SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. MELHORES PRÁTICAS PARA PROTEÇÃO E CONTROLE DO CENTRO DE CONTROLE DE MOTORES Copyright Material IEEE Scott Manson H. Landis Floyd Bob Hughes Richard D. Kirby Senior Member, IEEE Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. 2350 NE Hopkins Court Pullman, WA 99163, USA Fellow, IEEE DuPont 974 Centre Road Wilmington, DE 19805, USA Member, IEEE Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. 2350 NE Hopkins Court Pullman, WA 99163, USA Senior Member, IEEE Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. 10110 W Sam Houston Parkway S, Suite 130 Houston, TX 77099, USA Sumário—Os centros de controle de motores (CCMs) de baixa tensão são numerosos, consumindo grande parte da interação do operador e manutenção de um sistema de distribuição de potência industrial. A ampla interação humana com estes circuitos de baixa tensão (menos de 1 kV) torna um CCM de baixa tensão um local de risco potencial significativo. O grande número de circuitos do CCM de baixa tensão resulta em um tempo significativamente maior de interface humana com equipamentos de CCMs de baixa tensão quando comparado aos conjuntos de manobra e CCMs de média tensão. Os modernos sistemas de proteção e controle derivados dos sistemas de potência de média tensão (1 kV a 38 kV) e alta tensão (38 kV a 765 kV) têm muito a oferecer aos sistemas dos CCMs de baixa tensão. O trabalho descreve os indicadores de manutenção pró-ativa baseados nas características de carga, características das partidas do motor e medições térmicas. A sincronização dos tempos, protocolos modernos baseados em Ethernet, registros de sequências de eventos, oscilografia (COMTRADE), monitoramento e alarme das funções de proteção, e outros recursos previamente padronizados nos relés de proteção de média e alta tensão são disponibilizados nos modernos relés de proteção dos CCMs de baixa tensão. Além disso, há maior segurança atualmente com a disponibilização de elementos de proteção avançados e função de detecção de arco voltaico. Este artigo foca na filosofia de um sistema abrangente de proteção e controle de CCMs de baixa tensão. Palavras-Chave—Confiabilidade, centro de controle de motores (CCM), segurança, risco de arco voltaico, proteção, automação, relés multifuncionais microprocessados. I. INTRODUÇÃO Não precisamos olhar além de um painel de controle de um automóvel moderno para ver as oportunidades de avanços práticos na proteção e controle de um motor industrial. Um simples giro da chave de ignição inicia diversos autodiagnósticos em dispositivos e sistemas críticos para a segurança pessoal e confiabilidade do veículo. Os indicadores do painel de controle fornecem o status do sistema de frenagem antibloqueio, cilindro mestre duplo de www.selinc.com.br freio e da pressão dos pneus. Existem indicadores de falhas nas lâmpadas de segurança, incluindo faróis, luzes de freio, indicadores de direção (“setas”) e lâmpadas laterais. Outros indicadores monitoram os níveis do óleo lubrificante e do líquido de refrigeração, que são cruciais na prevenção de falhas dispendiosas. Um mecânico de automóveis pode conectar instrumentos para efetuar imediatamente o download dos dados de diagnósticos e códigos de falha visando identificar a necessidade de manutenção ou ação corretiva. Esses avanços nos sensores e instrumentação, os quais permitem o monitoramento contínuo, autodiagnósticos e registros de eventos são incorporados a milhões de automóveis atualmente em uso, ajudando a torná-los mais seguros e confiáveis. As tecnologias encontradas nos automóveis estão ganhando espaço nas aplicações industriais de forma a habilitar a melhoria da confiabilidade e segurança, otimizar o uso de energia e matéria-prima, reduzir os custos e melhorar a eficácia dos recursos de manutenção. Esses avanços são especialmente aplicáveis na melhoria da confiabilidade dos dispositivos de proteção essenciais para redução do risco de arco voltaico. O reconhecimento do arco voltaico como um risco elétrico incomparável levou a uma nova expectativa para os dispositivos de proteção de circuitos: a proteção das equipes de trabalho contra riscos de queimaduras térmicas e explosões destrutivas. Os riscos de arco voltaico mudaram as regras dos projetos de análise e proteção de sistemas de potência. Isso também gerou uma expectativa diferente para a manutenção de equipamentos elétricos: a garantia de que as características de partida e trip do dispositivo de proteção de sobrecorrente usadas como base para análise dos riscos de arco voltaico e a seleção das medidas de controle dos riscos, incluindo equipamentos de proteção individual, operem exatamente como projetadas. Se esses dispositivos de proteção não funcionarem conforme projetados, a exposição à energia da explosão e térmica pode ter ordens de grandeza maiores do que o esperado. Infelizmente, as primeiras gerações de dispositivos de proteção podem falhar. A falha pode passar despercebida até a próxima inspeção de manutenção programada. Se ocorrer um evento com arco voltaico, a energia térmica liberada pode ter ordens de magnitude maiores do que o previsto. As tecnologias que permitem o monitoramento remoto de corrente, tensão, contatores e dispositivos de sobrecarga [email protected] Pág. - 1/10 SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. impactam mais do que a atenuação do arco voltaico. Essas tecnologias também ajudam a reduzir a exposição a riscos de choque elétrico, diminuindo a necessidade de solução de problemas e execução de outras tarefas de manutenção que coloquem os trabalhadores próximos a tensões potencialmente perigosas. Este artigo descreve um sistema abrangente de controle e proteção de baixa tensão (BT) para centros de controle de motores (CCMs). Este sistema é projetado para fornecer maior segurança, proteção mais seletiva, diagnósticos avançados dos eventos, redução de custos e maior confiabilidade em relação às tecnologias