BRPI0905138A2

BRPI0905138A2 - sistema conjugado para monitoração de temperatura e regulação de tensão em transformadores de potência, reguladores de tensão e congêneres equipados com comutadores de derivações sob carga

Info

Publication number: BRPI0905138A2
Authority: BR
Inventors: Santos Eduardo Pedrosa
Original assignee: Santos Eduardo Pedrosa
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2011-08-02

Abstract

<B>SISTEMA CONJUGADO PARA MONITORAçãO DE TEMPERATURA E REGULAçãO DE TENSãO EM TRANSFORMADORES DE POTENCIA, REGULADORES DE TENSãO E CONGENERES EQUIPADOS COM COMUTADORES DE DERIVAçõES SOB CARGA<D>, notadamente de um sistema que conjuga, em um mesmo equipamento, as funções de monitoração das temperaturas do óleo do tanque principal, do óleo do comutador sob carga e dos enrolamentos e de regulação automática de tensão, controlando para isso o comutador sob carga.

Description

"SISTEMA CONJUGADO PARA MONITORAÇÃO DE TEMPERATURA EREGULAÇÃO DE TENSÃO EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA,REGULADORES DE TENSÃO E CONGÊNERES EQUIPADOS COMCOMUTADORES DE DERIVAÇÕES SOB CARGA"BREVE APRESENTAÇÃO

Trata a presente solicitação de Patente de Invenção de um inédito"SISTEMA CONJUGADO PARA MONITORAÇÃO DE TEMPERATURA EREGULAÇÃO DE TENSÃO EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA,REGULADORES DE TENSÃO E CONGÊNERES EQUIPADOS COMCOMUTADORES DE DERIVAÇÕES SOB CARGA"; notadamente de um sistemaque conjuga, em um mesmo equipamento, as funções de monitoração dastemperaturas - do óleo do tanque principal, do óleo do comutador sob carga e dosenrolamentos - e de regulação automática de tensão, controlando para isso ocomutador sob carga. Essa combinação, em um mesmo sistema, de funções atéentão efetuadas de forma distinta, apresenta vantagens extraordinárias a seremdescritas ao longo desse relatório.BREVE INTRODUÇÃO

Os transformadores de potência e reguladores de tensão sãoequipamentos largamente utilizados em sistemas de geração, transmissão edistribuição de energia elétrica de média, alta e extra-alta tensão, realizando asfunções de alteração de níveis de tensão (por exemplo, de 138 kV para 13,8 kV)e/ou regulação da tensão fornecida às cargas a eles conectadas.

Estes equipamentos freqüentemente utilizam como meio isolante e deremoção de calor algum tipo de líquido isolante, que pode ser óleo mineral (derivadodo petróleo), óleo vegetal (obtido da soja, girassol ou outro) ou silicone, por exemplo.Os transformadores e reguladores de tensão possuem enrolamentos,geralmente de cobre, que recebem uma bandagem de papel ao seu redor. Toda aparte ativa - composta de núcleo e enrolamentos - é então imersa no líquidoisolante, de forma a impregnar o papel e garantir a isolação elétrica do conjunto,além de proporcionar o resfriamento dos enrolamentos por meio da circulação dolíquido em radiadores de calor.

Dessa forma, é essencial para a operação segura do equipamento queas temperaturas do líquido e dos enrolamentos estejam abaixo de valores limite,evitando assim o envelhecimento acelerado do equipamento e os riscos de falhas eincêndios. Freqüentemente são empregados também ventiladores, instalados juntosaos radiadores de calor, de forma a aumentar a eficiência do sistema deresfriamento.

Além disso, para permitir o controle de tensão fornecida à carga, écomum que seus enrolamentos sejam equipados com derivações intermediárias(taps) os quais são conectados a um Comutador de Derivações Sob Carga (CDC ouOLTC - On-Load Tap Changer), que efetua a mudança do tap utilizado com otransformador energizado e com a carga conectada, alterando assim a relação deespiras e, consequentemente, a tensão de saída do transformador ou regulador.

