BR102013008829A2 - Sistema de proteção contra falhas para um sistema de energia de embarcação dinamicamente posicionada - Google Patents

Sistema de proteção contra falhas para um sistema de energia de embarcação dinamicamente posicionada Download PDF

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Abstract

Resumo patente de invenção: "sistema de proteção contra falhas para um sistema de energia de embarcação dinamicamente posicionada". A presente invenção refere-se a um sistema de proteção contra falhas de um sistema de energia de uma embarcação dinamicamente posicionada que é fornecido. O sistema de energia tem um barramento de distribuição de energia separado em três ou mais subseções de barramento, conexões elétricas, incluindo ligações de barramento as quais conectam as subseções de barramento em uma configuração em anel e disjuntores de circuito conectados entre as subseções de barramento para interromper as conexões elétricas. Para pelo menos uma das subseções de barramento, o sistema de proteção contra falhas inclui um disjuntor de circuito de gerador para acoplamento de um gerador à subseção de barramento, um ou mais disjuntores de circuito de alimentador para acoplamento de uma ou mais cargas à subseção de barramento, um primeiro disjuntor de circuito através do qual uma primeira extremidade da subseção de barramento está conectada a uma ligação de barramento, a ligação de barramento proporcionando a conexão elétrica à outra subseção de barramento na referida configuração em anel, o primeiro disjuntor de circuito sendo um disjuntor de ligação de barramento, um segundo disjuntor de circuito para acoplamento de uma segunda extremidade da subseção de barramento a uma outra subseção de barramento na referida configuração em anel, relés de proteção acoplados aos disjuntores de circuito para operação dos disjuntores de circuito e links de comunicação entre os relés de proteção, os relés de proteção sendo configurados para trocar informação através dos referidos links de comunicação.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE
PROTEÇÃO CONTRA FALHAS PARA UM SISTEMA DE ENERGIA DE EMBARCAÇÃO DINAMICAMENTE POSICIONADA".
Campo da Invenção A presente invenção refere-se a um sistema de proteção contra falhas de um sistema de energia de uma embarcação dinamicamente posi- cionada, a um sistema de energia de uma embarcação dinamicamente posi- cionada e a um método de operação de um sistema de proteção contra fa- lhas de tal sistema de energia.
Antecedentes Embarcações flutuantes, tais como submarinos, navios de perfu- ração, embarcações Floating Production Storage and Off-loading (FPSO) ou similares podem ser dotadas de sistemas de posicionamento dinâmico. Tais embarcações dinamicamente posicionadas podem usar propulsores eletri- camente acionados, isto é, hélices elétricas, para manter a posição durante operações de perfuração de petróleo e gás, manutenção da estação, anco- ragem, manobra em portos e similares. Para determinados tipos de opera- ções nas quais há um risco aumentado de poluição por óleo, perda de vidas, colisões ou similar, tem de ser assegurado que a posição da embarcação seja mantida para minimizar estes riscos. Integridade e operação segura contra falhas do sistema de energia, o qual fornece energia elétrica às héli- ces da embarcação dinamicamente posicionada, são, portanto, de importân- cia particular.
As embarcações podem ser classificadas em diferentes classes, tais como Posicionamento Dinâmico 2 (DP2 - Dynamic Positioning 2), DP3 ou similar. Operações de alto risco, tais como operações de perfuração ou a abordagem de outras embarcações podem, por exemplo, requerer um de- terminado modo de operação para uma classe de embarcação em particular.
Para assegurar que um mau funcionamento de um componente não leva a uma interrupção completa do sistema de energia da embarcação dinamica- mente posicionada, o sistema de energia precisa ser dividido em várias se- ções, por exemplo, 2 a 4, em tal modo de operação de alto risco. Cada se- ção do sistema de energia está localizada em uma sala de motor distinta, as salas de motor sendo isoladas com paredes à prova de fogo e herméticas à água. Durante tais operações de alto risco, as seções do sistema de energia são eletricamente isoladas, por exemplo, abrindo conexões dotadas de ca- bos elétricos denominadas ligações de barramento. Um ou mais motores com geradores conectados têm de ser operados por seção do sistema de energia de modo a fornecer energia elétrica às cargas conectadas, por e- xemplo, aos motores elétricos das hélices. Consequentemente, em um sis- tema com apenas três seções, três, quatro ou mais motores estarão funcio- nando na maioria do tempo, o número aumentando com o número de se- ções.
Os motores geralmente funcionarão em potência relativamente baixa, em que o consumo específico de combustível destes motores na faixa de baixa operação é geralmente maior. Consequentemente, o consumo de combustível de tal sistema de energia é alto comparado com um modo de operação no qual as seções do sistema de energia podem estar eletricamen- te conectadas de modo que, por exemplo, apenas dois geradores precisam ser operados, cada um em uma carga maior.
Além do consumo aumentado de combustível e emissão de C02, operação de vários motores em paralelo com carga reduzida pode resultar ainda em acúmulo de fuligem nas câmaras de combustão, horas de opera- ção aumentadas para os conjuntos de geradores e, assim, maiores custos de manutenção. Uma vez que os motores funcionarão a maior parte do tem- po, o risco de interrupções é também aumentado.
Operação de tal sistema com seções de sistema de energia in- terconectadas, isto é, com ligações de barramento conectadas, geralmente não é possível uma vez que uma falha, tal como um curto-circuito ou falha do gerador resultará, em geral, em uma interrupção total do sistema de e- nergia da embarcação. Tal interrupção resultará em uma perda de posição da embarcação, a qual pode ser prejudicial; ela pode resultar em um derra- mamento de óleo ou perda de vidas. Isto, por exemplo, é causado por uma propagação da falha dentro do sistema de energia de modo que, quando ligações de barramento estão conectadas, uma falha em uma seção do sis- tema de energia levará ao disparo de componentes, por exemplo, geradores e hélices, em outras seções do sistema de energia. Isto pode resultar em inoperabilidade da maioria das hélices da embarcação, assim, a embarcação perdendo capacidade de manobra.
Assim, é desejável aprimorar tais sistemas de energia de em- barcações dinamicamente posicionadas e reduzir ou mesmo eliminar a pro- pagação de falhas em tais sistemas de energia. É desejável que a maioria das partes do sistema de energia permaneça operável quando de ocorrência de uma falha. Também, é desejável obter operação com um consumo de combustível reduzido e maior eficiência dos motores que alimentam os ge- radores. É também desejável manter tal operação eficiente de combustível durante operações de alto risco, sem comprometer a integridade e a opera- ção segura do sistema de energia.
Sumário Consequentemente, há uma necessidade por aprimoramento da tolerância a falhas e integridade de sistemas de energia de embarcações dinamicamente posicionadas e, em particular, reduzir ou prevenir propaga- ção de falha em tais sistemas.
Esta necessidade é atendida pelas características das reivindi- cações independentes. As reivindicações dependentes descrevem modali- dades da invenção.
Uma modalidade da invenção proporciona um sistema de prote- ção contra falhas de um sistema de energia de uma embarcação dinamica- mente posicionada, em que o sistema de energia compreende um barramen- to de distribuição de energia compreendendo três ou mais subseções de barramento, conexões elétricas incluindo ligações de barramento as quais conectam as subseções de barramento em uma configuração em anel e dis- juntores de circuito conectados entre as subseções de barramento para in- terromper as conexões elétricas. Para pelo menos uma das referidas subse- ções de barramento, o sistema de proteção contra falhas compreende um disjuntor de circuito de gerador para acoplamento de um gerador à subseção de barramento, um ou mais disjuntores de circuito do alimentador para aco- plamento de uma ou mais cargas à subseção de barramento, um primeiro disjuntor de circuito através do qual uma primeira extremidade da subseção de barramento está conectada a uma ligação de barramento, a referida liga- ção de barramento permitindo a conexão elétrica à outra subseção de bar- ramento na referida configuração em anel, o primeiro disjuntor de circuito sendo um disjuntor de ligação de barramento, um segundo disjuntor de cir- cuito para acoplamento a uma segunda extremidade (isto é, a outra extremi- dade) da subseção de barramento a uma outra subseção de barramento na referida configuração em anel, relés de proteção acoplados aos disjuntores de circuito para operação dos disjuntores de circuito e links de comunicação entre os relés de proteção, os relés de proteção sendo configurados para trocar informação via os referidos links de comunicação. Os relés de prote- ção são configurados para proporcionar pelo menos uma zona de proteção de gerador incluindo o disjuntor de circuito de gerador e um gerador, o relé de proteção acoplado ao disjuntor de circuito de gerador sendo configurado para conferir uma proteção diferencial ao gerador, uma zona de proteção de ligação de barramento incluindo o disjuntor de ligação de barramento, a liga- ção de barramento e um outro disjuntor de ligação de barramento através do qual a ligação de barramento é acoplada à outra subseção de barramento, em que os relés de proteção acoplados aos disjuntores de ligação de barra- mento são configurados para conferir proteção diferencial à ligação de bar- ramento e uma zona de proteção de subseção de barramento incluindo a subseção de barramento e os disjuntores de circuito acoplados à subseção de barramento, os relés de proteção acoplados a estes disjuntores de circui- to sendo configurados para conferir uma proteção diferencial à subseção de barramento.
