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19/11/2024
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Edição 121 – Fevereiro de 2016
Aula Prática: Automação
Por Marcelo Paulino e Guilherme Penariol*
Como otimizar o teste de relés multifuncionais?
Testes de relés de proteção de sistemas elétricos têm sofrido mudanças ao longo dos anos. A evolução da tecnologia dos relés de proteção e o desenvolvimento das técnicas e equipamentos de testes, além do intensivo uso de softwares para elaborar os procedimentos, foram fundamentais para atender aos novos requisitos dos modernos sistemas de proteção. Os relés de proteção evoluíram dos eletromecânicos para a tecnologia digital multifuncional. Os equipamentos de teste também evoluíram ao longo do tempo, desde equipamentos passivos, constituídos de fontes analógicas e medidores de eventos binários, para os equipamentos baseados em sistemas digitais, utilizando tecnologia microprocessada e eletrônica de potência, comunicação Ethernet e capacidade de sincronização entre eles, além de incorporarem a engenharia de software para controle dos testes.
Os primeiros relés utilizavam a tecnologia eletromecânica. Estes dispositivos eram bastante simples se comparados com os relés atuais e, assim, os testes e métodos de teste também o eram. Com o sistema de automação de subestações convencional, a manutenção planejada e periódica desempenha um papel significativo nas ações de manutenção das empresas. Para assegurar a correta operação dos dispositivos de proteção, testes periódicos de relés ou sistema t&ecir
c;m sido necessários e, em muitos casos, obrigatório. Períodos de testes podem geralmente ser de um até cerca de cinco anos, dependendo de fatores como a importância da subestação, o nível de tensão e a estratégia da empresa.
As características de operação dos relés eletromecânicos eram formadas por um circuito de resistores, indutores e capacitores, operando com molas e alavancas que definiam os tempos de operação. Poucos parâmetros necessitavam ser checados. Nas décadas passadas, os testes eram realizados pelo testador de forma praticamente manual, sem procedimentos automáticos. Os valores do teste de determinada função do relé eram manualmente calculados e utilizado um equipamento de teste passivo.
Métodos de teste tradicionais foram desenvolvidos com a hipótese que os usuários não teriam dispositivos de teste para testar os relés sob as mesmas condições do sistema de potência. Assim, os procedimentos de teste foram desenvolvidos usando como componentes equipamentos de teste básicos, como variacs, defasadores e caixas de cargas. Com a evolução dos sistemas de proteção, são utilizados dispositivos numéricos, utilizando cada vez mais relés microprocessados. Rapidamente, estes relés evoluíram para os Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IEDs) que, comparados com equipamentos de proteção eletromecânicos e estáticos, apresentam um caráter multifuncional relacionado não apenas com funções de proteção, mas também com muitas funções adicionais. Recentemente, esses IEDs adquiriram ainda capacidade de comunicação e integração das funções de controle, como exemplo a implementação das mensagens GOOSE.
A introdução de sistemas de automação de subestação digitais mudou e, principalmente, reduziu a necessidade de testes periódicos em IEDs. Mas, no caso das realizações de testes, sejam em fábrica, no comissionamento ou em atividades de manutenção, eles devem ser completos e adequados. Com o aumento da complexidade, os relés podem possuir mais de 2.000 ajustes e os métodos de testes tradicionais não são mais apropriados. Além disso, as funcionalidades avançadas dos relés utilizam complexos modelos de rede para efetuar os cálculos e definir a atuação da proteção. Assim, os testes devem ter seus métodos adaptados para serem capazes de avaliar as funcionalidades dos relés, utilizando a filosofia de teste que for mais adequada.
Esse texto mostra a realização de teste rápidos e padronizados, minimizando as preferências pessoais e enfatizando a repetitividade dos mesmos. Ainda reduz a necessidade de um conhecimento profundo dos relés de proteção para a confecção dos testes e possibilita o desenvolvimento de testes e relatórios automáticos, minimizando o tempo de desenvolvimento e, consequentemente, reduzindo os custos de todo processo.
