BR102015011257A2

BR102015011257A2 - dispositivo, método e sistema

Info

Publication number: BR102015011257A2
Application number: BR102015011257A
Authority: BR
Inventors: Philip Oppenheimer Carl; Whitmore Crittenden Curtis
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2017-05-09
Also published as: AU2015202325A1; RU2015117252A3; MX2015006199A; JP2015220980A; US20150333499A1; TW201602591A; RU2015117252A; CA2891032A1; EP2945239A1; CN105098754A

Abstract

dispositivo, método e sistema trata-se de um dispositivo que pode incluir um sensor. o sensor pode detectar o uso de energia elétrica. adicionalmente, o dispositivo pode incluir um resistor fusível de aumento de tensão acoplado em série com o sensor e um varistor térmico de óxido de metal (mov) acoplado paralelo ao sensor.

Description

“DISPOSITIVO, MÉTODO E SISTEMA” Antecedentes [001] A matéria revelada no presente documento refere-se, de modo geral, a medidores de serviço público e, mais especificamente, a sistemas e métodos para proteger medidores de serviço público de energia durante eventos de sobretensão.

[002] Infraestruturas de energia, como uma infraestrutura de grade inteligente, podem incluir uma variedade de sistemas e componentes com sensores e dispositivos de memória para detectar e armazenar dados relacionados ao uso de energia. No exemplo da grade inteligente, os sistemas podem incluir sistemas de geração de energia, sistemas de transmissão de energia, medidores inteligentes, sistemas digitais de comunicação, sistemas de controle e seus componentes relacionados. Certos medidores de serviço público podem incluir vários componentes que são sensíveis a condições de alta tensão e/ou alta corrente para detectar e armazenar dados de uso de energia. Pode ser útil melhorar os sistemas e métodos para proteger os componentes sensíveis dentro dos medidores de serviço público contra eventos de sobretensão.

Breve Descrição [003] Certas modalidades equivalentes, em escopo, com a invenção originalmente reivindicada são sumarizadas abaixo. Essas modalidades não estão destinadas a limitar o escopo da invenção reivindicada mas, em vez disso, essas modalidades são destinadas apenas a fornecer um breve sumário de formas possíveis da invenção. De fato, a invenção pode envolver uma variedade de formas que podem ser similares às modalidades estabelecidas abaixo, ou diferentes das mesmas.

[004] Em uma primeira modalidade, um dispositivo pode incluir um sensor. O sensor pode detectar o uso de energia elétrica. Adicionalmente, o dispositivo pode incluir um resistor fusível de aumento de tensão acoplado em série com o sensor e um varistor térmico de óxido de metal (MOV) acoplado em paralelo com o sensor.

[005] Em uma segunda modalidade, um método pode incluir acoplar um resistor fusível de aumento de tensão que tem uma estimativa de resistência e uma estimativa de energia para um MOV térmico que tem uma estimativa de tensão. A estimativa do resistor, a estimativa de energia e a estimativa de tensão podem ser determinadas com base em um ou mais parâmetros de proteção para o resistor fusível de aumento de tensão e o MOV térmico. O método também pode incluir acoplar o resistor fusível de aumento de tensão e o MOV térmico a um circuito de medidor elétrico. Desse modo, o resistor fusível de aumento de tensão e o MOV térmico podem proteger os componentes do circuito de medidor elétrico durante um evento de sobretensão.

[006] Em uma terceira modalidade, um sistema pode incluir um medidor de serviço público de energia. Adicionalmente, o medidor de serviço público de energia pode incluir um sensor configurado para detectar o uso de energia elétrica proveniente de uma fonte elétrica em multifase. Adicionalmente, o medidor de serviço público de energia também pode incluir um ou mais sistemas de proteção contra eventos de sobretensão acoplados ao sensor para cada fase da fonte elétrica em multifase. Adicionalmente, o um ou mais sistemas de proteção contra sobretensão pode incluir um resistor fusível de aumento de tensão e um MOV térmico.

Breve Descrição das Figuras [007] Esses e outros recursos, aspectos e vantagens da presente invenção ficarão mais claros quando a descrição detalhada a seguir for lida com referência aos desenhos anexos, nos quais caracteres representam partes similares ao longo de todos os desenhos, em que: A Figura 1 é um diagrama em bloco de um sistema de infraestrutura de geração, transmissão e distribuição de energia, de acordo com uma modalidade; A Figura 2 é um diagrama esquemático do conjunto de circuitos que podem ser parte de um sistema de proteção contra eventos de sobretensão em um sistema de medição no sistema de infraestrutura de geração, transmissão e distribuição de energia da Figura 1, de acordo com uma modalidade; e A Figura 3 é um fluxograma que ilustra uma modalidade de um processo para determinar estimativas de componente a fim de proteger componentes do sistema de medição do sistema de infraestrutura de geração, transmissão e distribuição de energia da Figura 1, de acordo com uma modalidade.

Descrição Detalhada [008] Uma ou mais modalidades específicas da presente invenção serão descritas abaixo. Em um esforço para fornecer uma descrição concisa dessas modalidades, todos os recursos de uma implantação de fato não podem ser descritos no relatório descritivo. Deve ser observado que no desenvolvimento de qualquer implantação de fato, como no projeto de engenharia ou de modelo, várias decisões específicas da implantação devem ser feitas para alcançar os objetivos específicos dos desenvolvedores, como a observância às restrições relacionadas ao sistema e relacionadas ao negócio, o que pode variar de uma implantação para outra. Além do mais, deve ser notado que tal esforço de desenvolvimento pode ser complexo e tomar tempo mas seria, não obstante, um empreendimento de rotina de elaboração de projeto, fabricação e produção para aqueles de habilidade comum na técnica que têm o benefício dessa revelação.