Consequentemente, se, por meio da proteção diferencial confe- rida às diferentes zonas, uma falha é detectada, os relés de proteção podem disparar os disjuntores de circuito (Circuit Breakers - CBs) dentro da respec- tiva zona e, assim, podem isolar e eliminar a falha rápida e eficientemente.
Uma vez que o(s) disjuntor(es) de circuito dentro da zona é/são dispara- do(s), outras zonas podem permanecer amplamente não afetadas e podem continuar a funcionar. A localização da falha pode, assim, ser detectada au- tomaticamente e o disparo de toda a subseção do sistema de energia pode ser prevenido. Como um exemplo, se a zona de proteção do gerador é dis- parada, uma carga na forma de uma hélice acoplada à mesma subseção de barramento pode permanecer operacional e pode ser alimentada com ener- gia elétrica de uma subseção de barramento vizinha, por exemplo, através de uma ligação de barramento.
Em uma modalidade, cada disjuntor de circuito é acoplado a, e associado a um relé de proteção o qual está configurado para operar o res- pectivo disjuntor de circuito.
Em uma modalidade, pelo menos uma das referidas cargas é um propulsor de hélice, o respectivo disjuntor de circuito do alimentador sendo um disjuntor de circuito de propulsor de hélice. O propulsor de hélice pode estar conectado à subseção de barramento através de um transforma- dor de propulsor de hélice, o disjuntor de circuito de propulsor de hélice es- tando acoplado entre o transformador do propulsor de hélice e a subseção de barramento. Cada subseção de barramento pode ser acoplada a um ge- rador e a um propulsor de hélice, o propulsor de hélice, assim, sendo operá- vel mesmo se a subseção de barramento se torna separada das subseções de barramento restantes na configuração em anel.
Em uma modalidade, a conexão elétrica na segunda extremida- de da subseção de barramento é proporcionada por um acoplador de barra- mento, o segundo disjuntor de circuito sendo um disjuntor de circuito de a- coplador de barramento. Os relés de proteção são ainda configurados para proporcionar uma zona de proteção de acoplador de barramento incluindo o acoplador de barramento e o disjuntor de circuito de acoplador de barramen- to, o relé proteção acoplado ao disjuntor de circuito de acoplador de barra- mento sendo configurado para conferir uma proteção diferencial ao acopla- dor de barramento. Duas subseções de barramento vizinhas podem, por e- xemplo, ser conectadas por meio do acoplador de barramento e elas podem formar uma seção de barramento. Uma seção de barramento pode ser for- mada por 2, 3 ou mais subseções de barramento. O sistema de energia po- de compreender múltiplas seções de barramento, por exemplo, 3, 4, 5 ou mais, as quais podem ser conectadas na configuração em anel pelas liga- ções de barramento. Seções de barramento podem ser proporcionadas em diferentes salas da embarcação e separadas por paredes à prova de fogo.
Consequentemente, o sistema de energia pode permanecer operacional mesmo se uma interrupção de uma seção de barramento completa venha a ocorrer, por exemplo, em virtude de um incêndio.
Em uma modalidade, para conferir a proteção diferencial, os re- lês de proteção acoplados aos disjuntores de circuito na respectiva zona de proteção podem ser configurados para determinar a magnitude das corren- tes que entram e saem da zona de proteção e para determinar se há uma falha na zona de proteção com base nas correntes determinadas e/ou infor- mação recebida através de um respectivo link de comunicação. Se nenhuma falha existe na zona de proteção, as correntes que entram e saem da zona de proteção deverão ser iguais. Cada relê de proteção dentro da zona de proteção pode ser configurado para medir a corrente através do disjuntor de circuito associado. Através dos links de comunicação, informação sobre as correntes pode ser trocada e a existência de uma falha na zona de proteção pode ser determinada rápida e eficientemente. Como um exemplo, um relé pode ser proporcionado para cada zona de proteção a qual compreende uma lógica programável que recebe a informação de outros relés na zona de proteção (se estes estão presentes) e avalia se existe uma condição de fa- lha. Em tal caso, ela pode, então, enviar um sinal de disparo para os outros relés de proteção dentro da zona para disparo dos disjuntores de circuito associados. Medição de corrente pode ser realizada pelos relés de proteção por meio de transformadores de corrente (Current Transformers - CTs).
Em uma modalidade, pelo menos os relés de proteção acopla- dos ao primeiro disjuntor de circuito e ao segundo disjuntor de circuito são configurados para conferir uma proteção direcional pelo menos à ligação de barramento e/ou à subseção de barramento. Consequentemente, um "bac- kup" pode ser fornecido no caso em que a proteção diferencial falha ou não dispara. Por meio da proteção direcional, a configuração particular do siste- ma de energia e os modos operacionais em comum podem ser levados em consideração e o disparo pode estar restrito aos disjuntores de circuito que são necessários para eliminar a falha, isto é, um alto grau de seletividade se torna possível. Consequentemente, outros componentes do sistema de e- nergia não afetados por uma falha podem permanecer operacionais.
Os relés correspondentes podem, por exemplo, compreender uma lógica direcional, a qual é capaz de determinar a direção de fluxo de corrente, por exemplo, através do disjuntor de circuito associado. As tensões em cada lado do disjuntor de circuito podem ser consideradas para esta fina- lidade, as diferenças de tensão podem, por exemplo, ser medidas para de- terminação da direção de corrente.
Os relés de proteção que conferem a referida proteção direcional podem ser configurados para detectar a direção de corrente através do dis- juntor de circuito associado e disparar o disjuntor de circuito associado na dependência da direção de corrente, estado de disjuntor de circuito dos pró- prios/outros disjuntores de circuito e/ou fluxo de energia. Os respectivos re- lés podem ser configurados para disparar se a corrente (através do disjuntor de circuito associado) está acima de um limiar e o tempo de atraso para dis- paro do disjuntor de circuito pode depender da direção de corrente. Os res- pectivos relés de proteção podem ser configurados para trocar informação referente à direção de corrente e ao estado do disjuntor de circuito associa- do através dos links de comunicação.
Os relés acoplados ao disjuntor de circuito de gerador, ao pri- meiro disjuntor de circuito e ao segundo disjuntor de circuito podem, por e- xemplo, ser configurados para disparar estes disjuntores se a) as direções de corrente nos pontos de medição destes relés estão apontando para a subseção de barramento ou b) o primeiro disjuntor de circuito ou o segundo disjuntor de circuito está aberto e a direção de corrente na outra extremidade respectiva da subseção de barramento está apontando para a subseção de barramento ou c) a corrente e tensão no primeiro disjuntor de circuito ou no segundo disjuntor de circuito estão abaixo de limiares predeterminados, isto é, o respectivo disjuntor de circuito está sem energia e a direção de corrente na outra extremidade respectiva da subseção de barramento está apontando para a subseção de barramento. Conforme mencionado acima, a corrente detectada pelo respectivo relé de proteção também precisa estar acima do limiar para disparo.
Como um exemplo, o relé acoplado ao segundo disjuntor de cir- cuito, por exemplo, o disjuntor de circuito do acoplador de barramento, pode ser um relé mestre e pode compreender uma lógica de disparo para cada uma das duas subseções de barramento conectadas através deste segundo disjuntor de circuito. Dependendo da informação fornecida pelos outros relés da respectiva subseção de barramento, o relé mestre pode emitir um co- mando de disparo para disparar os disjuntores de circuito de uma ou da ou- tra subseção de barramento. O relé de proteção (relé mestre) acoplado ao segundo disjuntor de circuito pode, por exemplo, estar em comunicação com o relé de proteção acoplado ao primeiro disjuntor de circuito (disjuntor de ligação de barramento da primeira subseção de barramento) e com um relé de proteção correspon- dente acoplado a um disjuntor de ligação de barramento na outra extremida- de da segunda subseção de barramento, em que o referido relé mestre está configurado de modo que, se a lógica de disparo direcional para a primeira subseção de barramento detecta uma falha, ela emite um sinal para disparar o segundo disjuntor de circuito, o primeiro disjuntor de circuito e o disjuntor de circuito do gerador.
Em uma modalidade, os relés de proteção acoplados a um ou mais disjuntores de circuito do alimentador conferem uma proteção contra sobrecarga direcional em que, se tal relé de proteção detecta uma corrente acima de um limiar na direção da carga, um sinal de bloqueio é fornecido pelo referido relé de proteção a um relé de proteção acoplado a um disjuntor de circuito a montante, em particular ao rele de proteção acoplado ao primei- ro disjuntor de circuito, ao segundo disjuntor de circuito e/ou ao disjuntor de circuito do gerador, para impedir que estes relés de proteção disparem estes disjuntores de circuito e o respectivo disjuntor de circuito do alimentador é disparado dentro de um tempo de disparo predeterminado t3 após detecção de uma falha. O disparo de disjuntores de circuito pode, assim, ser mantido em um mínimo e o sistema de energia pode permanecer operacional com um máximo de componentes. Tal sinal de bloqueio pode, por exemplo, ser enviado pelo rele de proteção do disjuntor de circuito do alimentador para os relés de proteção a montante através do link de comunicação.
