XX Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica
SENDI 2012 - 22 a 26 de outubro
Rio de Janeiro - RJ - Brasil
Ubirajara Tomaz Fernandes
Junior
Marcel Mascaro Martinelli
Edson Nunes
AES Eletropaulo
Metropolitana - Eletr. de São
Paulo S.A.
AES Eletropaulo
Metropolitana - Eletr. de São
Paulo S.A.
AES Eletropaulo
Metropolitana - Eletr. de São
Paulo S.A.
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Automação de protetores de rede de distribuição subterrânea
Palavras-chave
Automação
Central de Operações
Painel de Automação Submersível
Protetores
Radio Mesh
Resumo
A área de concessão da AES Eletropaulo é composta por 15 sistemas reticulados e 2.300 câmaras, o qual
não havia supervisão do network protector e do interior da câmara causando inúmeros furtos de cabos,
manobras locais e desligamentos por sobrecarga e ainda que os requisitos da NR-33 (Norma
Regulamentadora para Trabalhos em Espaços Confinados), mostrou um aumento substancial do tempo para
entrada nas câmaras subterrâneas e no tempo necessário para manutenção e coleta de informações in-loco.
Considerando este cenário montou-se uma equipe multidisciplinar para avaliar as alternativas para
supervisionar e telecomandar os protetores. Esta equipe deparou-se com uma série de barreiras técnicas que
serão desenvolvidas ao longo do trabalho e ao final decidiu-se desenvolver um protótipo de uma caixa
submersível contendo baterias, rádios, módulos de entrada e saída e carregador de baterias, além da adoção
de relés digitais e rádio “mesh”.
1. Introdução
O projeto de automação de câmaras subterrâneas teve como metas: o aumento da segurança operacional,
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uma vez que o telecomando elimina o deslocamento dos colaboradores para manobras na câmara
supervisionada, redução de furtos de cabos, supervisão no nível de água podendo agir preventivamente na
manutenção do sistema de drenagem, conhecimento da posição dos protetores (aberto ou fechado) para
melhor tomada de decisões e captura das grandezas elétricas evitando o deslocamento de uma equipe para
colher os dados.
Assim, temos como base um projeto realizado em um conjunto de 48 câmaras supervisionadas em 2011, que
serviu de piloto para a ampliação e melhoria da implantação em um novo projeto em 2012, que atualmente
esta em execução.
2. Desenvolvimento
2.1 Funcionamento do Protetor
O Sistema Reticulado de Distribuição Subterrâneo é formado por 4 alimentadores primários de 20 KV que
possuem conjuntos de até 4 transformadores com seus secundários ligados em paralelo, estas células são
chamadas de mini reticulado (Figura 1).
Figura 1 – Sistema Reticulado da AES Eletropaulo
Os protetores de rede são projetados para aplicação em sistemas reticulados de corrente alternada de baixa
tensão, sendo acoplados ao barramento secundário dos transformadores. A AES Eletropaulo possui sistemas
constituídos de 4 alimentadores primários de média tensão (20 KV), que alimentam um determinado número
de bancos de transformadores trifásicos de distribuição subterrânea (mini-reticulados). No secundário de
cada transformador temos um protetor de rede (Figura 2), que tem a função de bloquear corrente reversa em
caso de falha nos alimentadores primários ou por diferença de potencial entre as malhas. Em uma
emergência é necessário saber qual a posição dos protetores (aberto ou fechado) para melhor tomada de
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Figura 2 – Câmara Transformadora e Protetor de Rede Subterrânea
Além disso, a sistemática do projeto de monitoramento dos equipamentos teve o objetivo de identificar e
monitorar aspectos críticos, tais como: infiltração de água, estanqueidade dos equipamentos, controle de
temperatura, estado do bloco de contatos do protetor, medição de corrente e tensão, controle e operação do
protetor.
2.2 Estudo
Com base na taxa de falhas em protetores e aumento do tempo necessário para adentrar câmaras
subterrâneas, constatamos a necessidade de supervisionar e telecomandar o protetor e implantar melhorias. A
equipe do projeto iniciou os trabalhos realizando levantamento dos tipos de protetores e seus respectivos
relés:
Supervisionar Relé Eletromecânico: Constatamos que era inviável a supervisão dos relés
eletromecânicos – decidimos por substituir estes para realizar supervisão e controle;
Supervisionar Reles Digitais: Constatamos que é a opção mais eficaz, pois além de realizar as funções
inerentes ao protetor, trabalha no protocolo de comunicação para automação e transmite dados digitais
e analógicos.
