BR102015026712B1 - Equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores - Google Patents

Abstract

EQUIPAMENTO PARA ANÁLISE E DIAGNÓSTICO DE BANCO DE CAPACITORES, descreve-se a presente patente de invenção como um equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores que, de acordo com as suas características, propicia a formação de um equipamento analisador (1) em estrutura do tipo eletroeletrônica baseada em um hardware com saídas de aplicação de tensão no capacitor, entrada de medição da corrente através de pinça de corrente ou garra (7) e um circuito em ponte de aquisição do valor da capacitância do elemento sob teste com os valores de tensão e corrente, e um programa de computador de medição embarcado de controle, coleta, armazenamento, análise estatística, e emissão de diagnóstico, com vistas a possibilitar completa otimização nos procedimentos de análise das características dos capacitores que compõem os bancos de capacitores instalados nos barramentos de alta tensão das subestações de distribuição de energia elétrica, isto é, identificar de maneira rápida o elemento danificado, sem a necessidade de desmontar o banco de capacitores, permitindo assim imediata substituição do capacitor, diminuindo a indisponibilidade e reduzindo os custos.

Description

[001] Refere-se a presente patente de invenção a equipamentos eletroeletrônicos de medição e análise em geral, mais especificamente a um equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores que, de acordo com as suas características gerais, possui como princípio básico propiciar a formação de um equipamento analisador em estrutura própria e específica do tipo eletroeletrônica baseada em um hardware com saídas de aplicação de tensão no capacitor, entrada de medição da corrente através de pinça de corrente e um circuito em ponte de aquisição do valor da capacitância do elemento sob teste com os valores de tensão e corrente, e um programa de computador de medição embarcado de controle, coleta, armazenamento, análise estatística, e emissão de diagnóstico, com vistas a possibilitar de forma extremamente prática, segura e precisa uma completa otimização nos procedimentos de análise das características dos capacitores que compõem os bancos de capacitores instalados nos barramentos de alta tensão das subestações de distribuição de energia elétrica, isto é, identificar de maneira rápida o elemento danificado, sem a necessidade de desmontar o banco de capacitores, permitindo assim imediata substituição do capacitor, diminuindo a indisponibilidade e reduzindo os custos e, tendo como base, um equipamento analisador com grande resistência, segurança e versatilidade. Com design e formato específico e de fácil acesso para melhor adaptação e segurança dos usuários, características de praticidade no manuseio e funcionalidade, de custos bastante acessíveis e, devido as suas características gerais e dimensões, facilmente adaptável a uma vasta gama de banco de capacitores, subestações, técnicos e locais em geral, independentes das características que estes possam apresentar.

[002] O desempenho do transporte de energia elétrica de uma linha de transmissão depende diretamente do seu fator de potência - relação entre a potência ativa (potência útil em MW) e a potência total (MVA), sendo que, para a maioria das concessionárias de energia elétrica os valores limites determinados são definidos entre 0,95 indutivos e 0,95 capacitivos.

[003] A correção do fator de potência para linhas de transmissão é realizada através de banco de capacitores localizados nas subestações de transmissão instaladas entre usinas de energia e centros de consumidores no caso de cidades de médio porte e polos industriais. As instalações dos bancos de compensação de potência reativa possuem capacitores com ou sem fusíveis internos.

[004] Esses capacitores não indicam o seu estado de degradação até sofrerem a perda total, sendo que, esta perda total se dá por desbalanceamento de potência entre as fases, devido à falha em um ou mais capacitores, acontecendo o imediato desligamento do banco, isto é, o sistema elétrico não poderá contar com a correção do fator de potência.

[005] Atualmente, a identificação do capacitor com desvio de seus valores nominais (capacitância, tangente delta) envolve um moroso e exaustivo processo de desmontagem/desconexão de todos os elementos que compõem o banco de capacitores e ensaios em laboratórios para identificação do capacitor ou capacitores danificados através da medição isolada de cada capacitor. Este procedimento implica na indisponibilidade do banco de capacitores num período de até várias semanas, ou seja, representa grande dano ao sistema elétrico e à própria concessionária, através de receita não realizada e potência não compensada.

[006] Esta indisponibilidade não é o único problema gerado pela falta do banco de capacitores na subestação, destacando-se também a incapacidade de correção do fator de potência e do fornecimento de reativos, além da demora em localizar o capacitor danificado.

[007] Nesta concepção de ensaio, é conhecido o instrumento capacímetro (utilizado em bancada) para verificação do capacitor depois que ele é retirado do banco, assim como equipamentos que realizem a operação de verificação e identificação do capacitor danificado, porém com custo elevado. Entre estes equipamentos pode-se citar o modelo MIDAS 2880 da Tettex com sistema de transporte baseado em rodas, porém é pesado e possui alto custo, além disto, os equipamentos de laboratório que poderiam ser utilizados para tal finalidade, não possuem capacidade de variar a frequência ou a amplitude da aplicação do sinal, e são baseados em ponte de Wheatstone; e o modelo CB2000 da ABB, que realiza a extração dos valores de forma indireta, como a medição de corrente a partir da injeção de um sinal de tensão conhecido e controlado, contudo esse equipamento não utiliza a varredura de frequência.