Como um exemplo, o relé de proteção do disjuntor de circuito do alimentador (Circuit Breaker - CB) pode enviar o sinal de bloqueio a um dis- juntor de circuito do acoplador de barramento, o qual pode ser um disjuntor de circuito mestre, para evitar o disparo de toda a subseção de barramento ou desarmar os relés acoplados aos disjuntores de circuito a montante da subseção de barramento. A montante significa na direção de uma fonte de corrente, isto é, em direção a um gerador ou outra subseção de barramento.
Em particular, estes podem ser os CBs acoplados à outra subseção de bar- ramento que não os CBs do alimentador. O(s) relé(s) de proteção a montante pode(m) ser configurado(s) para disparar seus disjuntores de circuito associados após um período pre- determinado de tempo mesmo se recebendo o sinal de bloqueio de modo que, se o CB do alimentador não é capaz de eliminar a falha, os disjuntores de circuito a montante são disparados por meio da proteção direcional. Este atraso é, naturalmente, maior do que t3, dentro do qual o CB do alimentador é disparado.
Em algumas modalidades, t3 pode ser igual ou menor do que 200 ms. Em algumas configurações, a carga pode compreender um sistema de distribuição de baixa tensão (Low Voltage - LV). O relé de proteção aco- plado ao disjuntor de circuito do alimentador para o sistema de distribuição LV pode ser configurado para disparar este CB dentro de um período de tempo mais longo, por exemplo, com t3 < 500 ms, por exemplo, 300 ms < t3 < 500 ms. Desta forma, consumidores a jusante podem ter tempo suficiente para disparo e, desta maneira, eliminar a falha, de modo que o sistema de distribuição LV restante possa permanecer conectado à subseção de barra- mento. A perda de consumidores essenciais pode, assim, ser evitada.
Em uma modalidade, os relés de proteção são configurados pa- ra disparar os disjuntores de circuito acoplados aos mesmos dentro de um primeiro tempo de disparo t1 após detecção de uma falha usando a referida proteção diferencial e disparar os disjuntores de circuito acoplados aos mesmos dentro de um segundo tempo de disparo t2 após detecção de uma falha usando a referida proteção direcional, em que o primeiro tempo de dis- paro t1 é menor do que o segundo tempo de disparo t2. A proteção direcio- nal pode, assim, ser conferida como um "backup" para as ligações de bar- ramento, o acoplador de barramento e a subseção de barramento. t1 e t2 podem, por exemplo, estar dentro de uma faixa de cerca de cerca de 20 ms a cerca de 200 ms. O tempo t1 pode ser menor do que 100 ms e o tempo t2 pode ser menor do que 150 ms.
Em uma modalidade, os relés de proteção acoplados a um ou mais disjuntores de circuito do alimentador podem conferir proteção contra sobrecarga, em que o disjuntor de circuito do alimentador é disparado se o respectivo relé de proteção detecta uma corrente no alimentador que está acima de um limiar predeterminado. Consequentemente, se há uma falha a jusante em uma carga, a falha pode ser eliminada rápida e eficientemente, sem disparo de outros componentes acoplados à subseção de barramento.
Os relés de proteção acoplados a um ou mais disjuntores de cir- cuito do alimentador podem conferir uma proteção contra sobrecarga dire- cional. Se tal relé de proteção detecta uma corrente acima do limiar na dire- ção da carga, o respectivo disjuntor de circuito do alimentador é disparado dentro de um tempo de disparo t3 predeterminado de após a detecção de uma falha e se o relé de proteção detecta uma corrente acima de um outro limiar na direção reversa, isto é, em direção à subseção de barramento, o respectivo disjuntor de circuito do alimentador é disparado dentro de um tempo de disparo t4 predeterminado o qual é maior do que o tempo de dis- paro t3. Consequentemente, no segundo caso, o sistema permite que a falha seja eliminada em outra posição sem disparo da carga. Como um exemplo, uma falha em um gerador pode causar uma corrente inversa no alimentador de carga. O disparo retardado do CB do alimentador permite que a falha seja eliminada através de disparo do gerador sem disparo da carga. Consequen- temente, a carga pode ser alimentada com energia elétrica de outro gerador através de outra subseção de barramento e, assim, permanecer operacional.
Isto é particularmente benéfico para cargas na forma de propulsores de héli- ce, uma vez que os propulsores podem continuar a funcionar e a embarca- ção pode manter sua posição. O tempo t3 pode ser menor do que 200 ms, de preferência me- nor do que 150 ms. O tempo t4 para disparo quando de um fluxo de corrente inversa pode estar entre cerca de 150 ms e cerca de 400 ms, de preferência entre cerca de 250 ms e 350 ms.
Os relés de proteção podem ser configurados para disparar a proteção diferencial dentro de t1, a proteção direcional para a subseção de barramento t2 > t1 (com bloqueio a partir dos relés de proteção do CB do alimentador), a proteção contra sobrecarga para cargas (CB do alimentador) em t3 > t1, a proteção contra sobrecarga para cargas com corrente na dire- ção inversa em t4 > t3 e a proteção direcional para as ligações de barramen- to dentro de um tempo maior do que t1, por exemplo, similar a t4.
Em uma modalidade, o sistema de proteção contra falhas pode ainda compreender um sistema de detecção de falha de disjuntor o qual está configurado para detectar se um disjuntor de circuito falhou em interromper a conexão elétrica depois que o relé de proteção acoplado ao disjuntor de cir- cuito emitiu um comando de disparo em virtude de uma falha e, em caso de detecção de tal falha, disparar um ou mais de outros disjuntores de circuito para eliminar a falha. A funcionalidade do sistema de detecção de falha de disjuntor pode ser denominada "proteção contra falhas de disjuntor11. A falha pode, assim, ser eliminada mesmo se uma falha de CB está presente e uma interrupção completa do sistema de energia pode ser evitada. O sistema de detecção de falha de disjuntor pode ser adaptado para detectar a falha do disjuntor de circuito ao detectar um fluxo de corrente através do disjuntor de circuito ou ao detectar o estado do disjuntor. O esta- do do disjuntor significa que é detectado se o CB é aberto ou fechado, por exemplo, detectando a posição do elemento de abertura ou fechamento do circuito. A informação de que um comando de disparo foi emitido para o dis- juntor de circuito pode ser obtida por meio de comunicação a partir do relé de proteção associado, ou a funcionalidade de proteção contra falhas de disjuntor pode ser diretamente integrada no relé de proteção associado ao respectivo CB. O sistema de detecção de falha de disjuntor pode, por exemplo, ser adaptado para eliminar a falha nas seguintes situações: se o primeiro disjuntor de circuito falhou, disparando um disjuntor de ligação de barramen- to sobre a outra extremidade da ligação de barramento; se um disjuntor de circuito de acoplador de barramento falhou, disparando um disjuntor de cir- cuito na outra extremidade de cada uma das subseções de barramento co- nectadas ao acoplador de barramento; se o disjuntor de circuito do gerador ou um disjuntor de circuito de carga falhou, disparando todos outros disjunto- res de circuito conectados à mesma subseção de barramento. O tempo de disparo para a detecção de falha do disjuntor pode ser ajustado para ser maior do que t1 e t2, de preferência, ajustado para um tempo maior do que o tempo máximo de operação do respectivo disjuntor de circuito mais o tempo de evasão, por exemplo, o elemento de detecção de corrente para o CB.
Assim, pode-se assegurar que a proteção contra falha do CB não seja aci- dentalmente disparada.
Em uma modalidade, o sistema de proteção contra falhas é para cada subseção de barramento do sistema de energia configurado de acordo com qualquer uma das modalidades descritas acima.
Uma modalidade adicional da invenção proporciona um sistema de energia de uma embarcação dinamicamente posicionada. O sistema de energia compreende um sistema de proteção contra falhas em qualquer uma das configurações descritas acima. O sistema de energia pode ser configu- rado de acordo com qualquer uma das modalidades descritas acima e ainda abaixo. Tal sistema de energia confere integridade intensificada contra fa- lhas. Em particular, uma única falha não leva a uma interrupção completa do sistema de energia, e componentes não afetados pela falha permanecerão conectados ao sistema de energia. Tal sistema pode, assim, ser operado em uma configuração em anel fechado, isto é, com disjuntores de ligação de barramento fechados, mesmo durante operações de alto risco, por exemplo, nos modos de operação DP2 ou DP3.
Uma modalidade adicional da invenção proporciona um método de operação de um sistema de proteção contra falhas de um sistema de e- nergia de uma embarcação dinamicamente posicionada. O sistema de pro- teção contra falhas é configurado de acordo com qualquer uma das configu- rações descritas acima. O método compreende as etapas de detecção da ocorrência de uma falha em uma das zonas de proteção por meio dos relés de proteção acoplados aos disjuntores de circuito compreendidos na respec- tiva zona de proteção e disparo dos disjuntores de circuito na zona de prote- ção na qual a falha ocorreu. Com o método, vantagens similares àquelas esboçadas ainda acima com relação ao sistema de proteção de falha podem ser obtidas.
Em uma modalidade, o método compreende ainda as etapas de: se a falha não foi eliminada após um tempo de disparo t1 predeterminado, usando uma lógica direcional fornecida nos relés de proteção para detectar a presença de uma falha em uma das conexões elétricas ou na subseção de barramento; e disparo dos disjuntores de circuito conectados à referida co- nexão elétrica ou subseção de barramento, respectivamente. Consequente- mente, mesmo se uma falha não for detectada ou eliminada pela proteção diferencial da zona, a proteção direcional serve como um "backup" e pode eliminar a falha.