Supervisionar Unidades de Controle: Constatamos que poderíamos supervisionar alarmes inerentes a
câmara com infiltração de água, presença humana, temperatura e pressão do transformador.
2.3 Visão Geral do Projeto
O sistema de automação de protetores de rede utiliza relés digitais instalados internamente no protetor, os
quais são interligados por uma rede de comunicação em cada mini, comunicando sob o protocolo DNP3. O
relé fornece o estado do protetor, as grandezas elétricas do transformador e da malha, temperatura no interior
do protetor, além de possibilitar o telecomando remoto. Através do módulo de entradas e saídas interligado
ao relé, instalado em painel submersível dentro da câmara, podemos monitorar a abertura da tampa e nível
de água.da câmara. Todas as informações são transmitidas em tempo real à Central de Operações e
disponibilizadas via web a toda corporação.
A interligação da câmara com a Central de Operações foi com o meio de comunicação inovador da
tecnologia do Radio Mesh. A rede MESH se caracteriza pela transmissão de dados através dos seus nós;
sendo que cada nó opera como um roteador no sistema, ou seja, além da conectividade entre os nós, estes
operam como elementos inteligentes que decidem automaticamente qual o melhor caminho para transmitir
os dados. Dessa maneira, é possível transmitir mensagens de um nó para outro por diferentes caminhos. Os
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rádios são instalados numa SE (Subestação), em postes, e no interior da câmara (figura 3).
Figura 3– Visão Geral do projeto de automação de câmaras
2.4 Painel de automação submersível
O painel de automação (Figura 4) foi projetado com conectores especiais para as conexões de interface, de
acordo com as condições adversas de temperatura e umidade das câmaras, para atender aos requisitos do
grau de proteção IP68. A certificação do painel foi realizada com ensaios de estanqueidade realizados no
IEEUSP (Instituto de Eletrotécnica da Universidade de São Paulo – USP).
Para essa aplicação em câmaras subterrâneas, tendo em vista se tratar de fonte de energia para circuitos
eletro-eletrônicos montada em invólucro IP68 sem ventilação, a bateria de Íon-Litio foi escolhida por ter
muitas vantagens como:
Densidade da energia elevada: potencial para capacidades mais elevadas.
Gases: Não emite gases, o que evita explosões
Carregamento: não é necessário o carregamento total máximo nem a descarga máxima da bateria antes
de uma recarga.
Capacidade: a bateria de íons de lítio tem o dobro da capacidade das baterias de níquel.
Efeito memória: não existe o efeito memória ou seja a bateria não "vicia".
Carga muito maior
Pronta para usar: ao contrário de outros tipos de baterias recarregáveis, não é preciso passar horas
carregando antes de usar pela primeira vez.
Menor peso: a baixa densidade do lítio possibilita a criação de baterias com alta capacidade e bem
mais leves
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O painel é alimentado em 220VCA, e através de um carregador de bateria interligado com uma bateria de
Íon-lítio de 24VCC, na qual irá manter o painel ligado em caso de falta de alimentação CA.
Através das conexões com grau de proteção IP68 realizamos a interface entre os dispositivos instalados na
câmara e o painel, bem como o protetor de rede que é o principal objetivo do projeto. O painel de automação
coleta as informações de presença de corrente alternada, nível de água na câmara, alarme de abertura da
tampa de acesso, alarme de anomalia do transformador, supervisão da pressão do painel, já que o painel
trabalha pressurizado sob 3PSI sendo essa pressão monitorada pelo manômetro instalado nessa caixa, e o
estado do protetor (aberto e fechado).
Figura 4 – Painel de automação submersível de câmaras subterrâneas
2.5 Dispositivos
A presença de corrente alternada é monitorada através de um relé que enviará através de seus contatos
auxiliares ao módulo digital o alarme “falta de CA”. Os níveis de água são monitorados através de duas
bóias, uma instalada a 10 cm do piso e a outra instalada a 1,5m do piso (Figura 5). O estado do protetor é
fornecido através de seus contatos auxiliares. O telecomando atua por meio do relé digital, ficando através
de lógica interna do relé a decisão de abertura e fechamento quando for a situação for conveniente, sendo
essa decisão ficando a cargo do operador da Central de Operações.