[008] Diversos trabalhos foram publicados referentes a técnicas para monitoração e gerenciamento da qualidade da energia elétrica, sendo que, em todos se busca elevar a qualidade e a confiabilidade dos serviços de energia elétrica, destacando-se questões relativas aos capacitores que compõem o sistema de compensação de reativos da Rede Elétrica. Com base nestes autores, pode-se observar que capacitores são elementos fundamentais para o bom desempenho do sistema de fornecimento de energia elétrica. Daí a necessidade de se monitorar o estado operacional destes elementos frente às várias fontes causadoras de danos aos capacitores.

[009] Por outro lado, o desenvolvimento de sistemas destinados à medição in-situ de capacitores de alta tensão é um assunto pouco encontrado na literatura técnica, restando somente alguns relatos abordando ensaios de capacitores em ambientes de subestações os quais focam questões sobre as diferentes tecnologias de capacitores (com e sem fusíveis internos) e discorrem sobre o uso de programas de computador apropriados a cada um destes casos. Apesar dos autores não apresentarem uma proposta concreta para aplicação, ainda assim apresentam uma interessante lista de características desejáveis.

[0010] Segundo estes autores o sistema deve possuir: sistema especialista interno para imediato diagnóstico da unidade e maior agilidade na tomada de decisão; quantidade adequada de memória para o sistema; coleta dos dados da medição passível de ser armazenada em computadores; dispositivo de medição na forma de garras em alicate para uma medição rápida; compensação da temperatura durante a medição, garantindo imunidade das condições climáticas sobre a medição; sistema de posicionamento que localize fisicamente as unidades em futuras medições; imunidade a interferências eletromagnéticas (EMI) na forma de filtros adequados; e medir tanto por bancos, como por fase ou unidades isoladas.

[0011] Tais características servem como importantes pontos de partida para a especificação preliminar de futuros desenvolvimentos. E, uma questão em particular que merece especial atenção trata-se do ambiente altamente carregado por EMI onde os ensaios são executados. Neste aspecto os procedimentos operacionais deverão abordar questões relativas à compatibilidade eletromagnética. Estes autores concluem que com o uso de tal sistema pode-se obter dados confiáveis que poderão facilmente ser utilizados para determinar o estado do capacitor em teste. E, sugerem também que com o uso de um sistema seguro e de fácil utilização é possível empregar pessoal com menores capacidades técnicas, reduzindo assim os custos associados às medições de campo.

[0012] Na atualidade, com o vasto desenvolvimento de plataformas digitais de processamento, é muito comum o emprego de sistemas computacionais nos mais diversos métodos de medição e/ou instrumentação. Além disto, o uso de sistemas de medição digitais acoplados a capacitores, bem como outros equipamentos de alta tensão, é uma prática bem conhecida.

[0013] A criação de um sistema para análise de diagnóstico de banco de capacitores em alta tensão, utilizando-se recursos da tecnologia da informação, produz como um dos principais benefícios a possibilidade de armazenamento de dados históricos a respeito da evolução operacional das unidades em teste. Esta característica, além de auxiliar nos métodos de prevenção de falhas, pode também gerar dados para outros sistemas. Com referência a simulações sobre o comportamento das redes de energia, diferentes pesquisadores utilizaram como fonte de dados valores de capacitâncias. E, quanto melhor a precisão destas informações, obviamente melhores seriam os resultados finais obtidos.

[0014] Nesta linha de ação, tem-se tornado imprescindível para as empresas concessionárias de energia elétrica, principalmente as responsáveis pela distribuição de energia elétrica, a estruturação de uma versátil, prática, segura e precisa estrutura capaz de analisar e diagnosticar os bancos de capacitores instalados nos barramentos de alta tensão das subestações de distribuição de energia elétrica, sem a necessidade de desmontar os capacitores.

[0015] Em uma ampla análise da literatura, com o intuito de se estabelecer o estado da técnica vigente frente a equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores instalados nos barramentos de alta tensão das subestações, objeto da presente patente, não foram descritos documentos relevantes ao estado da técnica que relacionem o objeto específico reivindicado na presente patente, ou seja, não é conhecido pelo atual estado da técnica nenhum equipamento que permita uma rotina de inspeção preventiva de banco de capacitores instalados nos barramentos de alta tensão das subestações, avaliando o seu estado de degradação.

[0016] Desta forma, a concepção geral do presente equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores, objeto da presente patente, é baseada totalmente na sua estruturação simples e robusta, com um mínimo necessário de componentes e funcionamento extremamente simplificado, seguro e otimizado, aliado aos procedimentos de manufatura e manutenção bastante práticos, de modo a gerar um equipamento analisador extremamente prático e eficiente, baseado em circuitos eletrônicos capazes de gerar os sinais de tensão e corrente de forma controlada e eficiente para excitar o capacitor, permitindo que sua resposta seja tal que o equipamento processe ambos para cálculo da impedância e da tangente de perdas, ou seja, avalia-se, através da definição de limites, o estado de vida do capacitor e também se o mesmo está operando corretamente, reduzindo com isto o tempo de detecção de um capacitor danificado no lote de um banco de alta tensão.

