WO2020113292A1

WO2020113292A1 - Dispositivo para monitoração das condições operacionais de transformadores de distribuição de energia elétrica, incluindo identificação por tecnologia de rfid, e comunicação via rádio frequência

Info

Publication number: WO2020113292A1
Application number: PCT/BR2019/050352
Authority: WO
Inventors: Celso GARCIA LELLIS JUNIOR; Ayres Antonio Paes De Oliveira
Original assignee: Garcia Lellis Junior Celso; Ayres Antonio Paes De Oliveira
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2019-08-23
Publication date: 2020-06-11
Also published as: BR102018075130A2

Abstract

Dispositivo para monitoração das condições operacionais de transformadores de distribuição de energia elétrica, incluindo identificação por tecnologia de RFID, e comunicação via rádio frequência, a ser utilizado em redes aéreas de distribuição de energia elétrica, gerenciando as condições físicas relacionadas a sua operação, identificação e geoposicionamento. O invento também permite a medição do consumo individualizado por ramal, para o combate as perdas comerciais geradas por fraudes nos circuitos elétricos de baixa tensão e monitora os índices de qualidade de energia entregue aos clientes finais.

Description

DISPOSITIVO PARA MONITORAÇÃO DAS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, INCLUINDO IDENTIFICAÇÃO POR TECNOLOGIA DE RFID, E COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO

FREQUÊNCIA

01 . Refere-se a presente invenção a um“DISPOSITIVO PARA MO NITO RAÇÃO DAS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, INCLUINDO IDENTIFICAÇÃO POR TECNOLOGIA DE RFID, E COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO FREQUÊNCIA”, a ser utilizado no gerenciamento das condições físicas de operação dos transformadores de distribuição, instalados em redes aéreas de distribuição de energia elétrica, agregando a essa funcionalidade a identificação e georreferenciamento desses ativos de transformação, assim como, o envio de tais informações aos centros de análise e supervisão, por tecnologia de rádio frequência.

02. A invenção aqui apresentada fará parte da chamada“Internet das Coisas”, sendo mais um dispositivo para a melhoria no controle e proteção dos equipamentos instalados nas redes elétricas aéreas. A mesma é composta por uma eletrónica e software embarcado, abrigada em involucro próprio para uso externo, acoplada externamente ao corpo do transformador de distribuição.

03. A presente invenção cria um dispositivo de baixo custo, fácil e rápida instalação, que associa duas funcionalidades complementares. A monitoração das condições operacionais dos transformadores de distribuição, para sua proteção, a identificação e controle desses equipamentos, para efeito de rastreabilidade, gestão patrimonial e geoposicionamento na rede elétrica.

FOLHAS DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26) 04. O estado da técnica presente, para soluções de monitoração de transformadores de distribuição, são compostos pela junção de diferentes equipamentos e sensores, cada um com sua funcionalidade específica, montados em gabinetes metálicos, externos ao transformador, resultando em uma solução de elevado custos, grandes dimensões e baixa confiabilidade. Adicionalmente, não existem soluções no estado de técnica que integrem as funcionalidades de monitoração operativa e gestão de ativos, funcionalidades essas, inter-relacionadas e complementares.

05. As soluções do estado da técnica necessitam da associação dos seguintes equipamentos: medidor de energia elétrica (mono ou trifásico), em função do transformador que se deseje monitorar, chave de curto circuito, para curto circuitar os sinais de corrente em uma manutenção ou remoção do medidor, transformadores de corrente externos (1 por fase), sensores de temperatura, rádio para comunicação e gabinete metálico para montagem externa, que são fornecidos por diferentes fabricantes, sem uma solução para integração entre eles.

06. A implementação de adaptações externas à transformadores de distribuição convencionais, já em operação, para a leitura de tensão, corrente, temperatura, bem como, para transmissão dos dados coletados, é o que torna as atuais soluções inviáveis técnica e comercialmente.