[009] Ao introduzir elementos de várias modalidades da presente invenção, os artigos “um,” “uma,” “o,” “a,” “o dito," “a dita” são destinados a significar que existem um ou mais dos elementos. Os termos “que compreende,” “que inclui,” e “que tem” são destinados a serem inclusivos e querem dizer que pode haver elementos adicionais que não estejam entre os elementos listados.

[010] As presentes modalidades estão relacionadas a um medidor de serviço público de energia que pode incluir um sistema de proteção contra eventos de sobretensão. O medidor de serviço público de energia pode incluir componentes que podem ser sensíveis a altas tensãos e/ou correntes. Por exemplo, o medidor de serviço público de energia pode incorporar um elemento de comutação com uma tensão de ruptura substancialmente mais baixa que as sobretensões transientes às quais o medidor de serviço público de energia pode ser exposto. As sobretensões transientes podem, em algumas circunstâncias, exceder 6.000 V. Um evento de sobretensão transiente que pode danificar os componentes do medidor de serviço público de energia pode ser causado por um relâmpago ou qualquer outra oscilação de energia de curta duração. Adicionalmente, em algumas situações, uma falha estendida em uma grade de energia de serviço público pode criar um evento de sobretensão estendido que também pode danificar os componentes do medidor de serviço público de energia. Como tal, o sistema de proteção contra eventos de sobretensão pode fornecer proteção aos componentes do medidor de serviço público que pode ser sensível à sobretensão transiente e eventos de sobretensão estendidos. O sistema de proteção contra eventos de sobretensão pode incluir um resistor fusível de aumento de tensão e um varistor térmico de óxido de metal (MOV). O resistor fusível de aumento de tensão e o MOV térmico podem funcionar em tandem para fornecer um nível extra de proteção em comparação ao uso apenas do resistor fusível de aumento de tensão ou apenas do MOV térmico. Adicionalmente, a combinação do resistor fusível de aumento de tensão e do MOV térmico pode permitir que o sistema de proteção contra eventos de sobretensão funcionem de um modo benigno. Em uma modalidade, o resistor de aumento fusível pode ser acoplado em série com os componentes do medidor de serviço público e o MOV térmico pode ser acoplado em paralelo com os componentes do medidor de serviço público. Em outra modalidade, cada fase de uma fonte de energia em multifase pode alimentar em um sistema de proteção contra sobretensão separado acoplado aos componentes do medidor de serviço público.

[011] Com essa questão em mente, pode ser útil descrever uma modalidade de uma infraestrutura, como um sistema de grade inteligente exemplificativo 10 ilustrado na Figura 1. Deve ser percebido que os sistemas e métodos descritos no presente documento podem ser aplicados a uma variedade de infraestruturas, que incluem, mas sem limitação, uma infraestrutra de transmissão e distribuição de energia. Conforme retratado, o sistema de grade inteligente 10 pode incluir um ou mais serviços públicos 12. O serviço público 12 pode prover operações de fiscalização do sistema de grade inteligente 10. Por exemplo, os serviços públicos 12 podem incluir centros de controle de serviço público 14 que podem monitorar e direcionar a energia produzida por uma ou mais estações de geração de energia 16 e estações alternativas de geração de energia 18. As estações de geração de energia 16 podem incluir estações convencionais de geração de energia, como estações de geração de energia que usam gás, carvão, biomassa e outros produtos carbonáceos para combustível. As estações alternativas de geração de energia 18 podem incluir estações de geração de energia que usam energia solar, energia eólica, energia hidroelétrica, energia geotérmica e outras fontes alternativas de energia (por exemplo, energia renovável) para produzir eletricidade. Outros componentes de infraestrutura podem incluir uma usina de produção de energia hídrica 20 e uma usina de produção de energia geotérmica 22. Por exemplo, usinas de produção de energia hídrica 20 podem prever geração de energia hidrelétrica e usinas de produção de energia geotérmica 22 podem prever geração de energia geotérmica.

[012] A energia gerada pelas estações de geração de energia 16, 18, 20 e 22 pode ser transmitida através de uma grade de transmissão de energia 24. A grade de transmissão de energia 24 pode cobrir área ou áreas geográficas amplas, como um ou mais municípios, estados ou países. A grade de transmissão 24 também pode ser um sistema de corrente alternada (AC) de fase única ou um sistema bifásico de CA porém, mais geralmente, pode ser um sistema bifásico de CA. Conforme retratado, a grade de transmissão de energia 24 pode incluir uma série de condutores elétricos suspensos em várias configurações. Por exemplo, condutores de alta tensão extrema (EHV) podem ser dispostos em um feixe de três conectores, que tem um condutor para cada uma das três fases. A grade de transmissão de energia 24 pode sustentar tensões de sistema nominais em três faixas de 110 quilovolts (kV) a 765 quilovolts (kV). Na modalidade retratada, a grade de transmissão de energia 24 pode ser acoplada eletricamente a uma subestação e grade de distribuição de energia 26. A subestação e grade de distribuição de energia 26 podem incluir transformadores para transformar a tensão da energia de entrada de uma tensão de transmissão (por exemplo, 765 kV, 500kV, 345kV ou 138kV) para tensões de distribuição primária (por exemplo, 13,8kV ou 4160V) e secundária (por exemplo, 480V, 240V ou 120V). Por exemplo, consumidores de energia elétrica industrial (por exemplo, usinas de produção) podem usar uma tensão de distribuição primária de 13,8kV, embora a energia entregue aos consumidores comercial e residencial possa estar na faixa de tensão de distribuição secundária de 120V a 480V.