anteriores. II. HISTÓRICO Antes da década de 1990, os projetos das unidades de CCMs eram eletromecânicos, incluindo normalmente um contator, elementos de sobrecarga térmica e proteção contra curto-circuito. As indicações locais e remotas eram obtidas através de sinais e lâmpadas ligadas via conexão hardwired a um controlador lógico programável (CLP). Em seguida, o CLP enviava o estado dos gabinetes dos CCMs (“CCM buckets”) para o sistema de controle dos processos (“process control system” – PCS). A troca de mensagens do status e controle entre os gabinetes dos CCMs e CLPs exigia uma cablagem extensa entre o CCM, CLP e PCS para monitoramento e controle de partida e parada. Não era incomum precisar de 16 fios para controle e medição de cada unidade de partida do motor. Consequentemente, um CCM com 30 unidades podia requerer 480 fios, 960 terminais, blocos terminais suficientes e um sistema separado de controle distribuído (“distributed control system” – DCS) interligado ao gabinete concentrador (“marshalling cabinet”) da instalação. Entre 1990 e 2010, o conceito de CCMs inteligentes foi desenvolvido por vários fabricantes. As características desses sistemas envolviam principalmente a melhoria dos diagnósticos, redução da fiação e remoção das equipes de trabalho da vizinhança imediata de tensões perigosas [1]. Estes projetos de CCM reduziram substancialmente a fiação implementando dispositivos eletrônicos inteligentes (“intelligent electronic devices” – IEDs) no gabinete do CCM e usando comunicações digitais ao invés de sinais via conexões hardwired. A essência desses projetos mais antigos de CCMs inteligentes baseava-se nos CLPs se comunicando via protocolos industriais. Os IEDs de proteção, medição e controle usados nesses projetos mais antigos (dos últimos 20 anos) eram baseados em dispositivos multifuncionais microprocessados simples com recursos muito limitados. A confiabilidade, funcionalidade, programabilidade, flexibilidade e inteligência desses IEDs de proteção, medição e controle de CCMs inteligentes mais antigos eram muito limitadas quando comparadas aos modernos relés de proteção multifuncionais microprocessados usados na média tensão (MT) e alta tensão (AT). Simultaneamente à evolução dos sistemas de CCMs inteligentes, um conjunto muito mais sofisticado de dispositivos eletrônicos, conjuntos de ferramentas de software, e métodos de diagnósticos, emissão de relatórios e comunicação foram desenvolvidos para a indústria de proteção de sistemas de potência de MT e AT ao www.selinc.com.br redor do mundo. Esses IEDs de proteção mais sofisticados têm sido usados desde 1982 na indústria de proteção de MT e AT (1 kV a 765 kV). Esses IEDs classe de transmissão (“transmission-grade”) são submetidos a requisitos de confiabilidade e testes ambientais severos, tais como temperatura, choque e interferência eletromagnética. O tempo médio entre falhas desses sistemas e produtos da classe de transmissão ultrapassa 300 anos [2]. Os recursos e a confiabilidade dos produtos classe MT e transmissão AT estão se tornando o novo padrão para os produtos de proteção e controle de BT. É do maior interesse dos profissionais da indústria trazer a confiabilidade, segurança e redução dos custos desses produtos das classes de transmissão e distribuição e as filosofias de integração para os sistemas de BT. A. Histórico da Proteção de Motores de BT Historicamente, a proteção dos motores de BT era efetuada por elementos de sobrecarga térmica e dispositivos de interrupção de curto-circuito. Os elementos de sobrecarga térmica do motor eram mais comumente relés de sobrecarga com liga bimetálica (“melting alloy overload relays”). A corrente do motor circulava através desta liga; se a corrente excedesse um limite de tempo-sobrecorrente, a liga derretia. A fusão da liga bimetálica permitia a uma roda dentada interna girar e abrir um conjunto de contatos, abrindo assim o contator do motor. Havia também um tempo de reset necessário para permitir à liga esfriar e endurecer. Isso equivalia ao tempo de resfriamento do motor. A interrupção da corrente de curto-circuito era normalmente efetuada por um tipo de disjuntor magnético (ou protetor do circuito) com capacidade de interromper correntes de faltas no cabo. Os níveis da corrente de falta que o disjuntor tinha que interromper eram frequentemente maiores do que o contator do motor (“starter”) podia suportar; dessa forma, o disjuntor tinha que interromper diretamente a corrente de defeito por conta própria. Observe que muitos disjuntores magnéticos eram classificados para interromper a corrente de falta plena apenas uma vez. Após a interrupção da corrente de falta plena, não havia garantia de que estes disjuntores pudessem novamente funcionar corretamente. B. O que é um Relé de Proteção? O objetivo principal de qualquer relé de proteção consiste em identificar eventos onde seja necessária a interrupção do fluxo de corrente. Hoje, existem no mundo três classes de relés, indicadas a seguir [3]: 1. Relés eletromecânicos compostos de fios, magnetos, molas, amortecedores e componentes de aço para detecção de eventos anormais. 2. Relés de estado sólido construídos com componentes baseados em silício montados em circuitos analógicos (ex., amplificadores operacionais) para detecção de eventos anormais. Todos os sinais permanecem analógicos. Nenhum sinal é digitalizado nestes dispositivos. 3. Relés multifunção baseados em microprocessadores para conversão das correntes e tensões analógicas [email protected] Pág. - 2/10 SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. em sinais digitais, os quais são processados para detecção de condições anormais. Apenas os relés microprocessados possuem recursos avançados para diagnósticos e comunicações. 10. III. CARACTERISTICAS DE UM LVMR MODERNO Esta seção explica as características básicas e o conjunto de recursos de um moderno relé de motores de baixa tensão (“low-voltage motor relay” – LVMR) microprocessado. A Fig. 1 mostra uma implementação típica do LVMR numa aplicação de motor com partida direta na linha (“direct-on-line” – DOL) 11. 