[0017] Em síntese, baseia-se em um equipamento analisador ou instrumento no qual não é necessário desconectar o capacitor do banco instalado, apenas desligando e tomando os devidos cuidados com a segurança, pois consiste em injetar através de um instrumento o sinal elétrico de tensão e medi-lo em relação à corrente resultante no capacitor - injeção de harmônicas para se verificar o desempenho do capacitor, sendo essa medida transformada em informação digital indicativa dos valores medidos e das características calculadas por meio de tais medições.

[0018] De uma forma específica, o equipamento analisador apresenta inovações: na forma de execução da rotina de verificação e identificação de capacitores danificados, pois não necessita de desmonte do banco e envio para laboratório para testes; no algoritmo de execução dos testes em si, pois permitirá realizar os testes com injeção de harmônicas para monitoração da degradação do banco de capacitores; na possiblidade de realizar análises com tensões e frequências variáveis, permitindo que o componente em análise possa ser observado em outras condições que não as nominais, avaliando a performance dos parâmetros identificados como essenciais para a monitoração em situações de presença de harmônicas, pois as harmônicas são o grande causador de danos nos capacitores de alta tensão; e na criação de um banco de dados envolvendo o capacitor medido e a série de dados, permitindo que uma análise posterior seja executada, vislumbrando a possibilidade de detecção de desvios nas medidas, que indicaria danos parciais e internos no capacitor, viabilizando assim avaliar a degradação ao longo do tempo de todo o banco de capacitores.

[0019] Nesta concepção, a patente em apreço caracteriza-se por reunir componentes e processos em uma concepção diferenciada, a qual atenderá às diversas exigências que a natureza da utilização demanda, ou seja, análise e diagnóstico de bancos de capacitores de alta tensão das subestações de distribuição de energia elétrica. Concepção esta que garante um equipamento analisador de grande eficiência, funcionalidade, resistência, durabilidade, segurança, versatilidade, precisão, economia e ergonomia em razão das excelentes qualidades técnicas agregadas, o que proporciona agilidade na execução das manutenções nos bancos de capacitores de alta tensão das subestações de distribuição de energia elétrica, onde os bancos de capacitores estão instalados, e cujas características gerais diferem das demais formas e modelos amplamente conhecidos pelo atual estado da técnica.

[0020] A presente patente consiste no emprego de um moderno, eficiente, seguro e funcional equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores formado por um conjunto de soluções elétricas e eletrônicas corretamente incorporadas, compondo um equipamento analisador completo e diferenciado com design exclusivo, detalhes de ótimo acabamento e características próprias, que incorpora estrutura própria e específica do tipo eletroeletrônica, de elevada durabilidade e resistência, e contendo perfeitamente integrados um hardware como elemento de geração de sinais de tensão e corrente, de forma controlada e eficiente, para excitar o capacitor e permitir uma resposta passível de processamento dos cálculo da impedância e da tangente de perdas; uma garra ou transdutor de corrente como elemento de medição da corrente circulante no capacitor durante a medição de suas propriedades; e um programa de computador de medição como elemento de controle, coleta, armazenamento, análise estatística, e emissão de diagnóstico dos capacitores instalados nos barramentos de alta tensão das subestações de distribuição de energia elétrica, de modo a viabilizar a formação de um conjunto único, completo e seguro, cujas formas e disposições internas e externas possibilitam a perfeita adaptação aos mais diversos tipos de banco de capacitores de subestações de distribuição de energia elétrica, sendo especialmente projetado para estes fins com geometria própria.

[0021] O presente equipamento analisador baseia-se na aplicação de componentes e processos em uma concepção diferenciada, sem, no entanto, atingir um alto grau de sofisticação e complexibilidade, tornando possível solucionar alguns dos principais inconvenientes das demais formas e modelos conhecidos pelo atual estado da técnica e empregados na manutenção e operacionalidade dos bancos de capacitores instalados nos barramentos de alta tensão das subestações de distribuição de energia elétrica, que se situam em uma faixa de trabalho na qual as dificuldades de utilização e aplicação, a baixa eficiência e performance e os acidentes são muito freqüentes e as formas e/ou modelos ou são baseadas em simples adaptações, sendo desta forma de elevada insegurança, grande deterioração e fragilidade, pouca durabilidade e resistência, baixa versatilidade, elevada imprecisão, trabalhosa na aplicação, elevadas perdas, nenhuma ergonomia, baixo rendimento e irrisória performance, ou são de grande porte, sendo de custo bastante elevado, volume e peso geral elevado, pouca flexibilidade, manuseio complexo, elevada manutenção, grande desperdício de tempo, manufatura complexa e baixa performance.

[0022] Os objetivos, vantagens e demais características importantes da patente em apreço poderão ser mais facilmente compreendidas quando lidas em conjunto com as figuras em anexo, nas quais:

[0023] A figura 1A representa uma vista em perspectiva do hardware do equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores acondicionado em maleta.

[0024] A figura 1B representa uma vista em perspectiva do hardware do equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores sem a maleta.

[0025] A figura 1C representa uma vista em perspectiva explodida do hardware do equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores.