Em outras modalidades, o método pode compreender etapas a- dicionais, tais como detecção de magnitude e direção de uma corrente em um alimentador acoplado às subseções de barramento e disparo do CB do alimentador correspondente dentro de um tempo t3 se a magnitude de cor- rente estiver acima de um limiar e a corrente está em uma direção a jusante.
Ele pode ainda compreender a etapa de bloqueio do disparo de CBs a mon- tante em tal caso.
Ele pode ainda compreender a etapa de disparo de um CB de a- limentador dentro de um tempo t4 se a corrente através do CB do alimenta- dor está em uma direção inversa (a montante), com t4 sendo maior do que t3. O método pode ainda compreender detecção de uma falha de um disjuntor de circuito e, quando de detecção de tal falha, se o disjuntor de circuito que falhou é um disjuntor de circuito de ligação de barramento ou acoplador de barramento, disparo de um disjuntor de circuito de ligação de barramento ou acoplador de barramento vizinho e, se o disjuntor de circuito que falhou é o disjuntor de circuito do gerador ou alimentador, disparo de todos os disjuntores de circuito conectados à subseção de barramento. A falha pode, assim, ser eficazmente isolada, mesmo se um CB falha.
Modalidades do método podem ser realizadas no sistema de proteção contra falhas ou no sistema de energia em qualquer uma das con- figurações esboçadas acima. Além disso, quaisquer etapas do método des- crito ainda acima com relação ao sistema de proteção contra falhas ou sis- tema de energia da embarcação dinamicamente posicionada podem ser par- te das modalidades do método.
As características das modalidades da invenção mencionadas acima e ainda a serem explicadas abaixo podem ser combinadas umas com as outras, a menos que observado ao contrário.
Breve Descrição das Figuras As características e vantagens precedentes e outras da inven- ção se tornarão mais evidentes a partir da descrição detalhada a seguir lida em conjunto com as figuras anexas. Nas figuras, numerais de referência si- milares referem-se a elementos similares. A figura 1 é um diagrama esquemático de um sistema de ener- gia de uma embarcação dinamicamente posicionada incluindo um sistema de proteção contra falhas de acordo com uma modalidade da invenção. A figura 2 é um diagrama esquemático mostrando as zonas de proteção do sistema de proteção contra falhas e o sistema de energia da figura 1 em maiores detalhes. A figura 3 é um diagrama esquemático mostrando os relés de proteção os quais operam disjuntores de circuito associados para uma seção do sistema de energia da figura 1. A figura 4 é um fluxograma que ilustra uma lógica de proteção direcional a qual pode ser implementada nos relés de proteção usados com modalidades da invenção. A figura 5 é um fluxograma que ilustra um método de acordo com uma modalidade da invenção.
Descrição Detalhada A seguir, modalidades da invenção serão descritas em detalhes com referência às figuras anexas. Deverá ser entendido que a descrição a seguir das modalidades é fornecida apenas para fins de ilustração e não de- ve ser tomada em um sentido limitativo.
Deverá ser notado que as figuras devem ser consideradas como sendo apenas representações esquemáticas, e elementos nas figuras não estão necessariamente em escala uns com os outros. Pelo contrário, a re- presentação dos diversos elementos é escolhida de modo que sua função e finalidade geral se tornem aparentes para aqueles versados na técnica. De- ve também ser entendido que o acoplamento de unidades físicas ou funcio- nais, conforme mostrado nas figuras e descrito a seguir não precisa neces- sariamente ser uma conexão direta de acoplamento, mas pode também ser uma conexão ou acoplamento indireto, isto é, uma conexão ou um acopla- mento com um ou mais elementos intervenientes adicionais, tais como fusí- veis, disjuntores de circuito, transformadores ou similar. Uma pessoa versa- da na técnica reconhecerá ainda que as unidades físicas ou funcionais ilus- tradas e descritas aqui com relação às diferentes modalidades não precisam necessariamente ser implementadas como unidades fisicamente distintas.
Um ou mais blocos ou unidades físicas ou funcionais podem ser implemen- tados em um circuito, chip, elemento ou unidade de circuito em comum, en- quanto que outros blocos ou unidades físicas ou funcionais mostrados po- dem ser implementados em circuitos, chip, elementos ou unidades de circui- to distintos. A figura 1 mostra um sistema de energia 10 de uma embarcação dinamicamente posicionada de acordo com uma modalidade da invenção.
No exemplo da figura 1, o sistema de energia 10 está dividido em três se- ções de sistema de energia 12, em que os motores das diferentes seções do sistema de energia estão dispostos em diferentes salas de máquinas da em- barcação dinamicamente posicionada. As salas de máquinas são separadas por paredes à prova de fogo e herméticas à água 14. O sistema de energia 10 compreende fontes de energia 20, cada uma compreendendo um gerador 21 e cargas 30, 51, 52 acopladas ao mesmo barramento de distribuição de energia 15. As cargas compreendem os propulsores de hélice 30, cada um dos quais inclui uma unidade de fre- quência variável 32 para a conversão da frequência da tensão de CA forne- cida para uma frequência com a qual a unidade está sendo operada e um motor elétrico 31 o qual gira o propulsor da hélice. Cargas adicionais as quais podem, por exemplo, incluir unidades de perfuração, são conectadas através de conexão elétrica 51 ao barramento de distribuição de energia 15.
Ainda, um sistema de distribuição de energia de baixa tensão que alimenta cargas menores está conectado através da conexão elétrica 52 ao barra- mento de distribuição de energia 15.
Cada seção do sistema de energia 12 compreende uma seção do barramento de distribuição de energia 15. As seções de barramento são conectadas através de ligações de barramento 17. No exemplo da figura 1, o barramento de distribuição de energia 15 compreende três seções as quais são separadas pelas paredes à prova de fogo e herméticas à água 14. Em outras configurações, outras seções, por exemplo, quatro ou mesmo mais seções, podem ser proporcionadas, de acordo com a segmentação do sis- tema de energia. As seções de barramento são conectadas em uma configu- ração em anel através das ligações de barramento 17. Isto é ilustrado na figura 1 pela ligação de barramento superior 17, a qual conecta a extremida- de esquerda do barramento de distribuição de energia 15 à extremidade di- reita do barramento de distribuição de energia 15. Disjuntores de circuito de ligação de barramento 41, disjuntores de ligação de barramento curtos, são proporcionados em cada extremidade do cabo de ligação de barramento.
Assim, é possível separar eletricamente as seções de barramento do barra- mento de distribuição de energia 15. Se uma falha ocorre em uma seção do sistema de energia 10, a falha pode, consequentemente, não se propagar para outras seções do sistema de energia 10. Em sistemas convencionais, os disjuntores da ligação de barramento 41 permanecem abertos durante operações de alto risco.
Assim, torna-se imediatamente evidente que, em cada seção 12 do sistema de energia 10, pelo menos um gerador 21 precisa estar funcio- nando. Cada gerador, assim, funcionará em uma carga relativamente baixa, levando a uma operação ineficiente das fontes de energia 20 e, assim, a um maior consumo de combustível.
Na modalidade da figura 1, as seções de barramento são, além disso, separáveis em subseções de barramento 16 por meio de disjuntores de circuito de acoplador de barramento 42. No exemplo da figura 1, o siste- ma de energia 10 pode, assim, ser separado em 6 subseções 11 de sistema de energia. Se uma falha ocorre em uma subseção 11 de sistema de energia em particular, torna-se possível isolar eletricamente esta subseção de siste- ma de energia do sistema de energia 10 restante. Consequentemente, ape- nas um propulsor de hélice 30 é perdido em tal caso enquanto que, em sis- temas convencionais, pelo menos dois propulsores de hélice 30 são perdi- dos quando uma seção 12 do sistema de energia se torna inoperante em virtude de uma falha.
Operações de alto risco, por exemplo, no modo de operação de classe DP2 ou DP3, requerem uma alta integridade e segurança operacional em particular do sistema de energia 10 de modo que, sob todas as circuns- tâncias, perda de posição da embarcação seja impedida. Isto significa que nenhuma falha deve levar a uma interrupção completa do sistema de ener- gia 10, como uma consequência da qual os propulsores de hélice se tornari- am inoperantes e a embarcação perdería sua posição. Para esta finalidade, em sistemas convencionais, as seções 12 do sistema de energia são com- pletamente isoladas eletricamente de modo que, se o sistema de energia em uma seção falha, as outras permanecem operáveis, assim, assegurando que a embarcação mantenha sua posição com as hélices restantes.