12. 13. M 14. Barra do Motor Fig. 1 Disjuntor Magnético Contator LVMR Motor Aplicação de um Motor com Partida Direta 15. A. Características dos LVMRs Diversas características diferenciam os modernos LVMRs multifuncionais microprocessados das tecnologias mais antigas. Essas características incluem o seguinte: 1. Recursos de emissão de relatórios de diagnósticos de eventos detalhados, tais como sequência de eventos (“sequence of events” – SOE), oscilografia, relatórios de partida e parada do motor, e perfil de carga. Esses recursos substituem a plotagem de gráficos e os osciloscópios. 2. Estampas de tempo incorporadas de todos os eventos e alterações de ajustes. O protocolo de sincronização dos tempos SNTP (“Simple Network Time Protocol”) é usado para manter todos os LVMRs sincronizados no tempo. 3. Fonte de alimentação integrada, que pode ser de 24 a 250 Vdc ou 110 a 240 Vac (eliminando a necessidade de fontes de alimentação auxiliares nos gabinetes). 4. Detecção de arco-voltaico (“arc-flash detection” – AFD) incorporada. 5. Dimensões reduzidas. Os dispositivos precisam se encaixar nos menores gabinetes de CCM de BT. 6. Múltiplas portas seriais e Ethernet. Uma linha de demarcação clara entre os sistemas elétricos e dos processos é fácil de ser obtida nos produtos com múltiplas portas de comunicação. 7. Protocolos IEC 61850 GOOSE (“Generic ObjectOriented Substation Event”) e MMS (“Manufacturing Message Specification”) propiciam obter vantagens da simplicidade e economia de custos das comunicações baseadas em Ethernet. 8. Protocolos de comunicação embutidos diretamente na placa principal da unidade. O firmware (não o hardware) pode ser atualizado para habilitar novos protocolos. 9. Conexões diretas nos blocos de terminais para medição de temperatura, saídas analógicas, saídas digitais e entradas digitais isoladas opticamente. Todas as saídas digitais devem ser baseadas em www.selinc.com.br contatos secos porque as saídas transistorizadas não são adequadas para os circuitos de trip. Diagnósticos completos incorporados para determinar se a fonte de alimentação, microprocessador, memória, conversores analógico-digital e outros componentes estão funcionando corretamente. Placas com revestimento conformal para os ambientes corrosivos e sujos que são comuns nas aplicações industriais de BT. Implementação e configuração simplificada através de uma interface homem-máquina (IHM) baseada na web e montada na porta frontal do gabinete. Medição incorporada com dados de harmônicos e da fundamental. Programabilidade similar a um CLP em miniatura, incluindo lógica Booleana, matemática analógica, temporizadores, contadores, e saídas analógicas e discretas programáveis para esquemas de proteção e controle personalizados. Segurança em cada LVMR, o qual tem que incluir (no mínimo) acesso com senha para vários níveis e acesso com senha restrito para os esquemas de proteção. B. Proteção de Motores com Partida Direta Os recursos de proteção do moderno LVMR microprocessado (ver Fig. 2) fornecem normalmente as seguintes funções [4]: 1. Remoção de offset dc e harmônicos inerente às técnicas modernas de filtragem dos sinais ac [5]. 2. Componentes simétricas completas em tempo real com fasores na forma polar (magnitude e ângulo de fase) e medição das tensões (V0, V1 e V2) e correntes (I0, I1 e I2). 3. Elementos de subtensão e sobretensão (27 e 59). 4. Elementos de subfrequência e sobrefrequência (81U e 81O). 5. Elemento de detecção de perda de carga (37CP). 6. Elemento do fator de potência (55). 7. Elemento de fase reversa (47). 8. Elemento de perda de potencial (60). 9. Elementos de sobrecorrente instantâneo e temporizado (50 e 51). 10. Elementos térmicos (49T e 49P). 11. Elemento de detecção de rotor travado (50PLR). 12. Elemento de detecção de carga travada (“load jam”) (50PLJ). 13. Elemento de detecção de desbalanço de corrente (46). 14. Proteção de falha de disjuntor. 15. Motor travado. 16. Elementos de sobrecorrente de sequência-negativa (50Q e 51Q). 17. Elementos de partida e operação do motor (14 e 66). 18. Proteção de VFD (“variable frequency drive” – acionamento de frequência variável). 19. Elemento de detecção de arco voltaico (AFD). [email protected] Pág. - 3/10 SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. Barra 3 3 27 59 37 C P O 81 U 55 47 32 60 90 P Q 50 PAF P 51 Q 49T 66 50P LR 50 PLJ 46 50 AFD 1 50G 50 GAF 51G E. Proteção contra Arco Voltaico 14 49P M DFR LGC HMI SER WEB MET LDP Fig. 2 - Funções do moderno LVMR C. Proteção de Circuitos de Iluminação Os LVMRs podem também ser usados para proteção de alimentadores ou circuitos de iluminação. Na lista da Seção III, Subseção B, observe que os elementos de proteção são fornecidos para os esquemas de proteção básica de alimentadores. Estão incluídas a proteção de sobrecorrente de fase, terra e sequência-negativa; proteção de sobrecorrente temporizada de fase, terra e sequêncianegativa; e elementos de potência direcional e AFD. É particularmente interessante a oportunidade de melhorar a sensibilidade dos relés para evitar ferimentos e mortes por choque elétrico. Esquemas de proteção sofisticados projetados para evitar a eletrocussão humana, tais como aqueles mencionados em artigos do IEEE anteriores [6], podem agora ser implementados por qualquer usuário. Esses esquemas podem ser implementados usando lógicas programáveis do LVMR, comunicação entre relés de alta velocidade e elementos de sequência-zero sensíveis. D. Melhorias na Proteção do Acionamento com Frequência Variável Muitos VFDs de baixo custo não têm recursos suficientes para proteção, medição, automação, controle e comunicação do motor. Os modernos LVMRs microprocessados preenchem essas lacunas. A Fig. 3 apresenta um diagrama unifilar típico deste sistema. VFD M LVMR Fig. 3 tanto o conteúdo de harmônicos quanto da fundamental. Isso está