Relatório Descritivo da Patente de Invenção para INSTRUMENTO E MÉTODO PARA MEDIR DESCARGAS PARCIAIS EM UM SISTEMA ELÉTRICO".
CAMPO TÉCNICO E ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
A presente invenção relaciona-se a um instrumento e um método para medição de descargas elétricas parciais em um sistema elétrico, o instrumento compreendendo:
- um estágio de entrada configurado de modo a receber um sinal analógico representando um ou mais pulsos de descarga parcial a serem medidos e gerar em sua saída uma representação digital de toda a forma de onda do referido um ou mais pulsos,
- um estágio de saída configurado de modo a transferir dados em formato digital na saída do instrumento.
O setor técnico da presente invenção é o de diagnósticos de sistemas elétricos (especialmente sob alta tensão elétrica), pela medição / processamento de descargas elétricas parciais e possivelmente outras quantidades.
Deve-se notar que uma descarga parcial é uma descarga elétrica que envolve uma parte limitada de um isolador de um sistema elétrico, portanto ela não causa a falha imediata do sistema, mas sua degradação progressiva. Assim, as descargas parciais, por sua natureza, apresentam um desenvolvimento que é substancialmente limitado a um defeito do sistema de isolamento. Nesse aspecto, técnicas de diagnóstico baseadas na medição e interpretação de descargas parciais estão entre as mais promissoras e elas são amplamente estudadas em pesquisas científicas, porque o estudo das descargas parciais permite a investigação da natureza dos defeitos do sistema de isolamento no qual as próprias descargas residem.
Entretanto, a medição, em conjunto com a avaliação subseqüente das descargas parciais para fins de diagnóstico, não foi completamente incorporada aos padrões industriais, como um instrumento para planejar a manutenção e/ou substituição dos componentes elétricos operando sob alta tensão elétrica, por causa da dificuldade que é encontrada na interpretação dos resultados das medições.
Com respeito à medição das descargas parciais, vários tipos de técnicas foram desenvolvidas, explorando os diferentes fenômenos físicos associados ao advento das descargas, como por exemplo técnicas ópticas, acústicas e elétricas. A presente invenção relaciona-se, em particular, mas não exclusivamente, a técnicas de medição elétrica, as quais consistem, como bem se conhece, na medição dos pulsos de corrente que percorrem um circuito de medição acoplado ao sistema elétrico em questão. Os referidos pulsos de corrente medidos (chamados adiante de pulsos de descarga, por simplicidade), têm um tempo de desenvolvimento, o qual depende da dinâmica com a qual as descargas parciais ocorrem (isto é, da física do fenômeno de descarga) e da natureza dos meios em que os pulsos medidos percorrem, em sua trajetória a partir do local de descarga (no qual as descargas se originam) ao local de mediçao. Assim, o desenvolvimento do tempo dos pulsos de descarga, consistindo da forma de onda dos próprios pulsos, compreende uma informação preciosa do ponto de vista de diagnóstico, tanto com respeito ao fenômeno físico associado às descargas (correlacionado à natureza dos defeitos de sistema de isolamento), quanto à natureza do meio que os pulsos medidos atravessam (correlacionado à localização dos defeitos dentro do sistema de isolamento).
Com respeito às dificuldades na interpretação dos resultados das medições de descargas parciais, eles dependem não somente da necessidade de ter disponível uma experiência científica e registro de caso, mas também do fato de que os dados medidos podem não ser confiáveis ou significativos.
Nesse aspecto, são essencialmente dois problemas que podem comprometer os diagnósticos através da avaliação das medições das descargas parciais:
- na medição dos sinais associados às descargas parciais, há uma perda de informação que é essencial para uma avaliação dos sinais para fins de diagnóstico (uma perda de informação pode ser constituída, por exemplo, por uma falha em medir um impulso, ou por uma falha em medir a forma da onda de um pulso);
- durante a referida medição, o ruído pode se sobrepor aos sinais de descarga, ou os sinais provenientes de fontes diferentes podem se sobrepor mutuamente, com uma conseqüente dificuldade objetiva de interpretação dos resultados, dada a impossibilidade de realizar um processamento estatístico significante nos dados heterogêneos e/ou em dados que não são pertinentes aos fenômenos individuais a serem avaliados.
Com respeito à referida perda de informação durante a realização da medição, deve-se notar que os sinais associados às descargas parciais são impulsos elétricos que têm um conteúdo de freqüência elevadíssimo (eles têm aumentos da ordem de nanossegundos, ou décimos de nanossegundos) e, em certos casos, a taxa de repetição dos impulsos elétricos é bastante alta (por exemplo, centenas de milhares de pulsos por segundo).
Portanto, do ponto de vista do instrumento usado para medir os sinais associados às descargas parciais, há o problema de se obter, de forma muito rápida e eficiente, sinais elétricos tendo um conteúdo de alta freqüência, preservando, tanto quanto possível, o conteúdo de informação dos próprio sinais. Além do mais, o referido instrumento deve permitir uma separação eficaz dos sinais que são significativos para o diagnóstico a partir do ruído ou a partir de outros sinais "indesejados".
A solução para os problemas anteriormente mencionados é particularmente difícil, considerando a necessidade de se medir as descargas parciais e de avaliar o estado do sistema elétrico de maneira não-supervisionada, isto é, minimizando a intervenção de um operador (o operador, em certos casos, poderia estar totalmente ausente, como no caso dos sistemas de monitoramento de linha).
Com respeito ao estado da técnica no setor de instrumentos para medição de descargas parciais (PD), segue uma lista de instrumentos conhecidos, os quais podem ser subdivididos em duas categorias: detectores de pico (tipicamente instrumentos de banda estreita / seletiva) e osciloscópios controlados por software (tipicamente, instrumentos de banda larga). A principal diferença entre os detectores de pico e os osciloscópios controlados é que os detectores de pico não são capazes de registrar as dinâmicas de tempo do pulso detectado, porque eles não realizam uma amostragem real do sinal, ao contrário dos osciloscópios, que, por sua vez, realmente realizam a referida amostragem. Sob esse aspecto, deve-se notar que os detectores de pico são geralmente equipados com uma banda relativamente estreita / seletiva de modo a ser robusta com respeito a sinais indesejados, em particular ruído de fundo.
