exploraram a causa defalhas de disjuntores. Esses estudos podem ser usados para identificar as prováveis falhas, que podem então ser monitoradas para permitir a manutenção baseada na condição desses sistemas em vez da manutenção baseada no tempo.
Feizifar et al., em 2018, propuseram um algoritmo para monitorar as condições de desgaste elétrico de contatos de disjuntores baseado na potência do arco elétrico e sua energia. O algoritmo proposto usa a potência do arco e a energia relacionada de cada interrupção para calcular a energia do arco cumulativa que está correlacionada com a degradação dos contatos de arco. Quando a energia do arco cumulativo excede o valor limite da condição de monitoramento, o algoritmo inicia um sinal de advertência para mostrar que o desgaste máximo do contato foi atingido. Estudos de simulação e experimentos de teste em tempo real são conduzidos para analisar e validar o desempenho do algoritmo. Para a realizar o monitoramento foi utilizado um EMTP-RV (acrônimo para Electromagnetic Transients Program) A simulação foi feita para um sistema monofásico que incluía uma fonte de tensão CA de 20,78 kV como a tensão de fase e tensão de linha de 36 kV acompanhada de uma reatância de frequência de energia, transitória tensão transitória de recuperação (TRV) controlando ramificação e uma capacitância de retardo de tempo no lado da fonte. O barramento conectado entre o lado da fonte e o disjuntor. O disjuntor foi modelado usando a representação combinada do arco Cassie-Mayr em paralelo com um ramal de ajuste TRV. O lado da carga foi simulado usando uma capacitância de retardo de tempo junto com uma frequência de energia. As tensões nos terminais de entrada e saída do disjuntor e as correntes que passam por ele foram medidas para a análise de desempenho do algoritmo proposto em condições de teste em tempo real. Os estudos foram realizados em laboratório. O período de medição é considerado como 100 ms e a etapa de amostragem é 20μs, portanto, a frequência de amostragem da aquisição de dados sistema é 50 kHz. Os resultados desses estudos comprovam que o algoritmo monitora efetivamente o desgaste elétrico dos contatos de arco para determinar os tempos de inspeção ou manutenção. Essa técnica de monitoramento é bastante útil quando comprada a técnica mais simples da condição de monitoramento que é baseada na contagem dos ciclos de operação do disjuntor que estima o desgaste mecânico do disjuntor. Neste método, existe um valor limite definido pelo fabricante. Como por exemplo, após 10.000 ciclos de operações, a inspeção ou manutenção do disjuntor é necessária. Este método não estima o desgaste elétrico dos contatos de arco do disjuntor porque ignora o desgaste do contato causado por diferentes níveis de correntes interrompidas e o efeito de degradação das tensões de arco. Os resultados obtidos com esse novo algoritmo apresentam diversas vantagens quando comparado a outros métodos da condição de monitoramento. O algoritmo baseado em energia detecta novos ciclos de arco, produzindo mais energias de arco e causando maior desgaste do contato. Assim, ele aloca maior quantidade de desgaste do contato para interrupções com reencontros. Isso resulta em uma avaliação mais precisa dos tempos de manutenção dos contatos dos disjuntores. Ao contrário dos outros métodos para monitorar o desgaste de contato, como afirmado antes, o algoritmo proposto considera a tensão de arco que afeta diretamente a energia do arco e, portanto, o desgaste do contato do disjuntor. O algoritmo proposto mede a potência de arco do disjuntor que existe apenas durante o período de arco e, portanto, essa medição não precisa ser sincronizada com a frequência do sistema. O filtro de média móvel remove efetivamente os componentes de alta frequência das potências de arco em tempo real e fornece sinais suaves e confiáveis ​​para o algoritmo.
Figura 2: Fluxograma do algoritmo da condição de monitoramento de disjuntores
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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