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Figura 5- Sensor de nível de água
Para monitoração de entrada de pessoas através das tampas de acesso se deu através de um sensor
magnético instalado entre as tampas (Figura 6), onde o alarme é enviado a Central de Operações e Central de
Segurança Patrimonial da AESEletropaulo, que enviará um vigilante caso não haja registro de colaboradores
da AESEletropaulo trabalhando na câmara.
Figura 6- Sensor de presença
2.6 Comunicação
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Em 2010, após um projeto piloto com duração de cinco meses de monitoramento, foi validada a tecnologia
de rede Mesh. A rede mesh se caracteriza pela transmissão de dados através dos seus nós; sendo que cada nó
opera como um roteador no sistema, ou seja, além da conectividade entre os nós, estes operam como
elementos inteligentes que decidem automaticamente qual o melhor caminho para transmitir os dados. Dessa
maneira, é possível transmitir mensagens de um nó para outro por diferentes caminhos (Figura 7). Esta
característica é baseada em uma rotina operando em background que avalia, entre outros critérios, a
amplitude do sinal e tempo de resposta dos nós vizinhos. Redes MESH possuem a vantagem de serem de
baixo custo, de fácil implantação (plug-and-play) e escalável, além da robustez devido à grande capilaridade
do sistema com varredura das diversas possibilidades de rotas de fluxo de dados baseada numa tabela
dinâmica onde o equipamento seleciona qual a rota mais eficiente a seguir para chegar ao seu objetivo,
considerando a rota mais rápida e com menos perda de pacotes.
As distâncias entre os pontos de roteamento da rede Mesh podem alcançar até 7 km com visada direta, sendo
que existe a possibilidade de se alcançar distâncias maiores através de antenas com ganhos e direcionamento
específicos. No caso de obstruções deverá ser analisada a propagação do sinal no ambiente, por exemplo,
frente à barreiras o sinal sofre uma atenuação e é refletido para outras direções. Para um conjunto de árvores
o sinal poderá ser parcialmente filtrado. Devido à robustez da tecnologia de transmissão utilizada pelo
sistema pôde-se comprovar que o sinal atravessa camadas espessas de concreto, permitindo controle,
supervisão e monitoramento em tempo real menos susceptível às interferências.
Figura 7 - Rede Mesh
Esta estrutura possibilita à Central de Operação através da automação pelo sistema SCADA, executar
remotamente a abertura e fechamento do protetor, bem como status de operação e medição em tempo real
(corrente e tensão de malha e transformador). Essa topologia poderá ser vista na figura 8), mini reticulado
instalado em 2011, como piloto de automação. Os mesmos dados são disponibilizados, através de rede
Intranet para todos os usuários da rede subterrânea (equipes de manutenção, técnicos de planejamento e
engenheiros), através de senha especifica e sem a opção de telecomando para segurança do sistema.
Quando a temperatura e pressão do transformador estiverem fora dos limites estabelecidos pela engenharia,
bem como nos critérios de manutenção preventiva, sinalizou os devidos alarmes para Central de Operações.
A monitoração de grandezas elétricas foi fornecida através do relé digital.
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[
Figura 8 – Tela do Sistema Scada de automação de câmaras transformadoras
3. Fases do projeto
3.1Instalações dos equipamentos nas câmaras subterrâneas
3.1.1Processo de industrialização e testes funcionais do painel
Após fabricação, todo painel de automação passa pelas seguintes etapas:
Montagem mecânica;
Montagem dos conectores;
Montagem dos componentes;
Montagem elétrica;
Instalação do rádio mesh;
Testes funcionais de energização;
Testes funcionais da bateria;
Testes de submersibilidade em tanques durante 24 horas.
3.1.2Preparação da Câmara Transformadora
Antes da instalação dos equipamentos, uma equipe de manutenção da regional faz a substituição do rele
eletromecânico por digital no protetor e a adaptação para conexão com a caixa de Automação, ou seja,
realiza a instalação de conectores especiais garantindo o grau de proteção IP68 do protetor de rede
subterrânea (Figura 9), para que o estado de aberto e fechado do protetor, e rede de comunicação seja
interligado com o painel.