Detectores de pico são instrumentos que oferecem indicações unicamente sobre a fase de ocorrência e a amplitude de PD. A amplitude de um PD é geralmente obtida pela passagem do sinal analógico através de um FQI (filtro quase- integrador), e, consequentemente, pela medição do valor de pico. Dentro do campo de detectores de pico, os seguintes tipos de instrumentos também podem ser distinguidos:
- Instrumentos totalmente analógicos. O FQI é constituído por uma rede elétrica analógica. O sinal de saída do FQI é mostrado em um osciloscópio. A informação disponível é a figura de Lissajous conhecida, disponibilizada pelo osciloscópio.
- Instrumentos analógico-digitais mistos. O FQI é também obtido por meio de uma rede elétrica analógica e enviado a um detector de pico, também analógico, o qual fornece a amplitude da PD. Os componentes eletrônicos do instrumento convertem o sinal de amplitude da PD (saída pelo detector de pico) de analógico para digital. A informação disponível é o conjunto de representações possíveis que podem ser obtidas conhecendo-se a fase e amplitude dos PDs, por exemplo, o padrão conhecido de fase/amplitude.
- Instrumentos totalmente digitais. O sinal é filtrado com o propósito de evitar o fenômeno conhecido de serrilhado e, subseqüentemente, é amostrado (transformação analógica/digital). A corrente para calcular a amplitude da PD (filtragem FQI e detecção do pico da saída de sinal pelo FQI) é obtida nesses instrumentos por meio de algoritmos numéricos. Como no caso anterior, a informação disponível é o conjunto de possíveis representações que podem ser obtidas conhecendo-se a fase e amplitude dos PDs. Deve-se notar que o referido filtro FQI quase-integrador retorna um sinal cujo conteúdo de informação (útil para um diagnóstico subseqüente do sistema elétrico a ser avaliado) consiste somente de um valor de pico da forma de onda do sinal de entrada, com o referido valor correspondendo à amplitude do SP. Com respeito aos osciloscópios controlados (controlados de modo que possam obter o sinal de saída por meio dos circuitos analógicos usados para capturar o sinal de descarga parcial), existem soluções técnicas conhecidas desenvolvidas em universidades, para fins de pesquisa científica. Os instrumentos conhecidos têm as seguintes limitações e desvantagens.
Os detectores de pico envolvem uma perda drástica de informação nos sinais detectados, devido à forte compactação da informação associada ao sinal de descarga parcial, devido ao fato de que eles não amostram o sinal detectado e à presença do filtro quase-integrador. Em particular, eles não permitem obter informação significativa sobre a forma de onda dos pulsos das descargas parciais detectadas.
Portanto, eles não permitem separar (especialmente de forma automática e sem supervisão) o ruído a partir dos sinais de descarga e, em maior extensão 1, os sinais de descarga oriundos de fontes diferentes. Além disso, os detectores de pico têm uma limitação na fase de atribuição do sinal à amplitude medida para um pulso, o referido sinal tendo importância considerável, como é bem sabido, na interpretação dos resultados das medições (as quais são realizadas, na maioria das aplicações, sujeitando-se os componentes elétricos em questão a tensões alternadas). Em particular, os detectores de pico não permitem a verificação da referida atribuição (possivelmente realizando a etapa de atribuição sinais novamente, com base em um critério / algoritmo de cálculo diferente). Com respeito à atribuição do sinal das descargas, deve-se também notar que uma limitação adicional está associada aos instrumentos que detectam pulsos usando uma banda estreita; uma largura de banda limitada poderia alterar a dinâmica de tempo do pulso, especialmente quando o pulso sofre mudanças muito rápidas com o tempo.
Portanto, com o intuito de realizar uma avaliação correta do estado do isolamento, o operador deve ter uma experiência considerável, de forma que ele possa avaliar as diferentes contribuições, separá-las e oferecer uma indicação de seu risco. O procedimento por si só é complexo e oferece uma avaliação subjetiva do estado do isolamento. A isto, deve-se acrescentar que, em muitos casos, a experiência do operador é de qualquer modo insuficiente para compensar a perda de informação durante a etapa de detecção de sinal.
Deve-se notar também que são conhecidos instrumentos, além da amplitude do pulso, são capazes de medir a largura de tempo do próprio pulso; tais instrumentos são substancialmente detectores de pico providos de uma multiplicidade de comparadores (com limiares diferentes). Portanto, os referidos instrumentos realizam, de fato, uma espécie de amostragem (em certo caso, com freqüência variável). Entretanto, os referidos instrumentos não permitem a detecção da forma de onda do pulso, isto é, o perfil da amplitude do pulso com o tempo, a referida forma de onda tendo, em vez disso, importância fundamental para os fins de uma avaliação de diagnóstico subseqüente dos dados obtidos. Ao contrário, os osciloscópios permitem medir os sinais de descarga em banda larga, e obter toda a forma de onda dos pulsos detectados. Entretanto, eles são definitivamente caros e pouco confiáveis, especialmente em aplicações no local, porque eles estão particularmente expostos a falhas (por exemplo, a presença de sobretensões). De fato, o uso dos osciloscópios é bastante limitado no que diz respeito às aplicações em campo. Além do mais, eles geralmente não são capazes de rejeitar o ruído por meio de algoritmos programáveis dentro deles. Eles também necessitam da presença de um software residente em um computador, consequentemente com a necessidade de gerenciar uma grande quantidade de dados.
Além do mais, do ponto de vista de uma avaliação de diagnóstico do sistema elétrico a ser avaliado, pode ser útil (se não indispensável) obter, em adição aos sinais de descarga parcial, também outras quantidades, por exemplo, quantidades correlacionadas a fatores ambientais (como a temperatura e umidade), a serem usadas de forma sinérgica juntamente com os dados sobre a atividade de descarga parcial. Geralmente, as referidas quantidades sofrem variações relativamente lentas com o tempo, com respeito aos sinais de descarga parcial; portanto, os canais de aquisição especificamente dedicados a medir as referidas quantidades são chamados de "canais lentos". Nesse aspecto, deve-se notar que, no sistema de osciloscópio / computador, a necessidade simultânea adquirir através de mais de um canal, e assim proceder com uma detecção simultânea das descargas parciais, e das referidas quantidades adicionais, envolve desvantagens consideráveis relacionadas aos tempos de cálculo e à complexidade do software residente no computador.