[0026] A figura 1D representa um diagrama em blocos da placa de circuito impresso do hardware do equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores.

[0027] A figura 1E representa o esquema funcional de conexões de sinais da placa de circuito impresso do hardware do equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores.

[0028] A figura 2A representa vista frontal da garra do equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores.

[0029] A figura 2B representa uma vista frontal da garra e componentes da garra do equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores.

[0030] A figura 2C representa o esquema elétrico da placa de circuito impresso do condicionador do sinal de corrente da garra do equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores.

[0031] A figura 3 representa um diagrama relacional da operação do equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores.

[0032] A figura 4 representa um fluxograma do processamento do programa de computador de medição do equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores.

[0033] A figura 5 representa um diagrama em blocos do gerador de seno através da técnica DDS implementada no programa de computador de medição do equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores.

[0034] Como se infere nas figuras em anexo que ilustram e integram o presente relatório descritivo da patente de invenção de "Equipamento para Análise e Diagnóstico de Banco de Capacitores", na figura (1A) é apresentado o mesmo de um modo geral, compreendido por um equipamento analisador (1) completo e de características próprias, que incorpora estrutura própria e específica do tipo eletroeletrônica, de elevada durabilidade e resistência, formas e disposições internas e externas que se adaptam aos mais diversos tipos de banco de capacitores de subestações de distribuição de energia elétrica, e contendo integrados e simetricamente entre si um hardware (2) constituído por uma maleta com tampa (3), uma placa de circuito impresso (4), uma bateria recarregável (5) e um visor tela sensível ao toque (6), com a função primordial de gerar sinais de tensão e corrente de forma controlada e eficiente para excitar o capacitor; e uma garra ou transdutor de corrente (7) disposta interligada a placa de circuito impresso (4) através de cabo de comunicação e ao capacitor sob teste que compõem os bancos de capacitores instalados nos barramentos de alta tensão das subestações de distribuição de energia elétrica, com a função primordial de medir a corrente circulante no capacitor.

[0035] O hardware (2) é constituído por uma maleta com tampa (3) que possui estanqueidade a líquidos e poeiras, paredes sólidas, resistência a esforços mecânicos, O-ring de vedação e válvula automática de equalização de pressão e contém uma base de fixação (3A) de formato similar a um "U" e disposta vertical, paralela e simetricamente fixada em toda a extensão da parte interna da maleta com tampa (3), e um painel (3B) de formato retangular, disposto horizontal, paralelo e simetricamente fixada sobre e ao longo de toda a extensão da face súpero-interior da maleta com tampa (3) e das extremidades superiores da base de fixação (3A) e tendo luzes de indicação (3C), chave de liga/desliga (3D), conector para fonte de energia (3E), entrada para cartão de memória (3F), conectores tipo banana para sinal de tensão (3G), conector circular de oito terminais para a garra de corrente (3H), conector USB (3I) como comunicação com o computador pessoal para descarga de dados, sendo o painel (3B) e seus componentes interligados a placa de circuito impresso (4); uma placa de circuito impresso (4) disposta vertical e simetricamente encaixada na parte interna da base de fixação (3A) e tendo processador do tipo ARM (Advanced Risc Microprocessor) (4A) com conversores analógico-digital e digital- analógico em vista do volume de processamento e os requisitos de velocidade, interface de gravação e depuração (4B), interface de comunicação serial - SPI (4C) como comunicação com o processador (4A), armazenamento de dados (4D), fonte de alimentação (4E) alimentada por bateria recarregável (5) de 12V/4,5Ah, circuitos de excitação de tensão (4F) com um amplificador linear estéreo, circuito de condicionamento de tensão (4G) com um divisor resistivo de adaptação de nível de tensão e um filtro anti-aliasing de primeira ordem para frequência de corte de 50 kHz, circuito de condicionamento de corrente (4H) com um filtro anti-aliasing de primeira ordem para frequência de corte de 50 kHz, e sensor digital de temperatura (4I), sendo o relógio de tempo real com um super-capacitor garantidor da hora e data configurada e a comunicação com o processador (4A) através de barramento I2C compartilhado pelo sensor digital de temperatura (4I); uma bateria recarregável (5) disposta vertical, paralela e simetricamente encaixada na parte interna da base de fixação (3A) e interligada a placa de circuito impresso (4); e um visor tela sensível ao toque (6) de formato paralelepipedal, disposto horizontal, paralelo e simetricamente fixado na face superior do painel (3B) e interligado a placa de circuito impresso (4) através de sua placa controladora, com a função primordial de interface homem-máquina;

[0036] A garra ou transdutor de corrente (7) é constituída por uma garra (7A) que possui alta sensibilidade, medição de corrente diferencial a partir de 500μA, faixa de medição de corrente até 400A, duas escalas de medição em 4A ou 400A, grande diâmetro interno de medição (>10cm), trabalha com sistemas monofásico, bifásico e trifásico, e é conectada diretamente à multímetros, e contém uma placa de circuito impresso condicionadora de sinais (7B), um circuito amplificador disposto paralela e simetricamente no cabo da garra (7A) em substituição à placa de circuito impresso original da garra (7A) e tendo dois amplificadores para gerar o sinal de saída diferencial com maior imunidade aos ruídos externos quando comparado ao sinal unipolar.