Em contraste com sistemas convencionais, o sistema de energia 10 de acordo com a presente modalidade é configurado para manter os dis- juntores de ligação de barramento 41 fechados durante operações de alto risco. Também, disjuntores de circuito de acoplador de barramento 42 estão fechados. O sistema de energia 10 compreende um sistema de proteção contra falhas de acordo com uma modalidade da invenção por meio do qual é assegurado que a alta integridade e segurança operacional do sistema de energia 10 requeridas para operações de alto risco sejam obtidas. A finalidade do sistema de proteção contra falhas da presente modalidade é um isolamento rápido e eficiente da falha de modo a evitar que a falha se propague através do sistema de energia 10 e afete quaisquer ou- tros componentes do mesmo. A seguir, será fornecida uma descrição para uma subseção 11 do sistema de energia 10. Deverá estar claro que o siste- ma de proteção contra falhas pode ser configurado correspondentemente para as subseções restantes do sistema de energia. Também, o sistema de energia da figura 1 tem três seções, cada uma sendo separável em duas subseções através dos disjuntores de circuito de acoplador de barramento 42. Em outras modalidades, o sistema de energia 10 pode ter um número diferente de seções ou de subseções por seção. Além disso, o sistema de energia pode compreender apenas subseções conectadas em um anel atra- vés das ligações de barramento 17, isto é, sem qualquer outra separação dentro da mesma seção (em outras palavras, apenas uma subseção por se- ção).
Na figura 1, o sistema de proteção contra falhas compreende uma zona de proteção de gerador 61 a qual inclui o gerador 21 e o disjuntor de circuito de gerador 45. Ele compreende ainda uma zona de proteção de ligação de barramento 63 a qual inclui um primeiro disjuntor de circuito 41 (disjuntor de ligação de barramento) conectado a uma primeira extremidade da subseção de barramento 16 e ainda à ligação de barramento 17. A outra extremidade da ligação de barramento 17 é conectada, através de um dis- juntor de ligação de barramento 41 à subseção de barramento 16 da seção adjacente do sistema de energia. O outro disjuntor de ligação de barramento 41 e a ligação de barramento 17 são também incluídos na zona de proteção de ligação de barramento 63. O sistema de proteção contra falhas inclui ainda a zona de pro- teção de subseção de barramento 62, a qual compreende a subseção de barramento 16, o primeiro disjuntor de circuito 41, um segundo disjuntor de circuito 42 acoplado à outra segunda extremidade da subseção de barra- mento 16, o disjuntor de circuito de gerador 45 e um ou mais disjuntores de circuito de alimentador acoplados à subseção de barramento 16 os quais são, no presente exemplo, o disjuntor de circuito do propulsor da hélice 43 e um disjuntor de circuito de unidade de perfuração 44. O segundo disjuntor de circuito 42 pode ser um disjuntor de circuito de acoplador de barramento (conforme no presente exemplo) se a subseção de barramento 16 está aco- plada, através de um acoplador de barramento, a uma subseção de barra- mento vizinha, ou pode ser um disjuntor de circuito de ligação de barramento se a subseção de barramento 16 está acoplada, através de uma ligação de barramento, a uma subseção de barramento vizinha (por exemplo, quando não há subdivisão dentro de seções do sistema de energia). O sistema de proteção contra falhas pode ainda incluir uma zona de proteção de acoplador de barramento 64 a qual inclui o acoplador de bar- ramento (não explicitamente destacado na figura 1) e o disjuntor de circuito de acoplador de barramento 42. O sistema de proteção contra falhas é configurado para conferir uma proteção diferencial a cada uma das zonas de proteção. A proteção diferencial pode ser configurada de modo que as correntes sobre ambos os lados do componente protegido sejam comparadas, isto é, as correntes que entram ou saem da zona de proteção. A implementação pode usar um ou mais relés de proteção os quais medem a corrente nas respectivas cone- xões elétricas, por exemplo, usando um transformador de corrente (Current Transformer - CT). Na configuração mais simples, um relé de corrente pode, por exemplo, ser conectado em paralelo com os enrolamentos secundários de dois CTs localizados sobre cada lado do componente, por exemplo, antes e após um enrolamento de gerador. Se as correntes sobre ambos os lados do componente protegido são iguais, também o são as correntes através dos secundários e, consequentemente, não haverá corrente através do relé de corrente. As proporções de enrolamento de CT podem ser usadas para equi- librar diferenças nas correntes previstas, por exemplo, quando um transfor- mador está localizado dentro da zona protegida.
Deve-se notar que, na figura 1, somente alguns dos componen- tes similares são dotados de numerais de referência de modo a manter uma apresentação mais clara e compreensiva. No entanto, será evidente que as descrições fornecidas a um componente particular se aplicam igualmente a componentes similares do mesmo tipo.
As zonas de proteção da figura 1 são apresentadas na figura 2 em maiores detalhes. O sistema de proteção contra falhas pode, por exem- plo, incluir um relé de proteção para a zona de proteção de gerador 61, o qual pode disparar o disjuntor de circuito 45. CTs do relé de proteção podem medir as correntes sobre ambos os lados dos três enrolamentos do gerador e o relé pode disparar o CB de gerador 45 se uma diferença de corrente é detectada.
Similarmente, um relé de proteção para a zona de proteção de ligação de barramento 63 pode medir as correntes sobre ambos os lados do cabo de ligação de barramento 17. Se uma diferença de correntes é detec- tada, por exemplo, em virtude de dano mecânico no cabo de ligação de bar- ramento, o relé de proteção pode disparar um ou ambos os disjuntores de circuito 41 na zona de proteção 63. Também, um relé de proteção distinto pode ser fornecido para cada disjuntor de circuito.
Na zona de proteção de subseção de barramento 62, todas as correntes que entram e saem da zona de proteção são monitoradas pelos respectivos relés de proteção. Estas incluem correntes através da ligação de barramento 17 e o acoplador de barramento, corrente fornecida pelo gerador 21 e correntes para as cargas através das conexões do alimentador. Uma vez que vários relés de proteção podem estar envolvidos na proteção dife- rencial de tal zona de proteção, os relés são configurados para se comunica- rem uns com os outros. A comunicação pode ocorrer através de comunica- ção serial, em particular, ela pode ocorrer usando comunicação IEC 61850.
Um relé pode atuar como um relé mestre e pode compreender a lógica para determinação da ocorrência de uma falha, isto é, ele pode determinar a ocor- rência de um desequilíbrio de corrente. Ele pode enviar um sinal de disparo para os outros relês da zona de proteção para disparar os disjuntores de circuito associados. A proteção diferencial para a zona de proteção de acoplador de barramento 64 opera correspondentemente.
Uma falha que ocorre na ligação de barramento 17, na subseção de barramento 16 ou no acoplador de barramento, a qual, de outra forma, não levaria ao disparo de proteção contra sobrecarga convencional no gera- dor ou nas cargas pode, assim, ser identificada e eliminada rápida e eficien- temente abrindo todos os disjuntores de circuito dentro da zona protegida.
Outras áreas do sistema de energia 10 permanecem conectadas e opera- cionais.
Para as cargas, por exemplo, o propulsor de hélice 30, uma uni- dade de perfuração 51, um sistema de distribuição de energia de baixa ten- são (Low Voltage - LV) 52 ou similar, disjuntores de circuito de alimentador 43, 44 são fornecidos. Respectivas zonas de proteção incluem a zona de proteção de hélice 65, incluindo o transformador de hélice 34, propulsor de hélice 30 e disjuntor de circuito de hélice 43, a zona de proteção de alimen- tador de perfuração 66 incluindo o alimentador 51 para uma respectiva uni- dade de perfuração e o CB de perfuração 44, uma zona de proteção de ali- mentador de distribuição LV correspondente (não mostrada) incluindo o ali- mentador 52 para o sistema de distribuição LV e o transformador de distribu- ição (vide figura 1) e a zona de proteção de cargas auxiliares 67 incluindo o(s) alimentador(es) 38, 39 para, por exemplo, servir à hélice, servir ao mo- tor para o motor que aciona o gerador de 21 ou similar. Estes podem ser alimentados a partir de um 4- enrolamento 36 (isto é, a partir de um terceiro enrolamento secundário, conforme ilustrado) do transformador da hélice 34.
Desta forma, economias de espaço e peso podem ser obtidas, uma vez que estes não requerem um transformador adicional. Além disso, uma vez que eles podem ser alimentados a partir do gerador da mesma subseção 11 do sistema de energia, a subseção 11 do sistema de energia pode operar isola- damente.
As zonas de proteção 65-67 antes mencionadas conferem pro- teção contra curto-circuito e sobrecarga, por exemplo, usando curvas defini- das de sobrecarga com o tempo. O relé de proteção associado disparará o respectivo disjuntor de circuito quando de detecção de tal condição de so- brecarga, como um resultado do qual a carga é desconectada do sistema de energia 10 restante. Tal proteção é suficiente para as cargas, uma vez que um curto-circuito a jusante do respectivo CB levará, em geral, a uma corren- te excessiva através do CB, a qual é detectada pelo relé de proteção. A proteção diferencial para as zonas 61-64 pode responder de modo relativamente rápido, por exemplo, dentro de menos de 100 ms. Tam- bém, a proteção contra sobrecarga para as zonas 65-67 pode responder rápido, por exemplo, dentro de 140 ms. Para algumas cargas, o disparo do CB pode ser retardado para permitir que uma carga a jusante a qual possa ter causado a falha dispare. Tal retardo pode ser usado para o sistema de proteção de LV. Uma vez que ele está acoplado à respectiva subseção de barramento através de um transformador, um curto-circuito a jusante do sis- tema de distribuição LV afeta diretamente o lado secundário do transforma- dor, mas não tão grave para a estabilidade de tensão sobre o barramento de distribuição quanto uma falha no lado primário do transformador. O mesmo é verdadeiro para a zona de proteção contra cargas auxiliar 67, uma falha na qual só afeta diretamente o enrolamento secundário 36. Em ambos os ca- sos, múltiplas cargas menores são conectadas a jusante de modo que, me- diante disparo do respectivo disjuntor de circuito, cargas essenciais podem se tornar inoperantes, tal como um gerador ou bomba de óleo de lubrificação da hélice ou similar. Configurando o sistema de proteção contra falhas para disparar estes CBs com um retardo, por exemplo, para disparar dentro de 500 ms ou 450 ms, o componente no qual a falha ocorreu pode ter tempo suficiente para disparar, assim, eliminando a falha sem ter de desconectar todo o sistema de distribuição LV ou o respectivo quadro de distribuição.
