BR102012006706A2

BR102012006706A2 - Aparato e método para o monitoramento de contato elétrico

Info

Publication number: BR102012006706A2
Application number: BR102012006706-4A
Authority: BR
Inventors: Werneck Marcelo Martins; De Carvalho Cesar Cosenza; Silva Neto Jose Luiz Da
Original assignee: Centrais Eletricas Do Norte Do Brasil S A
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2014-04-22
Also published as: BR102012006706A8

Abstract

APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO A presente patente de invenção refere-se a sistemas de monitoramento óptico de chaves seccionadoras que, de acordo com as suas características gerais, possui como princípio básico propiciar: suporte as condições de operação (tensão nominal, vibração, temperatura, oxidação, umidade etc); indicação remota do fechamento e abertura efetiva da Chave Seccionadora (CS); garantia do isolamento apropriado entre a parte sensora em potencial da CS e a parte de monitoramento em potencial terra; custo compatível com o da CS; capacidade de ser instalado em CSs antigas e possibilidade de ser fabricado junto com CSs novas; a não interferência no funcionamento nem o prejuízo do isolamento elétrico da CS; imunidade à interferências eletromagnéticas e ruídos elétricos ou mecânicos bem como vibrações de qualquer tipo.

Description

“APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”

Refere-se a presente patente de invenção a sistemas de monitoramento óptico de chaves seccionadoras que, de acordo com as suas características gerais, 5 possui como princípio básico propiciar: suporte as condições de operação (tensão nominal, vibração, temperatura, oxidação, umidade etc); indicação remota do fechamento e abertura efetiva da Chave Seccionadora (CS); garantia do isolamento apropriado entre a parte sensora em potencial da CS e a parte de monitoramento em potencial terra; custo compatível com o da CS; capacidade de ser instalado em CSs ίο antigas e possibilidade de ser fabricado junto com CSs novas; a não interferência no funcionamento nem o prejuízo do isolamento elétrico da CS; imunidade à interferências eletromagnéticas e ruídos elétricos ou mecânicos bem como vibrações de qualquer tipo.

A chave seccionadora, especificada pela ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas, como NBR IEC 62271-102:2006, apresenta como característica ser um dispositivo mecânico de manobra, que na posição aberta, assegura uma distância de isolamento e na posição fechada, mantém a continuidade do circuito elétrico. Somente pode ser operada, quando uma corrente desprezível estiver passando por ela e quando não houver variações significativas ou bruscas de tensão entre seus terminais. Apesar de não ser um dos componentes mais caros de uma subestação é de grande responsabilidade e dá origem a defeitos de grandes dimensões quando acionada indevidamente ou energizada em condições de falso fechamento. Um defeito comum é a existência de uma resistência elétrica entre os contatos de uma CS acima do valor nominal, ou uma resistência crescente devido a um mau contato, isso pode gerar um aquecimento que pode danificar os contatos ou até derretê-los em casos extremos.

A técnica de monitoramento do fechamento ou abertura de CS atualmente em uso são as micro-chaves eletromecânicas, essas indicam quando o eixo de comando começa a se movimentar e quando o eixo de comando atinge sua rotação máxima. Assim o ponto inicial da rotação e o ponto final da rotação indicam a total abertura e o total fechamento da CS, no entanto é consenso geral entre os técnicos e operadores não confiarem nesse método, pois mesmo a chave não se fechando completamente os mostradores podem indicar fechamento total caso haja um escorregamento entre o eixo do motor e a haste de comando, da mesma forma 5 ocorre quando os indicadores mostram uma abertura total quando a chave pode não estar completamente aberta. Tendo em vista tal problema, todos os técnicos concordam que o melhor método é o visual, sendo necessário o deslocamento de um técnico para junto da chave durante sua operação, para verificar se a chave abriu ou fechou completamente, isso causa um desperdício de tempo. A presente invenção ίο indica dentro da sala de comando, sem possibilidade de erros, se a CS está fechada ou aberta sem que haja margem de dúvidas, melhorando com isso a agilidade na sua manipulação.

Em um mundo em que o tempo e a mão de obra são essenciais para o desenvolvimento da empresa, o presente invento vem buscando economizar tempo e assegurar que a CS esteja funcionando de forma adequada, sem que precise movimentar seus funcionários para o local de manipulação para averiguar seu correto fechamento.