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Figura 9- Preparação do protetor
3.1.3Instalações dos painéis e sensores nas câmaras subterrâneas
Em cada câmara foi instalado um painel de automação submersível, 2 bóias de água, 1 sensor de presença
magnético, e interligado o painel de automação com o protetor e sensores da câmara através de cabos de
controle, para a realização da aquisição das informações de supervisão, controle remoto para a Unidade de
Controle. Foi necessário o lançamento de cabos e controle entre um conjunto de três ou mais câmaras para
interligação da rede de par trançado.
3.2Instalações dos equipamentos de comunicação da rede mesh
3.2.1Design da Rede RF Mesh
O design da rede RF Mesh consiste no projeto da infraestrutura necessária para a comunicação entre os
equipamentos de supervisão e monitoramento instalados nas CTs e o COD, para tanto é avaliado tanto a
localização geográfica dos rádios, quanto á qualidade do enlace RF entre os nós da rede, além do estudo do
fluxo de dados no sistema no intuito de prever gargalos de comunicação que venham a interferir no
desempenho da rede RF Mesh. A seguir constam as principais etapas que constituem o Design da rede RF
Mesh, Análise geral dos tipos de End Devices, características únicas e particularidades na instalação possam
interferir na comunicação RF Mesh:
Georreferenciamento das CTs, subestações e postes da Eletropaulo ou Iluminação Pública;
Análise da dispersão dos rádios no sistema;
Análise geográfica da região: topologia, terreno, etc;
Análise da cobertura dos rádios;
Análise da visada entre os rádios e detecção de possíveis obstruções pontuais;
Análise do fluxo de dados;
Estudo da propagação do sinal RF;
Estudo do backhaul
Configuração dos rádios.
O Design da rede RF Mesh se fez necessário para determinar casos de redundância e contingência no
sistema, avaliando a característica self healing da rede, capacidade de comunicação frente a diferentes tipos
de obstruções, assim como se certificar que o dimensionamento dos rádios foi suficiente para atender o fluxo
de dados esperado, mesmo para casos de falta e restauração de energia onde vários rádios tendem a reportar
a mesma mensagem simultaneamente – “Last Gasp”, para tanto, o sistema possui a característica de
gerenciamento de avalanche de dados.
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3.2.2 Instalação dos rádios: Repetidor Wangate e IP radio
Os rádios Wangate versão 4 compreendem a instalação da infraestrutura aérea responsável pelo enlace com a
CT Master e transporte dos dados até o rádio IP do sistema, devido ao seu invólucro projetado para
instalações outdoor, o rádio pode ser posicionado diretamente no poste da AES Eletropaulo ou Iluminação
Pública (Figura 10) sem a necessidade de proteção especial, além de possuir bateria que garante a autonomia
do equipamento por até 8 horas interruptas.
O Wangate possui porta RS-232/485 para comunicação e configuração. O radio Wangate possui alimentação
em 120/240VAC.
O papel de Head End do sistema é desempenhado pelo rádio modelo IP radio que possui interface Ethernet
permitindo conexão single socket com o barramento TCP/IP da distribuidora, e, dessa maneira, através da
Intranet disponível realizar troca de mensagens com a plataforma SCADA slave da Eletropaulo, Areva eterra control, além de estar diretamente conectado na estação slave do SCADA Center, ambos instalados em
cada subestação da AESEletropaulo
Figura 10- Instalação do Rádio repetidor Wangate
3.2Comissionamento
A primeira etapa do comissionamento foi a realização da integração da comunicação com o Sistema Scada.
São realizados os testes de sinalização dos sensores, o telecomando de abertura e fechamento do protetor e
integridade da medição operativa.
3. Conclusões
4. Conclusões
Concluímos que esse projeto trouxe os seguintes benefícios para a AESEletropaulo:
Melhoria no gerenciamento da indisponibilidade, o aumento de eficiência da manutenção, melhoria no
planejamento e otimização do investimento na compra de novos equipamentos para rede;
Telecomando com manobra no protetor;
O monitoramento em tempo real do sistema reticulado, possuindo registros de eventos e eliminar a
interrupção total do sistema em casos de 2ª contingências;
Segurança patrimonial, a identificação da invasão de câmaras com intuito de furto de cabos e
equipamentos;
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Observação dos níveis de demanda de cada transformador fornecendo informações para analise de
perdas comerciais (furto de energia);
Identificação de falhas através da analise das curvas de tensão e corrente do sistema;
Controle de infiltração de água e efluentes na câmara. Tais problemas causam sérios danos aos
equipamentos e também, durante as ocorrências, perde-se aproximadamente 1 hora para esgotar cada
câmara.