[0037] O diâmetro interno de medição da garra (7A), pouco maior que dez centímetros, é suficientemente grande para atender os capacitores de alta tensão para os quais o equipamento analisador (1) se propõe. Em sua escala de maior sensibilidade, a garra de medição tem em seus terminais de saída 1V para cada 1A circulando no interior de seu núcleo magnético, de modo que, nesta escala, a máxima corrente permitida é de 4A, estabelecendo o limite máximo para o sinal de excitação do capacitor.

[0038] Como a placa de circuito impresso condicionadora de sinais (7B), circuito de condicionamento de sinais da garra de corrente, possui a finalidade de minimizar o ruído acoplado no sinal de corrente, optou-se por projetar um circuito amplificador diferencial e instalar o circuito no ponto mais próximo da geração do sinal, de modo que o sinal seja transmitido para a placa de circuito impresso (4) em uma amplitude maior e menos sujeita a interferências externas.

[0039] No circuito de excitação de tensão (4F) a forma de onda gerada pelo DAC passa por um filtro de reconstrução para eliminar as distorções de alta frequência inerentes ao retentor de ordem zero, sendo o sinal filtrado amplificado para poder ser aplicado no capacitor. A máxima frequência de teste especificada em 3kHz, o que se enquadra dentro da faixa de áudio, determinou a utilização de um amplificador linear estéreo para implementar a etapa de potência do circuito de excitação de tensão (4F). Utilizando-se as duas saídas conectadas em paralelo é possível gerar formas de onda diferenciais com 24Vpp e atingir a potência 30VA com distorção menor que 0,1%, mesmo com as altas correntes de ensaio no caso de testes de altas capacitâncias com frequências na ordem de 3kHz.

[0040] Nos Circuitos de Condicionamento para Sinais Analógicos - circuitos de condicionamento de tensão (4G) e corrente (4H), os sinais analógicos de tensão e corrente do capacitor são amostrados pelo ADC interno do processador (4A), cuja entrada é diferencial e possui fundo de escala de 3,3V. A ordem de grandeza das correntes a serem medidas pode variar de aproximadamente 50 μA até 2A. Para atender esta faixa de medição sem comprometer a precisão, foi utilizado um circuito amplificador com ganho programável digitalmente, no qual o ganho pode ser configurado em sete valores distintos entre 10 a 1000. Um filtro anti-aliasing de especificação idêntica ao do sinal de tensão também foi utilizado para garantir a mesma defasagem entre os sinais de tensão de corrente. De forma a minimizar o efeito de interferências e acoplamento de ruído no cabo de interconexão, o circuito de condicionamento de corrente (4H) foi projetado para operar de forma diferencial. Além disso, este foi propositalmente posicionado o mais próximo possível da origem do sinal, ou seja, acondicionado dentro do transdutor de corrente (7), e ainda tomou-se a precaução de utilizar uma blindagem eletromagnética, tanto do cabeamento quanto do próprio circuito.

[0041] O equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores consiste também de um programa de computador de medição específico em linguagem de programação C# e embarcado em um computador portátil.

[0042] A principal funcionalidade do programa de computador de medição é realizar a geração das formas de onda de tensão e corrente, varredura de frequências de 30Hz até 3KHz, aquisição de tensão e corrente, e processamento dos dados adquiridos em cada uma das frequências, sendo a varredura das frequências realizada de forma logarítmica.

[0043] Este programa de computador de medição permite um acompanhamento mais efetivo dos dados e medições dos capacitores ao longo do tempo através do armazenamento em sua memória interna (4D) e visualização através do visor (6) que demonstra em forma de tabela e de gráfico os dados do capacitor, parâmetros de medição e listagem das medidas, sendo a busca realizada por local, identificação ou número de série do capacitor, e por data da medição.

[0044] O funcionamento do programa de computador de medição consiste, basicamente, das seguintes funções: leitura dos arquivos gerados pelo equipamento analisador; cadastro de capacitores, podendo ser diretamente no equipamento analisador (1) ou no programa de computador de medição (facilita a rotina de medição); armazenamento, pesquisa e exibição das medições; e exportação dos dados.

[0045] Cabe ressaltar que o programa de computador de medição possui o seu funcionamento baseado na síntese digital direta - DDS, geração de forma de onda através de técnica DDS, que é uma técnica utilizada em processamento digital de dados para gerar um sinal de saída com frequência e fase precisamente controladas e referenciada a um relógio de referência de frequência fixa; um controlador periférico DMA (PDC - Peripheral DMA Controller) para realizar a aquisição dos dados de tensão e corrente sem necessitar utilizar a CPU para realizar as aquisições, pois o conversor DA utilizado para a geração de ondas consome grande parte do tempo de processamento da CPU disponível; e um algoritmo de processamento para realizar o cálculo da tangente de perdas, bem como o valor da capacitância e da resistência para todas as frequências analisadas.