[013] Conforme retratado novamente na Figura 1, a grade de transmissão de energia 24 e a subestação e grade de distribuição de energia 26 podem ser parte do sistema de grade inteligente 10. Portanto, a grade de transmissão de energia 24 e a subestação de distribuição de energia 26 podem incluir várias tecnologias digitais e automatizadas para controlar equipamento eletrônico de energia como geradores, comutadores, disjuntores, religadores e assim por diante. A grade de transmissão de energia 24 e a subestação e grade de distribuição de energia 26 também podem incluir vários dispositivos de comunicação, monitoramento e registro como, por exemplo, controladores lógicos programáveis (PLCs) e relés protetores detectores de falha elétrica. Por exemplo, no caso dos relés protetores detectores de falha elétrica durante tempestades, um relé protetor na grade 26 pode detectar uma falha elétrica a jusante da subestação e operar um disjuntor para permitir que a falha seja removida e restaure a energia elétrica. Em certas modalidades, a grade de transmissão de energia 24 e a subestação e grade de distribuição de energia 26 também podem entregar energia e comunicar dados como mudanças na demanda de carga elétrica a um sistema de medição 30.

[014] Em certas modalidades, o sistema de medição 30 pode ser um medidor de infraestrutura de medição avançada (AMI) que pode coletar, medir e analisar o uso de energia elétrica e/ou os dados de geração. O sistema de medição 30 pode ser acoplado eletricamente e comunicativamente a um ou mais dos componentes da grade inteligente 10, que inclui as grades de transmissão de energia 24, a subestação e grade de distribuição de energia 26, as áreas comerciais 32 e as residências 34 através de condutores vivos e neutros do lado da fonte e do lado da carga 36. Adicionalmente, o sistema de medição 30 pode permitir a comunicação em duas vias entre as áreas comerciais 32, as residências 34 e o centro de controle de serviço público 14, o que, desse modo, fornece uma ligação entre o comportamento do consumidor e o uso de energia elétrica e/ou os dados de geração. Por exemplo, o sistema de medição 30 pode rastrear e dar conta da eletricidade pré-paga de um modo similar ao uso de telefone pré-pago. Do mesmo modo, os consumidores de serviço público (por exemplo, áreas comerciais 32, residências 34) podem se beneficiar de cargas mais baixas de serviço público ao aperfeiçoar seu uso de serviço público para tirar vantagem de taxas mais baixas durante horas de baixa demanda. Máquinas de lavar/secadoras, carregadores de carro elétrico e outros aplicativos flexíveis de consumo energético podem ser programados para operar durante horas de baixa demanda, o que resulta em contas mais baixas de serviços públicos e uma utilização mais balanceada de energia. Conforme notado acima, a energia elétrica pode ser gerada pelos consumidores (por exemplo, áreas comerciais 32, residências 34). Por exemplo, os consumidores podem interconectar um recurso de geração distribuída (DG) (por exemplo, painéis solares ou turbinas eólicas) para gerar e entregar energia à grade inteligente 10.

[015] Conforme será notado adicionalmente, em certas modalidades, o sistema de medição 30 pode incluir um sistema de componentes elétricos e eletrônicos como, por exemplo, um visor, um ou mais processadores, dispositivos de memória e armazenamento similar, sensores, detectores de violação e similares. Deve ser observado, também, que o sistema de medição 30 pode medir, calcular, armazenar e exibir uma energia aparente (kVA), uma energia real (isto é, a energia total consumida pelo componente resistivo de uma carga dada 32, 34 durante um intervalo de tempo) (kW) e uma energia reativa (isto é, a energia consumida pelo componente reativo de uma carga dada 32, 34 durante um intervalo de tempo) (kVar) como um produto de energia e tempo. Por exemplo, serviços públicos elétricos podem relatar aos consumidores seu uso e/ou geração por quilowatt-hora (kWh) para fins de taxação e/ou crédito. Tais componentes do sistema de medição 30 podem ser sensíveis a eventos de sobretensão que podem ocorrer na grade de transmissão de energia 24. Como tal, sistemas e métodos para proteger os componentes elétricos e que operam em eletricidade dos sistemas de medição 30 podem ser úteis para limitar os custos de substituição mediante a ocorrência de um evento de sobretensão.

[016] A Figura 2 é um diagrama esquemático 35 do sistema de proteção contra eventos de sobretensão 37 dentro do sistema de medição 30. O sistema de medição 30 pode ser alimentado por uma linha viva L e o sistema de medição 30 também pode ser acoplado a uma linha neutra N. Adicionalmente, uma localidade comercial 32 ou uma residência 34 podem ser acoplados ao sistema de medição 30 através dos condutores vivos e neutros do lado da carga 36. Adicionalmente, dentro do sistema de medição 30, o sistema de proteção contra eventos de sobretensão 37 podem incluir um resistor fusível de aumento de tensão 38 que pode ser acoplado em série com uma carga 40, que pode incluir os componentes elétricos e que operam em eletricidade do sistema de medição 30. Adicionalmente, o sistema de proteção contra eventos de sobretensão 37 também podem incluir um varistor térmico de óxido de metal (MOV) 42 que pode ser acoplado transversal à carga 40 e entre a linha viva L e a linha neutra N. Embora a Figura 2 ilustre o uso do MOV térmico 42, deve ser notado que um MOV padrão também pode ser usado no lugar do MOV térmico 42 ao longo de toda a discussão abaixo. Geralmente, o MOV térmico 42 pode ser usado no lugar do MOV padrão quando se deseja conduzir energia por um período de tempo sustentado durante um evento de sobretensão estendido. Durante tal evento de sobretensão estendido, o MOV padrão geralmente pode se fundir de um modo imprevisível. O MOV térmico 42, por outro lado, pode se fundir de modo previsível para formar um circuito aberto ao passar pelo evento de sobretensão estendido.