Portanto, o sistema de osciloscópio / computador é desvantajoso, não apenas do ponto de vista do custo, mas também do ponto de vista do desempenho, por causa da necessidade de transferir enormes quantidades de dados do osciloscópio para o computador. Com respeito aos problemas oriundos da necessidade de transferir dados do osciloscópio para o computador, deve-se também notar o seguinte.
A necessidade de se transferir uma grande quantidade de dados torna todo o processo de medição / aquisição de dados muito trabalhoso. Um problema adicional é que a comunicação osciloscópio / PC é relativamente lenta e a memória de armazenamento é necessariamente limitada (o que acarreta aumento desvantajoso no tempo morto, isto é, do tempo entre a detecção de um sinal e a detecção do sinal seguinte), com a conseqüência de que o sistema osciloscópio / PC entra em conflito quando precisa medir de maneira significativa fenômenos lentos sobrepostos a fenômenos rápidos (isto é, sinais com altas taxas de repetição que são adquiridos simultaneamente com sinais com taxa de repetição relativamente lenta). Na prática, quando é necessário medir um fenômeno lento (por exemplo, descargas parciais que ocorrem ocasionalmente) simultaneamente com um fenômeno rápido (por exemplo, ruído impulsivo), o osciloscópio / PC permite apenas as duas soluções técnicas seguintes.
- A medição de um número máximo predeterminado de sinais (o número máximo permitido pelo osciloscópio); dessa forma (no melhor caso), o fenômeno lento também é adquirido, mas há a desvantagem de ter de armazenar uma enorme quantidade de dados, com conseqüente lentidão em toda a medição, transmissão e, subseqüentemente, operações de processamento dos dados.
- Detecção de um número de sinais limitada a um valor predeterminado; nesse caso, é parcialmente possível acelerar o processo de medição e subseqüente processamento dos dados, mas há a desvantagem de saturar rapidamente a memória, com o risco de não adquirir o fenômeno lento de forma significativa.
Portanto, o sistema osciloscópio / computador não permite medir diferentes sinais tendo tempos mutuamente diferentes de forma eficiente e otimizada, para fins de uma avaliação de diagnóstico de um sistema elétrico por meio da análise dos sinais de descarga parcial.
REVELAÇÃO DA INVENÇÃO
Um dos objetivos da presente invenção é eliminar as desvantagens mencionadas anteriormente e disponibilizar um instrumento para a medição de pulsos de descargas elétricas parciais que permitem maximizar o conteúdo de informação dos sinais medidos, de uma maneira particularmente rápida e eficaz (minimizando o tempo morto). Outro objetivo da presente invenção é minimizar a interferência do ruído e separar os efeitos provocados por diferentes fontes quando os vários pulsos medidos têm formatos mutuamente diferentes.
Outro objetivo da presente invenção é disponibilizar um instrumento para a medição de pulsos de descargas elétricas parciais capazes de serem usados sem nenhuma intervenção / supervisão externa de um operador.
Outro objetivo da presente invenção é disponibilizar um instrumento para a medição de pulsos de descargas elétricas parciais que seja eficiente e econômico. Os referidos objetivos são alcançados plenamente pelo instrumento da presente invenção, o qual é caracterizado pelo teor das reivindicações apresentadas adiante e em particular pelo fato de que compreende meios de processamento de dados operativamente associados tanto ao estágio de entrada como ao estágio de saída para receber a referida representação digital de toda a forma de onda do referido um ou mais pulsos, extrair o valor de parâmetros predeterminados relacionados à forma de onda do referido um ou mais pulsos e transferir para o estágio de saída um sinal digital processado compreendendo os referidos valores, os meios de processamento sendo capazes de operar substancialmente em tempo real, isto é, sem a necessidade de uma memória de armazenamento de dados intermediária. Outro objetivo da presente invenção é disponibilizar um método para a medição de descargas elétricas parciais em um sistema elétrico que permita maximizar o conteúdo de informação dos sinais medidos que, ao mesmo tempo, possa ser implementado de maneira simples e eficaz, também de forma totalmente automática.
O referido objetivo é plenamente alcançado pelo método da presente invenção, o qual é caracterizado pelo conteúdo das reivindicações listadas abaixo e em particular pelo fato de que compreende as seguintes etapas:
- o recebimento em um estágio de entrada de um sinal analógico representando um ou mais pulsos de descarga parcial a serem medidos e para gerar em sua saída uma representação digital de toda a forma de onda do referido um ou mais pulsos,
- o processamento em tempo real, isto é, sem a necessidade de armazenar dados em uma memória, da referida representação digital de toda a forma de onda do referido um ou mais pulsos, para extrair o valor dos parâmetros predeterminados relacionados à forma de onda do referido um ou mais pulsos.
Com respeito às expressões "em tempo real" e "memória de armazenamento", especifica-se o seguinte.
A expressão "processamento de um item de dados em tempo real" significa que, dentro do escopo de um fluxo de dados (por exemplo de uma entrada para uma saída), um item de dados é processado sem o referido processamento envolver substancialmente uma interrupção do fluxo de dados. Por exemplo, colocar o item de dados em uma memória (possivelmente por um tempo indefinido), ser capaz de recuperá- lo a qualquer momento e processá-lo, constitui uma interrupção no fluxo de dados, portanto, no armazenamento. A memória de armazenamento significa uma memória capaz de (ou, do ponto de vista do hardware, uma memória gerenciada de forma a) conter um item de dados por um tempo potencialmente não-especificado, ser capaz de recuperá-lo subseqüentemente (a qualquer momento) e processá-lo. Nesse aspecto, deve-se notar que uma memória de armazenamento em massa, por exemplo, o disco rígido de um computador, é tipicamente uma memória de armazenamento, ao passo que uma memória RAM pode, dependendo de como é gerenciada, constituir uma memória de armazenamento (como especificado acima), ou, alternativamente, pode constituir um armazenamento temporário (memória temporária), isto é, meios que permitem reduzir o fluxo de dados (em certo ponto da trajetória percorrida pelos dados da entrada para a saída), mas sem interrompê-lo. Portanto, o processamento em tempo real significa que o processamento ocorre durante a passagem de dados de uma entrada para uma saída em um fluxo substancialmente contínuo, o qual pode envolver uma lentidão do fluxo de dados, através de um acúmulo temporário dos dados em uma memória substancialmente volátil, mas pode não envolver uma interrupção do fluxo.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS Essa e outras características se tornarão mais prontamente aparentes na seguinte descrição de uma concretização preferida, ilustrada meramente a título de exemplo não-limitante nas tabelas dos desenhos acompanhantes, nos quais:
- a Figura 1 mostra esquematicamente um instrumento de acordo com a presente invenção;
- a Figura 2 mostra o instrumento da Figura 1 de acordo com uma concretização variante;
- a Figura 3 mostra esquematicamente um detalhe do instrumento da Figura 1;
- a Figura 4 mostra esquematicamente um detalhe adicional do instrumento da Figura 1;
Uma série de definições é proporcionada abaixo, preliminarmente à descrição detalhada da invenção. As referidas definições devem ser usadas na descrição subseqüente, tanto para esclarecer conceitos gerais, quanto para especificar características técnicas de elementos específicos da invenção.