[0046] Na síntese digital direta - DDS, geração de forma de onda através de técnica DDS, o acumulador de fase recebe como sinais de entrada o relógio de referência e o valor de configuração da frequência de saída e o sinal de saída do conversor DA é a senóide desejada, ou seja, o principal componente é o acumulador de fase, um contador que incrementa o número armazenado a cada vez que recebe um pulso do relógio, sendo a magnitude do incremento determinada por uma palavra binária. A saída do acumulador de fase é linear, em forma de rampa, portanto, a mesma não pode ser utilizada diretamente para gerar a forma de onda desejada. Os bits mais significativos da soma do acumulador são mapeados em uma tabela, no caso a tabela de seno com oito mil cento e noventa e dois pontos, em que os valores são convertidos para a amplitude da onda senoidal. Os valores mapeados pela tabela são convertidos pelo conversor DA e externalizados na forma de um sinal analógico.

[0047] A frequência de saída obtida pelo sistema, que relaciona o acumulador de fase com a palavra binária, é definida por: = (M * REFCLK) / 2N, onde M é a palavra binária, REFCLK é a frequência do relógio de referência interno e N é a largura em bits do acumulador de fases.

[0048] Neste caso específico, o acumulador de fase utilizado possui trinta e dois bits, e apenas os treze mais significativos são utilizados para indexar a tabela de seno. Nesta tabela são utilizados oito mil cento e noventa e dois pontos, porque assim é garantida a obtenção de todas as combinações de palavras binárias de treze bits que alimentam o conversor DA. Com estes parâmetros é possível gerar qualquer frequência dentro dos limites especificados para o equipamento analisador com uma resolução de 91,3 μHz.

[0049] A utilização da síntese digital direta - DDS, geração de forma de onda através de técnica DDS, apresenta como vantagens: resoluções de μHz na frequência de saída e capacidade de sintonizar em sub-graus; extremamente rápido na troca de frequência; elimina a necessidade de sintonização e ajuste manual do sistema associados com o envelhecimento de componentes e variação da temperatura em soluções analógicas; e a interface de controle digital da arquitetura DDS facilita um ambiente onde sistemas podem ser controlados remotamente, e minuciosamente otimizados, sob controle do processador.

[0050] O controlador periférico DMA (PDC - Peripheral DMA Controller) transfere dados entre os periféricos (neste caso o ADC) e a memória SRAM interna ao processador, isto é, aplicando-o é possível remover a sobrecarga do processador (4A) através da redução de intervenções durante a transferência, reduzindo significativamente o número de ciclos do relógio requeridos para a transferência de dados, o que melhora a performance do processador (4A). Quando um número estipulado de dado é transferido, uma interrupção é ativada para o tratamento dos mesmos, ou seja, os dados aquisitados pelo ADC são automaticamente armazenados nos buffers de tensão e corrente e apenas quando todas as mil e vinte e quatro amostras forem concluídas inicia-se o processamento, não necessitando utilizar uma interrupção para cada amostra individualmente. Para cada frequência analisada, antes de realizar a aquisição, a taxa de amostragem do conversor ADC é recalculada, bem como o valor da palavra binária de configuração da frequência do DDS, para que assim sempre haja quatro ciclos da onda senoidal nas mil e vinte e quatro amostras adquiridas.

[0051] No algoritmo de processamento as curvas de tensão e corrente adquiridas passam por um processo de transformação para o domínio da frequência através do algoritmo de DFT (Discrete Fourier Transform), de modo que, a partir dos parâmetros da componente fundamental é construído o diagrama fasorial, através do qual é possível encontrar o valor do ângulo α entre os vetores de tensão e corrente, baseando-se na metodologia e cálculos que serão detalhados a seguir.

[0052] Considerando o diagrama fasorial - fasor de tensão V e fasor de corrente I, o objetivo é encontrar o ângulo α entre os vetores a partir das componentes reais e imaginárias dos dois vetores com o menor custo computacional possível. A partir do diagrama fasorial é possível obter as componentes reais e imaginárias, bem como a fase de ambos os fasores de tensão e corrente.

[0053] O valor do ângulo dos vetores pode ser obtido a partir das componentes reais e imaginárias pela função arco-tangente, assim como o valor do ângulo α entre os dois vetores, conforme:

[0054] Para realizar o cálculo do valor da resistência e da capacitância utilizou-se o modelo do circuito RC em paralelo, onde primeiramente, calcula-se o valor da impedância Z, em que V representa o valor do módulo da tensão e I o valor do módulo da corrente.

[0055] Onde é o valor da reatância capacitiva calculada, com base nos valores calculados para a impedância e para o resistor, e f é o valor da frequência em Hz.

[0056] O equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores consiste também de um programa de computador específico para teste e calibração em linguagem de programação C# e embarcado em um computador portátil com uma interface para teste e calibração do equipamento analisador.

[0057] Este programa de computador para teste e calibração realiza a função de plotar as curvas senoidais de tensão e corrente a partir dos dados gerados pelo equipamento analisador (1) e transferidos via porta USB. Utilizando o mesmo conceito do algoritmo de processamento do programa de computador de medição, através do diagrama fasorial, são realizados os cálculos do ângulo entre os vetores de tensão e corrente, capacitância e resistência. Dessa forma é possível validar os cálculos realizados no programa de computador de medição, comparando os resultados obtidos para o mesmo capacitor. Para validar os cálculos implementados foram geradas senóides ideais com valores conhecidos do ângulo, capacitor e resistor.