[017] O MOV térmico 42 pode operar como um circuito aberto durante operação normal a um nível de tensão abaixo de uma estimativa de tensão para o MOV térmico 42. Adicionalmente, quando a tensão no MOV térmico 42 excede a estimativa de tensão (isto é, uma tensão de aperto), o MOV térmico 42 pode funcionar como uma trajetória de tensão não linear transversal à carga 40, de um modo que possa proteger a carga contra o evento de sobretensão. Adicionalmente, durante um evento de sobretensão estendido, a corrente excessiva que resulta do evento de sobretensão pode fazer com que uma ligação de fusível dentro do MOV térmico 42 abra após um tempo de fusão ser alcançado para uma condição específica de sobrecorrente. Como tal, o MOV térmico 42 pode ter uma reação previsível ao evento de sobretensão estendido. Pode ser notado que, embora a Figura 2 represente o sistema de proteção contra eventos de sobretensão 37 em uma configuração monofásica, o sistema de medição 30 pode ser acoplado a uma fonte de energia em multifase. Em uma situação em que o sistema de medição 30 mede o uso de energia de uma fonte em multifase, um sistema diferente de proteção contra sobretensão pode ser usado para cada uma das fases que foram medidas. Ou seja, cada fase da fonte de energia em multifase pode ter uma combinação de resistor fusível de aumento de tensão separado 38 e MOV térmico 42 que protege o sistema de medição 30.

[018] O resistor fusível de aumento de tensão 38 pode limitar a corrente de entrada na medida em que a mesma flui em direção à carga 40 e ao MOV térmico 42. Uma resistência do resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser escolhida com base em uma queda de tensão esperada transversal ao resistor fusível de aumento de tensão 38 a partir de uma tensão de linha que permita que a tensão no MOV térmico 42 permaneça a um nível de tensão padrão. Em algumas modalidades, o nível de tensão padrão pode ser qualquer nível de tensão no MOV térmico 42 que esteja abaixo de uma estimativa de tensão do MOV térmico 42 e abastecido ao sistema de medição 30. Adicionalmente, a resistência pode ser escolhida para alcançar a queda de tensão esperada enquanto mantiver uma corrente a um nível abaixo de uma estimativa de corrente ideal do MOV térmico 42. Ao passar por condições de excesso de energia, o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode entrar em um modo de proteção de segurança que faz com que o resistor fusível de aumento de tensão 38 se funda e crie um circuito aberto no resistor fusível de aumento de tensão 38, o que, desse modo, impede que corrente excessiva danifique a carga 40. O resistor fusível de aumento de tensão 38 pode incluir um resistor de película de metal fusível, um resistor fusível wire-wound ou qualquer outro tipo de resistor que seja fusível ao passar por altas correntes.

[019] Adicionalmente ao resistor fusível de aumento de tensão 38 que fornece proteção aos componentes elétricos e que operam em eletricidade da carga 40, o MOV térmico 42 também pode fornecer proteção contra sobretensão aos componentes da carga 40. O MOV térmico 42 pode funcionar como um comutador controlado de tensão. Por exemplo, em uma tensão abaixo de uma estimativa de tensão do MOV térmico 42, o MOV térmico 42 pode atuar como um comutador aberto. Quando o MOV térmico 42 atuar como um comutador aberto, toda a corrente que entra no sistema de medição 30 pode fluir em direção à carga 40. Quando a tensão transversal ao MOV térmico 42 excede a estimativa de tensão do MOV térmico 42, o MOV térmico 42 pode atuar como um comutador fechado de baixa resistência. Em tal situação, a maioria da corrente pode passar através do MOV térmico 42 em vez das cargas 40 e 32 ou 34. Na medida em que o MOV térmico 42 passa por corrente excessiva por um período estendido, uma ligação de fusível dentro do MOV térmico 42 pode abrir, o que resulta no fato de o MOV térmico 42 funcionar como um circuito aberto. A corrente excessiva pode incluir qualquer corrente maior que uma estimativa de corrente ideal do MOV térmico 42. Adicionalmente, o MOV térmico 42 pode se degradar a um ponto em que a ligação de fusível pode abrir a uma taxa que aumenta na medida em que a corrente conduzida através do MOV térmico 42 também aumenta. Por exemplo, a ligação de fusível dentro do MOV térmico 42 pode se fundir mais rapidamente que a corrente que o MOV térmico 42 pode conduzir continua a aumentar além da estimativa de corrente do MOV térmico 42.

[020] Devido ao fato de o MOV térmico 42 poder abrir quando o MOV térmico 42 passa por correntes acima da estimativa de corrente do MOV térmico 42, o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode proteger o MOV térmico 42 contra abertura enquanto passar por correntes aumentadas. Adicionalmente, o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser projetado para se fundir antes da ligação de fusível dentro do MOV térmico 42 para proteger melhor os componentes do sistema de medição 30. Quando a ligação de fusível dentro do MOV térmico 42 se funde em um sistema sem o resistor fusível de aumento de tensão 38, o evento de sobretensão pode enviar altas tensões e/ou correntes na carga 40 do sistema de medição 30, o que, desse modo, causa dano aos componentes da carga 40. Com o resistor fusível de aumento de tensão 38 que se funde antes que o MOV térmico 42 se funda durante um evento de sobretensão estendido, o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode criar um circuito aberto na linha viva L antes do MOV térmico 42 que cria um circuito aberto. Como tal, o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode impedir que uma ruptura do MOV térmico 42 afeta os componentes da carga 40 devido a um circuito aberto poder ser criado no resistor fusível de aumento de tensão 38 durante o evento de sobretensão estendido.