Duração equivalente (T): o desvio padrão do pulso de descarga parcial avaliado no domínio de tempo.
Largura de banda equivalente (W): o desvio padrão do pulso de descarga parcial avaliado no domínio de freqüência.
Acoplador: um dispositivo capaz de extrair um sinal de descarga do sistema examinado; por exemplo, um capacitor de alta tensão conectado em série a um resistor: o capacitor bloqueia alta tensão a 50/60 Hz e permite a passagem do sinal de descarga, com o sinal de descarga sendo medido enquanto a tensão elétrica cai ao longo do resistor.
Filtro de suavização: um filtro usado em sistemas de dados amostrados para converter o sinal de analógico para digital de forma correta. É bem conhecido o fato de que se o sinal analógico contiver componentes cuja freqüência excede metade da freqüência de amostragem, uma distorção conhecida como serrilhado pode ocorrer. Além do mais, o filtro de suavização é um filtro passa-baixa que remove os possíveis componentes do sinal analógico cuja freqüência excede metade da freqüência de amostragem.
Segmento: seqüência de amostras representando o perfil com o tempo (forma de onda) do evento individual a ser medido (pulso de descarga). Cada segmento compreende o número de amostras (duração de tempo) que formam o pulso e o número de amostras de pré-disparo (tempo de pré-disparo).
Tempo Morto de Pico Mínimo: Intervalo de tempo mínimo entre o fim da aquisição de um segmento e o momento em que o segmento subseqüente pode ser adquirido. Depende da velocidade de parte do sistema entre um estágio de entrada e um primeiro armazenamento temporário disponível para os segmentos ou outros parâmetros predeterminados extraídos.
Tempo Morto Contínuo Mínimo: intervalo de tempo entre o fim da aquisição de um segmento e o momento em que o segmento subseqüente pode ser adquirido, medido na condição estacionária dos segmentos adquiridos continuamente. Depende da velocidade de todo o sistema e do receptor dos segmentos ou dos parâmetros extraídos por ele.
Comprimento Máximo de Rajada de Segmento (MSBL): número máximo de segmentos que o sistema é capaz de adquirir garantindo o tempo morto de pico mínimo antes que não seja mais possível satisfazê-lo (continuando a adquirir, o tempo morto aumenta até atingir o Tempo Morto Contínuo Mínimo).
MELHOR MODO PARA REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO
Nas figuras, o numerai 1 designa um instrumento para a detecção de descargas elétricas parciais em um sistema elétrico. O instrumento 1 é operativamente conectado ao sistema elétrico sob avaliação através de um circuito de medição compreendendo pelo menos um acoplador, de acordo com a técnica anterior no setor de medições de descarga elétrica parcial.
O instrumento 1 compreende um estágio de entrada 2, configurado para receber um sinal de descarga analógico 3, isto é, um sinal analógico representando um ou mais pulsos de descarga parcial a serem medidos, e (configurados) para gerar em sua saída uma representação digital de toda a forma de onda do referido um ou mais pulsos. Além do mais, o instrumento 1 compreende um estágio de saída 4, configurado para transferir os dados na forma digital a partir do instrumento.
O instrumento 1 também compreende, originalmente, meios de processamento de dados 5 associados operativamente tanto ao estágio de entrada 2 quanto ao estágio de saída 4 para receber a referida representação digital de toda a forma de onda do referido um ou mais pulsos, extrair o valor de parâmetros predeterminados relacionados à forma de onda do referido um ou mais pulsos e transferir para o estágio de saída 4 um sinal digital processado compreendendo os referidos valores. Os meios de processamento 5, originalmente, são capazes de operar substancialmente em tempo real, isto é, sem a necessidade de uma memória para o armazenamento intermediário dos dados.
Com referência à Figura 1 (e à Figura 2), o numerai 6 designa um sinal de sincronismo analógico, representando uma tensão elétrica aplicada ao sistema elétrico. Como se sabe, o referido sinal de sincronismo 6 não é essencial para a medição dos sinais de descarga parcial (PD), mas é útil em uma etapa subseqüente de avaliação dos dados medidos para fins de diagnóstico, no caso de sistemas elétricos operando em corrente alternada.
Uma medição combinada dos sinais de PD e do sinal de sincronismo permite obter uma correlação entre cada evento de descarga parcial com o valor que a tensão elétrica aplicada ao sistema elétrico teve no instante que o evento ocorreu (deve-se notar que à referida correlação são associados parâmetros chamados "parâmetros de fase").
O instrumento 1 é provido de um estágio para a medição do referido sinal de sincronismo analógico 6, originalmente compreendendo, em uma concretização preferida (a que é ilustrada), um bloco 7 para a digitalização do referido sinal analógico, conectado a um bloco 8 para gerar uma base dos tempos de sincronismo. Operativamente, o referido bloco 8 para gerar uma base de tempos de sincronismo deriva, das amostras oriundas do bloco de digitalização 7, o tempo decorrido desde a última passagem do sinal de sincronização por zero. Esse tempo é economizado juntamente com cada segmento de modo a obter, relacionando-o ao período do sinal de sincronismo, os parâmetros de fase. O referido bloco 8 é implementado, na concretização preferida, no modo de hardware, em lógica programável, mas pode também ser implementado via software.
Especifica-se que, com respeito especificamente à presente invenção, toda referência feita a "software" significa um conjunto de instruções de programação residentes em uma memória de armazenamento dentro do aparelho, conhecido também por firmware.
