BR112013024385B1

BR112013024385B1 - conjunto sensor

Info

Publication number: BR112013024385B1
Application number: BR112013024385-6A
Authority: BR
Inventors: Joshua J. Herz; David Billings
Original assignee: Qualitrol Company, Llc
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2021-06-08
Also published as: WO2012135017A2; KR20140023915A; BR112013024385A2; CN103765167B; EP2691748A4; US20120247185A1; EP2691748B1; US8839658B2; MX2013010942A; EP2691748A2; MX350404B; CN103765167A; WO2012135017A3

Abstract

CONJUNTO SENSOR A invenção fornece um conjunto sensor para determinar a concentração de hidrogênio em um fluido isolante em equipamento de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. O conjunto inclui um alojamento que tem nela uma abertura que comunica com o fluido, um sensor para hidrogênio disposto no alojamento e que responde a concentração de hidrogênio no fluido e que gera um sinal relacionado a concentração de hidrogênio, e um sensor para pressão disposto no alojamento que responde ao fluido e que gera um segundo sinal indicativo da pressão do fluido no equipamento. O conjunto ainda inclui um processador de sinal disposto no alojamento e conectado ao sensor para hidrogênio e ao sensor para pressão, e que responde aos primeiro e segundo sinais para gerar um terceiro sinal que representa a concentração de hidrogênio no fluido.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] Esta invenção é relativa ao sensoriamento de hidrogênio em óleos. Ela é relativa, em particular, a aparelhos para sensoriamento de hidrogênio em óleo de equipamento de geração, distribuição e transmissão de energia elétrica.

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

[002] Equipamento elétrico, em particular equipamento elétrico de média voltagem, ou de alta voltagem, requer um alto grau de isolamento elétrico e térmico entre seus componentes. Consequentemente, é bem conhecido encapsular componentes de equipamento elétrico, tais como bobinas de um transformador em um vaso de contenção, e preencher o vaso de contenção com um fluido. O fluido facilita a dissipação de calor gerado pelos componentes, e pode ser circulado através de um trocador de calor para reduzir, de maneira eficiente, a temperatura de operação dos componentes. O fluido também serve como isolamento elétrico entre componentes, ou para suplementar outras formas de isolamento dispostas ao redor dos componentes, tais como papel de celulose ou outros materiais isolantes. Qualquer fluido que tenha as propriedades elétricas e térmicas desejadas pode ser utilizado. Tipicamente, equipamento elétrico é preenchido com um óleo tal como óleo de rícino, óleo mineral, ou óleo vegetal, ou um “óleo” sintético tais como difenil clorado, silicone ou hexafluoreto de enxofre.

[003] Muitas vezes, equipamento elétrico é utilizado em um ambiente crítico para a missão, no qual falha pode custar muito caro ou mesmo ser catastrófica devido a uma perda de energia elétrica para sistemas críticos. Em adição, falha de equipamento elétrico de maneira ordinária resulta em uma grande quantidade de dano ao próprio equipamento e equipamento circundante, requerendo, assim, substituição de equipamento caro. Além disto, tal falha pode provocar dano a pessoal, devido a choque elétrico, incêndio, ou explosão. Portanto, é desejável monitorar o estado de equipamento elétrico para predizer falha potencial do equipamento por meio da detecção de falhas incipientes, e realizar a ação de remediação através de reparo, substituição, ou ajustamento de condições operacionais do equipamento. Contudo, o desempenho e comportamento de equipamento elétrico preenchido com fluido, de maneira inerente, se degrada com o tempo. Falhas e falhas incipientes deveriam ser distinguidas de degradação normal e aceitável.

