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Smart Solutions for Smart Grids

Resumo

A energia elétrica é um insumo fundamental para a produção industrial da planta Johnson&Johnson em São José dos Campos-SP. Manter o parque elétrico funcionando corretamente sempre foi prioridade para as equipes de manutenção.

A subestação principal e, em especial, o transformador de entrada sempre tiveram um completo programa de manutenção preventiva e a constante atualização tecnológica para detecção antecipada de defeitos.

Com o intuito de promover maior confiabilidade e disponibilidade de planta, entre 2014 e 2015 foi implementado um sistema de monitoramento on-line deste transformador, composto por sensores e software, para o acompanhamento do estado de funcionamento do transformador dia a dia.

Neste trabalho serão descritas a arquitetura e as soluções empregadas no sistema, assim como as alterações na rotina de manutenção, a assertividade na resolução de eventuais problemas o ganho em segurança operacional dentro do complexo.

Autores

Johnson & Johnson Luiz B. S. Chacon
Treetech Sistemas Digitais Ltda. Murilo A. Toledo
Treetech Sistemas Digitais Ltda. Lucas Pavan Fritoli
Treetech Sistemas Digitais Ltda. Hirokazu T. B. Ito

1.0 - INTRODUÇÃO

A planta industrial da Johnson&Johnson em São José dos Campos-SP é responsável por fabricar os produtos de higiene e saúde pessoal, além de uma dedicada linha para o setor hospitalar. Dentro do processo produtivo, a energia elétrica é um insumo indispensável e sua eventual falta compromete a programação e pode causar grandes prejuízos a organização.

O abastecimento elétrico da planta é realizado por meio de uma subestação própria de 25 MVA de potência instalada, mostrada na Figura 01, e utilizando um único transformador de 88 kV – equipamento chave para continuidade do sistema de produção. Diante disso, todo o controle de manutenção corretiva e preventiva é rigoroso e realizado de acordo com as normas e boas práticas do setor.

A área de engenharia de infraestrutura é responsável por promover avanços tecnológicos no parque e assim, permitir a contínua expansão da planta com confiabilidade e segurança. Nesse contexto, foi definida a implementação dos conceitos da manutenção preditiva visando melhoria dos processos e gestão de ativos.

Esta foi permitida com a instalação de um sistema de monitoramento on-line do transformador para o acompanhamento do estado de operação deste. Envolvendo sensores, software e mudança dos planos de manutenção, a Johnson inova mais uma vez e mantém a tradição de líder tecnológica.

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Figura 1 – Subestação 88kV

2.0 - MONITORAMENTO ON-LINE PARA PREDIÇÃO DE FALHAS

A tecnologia de monitoramento on-line foi escolhida levando em consideração os seguintes critérios:

  • O diagnóstico do estado atual do transformador, de modo a fornecer subsídios à tomada de decisão quanto a mantê-lo ou não em operação – confiabilidade das instalações;
  • O prognóstico precoce de condições de falha em seus estágios iniciais de evolução, de modo a possibilitar a parada programada do equipamento para ações corretivas – disponibilidade de planta;
  • A monitoração das condições de operação do equipamento ao longo de toda sua vida, a fim de manter sob controle o processo de envelhecimento – gestão completa da vida útil;
  • A utilização do transformador em condições de sobrecarga ou condição de risco, porém com total conhecimento e controle das diversas variáveis envolvidas, sem incorrer em riscos excessivos – segurança operacional.

3.0 - FILOSOFIA IMPLANTADA

Para atender aos objetivos técnicos e financeiros propostos, a Johnson adotou as seguintes funcionalidades:

  1. Medição de Variáveis por sensores em arquitetura descentralizada

Sensores especialistas para medição das grandezas elétricas, mecânicas e químicas do transformador de potência, vide Tabela 01. Este estão comunicando via rede de comunicação RS485 em protocolo aberto Modbus com o software de monitoramento na sala de controle (arquitetura na Figura 02).

