Centro de Engenharia Elétrica e Informática

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

PLANO DE TRABALHO

DOUTORAMENTO JALBERTH FERNANDES DE ARAÚJO

Campina Grande, Paraíba. Maio de 2013

PLANO DE TRABALHO

Plano de trabalho apresentado à Coordenação dos Cursos de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Campina Grande, em cumprimento às exigências para aceitação no Programa de Doutoramento em Ciências no Domínio da Engenharia Elétrica.

.

__________________________________________ Jalberth Fernandes de Araújo

Orientando

__________________________________________ Edson Guedes da Costa, D. Sc.

Orientador

__________________________________________ Tarso Vilela Ferreira, D. Sc.

Orientador

Campina Grande, Paraíba. Maio de 2013

1 ÁREA DE CONCENTRAÇÃO

Processamento da Energia.

2 ÁREA DE ESTUDO

Sistemas Elétricos de Potência

3 TEMA DA PESQUISA

Monitoramento contínuo de transformadores de distribuição no contexto de

smart grid

4 RELEVÂNCIA DO TEMA

Transformadores são equipamentos chave em qualquer sistema de distribuição

de energia. Sua falha acarreta indisponibilidade de fornecimento, o que pode gerar

multas, e certamente traz danos intangíveis para a distribuidora. Percebe-se, portanto, a

importância do monitoramento dos transformadores a fim de se garantir intervenções

agendadas, que evitem desligamentos não programados.

As intervenções agendadas e os desligamentos não programados acarretam o

deslocamento de uma equipe de manutenção e a manutenção propriamente dita, seja ela

corretiva, preventiva ou preditiva. Esses procedimentos oneram substancialmente as

empresas de distribuição de energia elétrica. Uma forma de reduzir esses custos é o uso

de ferramentas de diagnóstico, que vêm a oferecer a previsibilidade maior de uma

possível falha do equipamento. Além disso, as ferramentas de diagnóstico permitem o

acompanhamento gradual da degradação dos equipamentos, permitindo uma

distribuição otimizada das intervenções de manutenção necessárias e a utilização do

equipamento até o final da sua vida útil.

Para uma manutenção eficiente e de baixo custo é desejável que as ferramentas

de diagnóstico sejam não invasivas e, além disso, elas possam ser efetuadas a distância,

garantindo a segurança do sistema e dos operadores. Todavia, mesmo tendo essas

exigências atendidas, ainda é necessário que existam parâmetros de comparação,

critérios de decisão, diretivas que embasem a atitude a ser tomada após o diagnóstico.

Desta maneira, observa-se a importância da correta aplicação de técnicas de

diagnóstico e monitoramento, levando em consideração fatores que venham a

influenciar o resultado da inspeção. Por isso, é preciso que tais fatores sejam

quantificados, e que sua influência nas medições seja explicitada, permitindo o

aperfeiçoamento das técnicas de diagnóstico atuais.

O aperfeiçoamento de ferramentas de diagnóstico e monitoramento também é

bem vindo, pois torna mais enfáticos os resultados apresentados pelos instrumentos,

fornecendo assim, um auxílio à tomada de decisão.

5 MOTIVAÇÃO DA PESQUISA

Muitas ferramentas de diagnósticos e monitoramento de equipamentos elétricos

existentes atualmente são utilizadas por várias empresas de energia, sem um critério

comum de padronização na análise. Boa parte das ferramentas operam apenas como

transdutores de fenômenos físicos, permitindo que o ser humano perceba manifestações

físicas dos equipamentos que ele não perceberia naturalmente. São exemplos de

manifestações as radiações infravermelhas e ultravioletas, o infra-som e o ultrassom,

radiointerferências, vibrações mecânicas, dentre outras. Havendo monitoramento das

grandezas elétricas, térmicas e mecânicas de transformadores, é possível antever

eventuais falhas (em geral antecedidas por sobreaquecimento e/ou vibrações atípicas),

programando intervenções eficientes e reduzindo interrupções de fornecimento.

Assim, a tomada de decisão propriamente dita depende da experiência humana

na interpretação dos dados fornecidos pela ferramenta de diagnóstico. Interpretações

errôneas podem, portanto, ocorrer por falta de experiência do interpretador, ou ainda por

fatores não previstos pelo operador durante a medição. Desta forma, torna-se evidente a

necessidade da utilização das ferramentas de apoio à decisão, como forma de

minimização de uma análise subjetiva do interpretador.

