BR102013018813A2 - Sistema para detecção de descargas parciais em transformadores de potência - Google Patents

Abstract

Sistema para detecção de descargas parciais em transformadores de potência. A presente invenção refere-se a um sistema eletrônico compacto para detecção de descargas parciais por meio de emissão acústica em transformadores de potência (1) utilizados em subestações de transmissão de energia elétrica, o sistema compreendendo sensores de emissão acústica (2) conectados ao transformador de potência (1), sendo que os ditos sensores são eletricamente conectados a um dispositivo eletrônico, doravante chamado de processador de sinais de emissão acústica (4), que processa e identifica as características dos sinais acústicos e as envia para uma estação de controle (6), de modo a monitorar de maneira eficiente o funcionamento de um transformador de potência em uma subestação de energia elétrica.

Description

SISTEMA. PARA DETECÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA A presente invenção refere-se a um sistema eletrônico compacto para detecção de descargas parciais por meio de emissão acústica em transformadores de potência utilizados em subestações de transmissão de energia elétrica. O sistema compreendendo sensores de emissão acústica conectados ao transformador de potência, sendo que os ditos sensores são eletricamente conectados a um dispositivo eletrônico que processa e identifica as características dos sinais acústicos e as envia para uma estação de controle, objetivando monitorar de maneira eficiente o funcionamento de um transformador de potência em uma subestação de energia elétrica. O sistema da presente invenção permite detectar a ocorrência de descargas parciais e processar em um menor tempo, proporcionando uma solução rápida para o problema sem a necessidade de interromper a operação do equipamento.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Os transformadores de potência são equipamentos que baixam ou elevam o potencial elétrico de um sistema de transmissão de energia, sendo componentes críticos nesse sistema. Uma falha extensa ou inesperada em um transformador de potência pode causar longas interrupções e dispendiosos reparos, gerando grandes perdas financeiras. Dessa forma, é conveniente descobrir com a maior brevidade possível ocorrências que possam causar panes no equipamento. O monitoramento constante deste equipamento pode detectar problemas incipientes, evitando que esses evoluam para faltas permanentes no transformador, os quais podem implicar em eventuais danos físicos ao equipamento. Dessa maneira, essa ação de monitoramento implica em uma melhor garantia tanto da confiabilidade na transmissão de energia elétrica como da redução dos custos de manutenção.

Nesse sentido, a detecção de descargas parciais em transformadores de potência é de suma importância para avaliar problemas no sistema de isolamento nesse tipo de equipamento. Se não forem percebidas, as descargas parciais podem deteriorar completamente o sistema de isolamento, levando a uma falha do transformador.

As descargas parciais são descargas elétricas com pequena energia que ocorrem entre partes do transformador que, em condições normais, deveríam estar sob o mesmo potencial. Contudo, por defeitos de projeto, de montagem ou do rompimento de condutores por fadiga, a igualdade de potenciais elétricos pode se perder e decorrer em descargas parciais, as quais impelem a degradação do sistema de isolamento, com destaque para o óleo isolante, e na corrosão eletrônica das partes envolvidas. Essa descarga elétrica é progressiva e outros pontos de descargas parciais podem ocorrer.

Como consequência de todo esse processo de degradação podemos citar a atuação da proteção de gás (relé Buchholz), envelhecimento precoce do sistema de isolamento e o aumento dos custos associados à manutenção e operação do equipamento.

Nesse contexto, o diagnóstico das descargas parciais em transformadores de potência pode ser feito por um número limitado de técnicas, das quais se destacam as seguintes: Detecção de descargas parciais por meio da análise dos gases dissolvidos no óleo isolante A ocorrência de descargas parciais no sistema isolante implica na decomposição do óleo isolante. Essa decomposição resulta em gases que se dissolvem no óleo isolante, os quais podem ser quantificados por meio da cromatografia gasosa de uma amostra de óleo.

As principais limitações dessa técnica são: i. outros defeitos decorrem na decomposição do óleo, podendo resultar naqueles mesmos gases associados às descargas parciais; ii. descargas parciais nos seus estágios iniciais podem não resultar em gases com concentrações suficientes para uma detecção.