[0058] Como meio de comprovação foram testados os seguintes circuitos: um capacitivo, um capacitivo com pequeno erro no ângulo (para se observar o comportamento em caso de erro de medição) e um resistivo capacitivo. Com os resultados encontrados de acordo com o esperado, conclui-se que os cálculos estão corretos, tornando possível a validação da mesma metodologia implementada no equipamento analisador.

[0059] De forma teórica, o equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores possui o seu funcionamento baseado no princípio da medição dos parâmetros do banco de capacitores, no qual se aplica uma tensão com forma de onda senoidal de frequência conhecida nos terminais do capacitor e analisa-se a corrente que flui pelo elemento, contudo a análise em frequência implica em repetir este procedimento de medida aplicando-se uma varredura em diversas frequências pré-determinadas com o equipamento analisador (1) gerando a forma de onda de tensão com impedância significativamente baixa para excitar o capacitor sem provocar distorções e produzir as correntes necessárias para a medição.

[0060] De forma prática, o equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores possui o seu funcionamento baseado na utilização do equipamento analisador (1) pelo operador junto ao banco de capacitores instalados nos barramentos de alta tensão das subestações de distribuição de energia elétrica e na transferência dos dados coletados, isto é, arquivo contendo os dados de identificação do capacitor, parâmetros de funcionamento e as medições propriamente ditas, por este para o computador pessoal através de cabo USB entre o equipamento analisador (1) e o computador pessoal ou através de um cartão de memória SD.

[0061] De forma operacional, a interação do usuário com o equipamento analisador (1) é realizada através do visor (6) sensível ao toque. Antes de iniciar a medição, o técnico configura os dados do capacitor para posterior referência. Se o técnico desejar, pode visualizar as formas de onda de tensão e de corrente que estão sendo adquiridas, bem como os valores calculados para cada frequência, enquanto a medição é realizada. Ao final das aquisições, se o usuário desejar, é armazenado no cartão de memória um arquivo contendo os valores calculados para a capacitância e para a tangente de perdas em todas as frequências de teste.

Exemplo

[0062] A eficiência do equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores pode ser mais bem analisada e interpretada através de um exemplo prático e não restritivo de sua aplicação em um capacitor de 200kVAr e tensão de trabalho de 7.96kV, cuja capacitância nominal é 8.671 μF.

[0063] A fonte de alimentação (4E) de 12V alimenta as placas eletrônicas e a forma de onda de tensão gerada pelo circuito eletrônico é aplicada diretamente nos terminais do capacitor; a garra ou transdutor de corrente (7) é utilizada para a medição da corrente do capacitor e seus sinais são conectados na placa eletrônica (4) através de um cabo de aproximadamente três metros de comprimento; e o osciloscópio é utilizado para fazer a comparação e aferição dos sinais de tensão e corrente, e para tal uma garra ou transdutor de corrente (7) ativo é utilizado.

[0064] Durante este ensaio, a frequência da tensão aplicada foi variada entre os valores de 30Hz a 3kHz de forma logarítmica, sendo que, na tela do visor (6) é possível visualizar a forma de onda da tensão e da corrente medida nos terminais do capacitor, bem como os seus valores eficazes, o valor resultante da impedância capacitiva e finalmente o valor estimado da capacitância.

[0065] O equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores, por possuir os seus componentes totalmente integrados entre si, proporciona um alto índice de performance e eficiência, aliado a alta durabilidade e absoluta segurança. Depois de totalmente integrados entre si e aos capacitores que compõem os bancos de capacitores instalados nos barramentos de alta tensão das mais diversas subestações de distribuição de energia elétrica, os componentes ficam presos e coesos, impedindo desta maneira que se soltem sozinhos quando em uso, ficando o conjunto totalmente disponível para os procedimentos de análise das características dos mais diversos tipos de capacitores sem a necessidade de desmontar o banco de capacitores. Desta maneira, o equipamento analisador (1) pode ser utilizado sem preocupações de quaisquer naturezas, principalmente quanto à durabilidade e segurança dos seus componentes e segurança dos seus usuários.

[0066] Por tudo que foi exposto, trata-se de um analisador que será bem recebido pelos técnicos de manutenção, pois o equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores apresenta inúmeras vantagens, tais como: grande segurança, confiabilidade e agilidade na aplicação; grande rendimento e performance na sua aplicação em virtude de sua concepção geral; elevado conforto, comodidade e segurança aos usuários; altíssima resistência e durabilidade geral, aliado a um baixo ou nenhum desgaste do conjunto como um todo; custos totalmente acessíveis o que possibilita uma ótima relação custo/benefício; prática e segura utilização por qualquer usuário; grande faixa de alcance; perfeita e direta adaptação aos mais diversos tipos de banco de capacitores; elevada precisão operacional; grande mobilidade e flexibilidade do conjunto; peso e dimensões gerais totalmente compatíveis; e a certeza de se ter um equipamento analisador (1) que atenda plenamente as legislações e normas vigentes e as condições básicas necessárias a sua aplicação como segurança, precisão e performance.