Como um "backup", por exemplo, se a proteção diferencial pri- mária falha ou não dispara os CBs, o sistema de proteção contra falhas pode incluir uma proteção direcional. A proteção direcional pode ser conferida à subseção de barramento, em particular às respectivas barras de barramento, às ligações de barramento e ao acoplador de barramento.
Para fins de proteção direcional, os respectivos relés de prote- ção podem incluir uma lógica direcional a qual determina a existência de uma condição de falha e, em resposta, emite um comando de disparo para os disjuntores de circuito associados. O relé de proteção pode medir, para esta finalidade, a direção e magnitude da corrente, por exemplo, medindo as tensões sobre ambos os lados do disjuntor de circuito associado.
Os relés podem operar em uma configuração Mestre-Escravo, na qual o relé Mestre recebe informação dos outros relés e, após determina- ção de uma condição de falha, emite o comando de disparo para os outros relés. A informação que pode ser enviada através da comunicação entre os relés, por exemplo, comunicação IEC 61850, inclui direção de corrente, es- tado do disjuntor de circuito associado e fluxo de energia, isto é, se o CB associado está ativado ou não.
Um exemplo de uma possível implementação da proteção dire- cional no sistema de proteção contra falhas é representado nas figuras 3 e 4. A figura 3 mostra apenas elementos selecionados do sistema de energia 10 da figura 1 para fins de uma apresentação compreensiva. O relé de proteção 71 associado ao CB do acoplador de barramento 42 está operando como um relé mestre. Ele se comunica com os relés de proteção direcional de ligação de barramento 72 sobre qualquer extremidade das duas subseções de bar- ramento 16. O numeral de referência 82 denota um relé de proteção direcio- nal de ligação de barramento similar em uma seção vizinha do sistema de energia. Para cada relé de proteção direcional 71, 72, 82, uma direção de corrente de referência é mostrada (vide setas, para frente ou para trás). A- lém de ser capaz de detectar a direção de corrente, os relés de proteção são configurados para detectar o estado do disjuntor de circuito ao qual eles es- tão conectados. Cada relé é parametrizado com os parâmetros da função de proteção de acordo com as coordenadas direcionais de corrente definidas da configuração e modo de operação do sistema de energia em particular. O relé mestre 71 compreende a lógica de disparo de proteção direcional para as seções de barramento à esquerda e à direita. A lógica é configurada para disparar o CB da ligação de barramento 41, o CB do acoplador de barramen- to 42 e o CB do gerador 45 quando de ocorrência de uma falha na respecti- va subseção de barramento e pode ser configurada para disparar todos os CBs que estão diretamente conectados à subseção de barramento na qual a falha ocorreu.
Condições nas quais o relé mestre 71 emite um comando de disparo podem incluir: todas as setas de direção horizontais a partir dos pon- tos de medição (isto é, os relés com CTs) estão apontando para a subseção de barramento (para a barra de barramento) ou em um lado da subseção de barramento, o CB está aberto, mas a direção de corrente (seta) no outro la- do da subseção de barramento está apontando em direção à subseção de barramento ou se, em um dos lados da subseção de barramento, o CB está sem energia (por exemplo, corrente I < 10% e tensão V < 20% dos valores nominais), mas a direção de corrente (seta) no outro lado da subseção de barramento está apontando em direção à subseção de barramento. Nestes casos, uma falha na subseção de barramento pode ser admitida (para falha a jusante de um alimentador, vide mais abaixo). A respectiva lógica é ilustrada na figura 4 para a subseção de barramento 16 à esquerda da figura 3. As determinações na parte superior da figura são feitas pelo relé de proteção 72 (Escravo) e são comunicadas ao relé de proteção mestre 71, o qual faz as medições na parte inferior da figura e implementa a lógica de decisão.
No relé 72, a direção de corrente das três fases é determinada e relatada se elas estão na direção inversa, isto é, apontando em direção à subseção de barramento 16. Também é relatado se o CB 41 está aberto ou sem energia (I < limite e V < limite). No relé 71, é determinado se a corrente no CB 42 está na direção frontal (isto é, apontando em direção à subseção de barramento), o estado do CB 42, e se o CB está com energia.
Conforme pode ser visto a partir do fluxograma da figura 4, as condições esboçadas acima para emissão de um sinal de disparo são refle- tidas na lógica dos relés de proteção. Por exemplo, se o relé 72 reporta uma das condições determinadas (corrente inversa ou CB aberto ou sem energia) ao relé 71, e o relé 71 mede uma corrente na direção frontal, um sinal de disparo é emitido. O relé 71 emite o sinal de disparo, o qual resulta na aber- tura dos CBs 41, 42 e 45. O sinal de disparo é também ilustrado na figura 3 com setas tracejadas (para ambas as subseções de barramento 16).
Uma lógica similar é implementada no relé de proteção 71 e no relé de proteção 72, à direita da figura 3, para a subseção de barramento 16 à direita, embora a primeira condição para a lógica de relé 71 seria agora uma corrente na direção inversa (não frontal). Os relés de proteção 71, 72 podem ser, por exemplo, relés Siemens 7SJ64, com o relé 71 atuando como um mestre e tendo uma lógica de proteção direcional para ambas as subse- ções de barramento adjacentes.
Relés de proteção 73 e 83 podem, por exemplo, implementar a proteção diferencial para a ligação de barramento 17. Os relés 73, 83 po- dem, por exemplo, ser relés Siemens 7SD80 e podem fornecer fase de pro- teção de linha diferencial (87L), proteção diferencial de linha 3I0 (87 NL) e proteção diferencial contra falha do terra (87Ns L). Conforme pode ser visto, um link de comunicação é proporcionado entre os relés 73 e 83 e os relés 73 e 83 são acoplados aos CBs 41 associados sobre os lados esquerdo e direi- to, respectivamente, da ligação de barramento 17, e podem disparar estes CBs. A lógica de proteção para operação dos CBs de ligação de bar- ramento e dos CBs de acoplador de barramento também é denominada lógi- ca de proteção horizontal aqui. Além disso, proteção direcional pode ser con- ferida ao sistema de proteção contra falhas para outros componentes do sis- tema de energia, tais como as ligações de barramento e o acoplador de bar- ramento. Ela pode ser implementada conforme descrito acima.
Os relés de proteção associados aos disjuntores de circuito do alimentador, por exemplo, os CBs 43, 44, 45, podem ser dotados de uma lógica direcional. Em particular, eles podem ter um comportamento de dispa- ro diferente na dependência da direção de corrente através do CB associa- do. Se a corrente através do alimentador (ou CB do alimentador) está na direção a jusante, isto é, em direção à carga, o relé pode fazer com que o CB dispare dentro de um primeiro tempo t3 menor se a corrente está acima do limiar. Neste caso, o relé pode supor que a falha que está causando a sobrecarga está a jusante sobre o lado do alimentador, de modo que disparo do CB ocorrería o mais rápido possível. Uma possível exceção é descrita ainda acima, por exemplo, para o alimentador de distribuição LV.
Ao mesmo tempo, o relé de proteção é configurado para enviar um sinal de bloqueio aos relés de proteção acoplados aos CBs a montante sobre a respectiva subseção de barramento, em particular aos relés de pro- teção do CB 41 da ligação de barramento, do CB 42 do acoplador de barra- mento e do CB 45 do gerador. Embora a proteção diferencial para a subse- ção de barramento não seja disparada, uma vez que não há falha na subse- ção de barramento, a proteção direcional poderia disparar (por exemplo, uma vez que as direções de corrente sobre qualquer lado da subseção de barramento apontam em direção à subseção de barramento). O sinal de blo- queio impede o disparo destes CBs por seus relés de proteção associados, uma vez que a falha pode ser isolada e eliminada pelo disparo do CB do a- limentador. Consequentemente, a subseção de barramento e os outros componentes acoplados à mesma podem permanecer operacionais.