Exemplo de aplicação
Para o desenvolvimento desta aplicação poderíamos utilizar qualquer relé de proteção encontrado hoje no mercado, de qualquer fabricante. Neste exemplo, foram realizados testes padronizados e automatizados para o IED SEL-421, utilizando o software de teste e equipamento da Omicron Electronics. Vale lembrar que o IED está capacitado a publicar mensagens GOOSE baseadas na norma IEC61850 e como tal devem ser testadas.
O IED oferece funções de proteção de linha de transmissão. O sistema de teste automatizado deverá então ser capaz de simular todas as interfaces com o objeto a ser testado (IED), ou seja, tem que gerar as tensões e correntes de entrada do relé, simulando as saídas de transformadores de corrente e potencial, e realizar a leitura das saídas do relé para o disjuntor ou outro objeto de controle / manobra, tanto pelo tradicional contato por fiação rígida ou por mensagens de rede do tipo GOOSE baseadas na IEC 61850.
Dessa forma, o teste poderá ser avaliado automaticamente, obtendo um comparativo entre a resposta esperada e a obtida. Para tal feito, é necessário inserir corretamente as informações de parametrização do relé no sistema de teste, a configuração GOOSE do relé a ser testado, além das informações do próprio teste. Neste exemplo, foi detalhada a função de proteção ANSI 21, a proteção de distância aplicada em linhas de transmissão.
Parametrizando o IED
O teste do IED não se resume apenas à verificação de suas interfaces físicas como entradas analógicas e saídas digitais, por exemplo, mas também deve ser testada a unidade lógica com a parametrização de trabalho deste dispositivo. Esta parametrização é elaborada de acordo com os cálculos da proteção do sistema elétrico, seus parâmetros e condições específicas. Estas informações são obtidas no projeto do sistema de proteção.
Para efetuar a parametrização do relé de proteção, ou seja, adequar sua unidade lógica do relé aos parâmetros específicos do sistema elétrico a ser protegido, faz-se necessária a utilização do software de parametrização do fabricante do IED. O software utilizado neste caso foi o AcSELerator® QuickSet. Neste software foram ajustados todos os parâmetros necessários para as funções de proteção utilizadas no IED. Foi utilizado, como exemplo, somente a proteção de distância, embor
a todas as outras funções também estejam parametrizadas. Na Figura 1 é apresentada a tela do software com a parametrização da função de proteção de distância. Nela podem-se notar os grupos de parâmetros necessários para esta função. Em “Group 1” => “Set 1” => “Line Configuration” ajusta-se os parâmetros referentes à linha de transmissão que se deseja proteger, como por exemplo, o tamanho da linha, sua impedância e ângulo. O “Phase Distance Elements” é utilizado para habilitar ou não as zonas de atuação da proteção. Ainda, são parametrizadas as características de proteção propriamente dita, com ajustes para alcance, ângulo e tempo dos elementos de proteção.
Modelando os dados do IED no software do equipamento de teste
De posse da parametrização da função do IED a ser testada, é necessário inserir esses dados na ferramenta do equipamento de teste para que sejam efetuados o teste e a avaliação automática corretamente. O software de teste utilizado neste trabalho foi o Omicron Test Universe. Esse software possui uma grande biblioteca de relés chamada PTL (Protection Testing Library). Nessa biblioteca, um modelo do relé traz os ajustes e as informações necessárias para a realização correta do teste. Basta o usuário inserir os dados parametrizados na função de proteção a ser testada.
Figura 1 – Parametrização do SEL-421.