Para realizar a mudança de tap o CDC possui um mecanismo deacionamento motorizado, que é controlado por sinais recebidos em suas entradas,para subir ou baixar o tap.

ESTADO DA TÉCNICA

No atual estado da técnica, os transformadores e reguladores sãoequipados com um dispositivo denominado relê regulador automático de tensão, ourelê de tensão ou simplesmente "relê 90", cuja função principal é enviar aocomutador sob carga, sinais de comando para baixar ou elevar a posição de tap, deforma a manter a tensão na carga dentro de limites programados, permitindo aregulação automática de tensão fornecida à carga.

Para efetuar a função de regulação automática de tensão, o relê detensão efetua a medição da tensão de saída do transformador ou regulador por meiode um transformador de potencial (TP) e da corrente de carga por meio de umtransformador de corrente (TC). Com essas medições, o relê de tensão efetua ocálculo da tensão que efetivamente chega à carga, levando em consideração aqueda de tensão na linha de transmissão, proporcional à corrente de carga. Atensão calculada na carga é então comparada aos limites superior e inferiorprogramado, determinando assim se há necessidade de mudança no tap do CDC ese a mudança deve ser no sentido de aumentar ou diminuir a tensão.

Freqüentemente o relê regulador de tensão efetua a medição tambémda posição de tap do comutador sob carga, por meio da leitura de um potenciômetroexistente no mecanismo do comutador, cuja resistência é proporcional à posição detap atual (por exemplo, 0 a 320 ohms correspondendo à posição de tap 1 a 33).

A partir dos valores medidos de tensão, corrente e posição de tap docomutador sob carga, o relê regulador aciona diversos contatos elétricos de saída,tanto para o comando subir/baixar tap do comutador quanto para indicação remotade alarmes por subtensão, sobretensão, sobrecorrente, etc.

O relê regulador de tensão possui também entradas para leitura decontatos de comando externos, que podem ser utilizados para envio remoto decomandos para subir ou baixar tensão, dentre outras funções.

As medições de tensão de saída do transformador, corrente de carga eposição de tap podem ser indicadas também remotamente, por exemplo, na sala decontrole da subestação, por intermédio de saídas analógicas com sinaisproporcionais às grandezas indicadas. Por exemplo, podem ser usadas saídas decorrente na faixa de 4 a 20 mA que correspondem a tensão de 0 a 160 V, correntede 0 a 100 A, tap 1 a 33, e assim por diante.

Para indicação remota de medições, os relês reguladores sãofreqüentemente equipados também com portas de comunicação serial, por exemplo,RS232, RS485 ou outras, que permitem também a alteração remota de ajustes e ocomando do comutador para subir e baixar a tensão na carga.

Tal arranjo pode ser observado, por exemplo, no pedido de PatentePI0601093-8.

Por outro lado, para permitir sua operação segura, os transformadoresde potência e reguladores são equipados com um dispositivo para a monitoração desuas temperaturas, com o objetivo de controlar automaticamente o sistema deventilação forçada, alertar o operador em caso de altas temperaturas e efetuar odesligamento de emergência do transformador em caso de temperaturas extremas.Tal equipamento é comumente denominado "monitor de temperatura", e trata-se deum dispositivo totalmente independente do relê regulador de tensão.

Para cumprir sua função, o monitor de temperatura efetua a supervisãotanto da temperatura do líquido isolante quanto do enrolamento. A temperatura doóleo é obtida por medição direta, por meio de um sensor de temperatura(usualmente uma termoresistência tipo Pt100) instalado na tampa do transformadorou regulador. Já a temperatura do enrolamento, devido à dificuldade de seinstalarem sensores nessa região, dado o elevado potencial elétrico do enrolamentoem relação à massa, é obtida por meio de cálculo, baseando-se na temperatura doóleo somada a uma elevação ou gradiente de temperatura, que é calculado combase na corrente de carga do transformador ou regulador. Para obter o valor dacorrente de carga, o monitor de temperatura efetua a medição da corrente nosecundário de um transformador de corrente (TC) existente no transformador.