Por outro lado, se o relé de proteção do CB do alimentador de- tecta uma corrente acima de um limiar definido na direção a montante inver- sa, isto é, em direção à subseção de barramento 16, ele dispara o CB do alimentador dentro de um tempo t4 maior, com t4 > t3. O objetivo desta me- dida é que outras funções de proteção tenham uma chance de eliminar a falha, por exemplo, a proteção do gerador. Quando a falha é eliminada e a corrente retorna para a magnitude normal antes do término de t4, o CB do alimentador não disparará e a carga conectada permanece operacional. Isto pode, por exemplo, evitar perda de propulsores de hélice e, consequente- mente, a segurança operacional da embarcação dinamicamente posicionada aumenta. O relé de proteção, neste caso, não envia um sinal de bloqueio para outros relés, uma vez que a falha está localizada a montante e precisa ser eliminada por CBs a montante (ou por outro CB do alimentador). O tempo t3 pode, por exemplo, estar dentro de uma faixa de cerca de 50 ms a cerca de 200 ms. O tempo t3 pode estar dentro de uma faixa de cerca de 200 ms a cerca de 400 ms. Será evidente que estes valo- res podem ser escolhidos de acordo com a configuração particular do siste- ma de energia 10 e do sistema de proteção contra falhas. Deve-se notar que tal funcionalidade de proteção direcional pode também ser incluída para ou- tros CBs do sistema de proteção contra falhas, por exemplo, para os CBs de ligação de barramento, os quais podem disparar em t3 se uma corrente aci- ma de um limiar está fluindo em direção à ligação de barramento, deste mo- do, conferindo proteção direcional à ligação de barramento. O sistema de proteção contra falhas pode, além disso, compre- ender um sistema de detecção de falha de disjuntor. Este sistema pode ser implementado para os CBs por meio dos relés de proteção associados. O relé de proteção pode monitorar se o disjuntor de circuito está acoplado para realmente interromper a conexão elétrica quando de emissão de um coman- do de disparo para este CB. Uma falha de disjuntor pode ser determinada, verificando se a corrente ainda está fluindo dentro do circuito no qual a falha ocorreu, por exemplo, verificando se corrente está fluindo através do disjun- tor de circuito. Também possível usar uma indicação de posição de disjuntor de circuito para determinar se o disjuntor de circuito está aberto.
Se uma falha de disjuntor de circuito é detectada, o relé de pro- teção emite um comando de disparo para os relés de proteção de CBs adja- centes através dos respectivos links de comunicação. Como um exemplo, se uma falha de um CB do alimentador ou CB do gerador é detectada, o relé de proteção associado pode enviar um comando de disparo para os relés de proteção de todos os disjuntores de circuito conectados diretamente à res- pectiva subseção de barramento, de modo que todos os CBs na subseção de barramento sejam abertos. Uma propagação da falha pode, assim, ser impedida. Como um exemplo adicional, se uma falha de um CB de ligação de barramento ou acoplador de barramento é detectada, o relé de proteção associado pode enviar um comando de disparo para os relés de proteção do próximo CB nos lados esquerdo e direito do CB que falhou. No exemplo da figura 1, se um CB 42 de acoplador de barramento falha, um sinal de disparo para os CBs de ligação de barramento das subseções de barramento adja- centes pode ser enviado. Se um CB 41 de ligação de barramento falha, um sinal de disparo para o outro CB de ligação de barramento sobre a outra ex- tremidade da ligação de barramento e um sinal de disparo para o CB de a- coplador de barramento adjacente podem ser enviados. O disparo da proteção contra falhas pode ser retardado, por e- xemplo, por um tempo t5. O tempo t5 pode ser uma soma do tempo máximo de funcionamento do CB que falhou, o tempo de queda do elemento de mo- nitoramento de fluxo de corrente e uma margem de segurança levando em consideração as tolerâncias nestes tempos. Um disparo prematuro da prote- ção contra falha de disjuntor de circuito pode, assim, ser evitado.
Como um "backup" adicional, uma proteção convencional contra curto-circuito e sobrecarga, por exemplo, usando curvas de sobrecarga com o tempo definidas, pode ser conferida ao sistema de proteção contra falhas.
Esta proteção de "backup" pode, por exemplo, ser implementada para o CB
41 de ligação de barramento, o CB 42 do acoplador de barramento e o CB 45 do gerador. Ela pode ainda ser implementada para a subseção de barra- mento, isto é, CBs na subseção de barramento podem ser abertos se a cor- rente na subseção de barramento excede um valor limiar durante um tempo predeterminado. A tabela 1 abaixo resume uma possível configuração do sistema de proteção contra falhas com as principais funções de proteção e as fun- ções de proteção de "backup" para os respectivos componentes.
Para garantir que a função de proteção primária dispara primeiro e que o sistema mantém a operabilidade aprimorada, isto é, evitar disparo desnecessário de componentes, a Tabela 2 mostra os tempos de disparo (ou retardos) que podem ser usados para disparo da respectiva função de proteção: Em relação à linha marcada (1) da Tabela 2, esta denota a ex- ceção mencionada acima na qual o disparo dos consumidores a jusante é permitido por meio de um tempo de disparo retardado, de modo a evitar o disparo de todo o sistema de distribuição LV. Isto é similar para a linha mar- cada (2), para a qual um retardo mais longo pode ser escolhido para permitir o disparo de equipamentos/auxiliares a jusante. As opções podem ser esco- lhidas de acordo com o efeito que uma falha de uma destas cargas teria so- bre a estabilidade do sistema de energia 10, isto é, se a estabilidade ficar comprometida, o menor tempo de disparo ou retardo deverá ser escolhido. A figura 2 é um fluxograma que fornece uma visão geral esque- mática e condensada de um método de operação de um sistema de prote- ção contra falhas de acordo com uma modalidade da invenção. O método pode ser realizado sobre o sistema de energia e sistema de proteção contra falhas das figuras 1 a 4 e descritos acima. Deve-se notar que as etapas des- critas aqui acima podem ser parte do método, embora elas não sejam expli- citamente mostradas na figura 5.
Na etapa 101, o sistema de energia 10 é operado no modo de operação DP3, com os disjuntores de ligação de barramento fechados. As- sim, basta operar dois geradores para as três seções 12 do sistema de e- nergia e, uma vez que o gerador pode ser operado em um regime mais efici- ente, o consumo de combustível e emissão de C02 podem ser reduzidos.
Na etapa 102, ocorre uma falha. A proteção diferencial pode ser configurada para reagir mais rapidamente (vide Tabela 2) de modo que, na etapa 103, é verificado se a proteção diferencial capta uma falha. Em caso afirmativo, os CBs na respectiva zona de proteção são disparados (etapa 104). Se não, a proteção direcional (etapa 105) ou a proteção contra sobre- carga dos alimentadores (etapa 106) pode captar a falha. Se o relé de prote- ção de um CB de alimentador detecta uma falha (isto é, mediante detecção de uma corrente acima de um limiar definido), a lógica direcional verifica se a falha está a jusante do alimentador (etapa 107). Em caso afirmativo, o CB do alimentador é disparado, por exemplo, em um tempo t3.
Também, um sinal de bloqueio é enviado aos relés de proteção dos CBs a montante (etapa 109).
Se a decisão na etapa 107 for negativa, isto é, se uma corrente inversa através do CB do alimentador é detectada, o CB do alimentador não é disparado imediatamente, mas o disparo é retardado para permitir o dispa- ro de outra função de proteção, por exemplo, a proteção direcional na etapa 110. Se a lógica direcional detecta uma falha (etapa 105), o respectivo relé de proteção, por exemplo, o relé mestre, emite um comando de disparo para disparar os CBs apropriados de acordo com a lógica (etapa 110). Se um si- nal de bloqueio é recebido de um relé de proteção do alimentador, nenhum comando de disparo é emitido. A falha, assim, será eliminada na etapa 108 ou etapa 110.
Se a falha ainda está presente após emissão do respectivo co- mando de disparo (etapa 111), a proteção contra falhas de disjuntor é reali- zada na etapa 112 com um determinado retardo; vide Tabela 2. Conforme mencionado acima, a proteção contra falhas de disjuntor determina se um CB falhou e emite um comando de disparo para CBs nos lados esquerdo e direito do CB que falhou ou para todos os CBs dentro da mesma subseção de barramento (etapa 113); vide também descrição acima.
Após a falha ser eliminada, a operação continua com os CBs restantes fechados (etapa 114). Usando tal procedimento, a maioria dos componentes que não são afetados pela falha pode permanecer conectada ao sistema de energia 10 e permanece operacional. Se operação de um ge- rador foi desligada do sistema de energia em virtude da falha, um gerador adicional pode ser ligado na etapa 115 (isto é, seu motor principal associado, por exemplo, a uma turbina a gás ou diesel é ligado).
Deve estar evidente que o método pode compreender outras e- tapas, por exemplo, a proteção contra sobrecarga de "backup" mencionada acima e na Tabela 1 ou similar.
Embora modalidades específicas sejam descritas aqui, várias al- terações e modificações podem ser feitas sem sair do âmbito da invenção.
As presentes modalidades devem ser consideradas, sob todos os aspectos, como ilustrativas e não restritivas, e todas as alterações que estão dentro do significado e faixa de equivalência das reivindicações anexas se destinam a ser abrangidas.