[004] Um método conhecido de monitorar o estado de equipamento elétrico preenchido com fluido é monitorar diversos parâmetros do fluido. Por exemplo, a temperatura do fluido e o gás combustível total (TCG) no fluido é conhecido ser indicador do estado operacional do equipamento elétrico preenchido com fluido. Portanto, monitorar estes parâmetros do fluido pode fornecer uma indicação de quaisquer falhas incipientes no equipamento. Por exemplo, foi descoberto que monóxido de carbono é dióxido de carbono aumentam em concentração com o envelhecimento térmico e degradação de isolamento de celulose em equipamento elétrico. Hidrogênio e diversos hidrocarbonetos (e derivados deles, tais como acetileno e etileno) aumentam em concentração devido aos pontos quentes provocados por correntes que circulam, e colapso de dielétrico tal como efeito coroa (corona) e formação de arco. Concentrações de oxigênio e nitrogênio indicam a qualidade do sistema de pressurização do gás empregado em um equipamento grande, tal como transformadores. Consequentemente, ‘análise de gás dissolvido” (DGA) tornou-se um método bem aceito de discernir falhas incipientes em equipamento elétrico preenchido com fluido.

[005] Em métodos DGA convencionais, uma quantidade de fluido é removida do vaso de contenção do equipamento através de uma válvula de dreno. O fluido removido é então submetido a teste para gás dissolvido em um laboratório ou por meio de equipamento no campo. Este método de testar é referido aqui como DGA “desconectada” (off-line). Uma vez que os gases são gerados por diversas falhas conhecidas, tais como degradação de material de isolamento ou outras porções de componentes elétricos no equipamento, curtos de espira para espira em bobinas, sobrecarga, conexões frouxas, ou similares, diversas teorias de diagnóstico foram desenvolvidas para correlacionar as quantidades de diversos gases no fluido com falhas particulares do equipamento elétrico no qual o fluido está contido. Contudo, uma vez que métodos convencionais de DGA desconectada requerem remoção de fluido do equipamento elétrico, estes métodos não: 1) produzem informação de posição localizada relacionada a qualquer falha no equipamento, 2) levam em consideração variações espaciais de gases no equipamento, e 3) fornecem dados em tempo real relacionados a falhas. Se a análise é conduzida fora do local, resultados podem não ser obtidos por diversas horas. Falhas incipientes podem desenvolver para falha do equipamento durante tal período de tempo.

[006] A medição de gás hidrogênio no óleo de um transformador elétrico é de interesse, uma vez que ela é uma indicação do colapso do óleo provocado por um superaquecimento e/ou formação de arco dentro do transformador. O óleo do transformador resfria o transformador e atua como um dielétrico. Quando o gás ou óleo do transformador envelhece, ele se torna um dielétrico menos efetivo. O aumento em hidrogênio dissolvido no óleo do transformador é um indicador da falha futura do transformador.

[007] Para grandes transformadores existem sensores de hidrogênio que utilizam cromatografia de gás ou espectroscopia fotoacústica para determinar a quantidade de gás hidrogênio dentro de um óleo de transformador. Tais dispositivos são muito caros e a despesa não é justificada para transformadores menores. Existem diversos transformadores pequenos mais velhos que poderiam ser monitorado se um método de baixo custo para fazer isto estivesse disponível.

[008] Um monitor de gás de custo mais baixo, o Hydran™ M2 fabricado por General Electric Company esteve em utilização. Contudo, este monitor de gás somente sensorear gases combustíveis, e então utiliza uma fórmula para avaliar quanto do gás tipicamente é hidrogênio e quanto mais são outros gases.

[009] Um artigo “Overview of Online Oil Monitoring Technologies” (Visão global de tecnologias de monitoramento de óleo conectadas) por Tim Cargol na Fourth Annual Weidmann-ACTI Technical Conference, San Antonio 2005, fornece uma discussão de técnicas de medição de gás de óleo que incluem medição de hidrogênio.