O modelo ainda permite que cada lógica de atuação definida pelo fabricante de IED já se encontra configurada. Assim, já é proposto também o procedimento de teste, não necessitando de conhecimentos prévios especializados do relé a ser testado. O software de teste utilizado oferece uma interface bastante amigável e intuitiva para o ajuste do teste de acordo com a parametrização do relé. São disponibilizadas duas opções para inclusão destes dados no modelo/conversor da Omicron, como segue:
Inclusão dos dados do relé feita pelo usuário
Os dados apresentados no modelo do relé no software de teste obedecem à mesma ordem e possuem o mesmo nome dos parâmetros apresentados no software de parametrização do fabricante do relé. Ainda, os mesmos limites de valores são disponibilizados, não permitindo a inclusão de ajustes fora da tolerância do IED. A Figura 2 mostra o modelo da PTL, exatamente com a mesma ordem, nome, unidade e valores dos ajustes do software do fabricante. Estes parâmetros estão evidenciados nas colunas à direita da figura. Com isto, é notória a redução do tempo gasto no preparo do teste e o aumento da sua confiabilidade. Basta o usuário redigitar os valores correspondentes.
Inclusão dos parâmetros feito através do filtro de importação do sistema de teste
Diferentemente da opção anterior, não é necessário copiar os parâmetros para o software de teste. É possível realizar a importação desses valores diretamente do arquivo de parametrização do relé. Para que isto seja possível, o software de parametrização do fabricante do IED deve ser capaz de exportar os ajustes, tanto em arquivo *.TXT (Schweitzer e Areva), *.CSV (GE e Toshiba), quanto para arquivos *.XML e *.XRIO (ABB e Siemens). Dessa forma, com o arquivo de parâmetros exportados do software do relé, basta importar esses valores para o software de teste, no modelo / conversor disponível na biblioteca do software do equipamento de teste, poupando o trabalho do testador, eliminando possiblidade de erros, e padronizando ainda mais a operação e troca de dados. A Figura 3 mostra o filtro de importação para o IED utilizado, com 89 parâmetros importados satisfatoriamente.
Figura 2 – Modelo da biblioteca de teste para o relé SEL-421 (software do equipamento de teste).
Figura 3 – Importação automática dos ajustes do IED SEL-421 (software do equipamento de teste).
Configuração de teste das mensagens GOOSE
As mensagens GOOSE devem ser configuradas e descritas em um software de configuração de sistema de automação. Geralmente, este software é do próprio fabricante do IED.
A parametrização das mensagens GOOSE é gravada em um arquivo de configuração do IED. Esse arquivo é baseado na linguagem de configuração de subestação estabelecida pela norma da IEC 61850. Trata-se de um arquivo em formato XML, com a extensão .ICD (do inglês “Configured IED Description”), em que se pode obter a informação dos dados de comunicação configurados no IED.
Foi utilizado o software AcSELerator® Architect para a configuração das mensagens GOOSE a serem publicadas na rede e também a exportação do arquivo ICD contendo esta parametrização do IED, como mostrado na Figura 4.
Figura 4 – Configuração das mensagens GOOSE (software do relé).
Em sistemas de proteção convencionais, o equipamento de teste monitora as saídas do relé em teste a fim de detectar as mudanças dos estados simulados (disparo, partida, bloqueio, etc.) e avaliar seu desempenho. Com a implementação da comunicação via rede baseada na norma IEC 61850 e o uso de mensagens GOOSE para eventos de comando e controle, o equipamento de teste deve ser capaz de efetuar a medição dessas mensagens. A conexão do IED multifuncional com o processo é similar aos métodos convencionais, com a adição das mensagens via rede.
Figura 5 – Teste funcional em IED baseado na IEC 61850 com mensagens GOOSE e disparo via fiação convencional.
Assim, com a configuração já realizada no IED, o equipamento de teste deve ser também configurado para ler a mensagem GOOSE publicada na rede de comunicação. Sendo assim, é necessário que seja feita a conexão virtual entre a mensagem GOOSE e o equipamento de teste utilizado.