[0067] Todos estes atributos permitem classificar o equipamento para análise e diagnóstico de banco de capacitores, como um meio totalmente versátil, eficiente, prático e seguro para ser aplicado nos procedimentos de análise das características dos mais diversos tipos de capacitores que compõem uma vasta gama de bancos de capacitores instalados nos barramentos de alta tensão das mais diversas subestações de distribuição de energia elétrica, independente das características gerais que estes possam apresentar, sendo ainda de grande facilidade de aplicação e manuseio, aliada a grande performance e excelentes características gerais; contudo as medidas, dimensões e quantidades podem variar de acordo com as necessidades gerais de cada aplicação.

Claims (1)

1.) "EQUIPAMENTO PARA ANÁLISE E DIAGNÓSTICO DE BANCO DE CAPACITORES", caracterizado por ser compreendido por um equipamento analisador (1) que incorpora estrutura eletroeletrônica contendo integrados um hardware (2) e uma garra ou transdutor de corrente (7) disposta interligada a placa de circuito impresso (4) através de cabo de comunicação e ao capacitor sob teste que compõem os bancos de capacitores instalados nos barramentos de alta tensão das subestações de distribuição de energia elétrica; sendo o hardware (2) constituído por uma maleta com tampa (3) que possui estanqueidade a líquidos e poeiras, paredes sólidas, resistência a esforços mecânicos, O-ring de vedação e válvula automática de equalização de pressão e contém uma base de fixação (3A) de formato similar a um "U" e disposta vertical, paralela e simetricamente fixada em toda a extensão da parte interna da maleta com tampa (3), e um painel (3B) de formato retangular, disposto horizontal, paralelo e simetricamente fixada sobre e ao longo de toda a extensão da face súpero-interior da maleta com tampa (3) e das extremidades superiores da base de fixação (3A) e tendo luzes de indicação (3C), chave de liga/desliga (3D), conector para fonte de energia (3E), entrada para cartão de memória (3F), conectores tipo banana para sinal de tensão (3G), conector circular de oito terminais para a garra de corrente (3H), conector USB (3I) como comunicação com o computador pessoal para descarga de dados, sendo o painel (3B) e seus componentes interligados a placa de circuito impresso (4); cuja placa de circuito impresso (4) é disposta vertical e simetricamente encaixada na parte interna da base de fixação (3A) e tendo processador (4A) do tipo ARM (Advanced Risc Microprocessor) com conversores analógico-digital e digital-analógico, interface de gravação e depuração (4B), interface de comunicação serial - SPI (4C) como comunicação com o processador (4A), armazenamento de dados (4D), fonte de alimentação (4E) alimentada por bateria recarregável (5) de 12V/4,5Ah, circuitos de excitação de tensão (4F) com um amplificador linear estéreo, circuito de condicionamento de tensão (4G) com um divisor resistivo de adaptação de nível de tensão e um filtro anti-aliasing de primeira ordem para frequência de corte de 50 kHz, circuito de condicionamento de corrente (4H) com um filtro anti-aliasing de primeira ordem para frequência de corte de 50 kHz, e sensor digital de temperatura (4I), sendo o relógio de tempo real com um super-capacitor garantidor da hora e data configurada e a comunicação com o processador (4A) através de barramento I2C compartilhado pelo sensor digital de temperatura (4I); em que no dito circuito de condicionamento de tensão (4G) e no dito circuito de condicionamento de corrente (4H), os sinais analógicos de tensão e corrente do capacitor são amostrados pelo ADC interno do processador (4A), cuja entrada é diferencial e possui fundo de escala de 3,3V, e a ordem de grandeza das correntes a serem medidas varia de 50 μA até 2A, sendo utilizado um circuito amplificador com ganho programável digitalmente, no qual o ganho é configurado em sete valores distintos entre 10 a 1000; uma bateria recarregável (5) é disposta vertical, paralela e simetricamente encaixada na parte interna da base de fixação (3A) e interligada a placa de circuito impresso (4); e um visor tela sensível ao toque (6) de formato paralelepipedal, é disposto horizontal, paralelo e simetricamente fixado na face superior do painel (3B) e interligado a placa de circuito impresso (4) através de sua placa controladora, com a função primordial de interface homem-máquina; cuja garra ou transdutor de corrente (7) é constituída por uma garra (7A) que possui alta sensibilidade, medição de corrente diferencial a partir de 500μA, faixa de medição de corrente até 400A, duas escalas de medição em 4A ou 400A, diâmetro interno de medição maior que 10cm, trabalha com sistemas monofásico, bifásico e trifásico, e é conectada diretamente à multímetros na escala Vac, e contém uma placa de circuito impresso condicionadora de sinais (7B) ou circuito amplificador disposta paralela e simetricamente no cabo da garra (7A) em substituição a placa de circuito impresso original da garra (7A) e tendo dois amplificadores geradores do sinal de saída diferencial de imunidade aos ruídos externos; e algoritmo de controle de medição automática da capacitância dos capacitores por meio de varredura contínua de frequências de variação de forma logarítmica na faixa de 30Hz a 3kHz com resolução de 91,3 μHz.

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