BR102014021911B1 - Disposição introduzida em sensor de descargas parciais aplicado às buchas de transformadores - Google Patents
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Abstract
disposição introduzida em sensor de descargas parciais aplicado às buchas de transformador .a presente patente de invenção refere-se a uma disposição introduzida em sensor de descargas parciais para permitir sua fixação e melhor uso/aplicação em buchas de transformadores, de tal forma que não apresente riscos tanto para o sensor, quanto para o sistema elétrico, e que possibilite a captação de descargas parciais (dps) com alta sensibilidade e com blindagem de sinais interferentes.trata-se especificamente de um empacotamento mecânico circular tubular (11), fechado em suas extremidades por uma luva (39) e contendo internamente uma blindagem metálica (9) para bloqueios de sinais interferentes, de tal modo que o dito empacotamento mecânico (11) acomoda internamente os elementos constituintes do sensor (1), permitindo a fixação do dito sensor (1) em torno da bucha (17).externo.
Description
[01] Campo de aplicação:
[02] A presente patente de invenção refere-se a uma disposição introduzida a sensor de descargas parciais para permitir sua fixação e melhor uso/aplicação em buchas de transformadores, de tal forma que não apresente riscos para o sensor e para o sistema elétrico e que possibilite a captação de descargas parciais (DPs) com alta sensibilidade e com blindagem de sinais interferentes.
[03] Descrição do Estado da Técnica:
[04] A ocorrência de descargas parciais (DPs) nos sistemas isolantes dos equipamentos de alta tensão é um sintoma de fragilidade na capacidade dielétrica dos materiais utilizados na construção dos ditos sistemas isolantes e cuja evolução pode vir a acarretar graves consequências para os equipamentos e o sistema elétrico.
[05] A avaliação dos equipamentos de alta tensão quanto à geração de DPs é uma ferramenta preditiva que pode auxiliar na realização da manutenção prévia dos equipamentos. A partir desta avaliação pode-se providenciar a intervenção no sistema ou a substituição dos equipamentos do sistema elétrico antes que estes possam sofrer danos mais graves ou até mesmo afetar o sistema como um todo. Monitorando-se as DPs pode- se determinar se está ocorrendo deterioração do isolamento e se o mesmo apresenta risco de falha. Testes de descargas parciais também auxiliam a equipe de manutenção a determinar previamente qual o tipo de reparo necessário. De uma maneira geral, o envelhecimento acelerado dos materiais isolantes, com a consequente ocorrência de DPs, é um ponto crítico na maioria dos grandes equipamentos elétricos.
[06] Os transformadores de grande porte são utilizados em instalações industriais, comerciais e de concessionárias de energia. Uma falha inesperada de uma bucha de transformador pode causar paradas prolongadas nas linhas de produção da indústria, debilitar uma usina elétrica ou causar interrupções em grandes áreas. Dependendo da extensão dos danos causados, a interrupção pode durar semanas. As falhas catastróficas em buchas estão entre as principais causas de indisponibilidade de transformadores e reatores, pois podem causar graves danos aos equipamentos. Dependendo do modo de falha e suas consequências, o equipamento pode ficar indisponível por até dois anos para reparos. Buchas podem ser monitoradas através da medição de capacitância e fator de perdas dielétricas (tangente de delta). Porém, monitorando-se através da detecção de DP agrega-se uma terceira variável para detecção de problemas e confirmação de diagnósticos com grande antecedência, permitindo a programação de substituição ou de reparos.
[07] A liberação repentina de energia causada por DPs produz uma série de efeitos, como mudanças químicas e estruturais dos materiais, geração de sinal eletromagnético e emissões acústicas (EA). Estes efeitos induzidos são utilizados para a detecção das DPs.
[08] Técnicas como análise de gases dissolvidos (DGA, Dissolved gas analysis), medições de pulsos de corrente elétrica, detecção de ultrassom (EA) e detecção de sinais de radiofrequência (RF) gerados na banda VHF e UHF são utilizadas para este propósito. Dentre estas técnicas, a de detecção de RF oferece grandes vantagens, alta sensibilidade, possibilidade de testes em tempo real e a não intrusão do sensor no elemento em ensaio.