[021] A Figura 3 ilustra um método 43 para projetar o sistema de proteção contra eventos de sobretensão 37. No bloco 44, conforme ilustrado na Figura 3, uma tensão de linha em operação normal ideal fornecida ao sistema de medição 30 pode ser determinada. A tensão de linha pode ser o nível de tensão que é entregue diretamente ao consumidor através da subestação e grade de distribuição de energia 26 no sistema de medição 30. A tensão de linha pode ser uma tensão linha-a-linha em um sistema de energia em duas, três ou multifases, ou o mesmo pode ser uma tensão linha-para-neutro em um sistema de energia em única, duas, três ou multifases. Por meio de exemplo, um sistema de energia de CA de 120V pode abastecer energia a um consumidor em um sistema de energia em única, duas ou três fases. Em um sistema de energia monofásico, a tensão linha-para-neutro em CA de 120V é de, aproximadamente, 120V. Em um sistema de energia bifásico, com as fases deslocadas 180 graus, a tensão linha-para-neutro pode permanecer aproximadamente 120V, mas a tensão linha-a-linha pode ser o dobro da tensão linha-para-neutro ou, aproximadamente, 240V por causa do deslocamento de fase em 180 graus. Adicionalmente, em um sistema trifásico, as fases podem ser deslocadas 120 graus. Portanto, a tensão linha-para-neutro pode permanecer, aproximadamente, 120V, mas a tensão linha-a-linha pode se tornar aproximadamente 120V multiplicada pela raiz quadrada de 3 para dar uma tensão linha-a-linha de, aproximadamente, 208V. Adicionalmente, uma aproximação da tensão de linha em operação normal ideal pode ser calculada pela adição de 20% da tensão de raiz quadrada principal (RMS) de uma linha de energia à tensão de RMS. Por exemplo, se o sistema de energia tem uma tensão de operação de 240Vrms, a tensão de linha em operação normal ideal pode ser cerca de 290Vrms. Como tal, no bloco 44, a tensão de linha para o sistema de medição 30 pode ser determinado com base na tensão e na quantidade de fases do sistema de energia que fornece a energia.

[022] Em seguida, no bloco 46, uma estimativa de tensão para o MOV térmico 42 pode ser selecionada. A estimativa de tensão para o MOV térmico 42 pode ser um valor de tensão no qual o MOV térmico 42 transite de um elemento que causa um circuito aberto para um elemento que atua como uma carga de baixa resistência. A resistência do MOV térmico 42 durante a ativação pode ser negligenciável a tal ponto que o MOV térmico 42 possa atuar substancialmente como uma trajetória de curto circuito através da carga 40. Adicionalmente, embora o MOV térmico 42 receba uma tensão abaixo da estimativa de tensão do MOV térmico 42, o MOV térmico 42 pode atuar como um circuito aberto e acoplar substancialmente toda a tensão que entra no sistema de medição 30 às 32, 34 e 40. Em termos mais concisos, o MOV térmico 42 pode atuar como um comutador quando a tensão que entra no sistema de medição 30 estiver abaixo da estimativa de tensão do MOV térmico 42 e um comutador que é fechado quando a tensão estiver acima da estimativa de tensão do MOV térmico 42. Por essa razão, a estimativa de tensão para o MOV térmico 42 pode ser designada a ficar logo acima da tensão de linha em operação normal ideal que pode ser recebida pelo sistema de medição 30. Entretanto, a estimativa de tensão pode ser limitada a um valor, de modo que a tensão recebida pelo sistema de medição 30 não possa causar danos aos componentes da carga 40 antes de um evento de sobretensão que ativa MOV térmico 42. Por exemplo, se os componentes da carga 40 têm uma tensão de ruptura de 700V, a estimativa de tensão para o MOV térmico 42 pode ser selecionada entre a tensão de linha em operação normal ideal e a tensão de ruptura de 700V dos componentes da carga 40.

[023] Subsequentemente, no bloco 48, uma resistência do resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser selecionada. Para determinar a resistência do resistor fusível de aumento de tensão 38, uma queda de tensão esperada em transversal ao resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser calculada primeiramente para uma condição mínima de funcionamento de tensão de linha (isto é, uma condição de energia de pior caso para o resistor fusível de aumento de tensão 38). Em seguida, uma tensão mínima de funcionamento de corrente contínua (CC) do sistema de medição 30 pode ser determinada para manter os componentes da carga 40 dentro do sistema de medição 30 em um estado ativo. A tensão mínima de funcionamento de CC para o sistema de medição 30 pode ser o nível de tensão de CC que seja capaz de sustentar o sistema de medição 30 durante uma condição de falha de energia quando a grade de transmissão de energia 24 opera na condição mínima de tensão de linha. Adicionalmente à determinação da tensão mínima de funcionamento de CC do sistema de medição 30, uma corrente média que se espera conduzir através do resistor fusível de aumento de tensão 38 quando opera na tensão de linha de funcionamento mínimo pode ser aproximada pela divisão da tensão mínima de funcionamento de CC do sistema de medição 30 pela resistência da carga 40.

[024] Após a tensão mínima de funcionamento de CC para o sistema de medição 30 e a corrente média fornecida na tensão de linha de funcionamento mínimo serem aproximadas, um valor de resistência ideal para o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser calculado para determinar os valores de resistência aceitáveis do resistor fusível de aumento de tensão 38 no bloco 50. Esse cálculo pode ser conseguido com a lei de Ohm, usando a queda de tensão de uma tensão mínima de linha para a tensão mínima de funcionamento de CC para o sistema de medição 30, assim como a corrente média fornecida na tensão de linha de funcionamento mínimo para sustentar uma corrente secundária do sistema de medição 30. Por meio de exemplo apenas, se a corrente média fornecida na tensão de linha de funcionamento mínimo for 0,02A e a queda de tensão da condição mínima de tensão de linha para a tensão mínima de funcionamento de CC para o sistema de medição for 3V, então, o valor de resistência ideal para o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser aproximadamente 150 ohms.