Igualmente importante nos transformadores é a monitoração da temperatura do óleo do comutador sob carga, uma vez que o mesmo possui umtanque de óleo separado do óleo do tanque transformador. O valor destatemperatura é obtido pelo monitor de temperatura por meio da medição de umsensor de temperatura, instalado na tampa do tanque de óleo do comutador.

A partir dos valores obtidos para as temperaturas do óleo do tanque principal, do enrolamento e do óleo do comutador sob carga, o monitor detemperatura aciona diversos contatos elétricos de saída que efetuam o comandoautomático do sistema de resfriamento forçado, acionam sistemas de alarmeremotos ou ainda enviam sinal de comando para desligamento de emergência dotransformador em caso de alta temperatura.

O monitor de temperatura possui também entradas para leitura decontatos de comando externos, que podem ser utilizados para envio remoto decomandos para ligar e desligar ventiladores, dentre outras funções.

Os valores das diversas temperaturas monitoradas também podem serindicados remotamente, na sala de controle da subestação, por exemplo, por intermédio de saídas analógicas com sinais proporcionais às grandezas indicadas.Por exemplo, podem ser usadas saídas de corrente na faixa de 4 a 20 mA quecorrespondem a temperaturas de 0 a 150ºC.

Para indicação remota de medições, os monitores de temperatura sãofreqüentemente equipados também com portas de comunicação serial, por exemplo,RS232, RS485 ou outras, que permitem também a alteração remota de ajustes e ocomando dos ventiladores.

Tal arranjo pode ser observado, por exemplo, no pedido de PatenteP10700843-0.

Como se pode observar pela descrição do estado da técnicaapresentada, os transformadores de potência e reguladores de tensão sãoequipados com dois dispositivos eletrônicos distintos, o relê regulador de tensão e omonitor de temperatura, que possuem diversos circuitos e interfaces de entrada esaída comuns, quais sejam:

□ Entrada para medição de corrente no secundário de um TC do transformadorou regulador, com o objetivo de medição da corrente de carga do mesmo;

□ Contatos elétricos de saída para envio de comandos e de alarmesremotamente;

□ Entradas para contatos de comando externos, para recepção de comandosremotos;

□ Saídas analógicas (por exemplo, 4 a 20 mA) para indicações remotas demedições;

□ Portas de comunicação serial (por exemplo, RS232, RS485 ou outras) paraindicações remotas de medições, alterações de ajustes e envio remoto decomandos.

Além disso, por se tratarem ambos de equipamentos eletrônicos comfunções de proteção e controle de transformadores e reguladores, os doisdispositivos possuem em sua construção diversos outros elementos em comum, taiscomo:

□ Microprocessador ou microcontrolador;□ Teclado e display de interface com o usuário;

□ Conversores analógico-digital;

□ Conversores digital-analógico;

□ Fonte de alimentação, dentre outros.

DESVANTAGENS DO ESTADO DA TÉCNICA

■ Maior número de pontos de falha potenciais, o que tende a aumentar onúmero de falhas que necessitarão de intervenções de manutenção, aumentandocom isso os custos de manutenção do sistema;

■ Maior impacto ambiental quando do fim de vida dos equipamentos, devido àmaior quantidade de material a ser descartado;

□ O aumento de custos devido à duplicação desnecessárias de interfaces,circuitos e componentes eletrônicos;

□ A elevação de custos devido à duplicação desnecessárias de cabos deinterligação de entradas e saídas e aumento do espaço requerido para instalaçãodos equipamentos nos painéis de controle;

□ Maior uso de mão de obra na instalação dos sistemas, com conseqüenteelevação desse custo.