[09] Por outro lado, o uso da fibra óptica traz grandes vantagens em relação aos condutores metálicos pelo fato de a fibra óptica ser um dielétrico natural, imune às interferências eletromagnéticas, o que a torna ideal para instalação em ambientes com alta tensão. A fibra óptica permite a construção de sensores bem compactos e de baixo peso, além de possuir a capacidade de enviar/receber sinais ópticos a grandes distâncias. Tal fato permite a construção de redes de sensores sem a necessidade da eventual conversão óptica/elétrica em cada ponto de sensoriamento, possibilitando a redução de custos e aumentando a flexibilidade e a confiabilidade da solução.
[010] As grandezas e/ou estados monitorados pelos sensores ópticos à fibra também podem ser transmitidos a centros de controle através de outros meios de comunicação (tais como rádio, celular com a utilização de interfaces dedicadas, etc), apresentando, dessa forma, uma alternativa para os locais onde não existam enlaces de fibra óptica para transmissão dos dados monitorados.
[011] Alguns documentos de patente propõem uso de fibras ópticas e sensores de fibras ópticas associados ou não a sensores elétricos para medição da corrente, tensão e temperatura em buchas de alta tensão tais como as patentes descritas as seguir: CN202256590 “Insulation on-line monitoring device for transformer bushing”; CN102841245 “Device for detecting end screen current parameter of high-voltage transformer bushing in real time, and control method for device”; CN102012282 “Passive optical fiber temperature semiconductor sensor”; CN102707134 “Composite power supply-based device for detecting comprehensive parameters of high voltage system on line”; CN102338673 “Intelligent temperature measurement wall bushing based on optical fiber Bragg grating temperature sensor”; entre outros.
[012] Embora existam sensores ópticos para medição de corrente, tensão e temperatura de buchas, conforme detalhado nos documentos supracitados, nenhum destes sensores e sistemas propostos é capaz de monitorar DP em buchas usando a tecnologia de sensores de fibra óptica.
[013] Na patente US6,215,295 “Photonic Field Proble and Calibration Means Thereof”, é proposto um método de uso da fibra óptica no qual a mesma é utilizada para levar a alimentação a um sensor óptico remoto, dito sensor constituído de uma antena, um amplificador elétrico e um laser semicondutor. Neste método, sistema e sensor são muito vantajosos, pois permitem a detecção de DP em elementos elétricos com alta sensibilidade, baixo ruído e com isolação galvânica.
[014] No artigo “Passive and active optical sensing system for monitoring partial discharge on hydrogenerators” (J. B. Rosolem et al; Proc. SPIE 7004, 19th International Conference on Optical Fibre Sensors, 70043G, May 16, 2008), é proposto um método, sistema e sensor para monitorar DP no estator de hidrogeradores usando uma antena acoplada a um laser semicondutor, dito laser que é alimentado por uma corrente elétrica constante fornecida por um conversor fotovoltaico cuja luz que o alimenta provém de uma fibra óptica. O sinal detectado da DP é enviado pelo laser para um receptor distante através de outra fibra óptica.
[015] No entanto, tanto a solução descrita neste artigo quanto a solução proposta na patente US6,215,295 não tem um arranjo construtivo adequado para uso na monitoração de DP de buchas de transformadores.
[016] Apesar desses documentos descreverem sensores para medição de RF usando alimentação do circuito eletrônico do sensor pela fibra óptica, nenhum desses objetos reúne as características funcionais e de configuração para serem utilizados em buchas de transformadores, objeto da presente patente, cujas vantagens são indiscutíveis e descritas a seguir.
[017] Objetivos da Invenção:
[018] Em vista do acima exposto, é objetivo da presente invenção prover um sensor para monitorar os níveis de DP sem qualquer contato físico do sensor de DP com as partes condutivas da alta tensão, dito sensor que transmite estes dados através de um meio de transmissão que não conduz corrente elétrica, e que transmite estes dados através de um meio de transmissão que não sofre interferência eletromagnética, e que possui alta largura de banda de transmissão.
[019] Também é mais um objetivo da presente invenção prover um sensor que possa ser fixado na bucha de alta tensão de tal forma que não apresente riscos para o sensor e para o sistema elétrico e que possibilite a captação de DP com alta sensibilidade e com blindagem de sinais interferentes.