07. O uso de transformadores de corrente (TCs) externos, empregados nas soluções do estado da técnica, além de representar um elevado custo à solução, prejudicam a isolação elétrica do conjunto, uma vez que, os ensaios de isolação, realizados em fábrica nos transformadores de distribuição, foram executados sem esses elementos a ele conectados. Além disso, os TCs externos podem ser facilmente fraudados, o que prejudicará a confiabilidade das informações geradas pelos transformadores de distribuição monitorados, para efeito de combate as perdas comerciais.

08. As soluções atuais do estado da técnica também não são integradas à sistemas de leitura de RFID, o que impede a associação dos dados operacionais dos transformadores de distribuição monitorados, à gestão do ativo geoposicionado na rede elétrica.

09. As soluções presentes no estado da técnica, foram desenvolvidas para uso em redes de comunicação baseadas em tecnologia móvel, tais como GPRS, 3G ou 4G (rede celular), ou rádios de longa distância em frequência licenciada. Tais características encarecem, não só o hardware, mas oneram a concessionária com despesas mensais recorrentes, junto às operadoras de telefonia móvel ou Anatei.

010. A utilização de medidores de balanço, nas soluções do estado de técnica, implica na instalação de TCs externos. Tais soluções são baseadas em medidores de energia convencionais (mono ou trifásico), que possuem elevado custo e empacotamento mecânico impróprio para montagem externa ao tempo. Adicionalmente, medidores de balanço não possuem as demais funcionalidades aqui descritas com relação à monitoração e rastreabilidade dos transformadores de distribuição.

01 1 . O desenvolvimento de uma solução“nativa” para a gestão e monitoração operativa dos transformadores de distribuição, permite a obtenção de uma solução de baixo custo, tecnicamente viável e de fácil adoção em larga escala. 012. O uso de redes de loT“Internet das Coisas” elimina ou reduz significativamente as despesas recorrentes com comunicação de dados, sendo a mais adequada para comunicação entre equipamentos de diferentes fabricantes.

013. O invento aqui descrito visa seu emprego em transformadores de distribuição novos ou a serem reformados, prevendo sua instalação em conjunto com sensores internos ao tanque dos mesmos. O projeto mecânico do invento permite uma solução de baixo custo, economicamente viável à sua utilização em larga escala, possibilitando a adoção de sistemas de gerenciamento remoto em inúmeros transformadores de distribuição, ao longo das redes elétricas.

014. As seguintes funcionalidades são integradas em um só dispositivo. Como medidor, o invento opera a partir da leitura de transformadores de corrente de baixa potência e elevada rangeabilidade, instalados internamente aos transformadores de distribuição. A leitura de tensão é feita através das próprias saídas de baixa tensão dos secundários dos transformadores, garantindo um elevado nível de isolação elétrica. Por fim, a adição de novos sensores para monitoração da temperatura do núcleo e vibração, instalados quando da fabricação ou reforma dos transformadores de distribuição, em locais próprios, representam uma novidade.

015. O acesso a esses sinais é feito por meio de conector próprio, garantindo o grau de estanqueidade com o ambiente externo, uma vez que, os transformadores de distribuição são formados por um tanque metálico que abriga enrolamentos elétricos internos, repleto de óleo mineral ou vegetal, utilizado na isolação e refrigeração dos mesmos. 016. Associado à funcionalidade de monitoração da condição operacional dos transformadores de distribuição, o invento permite sua identificação e rastreamento, baseado no uso de leitores de RFID " Radio-Frequency Identification". As etiquetas de RFID contém todas as informações pertinentes aos transformadores de distribuição, que hoje ficam impressas em chapas de identificação, fixadas no lado externo dos mesmos. O invento aqui descrito possui uma leitora (RFID) que é montada de forma a ler a identificação do transformador de distribuição, constante em etiquete de RFID, colada ao tanque do mesmo, viabilizando, dessa forma, o emprego de tecnologia de identificação por rádio frequência (RFID) em equipamentos que apresentam campos elétricos e magnéticos.