O software de teste Omicron GOOSE Configuration oferece uma interface bastante intuitiva para a realização desta configuração. É possível a importação de qualquer tipo de arquivo de configuração de subestação previsto na norma IEC 61850, tanto em sua edição 1, quanto em sua segunda edição, independentemente do fabricante. É possível também mapear 360 mensagens para leitura (entradas virtuais) e 360 mensagens para escrita (saídas virtuais), podendo ser utilizadas simultaneamente até 128 entradas e 128 saídas no sistema de teste.
A Figura 6 mostra o mapeamento utilizado para o ensaio prático realizado no IED, algumas binárias do dispositivo de teste foram conectadas ao relé de maneira tradicional, com fiação rígida, e outras foram mapeadas para responder à subscrição de mensagens GOOSE, através de um procedimento simples de associação da mensagem à uma entrada binária do equipamento de teste utilizado.
Figura 6 – Mapeamento das mensagens GOOSE (software do equipamento de teste).
Teste do IED
Com o IED parametrizado e o sistema de teste já configurado, inclusive com os planos de impedância já definidos através do conversor da biblioteca de teste e o mapeamento das mensagens GOOSE realizado, pode-se prosseguir definindo os pontos que devem ser testados sobre o plano de impedância. Por se tratar de um software de teste automático, a verificação das características de proteção é realizada de forma gráfica, utilizando planos de teste com a característica de proteção.
O objetivo deste teste é determinar o exato alcance das zonas individuais aplicando sinais de falta ao longo de uma linha de busca sobre o plano de impedância com a característica parametrizada no IED. Os resultados com valores de impedância encontrados são mostrados no plano de impedância. Comparações automáticas dos valores nominais e os resultados do teste são realizados. O teste executa injeções de sinais de tensão e corrente relativas à impedância determinada pela localização no plano de impedâncias e avalia, em tempo real, se o resultado está conforme as tolerâncias previamente estabelecidas no modelo da biblioteca de teste, exibindo um resultado visual de fácil entendimento.
Figura 7 – Teste da função distância (fase) (software do equipamento de teste).
A Figura 7 apresenta o teste da proteção de distância simulando uma falta A-B-C, utilizando a característica Mho configurada no modelo XRIO da biblioteca de teste. Todos os pontos foram aprovados (estão com símbolo verde), ou seja, a parametrização teórica do relé condiz com o esquema de proteção executada pelo IED, dentro de suas tolerâncias (linha tracejada ao redor da característica).
Após executado o teste, os resultados e as respectivas avaliações são incorporados em um relatório gerado automaticamente. Informações detalhadas são disponibilizadas neste relatório, como toda a parametrização testada, dados do equipamento de teste, gráficos do teste, além de tabelas contendo os pontos testados, valores nominais, valores reais, desvio e o resultado da avaliação.
Conclusões
A modernização dos relés, antes eletromecânicos e atualmente digitais multifuncionais, resultou no aumento considerável da complexidade destes equipamentos. Acompanhando a mesma tendência, os testes destes dispositivos também evoluíram. Porém, da mesma maneira dos relés, a complexidade dos testes aumentou, possibilitando maior controle do usuário e requisitando ajustes adicionais e melhor preparação do responsável pelos testes.
Os profissionais responsáveis pelos testes de sistemas de proteção devem buscar as ferramentas adequadas par garantir a qualidade do teste e o desempenho de sua realização. Isto implica documentação adequada e uma busca na economia de tempo em todo o processo de avaliação do sistema de proteção.
Texto baseado no trabalho: Paulino M. E. C., Penariol, G. S. “Dos Relés Eletromecânicos aos Relés Digitais – Desenvolvimento das Técnicas e Evolução dos Procedimentos de Teste”, Anais do SEMASE 2014 – III Seminário Nacional de Manutenção e Gestão de Ativos do Setor Elétrico – Santos – SP, Brasil, 2014.