em contraste com os modos normais de proteção de alimentadores e motores que apenas usam as magnitudes da frequência fundamental através do método já bem estabelecido baseado nos filtros cosseno [5]. Nos motores autorrefrigerados, uma redução na velocidade do motor reduz também o fluxo de ar de refrigeração. A operação com velocidade reduzida sustentada pode resultar no sobreaquecimento do motor. Os LVMRs modernos fornecem proteção térmica através das faixas de velocidade do VFD. Proteção Avançada do Motor BT com VFD Os riscos elétricos que podem resultar em ferimentos ou morte de seres humanos vêm geralmente em duas formas: arco voltaico e choque elétrico. Para proporcionar a máxima segurança das equipes de trabalho, há um grande número de esquemas disponíveis que usam as grandezas de sequênciapositiva (I1), negativa (I2) e zero (I0) calculadas no LVMR. O elemento AFD de um relé de proteção pode proporcionar uma redução significativa da energia incidente perigosa de uma falta com arco [7]. A luz produzida por um arco voltaico fornece um sinal de alta magnitude que é usado em conjunto com um sensor de sobrecorrente para detecção segura e confiável de uma falta com arco. Após a detecção da condição de uma falta com arco, o relé inicia a emissão do trip de alta velocidade de um disjuntor a montante visando minimizar a duração da falta com arco e a energia incidente resultante. No sistema descrito neste artigo, o LVMR é capaz de fornecer a função completa de proteção contra arco voltaico, incluindo a detecção da luz, detecção de sobrecorrente e trip de alta velocidade. A implementação típica de CCMs é vulnerável às faltas com arco localizadas a montante do LVMR (ex., no contator, fusível, barramento ou disjuntor). Consequentemente, é também vantajoso detectar a sobrecorrente da falta com arco na alimentação de entrada do barramento do motor enquanto a luz do arco ainda estiver sendo detectada dentro do gabinete do CCM. Além disso, os CCMs de BT normalmente usam fusíveis, protetores dos circuitos do motor ou disjuntores termomagnéticos dentro dos gabinetes, os quais não são desligados por um relé de proteção (apenas o contator é aberto por um relé). Como resultado, é necessário dar trip no disjuntor de entrada do barramento do motor para eliminar a falta com arco de forma confiável e segura. Quando a luz do arco é detectada em um gabinete do CCM, uma mensagem IEC 61850 GOOSE de alta velocidade é enviada a partir do relé de proteção da BT para um relé a montante associado ao disjuntor do barramento do motor (52). Se o relé a montante detectar uma condição de sobrecorrente coincidente com a luz do arco no gabinete do CCM, um trip de alta velocidade é emitido para o disjuntor do barramento do motor visando minimizar a duração da falta com arco. A Fig. 4 apresenta um esquema típico deste sistema. No modo de operação com VFD, os elementos de proteção de sobrecorrente e modelo térmico usam magnitudes da corrente rms (“root-mean-square”), incluindo www.selinc.com.br [email protected] Pág. - 4/10 SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. GOOSE Comunicação Relé-a-Relé LVMR Trip de Alta Velocidade para Sobrecorrente e Luz do Arco Simultâneas Tabela I exibe o tempo total desde o início das condições de falta até o instante de fechamento dos contatos especificados para trip de um relé a montante. A variação entre 4 a 13 milissegundos é causada pelos ciclos de processamento assíncrono dos relés microprocessados. Vem de Uma Fonte de Alta Corrente Envia o Estado da Luz do Arco Voltaico ao Relé do Alimentador 52 Disjuntor da Barra do Motor Eletrodos de Cobre com 0.75" de diâmetro Gabinete do Motor Fusível Fio Fusível do Lado da Fonte Arco Voltaico Isolador LVMR Fio Fusível do Lado da Carga Contator Relé com Sensor da Luz do Arco Voltaico Caixa de Teste de Metal (26" × 26" × 26") M Fig. 5 Fig. 4 Use a Troca de Mensagens GOOSE entre os Relés para Proteção contra Arco Voltaico Testes efetuados com vários relés durante eventos reais de arco voltaico provaram a necessidade de um projeto cuidadoso dos relés para que possam suportar o ambiente severo da nuvem de plasma do arco voltaico. Este ambiente inclui temperaturas extremamente elevadas, luz brilhante, ar ionizado, campos magnéticos elevados, lançamento de materiais metálicos derretidos e choque mecânico. A Tabela I mostra os tempos finais de detecção e trip medidos durante testes do arco voltaico em um laboratório de alta corrente. A metodologia de teste é similar àquela descrita em [8], usando porém um LVMR ao invés de um relé do alimentador. TABELA I SUMÁRIO DOS TEMPOS DE TRIP POR ARCO VOLTAICO USANDO GOOSE Tempo de Trip (milissegundos) a Partir da Aplicação da Corrente Mínimo 4 Máximo 13 O LVMR microprocessado tem que suportar um evento com arco voltaico por um tempo suficientemente longo para dar trip nos disjuntores a montante. Os LVMRs precisam ser projetados e testados de forma a suportar um evento com arco voltaico se eles tiverem que efetivamente detectar um arco voltaico e dar trip num disjuntor a montante. Esta é uma tarefa onerosa que requer princípios de projetos robustos que superem as normas industriais. Testes abrangentes dos relés têm que ser executados em ambientes de arcos voltaicos reais visando garantir a suportabilidade dos mesmos. Métodos de testes típicos são mostrados na Fig. 5. Os testes de campo comprovaram que, mesmo em um evento de teste de arco voltaico catastrófico, pelo menos quatro mensagens GOOSE indicando o evento de arco voltaico são enviadas dentro de 16 milissegundos. A www.selinc.com.br Caixa de Teste de Arco Voltaico F. Configuração e Comissionamento dos LVMRs Os intertravamentos para uso do operador podem não permitir que a porta de um gabinete seja aberta enquanto ainda houver tensão viva no gabinete. Isso significa que a frente do relé pode não estar disponível para configuração enquanto ele estiver no estado energizado. Todas as configurações podem ser feitas através da rede de comunicação quando a porta do gabinete está fechada e os circuitos estão energizados. Isso confirma a obrigatoriedade de existência de vários métodos simples, confiáveis e consagrados (“time proven”) para configurar e testar o LVMR baseado em microprocessador. Os dispositivos modernos são configurados e comissionados através de um ou mais dos seguintes itens: 1. Servidor web incorporado simples e amigável. 