Trata-se de um sistema de monitoramento óptico de chaves seccionadoras com grande aplicabilidade nas concessionárias e empresas de energia 20 elétrica em geral, pois o sistema de monitoramento óptico de chaves seccionadoras apresenta inúmeras vantagens, tais como: grande segurança, confiabilidade e agilidade; elevado conforto, comodidade e segurança aos usuários; perfeita e direta adaptação aos mais diversos tipos de Chaves Seccionadoras; elevadíssima precisão operacional.

Todos estes atributos permitem classificar o sistema de

monitoramento óptico de chaves seccionadoras, como um meio totalmente versátil, eficiente, prático e seguro para execução dos procedimentos destinados a abertura e fechamento das mais diversas Chaves Seccionadoras instalados no sistema elétrico, sem desperdício de tempo e com segurança no seu acionamento e manipulação.

O fechamento da CS se dá por meio de comando remoto e se completa I quando ocorre a acomodação e a rotação completa de sua haste no contato fixo. Atualmente o monitoramento deste fechamento é realizado pelo came instalado no eixo da CS, disparando a sinalização de fechamento no inicio da movimentação da haste. Como a sinalização ocorre no inicio da movimentação da haste, o 5 monitoramento fica vulnerável e não é eficiente vez que, por defeito, ocorrem situações que a haste trava no percurso, não se acomoda no contato fixo e não completa o fechamento da CS, o que provocaria um arco elétrico com a passagem da energia e possível perda de equipamento.

O aparato objeto desta patente é composto de sensores a fibra óptica 10 instalados no contato fixo da CS-capaz de monitorar o seu fechamento e abertura durante as operações de rotina. O sistema utiliza o movimento do contato elétrico da CS durante seu fechamento para acionar o sensor óptico. A luz de uma fonte luminosa (LED ou LASER) é gerada no sistema optoeletrônico de interrogação e percorre uma fibra óptica até o contato elétrico da CS onde se encontra o transdutor. 15 Dentro do transdutor encontra-se o sensor movido pelo contato da chave que é composto por um espelho refletindo a luz proveniente da fibra óptica retornando para o sistema optoeletrônico, quando o fechamento do contato elétrico da chave efetivamente ocorre. A luz refletida percorre a fibra óptica de volta para o sistema optoeletrônico onde é medida por um fotodetector. A potência óptica medida pelo 20 fotodetector indica a posição do contato elétrico. Um sinal de alarme será enviado remotamente para a central de comando caso a chave não feche ou não abra completamente, eficientizando o monitoramento, aumentando a segurança nos comandos operacionais e impedindo acidentes de operação e perda de equipamentos.

A composição, objetivos, vantagens e demais características

importantes do aparato para monitoramento de contato elétrico objeto desta patente estão apresentados e poderão ser compreendidas quando lidas em conjunto com as figuras em anexo, nas quais:

A figura 1 representa uma vista lateral de uma chave seccionadora-CS A figura 2 representa uma vista frontal da CS com o transdutor óptico » instalado junto ao contato elétrico da chave.

A figura 3 representa desenho de corte do transdutor;

A figura 4 representa o sensor cuja ponta é espelhada;

A figura 5 representa o diagrama de blocos do sistema eletro-óptico;

A figura 6 representa o sinal digital produzido pelo circuito eletrônico

do sistema eletro-óptico que representa a potência óptica do sensor.

A figura 7 representa um circuito eletrônico do sistema eletro-óptico, onde em (A) tem-se o microcontrolador, em (B) o circuito de interrogação, em (C) o circuito de detecção do sinal de referência, (D) a porta de programação, (E) o 10 circuito de detecção do sinal óptico de distância, que é o primeiro estágio de ganho do sinal, (F) o circuito de detecção do sinal óptico de distância, que é o segundo estágio de ganho do sinal, (G) os capacitores de desacoplamento, (H) o circuito de alimentação DC de +5 V e -5 V, (I) os sinais de sinalização e conectores de saída dos sinais;

A figura 8 representa o fluxograma do firmware do microcontrolador

aplicado ao projeto;

A figura 9 representa um diagrama de Blocos do Sistema de Controle.

A chave Seccionadora está representada na Figura 01 e é composto por um eixo onde se encontra instalado o came (02) que monitora o deslocamento da haste da chave (01) a partir do comando operacional indicando o fechamento da chave. A haste da chave (01) ao acomodar-se no contato fixo (02) realiza uma rotação para completar o fechamento da chave.

O aparato inovador denominado de transdutor óptico (04), na Figura

02, é instalado junto ao contato fixo (03) da chave seccionadora (CS), sendo acionado no momento em que a haste da chave (05) acomoda-se e rotaciona empurrando as duas saliências (06) existente no suporte do contato fixo (03).