*Marcelo Eduardo de Carvalho Paulino é engenheiro eletricista e especialista em manutenção de sistemas elétricos pela EFEI. Membro ativo de sociedades profissionais nacionais e internacionais, como Cigré e ABNT/CB-03 – Cobei. É representante brasileiro no TC57 da IEC. Autor e coautor de mais de 100 trabalhos técnicos em eventos no Brasil e no exterior. Professor convidado em diversos cursos de pós-graduação. Atualmente, é diretor da Techmarc Engenharia | [email protected]
Guilherme Sanches Penariol graduou-se como engenheiro de controle e automação na Univei. Possui experiência em testes de sistemas de proteção convencionais e baseados na IEC 61850. Autor e coautor de trabalhos técnicos em eventos e periódicos no Brasil e no exterior. Atualmente, é diretor da Techmarc Engenharia | [email protected]
Com a necessidade de redução de peso das plataformas, visando alívio das unidades flutuantes e, consequente redução dos custos, fez-se necessário o desenvolvimento de materiais mais leves. Surgem assim, as tecnologias Ex-nA (não acendível) e Ex-e (segurança aumentada), empregando geralmente materiais plásticos em sua estrutura. Para aumentar a resistência mecânica, adiciona-se fibra de vidro ao plástico. Com isso, obtém-se um material mais leve que o alumínio e com adequada resistência mecânica.
Devido à proximidade com a água salgada do mar, os equipamentos em alumínio, caso não protegidos por uma camada de tinta especial, podem sofrer corrosão pela salinidade e umidade. O material plástico empregado nas luminárias de tecnologia Ex-e apresentam alta resistência à corrosão.
Figura 1 – Luminária fluorescente linear em plástico reforçado com fibra de vidro.
No entanto, para ambas as tecnologias Ex-d e Ex-e, são conhecidos os problemas relacionados aos efeitos de EOL (End-Of-Life) que ocorrem nas lâmpadas fluorescentes gerando manutenções constantes de troca das mesmas. São também conhecidos os problemas que ocorrem nos respectivos reatores eletrônicos, os quais também requerem a sua substituição periódica. Em instalações offshore, tais manutenções resultam quase sempre em paradas de produção e procedimentos de segurança demorados que acarretam custos extremamente elevados.
A tecnologia Led aplicada às luminárias lineares permite reduzir fortemente essa necessidade de constante substituição das atuais lâmpadas fluorescentes devido à sua elevada vida útil, minimizando assim os elevados custos incorridos dos trabalhos de manutenção. Um módulo Led é projetado
para durar cerca de 60.000 horas enquanto que uma lâmpada fluorescente tubular convencional dura cerca de 16.000 horas.
Outro ponto que vem ganhando importância atualmente é a eficiência energética dos equipamentos elétricos. Quanto maior essa eficiência, menos robustas precisam ser as instalações elétricas e menor é o consumo de potência durante a operação. Isso resulta em custos menores de construção e operação. A tecnologia Led apresenta um consumo de potência elétrica menor em relação à fluorescente para produzir um mesmo fluxo luminoso. Ou seja, para gerar o mesmo nível de iluminação, a tecnologia Led consome menos energia que a fluorescente, sendo assim, mais eficiente. Essa redução pode chegar a 20% dependendo dos modelos utilizados. Muitas dessas luminárias são dotadas de sistemas autônomos de emergência. Em caso de queda de energia, esse sistema mantém as lâmpadas acesas através de um conjunto de baterias. O consumo menor de energia apresentado pelo Led permite um maior período de funcionamento autônomo ou uma redução no tamanho do módulo de baterias dependendo da necessidade desejada.
Figura 2 – Sistema autônomo de emergência integrado à luminária.