Sensor InteligenteEspecialidadeMeta
Monitor de TemperaturaFunções 26 e 49Proteger a máquina
Gestão térmica do transformadorTer o máximo de potência com o menor risco
Gestão do sistema de ventilaçãoGarantir as condições exigidas para mais potência na rede
Relé Regulador de TensãoFunção 90Regular corretamente a tensão em função da necessidade da empresa
Melhor qualidade de energiaFornecer a melhor faixa de tensão para atender a demanda da empresa
Gestão do desgaste do comutadorAntecipar-se a necessidade de intervenções corretivas no mecanismo do comutador
Monitor de BuchasAcompanhamento de capacitânciaAntecipar-se a falhas catastróficas (explosão);
Obter maior disponibilidade de planta preterindo aos testes off-line da manutenção preventiva
Acompanhamento de fator de potência
Acompanhamento de corrente de fuga
Monitor de Gás e UmidadeAcompanhamento da água no óleoManter o máximo de potência disponível para produção
Controlar a hora certa de realizar uma manutenção corretiva (tratamento de óleo)
Acompanhamento do H2 no óleoIdentificar em fase inicial falhas internas na máquina
Realizar um back-up dos ensaios preventivos de cromatografia
Monitor do Sistema de Respiro do transformadorManutenção da isolação do transformadorManter em níveis permitidos a umidade no tanque de conservação

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Figura 2 – Arquitetura implementada

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Figura 3 – Servidor de dados com o software de monitoramento on-line

2. Armazenamento das Medições

As medições realizadas pelos sensores inteligentes instalados no transformador são levadas a um servidor de dados instalado na sala de controle da subestação (como mostra a Figura 03).

Tudo o que é medido é gravado em bancos de dados históricos utilizando-se os meios considerados necessários para garantir a disponibilidade das informações (cópias de backup, espelhamento de discos, etc.). Dessa maneira, pode-se acompanhar o comportamento inteiro da vida monitorada do transformador.

A análise desse comportamento ao longo do tempo permitirá a engenharia Johnson identificar padrões e tendências; assim, definir planos de ações mais assertivos.

3. Tratamento das Informações

O sistema de monitoração provem informações que vão além dos dados “brutos” aquisitados dos equipamentos de medição, mostrados nas Figuras 04 a 07.

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Figura 4 – Painel de monitoramento

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Figura 5 – Monitores de Temperatura e Buchas

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Figura 6 – Regulador de Tensão e Supervisor de Paralelismo

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Figura 7 – Monitor de Gás e Umidade

O aproveitamento da capacidade de processamento do computador digital (Sistemas Especialistas), por meio de modelos matemáticos e lógicos, fornece os diagnósticos e prognósticos do estado de operação do transformador. A tradução do conhecimento que a engenharia possui a respeito da máquina em um software capaz de emular certos aspectos do comportamento da mesma. Desta forma, o sistema de monitoração contribui para a predição de condições adversas e a manutenção do conhecimento, que passa a não depender exclusivamente dos agentes humanos envolvidos.

Os modelos empregados na planta de São José dos Campos-SP foram:

A. Cálculo de envelhecimento da isolação

Envelhecimento da isolação por pirólise e hidrólise (NBR5416, IEC60076 e IEEE/ANSI C57.91)

– Controle do percentual de vida útil restante, perda de vida média diária e previsão de tempo de vida restante.