2. Configuração remota através da rede de comunicação. 3. Diversas opções de meios de comunicação para transmissão de arquivos, tais como os protocolos FTP (“File Transfer Protocol”), TCP/IP (“Transmission Control Protocol/Internet Protocol”), sessão do terminal serial, ou Telnet TCP/IP. 4. Configuração completa sem qualquer software através de uma IHM montada no gabinete com menu de acionamento (“menu-driven”). 5. Transferência de ajustes através de um dispositivo portátil (“hand-held device”). 6. Ferramentas de gerenciamento do software de ajustes globais do relé. 7. Configuração manual usando o prompt de comandos (via comunicação serial ou Ethernet). G. Especificações de Equipamentos Robustos Os LVMRs são aplicados em ambientes elétricos e físicos agressivos; dessa forma, eles têm que suportar vibrações, surtos elétricos, transitórios rápidos e temperaturas extremas. [email protected] Pág. - 5/10 SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. Os dispositivos têm que estar em conformidade com as normas de testes de tipo, incluindo o seguinte: 1. Resistência à vibração, 15 g (IEC 60068-2-6:1995). 2. Resistência a choques (IEC 60255-21-2:1988). 3. Tolerância ao frio, –40°C por 16 horas (IEC 60068-2-1:2007). 4. Calor úmido, regime (IEC 60068-2-78:2001). 5. Calor úmido, cíclico (IEC 60068-2-30:1980). 6. Calor seco (IEC 60068-2-2:2007). 7. Dielétrico (HighPot) (IEC 60255-5:2000 e IEEE C37.90-2005). 8. Imunidade à descarga eletrostática, 15 kV (IEC 61000-4-2:2008 e IEC 60255-22-2:2008). 9. Imunidade à radiofrequência (RF) irradiada (IEC 61000-4-3:2008 e IEC 60255-22-3:2007). 10. Imunidade/Capacidade de resistência a surtos, modo comum 2,5 kV (IEC 60255-22-1:2007). 11. Normas de relés de proteção IEEE C37.90 e IEC 60255. Organizações adicionais que normalmente têm influência sobre as instalações do LVMR são: ISO (“International Organization for Standardization”), UL (“Underwriters Laboratory”), CSA (“Canadian Standards Association”) e CE (“Comissão Europeia”). H. Diagnósticos e Autotestes Internos Os modernos LVMRs microprocessados têm que informar aos sistemas de monitoramento a ocorrência de problemas internos, tais como falhas na memória interna, problemas na fonte de alimentação, falhas nas placas de entradas/saídas (I/Os), transformador de corrente (TC) ou transformador de potencial (TP), imprecisões do relógio ou erros nos vetores de processamento. Basicamente, a maior vantagem de qualquer IED de proteção consiste em poder confirmar continuamente se ele está funcionando corretamente. Os LVMRs executam continuamente testes de autodiagnose para detectar condições fora de tolerância. Esses testes são executados simultaneamente às lógicas de proteção e automação habilitadas e não degradam o desempenho do dispositivo. O LVMR reporta condições fora de tolerância através de um alerta de status ou uma falha do status. Para as condições que não comprometam a funcionalidade, ainda que estejam além dos limites esperados, o LVMR declara um alerta de status e continua a operar normalmente. Uma condição fora de tolerância severa faz com que o LVMR declare uma falha do status e comute o dispositivo automaticamente para o estado de dispositivo desabilitado. Durante o estado de dispositivo desabilitado, o LVMR suspende os processamentos dos elementos de proteção e lógicas de trip/fechamento e desenergiza todas as saídas de controle. Os diagnósticos internos do LVMR têm que discernir entre condições de alarme do software, hardware ou firmware. Eventos iniciados pelo usuário, tais como mudanças de ajustes, alterações do nível de acesso e tentativas de introdução de senhas sem sucesso também precisam ser registrados. www.selinc.com.br I. Diagnósticos dos Eventos A capacidade de diagnosticar e entender as sobrecargas do motor, trips por curto-circuito, partidas do motor e todas as outras operações do relé provou ser fundamental na indústria de proteção. A sincronização dos sinais de tempo de todos os IEDs do CCM BT e da instalação industrial permite efetuar a comparação dos relatórios de evento (oscilografia) de perturbações e faltas no sistema de potência, registros do Registrador Sequencial de Eventos ("Sequential Events Recorder” – SER), relatórios com precisão nos tempos dos registros analógicos do sistema de aquisição e supervisão de dados (SCADA) e registros de mudanças de estado (SOE). Ter capacidade para efetuar uma análise determinística no domínio do tempo da causa raiz dos eventos do sistema e combinar dados de relatórios de diferentes relés microprocessados para cálculo em tempo real das temporizações entre ocorrências relacionadas ao mesmo evento provou ser de inestimável valor. Os tipos de registros de eventos geralmente fornecidos por um LVMR incluem o seguinte: 1. Registros oscilográficos obtidos através de um osciloscópio incorporado. Cada evento tem um relatório oscilográfico para análise posterior. 2. Relatórios de eventos de trip, incluindo relatórios oscilográficos especiais de cada evento de trip ou parada (“stall”). 3. Captura do SOE. O estado binário de mudança nas entradas, saídas e variáveis digitais internas. 4. Medição da distorção harmônica total (“Total Harmonic Distortion” – THD). 5. Relatório do perfil de carga, que armazena as grandezas de medição capturadas em intervalos de poucos segundos em memória não volátil. Isso substitui os dispositivos de registros de gráficos de longa duração com taxa de amostragem baixa. 6. Sumários dos eventos, que são versões reduzidas e simplificadas dos relatórios oscilográficos (normalmente usados para gestão não técnica). 