DA INVENÇÃO

Ciente do estado da técnica, seus inconvenientes e limitantes, oinventor, pessoa atuante no segmento em apreços, após estudos e pesquisas, criouo "SISTEMA CONJUGADO PARA MONITORAÇÃO DE TEMPERATURA EREGULAÇÃO DE TENSÃO EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA,REGULADORES DE TENSÃO E CONGÊNERES EQUIPADOS COMCOMUTADORES DE DERIVAÇÕES SOB CARGA" em questão, que vem tornarmais confiável e reduzir os custos associados à monitoração em tempo real detemperaturas e à regulação de tensão em transformadores, reguladores de tensão eequipamentos afins, preenchidos com óleo isolante e equipados com comutadoressob carga, suprindo as deficiências atuais no que se refere aos inconvenientesfartamente ilustrados no estado da técnica.

VANTAGENS DA INVENÇÃO

□ Menor número de pontos de falha potenciais, o que tende a reduzir o númerode falhas que necessitarão de intervenções de manutenção, reduzindo com isso oscustos de manutenção do sistema;

□ Maior confiabilidade dos sistemas de regulação de tensão e monitoração detemperatura, devido ao menor número de pontos de falha potenciais;

□ Menor impacto ambiental quando do fim de vida dos equipamentos, devido àmenor quantidade de material a ser descartado;

□ Redução de custos de aquisição por evitar-se a duplicação desnecessária deinterfaces, circuitos e componentes eletrônicos;

□ Redução de custos de instalação por evitar-se a duplicação desnecessária decabos de interligação de entradas e saídas e reduzir-se o uso de mão de obra;

□ Redução do custo dos painéis e armários de controle, por reduzir-se o espaçorequerido para instalação dos equipamentos de regulação de tensão e monitoraçãode temperatura.

A seguir explica-se a invenção com referência à figura anexa

DESCRIÇÃO DETALHADA

"SISTEMA CONJUGADO PARA MONITORAÇÃO DE TEMPERATURAE REGULAÇÃO DE TENSÃO EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA,REGULADORES DE TENSÃO E CONGÊNERES EQUIPADOS COMCOMUTADORES DE DERIVAÇÕES SOB CARGA", notadamente de um dispositivoeletrônico único (D) capaz de simultaneamente monitorar a temperatura e controlar aregulação de tensão em instalações como usina, subestação, rede de distribuição ououtra, para tanto sendo dotado de entradas para sensores e diversas saídas querealizam a interface com o transformador de potência ou regulador de tensãopreenchido com óleo isolante e com os sistemas de proteção e controle dainstalação.

Mais particularmente, o dispositivo único (D) congrega de forma inéditatodos os elementos necessários para desempenhar as funções de monitoração detemperaturas e regulação de tensão, incluindo uma ou mais entradas de medição decorrente de carga (1B), que se conectam a transformadores de corrente (TC)existentes no transformador (não mostrado), uma ou mais entradas de medição desensores de temperatura (1C), que efetuam a leitura dos sensores de temperatura(1S) instalados no óleo do transformador e do comutador sob carga (nãomostrados), uma ou mais entradas de medição de posição de tap (1D), conectadas asensores de posição (1T) existentes no mecanismo de acionamento do comutadorsob carga (não mostrado), uma ou mais entradas de medição de tensão (1E),conectadas a transformadores de potencial (TP) para medição da tensão de saídado transformador (não mostrado), uma ou mais entradas de medição de contatosexternos (1F), conectados a contatos de comando externos (1U), diversos contatoselétricos de saída (2A), para comando de ventiladores e comutador sob carga (nãomostrados) e para emissão de sinais de alarme e desligamento remotos, saídasanalógicas (2B) e portas de comunicação serial (2C) para indicação remota demedições, um ou mais microcontroladores ou microprocessadores (3A), conversoresanalógico-digitais (3B), conversores digital-analógicos (3C), teclado (3D), display(3E) e fonte de alimentação (3F).O sistema conjugado exposto permite que uma mesma medição decorrente (1B), referente à corrente de carga do transformador ou regulador, sejausada tanto para o cálculo de temperatura do enrolamento, na função demonitoração de temperaturas, quanto para o cálculo de queda de tensão na linha, nafunção de regulação de tensão.