Deve-se notar que o estágio de medição do sinal de sincronismo 6 é uma parte, do ponto de vista lógico-funcional, do estágio de entrada 2.
O bloco 7 para a digitalização do sinal de sincronismo analógico 6 é mostrado em detalhe (de forma esquemática) na Figura 4. Em particular, o bloco 7 compreende:
- um elemento de proteção contra sobretensão 9 (ESD), do tipo substancialmente conhecido, capaz de impedir que sobretensões ou descargas elétricas danifiquem os estágios subseqüentes do instrumento;
- um filtro analógico passa-baixa 10; - um conversor analógico/digital 11.
O fato de que o instrumento 1 amostra o sinal de sincronismo 6 (ao contrário das soluções da técnica anterior, as quais usam um comparador analógico simples para a detecção da passagem por zero) traz as seguintes vantagens:
- é possível verificar (também por meio de representações gráficas) a forma de onda do sinal de sincronismo 6 e realizar medições e operações de processamento no referido sinal;
- a lógica de sincronização pode ser variada de forma a acomodar sinais específicos (por exemplo OWTS, ou casos nos quais a tensão elétrica aplicada atenuou oscilações) sem modificar o hardware.
O instrumento 1 também compreende um bloco 12 para a digitalização do sinal de descarga 3, isto é, o sinal analógico correlacionado às descargas parciais ocorrendo no sistema elétrico.
O bloco 12 para a digitalização do sinal de descarga 3, ilustrado (esquematicamente) em detalhes na Figura 3, por sua vez, compreende:
- um elemento de proteção contra sobretensão 13, do tipo substancialmente conhecido, capaz de impedir que sobretensões ou descargas elétricas danifiquem os estágios subseqüentes do instrumento;
- um estágio de controle de ganho analógico 14 (do tipo substancialmente conhecido); - um suavizador 15 conhecido;
- um conversor analógico/digital 16 (do tipo conhecido).
O estágio de controle de ganho 14 é capaz de adaptar a amplitude do sinal de entrada 3 ao intervalo das tensões elétricas permitidas pelo conversor analógico/digital 16, de forma tal a maximizar sua dinâmica e a evitar fenômenos de saturação (a saturação ocorre quando o sinal de entrada para o referido conversor excede o nível mínimo ou máximo de tensão elétrica que ele é capaz de amostrar).
Deve-se notar que o bloco de digitalização 12 é capaz de operar, em banda larga, de modo a receber em sua entrada o sinal analógico de descarga 3, enviando um sinal digital constituído por uma seqüência contínua de amostras 17. Deve-se notar que o bloco de digitalização 12 opera preferencialmente a uma taxa constante de amostragem (por exemplo 100 MS/s).
O instrumento 1 também é provido de uma multiplicidade de parâmetros de aquisição 18, configuráveis externamente, necessários para o processamento das amostras 17. Os referidos parâmetros de aquisição 18 são armazenados no instrumento 1. Os referidos parâmetros de aquisição compreendem, em particular:
- tempo de aquisição: definido pelo número de amostras constituindo um segmento, isto é, um sinal digital representando o perfil ao longo do tempo (forma de onda) de uma única descarga elétrica parcial; - tempo de pré-disparo: definido pelo número de amostras precedendo um evento de disparo;
- tempo morto mínimo: tempo mínimo que deve decorrer entre o fim da aquisição de um segmento e a permissão do disparo para a aquisição do segmento subseqüente.
O bloco de digitalização 12 é conectado tanto ao depósito de pré-disparo 19 quanto ao gerador de disparo 20.
O depósito de pré-disparo 19 é constituído por um armazenamento temporário circular, que mantém um número de amostras igual ao tempo de pré-disparo para a formação de um segmento subseqüente; ele é preferencialmente implementado via hardware em lógica programável.
O gerador de disparo 20 originalmente compreende um comparador de limiar duplo (ao contrário dos geradores de disparo conhecidos, que compreendem um único comparador limiar), recebendo como entrada um valor de referência predeterminado para um limiar de disparo 21. Deve-se notar que qualquer estratégia para a ativação do disparador pode ser implementada no gerador 20.
Portanto, o pré-disparador 19 e o gerador de disparo 20 recebem como entrada o sinal compreendendo os amostradores 17, emitidos pelo bloco de digitalização 12.
O gerador de disparo 20 é conectado a um seletor de disparo 22 (do tipo substancialmente conhecido), o qual por sua vez é conectado a um bloco 23 para gerenciar o estágio de entrada 2. O bloco de gerenciamento 23 recebe, em sua entrada:
- o sinal digital emitido pelo seletor de disparo 22;
- o sinal digital emitido pelo bloco 8 para gerar uma base de tempos de sincronismo;
- os referidos parâmetros de aquisição 18;
- um sinal de controle proveniente de um elemento de controle 24, o qual é descrito abaixo.
O bloco de gerenciamento 23 é conectado, na saída, ao depósito de pré-disparo 19 para operar um gerenciamento do mesmo; na prática, o bloco de gerenciamento 23 reconhece e seleciona, dentro do fluxo ininterrupto das amostras 17, segmentos 25 representando o perfil ao longo do tempo (forma de onda) dos sinais de descarga parcial.
Portanto, os segmentos 25 são selecionados pelo bloco de gerenciamento 23, na saída do depósito de pré-disparo 19.
Os meios de processamento 5 originalmente compreendem um bloco 26 para processar / extrair parâmetros predeterminados, relacionados à forma de onda do referido um ou mais pulsos PD.
O bloco 26 é preferencialmente implementado em lógica programável via hardware (mas também pode ser implementado via software) e recebe os segmentos 25 em sua entrada. O bloco 26 opera em tempo real e tem a função de extrair das amostras de um segmento 25 os valores de parâmetro predeterminados. Em particular, os referidos parâmetros predeterminados compreendem, para cada pulso de descarga parcial: duração equivalente (T), largura de banda equivalente (W), polaridade (isto é, o sinal de um primeiro pico do pulso excedendo, em valor absoluto, um valor de referência), amplitude do pulso, energia do pulso, junto com outras quantidades obtidas pela aplicação de várias técnicas de processamento de sinal, como ondaletas. Deve-se notar que os referidos parâmetros duração equivalente (T) e largura de banda equivalente (W) podem ser substituídos por outros parâmetros similares, ou podem ser calculados de formas alternativas com respeito às definições apresentadas acima (as quais, de qualquer forma, constituem um meio preferido de se calcular os referidos parâmetros).