Claims (15)

1. Sistema de proteção contra falhas de um sistema de energia (10) de uma embarcação dinamicamente posicionada, em que o sistema de energia (10) compreende um barramento de distribuição de energia (15) compreendendo três ou mais subseções de barramento (16), conexões elé- tricas, incluindo ligações de barramento (17) as quais conectam as subse- ções de barramento (16) em uma configuração em anel e disjuntores de cir- cuito (41) conectados entre as subseções barramento para interromper as conexões elétricas em que, para pelo menos uma das referidas subseções de barramento (16), o sistema de proteção contra falhas compreende: - um disjuntor de circuito de gerador (45) para acoplamento de um gerador (21) à subseção de barramento (16), - um ou mais disjuntores de circuito de alimentador (43, 44, 45) para acoplamento de uma ou mais cargas (30) à subseção de barramento (16), - um primeiro disjuntor de circuito (41) através do qual uma pri- meira extremidade da subseção de barramento (16) está conectada a uma ligação de barramento (17), a referida ligação de barramento proporcionando a conexão elétrica para uma outra subseção de barramento na referida con- figuração em anel, o primeiro disjuntor de circuito (41) sendo um disjuntor de ligação de barramento, - um segundo disjuntor de circuito (42) para acoplamento de uma segunda extremidade da subseção de barramento (16) a uma outra subseção de barramento na referida configuração em anel, - relés de proteção (71, 72, 73, 83) acoplados aos disjuntores de circuito (41,42, 43, 44, 45) para operação dos disjuntores de circuito, - links de comunicação entre os relés de proteção (71, 72, 73, 83), os relés de proteção sendo configurados para trocar informação através dos referidos links de comunicação, em que os referidos relés de proteção (71, 72, 73, 83) são confi- gurados para proporcionar pelo menos: - uma zona de proteção de gerador (61), incluindo o disjuntor de circuito de gerador (45) e um gerador (21), o relé de proteção acoplado ao disjuntor de circuito de gerador sendo configurado para conferir uma prote- ção diferencial ao gerador, - uma zona de proteção de ligação de barramento (63), incluindo o disjuntor de ligação de barramento (41), a ligação de barramento (17) e um outro disjuntor de ligação de barramento (41) através do qual a ligação de barramento está acoplada à outra subseção de barramento, em que relés de proteção (73, 83) acoplados aos disjuntores de ligação de barramento (41) são configurados para conferir proteção diferencial à ligação de barramento (17) e - uma zona de proteção de subseção de barramento (62), inclu- indo a subseção de barramento (16) e os disjuntores de circuito acoplados à subseção de barramento, os relés de proteção associados a estes disjunto- res de circuito sendo configurados para conferir uma proteção diferencial à subseção de barramento (16).
2. Sistema de proteção contra falhas, de acordo com a reivindi- cação 1, em que a conexão elétrica na segunda extremidade da subseção de barramento (16) é conferida por um acoplador de barramento, o segundo disjuntor de circuito sendo um disjuntor de circuito de acoplador de barra- mento (42), em que os referidos relés de proteção são ainda configurados para conferir: - uma zona de proteção de acoplador de barramento (64), inclu- indo o referido acoplador de barramento e o referido disjuntor de circuito de acoplador de barramento (42), o relé de proteção acoplado ao disjuntor de circuito de acoplador sendo configurado para conferir uma proteção diferen- cial ao acoplador de barramento.
3. Sistema de proteção contra falhas, de acordo com a reivindi- cação 1 ou 2 em que, para conferir a referida proteção diferencial, os relés de proteção acoplados aos disjuntores de circuito na respectiva zona de pro- teção (61, 62, 63, 64) são configurados para determinar as correntes que entram e saem da zona de proteção e para determinar se há uma falha na zona de proteção com base nas correntes determinadas e/ou na informação recebida através de um respectivo link de comunicação.
4. Sistema de proteção contra falhas, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que pelo menos os relés de prote- ção (71, 72) acoplados ao primeiro disjuntor de circuito (41) e ao segundo disjuntor de circuito (42) são configurados para conferir uma proteção dire- cional para pelo menos a ligação de barramento (17) e/ou a subseção de barramento (16).
5. Sistema de proteção contra falhas, de acordo com a reivindi- cação 4, em que os relés de proteção acoplados ao disjuntor de circuito de gerador (45), ao primeiro disjuntor de circuito (41) e ao segundo disjuntor de circuito (42) são configurados para disparar estes disjuntores de circuito se: - as direções de corrente nos pontos de medição destes relés estão apontando para a subseção de barramento (16) ou - o primeiro disjuntor de circuito ou o segundo disjuntor de circui- to está aberto e a direção de corrente na outra respectiva extremidade da subseção de barramento está apontando para a subseção de barramento (16) ou - a corrente e tensão no primeiro disjuntor de circuito ou no se- gundo disjuntor de circuito estão abaixo de limiares predeterminados e a di- reção de corrente na respectiva outra extremidade da subseção de barra- mento está apontando para a subseção de barramento (16).
6. Sistema de proteção contra falhas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4-5, em que os relés de proteção acoplados a um ou mais disjuntores de circuito de alimentador (42, 44, 45) conferem uma prote- ção contra sobrecarga direcional em que, se o relé de proteção detecta uma corrente acima de um limiar na direção da carga, um sinal de bloqueio é for- necido aos relés de proteção acoplados aos disjuntores de circuito a mon- tante (41, 42, 45) para impedir que estes relés de proteção disparem estes disjuntores de circuito e o respectivo disjuntor de circuito de alimentador é disparado dentro de um tempo de disparo t3 predeterminado após detecção de uma falha.
7. Sistema de proteção contra falhas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, em que os relés de proteção estão configura- dos para disparar os disjuntores de circuito acoplados aos mesmos dentro de um primeiro tempo de disparo t1 após detecção de uma falha usando a referida proteção diferencial, e disparar os disjuntores de circuito acoplados aos mesmos dentro de um segundo tempo de disparo t2 após detecção de uma falha usando a referida proteção direcional, em que o primeiro tempo de disparo t1 é menor do que o segundo tempo de disparo t2.
8. Sistema de proteção contra falhas, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que os relés de proteção acopla- dos a um ou mais disjuntores de circuito do alimentador conferem uma pro- teção contra sobrecarga, em que o disjuntor de circuito do alimentador é dis- parado se o respectivo relé de proteção detecta uma corrente no alimentador que está acima de um limiar predeterminado.
9. Sistema de proteção contra falhas, de acordo com a reivindi- cação 8, em que os relés de proteção acoplados a um ou mais disjuntores de circuito de alimentador conferem uma proteção contra sobrecarga dire- cional em que, se o relé de proteção detecta uma corrente acima do limiar na direção da carga, o respectivo disjuntor de circuito de alimentador é dis- parado dentro de um tempo de disparo t3 predeterminado após detecção de uma falha e em que, se o relé de proteção detecta uma corrente acima de um outro limiar na direção inversa, o respectivo disjuntor de circuito de ali- mentador é disparado dentro de um tempo de disparo t4 predeterminado que é maior do que o tempo de disparo t3.
10. Sistema de proteção contra falhas, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, ainda compreendendo um sistema de detecção de falha de disjuntor o qual está configurado para detectar se um disjuntor de circuito não conseguiu interromper a conexão elétrica após o relé acoplado ao disjuntor de circuito ter emitido um comando de disparo em virtude de uma falha e, em caso de detecção de falha, disparar um ou mais de outros disjuntores de circuito para eliminar a falha.
11. Sistema de proteção contra falhas, de acordo com a reivindi- cação 10, em que o sistema de detecção de falha de disjuntor está adaptado para detectar a falha do disjuntor de circuito pela detecção de um fluxo de corrente através do disjuntor de circuito ou pela detecção do estado do dis- juntor de circuito.
12. Sistema de proteção contra falhas, de acordo com a reivindi- cação 10 ou 11, em que o sistema de detecção de falha de disjuntor é adap- tado para eliminar a falha: - se o primeiro disjuntor de circuito falhou, mediante disparo de um disjuntor de ligação de barramento sobre a outra extremidade da ligação de barramento, - se um disjuntor de circuito de acoplador de barramento falhou, mediante disparo de um disjuntor de circuito na outra extremidade de cada uma das subseções de barramento conectadas ao acoplador de barramento, - se o disjuntor de circuito do gerador ou um disjuntor de circuito de carga falhou, mediante disparo todos os outros disjuntores de circuito co- nectados à mesma subseção de barramento.
13. Sistema de energia de uma embarcação dinamicamente po- sicionada compreendendo um sistema de proteção contra falhas, como defi- nido em qualquer uma das reivindicações precedentes.
14. Método de operação de um sistema de proteção contra fa- lhas de um sistema de energia de uma embarcação dinamicamente posicio- nada, em que o sistema de proteção contra falhas é configurado como defi- nido em uma das reivindicações 1 a 12, o método compreendendo as etapas de: - detecção da ocorrência de uma falha em uma das referidas zo- nas de proteção por meio de relés de proteção acoplados aos disjuntores de circuito compreendidos na respectiva zona de proteção, - disparo dos disjuntores de circuito na zona de proteção na qual a falha ocorreu.
15. Método, de acordo com a reivindicação 14, ainda compreen- dendo as etapas de: - se a falha não foi eliminada após um tempo de disparo t1 pre- determinado, usar uma lógica direcional fornecida nos relés de proteção pa- ra detectar a presença de uma falha em uma das conexões elétricas ou na subseção de barramento e - disparar os disjuntores de circuito conectados à referida cone- xão elétrica ou subseção de barramento, respectivamente.
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