7. Históricos de eventos, fornecendo sumários de todas as ocorrências de carga travada (“load jam”) ou trips por carga. 8. Relatório das estatísticas de operação do motor, incluindo informações resumidas como dados de operação, dados de partida e dados de alarme e/ou trip. 9. Tendências das partidas do motor, que é um resumo simples de todas as partidas do motor. 10. Relatório das partidas do motor, fornecendo registros oscilográficos especiais de cada partida do motor. J. Processamento de Dados dos IEDs de Proteção As técnicas de proteção baseadas nos valores rms calculados de corrente e tensão são inadequadas para as aplicações de partida do motor. Por exemplo, os valores rms calculados não rejeitam offset dc e harmônicos devido ao inrush do transformador. Técnicas usadas em relés AT, tais como a filtragem dos dados amostrados baseada nos filtros cosseno, têm que ser usadas para evitar a operação incorreta [email protected] Pág. - 6/10 SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. e prejudicial dos relés BT devido aos harmônicos e sinais dc espúrios presentes em todos os sistemas de potência [5]. IV. SISTEMA DE CONTROLE DE MOTORES INTELIGENTE CENTRALIZADO Um sistema de controle de motores inteligente centralizado (“centralized smart motor control system” – CSMCS) é recomendado para fornecer um pacote de proteção e controle do CCM BT pré-configurado e totalmente integrado. O CSMCS é uma solução de engenharia préconfigurada para CCMs, simplificando a configuração, comissionamento e os testes de numerosos LVMRs. O CSMCS substitui o extenso cabeamento entre relés, CLPs, unidades terminais remotas (UTRs) e outros controladores por um número reduzido de LVMRs industrialmente robustos, usados para um determinado propósito. A comunicação com cada LVMR é feita através de um cabo Ethernet simples, implementando a troca de mensagens IEC 61850 GOOSE e MMS entre cada relé e um switch gerenciado centralizado. O CSMCS mostrado na Fig. 6 fornece aos usuários informações instantâneas em tempo real sobre o desempenho do motor, acesso aos IEDs de todos os CCMs BT via IHM com tela sensível ao toque (“touchscreen”) centralizada, além de relatórios dos históricos e análises. Esta solução do CSMCS interconectada em rede integra o último LVMR e o relé do alimentador de entrada, propiciando executar funções avançadas de proteção, controle, medição e automação de processos do motor. Alimentação de Entrada Principal Relé de Proteção de Média Tensão Protetor do Circuito do Motor Disjuntor Contator VFD Contator LVMR LVMR LVMR M M Carga do Alimentador Motor no Modo DOL Gabinete 1 Fig. 6 Motor no Modo VFD Gabinete 2 Gabinetes Adicionais Modo Alimentador Gabinete 3 Diagrama Unifilar do CSMCS Dados importantes do motor e dos processos dos sistemas MT e BT são automaticamente reunidos, consolidados e disponibilizados simultaneamente para o sistema de controle dos processos (PCS), sistemas de gerenciamento de energia (“power management systems” – PMSs) e sistemas de gestão de ativos. A Fig. 7 apresenta a hierarquia de comunicação simplificada do CSMCS. O CSMCS consiste também numa solução completa de proteção, controle e monitoramento de um CCM. Ele fornece diagnósticos dos processos, os quais simplificam a manutenção ao permitir que os usuários detectem e corrijam www.selinc.com.br os problemas antes que se tornem críticos, evitando danos e minimizando o tempo de inatividade do processo. Sistema de Gerenciamento de Potência Sistema de Controle do Processo Relógio IRIG-B Peer to Peer IEC 61850 MMS e GOOSE Relé de Proteção do Alimentador Controlador de Automação Switch Gerenciável IHM Local Proteção do Alimentador de Entrada do CCM Modbus® RTU IEC 61850 MMS e GOOSE LVMR Até 32 Cargas Fig. 7 Conceito do CSMCS A. Desempenho e Funções do CSMCS O CSMCS usa técnicas de comunicação e integração padronizadas que foram refinadas com base em décadas de experiência em proteção de sistemas de energia elétrica industrial e de concessionárias de energia elétrica. Alguns dos atributos do CSMCS incluem o seguinte: 1. O AFD, que transmite um sinal para iniciar a emissão do trip de um disjuntor a montante em menos de 13 milissegundos a partir do instante de detecção de um evento com arco voltaico em qualquer ponto do CCM. 2. Comunicação Ethernet entre LVMRs. 3. Proteção de alimentadores classes MT e AT na seção de entrada principal. 4. Controle e monitoramento de cargas individuais. 5. Dados completos de medição e status de cada carga e de todo o barramento do motor. 6. Interface e comunicação bidirecional pré-configurada com o PCS e PMS da instalação. 7. Sistemas da IHM pré-configurados, propiciando visibilidade básica do sistema via diversas opções. 8. Relés, controladores e switches gerenciados programados e pré-configurados de fábrica especificamente para a aplicação do CSMCS. 9. Configuração automática da configuração do IEC 61850 dos IEDs quando eles forem implementados em uma rede Ethernet. 10. Recursos de monitoramento do PMS remoto. 11. Resposta da operação de trip remoto da ordem de subciclos dos esquemas de rejeição de cargas do PMS remoto. 12. Acesso da engenharia a cada IED da rede Ethernet. 13. Software de diagnóstico de eventos centralizado. 14. Medição de potência instantânea de cada relé para fornecer feedback em tempo real sobre as operações dos processos. 15. Medição para acompanhamento dos custos de energia dos processos e otimização do uso de energia. 