[0010] Sensores de paládio para hidrogênio são descritos em “Gases and Technology”, de julho/agosto de 2006, no artigo “Palladium Nanoparticle Hydrogen Sensor” (Sensor para hidrogênio de nanopartículas de paládio), páginas 18-21. Sensores de paládio são também descritos nas Publicações de Patente US 2007/0125153 - Visel e outros, 2007/0068493 - Pavlovsky, e 2004/0261500- Ng e outros. O Pedido de Patente US Número 2010/007828 divulga um sensor para hidrogênio para um transformador elétrico.

[0011] Existe uma necessidade por um método de baixo custo para determinar conteúdo de gás hidrogênio em óleos, tal como em equipamento de geração, distribuição e transmissão de energia elétrica, especialmente transformadores. Existe uma necessidade particular por um método e aparelho para montar um sensor para hidrogênio a equipamento de geração distribuição e transmissão de energia elétrica que não requeira retirar o equipamento de serviço e, preferivelmente, que utiliza acessórios existentes ou portas no equipamento, sem a necessidade de fazer novas aberturas nos alojamentos para o equipamento. Seria particularmente vantajoso fornecer um método e aparelho para ligar um sensor para hidrogênio ao transformador, ou similar, utilizando a porta utilizada para um sensor de pressão, especialmente um sensor de subida rápida de pressão.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0012] A invenção fornece um conjunto sensor para determinar a concentração de hidrogênio em um fluido isolante em equipamento de geração, distribuição e transmissão de energia elétrica. O conjunto inclui um alojamento que tem nela uma abertura que comunica com o fluido, um sensor para hidrogênio disposto no alojamento e que responde a concentração de hidrogênio no fluido e que gera um sinal relacionado à concentração de hidrogênio, e um sensor de pressão disposto no alojamento que responde ao fluido e que gera um segundo sinal indicativo da pressão do fluido no equipamento. O conjunto ainda inclui um processador de sinal disposto no alojamento e conectado ao sensor para hidrogênio e ao sensor de pressão e que responde aos primeiro e segundo sinais para gerar um terceiro sinal que representa a concentração de hidrogênio no fluido.

BREVE DESCRIÇÃO DE DIVERSAS VISTAS DO(S) DESENHO(S)

[0013] A figura 1 é uma vista de um transformador que indica possíveis localizações para as ligações para sensores.

[0014] A figura 2 é uma vista de um transformador que indica uma localização no transformador.

[0015] A figura 3 é uma vista de topo do alojamento de sensor mostrada na figura 2.

[0016] A figura 4 é uma vista em perspectiva do alojamento para sensores.

[0017] A figura 5 é uma seção transversal do alojamento da invenção com sensores instalados.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0018] A invenção fornece inúmeras vantagens sobre aparelhos precedentes. A invenção é menor, facilmente instalada, e mais baixa em custo do que outros dispositivos de sensoriamento para hidrogênio. O dispositivo é preciso e pode ser facilmente (re)instalado sobre transformadores ou motores existentes. O dispositivo fornece um sensor para hidrogênio muito preciso com resultados em tempo real quando remoção de fluido não é requerida. O dispositivo permite substituição do sensor sem fornecer uma abertura significativa para óleo deixar o recipiente. O sensor da invenção utiliza controles de instrumento que são bem conhecidos e disponíveis. Estas e outras vantagens serão evidentes a partir da descrição abaixo.

[0019] A invenção proporciona fácil (re)instalação do sensor para hidrogênio ao transformador quando uma abertura no alojamento do transformador já está presente. Isto também é mais baixo em custo do que se uma nova entrada para o transformador precisasse ser instalada. Além disto, a instalação da invenção é de baixa manutenção e irá trabalhar em temperaturas mais elevadas, tais como 120°C.