Em geral, os parâmetros extraídos contêm toda a informação sobre os pulsos PD medidos, relacionada particularmente (mas não exclusivamente) à forma de onda dos pulsos, útil para o uso subseqüente dos dados medidos para fins de diagnóstico.
Nesse aspecto, deve-se notar que o instrumento 1 adquire e disponibiliza, em sua saída, dados referentes aos pulsos de descarga parcial ocorrendo no sistema elétrico em questão; os referidos dados serão então usados para realizar uma avaliação de diagnóstico do sistema elétrico e/ou serão armazenados, para constituir uma base de conhecimento para o desenvolvimento de estratégias de diagnóstico. Em qualquer caso, os dados sobre os pulsos de descarga parcial devem ser manipulados, processados, mostrados, etc. de acordo com os requerimentos e procedimentos que, a princípio, podem não ser conhecidos ou previstos à frente do tempo. Portanto, é importante que os dados medidos pelo instrumento 1 sejam o mais significativo e completo possível.
Assim, o bloco 26 recebe em sua entrada os segmentos 25 (isto é, uma representação digital de todo o perfil ao longo do tempo dos pulsos PD), os processa em tempo real e emite um sinal digital compacto 27, constituído por uma representação que é sintética (consequentemente gerenciável com um tempo de cálculo particularmente curto) mas é igualmente representativa de todo o perfil ao longo do tempo dos pulsos PD.
A ação do bloco 26 envolve o fato que os próprios segmentos 25 não são mantidos, com conseqüente vantagem em termos de quantidade de dados processados / emitidos pelo instrumento. Entretanto, deve-se notar que o instrumento 1 também oferece a possibilidade de contornar o bloco 26, por meio de um sinal inibidor enviado pelo bloco de gerenciamento 23, de forma que os segmentos 25 sejam transmitidos pelo bloco 26 sem nenhum processamento / extração.
A característica fundamental do referido sinal digital compacto 27 é que este requer muito menos espaço (RAM) para ser armazenado do que as amostras dos segmentos 25, contribuindo dessa forma para expandir o Comprimento Máximo de Rajada do Segmento (para igualar-se à RAM). Na concretização preferida ilustrada, o bloco de processamento / extração 26 é conectado a um armazenamento temporário 28, isto é, uma memória circular, capaz de armazenar em tempo real (à mesma velocidade a que ela recebe os dados de entrada) o sinal digital compactado 27 (ou os segmentos 25, se o bloco de extração 26 for inibido) de modo a disponibilizá-los aos estágios subseqüentes, que podem estar operando a diferentes taxas. O armazenamento temporário 28 é preferencialmente implementado com lógica programável via hardware (mas também pode ser implementado via software).
O armazenamento temporário 28 interage com o elemento de controle 24, cuja função é determinar quando permitir ou não a aquisição de um novo segmento de acordo com a quantidade de espaço livre no armazenamento temporário 28. O elemento de controle 24 é implementado preferencialmente com lógica programável via hardware (mas também pode ser implementado via software).
O armazenamento temporário 28 é conectado a um segundo bloco de processamento / extração 29, de preferência implementado via software (por exemplo, compreendendo um DSP, ou um microprocessador ou um microcontrolador ou uma combinação destes), mas também programável via hardware com lógica programável. A função do segundo bloco de processamento / extração 29 é similar àquela do bloco de processamento / extração 26; o bloco de processamento / extração 29, operando a jusante do armazenamento temporário 28, pode efetuar cálculos que exigem mais tempo, sem desacelerar a operação do instrumento 1. O fato de que os meios de processamento 5 originalmente compreendem dois blocos de processamento / extração distintos 26 e 29 e um armazenamento temporário 28 disposto entre os próprios blocos permite otimizar os tempos de cálculo e minimizar o Tempo Morto, enquanto opera em tempo real, isto é, sem a necessidade de uma memória para armazenar uma certa quantidade de dados, para extraí-los subseqüentemente. Além do mais, na ação combinada dos dois blocos 26 e 29, o bloco de processamento / extração 26 reduz a quantidade de trabalho do segundo bloco de processamento / extração 29 e consequentemente reduz o Tempo Morto Mínimo Contínuo.
Deve-se notar que os meios de processamento 5 podem também compreender um único bloco de processamento / extração 26, operando em tempo real, sem a necessidade de interpor o armazenamento temporário 28.
Deve-se notar que os meios de processamento 5 podem também compreender arquiteturas adicionais.
Dois aspectos devem ser especificados, com respeito à operação do bloco de processamento e ao gerenciamento do fluxo de dados.
O depósito de pré-disparo 19 e o armazenamento temporário 28 constituem memórias (cuja presença não é indispensável para os fins da presente invenção) que são preferencialmente organizadas como circular, gerenciadas de acordo com uma lógica FIFO; isto é, as referidas memórias recebem e transmitem dados na mesma ordem na qual são recebidos, continuamente, sem interrupções no fluxo de dados. Portanto, a função da memória é operar uma desaceleração temporária do fluxo de dados. Em outras palavras, o armazenamento temporário 28 constitui meios para (temporariamente) desacelerar o fluxo de dados a partir do referido estágio de entrada para o referido estágio de saída.
Os blocos de processamento 26 e 29 são capazes de derivar parâmetros com base em toda a forma da onda do pulso de descarga parcial. Entretanto, o bloco de processamento 26 (e possivelmente o segundo bloco de processamento 29) não opera simultaneamente em todas as amostras correspondendo a um pulso, mas em uma amostra de cada vez (seqüencialmente), realizando uma seqüência de passagens (no cálculo dos referidos parâmetros predeterminados) e retendo em cada passagem um resultado parcial em seu próprio registro, com o referido resultado parcial sendo atualizado de tempo em tempo, até que assuma o valor definitivo para o referido parâmetro predeterminado, depois de a última amostra relacionada ao pulso ter sido processada. Esse aspecto da implementação contribui com a possibilidade de derivar, em tempo real (com valores de tempo morto particularmente redulzidos), parâmetros baseados em toda a forma de onda dos pulsos de descarga parcial medidos. Deve-se notar que, no fluxo de dados a partir do estágio de entrada 2 para o estágio de saída 4, a seqüência de eventos é a partir da entrada para a saída, de acordo com o "sistema de avanço".