Pressionadas, as duas saliências (06) empurram as lâminas do contato elétrico (07), que se move empurrando o parafuso de ajuste (08) do transdutor (04), este, atravessa o contato (09) e aciona o sensor (10) que se encontra dentro do transdutor (04). A fibra óptica (11) transporta o feixo de luz da fonte de luz para o transdutor e trás de volta a luz refletida e modulada pelo movimento da lâmina de contato elétrico (06).

O transdutor óptico, conforme Figura 03, é um conjunto de peças que 5 contém um sensor e que tem como saída um cabo de fibra óptica (11). Contém ainda um amortecedor (12) e um o parafuso ajuste (08) que ao serem empurrados pela lâmina do contato elétrico da CS (06) acionam o sensor (10). Uma vez acionado, O sensor (10) reflete de volta a luz proveniente da fibra óptica (11). O amortecedor (12) permite que o parafuso de ajuste (08) percorra um curso maior do 10 que o do sensor (10), já que este último pára quando toca a ponta da fibra óptica (11), terminando, neste momento, seu curso, e a mola dentro do amortecedor (12) começa a comprimir até o fim do contato da chave seccionadora. Essa abordagem evita que um movimento de contato da chave maior do que o curso do sensor não causará problema de esforço adicional na ponta da fibra óptica.

O transdutor óptico encapsulado (13), conforme Figura 04, deste

sistema de monitoramento possui um espelho móvel (14) no final do parafuso de ajuste (08), que tem como função refletir a luz infravermelha proveniente da fibra óptica. O espelho do sensor é movido por um parafuso de ajuste (08) que por um lado aciona o sensor e por outro está tocando o contato elétrico da CS (06). A 20 diminuição da reflexão com o tempo está prevista pelo firmware do sistema eletro- óptico, que compensa fatores tais como envelhecimento do LASER, perdas de conectividade, temperatura e baixo coeficiente de reflexão. A figura 04 ainda demonstra a vista transversal do encapsulamento do transdutor óptico (15).

O sistema eletro-óptico é mostrado na figura 5 e demonstra o 25 transdutor óptico encapsulado (13) que consiste das interfaces optoeletrônicas que acionam opticamente o sensor de posição (10) dentro do transdutor óptico. Um LED ou LASER injeta luz na fibra óptica ligada ao conector óptico “LIGHT OUT”(16). Quando a luz chega ao divisor de 3dB (17) a luz se divide, metade indo para o isolador (18) e outra metade volta para o conector óptico “LIGHT REF”(19), onde é 30 detectada e medida por um fotodetector. Esta luz serve de referência para compensar variações de amplitude da fonte de luz ou detectar queima da fonte de luz. A outra metade da luz que passa pelo isolador (18) segue para o transdutor onde é refletida pelo sensor quando este se move impulsionado pela lâmina do contato elétrico da CS. Essa luz retorna pela mesma fibra óptica, passa dentro do isolador(18), atravessa o divisor de 3dB(17) e entra no módulo óptico (21) pelo conector óptico “LIGHT IN SENSC)R.”(20) onde é detectado e medido por um fotodetector. O sensor óptico informará se há ou não um contato elétrico entre a parte móvel e a parte fixa da chave, onde a saída “LIGHT OUT”(16) refere-se ao fluxo luminoso de saída em direção ao sensor, quando a luz reflete no sensor e retorna para o conector “LIGHT IN SENSOR”(20) a amplitude do sinal indica o fechamento ou abertura da chave, além de inferir sobre condições de mau- funcionamento do sistema tal como sujeira ou defeito no sensor. O conector “LIGHT IN REF”(19) refere-se a um sinal de referência, que por meio da amplitude do sinal podem-se inferir sobre condições de mau-funcionamento do sistema tais como envelhecimento do LED, defeito do circuito emissor ou mau fechamento de algum conector. Para que isso seja possível, o sistema eletro-óptico produz em sua saída um sinal digital que representa o estado do contato elétrico, ou seja, seu curso desde a completa abertura até o completo fechamento, esse sinal representa a potência óptica refletida pelo sensor-espelho e é um numero digital de 10 bits, assim o firmware pode ser programado para reconhecer a posição da lâmina do contato elétrico em qualquer posição, com isso para potências ópticas menores ou iguais a 240 unidades, o sistema considera o sinal fraco demais e acende um alerta de falha. Para potências ópticas entre 241 e 360 o sistema reconhece como a CS aberta e para potências ópticas acima de 361 o sistema reconhece a CS com contato elétrico fechado, como pode ser visto na figura 06.