[0020] Está ilustrado na figura 1 um transformador 10. O transformador 10 é provido de dispositivos de alívio de pressão 14 e 16. O transformador 10 está parcialmente cortado e removido para mostrar as bobinas 18. O transformador 10 tem um medidor de temperatura 24. O medidor de temperatura 26 mede a temperatura do óleo do transformador. O tubo terminal 28 conecta ao tubo de extravazamento que conduz do dispositivo de alívio de pressão 14. A entrada de fibra ótica 32 fornece leitura direta da temperatura do enrolamento. Uma torre de resfriamento 34 é utilizada para regular a temperatura do óleo no transformador, esfriando quando necessário utilizando ventiladores 36. A válvula de dreno 38 é utilizada para drenar o óleo para troca, ou para assegurar amostras de teste. Termômetros eletromecânicos 42 sensoream a temperatura do óleo no transformador. O dispositivo eletrônico inteligente IED 44 controla os dispositivos de sensoriamento e fornece leituras da informação sensoreada. Ele ainda pode controlar o resfriamento do reator, como necessário. Um relé de rápida subida de pressão 46 é também fornecido no transformador. Um medidor de escoamento, não mostrado, pode ser fornecido na localização 48. Os diversos sensores para temperatura e pressão, dispositivos de liberação de pressão, drenos e medidores de escoamento, podem fornecer áreas de montagem para sensores para hidrogênio.

[0021] A figura 2 mostra um transformador 10 que tem um alojamento de sensor para hidrogênio 13 montada no flange 46 do transformador 10. O alojamento 13 é preso ao flange 46 por meio da válvula de desligamento 58. A válvula pode ser desligada por meio de botão 62. A figura 3 é uma vista de topo do alojamento de sensor para hidrogênio 13.

[0022] A figura 4 é uma ilustração em perspectiva explodida do alojamento 13 quando montada sobre um transformador por meio de uma válvula de desligamento 58. O flange 64 fornece acesso ao transformador através da válvula de fechamento 58. Como ilustrado na figura 4, os sensores não estão presentes. O elemento alojamento 13 contém um elemento semicondutor 12 para medir concentração de hidrogênio em um fluido isolante em equipamento de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. O flange de montagem 14 tem uma pluralidade de furos para parafuso 16 e fornece acesso ao interior do equipamento transformador e fornece uma pluralidade de aberturas para acomodação de parafuso 16 arranjadas no flange de montagem 14 em um primeiro desenho. O primeiro flange 18 tem uma ou mais aberturas para acomodar um ou mais sensores semicondutores para hidrogênio e uma periferia exterior. O primeiro flange é também provido de uma pluralidade de aberturas para acomodação de parafuso (não mostrado) que correspondem ao desenho de parafuso 16 do flange de montagem 14. Um segundo flange 23 que tem uma segunda pluralidade de aberturas para acomodação de parafuso que corresponde ao primeiro desenho e os furos para parafuso dentro da periferia do segundo flange é fornecido como o extremo do elemento alojamento 13. O corpo de alojamento 13 tem as aberturas para parafuso no segundo flange 23 dispostas a uma distância suficiente do alojamento para permitir acesso para parafusos (não mostrado) a serem dispostos nas aberturas para inserir e remover os parafusos das aberturas e o segundo flange tem uma periferia exterior contida dentro da periferia exterior do primeiro flange.

[0023] O alojamento é provido de no mínimo uma abertura para acomodação de fio 26 que se estende do corpo de alojamento 13 na extremidade expandida 38. Uma cobertura 28 é fornecida para fechar a extremidade do corpo de alojamento distal do segundo flange de montagem 23. A primeira vedação 32 é disposta entre o primeiro e segundo flanges. A primeira vedação fornece vedação ao redor da uma ou mais aberturas para acomodação de sensor 42 e 44 e a abertura de válvula da válvula de amostragem ou sangramento 36. Uma segunda vedação 32 é disposta no primeiro flange para engatar o flange de montagem. A segunda vedação circunda e veda as aberturas para acomodação de sensor 42 e 44 quando sensores são inseridos. Uma válvula de amostragem ou sangramento 36 é disposta no primeiro flange em comunicação com o interior do equipamento e orientada de modo que quando aberta gás aprisionado e irá deixar a válvula. Uma tampa 35 para a válvula 36 é fornecida. A válvula de amostragem se estende até uma aresta do flange 18 e comunica com a superfície interior do flange oposta ao corpo de alojamento.