6 OBJETIVO GERAL

Neste projeto propõe-se um sistema de monitoramento que permita a avaliação

de grandezas elétricas, térmicas e mecânicas de um transformador de distribuição, com

transmissão em tempo real para a intranet de uma empresa, para um PC concentrador,

tomando como base o contexto de Smart Grid. Será possível, então, avaliar anomalias

térmicas e vibracionais no transformador, além da eficiência, desbalanceamento e fator

de cargas, otimizando o agendamento da manutenção. Inicialmente, as anomalias serão

detectadas por algoritmos inteligentes auto-organizáveis, a fim de que não seja

necessária a delimitação de limiares fixos para a tomada de decisão.

6.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Os objetivos específicos da pesquisa de doutorado são os seguintes:

Fazer levantamento bibliográfico de métodos não invasivos de avaliação

de transformadores de distribuição disponíveis atualmente.

Desenvolver uma plataforma baseada em microcontroladores de baixo

custo (especificamente a plataforma ATM ou Arduino), capaz de

mensurar, registrar a transmitir por canal sem fio os dados relativos às

grandezas físicas necessárias ao diagnóstico;

Realizar ensaios em laboratório para a avaliação das grandezas elétricas,

térmicas e vibracionais dos transformadores de distribuição.

Relacionar a atividade das grandezas elétricas, térmicas e vibracionais,

durante a inspeção, com a eficiência do equipamento, desbalanceamento

de cargas, e comportamentos atípicos das outras grandezas associadas ao

equipamento;

Relacionar as grandezas elétricas, térmicas e vibracionais entre si,

proporcionando uma avaliação conjunta dos tipos de inspeção.

Desenvolver um software que avalie a correlação entre as grandezas

elétricas, térmicas e vibracionais, e represente as conclusões desta

avaliação de forma eficiente ao usuário/operador, otimizando o

agendamento da manutenção.

7 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

7.1 TRANSFORMADORES

O transformador é um dos equipamentos mais importantes dos sistemas

elétricos. Seu princípio de funcionamento baseia-se na indução eletromagnética

decorrente do acoplamento entre duas ou mais bobinas através do núcleo fechado, o

qual é constituído de material ferromagnético.

A função mais comum do transformador é transferir energia elétrica do circuito

de entrada para um circuito de saída, elevando ou diminuindo os valores de tensão e

corrente, mantendo a frequência invariável. Como todo equipamento real, o

transformador possui perdas, advindas da resistência elétrica do cobre e da dispersão do

fluxo magnético. Além disso, a permeabilidade magnética do material do núcleo é finita

e quando este material é submetido a um fluxo variante no tempo, surgem as chamadas

perdas no núcleo, que são inversamente proporcionais à eficiência do equipamento.

Desta forma, os transformadores são equipamentos chave em qualquer sistema

de distribuição de energia. Sua falha acarreta indisponibilidade de fornecimento, o que

pode gerar multas, e certamente traz danos intangíveis para a distribuidora. Percebe-se,

portanto, a importância do monitoramento dos transformadores a fim de se garantir

intervenções agendadas, que evitem desligamentos não programados.

Uma vez que um transformador tem suas grandezas elétricas, térmicas e

mecânicas monitoradas, consegue-se antecipar situações perigosas, reduzindo riscos de

falha. A partir do monitoramento do transformador é possível quantificar o impacto da

má distribuição de cargas nas fases do transformador; dimensionar, identificar e atuar

para a correção do seu ciclo de carregamento; identificar grupos de consumidores com

indícios de perdas comercias ou roubo de energia; e mensurar a que tipo de prejuízos

inerentes a manutenção do próprio equipamento. Com a identificação de

transformadores na condição de pré-falha é possível remover o transformador do

serviço antes do colapso, evitando eventuais explosões e seus riscos associados,

reduzindo as dimensões dos danos, reduzindo tempo de interrupção de fornecimento e

permitindo recuperação das partes do aparelho ainda funcionais.

7.2 PLATAFORMA ARDUINO

Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware

livre,projetada com um microcontrolador Atmel AVR de placa única, com suporte de

entrada/saída embutido, uma linguagem de programação padrão, a qual tem origem em

Wiring, e é essencialmente C/C++. (MCROBERTS, 2011).

Pode ser usado para o desenvolvimento de objetos interativos independentes, ou

ainda para ser conectado a um computador hospedeiro. Uma típica placa Arduino é

composta por um controlador, algumas linhas de E/S digital e analógica, além de uma

interface serial ou USB, para interligar-se ao hospedeiro, que é usado para programar e

interagir em tempo real. Sua placa consiste em um microcontrolador Atmel AVR de 8

bits, com componentes complementares para facilitar a programação e incorporação

para outros circuitos. Um importante aspecto é a maneira padrão que os conectores são

expostos, permitindo o CPU ser interligado a outros módulos expansivos, conhecidos

como shields.