No circuito eletrônico, cujo diagrama pode ser visto na figura 06, a CPU contém um firmware cuja função é o controle de todos os dispositivos e das saídas TTL que indicam o status do sistema eletro-óptico. Opcionalmente pode-se utilizar a saída serial do PIC para levar os sinais de saída para o sistema de controle remoto. Para o entendimento da programação do firmware a figura 8 apresenta o algoritmo do programa instalado no Microcontrolador PIC16F876A. Esse programa roda continuamente monitorando o sensor de distância além de toda vez que é solicitado pelo usuário, suas informações são respectivamente o valor de referência e valor da distância. O valor de referência informa o nível do sinal óptico aplicado 5 na fibra óptica. Caso o sinal óptico seja menor que um valor determinado, isso significa que o sistema óptico está com problemas e precisa ser analisado. O valor da distância informa o quanto a haste da CS está acoplada no contato elétrico da chave. Além dos valores de referência e de distância, o sistema informa por meio de LEDs as seguintes informações: referência fraca, sinal do sensor fraco, chave 10 fechada e chave aberta.

Na figura 07 são demonstrados os circuitos eletrônicos do sistema eletro-óptico representado pelo circuito do Microcontrolador (A); Circuito de interrogação (B); Circuito de detecção do sinal de Referência (C); Porta de programação (D); Circuito de detecção do sinal óptico de distância - Primeiro 15 estágio de ganho do sinal (E); Circuito de detecção do sinal óptico de distância - Segundo estágio de ganho do sinal (F); Capacitores de desacoplamento (G); Circuito de alimentação DC de +5V e -5V (H) e pelos Sinais de sinalização e conector de saída dos sinais (I).

Na figura 09 é apresentado o diagrama de blocos do funcionamento do 20 sensor (10) instalado do lado oposto ao mecanismo de elevação da CS (01), o sensor acusa o fechamento e o não fechamento da CS (01), através do cabo de comunicação a fibra óptica (11), a qual transforma o sinal em uma interface optoeletrônica (22) e transmite por uma interface de comando a distancia (23) que utiliza um conversor serial/fibra óptica (24), esse sinal vai para o centro de operação 25 que utilizará uma interface homem maquina (IHM) através da lógica apresentada na figura 07 para a confirmação do fechamento da CS e qual a distancia de fechamento através das molas de contato da CS.

Claims

1. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, caracterizado por compreender um sistema de detecção do fechamento elétrico de chaves seccionadoras;

2. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, caracterizado por compreender um sistema de detecção da abertura de chaves seccionadoras;

3. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, caracterizado por compreender um sistema de monitoramento óptico de chaves seccionadoras;

4. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, caracterizado pelo aparato e sensor de monitoramento de abertura e fechamento de contatos elétricos;

5. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo sensor a fibra óptica para monitoramento de contatos elétricos e medição da distancia de fechamento entre contatos movei e contatos fixos;

6. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo sensor de monitoramento de chave seccionadora poder ser instalado em chaves antigas ou novas e que não interfere em seu funcionamento;

7. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo Sensor de monitoramento de chave seccionadora poder ser instalado em chaves antigas ou novas e que não interfere em seu isolamento;

8. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo Sensor de monitoramento de chave seccionadora que indica o seu funcionamento à distâncias de cinco kilometros ou mais;

9. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo Sensor de monitoramento de chave seccionadora indicar a resistência elétrica entre os contatos fixos e moveis da chave seccionadora; 9. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo sistema de monitoramento garantir o fechamento da chave seccionadora mesmo a distancia e em subestações telecomandadas;

10. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo sistema de monitoramento garantir o fechamento da chave seccionadora mesmo a distancia e em subestações telecomandadas;

11. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, caracterizado pelo método de montagem e instalação em contato energizado em alta tensão e não sofrer interferências eletromagnéticas no sistema de transmissão de dados;

12. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, caracterizado pelo sistema de controle e monitoramento à distância de uma chave seccionadora operando com fibra óptica cuja única ligação entre a chave seccionadora e a sala de comando se dá por um par de fibras ópticas;

13. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, caracterizado pelo sistema de detecção, monitoramento e medição à distância de pequenos movimentos de peças, dispositivos, alavancas, válvulas, hastes, contactos elétricos ou não, energizados ou não;

14. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, caracterizado pelo sistema de detecção, monitoramento e medição à distância de rachaduras e fissuras de peças, estruturas mecânicas ou civis;

15. “APARATO E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO”, caracterizado pelo sistema de monitoramento óptico de chaves seccionadoras imune à interferências eletromagnéticas e ruídos elétricos ou mecânicos bem como vibrações de qualquer tipo.