O estágio de saída 4 do instrumento 1 compreende uma interface de comunicação 30, capaz de encapsular os dados a partir de, e para o, instrumento 1 em um barramento de comunicação bidirecional 31, preferencialmente orientado a fluxo.
Deve-se notar que o termo comunicação bidirecional orientada para o fluxo entre A e B significa qualquer sistema que permita transferir dois fluxos de dados, um de A para Β, o outro de B para A, de forma tal que os dados cheguem ao destinatário na mesma ordem na qual eles foram enviados e que os dois fluxos sejam substancialmente simultâneos e contínuos. A implementação física pode suportar sistemas não-contínuos (pacote) e/ou sistemas não-simultâneos (semidúplex) e/ou sistemas não-ordenados, mas nesse caso também é possível continuarmos a falar de fluxos de dados, porque os protocolos e/ou armazenamentos temporários apropriados podem retornar a comunicação para condições de continuidade, simultaneidade e ordem.
Deve-se notar que o Tempo Morto Contínuo
Mínimo pode depender da capacidade de transferência do barramento 31 se ela for menor que a do bloco de processamento / extração 29 O referido barramento 31 pode compreender, por exemplo, soluções técnicas conhecidas, como RS232, USB, firewire ou Ethernet. A interface de comunicação 30 pode ser implementada tanto via hardware quanto via software. A concretização preferida da invenção oferece uma implementação de soquete TCP/IP em Ethernet através de um dispositivo de hardware.
O instrumento 1 também compreende uma lógica de controle 32, supervisionando todas as funções de controle e sincronização dos componentes de software do instrumento 1, implementado via software.
Além do mais, os meios de processamento 5 preferencialmente compreendem, originalmente, um elemento de condicionamento 33, inserido entre o segundo bloco de processamento / extração 29 (ou o bloco de processamento / extração 26) e o estágio de saída 4, de forma a operar uma filtragem digital do sinal processado, em função dos valores derivados.
O referido elemento de condicionamento 33, operando uma filtragem em tempo real do sinal medido de acordo com os referidos parâmetros predeterminados (correlacionados às avaliações de diagnóstico do sistema elétrico baseado na avaliação da atividade das descargas parciais), possibilita uma vantagem importante, isto é, a de ser capaz de observar um fenômeno lento (caracterizado por poucos pulsos de descarga da unidade de tempo) por um longo tempo sem saturar a memória (possivelmente conectada ao estágio de saída 4, a jusante do instrumento 1) com os dados relacionados a outro fenômeno concomitante muito intenso (caracterizado por um número relativamente alto de pulsos de descarga ou de sinais indesejados na unidade de tempo).
Deve-se notar que o elemento de extração 33 permite vantajosamente rejeitar ruído ou selecionar pulsos pertencentes a um dado fenômeno de descarga com respeito a outros pulsos sobrepostos, em tempo real, com base na forma de onda dos sinais. Isso permite que o instrumento 1 transmita dados completos e significativos, sem nenhum risco de perda de informação. Por outro lado, se os sinais analógicos de entrada brutos fossem medidos e digitalizados (sem processamento ou filtragem) e armazenados em uma memória, para realizar todas as operações de processamento em momentos subseqüentes (por exemplo através de um computador), haveria o risco de não ser capaz de medir todos os pulsos de interesse, dada a quantidade de informações que teria de ser gerenciada via software.
Com referência à Figura 2, o bloco de digitalização 21, o depósito de pré-disparo 19, o gerador de disparo 20, o seletor de disparo 22, o bloco de gerenciamento 21, o bloco de processamento / extração 26 (e possivelmente o armazenamento temporário 28 e o segundo bloco de processamento / extração 29) definem uma unidade, do ponto de vista lógico-funcional, para a qual é feita referência abaixo na forma do canal de aquisição 34. Na concretização ilustrada na Figura 2, o instrumento 1 compreende um primeiro canal de aquisição 34A e um segundo canal de aquisição 34B. Na presença de dois ou mais canais de aquisição 34, cada seletor de disparo 22 recebe e envia sinais de controle 35, interagindo com outros seletores de disparo 22 inclusos em canais de aquisição 34 correspondentes.
Deve-se notar que o instrumento 1 é equipado de forma a ter uma multiplicidade de canais de aquisição 34. Os referidos canais 34 podem ser dedicados, por exemplo, para a medição de descargas parciais ocorrendo em diferentes fases de um sistema elétrico multifásico. Também se propõe o uso de um ou mais canais de aquisição 34 para medir outras quantidades além das descargas parciais, por exemplo, quantidades correlacionadas a fatores ambientais (por exemplo, temperatura e umidade); nesse caso, o instrumento 1 originalmente compreende canais dedicados à detecção dos PDs e canais lentos, substancialmente ativos em paralelo. Note que os referidos canais não necessariamente requerem a presença de meios de disparo.
No caso da multiplicidade dos canais de aquisição 34, existem várias arquiteturas possíveis: da separação completa dos meios de processamento 5, ao compartilhamento parcial, ao compartilhamento completo; o compartilhamento completo torna as aquisições simultâneas impossíveis sem a presença de uma área de memória para conter as amostras simultaneamente. A presente invenção também disponibiliza um método para medição de descargas elétricas parciais em um sistema elétrico.
0 referido método compreende as seguintes etapas:
- o recebimento, em um estágio de entrada, de um sinal analógico representando um ou mais pulsos de descarga parcial a serem medidos e subseqüentemente gerando uma representação digital de toda a forma de onda do referido um ou mais pulsos,
- o processamento em tempo real, isto é, sem a necessidade de armazenar dados em uma memória, da referida representação digital de toda a forma de onda do referido um ou mais pulsos, de forma a extrair o valor dos parâmetros predeterminados relacionados à forma de onda do referido um ou mais pulsos.
O referido método também compreende uma etapa de medição de um sinal de sincronismo analógico, representando uma tensão elétrica aplicada ao sistema elétrico, disponibilizada para a etapa de processamento. Em particular, uma etapa de digitalização do referido sinal de sincronismo analógico é originalmente proporcionada.