[0024] O alojamento 13 compreende uma extremidade expandida 38 na extremidade oposta ao segundo flange. É observado que a abertura para sensor 44 está genericamente no centro do e perpendicular ao primeiro flange. A segunda abertura 42 está algo para o lado e é rosqueada em um ângulo oblíquo ao flange para fornecer mais espaço para o segundo sensor. O ângulo oblíquo também permite que qualquer ar aprisionado mova da ponta do sensor de pressão para a válvula de sangramento.

[0025] A figura 5 mostra o conjunto sensor com um detector 46 para hidrogênio em fluido isolante em equipamento para geração, transmissão e distribuição de energia elétrica instalado em um alojamento, tal como na figura 4. O sensor para hidrogênio responde a concentração de hidrogênio no fluido e gera um sinal relacionado à concentração de hidrogênio. Um sensor para pressão 28 está também disposto no alojamento e responde ao fluido e gera um segundo sinal indicativo da pressão do fluido no equipamento. Um processador de sinal 66 está no alojamento e conectado ao sensor para hidrogênio e o sensor para pressão. O processador de sinal 66 responde aos primeiro e segundo sinais para gerar um terceiro sinal que representa a concentração de hidrogênio no fluido.

[0026] O conjunto sensor compreende um tubo 52 rosqueado na abertura rosqueada 44 do primeiro flange XVIII. O sensor para hidrogênio 46 é disposto no tubo 52. A segunda abertura rosqueada 42 tem um sensor para pressão 48 rosqueado na abertura 42.

[0027] O conjunto do sensor e alojamento que aceita dois sensores é particularmente desejável quando dois sensores são colocados sobre um flange do transformador, outro equipamento elétrico gerador de energia. Genericamente, no sensoriamento para hidrogênio em um gás existe uma necessidade para conhecer a pressão de gás do fluido para fazer um cálculo conhecido para determinar a porcentagem de hidrogênio presente. Se o sensor para hidrogênio está em óleo, a pressão não é necessária para calcular teor de hidrogênio no óleo. A colocação de dois sensores em um alojamento em um flange é um método compacto de obter duas medições. Embora ilustrado com o cálculo para composição de hidrogênio sendo feito no alojamento do sensor, é também possível que a unidade de controle central IED poderia fazer o cálculo e fornecer a leitura. Ter o sensor de hidrogênio imediatamente adjacente ao sensor de pressão permite melhor precisão do que se os dois sensores estivessem no espaço de ar.

[0028] Toda a unidade pode também ser utilizada no espaço de gás em transformadores vedados, não apenas sob óleo e é onde a medição de pressão está no espaço de gás que o sensor para pressão em combinação com o sensor para hidrogênio, deveria fazer um trabalho duplo para permitir o cálculo de concentração de hidrogênio bem como medir rápida subida de pressão.

[0029] Como é evidente dos desenhos, a colocação do primeiro flange 64, entre o flange de montagem 14 da válvula de desligamento 58 permite colocação do sensor de hidrogênio sem a formação de um furo adicional no transformador. A localização do dispositivo de liberação rápida de pressão 46 no lado do transformador permite amostragem de hidrogênio no óleo do transformador ao invés de no espaço aberto acima do líquido refrigerante. Outras localizações também poderiam colocar o sensor para hidrogênio no refrigerante líquido. Sensores são conhecidos para sensorear hidrogênio em líquido bem como em gás e seleção do sensor adequado deveria estar dentro do talento da técnica dependendo de que tipo de transformador é utilizado e o nível do óleo de transformador. É observado que para sensoriamento preciso do teor de hidrogênio no óleo ou gás que a pressão do óleo ou gás também precisa ser sensoreada.