[020] Descrição Simplificada da Invenção:
[021] Os objetivos propostos nesta invenção são alcançados por meio da Disposição Introduzida em Sensor de Descargas Parciais Aplicado às Buchas de Transformadores que provê meios para: bloquear sinais interferentes e distintos do sinal de RF de DP; e permitir fácil fixação (tipo “plug-and-play”) às buchas de alta tensão; sem prejuízo e potencializando as demais funcionalidades já desempenhadas pelo sensor ao qual a disposição será introduzida, a saber: captar o sinal de RF gerado por DP; amplificar eletricamente o sinal de RF de DP; converter o sinal elétrico amplificado de DP em um sinal óptico; transmitir o sinal óptico por uma fibra óptica para certa distância do ponto de captação da descarga; receber potência de alimentação óptica para o aparato de monitoração através de outra fibra óptica; converter a potência de alimentação em uma potência elétrica para alimentação do aparato de monitoração.
[022] Descrição das Figuras:
[023] A invenção será mais bem compreendida a partir da descrição detalhada e das figuras que a ela se referem, das quais:
[024] A Figura 1 mostra uma concepção genérica das partes que compõe o sensor, inclusive elementos da disposição introduzida no dito sensor, objeto da presente invenção.
[025] A Figura 2 apresenta os elementos que constituem o dito sensor, inclusive elementos da disposição introduzida no dito sensor, objeto da presente invenção.
[026] A Figura 3 apresenta uma vista superior da disposição introduzida no dito sensor, objeto da presente invenção.
[027] A Figura 4 apresenta uma vista lateral da disposição introduzida no dito sensor, objeto da presente invenção.
[028] A Figura 5 apresenta uma vista em corte do interior da disposição introduzida no dito sensor, objeto da presente invenção.
[029] Descrição Detalhada da Invenção:
[030] Conforme apresentado na Figura 1, um sensor (1) é composto basicamente por um elemento conversor de sinais (3), um elemento sensor antena (5) e um cabo de fibras ópticas (7). A fim de melhor adequar o uso/aplicação do dito sensor (1) para buchas de transformadores, conforme proposto na presente invenção, a Disposição Introduzida em Sensor de Descargas Parciais Aplicado às Buchas de Transformadores acrescenta ao dito sensor (1) um empacotamento mecânico (11) contendo internamente um elemento de blindagem (9).
[031] A Figura 2 apresenta em mais detalhes os elementos do dito sensor (1). Um sinal de RF (13), gerado por uma DP (15) que ocorre em uma bucha de alta tensão (17), se propaga espacialmente. Uma antena (5) devidamente posicionada em torno da bucha (17) detecta o dito sinal de RF (13) e o envia para um conversor de sinais (3).
[032] No dito conversor de sinais (3), um amplificador elétrico (19) produz um sinal de corrente (23), proporcional ao sinal de RF (13) gerado pela DP (15), e que é inserido em um dispositivo laser semicondutor (25), de tal forma que o dito sinal de corrente (23) modula a potência óptica (27) emitida pelo laser (25) com o sinal de RF (13) gerado pela DP (15).
[033] A dita potência óptica modulada (27) é então transmitida por uma fibra óptica (29), interna ao cabo óptico (7), até um terminal de remoto (31).
[034] Dado que o correto funcionamento do laser (25) e do amplificador elétrico (19) depende de uma fonte de alimentação de tensão, e dado que o proposto sensor tem como característica principal sua isolação galvânica das partes em que o mesmo é instalado, tal alimentação é provida pela potência óptica (33) transmitida a partir do terminal remoto (31) através de uma fibra óptica (35), interna ao cabo óptico (7). A potência óptica (33) é recebida por um conversor fotovoltaico (37), que gera uma tensão e corrente contínua para alimentar o amplificador (19) e polarizar com corrente contínua o laser (25). Uma blindagem (9) é inserida na antena (5) para bloqueio de sinais interferentes e indesejáveis.
[035] Para o correto funcionamento do sensor (1) em buchas de transformadores, é detalhada a seguir a disposição introduzida no dito sensor (1) para fixa-lo à bucha de alta tensão de tal forma que não apresente riscos para o dito sensor (1) e para o sistema elétrico, e que possibilite a captação de DP com alta sensibilidade e com blindagem de sinais interferentes.