Os Arduinos originais utilizam a série de chips megaAVR, especialmente os

ATmega8, ATmega168, ATmega328 e a ATmega1280; porém muitos outros

processadores foram utilizados por clones deles.

A grande maioria de placas inclui um regulador linear de 5 volts e um oscilador

de cristal de 16 MHz (podendo haver variantes com um ressonador cerâmico). Além de

ser microcontrolador, o componente também é pré-programado com um bootloader que

simplifica o carregamento de programas para o chip de memória flash embutido,

comparado com outros aparelhos que usualmente necessitam de um chip programador

externo.

O objetivo de se utilizar Arduino no trabalho é criar ferramentas que são

acessíveis, com baixo custo, flexíveis e fáceis de usar.

7.3 O CONCEITO DE SMART GRID

A expressão Smart Grid é mais um conceito que uma tecnologia ou equipamento

específico. Baseia-se na utilização intensiva de tecnologia de automação, computação e

comunicações para monitoração e controle da rede elétrica, as quais permitirão a

implantação de estratégias de controle e otimização da rede de forma muito mais

eficiente que as atualmente em uso (FALCÃO, 2010).

Com os avanços da tecnologia Smart Grid, os sistemas de distribuição são

aqueles que estão sendo mais beneficiados. A principal área de aplicação é a utilização

da medição eletrônica. Os medidores eletrônicos acrescentam uma série de novas

funcionalidades ao antigo medidor eletromecânico de energia, constituindo um Smart

Meter, o qual abre a possibilidade de inovações importantes, tais como (FALCÃO,

2010):

Leitura automática da demanda de consumidores individuais,

Conexãoe desconexão de consumidores,

Controle coordenado de tensão,

Monitoração on-line das condições de funcionamento de linhas de

transmissão, transformadores, etc.

Desta forma, a integração das tecnologias baseadas na Smart Grid produzirá um

ambiente com grande potencial para a melhoria do desempenho dos sistemas elétricos

no que diz respeito à confiabilidade e qualidade do suprimento, economia na operação e

expansão, monitoramento de equipamentos, redução de emissões e participação ativa de

consumidores.

7.4 TÉCNICAS DE SENSORIAMENTO

Interrupções no fornecimento de energia elétrica causam perdas financeiras em

torno de 100 bilhões de dólares por ano. Uma interrupção momentânea de um segundo

de duração ou menos, tem o mesmo impacto financeiro que uma interrupção longa, para

indústrias de processo contínuo (GORUR et al., 2007).

Assim, a diminuição das interrupções do fornecimento de energia pode ser

alcançada mediante o Monitoramento Contínuo (MC) dos equipamentos elétricos.

Usando o MC é possível avaliar as condições em que o equipamento elétrico está

operando e também pode ser realizado um diagnóstico do equipamento.

De acordo com diversas pesquisas, o estudo de MC pode ser dividido em cinco

categorias principais, apresentadas na Figura 1 (ABU-ELANIEN e SALAMA, 2007).

Figura 1. Técnicas de monitoramento de transformadores (ABU-ELANIEN e SALAMA, 2007).

No trabalho não serão utilizadas todas as cinco técnicas supracitadas, porém todas serão

estudadas.

7.4.1 ANÁLISE TÉRMICA

A análise térmica de transformadores pode fornecer informações úteis a respeito

das condições do equipamento e ser um indicativo de faltas incipientes. Faltas causam

mudanças no comportamento térmico de transformadores, o qual está relacionado com a

vida útil do equipamento, uma vez que esta pode ser afetada dependendo das condições

em que o transformador está operando.

Simonson (1998) verificou que quando a temperatura máxima de um ponto

quente para um transformador, por exemplo 98°C, é ultrapassada, sua taxa de

degradação duplica para cada aumento de 6ºC (SIMONSON, 1998).

Muitas trabalhos foram publicados na área de monitoramento de transformador

via análise térmica. As pesquisas tratam do uso de duas categorias: técnicas de

inteligência artificial para predição das temperaturas do transformador e

desenvolvimento de modelos térmicos para prever o comportamento térmico do

equipamento.

A técnica de inteligência artificial é usada para prever as temperaturas mínimas e

máximas de pontos quentes (PYLVÄNÄINEN et al., 2007).