16. Dados padronizados incluindo faltas no sistema, alarmes, capacidade térmica do motor utilizada, [email protected] Pág. - 7/10 SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. corrente de carga do motor, tensão no barramento, potência, energia e carregamento porcentual, estatísticas das operações do motor, relatórios das partidas do motor e SER com estampas de tempo do relé. B. Alarmes da IHM com Múltiplos Níveis Múltiplos níveis de alarmes do sistema são fundamentais para a manutenção a longo prazo de um CCM. Se uma IHM central falhar, a IHM local instalada na parte frontal do gabinete está disponível. Instalações que requerem poucos diagnósticos e mínima visualização podem ter apenas um simples indicador no painel frontal. Instalações que requerem vários diagnósticos e máxima visualização usam normalmente um sistema de IHM centralizada. Os métodos de alarme dos três tipos de IHM mais comuns são os seguintes: 1. Uma IHM individual instalada em um gabinete pequeno, fornecendo recursos da interface baseados no custo benefício (ver Fig. 8). 2. Uma IHM individual instalada em um gabinete médio, fornecendo amplos recursos da interface baseados no custo benefício (ver Fig. 9). 3. Uma IHM de um sistema amplo (visualizada num computador portátil, local ou remoto), fornecendo controle e visualização de status de cada carga no nível do sistema através da ferramenta drill-down (não mostrada). C. Arquiteturas de Comunicação Para reduzir os custos, recomenda-se que todos os dispositivos LVMR suportem pelo menos uma solução Ethernet baseada na configuração “daisy-chain”, conforme mostrado na Fig. 10. Para máxima redundância de rede e confiabilidade, a solução preferida consiste na comunicação do LVMR com switches duplos em um arranjo de estreladupla, conforme mostrado na Fig. 11. As redes baseadas na configuração estrela-dupla são comuns para funções extremamente críticas, tais como rejeição de cargas [8]. Rede Switch Ethernet (Gerenciável) 1A 1B LVMR 1A 1B LVMR Fig. 10 1A 1B LVMR 1A 1B LVMR 1A 1B LVMR 1A 1B LVMR Arquitetura “Daisy-Chain” para Minimização dos Custos Rede Switch Ethernet A Switch Ethernet B Motor Relay HMI 1A ENABLED LOCAL TRIP REMOTE WARNING SPEED1/FWD RUNNING SPEED2/REV STOPPED OVERLOAD START STOP LOCAL/ REMOTE Fig. 11 TARGET RESET Motor Relay HMI 26 A 34% START STOP ENABLED LOCAL TRIP REMOTE WARNING SPEED1/FWD RUNNING SPEED2/REV STOPPED OVERLOAD LOCAL/ REMOTE ESC Fig. 9 ENT TARGET RESET IHM de um LVMR Individual em um Gabinete Médio www.selinc.com.br 1A 1B LVMR 1A 1B LVMR 1A 1B LVMR 1A 1B LVMR 1A 1B LVMR Arquitetura Estrela-Dual para Máxima Confiabilidade V. CONSIDERAÇÕES SOBRE MÃO-DE-OBRA E ECONOMIA Fig. 8 IHM de um LVMR Individual em um Gabinete Pequeno I MOTOR Stator TCU 1B LVMR Devido ao volume de LVMRs instalados em diversas plantas, o custo total de propriedade tem que ser considerado em qualquer decisão de uso de novas tecnologias para o LVMR ou CSMCS. Existem várias tecnologias, conceitos e estratégias comprovadas que devem ser consideradas em qualquer cálculo econômico ou estimativa de retorno sobre o investimento. Estão incluídos os seguintes itens: 1. Qual é a garantia do equipamento e componentes? 2. Qual é o nível de qualidade e confiabilidade do produto medido no campo? 3. Qual é o custo total de produção e manutenção para um LVMR com defeito? 4. Qual é a reputação e histórico do fabricante que fornece o sistema? 5. É possível adquirir os componentes instalados com lógicas e configurações default da instalação do usuário final? 6. Qual é a taxa de falhas histórica de componentes similares da instalação do usuário final? 7. Qual tem sido o tempo de resposta do suporte ao consumidor? [email protected] Pág. - 8/10 SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. 8. Existem ferramentas de diagnósticos disponíveis suficientes para ajudar a descobrir a causa raiz dos problemas? 9. O sistema vai evitar ferimentos das equipes de trabalho? 10. De que forma a tecnologia se adapta ao programa de segurança? 11. Existem equipes técnicas capacitadas disponíveis localmente para configuração dos dispositivos? 12. Qual é o custo dos contratos de manutenção a longo prazo? 4. Os detectores de arco voltaico incorporados diretamente ao LVMR e estratégias de proteção avançadas são usadas para reduzir a energia incidente dos eventos. 5. Métodos simples, confiáveis e comprovados para configuração, comissionamento e comunicação com o LVMR têm que ser suportados. 6. Os projetos robustos e a execução de testes de tipo abrangentes dos LVMRs melhoram a confiabilidade de um sistema CCM BT e reduz o tempo de inatividade dos processos. 7. Um LVMR com diagnósticos incorporados e testes internos identifica imediatamente se o sistema de proteção e controle está operando corretamente. 8. LVMRs com diversos tipos de registros de eventos ajudam nos diagnósticos de sobrecargas do motor, trip por curto-circuito e problemas nas partidas do motor. 9. A filtragem dos dados amostrados baseada em filtros cosseno de um LVMR impede eventos espúrios causados por técnicas de cálculos que usam grandezas rms. 10. Os usuários finais economizam tempo e dinheiro com uma solução CSMCS pré-configurada padrão. 11. Devido ao volume de LVMRs instalados em diversas plantas, o custo total de propriedade tem que ser considerado em qualquer decisão de uso de novas tecnologias para o LVMR ou CSMCS. VI. PADRONIZAÇÃO E SIMPLIFICAÇÃO Em geral, as indústrias com capacitação limitada de engenharia não possuem recursos para se dedicar ao projeto de uma solução CSMCS detalhada. É necessário ter ampla experiência para projetar adequadamente uma solução completa, incluindo capacitação em lógicas programáveis, esquemas de proteção e sistemas de comunicação. Em uma organização, essas capacidades são frequentemente mais utilizadas em tarefas maiores. Para resolver este problema, muitas empresas escolheram um programa de padronização para simplificar o projeto, aquisições, fabricação, testes, instalação e comissionamento de tais sistemas. Visando facilitar as necessidades dos usuários finais na padronização, os provedores da solução CSMCS têm que ter capacidade para adquirir todos os equipamentos associados com configurações padronizadas que atendam aos requisitos específicos do usuário final. Esses ajustes são geralmente suficientes para um fabricante de CCM, sem necessidade de engenheiros adicionais para efetuar testes de aceitação de fábrica completos e configurar todos os ajustes de todos os