017. As informações dos respectivos transformadores monitorados são lidas remotamente, via rede de dados, utilizando tecnologias de comunicação para redes de loT (Internet das Coisas). A rastreabilidade e controle desses equipamentos é de suma importância para as concessionárias, que necessitam controlar seu tempo de vida e suas condições operacionais, quando instalados em campo.

018. O invento aqui apresentado endereça uma solução técnica e economicamente viável para vários problemas enfrentados pelas concessionárias, no gerenciamento e utilização de milhares de transformadores de distribuição, instalados em suas redes elétricas, que são a seguir descritos.

019. a) - Combate as chamadas“perdas comerciais O invento permite o cálculo da energia acumulada no circuito secundário dos transformadores de distribuição, fornecendo uma informação consistente e precisa, utilizada no controle de ligações clandestinas de energia, bem como, na identificação de potenciais fraudes nos medidores de energia elétrica dos clientes finais. Essa funcionalidade é denominada“Medição de Balanço Energético

020. b) - Gerenciamento da qualidade de tensão entregue aos clientes finais: O invento realiza medições constantes na tensão do secundário dos transformadores de distribuição, e armazena tais medições em memória, no formato de uma“janela móvel de medição”, onde as medidas mais antigas são, sequencialmente, substituídas pelas medidas mais recentes, em um determinado período de medição pré-definido. A quantidade de medições realizadas dentro desse período e a faixa de tensão mínima e máxima aceitável, são ajustes parametrizáveis. Após transcorrer o período pré-estabelecido, o software embarcado verifica em quantas medições houve transgressão do valor de referência, para mais ou para menos. A relação entre a quantidade de leituras em que a tensão efetivamente medida transgrediu a faixa de tensão aceitável, indicará o índice da qualidade de energia entregue, conforme fórmulas abaixo. O sistema de comunicação embarcado, enviará à concessionária os índices acima calculados, fornecendo informações concretas sobre a qualidade de energia individualizada por transformador de distribuição, permitindo ações corretivas, quando tais índices estiverem fora da faixa aceitável de transgressão.

qlp

ITP X 100 [^O/o]

ql qlc

ITC = - X 100 [%]

ql

Onde,

ITP - índice de Tensão Precária

ITC - índice de Tensão Crítica

qlp - Quantidade de leituras de Tensão Precária

qlc - Quantidade de Leituras de Tensão Crítica

ql - Quantidade de Leituras dentro de um Período

021 . c) - Gerenciamento dos índices da qualidade de energia entregue aos clientes finais: Os indicadores de continuidade de serviço, mensuram a duração e a frequência das falhas de fornecimento de energia junto aos clientes finais. O método de cálculo dos índices de qualidade varia para cada país, mas o invento aqui descrito se propõe a fornecer as informações necessárias para o cálculo dos índices de qualidade de energia, independe do método de apuração, uma vez que, terá processamento e memória de massa suficientes para armazenar os dados de medição, raiz dos cálculos aqui propostos e suas respectivas estampas de tempo;

022. d) - Falha na conexão elétrica dos cabos: A elevação da resistência nos contatos elétricos dos transformadores de distribuição, tem como consequência, o aumento de sua temperatura. O invento aqui descrito, tem a capacidade de ler a temperatura nos terminais do secundário do mesmo, por fase, permitindo o acompanhamento da degradação das conexões elétricas ao longo do tempo de utilização;