O desenvolvimento de modelos térmicos serve para avaliação do comportamento

térmico do transformador. Modelos térmicos de transformadores são discutidos em

diversas pesquisas. Desta forma, discute-se modelos que relacionem as temperaturas

dinâmicas do transformador com circuitos elétricos, que foi verificado por Tang e

outros (2002) buscando prever as temperaturas mínimas e máximas do óleo (Tang et al.,

2002).

Assim, várias temperaturas do transformador podem ser previstas usando

inteligência artificial e modelos térmicos. Pesquisas que dizem respeito ao

desenvolvimento de modelos mais precisos com o objetivo de prever varias condições

de operação do transformador tais como sob corrente de carga não puramente senoidal

são essenciais, principalmente aquelas que estão baseadas em baixo custo, associado ao

sistema de apoio a decisão e na invasibilidade e segurança do operador.

7.4.2 ANÁLISE VIBRACIONAL

O uso de sinais vibracionais para verificar as condições de funcionamento do

transformador é relativamente novo. Esta técnica pode ser utilizada para verificar as

condições do núcleo e dos enrolamentos do transformador, conforme pesquisado por

Shengchang e outros (2001). De acordo com os pesquisadores, as vibrações se

propagam através do óleo até atingir as paredes do transformador, onde as assinaturas

vibracionais podem ser coletadas mediante sensores de vibração. Os acelerômetros são

os sensores utilizados para coletar os sinais vibracionais (SHENGCHANG et al., 2001).

A coleta dos sinais vibracionais é baseada no efeito piezoelétrico, o qual consiste

da propriedade ou característica que certos materiais possuem para gerar uma carga

elétrica proporcional à força externa aplicada.

São exemplos de materiais piezoelétricos o quartzo, a turmalina e o tartarato

duplo de sódio e potássio. Assim, quando a perturbação elétrica possui amplitude e

frequência definidas, o material oscilará mecanicamente de um modo ressonante. Na

Figura 2 é mostrado um esquema que representa o deslocamento cisalhante dos planos

do cristal quando se aplica um campo elétrico perpendicular à superfície do mesmo

(Deakin et al, 1989; Buttry et al., 1992; Varela et al., 2000 ).

Figura 2. Representação do deslocamento cisalhante dos planos do cristal piezoelétrico (Deakin et al,

1989; Buttry et al., 1992; Varela et al., 2000 ).

Com uma excitação de 1 V e utilizando frequências entre 5 e 15 MHz, por

exemplo, cria-se uma onda de cisalhamento do cristal com um deslocamento físico

paralelo da superfície e perpendicular ao campo elétrico aplicado. Desta forma, o uso de

assinaturas vibracionais pode ser utilizado para monitorar as condições de

funcionamento do transformador.

7.4.3 ANÁLISE DE GASES DISSOLVIDOS

O envelhecimento do isolamento dos transformadores é mais associado com os

efeitos a longo prazo da temperatura de operação, umidade e ar. Visto que uma parcela

significante dos transformadores da rede operam a mais de 30 anos, há a necessidade de

acesso as características químicas dos seus isolamentos e, se possível, prever suas taxas

de envelhecimento relativas às condições de cargas no presente e no futuro. Desta

forma, os pesquisadores que trabalham com a análise de gases dissolvidos verificaram

que medições elétricas não possuem forte correlação com os estados químicos do óleo

isolante. (DOMUN, 1994). A degradação térmica do óleo resulta na produção de

hidrogênio, metano, etano, etileno, acetileno, CO, CO2, e outros produtos. Essa técnica

pode ser utilizada para indicar o tipo, intensidade e localização de uma falta no

transformador. Além disso, inteligência artificial pode ser utilizada para classificar

alguns tipos de falta incipientes, assim como foi estudado por Kalyani (2004) e Huang e

outros (2002) (KALYANI,2004; HUANG et al., 2002).

7.4.4 ANÁLISE POR DESCARGAS PARCIAIS

As propriedades dielétricas da isolação podem ser severamente afetadas se

sujeitas á atividade consistente de descargas parciais por longos períodos de tempo.

Descargas parciais podem ser medidas usando sensores piezoelétricos. Além disso,

podem ser usados sensores de fibra ótica que são utilizados para capturar os sinais de

descargas parciais (ZARGARI e BLACKBUM, 1998). A medição de descargas parciais

é frequentemente afetada por interferências eletromagnéticas, pois a magnitude dos

sinais de descargas parciais é muito pequena. A medição de descargas parciais está

sendo muito utilizada na literatura para monitoramento do sistema de isolação do

transformador (ZARGARI e BLACKBUM, 1998).