Com a automação será possível, por exemplo, acompanhar equipamentos de determinada região que
eventualmente estão subutilizadas, com cargas muito abaixo da nominal. Com tal constatação, será possível
o uso mais racional destes recursos, como a possibilidade de manejo do conjunto transformador/protetor para
outra localidade mais carregada e de menor capacidade instalada. Conseqüentemente, ocorre o alivio das
unidades que estão em utilização acima de sua capacidade nominal, o que acaba se tornando uma otimização
do parque já instalado.
No médio prazo, podemos destacar o gerenciamento de ativos do sistema automatizado.
Um
gerenciamento de ativo procura garantir uma maior disponibilidade dos equipamentos, reduzir os custos de
manutenção e a diminuição da variabilidade do processo. É possível analisar o desempenho dos
equipamentos, preverem problemas e melhorar o planejamento estratégico.
5. Lições aprendidas
Prensa cabos: Verificou-se através de testes de submersão que os prensa-cabos não seriam a melhor
interface entre o painel e os equipamentos da câmaras, pois permitiu a entrada de água no interior do
painel;
Conectores macho-femea do painel: Baseado em testes de submersão verificou-se a eficácia dos
conectores. Foram realizados ensaios de entrada de pó e entrada de água, onde o interior do painel
permaneceu sem alterações;
Bateria: Inicialmente iríamos instalar as baterias de chumbo-ácido, mas durante os testes de
performance do equipamento percebemos a emissão de gases, não compatível com as características
com ambiente confinado. Assim, após pesquisas e testes, optamos pela bateria de Íon-Litio, que tem o
dobro da capacidade e são bem mais leves;
Painel de automação submersível: O painel em aço inox com conectores superou as expectativas nos
inúmeros testes de submersão que realizamos para instalação do projeto piloto, conseguimos construir
um painel que fosse capaz de ficar instalado submerso na água, esgoto e umidade presente nas
câmaras subterrâneas. O painel foi dimensionado na medida de 57cm, tamanho da tampa de acesso de
pessoal, se não fosse assim teríamos que abrir o tampão de concentrador por onde é a entrada e saída
do transformador, o que acarretaria inúmeros problemas de logística como interrupção do trânsito, a
programação de guincho e outros que impactaria no tempo de execução do projeto. O tempo de
manutenção previsto foi reduzido, já o painel tem somente oito parafusos de abertura da tampa, que é
facilmente removida em caso de defeito de equipamento dentro do painel com, por exemplo, um
disjuntor desarmado. O conceito de plug-play do projeto do painel também contribui, pois se houver
algum problema grave no painel de automação, é facilmente substituído por outro, só desconectando
os conectores do painel danificado e conectando no painel novo;
Instalação dos rádios repetidores mesh: Após estudos de relevo para instalação da rede mesh de rádio,
houve a necessidade de instalação dos rádios próximos as câmaras que estão supervisionadas, porém
com característica padrão em áreas onde se concentram o fornecimento de energia através de
instalações subterrâneas não há postes como acontece em áreas de distribuição de energia aérea.
Porém, nestas regiões haviam postes instalados pela Polícia Militar para instalações de câmeras de
monitoração de ruas e entornos. A ligação para energização na época de instalação desses postes
foram realizadas pelas equipes da AESEletropaulo. Em uma ação conjunta entre as áreas da
AESEletropaulo e Policia Militar a solicitação de compartilhamento da energia e instalação do rádio
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no poste, explicando os objetivos do projeto, sendo deferida pela Policia Militar;
4. Referências bibliográficas
Referências bibliográficas e/ou bibliografia
Apostila – Protetor Network Eaton – Módulo Básico.
Apostila – Protetor Network Eaton – Módulo Intermediário.
Apostila – GridStream RF Mesh – LandisGyr 102003730
Manuais dos fabricantes: GE e Westhinghouse.
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