dispositivos. Uma vez que estas soluções executadas na fábrica sejam entregues e instaladas em uma planta, é necessário efetuar o comissionamento do sistema para condições de campo reais. Para uma proteção básica e rápida, é mais conveniente introduzir os dados da placa de identificação do motor diretamente na tela de ajustes básicos. Para requisitos de proteção mais complexos, que são típicos de motores de grande porte ou incomuns, é apropriado usar métodos mais flexíveis e avançados. Por exemplo, a interface baseada na web consiste num método fácil e conveniente para que eletricistas e técnicos possam configurar, comissionar e monitorar os LVMRs. VIII. REFERÊNCIAS [1] [2] [3] [4] VII. CONCLUSÃO [5] Os pontos seguintes capturam as características essenciais de um sistema abrangente de controle e proteção de um CCM de BT: 1. Os recursos abrangentes do LVMR aumentam a confiabilidade, melhoram a segurança e reduzem os custos de operação dos sistemas dos CCMs de BT. 2. O sistema reduz as falhas do motor através de elementos de proteção avançados. 3. Os motores com partida direta, circuitos de iluminação e os motores acionados por VFD são protegidos por um único modelo do LVMR. www.selinc.com.br [6] [7] D. D. Blair, D. R. Doan, D. L. Jensen, and T. K. Kim, “Integrating Networks Into Motor Control Systems,” proceedings of the 48th Annual IEEE Petroleum and Chemical Industry Conference, Toronto, ON, September 2001. R. D. Kirby and R. A. Schwartz, “Microprocessor-Based Protective Relays Deliver More Information and Superior Reliability With Lower Maintenance Costs,” proceedings of the IEEE Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference, Detroit, MI, August 2006. IEEE Power System Relaying Committee, Working Group I-01, “Understanding Microprocessor-Based Technology Applied to Relaying,” 2009. Available: http://www.pes-psrc.org/. IEEE Standard C37.96-2000, IEEE Guide for AC Motor Protection. E. O. Schweitzer, III, and D. Hou, “Filtering for Protective Relays,” proceedings of the 47th Annual Georgia Tech Protective Relaying Conference, Atlanta, GA, April 1993. P. S. Hamer, “The Three-Phase Ground-Fault CircuitInterrupter System—A Novel Approach to Prevent Electrocution,” proceedings of the 55th Annual IEEE Petroleum and Chemical Industry Conference, Cincinnati, OH, September 2008. B. Hughes, V. Skendzic, D. Das, and J. Carver, “HighCurrent Qualification Testing of an Arc-Flash Detection [email protected] Pág. - 9/10 SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. [8] System,” proceedings of the 9th Annual Power Systems Conference, Clemson, SC, March 2010. E. R. Hamilton, J. Undrill, P. S. Hamer, and S. Manson, “Considerations for Generation in an Islanded Operation,” proceedings of the 56th Annual IEEE Petroleum and Chemical Industry Conference, Anaheim, CA, September 2009. sistemas de proteção e controle de engenharia de potência de indústrias e concessionárias de energia elétrica. Em 1995, recebeu seu grau máster em engenharia de sistemas de potência do Rensselaer Polytechnic Institute em Troy, New York. Em 2004, ingressou na SEL como engenheiro de aplicação. Ele pode ser contatado em [email protected]. IX. BIOGRAFIAS Scott Manson, P.E. (S 1991, M 1993, SM 2012), recebeu seu MSEE da University of Wisconsin–Madison em 1996 e seu BSEE da Washington State University em 1993. Scott trabalhou na 3M como engenheiro de sistemas de controle por seis anos antes de ingressar na Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. em 2002. Ele tem experiência em projetos e implementação de sistemas de controle para consumidores de concessionárias de energia elétrica, refinarias, usinas de separação de gás, minas, web lines de alta velocidade, sistemas de controle de movimento multieixo e ferramentas de máquinas de precisão. Scott é um engenheiro profissional registrado em Washington, Alaska, North Dakota, Idaho e Louisiana. Ele pode ser contatado em [email protected]. H. Landis “Lanny” Floyd, II, (Fellow 2000) ingressou na DuPont em 1973. Atualmente, ele é responsável pela melhoria de sistemas de gerenciamento, renovação de competências, práticas de trabalho, e aplicação de tecnologias críticas para o desempenho da segurança elétrica de todas as operações da DuPont. Ele também é responsável pela aplicação desses conhecimentos na segurança elétrica dos produtos que a DuPont coloca no mercado. Publicou ou apresentou mais de 100 artigos técnicos, artigos em revistas, tutoriais e apresentações em workshops sobre segurança elétrica. Ele é um profissional membro da American Society of Safety Engineers, um profissional de segurança certificado, um profissional de manutenção e confiabilidade certificado, e um engenheiro profissional registrado em Delaware. Bob Hughes recebeu seu BSEE da Montana State University em 1985. Ele é engenheiro de marketing sênior no departamento de sistemas de potência da Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. Bob tem mais de 20 anos de experiência em automação de sistemas elétricos de potência, incluindo proteção contra arcos voltaicos, SCADA/EMS, automação da distribuição, controle de usinas de energia e leitura de medidores automáticos. Ele é um engenheiro profissional registrado e membro do IEEE, podendo ser contatado em [email protected]. Richard D. Kirby, P.E. (S 1990, M 1996, SM 2006), recebeu um BSEE da Oral Roberts University em Tulsa, Oklahoma, em 1992, e é gerente regional central de serviços de engenharia na Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. (SEL) em Houston, Texas. Ele é um engenheiro profissional registrado em Louisiana, Michigan e Texas. Tem mais de 20 anos de experiência em diversas áreas, incluindo projetos de engenharia detalhados, execução e gestão de projetos, e www.selinc.com.br Apresentado previamente na 60th Annual Petroleum and Chemical Industry Technical Conference, Chicago, IL, setembro de 2013. © 2013 IEEE – Todos os direitos reservados. 20130501 • TP6584 [email protected] Pág. - 10/10