Detecção de descargas parciais pelo método elétrico Essa metodologia se baseia na medição da corrente decorrente das descargas parciais. Para tanto, é necessário estabelecer condições propicias a essa medição como a inserção de capacitores de acoplamento, por exemplo. A principal limitação dessa técnica é: i. o ambiente da subestação pode promover ruidos de origem eletromagnética que comprometem a precisão da metodologia.

Detecção de descargas parciais por meio de emissão acústica Essa metodologia se baseia no fato de que as descargas parciais, por envolverem a dissipação abrupta de energia, resultam em ondas elásticas que se propagam pelo equipamento, as quais podem ser mensuradas por meio de sensores de emissão acústica. O processamento integrado desses sinais de emissão acústica permite detectar descargas parciais de forma independente de sua quantidade, aplicar o método sem se preocupar com as interferências eletromagnéticas, ensaiar o transformador em pleno funcionamento sem a necessidade de retirá-lo de serviço e experimentar o transformador sem a necessidade de acoplar acessórios ao sistema elétrico de potência.

Entretanto, os sistemas atualmente disponíveis que fazem uso de emissão acústica para detecção de descargas parciais possuem as seguintes limitações: i. os custos de aquisição, por não serem compactos, tornam-se um fator limitante; ii. não são plenamente específicos para aplicar em transformadores de potência; iii. não são específicos para a faixa de frequência das emissões acústicas advindas de descargas parciais; iv. não permitem o uso de sensores de emissão acústica distintos daqueles fornecidos com a aquisição do sistema. O documento de patente PI 0502384-0 ilustra um exemplo de sistema de monitoramento de um transformador de potência que descreve um sistema e método de monitoração e controle da condição de operação de um transformador de potência em uma subestação que compreende uma estação central de controle e processamento de dados, ligada ao transformador contendo dispositivos de detecção de sinais indicativos de medições de parâmetros do transformador. Uma interface de usuário ligada à referida estação de controle permite que um usuário acompanhe as medições dos parâmetros do transformador e estabeleça faixas de valores desejáveis dos referidos parâmetros, sendo que a referida estação de controle compreende um banco de dados que armazena os dados referentes dos sinais indicativos das medições dos parâmetros do transformador somente quando as medições dos parâmetros diferem de uma faixa de valores de parâmetros previamente definidos como desejáveis. O sistema descrito no documento acima diverge frontalmente do preconizado pelo sistema da presente invenção por realizar medições através de vários parâmetros, consequentemente, através de técnicas variadas. Além disso, um dos inconvenientes encontrados na técnica descrita no documento acima reside no fato de que como as medições são realizadas através de diversos parâmetros, e os resultados são correlacionados em um banco de dados, a combinação desses resultados pode estar definida nas faixas desejáveis previamente determinadas, apesar de estar ocorrendo descargas parciais que comprometem o funcionamento do equipamento. É, portanto, uma necessidade do estado da técnica proporcionar um sistema para detecção de descargas parciais em transformadores de potência que utiliza uma única metodologia através de sensores de emissão acústica, de modo a garantir precisão na detecção das descargas elétricas.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO O objetivo da invenção é proporcionar um sistema para detecção de descargas parciais em transformadores de potência através de sensores de emissão acústica a fim de detectar falhas incipientes de forma segura e confiável, evitando que elas se evoluam para faltas permanentes e causem a falha do transformador.

Outro objetivo da invenção é proporcionar um sistema para detecção de descargas parciais em transformadores de potência que possibilite solucionar a falha de forma rápida e eficiente, sem a necessidade de interromper a operação do equipamento.

Ainda outro objetivo da invenção é de evitar a degradação progressiva, impedindo a deterioração completa do sistema de isolamento do transformador de potência.