[036] Conforme ilustrado na Figura 3 (vista superior), na disposição introduzida no sensor (1), o conversor de sinais (3), a antena monopolo circular (5) e parte do cabo óptico (7) que constituem o sensor (1) são dispostos dentro de um empacotamento mecânico circular tubular (11) fechado em suas extremidades por uma luva (39) e contendo internamente uma blindagem metálica (9) para bloqueio de sinais interferentes. O dito empacotamento circular tubular (11) é fabricado em materiais poliméricos do tipo PEAD (polietileno de alta densidade) ou similar, e seu interior (41) é preenchido com borracha de silicone ou similar.
[037] Na presente disposição introduzida no sensor, a antena monopolo (5) e a blindagem metálica (9) circundam a estrutura da bucha (17) dentro do encapsulamento (11), de tal modo que o fio metálico da antena (5) se situa entre a bucha (17) e a blindagem metálica (9) e se mantém constantemente a uma certa distância pré-fixada da blindagem (9).
[038] Conforme Figura 4 (vista lateral da dita disposição introduzida no sensor), o empacotamento do sensor (11) é mostrado na aplicação específica, ou seja, conectado a uma certa região da bucha (17). A luva (39), fabricada com o mesmo material do empacotamento (11), é utilizada para permitir a abertura e o fechamento do dito empacotamento (11), possibilitando a inserção ou a retirada do sensor do corpo da bucha (17).
[039] A Figura 5 apresenta uma vista em corte do interior do empacotamento (11) do sensor, na qual é possível observar a presença do conversor de sinais (3), da antena monopolo circular (5), do cabo óptico (7), da blindagem metálica (9) e dos furos passantes (43) e (45), que permitem a saída do cabo óptico (7) do interior do empacotamento (11).
[040] Alternativamente, dependendo de certas particularidades e dos requisitos funcionais e técnicos do projeto, é possível retirar a blindagem metálica (9) que serve para bloqueio de sinais interferentes.
[041] Embora a presente invenção tenha sido descrita em conexão com certas modalidades preferenciais de realização, deve ser entendido que não se pretende limitar a invenção àquelas modalidades particulares. Ao contrário, pretende-se cobrir todas as alternativas, modificações e equivalentes possíveis dentro do espírito e do escopo da invenção.
Claims (5)
1. Disposição Introduzida em Sensor de Descargas Parciais Aplicado às Buchas de Transformadores, dito sensor (1) composto basicamente por um elemento conversor de sinais (3), um elemento sensor antena monopolo (5) e um cabo de fibras ópticas (7), dita disposição caracterizada por um empacotamento mecânico circular tubular (11) fechado em suas extremidades por uma luva (39) e contendo internamente uma blindagem metálica (9) para bloqueio de sinais interferentes, de tal modo que o dito empacotamento mecânico (11) acomoda internamente os elementos constituintes do sensor (1), permitindo a fixação do dito sensor (1) em torno da bucha (17) de um transformador.
2. Disposição Introduzida em Sensor de Descargas Parciais Aplicado às Buchas de Transformadores, conforme reivindicação 1, caracterizada por a antena monopolo (5) e a blindagem metálica (9) circundarem a estrutura da bucha (17) dentro do encapsulamento (11), de tal modo que o fio metálico da antena (5) se situa entre a bucha (17) e a blindagem metálica (9) e se mantém constantemente a uma certa distância pré-fixada da blindagem metálica (9).
3. Disposição Introduzida em Sensor de Descargas Parciais Aplicado às Buchas de Transformadores, conforme reivindicação 1, caracterizada por o dito empacotamento circular tubular (11) ser constituído preferencialmente de materiais poliméricos do tipo PEAD (polietileno de alta densidade) ou similares, e seu interior (41) ser preenchido com borracha de silicone ou similar.
4. Disposição Introduzida em Sensor de Descargas Parciais Aplicado às Buchas de Transformadores, conforme reivindicações 1 e 3, caracterizada por a dita luva (39) ser fabricada com o mesmo material do empacotamento (11) e ser utilizada para permitir a abertura e o fechamento do dito empacotamento (11), possibilitando a inserção ou a retirada do sensor (1) do interior do empacotamento (11) fixado ao redor do corpo da bucha (17).
5. Disposição Introduzida em Sensor de Descargas Parciais Aplicado às Buchas de Transformadores, conforme reivindicação 1, caracterizada por o dito empacotamento (11) e a dita blindagem metálica (9) possuírem respectivamente furos passantes (45) e (43), que possibilitam a saída do cabo óptico (7) do interior do empacotamento (11) para um sistema interrogador óptico externo.
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