Também é proposta uma etapa de condicionamento / filtragem do sinal digital processado, subseqüente à etapa de processamento, em função dos valores derivados. A etapa de processamento preferencialmente compreende, por sua vez, as seguintes sub-etapas:
primeiro processamento da referida representação digital de toda a forma de onda do referido um ou mais pulsos,
- gravação temporária de dados no formato digital em um armazenamento temporário;
- segundo processamento dos dados lidos do armazenamento temporário.
Operativamente, o método de acordo com a presente invenção compreende o seguinte. Em um estágio de entrada 2, um sinal analógico 3 representando um ou mais pulsos PD é traduzido, através de uma etapa de amostragem, em um fluxo contínuo de amostras representando o sinal de banda larga a ser analisado; as amostras são transferidas para um gerador de disparo 20, o qual observa o sinal procurando por amostras que excedam o limiar estabelecido (limiar de disparo 21) e gera o evento de disparo, e um depósito de pré-disparo 19, um armazenamento temporário circular que armazena um número de amostras igual ao tempo de pré-disparo. Na prática, o depósito de pré-disparo 19 apresenta, na entrada de um bloco de processamento / extração 26, ou diretamente a um armazenamento temporário 28, um fluxo de amostras idêntico ao que ele recebe, mas retardado por um tempo igual ao tempo de pré-disparo. No evento de disparo, um bloco de gerenciamento 23, caso haja espaço no armazenamento temporário 28, ativa o bloco de processamento / extração 26 e, após um tempo estabelecido de acordo com os parâmetros de aquisição 18, determina o fim de um segmento 25; o bloco de processamento / extração 26 analisa o referido fluxo e extrai parâmetros predeterminados do segmento, os quais são salvos no armazenamento temporário 28.
Se o bloco de processamento / extração 26 for inibido (pelo bloco de gerenciamento 23), o bloco de gerenciamento 23 ordena o armazenamento no armazenamento temporário 28 de todo o segmento 25 junto com suas coordenadas de tempo (tempo absoluto e tempo relativo ao sinal de sincronismo). Deve-se notar que as referidas coordenadas de tempo são salvas (pelo próprio bloco de processamento / extração 26) também se o bloco 26 não for inibido.
A presente invenção disponibiliza um aparelho e um método que permitem as seguintes vantagens.
A presente invenção permite medir pulsos de descarga parcial com um Tempo Morto particularmente curto. Deve-se notar que um Tempo Morto (o qual é substancialmente o tempo no qual o sistema está cego após adquirir um segmento, antes de ser capaz de adquirir outro), com valor limitado, permite em primeiro lugar a aquisição de um número maior de fenômenos PD ao mesmo tempo. Nesse aspecto, deve-se notar que, se os fenômenos PD estiverem imersos em ruídos (por exemplo ruído não-contínuo, como por exemplo interferência entre aparelhos elétricos), um sistema de aquisição conhecido na técnica não permite a separação dos fenômenos PD um dos outros e/ou do ruído.
Como conseqüência, a possibilidade de adquirir um grande número de dados, sem a necessidade de armazenar os referidos dados em uma memória, permite medir e separar os fenômenos PD um dos outros e do ruído em tempo real ou também em um momento posterior, através da análise dos parâmetros predeterminados extraídos em tempo real. Note que a referida separação pode ser efetuada dentro do instrumento 1 antes que os dados sejam transmitidos, gravando-os na largura de banda do barramento de comunicação.
A separação do bloco de processamento / extração em dois blocos, 26 e 29, permite limitar o tempo morto a valores muito baixos (pelo menos para certo número de descargas), por exemplo, abaixo de 1 μ8.
A sensação de se ter um Tempo Morto particularmente curto para certo número de descargas origina-se do fato de que os fenômenos PD tipicamente não são distribuídos uniformemente com o tempo, mas concentrados em intervalos de tempo determinados. Nesse aspecto, a presente invenção permite a absorção de concentrações de descarga sem perdê-las, e processando-as então quando a taxa de descarga estiver mais limitada. Note que o instrumento 1 integra em lógica programável tudo que trabalha em tempo real, incluindo o armazenamento temporário 28, enquanto uma parte remanescente dos cálculos é executada por elementos implementados via software, ou por um DSP, de forma que o instrumento 1 seja capaz de executar substancialmente qualquer tipo de cálculo, ao mesmo tempo limitando os custos. A lógica programável pode executar rapidamente operações relativamente simples, ao passo que o software em DSP pode executar qualquer tipo de cálculo, mas tipicamente em um tempo maior, dependendo de seu custo e de sua complexidade. A divisão de tarefas entre os dois componentes permite a obtenção de excelentes níveis de desempenho ao mesmo tempo em que limita os custos e a complexidade.
Note também que os componentes implementados em lógica programável e estes implementados via software (DSP) sempre operam simultaneamente, pois o armazenamento temporário 28 pode ser gravado pela lógica programável (por exemplo, o bloco de processamento / extração 26) e, simultaneamente, lido pelo DSP (por exemplo, o segundo bloco de processamento / extração 29); a lógica programável tem de parar apenas quando o armazenamento temporário 28 está cheio.
Note também que uma vantagem da presente invenção constitui-se na possibilidade de executar operações de processamento altamente complexas nos dados medidos, em particular de forma rápida e eficiente, graças ao fato de que as referidas operações de processamento avançada (isto é, operações de processamento que, por si só, requerem grande gasto de recursos de cálculo) são executadas posteriormente à intervenção do bloco de processamento / extração 26, isto é, no sinal digital compactado 27 em tempo real. Portanto, a presente invenção permite oferecer uma avaliação de diagnóstico do sistema elétrico avaliado (por exemplo, por meio da aplicação de técnicas de inteligência artificial ou qualquer outra técnica de processamento aplicável substancialmente em tempo real aos dados medidos) substancialmente em tempo real.
Além do mais, deve-se notar que a presente invenção permite medir e processar, simultaneamente e de maneira sinérgica, sinais relativos a pulsos de descarga parcial e sinais relativos a qualquer outra quantidade, graças à possibilidade de usar uma multiplicidade de canais de aquisição 34 mutuamente interagentes.
Note também que a presente invenção não exige supervisão ou a participação de um operador; portanto, pode ser usada sob qualquer condição, também para fins de monitoramento (isto é, para medição contínua, estendendo-se por um tempo indefinido, dos sinais de descarga ocorrendo no sistema elétrico em questão).