[0030] A válvula de amostragem 36 se estende através de uma aresta do primeiro flange 18 e se comunica com uma superfície do flange oposta ao corpo de alojamento e se comunica com uma abertura exposta ao interior do equipamento transformador através do flange de montagem 64.

[0031] Sensores para hidrogênio que contém paládio e controladores para os sensores são conhecidos na técnica. Tais sensores estão descritos nas Publicações de Patente US números 2007/0125153 - Visel e outros, e 2007/0240491- Pavlovsky, aqui com isto incorporadas para referência. Um artigo em Gases and Technology, julho/agosto “Palladium Nanoparticle Hydrogen Sensor” (Sensor para hidrogênio de nanopartículas de paládio), por I. Pavlovsky, também contém uma descrição de sensores para hidrogênio e os métodos e aparelhos para sua utilização. As nanopartículas de paládio utilizadas nestes sensores preferidos para a invenção são intrinsecamente sensíveis a hidrogênio e sensores baseados em redes de nanopartículas de paládio não produzem falsos alarmes na presença de outros gases. Isto os torna particularmente desejáveis para utilização nos dispositivos da invenção quando outros gases podem estar presentes quando o hidrogênio é sensoreado. Outros sensores para hidrogênio e seus controladores estão descritos nas Publicações de Patente US números 2007/0068493 - Pavlovsky e 2007/0240491 - Pavlovsky e outros, também aqui incorporadas para referência. O sensor para hidrogênio preferido para a presente invenção é um sensor de tipo paládio semicondutor, uma vez que ele fornece bom desempenho no ambiente do transformador.

[0032] Embora os desenhos ilustrem a ligação do dispositivo de sensoriamento para hidrogênio ao dispositivo de liberação rápida de pressão, este método de montagem poderia ser utilizado em outras localizações no transformador onde exista uma abertura de flange e espaço para o sensor para hidrogênio. Outras localizações a considerar deveriam estar sobre o comutador de derivação sob carga 22 e a válvula de dreno 38.

[0033] A invenção foi descrita em detalhe com referência particular a uma modalidade presentemente preferida, porém será entendido que variações e modificações podem ser efetuadas dentro do espírito e escopo da invenção. As modalidades presentemente descritas são, portanto, consideradas em todos os aspectos como sendo ilustrativas e não restritivas. O escopo da invenção está indicado pelas reivindicações anexas, e todas as mudanças que venham dentro do significado e faixa de seus equivalentes, são projetadas para serem abrangidas nela.

Claims

1. Conjunto sensor para determinar a concentração de hidrogênio em um fluido isolante em equipamento de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, caracterizadopelo fato de compreender: (a) um alojamento (13) que tem uma abertura na mesma que se comunica com o fluido; (b) um sensor para hidrogênio (46) disposto no alojamento, que responde à concentração de hidrogênio no fluido e que gera um sinal relacionado à concentração de hidrogênio; (c) um sensor para pressão (48) disposto no alojamento que responde ao fluido e que gera um segundo sinal indicativo da pressão do fluido no equipamento; e, (d) um processador de sinal (66) disposto no alojamento e conectado ao sensor para hidrogênio e ao sensor para pressão, e que responde aos primeiro e segundo sinais para gerar um terceiro sinal que representa a concentração de hidrogênio no fluido; em que o alojamento compreende um flange que tem uma primeira abertura rosqueada através de todo ele, um tubo rosqueado na abertura, em que o sensor para hidrogênio está disposto no tubo.

2. Conjunto sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de compreender uma segunda abertura rosqueada no flange.

3. Conjunto sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de o sensor para pressão ser rosqueado na segunda abertura.

4. Conjunto sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de compreender uma válvula de amostragem que se estende através do alojamento em comunicação com o fluido isolante.

5. Conjunto sensor de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a válvula de amostragem se estender através de uma parede lateral do flange.

6. Conjunto sensor de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de a válvula de amostragem comunicar com uma abertura de válvula exposta ao interior do equipamento.