Também um mesmo conjunto de entradas de medição de sensores detemperatura (1C), que efetuam a leitura tanto dos sensores de temperatura (1S)instalados no óleo do transformador, para uso na função de monitoração detemperatura do tanque principal do transformador ou regulador (não mostrado),quanto dos sensores de temperatura (1S) instalados no comutador sob carga (nãomostrado), para uso na função de regulação de tensão.

De forma similar, um mesmo conjunto de entradas de medição decontatos externos (1F) pode ser usado para comandar remotamente tanto ocomutador sob carga, na função de regulação de tensão, quanto os ventiladores, nafunção de monitoração de temperatura.

Também um mesmo conjunto de contatos elétricos de saída (2A) éutilizado para comando de ventiladores e comando do comutador sob carga e paraemissão de sinais de alarme e desligamento para ambas as funcionalidades, assimcomo as saídas analógicas (2B) e portas de comunicação serial (2C), que sãousadas para indicação remota de medições para ambas as funcionalidades.

Tal arranjo permite, ainda, que os mesmos microcontroladores oumicroprocessadores (3A), conversores analógico-digitais (3B), conversores digital-analógicos (3C), teclado (3D), display (3E) e fonte de alimentação (3F) sejamempregados para as funcionalidades de regulação de tensão e de monitoração detemperatura.Como complemento para permitir a realização da função de regulaçãode tensão, o sistema conjugado exposto possui ainda uma ou mais entradas demedição de posição de tap (1D), conectadas a sensores de posição (1T) existentesno mecanismo de acionamento do comutador sob carga (não mostrado) e uma oumais entradas de medição de tensão (1E), conectadas a transformadores depotencial (TP) para medição da tensão de saída do transformador.

Claims

1. "SISTEMA CONJUGADO PARA MONITORAÇÃO DE TEMPERATURA EREGULAÇÃO DE TENSÃO EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA,REGULADORES DE TENSÃO E CONGÊNERES EQUIPADOS COMCOMUTADORES DE DERIVAÇÕES SOB CARGA", caracterizado por umdispositivo único (D) que congrega todos os elementos necessários paradesempenhar as funções de monitoração de temperaturas e regulação de tensão,incluindo uma ou mais entradas de medição de corrente de carga (1B), que seconectam a transformadores de corrente (TC) existentes no transformador, uma oumais entradas de medição de sensores de temperatura (1C), que efetuam a leiturados sensores de temperatura (1S) do óleo do transformador e do comutador sobcarga, uma ou mais entradas de medição de posição de tap (1D), conectadas asensores de posição (1T) existentes no mecanismo de acionamento do comutadorsob carga, uma ou mais entradas de medição de tensão (1E), conectadas atransformadores de potencial (TP) para medição da tensão de saída dotransformador, uma ou mais entradas de medição de contatos externos (1F),conectados a contatos de comando externos (1U) para o comutador sob carga epara os ventiladores, diversos contatos elétricos de saída (2A), para comando deventiladores e comutador sob carga e para emissão de sinais de alarme edesligamento remotos, saídas analógicas (2B) e portas de comunicação serial (2C)para indicação remota de medições, um ou mais microcontroladores oumicroprocessadores (3A), conversores analógico-digitais (3B), conversores digital-analógicos (3C), teclado (3D), display (3E) e fonte de alimentação (3F).

2. "SISTEMA CONJUGADO PARA MONITORAÇÃO DE TEMPERATURA EREGULAÇÃO DE TENSÃO EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA,REGULADORES DE TENSÃO E CONGÊNERES EQUIPADOS COMCOMUTADORES DE DERIVAÇÕES SOB CARGA", de acordo com a reivindicação-1 caracterizado por permitir que uma mesma medição de corrente (1B) seja usadatanto para o cálculo de temperatura do enrolamento, na função de monitoração detemperaturas, quanto para o cálculo de queda de tensão na linha, na função deregulação de tensão.