7.4.5 ANÁLISE DA RESPOSTA EM FREQUÊNCIA

Quando o transformador é submetido a faltas, a estrutura mecânica e os

enrolamentos são submetidos a severos estresses mecânicos causando movimentação e

deformações nos enrolamentos. O envelhecimento do papel também pode causar

deformações nos enrolamentos. Deformações nos enrolamentos resultam em relativas

mudanças na indutância e capacitância dos enrolamentos que podem ser detectados

externamente mediante a análise da resposta em frequência (NIRGUDE et al., 2004).

A análise da resposta em frequência usa um gerador de sinais para aplicar tensão

senoidal em diferentes frequências nos terminais do transformador. Amplitude e fase da

impedância do transformador são representadas num gráfico como função da

frequência.

8 METODOLOGIA

O trabalho deve ser desenvolvido em etapas que envolvem revisão bibliográfica,

desenvolvimento da plataforma de aquisição e transmissão de dados, medições em

laboratório, análise de resultados, implementação de um software para auxílio na

tomada de decisão e novas medições, em laboratório e campo (se possível), para

validação do software.

A partir dos resultados coletados nos ensaios e medição em campo, serão

quantificados os impactos das anomalias presentes nas grandezas físicas medidas, como

má distribuição de cargas nas fases do transformador, e a que tipo de prejuízos esta

distribuição traz ao equipamento. A medição das grandezas elétricas permitirá analisar

eficiência do aparelho, seu grau de sobrecarga ou subcarga, o nível de harmônicos na

alta e na baixa tensão (e consequentemente a distorção harmônica injetada). Todas as

grandezas e parâmetros poderão ser atualizados várias vezes por dia.

Os dados coletados deverão ser armazenados para treinamento de algoritmos de

inteligência artificial, análise espectral ou análise das variações de intensidade,

conforme as características de cada técnica utilizada. Os dados coletados servirão ainda

para a definição de parâmetros de avaliação no uso das ferramentas. Os padrões das

grandezas medidas serão afetados pelo tipo de falha presente no transformador, e, com

base nestas falhas, pretende-se relacionar o tipo de falha das cadeias às grandezas

elétricas, térmicas e vibracionais apresentados pelo equipamento. Em outras palavras, as

medições servirão para a parametrização dos das grandezas medidas, e correlacioná-las

com a falha presente no transformador. De maneira inicial, estas parametrizações serão

realizadas por algoritmos de inteligência artificial (mapas auto-organizáveis), a fim de

que se crie uma cultura de diagnóstico multifísico dos transformadores.

Havendo uma parametrização consolidada, será desenvolvido um software que

possa relacionar as grandezas elétricas, térmicas e vibracionais com a eficiência, grau de

desbalanceamento, vida útil, sobrecarga do transformador. O tipo de algoritmo

empregado na pesquisa será definido durante a revisão bibliográfica e ao longo do

trabalho.

Medições em laboratório e de campo (caso haja apoio de concessionárias)

deverão ser realizadas para validação do software.

9 CRONOGRAMA PRELIMINAR

Apresenta-se a seguir um cronograma preliminar de execução das atividades a

serem desenvolvidas durante o curso de doutorado.

Atividades:

1. Revisão bibliográfica.

2. Definição das metodologias dos ensaios que serão realizados.

3. Desenvolvimento da plataforma de aquisição e transmissão de dados;

4. Defesa do primeiro projeto de pesquisa;

5. Realização dos ensaios em laboratório.

6. Processamento e análise dos dados coletados nos ensaios.

7. Defesa do segundo projeto de pesquisa

8. Escolha das técnicas mais adequadas para avaliação das grandezas

elétricas, térmicas e vibracionais.

9. Confecção e implementação do software.

10. Defesa do terceiro projeto de pesquisa

11. Validação do software em campo (se for o caso) e em laboratório.

12. Elaboração e defesa do exame de qualificação.

13. Implementação das modificações sugeridas pelos avaliadores.

14. Elaboração e defesa da tese de doutorado.

20013 2014 2015 2016 2017 Atividades 2o Sem 1o Sem 2o Sem 1o Sem 2o Sem 1o Sem 2o Sem 1o Sem

1 X X X X X X X 2 X X 3 X X X 4 X 5 X X X 6 X X X X X 7 X 8 X X 9 X X X X X 10 X 11 X X X X 12 X 13 X X X 14 X

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