Outro objetivo da invenção é minimizar as intervenções no equipamento, diminuindo o número e o tempo nas paradas para manutenção, obtendo assim uma redução considerável dos custos operacionais.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS A Figura 1 ilustra uma vista esquemática do sistema para detecção de descargas parciais em transformadores de potência, objeto da presente invenção; A Figura 2 ilustra uma vista esquemática dos subsistemas constituintes do processador de sinais de emissão acústica da presente invenção; A Figura 3 ilustra uma vista esquemática da interface de alimentação em corrente contínua para cada sensor de emissão acústica da presente invenção; A Figura 4 ilustra o circuito elétrico de controle da corrente de alimentação dos sensores de emissão acústica da presente invenção; A Figura 5 ilustra o circuito elétrico do sistema de condicionamento de sinais e de conversão AD da presente invenção; A Figura 6 ilustra uma vista esquemática da interconexão entre os canais de emissão acústica da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Em conformidade com o quanto ilustram as figuras em anexo, o SISTEMA PARA DETECÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA compreende um sistema eletrônico compacto que utiliza sensores de emissão acústica conectados a um transformador de potência de uma subestação de transmissão de energia elétrica. A Figura 1 ilustra esquematicamente um transformador de potência (1) conectado a pelo menos quatro sensores de emissão acústica (2), que estão eletricamente conectados a um dispositivo eletrônico compacto, doravante denominado processador de sinais de emissão acústica (4), por meio de cabos coaxiais (3), com impedância característica na faixa de 40 Ω a 60 Ω, preferencialmente 50 Ω. Os sinais de emissão acústica são processados no microprocessador (7) e suas características são extraídas e enviadas a uma estação de controle (6) por meio de uma comunicação serial (5). O microprocessador (7) é dotado de um software para o processamento dos sinais, cujo resultado é enviado para a estação de controle (6). A Figura 2 ilustra esquematicamente um processador de sinais de emissão acústica (4) que processa os sinais detectados dos pelo menos quatro sensores de emissão acústica (2). Cada canal (8) de aquisição de sinais de emissão acústica de cada sensor de emissão acústica (2) é composto pela interface de alimentação em corrente constante com um condicionador de sinais (9) e por um conversor AD (10). O processo de conversão AD, processamento de sinais e de comunicação digital com a estação de controle (6) são realizados por meio do microprocessador (7). A Figura 3 ilustra esquematicamente a interface de alimentação em corrente contínua para cada sensor de emissão acústica (2), em que uma fonte de alimentação contínua (11) fornece alimentação para cada sensor (2) em um modo de corrente controlada ( 12). A fonte de tensão possui tensão nominal na faixa de 20 V a 40 V, preferencialmente 30 V, e a potência nominal é na faixa de 280 mW a 320 mW, preferencialmente 300 mW, para cada canal de aquisição de sinais de emissão acústica (8). São previstos ainda um capacitor de acoplamento (13) que em conjunto com uma resistência (14) constituem um filtro passa-altas que realiza o desacoplamento dos níveis em corrente contínua do sistema de condicionamento de sinais (9) e conversão AD (10) junto ao microprocessador (7). O sensor de emissão acústica (2) quando sensibilizado por ondas elásticas advindas das descargas parciais tem a resistência entre seus terminais variada de forma proporcional. Visto a invariância da corrente que circula pelo referido sensor de emissão acústica, a sensibilidade por ondas elásticas resulta na variação temporal da tensão entre os terminais do sensor de emissão acústica. A Figura 4 ilustra o circuito que controla a corrente de alimentação dos sensores de emissão acústica (2) que são conectados a um conector BNC (15). A corrente que circula por cada sensor (2) é ajustada por meio da tensão de referência (16), que deve ser fornecida de forma estável e com precisão melhor do que 0,01%. O conjunto formado por um amplificador de instrumentação (17) e por pelo menos quatro resistores (18) representa um regulador proporcional que aciona a base de um transistor (19). Esse regulador de corrente é sensibilizado pela tensão sob um resistor (20), sendo que o efeito de carga na malha de realimentação é reduzido por um amplificador operacional (21), e a fonte de tensão (11) alimenta os sensores de emissão acústica (2). A Figura 5 ilustra o circuito elétrico do condicionador de sinais (9) e conversor AD (10). O conjunto formado pelo amplificador operacional (21) reduz o efeito de carga, e os resistores (22, 23) são divisores resistivos para equalização da tensão aplicada aos terminais do conversor AD (10). A referência do divisor resistivo é imposta pelo circuito formado pelo amplificador operacional (21) e pelos resistores (24), sendo que os capacitores (25, 26), referem-se ao fluxo de ruído de alta frequência e os capacitores (27) removem ruídos de modo comum, induzidos pelo próprio sistema de condicionamento de sinais. Dessa forma, os sinais convertidos são enviados ao microprocessador (7) por meio de um barramento paralelo (28) . A Figura 6 ilustra esquematicamente a interconexão entre o conversor AD (10), o qual recebe os sinais dos canais de aquisição de emissão acústica (8) cujos valores passam pelo condicionador de sinais (9), junto ao microprocessador (7), que é feita por meio do barramento paralelo (28) através da comunicação serial (5), enviando os resultados obtidos para a estação de controle (6) .