3. "SISTEMA CONJUGADO PARA MONITORAÇÃO DE TEMPERATURA EREGULAÇÃO DE TENSÃO EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA,REGULADORES DE TENSÃO E CONGÊNERES EQUIPADOS COMCOMUTADORES DE DERIVAÇÕES SOB CARGA", de acordo com a reivindicação-1 caracterizado por um mesmo conjunto de entradas de medição de sensores detemperatura (1C) efetuar a leitura tanto dos sensores de temperatura (1S) instaladosno óleo do transformador, para uso na função de monitoração de temperatura dotanque principal do transformador ou regulador, quanto dos sensores de temperatura(1S) instalados no comutador sob carga, para uso na função de regulação detensão.

4. "SISTEMA CONJUGADO PARA MONITORAÇÃO DE TEMPERATURA EREGULAÇÃO DE TENSÃO EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA,REGULADORES DE TENSÃO E CONGÊNERES EQUIPADOS COMCOMUTADORES DE DERIVAÇÕES SOB CARGA", de acordo com a reivindicação-1 caracterizado por permitir que um mesmo conjunto de entradas de medição decontatos externos (1F) seja usado para comandar remotamente tanto o comutadorsob carga, na função de regulação de tensão, quanto os ventiladores, na função demonitoração de temperatura.

5. "SISTEMA CONJUGADO PARA MONITORAÇÃO DE TEMPERATURA EREGULAÇÃO DE TENSÃO EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA,REGULADORES DE TENSÃO E CONGÊNERES EQUIPADOS COMCOMUTADORES DE DERIVAÇÕES SOB CARGA", de acordo com a reivindicação-1 caracterizado por permitir que um mesmo conjunto de contatos elétricos de saída(2A) seja utilizado para comando de ventiladores, comando do comutador sob cargae para emissão de sinais de alarme e desligamento para as funcionalidades deregulação de tensão e de monitoração de temperatura.

6. "SISTEMA CONJUGADO PARA MONITORAÇÃO DE TEMPERATURA EREGULAÇÃO DE TENSÃO EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA,REGULADORES DE TENSÃO E CONGÊNERES EQUIPADOS COMCOMUTADORES DE DERIVAÇÕES SOB CARGA", de acordo com a reivindicação-1 caracterizado por permitir que um mesmo conjunto de saídas analógicas (2B) eportas de comunicação serial (2C) sejam empregados para indicações remotas demedições, ajustes de parâmetros e comandos para as funcionalidades de regulaçãode tensão e de monitoração de temperatura.

7. "SISTEMA CONJUGADO PARA MONITORAÇÃO DE TEMPERATURA EREGULAÇÃO DE TENSÃO EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA,REGULADORES DE TENSÃO E CONGÊNERES EQUIPADOS COMCOMUTADORES DE DERIVAÇÕES SOB CARGA", de acordo com a reivindicação-1 caracterizado por permitir que os mesmos microcontroladores oumicroprocessadores (3A), conversores analógico-digitais (3B), conversores digital-analógicos (3C), teclado (3D), display (3E) e fonte de alimentação (3F) sejamempregados para as funcionalidades de regulação de tensão e de monitoração detemperatura.

8. "SISTEMA CONJUGADO PARA MONITORAÇÃO DE TEMPERATURA EREGULAÇÃO DE TENSÃO EM TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA,REGULADORES DE TENSÃO E CONGÊNERES EQUIPADOS COMCOMUTADORES DE DERIVAÇÕES SOB CARGA", de acordo com a reivindicação-1 caracterizado por possuir uma ou mais entradas de medição de posição de tap(1D), conectadas a sensores de posição (1T) existentes no mecanismo deacionamento do comutador sob carga, e uma ou mais entradas de medição detensão (1E), conectadas a transformadores de potencial (TP) para medição datensão de saída do transformador, para uso na função de regulação de tensão.