[025] Após calcular a resistência ideal do resistor fusível de aumento de tensão 38, uma resistência do resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser selecionada com base em uma estimativa de energia desejada do resistor fusível de aumento de tensão 38 calculada a partir da queda de tensão da tensão de linha para uma tensão menor que a estimativa de tensão para o MOV térmico 42, assim como uma corrente média fornecida durante a tensão de linha em operação normal. A estimativa de energia pode ser calculada com o uso de um cálculo de energia de W=V*A, em que W representa a energia em watts, V representa a queda de tensão transversal ao resistor fusível de aumento de tensão 38 em volts e A representa a corrente média fornecida na tensão de linha em operação normal em amperes. Se a energia consumida pelo resistor fusível de aumento de tensão 38 exceder os limites aceitáveis estabelecidos pela estimativa de energia desejada, então, a resistência do resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser reduzida do valor de resistência ideal até o consumo de energia do resistor fusível de aumento de tensão 38 alcançar o nível desejado.

[026] No exemplo acima, um resistor fusível de aumento de tensão de 100 ohm 38 pode ser selecionado para dissipar energia continuamente a um máximo de 3W. Em um exemplo, a tensão de linha pode abastecer, aproximadamente, 6W ao sistema de medição 30 durante uma operação padrão. Quando o sistema de medição 30 opera sob baixas condições de linha (por exemplo, 96Vrms para um medidor que funciona tipicamente a 120Vrms), o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode conduzir uma corrente média de aproximadamente 0,125A. Enquanto conduz a corrente média de aproximadamente 0,125A, o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode dissipar uma energia média de aproximadamente 1,5W. A energia média de aproximadamente 1,5W dissipada pelo resistor fusível de aumento de tensão r 38 se encaixa bem na dissipação de energia contínua máxima de 3W do resistor fusível de aumento de tensão 38 enquanto continua a dissipar uma porção razoável de aproximadamente 6W abastecida ao sistema de medição 30. Em outro exemplo, a tensão de linha pode abastecer aproximadamente 10W ao sistema de medição 30 durante a operação padrão.

Se o resistor fusível de aumento de tensão de 100 ohm 38 for usado de um modo similar ao acima, então, o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode dissipar energia em uma faixa que exceda o máximo de dissipação contínua de 3W do resistor fusível de aumento de tensão 38. Em tal situação, o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser substituído por outro resistor fusível de aumento de tensão com um máximo de dissipação contínua maior ou a resistência do resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser reduzida para reduzir a dissipação de energia do resistor fusível de aumento de tensão 38 a uma faixa aceitável abaixo do máximo de dissipação contínua do resistor fusível de aumento de tensão 38. Geralmente, uma resistência mais baixa do resistor fusível de aumento de tensão 38 pode resultar em uma redução da dissipação de energia e uma resistência mais alta pode resultar em um aumento na dissipação de energia pelo resistor fusível de aumento de tensão 38.

[027] Subsequentemente, no bloco 50, as estimativas de energia transiente aceitáveis podem ser determinadas tanto para o resistor fusível de aumento de tensão 38 quanto para o MOV térmico 42. Inicialmente, a tensão e a corrente de operação máxima durante um transiente de aumento de curta duração (por exemplo, um relâmpago) para o resistor fusível de aumento de tensão 38 e o MOV térmico 42 pode ser determinado. Folhas de dados para o resistor fusível de aumento de tensão 38 e o MOV térmico 42 podem fornecer os valores aplicáveis ao resistor selecionado fusível de aumento de tensão 38 e o MOV térmico selecionado 42. Por exemplo, a folha de dados para o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode revelar que a tensão ideal que o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode suportar é aproximadamente 6kV e a corrente ideal pode ser aproximadamente 3kA. Adicionalmente, a folha de dados pode indicar o período de tempo que o resistor fusível de aumento de tensão 38 é capaz de suportar os níveis de tensão e corrente transientes.

Adicionalmente, uma verificação que o MOV térmico 42 permanecerá em operação em uma faixa de tensão de aperto durante a tensão ideal do resistor fusível de aumento de tensão 38 (por exemplo, 6 kV) do transiente de aumento de curta duração pode assegurar que o sistema de proteção contra eventos de sobretensão 37 funcione de um modo desejado.

[028] Após determinar a tensão e corrente de operação ideais do resistor fusível de aumento de tensão 38 e do MOV térmico 42 durante o trnasiente de curta duração, a estimativa de energia transiente aceitável para o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser determinada com o uso da corrente, da queda de tensão e da duração de transiente experimentada durante o transiente de aumento de curta duração. Por exemplo, as equações J=W*s e W=VI pode ser usada para determinar a estimativa aceitável de energia, em que J representa a energia em joules, W representa a energia em Watts, s representa o tempo em segundos, V representa a queda de tensão transversal ao resistor de fusível de aumento de tensão 38 em volts e I representa a corrente em amperes. Adicionalmente, a estimativa de energia transiente aceitável para o MOV térmico 42 pode ser calculado com o uso das mesmas equações com V representando a queda de tensão transversal ao MOV térmico 42 em volts.