023. e) - Degradação do material isolante: A degradação do material isolante é identificada por meio do surgimento das chamada“descargas parciais”. Esse fenômeno é consequência de esforços elétricos locais nos isolamentos e, geralmente aparecem como pulsos elétricos de curta duração. As “descargas parciais” ocorrem sobre imperfeições no corpo isolante, que possuem constante dielétrica diferente do material que a rodeia, no mesmo corpo. Quando esse material é submetido a um campo elétrico, este efeito se distribui pelo material, submetendo determinado ponto de falha a um gradiente de tensão superior ao suportável. Esse fenômeno, quando contínuo, dará origem a pequenas descargas disruptivas nas imperfeições do elemento isolante, acarretando um processo temporal de deterioração progressiva do material isolante, seja sólido ou liquido, podendo levar, eventualmente, a perfuração completa do mesmo. Em seu processo de fabricação, os transformadores de distribuição são ensaiados para verificação da existência de descargas parciais, o que indicaria falha no elemento isolante. Entretanto, ao longo do tempo, a degradação natural do material isolante, pode levar ao surgimento de descargas disruptivas. Monitorar sua ocorrência, é uma forma eficiente de preservar a integridade do elemento isolante, agindo preventivamente para evitar futuras falhas elétricas. Esse fenômeno pode ser identificado pela monitoração da vibração do transformador, gerada por pequenas descargas elétricas. Um piezoeléctrico, integrado ao invento, é utilizado como elemento sensor para sua detecção.

024. f) - Desbalanceamento de carga entre fases: As redes elétricas são dimensionadas para serem equilibradas, ou seja, terem cargas equivalentes nas 3 fases. Esse balanceamento é garantido pelo equilíbrio entre cargas, conectadas a cada fase, dimensionado pelo sistema técnico das concessionárias. A ocorrência de um desequilíbrio fasorial, irá gerar uma corrente circulante no neutro do transformador, provocando aquecimento por efeito Joule. A monitoração da corrente de neutro é, portanto, fator importante para a diminuição nas perdas técnicas, geradas pelo efeito Joule, além de garantir uma melhor segurança operacional aos eletricistas e consumidores. O invento aqui apresentado, monitora as correntes de fase e neutro, permitindo o acompanhamento dos desequilíbrios das correntes, presentes no sistema elétrico;

025. g) - Identificação de falta de tensão: O invento permite, quando da falta de tensão em seus terminais de alimentação, por tempo maior que um valor pré-definido, o envio de sua localização georreferenciada, disponibilizada por um chip GPS (global position system), integrado ao invento, a um sistema de monitoração remoto. De posse de tal informação, a concessionária poderá direcionais, com maior precisão, a ação de suas equipes de campo, na correção dos problemas da rede elétrica.

026. Além das funcionalidades já descritas, o invento permite a comunicação e envio de dados, por rádio frequência, utilizando as tecnologias de loT ( internet das coisas), em arquitetura “Ponto-Multiponto”, em diversas frequências e protocolos.

027. Por se tratar de um dispositivo idealizado para se integrar a redes de loT ( Internet das Coisas), o padrão de comunicação a ser utilizado tem como premissa o baixo consumo de energia e reduzido tráfego de informações. Alguns padrões de comunicação que se enquadram nesses requisitos são comercialmente conhecidos como: LoRa -“Long Range Wide Area Network” e/ou Sigfox, padrões esses que têm se tornado referências de comunicação entre equipamentos e sistemas de monitoração no segmento elétrico.

028. Vários transformadores de distribuição podem ser associados a um determinado equipamento de comunicação (: gateway ; roteador ou concentrador), utilizando para isso, rádio integrado, em arquitetura ESTRELA (Ponto-Multiponto), em frequência livre, nas faixas de 400MHz e 900 MHz, ou em frequências licenciadas, em função da tecnologia do módulo de comunicação integrado ao invento.

029. Os desenhos que representam o invento e fazem parte dessa patente são meramente ilustrativos, não tendo por objetivo dar caráter construtivo às figuras. Estão aqui representados para fornecer melhor entendimento do conjunto apresentado nessa patente.

030. Na figura 1 estão representados: (1 ) - módulo eletrónico de monitoração do transformador de distribuição, (8) - transformador de distribuição aéreo e (9) - conectores da saída do secundário do transformador de distribuição.