B. Cálculo do teor de água no óleo

Teor de água no óleo, com tendência de evolução e temperatura para formação de água livre

– Controle das restrições de carregamento

C. Cálculo do teor de água no papel

Percentual de água no papel, com cálculo de aceleração da perda de vida por hidrólise e cálculo da temperatura de formação de bolhas;

– Controle das restrições de carregamento

D. Cálculo de eficiência do sistema de resfriamento

A comparação entre a temperatura do topo do óleo calculada e a mesma temperatura medida

– Preservação do transformador a suportar todas as exigências de carregamento

E. Cálculo de temperaturas futuras

Previsão de temperaturas futuras, com indicação de tempos restantes para atingir níveis de alarme e desligamento, quando for o caso

– Planejamento de cortes sem alterar o plano de produção da planta

F. Cálculo off-line de cromatografia e físico-químico

Registro histórico e análise off-line de ensaios de gás-cromatografia e físico-químico no óleo

– Organização de ensaios e identificação precoce de defeitos internos

4. Disponibilização das Informações

Aproveitando as potencialidades do sistema de monitoramento automático, as informações são disponibilizadas  a todos os setores interessados da empresa (manutenção, operação, automação…) em acessos simultâneos e ilimitados – democratização das informações do transformador.

  1. Acesso local – efetuado do próprio servidor na sala de controle
  1. Acesso remoto via Intranet – efetuado de qualquer computador remoto conectado à rede Intranet da empresa

No conceito de “exceção”, o sistema é responsável por avisar anormalidades de comportamento do transformador, excluindo a necessidade de alguém dedicado 24h por dia ao sistema. Este auxilia o trabalho das equipe de manutenção no planejamento e execução dos trabalhos informando – via alarmes e e-mails – as situações críticas e que devem ser tratadas. Na Figura 08 observa-se a tela de identificação da ocorrência de forma visual e intuitiva.

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Figura 8 – Tela do software de monitoramento com o sistema de identificação visual de falhas no transformador

4.0 - CONCLUSÃO

As exigências de qualidade e respeito com o consumidor fazem com que a Johnson&Johnson constantemente busque inovações para tornar o processo de produção mais eficiente e confiável. A continuidade de modernizações da planta elétrica e a utilização do monitoramento on-line adere-se diretamente a política de manutenção preditiva adotada como padrão.

A ferramenta como auxílio na tomada de decisão já alterou os processos de manutenção bem como a relação entre necessidade técnica e exigências da produção fabril. Baseada na análise da evolução supervisionada de parâmetros significantes da deterioração do transformador de potência, a nova rotina permite melhor planejamento das intervenções corretivas.

De fato as equipes responsáveis por manter todo o sistema energizado tem os subsídios para agir de forma mais rápida, assertiva e com custos reduzidos.

5.0 - BIBLIOGRAFIA

  1. ELECTRA, “An International Survey on Failures in Large Power Transformers in Service”, Paris, CIGRE, Ref. no. 88, 1983.
  2. Amom, Jorge, Alves, Marcos, Vita, André, Kastrup Filho, Oscar, Ribeiro, Adolfo, et. al., “Sistema de Diagnósticos para o Monitoramento de Subestações de Alta Tensão e o Gerenciamento das Atividades de Manutenção: Integração e Aplicações”, X ERLAC – Encontro Regional Latinoamericano do CIGRÉ, Puerto Iguazu, Argentina, 2003.
  3. Melo, Marcos A. C., Alves, Marcos, “Experiência com Monitoração On-Line de Capacitância e Tangente Delta de Buchas Condensivas”, XIX SNPTEE – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica. Rio de Janeiro, Brasil, 2007.
  4. Alves, Marcos, Silva, Gilson, “Experiência de Campo com Monitoração On-Line de um Transformador 343MVA 230kV com 2 Comutadores sob Carga”, IV Workspot – Workshop on Power Transformers, Recife, Brasil, 2005.
  5. Alves, Marcos, Vasconcellos, Vagner, “Monitoramento da Umidade no Óleo Isolante de Transformadores de Potência Visando o Aumento da Confiabilidade Operativa”, V Workspot – Workshop on Power Transformers, Belém, Brasil, 2008.
  6. IEEE Guide for the Application of On-Line Monitoring to Liquid-Immersed Transformers – Draft 11
  7. Brasil (2014). Treetech Sistemas Digitais; SIGMA – Sistema Integrado de Gestão e Monitoramento de Ativos
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