Pelo fato do sistema para detecção de descargas parciais em transformadores de potência utilizar sensores de emissão acústica, é possível eliminar qualquer interferência eletromagnética, que são muito comuns nos transformadores de potência, na identificação da ocorrência de possíveis descargas parciais existentes.

Além disso, o sistema de detecção de descargas parciais da presente invenção, através de sensores de emissão acústica, proporciona detectar falhas de forma prematura, rápida e eficiente, evitando que elas se desenvolvam e causem a paralização do transformador.

Outra vantagem obtida com o sistema da presente invenção é o de minimizar as intervenções nos transformadores de potência, diminuindo o número e o tempo nas paradas para manutenção, obtendo assim uma redução considerável dos custos operacionais.

Será facilmente compreendido por aqueles versados na técnica que modificações podem ser realizadas na invenção sem com isso se afastar dos conceitos expostos na descrição precedente. Essas modificações devem ser consideradas como incluídas dentro do escopo da invenção. Consequentemente, as concretizações particulares descritas em detalhe anteriormente são somente ilustrativas e não limitativas quanto ao escopo da invenção, ao qual deve ser dada a plena extensão das reivindicações em anexo e de todos e quaisquer equivalentes das mesmas.

RE IVINDICAÇÕE S

Claims (7)

1 - Sistema para detecção de descargas parciais em transformadores de potência utilizados em subestações de transmissão de energia, caracterizado pelo fato do sistema compreender pelo menos quatro sensores de emissão acústica (2) conectados a um transformador de potência (1), os quais estão eletricamente conectados a um processador de sinais de emissão acústica (4) que por sua vez está conectado a uma estação de controle (6), em que cada sensor de emissão acústica (2) é alimentado por uma fonte de alimentação (11) em corrente continua em modo de corrente controlada (12), e está conectado eletricamente a um processador de sinais de emissão acústica (4) através de cabos coaxiais (3), sendo cada sensor (2) é dotado de um canal (8) de aquisição de sinais de emissão acústica que é composto por um condicionador de sinais (9) e por um conversor AD (10), sendo previstos ainda um capacitor de acoplamento (13) e uma resistência (14), sendo que os sinais de emissão acústica são processados no microprocessador (7) e os resultados são enviados a uma estação de controle (6) por meio de uma comunicação serial (5).

2 - Sistema para detecção de descargas parciais em transformadores de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a corrente de alimentação dos sensores de emissão acústica (2) que são conectados a um conector BNC (15) é ajustada por meio da tensão de referência (16), sendo que um amplificador de instrumentação (17) em conjunto com pelo menos quatro resistores (18) formam um regulador de corrente que aciona a base de um transistor (19), dito regulador sendo sensibilizado por uma tensão sob um resistor (20), cuja carga é reduzida por um amplificador operacional (21).

3 - Sistema para detecção de descargas parciais em transformadores de potência, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os resistores (22, 23) equalizam a tensão aplicada nos terminais do conversor AD (10), e o amplificador operacional (21) em conjunto com os capacitores (24) dividem a tensão.

4 - Sistema para detecção de descargas parciais em transformadores de potência, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que os capacitores (25, 26) do conversor AD (10) armazenam o fluxo de ruido de alta frequência e os capacitores (27) removem os ruidos, sendo que os sinais convertidos são enviados para o microprocessador ( 7 ) por meio de um barramento paralelo (28).

5 - Sistema para detecção de descargas parciais em transformadores de potência, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a impedância dos cabos coaxiais (3) está na faixa de 40 Ω a 60 Ω , preferencialmente 50 Ω.

6 - Sistema para detecção de descargas parciais em transformadores de potência, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a fonte de alimentação (11) possui tensão nominal na faixa de 20 V a 40 V, preferencialmente 30 V.

7 - Sistema para detecção de descargas parciais em transformadores de potência, de acordo com qualquer uma -das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a potência nominal de cada canal de emissão acústica (8) está na faixa de 280 mW a 320 mW, preferencialmente 300 mW.