031 . Na figura 2 podemos ver: (1) - módulo eletrónico de monitoração do transformador de distribuição, (2) - postes de fixação, solidários ao corpo do transformador de distribuição, (3) - conector macho do módulo eletrónico, (19) conector fêmea do transformador de distribuição, (4) - etiqueta RFID de identificação do transformador de distribuição, (5) - porcas de fixação do módulo eletrónico ao transformador de distribuição, (6) - lacres de identificação do módulo eletrónico, (7) - plaqueta metálica de identificação dos dados do transformador de distribuição, contendo as mesmas informações que estarão armazenadas na etiqueta presente no item (4) dessa figura.

032. Na figura 3 estão representados: (1 ) - módulo eletrónico de monitoração do transformador de distribuição, (9) conectores da saída do secundário do transformador de distribuição e (10) - transformadores de corrente para leitura das correntes do secundário do transformador de distribuição.

033. Na figura 4 estão representados: (11) - montagem externa do módulo eletrónico de monitoração do transformador de distribuição, (10) - transformadores de corrente para leitura das correntes do secundário do transformador de distribuição, (9) - conectores da saída do secundário do transformador de distribuição e (22) sensor de temperatura acoplado ao conector da saída do secundário do transformador de distribuição.

034. Na figura 5 estão representados: (12) - caixa polimérica para montagem externa ao tempo, (13) - módulo de comunicação por rádio frequência, para redes de loT ( internet das coisas), com antena integrada, (14) placa principal do módulo eletrónico e (3) - conector macho do módulo eletrónico.

035. Na figura 6 estão representados: (13) - módulo de comunicação por rádio frequência, para redes de loT ( internet das coisas), com antena integrada, (14) placa principal do módulo eletrónico, (15) sensor piezoelétrico, (16) supercapacitores , (17) - componente GPS e (18) módulo leitor de RFID.

036. Na figura 7 estão representados: (12) - caixa polimérica para montagem externa ao tempo, (18) - módulo leitor de RFID, (3) - conector macho do módulo eletrónico e (20) - furos passantes de fixação do módulo eletrónico.

037. Na figura 8 estão representados: (12) - caixa polimérica para montagem externa ao tempo, (3) - conector macho do módulo eletrónico e (21) - anel de vedação de borracha do módulo eletrónico.

038. Na figura 9 temos uma representação em blocos dos principais componentes do invento. Um processador central, com memória flash incorporada e conversores A/D, além de diversos 1/Os digitais e portas de comunicação é utilizado como base para o hardware do produto, garantindo uma grande integração de funções em um só componente. Esse processador recebe 7 sinais analógicos sendo 3 sinais de correntes das fases la, Ib e Ic, 1 sinal de corrente In, e 3 sinais de tensão Va, Vb e Vc. Além disso, recebe mais 2 sinais analógicos de temperatura e vibração. De posse de tais sinais, o processador central realiza todos os cálculos necessários a execução das funções aqui descritas. Além disso, o mesmo processador recebe a posição georreferenciada de um módulo GPS, a identificação de leitura da etiqueta RFID, e estabelece comunicação por módulo de rádio frequência, nas diferentes tecnologias de comunicação. A integração com esses módulos se dá por portas seriais SPI. O conjunto é alimentado por uma fonte, interligada ao secundário do transformador de distribuição, e suportada de forma auxiliar, por um conjunto de supercapacitores, garantindo a manutenção de operação por um determinado tempo após a falta de energia no transformador de distribuição monitorado.

Claims

REIVINDICAÇÃO

1 -“DISPOSITIVO PARA MONITORAÇÃO DAS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, INCLUINDO IDENTIFICAÇÃO POR TECNOLOGIA DE RFID, E COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO FREQUÊNCIA” caracterizado por, possuir a funcionalidade de monitoração das condições físicas de operação, geolocalização e gerenciamento de ativo por tecnologia de RFID“ Radio Frequency Identification” (4), dos transformadores de distribuição (8), instalados em redes aéreas de distribuição de energia elétrica.