Outra vantagem da tecnologia Led é a alta resistência às vibrações e impactos, sempre presentes nas plataformas offshore devido ao modo de operação e ao reduzido espaço disponível. As lâmpadas fluorescentes possuem em seu interior um par de eletrodos, um em cada extremidade, e um gás inerte à baixa pressão que ficam encerrados pelo invólucro de vidro tubular. Tanto os eletrodos quanto o invólucro são susceptíveis ao dano por vibração ou impacto, causando falhas prematuras das lâmpadas. No caso da tecnologia Led, a luz é gerada por materiais semicondutores (estado sólido) e não são utilizados eletrodos ou invólucros de vidro que possam ser danificados, assim, a tolerância à vibração e impactos é muito maior.
Para se acender uma lâmpada fluorescente é necessário que se aplique uma elevada tensão elétrica inicialmente para causar a ionização do gás inerte. Dessa maneira, a cada chaveamento de liga-desliga, é gerado um estresse nos eletrodos da lâmpada. Quanto mais frequentes forem esses chaveamentos, mais reduzida será a vida útil do eletrodo e, por consequência, da lâmpada. Esse efeito não acontece com os módulos de Led, uma vez que não necessitam de altas tensões de partida para ionização de gases como nas fluorescentes.
Outro ponto a ser observado é que esses gases ionizados produzem a nociva radiação ultravioleta (UV), cujos níveis são regulamentados pelas normas vigentes. Esse é um efeito intrínseco ao funcionamento das lâmpadas fluorescentes que necessitam dessa radiação para excitar o composto de fósforo que recobre o tubo de vidro internamente gerando luz no espectro visível ao olho humano. Isso não acontece com a tecnologia Led, na qual a luz é gerada diretamente no espectro visível. Deve-se evidenciar também a ampla gama de temperaturas de cor e o alto índice de reprodução de cor (IRC) oferecidos pelo Led que permitem flexibilidade e capacidade de atender aos diversos requisitos de aplicação.
A tecnologia Led também apresenta vantagens no final de sua vida útil. Ao contrário das lâmpadas fluorescentes que podem conter mercúrio, fósforo e outros metais pesados em seu interior e não podem ser descartadas indiscriminadamente, os módulos Led não requerem esse controle rigoroso e dispensam a necessidade de espaço de armazenamento.
Figura 3 – Descarte inadequado das lâmpadas fluorescentes pode causar contaminação do solo por metais pesados.
Dentro deste panorama, existe uma forte tendência de se efetuar estas modificações nestas luminárias, retirando-se os reatores e as lâmpadas fluorescentes e colocando em seu lugar as lâmpadas Led lineares, as quais já possuem toda a eletrônica requerida “embarcada”, dispensando a instalação de reatores ou de drivers adicionais.
Deve ser ressaltado que os pinos terminais das lâmpadas tubulares Led são idênticos aos terminais das lâmpadas bipino fluorescentes. Dessa forma, não há necessidade de modificação dos suportes terminais existentes nas luminárias “Ex” e nem réguas de bornes terminais ou colocação de qualquer componente adicional, reduzindo-se, assim, o tempo de parada para a substituição.
Figura 4 – O módulo Led substitui as lâmpadas fluorescentes, conectando-se diretamente aos soquetes e mantendo o reator existente.
As vantagens dessa substituição das lâmpadas fluorescentes existentes por um módulo Led linear são:
• Tecnologia Ex-e para facilitar manutenção;
• Economia de energia em cerca de 20%;
• Fluxo luminoso e distribuição equivalente à fluorescente já instalada;
• Iluminação indireta via refletor evitando ofuscamento;
• Fácil instalação sem necessidade de acesso ao reator ou às conexões elétricas;
• Ampla gama de temperaturas de cor para atender as várias necessidades de aplicação;
• Redução dos altos custos de manutenção comparados com as lâmpadas fluorescentes tradicionais devido às frequentes trocas;
• Vida útil de 60.000 horas;
• Dispensa necessidade de alteração das luminárias já existentes;
• Ampla faixa de temperatura ambiente de operação (-25 °C a +50 °C)