[029] Em seguida, no bloco 52, após determinar uma magnitude esperada de um evento estendido de sobretensão no qual o sistema de medição 30 pode permanecer operante (por exemplo, duas vezes a tensão de distribuição típica), a queda de tensão do resistor fusível de aumento de tensão 38 durante o evento de sobretensão estendido pode ser determinado. A queda de tensão do resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser calculado pela subtração da Estimativa de tensão do MOV térmico 42 a partir da magnitude esperada do evento de sobretensão estendido. Com o uso desse valor, a corrente que flui através do resistor fusível de aumento de tensão 38 também pode ser calculada através da lei de Ohm e o valor de corrente pode ser comparado a uma curva tempo-corrente para o resistor fusível de aumento de tensão 38. A curva tempo-corrente para o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode permitir uma determinação de um tempo de fusível do resistor fusível de aumento de tensão durante o evento de sobretensão estendido. Adicionalmente, o tempo de fusível do resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser calculado com a curva tempo-corrente em correntes variáveis que o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode passar durante o evento de sobretensão estendido. Tipicamente, o tempo de fusível do fusível de aumento de tensão 38 pode diminuir na medida em que a corrente aumenta devido à energia aumentada recebida no resistor fusível de aumento de tensão 38.

[030] Adicionalmente, pode ser notado que um benefício adicional de combinar o resistor fusível de aumento de tensão 38 com o MOV térmico 42 durante o evento de sobretensão pode ser que o resistor fusível de aumento de tensão 38 seja selecionado de modo que o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ter um tempo de fusível mais curto que o MOV térmico 42 durante o evento de sobretensão estendido. Quando o resistor fusível de aumento de tensão 38 alcança um tempo esperado de fusível para um nível de corrente que flui para o resistor fusível de aumento de tensão 38, o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode criar um circuito aberto. Devido ao fato de o resistor fusível de aumento de tensão 38 poder se acoplar em série com a carga 40 e o MOV térmico 42, o circuito aberto criado no resistor fusível de aumento de tensão 38 pode impedir a corrente e a tensão excessivas de se acoplar aos componentes da carga 40. Como tal, quaisquer componentes de detecção da carga 40 podem ser protegidos do evento de sobretensão estendido. Adicionalmente, o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser escolhido de modo que o resistor fusível de aumento de tensão 38 tenha um tempo de fusível mais curto que o MOV térmico 42, independente de um nível de corrente retirado pelo resistor fusível de aumento de tensão 38 e experimentado pelo MOV térmico 42. Tal escolha pode criar uma camada extra de proteção contra sobretensão para a carga 40 durante uman evento de sobretensão que dure por um período estendido de tempo. Adicionalmente, pode ser notado que enquanto cargas comerciais 32 e cargas residenciais 34 são geralmente acopladas a um fusível ou disjuntor para limitar efeitos indesejados nas cargas 32, 34 durante eventos de sobretensão estendidos, um sistema padrão de medição geralmente não tem um sistema equivalente de fusível ou disjuntor para limitar efeitos indesejados no sistema padrão de medição durante os eventos de sobretensão estendidos. Ao usar as técnicas e sistemas descritos no presente documento, o sistema de medição 30 pode fornecer proteção melhorada aos componentes de detecção do sistema de medição 30 durante os eventos de sobretensão estendidos.

[031] Após o MOV térmico 42 e o resistor fusível de aumento de tensão 38 serem selecionados (blocos 46, 48, 50 e 52), o MOV térmico 42 e o resistor fusível de aumento de tensão 38 podem ser instalados no bloco 54 dentro do sistema de medição 30. Em algumas modalidades, o MOV térmico 42 e o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser posicionado em uma placa de circuito dentro de um alojamento do sistema de medição 30. Como tal, o MOV térmico 42 e o resistor fusível de aumento de tensão 38 podem estar em proximidade aos elementos de circuito da carga 40 do sistema de medição 30. Em outras modalidades, o MOV térmico 42 e o resistor fusível de aumento de tensão 38 podem ser posicionados em uma placa de circuito em uma área que não está dentro de ou adjacente ao alojamento do sistema de medição 30. Tal posicionamento da proteção contra elementos de sobretensão pode permitir a proteção do sistema de medição 30, mesmo que não esteja próxima ao sistema de medição 30. Pode ser útil perceber, entretanto, que o uso do resistor fusível de aumento de tensão 38 e o MOV térmico 42, após selecionar (blocos 46, 50 e 52) os parâmetros do resistor fusível de aumento de tensão 38 e o MOV térmico 42, podem permitir que o sistema de medição 30 se desconecte da grade elétrica de um modo benigno ao passar por um evento de sobretensão estendido. Como tal, o posicionamento do resistor fusível de aumento de tensão 38 e o MOV térmico 42 a uma distância do sistema de medição 30 pode ser útil em uma situação que envolva restrições de espaço, mas o mesmo pode apenas adicionar uma quantidade mínima de proteção extra para os componentes do sistema de medição 30.

[032] Em seguida à instalação (bloco 54) do resistor 38 e do MOV fusível de aumento de tensão térmico 42 no sistema de medição 30, o sistema de medição 30 pode executar tarefas em um estado protegido na grade elétrica. O estado protegido pode ser alcançado através da combinação do resistor fusível de aumento de tensão 38 e do MOV térmico 42. Enquanto o sistema de medição 30 estiver em um estado protegido, o sistema de medição 30 pode receber um evento de sobretensão da grade elétrica. Quando um evento de sobretensão for recebido, o MOV térmico 42 pode atuar como um comutador de resistência fechado e não linear. Durante o evento de sobretensão, o MOV térmico 42 pode impedir que uma porção substancial de tensão em excesso proveniente do evento de sobretensão seja acoplada aos componentes de detecção da carga 40. Adicionalmente, o resistor de aumento fusível 38 pode, substancialmente, limitar a corrente que entra no sistema de medição 30. Ao receber fluxo de corrente excessiva através do resistor fusível de aumento de tensão 38, o MOV térmico 42 pode abrir quando o MOV térmico 42 passa por fluxo de corrente excessiva por um período estendido de tempo. Devido ao fato de o MOV térmico 42 poder formar um circuito aberto durante um evento de sobretensão estendido, o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode ser projetado para ter um tempo de fusível durante o evento de sobretensão estendido mais curto que o tempo de fusível do MOV térmico 42.