2 -“DISPOSITIVO PARA MONITORAÇÃO DAS CONDIÇÕES

OPERACIONAIS DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, INCLUINDO IDENTIFICAÇÃO POR TECNOLOGIA DE RFID, E COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO

FREQUÊNCIA” de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por, ser integrado as novas tecnologias de comunicação, por redes de rádio frequência, utilizando protocolos voltados para as chamadas redes de loT ( internet das coisas), por meio de módulo de comunicação por rádio frequência, com antena integrada (13).

3 -“DISPOSITIVO PARA MONITORAÇÃO DAS CONDIÇÕES

FREQUÊNCIA” de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por, possuir a funcionalidade de identificação de descargas parciais, geradas pela degradação dos elementos isolantes dos transformadores, por meio de sensor piezoelétrico (15), integrado a placa principal de processamento (14), do módulo de monitoração dos transformadores de distribuição (1 ).

4 -“DISPOSITIVO PARA MONITORAÇÃO DAS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, INCLUINDO IDENTIFICAÇÃO POR TECNOLOGIA DE RFID, E COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO FREQUÊNCIA” de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por, possuir a funcionalidade de monitoração de sobrecarga, gerada pelo excesso de corrente nos transformadores de distribuição, identificada por meio dos transformadores de corrente TCs (10), conectados aos terminais de saída de baixa tensão, disponíveis nos secundários dos mesmos (9).

5 -“DISPOSITIVO PARA MONITORAÇÃO DAS CONDIÇÕES

FREQUÊNCIA” de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por, possuir a funcionalidade de monitoração de sobre temperatura nos terminais de conexão elétrica dos transformadores de distribuição (9), gerados por sobrecarga, ou por elevação da resistência de contato, medidas pelos sensores de temperatura acoplados aos terminais de baixa tensão dos transformadores de distribuição (9).

6 -“DISPOSITIVO PARA MONITORAÇÃO DAS CONDIÇÕES

FREQUÊNCIA” de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por, possuir a funcionalidade de medição de energia elétrica acumulada, para efeito de verificação de potenciais fraudes existentes nos circuitos elétricos de baixa tensão, interligados ao transformador de distribuição.

7 -“DISPOSITIVO PARA MONITORAÇÃO DAS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO

DE ENERGIA ELÉTRICA, INCLUINDO IDENTIFICAÇÃO POR TECNOLOGIA DE RFID, E COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO FREQUÊNCIA” de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por, possuir a funcionalidade de medição dos índices de qualidade de energia entregue aos consumidores interligados ao transformador de distribuição (8), por meio de algoritmos integrados ao firmware do módulo de monitoração dos transformadores (1 ).

8 -“DISPOSITIVO PARA MONITORAÇÃO DAS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, INCLUINDO IDENTIFICAÇÃO POR TECNOLOGIA DE RFID, E COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO FREQUÊNCIA” de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por, possuir a funcionalidade de localização por sistema de geoposicionamento - GPS (17), integrado ao módulo de monitoração dos transformadores de distribuição (1 ), que permita a correlação entre o transformador de distribuição, e o circuito elétrico no qual o mesmo está interligado.

9 -“DISPOSITIVO PARA MONITORAÇÃO DAS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, INCLUINDO IDENTIFICAÇÃO POR TECNOLOGIA DE RFID, E COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO FREQUÊNCIA” de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por, por ter a capacidade de armazenas energia em um conjunto de supercapacitores (16) que possibilitam a manutenção de seu funcionamento para o envio de mensagem por rádio frequência, aos centros de monitoração e gerenciamento das redes eletricas, identificando a falta de energia no circuito de baixa tensão do transformador de distribuição (8).