Ao criar um circuito aberto no resistor fusível de aumento de tensão 38 durante o evento de sobretensão estendido, os componentes sensíveis dentro da carga 40 podem ser protegidos de um modo benigno antes de o MOV térmico 42 ter oportunidade de abrir. Por exemplo, em vez de o MOV térmico 42 abrir e resultar em toda a corrente criada pelo evento de sobretensão fluir através da carga 40, o resistor fusível de aumento de tensão 38 pode abrir primeiro, abrindo, efetivamente, o circuito antes de a corrente alcançar a carga 40. Desse modo, os componentes de detecção da carga 40 podem ser protegidos durante o evento de sobretensão estendido.

[033] Essa descrição por extenso usa exemplos para revelar a invenção, que inclui o melhor modo e, também, para permitir que qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, o que inclui fazer e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram àqueles versados na técnica. Tais outros exemplos são destinados a estarem dentro do escopo das reivindicações se os mesmos tiverem elementos que não difiram da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmos incluírem elementos estruturais com diferenças não significativas da linguagem literal das reivindicações.

Reivindicações

Claims

1. DISPOSITIVO, caracterizado pelo fato de que que compreende: um sensor configurado para detectar o uso de energia elétrica; um resistor fusível de aumento de tensão acoplado em série ao sensor; e um varistor térmico de óxido de metal (MOV) acoplado em paralelo ao sensor.

2. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o resistor fusível de aumento de tensão está configurado para desconectar o sensor de uma fonte elétrica durante um evento de sobretensão.

3. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor, o resisto fusível de aumento de tensão e o MOV térmico estão dispostos dentro de um alojamento de medidor elétrico.

4. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor está disposto dentro de um alojamento de medidor elétrico e o resistor fusível de aumento de tensão e o MOV térmico estão dispostos do lado de fora do alojamento de medidor elétrico.

5. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor está configurado para detector o uso de energia elétrica associada a uma fonte elétrica em multifase.

6. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o resistor fusível de aumento de tensão e o MOV térmico estão configurados para receber uma primeira fase de energia elétrica associada à fonte elétrica em multifase.

7. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende um segundo resistor fusível de aumento de tensão e um segundo MOV térmico configurados para receber uma segunda fase de energia elétrica associada à fonte elétrica em multifase.

8. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o resistor fusível de aumento de tensão está configurado para ter um tempo de fusível mais curto que um tempo de fusível do MOV térmico.

9. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma resistência do resistor fusível de aumento de tensão está configurada para limitar uma corrente de entrada durante um evento de sobretensão.

10. MÉTODO, caracterizado pelo fato de que compreende: acoplar um resistor fusível de aumento de tensão que tem uma resistência e uma curva tempo-corrente a um varistor térmico de óxido de metal (MOV) que tem uma estimativa de tensão, em que a resistência, a curva tempo-corrente e a estimativa de tensão são determinadas com base em um ou mais parâmetros de proteção para o resistor fusível de aumento de tensão e o MOV térmico; e acoplar o resistor fusível de aumento de tensão e o MOV térmico a um circuito de medidor elétrico, em que o resistor fusível de aumento de tensão e o MOV térmico estão configurados para proteger os componentes do circuito de medidor elétrico durante um evento de sobretensão.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o resistor fusível de aumento de tensão é acoplado em série ao circuito de medidor elétrico em uma carga a jusante do resisto fusível de aumento de tensão.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o MOV térmico é acoplado em paralelo ao circuito de medidor elétrico e o MOV térmico é acoplado à carga a jusante do resistor fusível de aumento de tensão em uma primeira extremidade e uma carga a jusante do circuito de medidor elétrico em uma segunda extremidade.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, selecionar o resistor fusível de aumento de tensão e o MOV térmico com base em um primeiro período de tempo para que o resistor fusível de aumento de tensão abra quando sofrer sobretensão e um segundo período de tempo para que o MOV térmico forme um circuito aberto durante um evento de sobretensão estendido.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o primeiro período de tempo é menor que o segundo período de tempo.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a estimativa de tensão do MOV térmico é configurada para manter o MOV térmico em um estado aberto durante condições normais de tensão.

16. SISTEMA, caracterizado pelo fato de que compreende: um medidor de serviço público de energia, que compreende: um sensor configurado para detectar o uso de energia elétrica proveniente de uma fonte elétrica em multifase; e um ou mais sistemas de proteção contra eventos de sobretensão acoplados ao sensor para cada fase da fonte elétrica em multifase, em que o um ou mais sistemas de proteção contra eventos de sobretensão, cada um, compreende um resistor fusível de aumento de tensão e um varistor térmico de óxido de metal (MOV).

17. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o um ou mais sistemas de proteção contra sobretensão está configurado para desconectar o medidor de serviço público de energia da fonte elétrica em multifase durante um evento de sobretensão estendido.

18. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o resistor fusível de aumento de tensão está configurado para se fundir em um período de tempo mais curto que o MOV térmico durante um evento de sobretensão.

19. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que uma resistência do resistor fusível de aumento de tensão está configurada para limitar uma corrente de entrada durante um evento de sobretensão.

20. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que os um ou mais sistemas de proteção contra eventos de sobretensão estão configurados para desconectar o medidor de serviço público de energia da fonte elétrica em multifase de um modo benigno durante um evento de sobretensão estendido.