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Smart Solutions for Smart Grids

Resumen

Los activos de alta tensión de subestaciones, como transformadores y reactores, son de fundamental importancia para la operación segura y continuidad del suministro de energía eléctrica. Con eso, los sistemas de monitoreo online han sido utilizados buscando mayor confiabilidad y disponibilidad de esos equipos, simultáneamente a la reducción de costos. Eletrobras Eletrosul inició en 2001 la implantación del monitoreo online para transformadores de potencia con el sistema Sigma. Ese trabajo presenta el historial de implantación del sistema de monitoreo Sigma en Eletrobras Eletrosul, así como su evolución a lo largo del tiempo, además de los resultados obtenidos y los beneficios logrados por los perfeccionamientos del sistema.

Autores

Eletrobras Eletrosul Cláudio Severino
Eletrobras Eletrosul Pedro Peroni
Eletrobras Eletrosul Francisco Zacarias Peroni
Eletrobras Eletrosul Giuliano Pereira
Treetech Sistemas Digitais Ltda. Marcos E. G. Alves
Treetech Sistemas Digitais Ltda. Luís Lopes

1.0 - INTRODUCCIÓN

Los equipos de alta tensión de subestaciones, tales como transformadores de potencia, reactores de derivación, transformadores de corriente, transformadores de potencial capacitivos, disyuntores de alta tensión y seccionadores, son los activos de producción de las concesionarias de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica y, como tal, son de fundamental importancia para la operación segura y la continuidad del suministro de energía eléctrica. Cuando operados en condiciones adecuadas y administrados de manera precisa, esos activos se vuelven uno de los principales factores de eficiencia operacional, económica y de competitividad de las concesionarias del sector.

Con el objetivo de garantizar mayor confiabilidad y disponibilidad de esos equipos, simultáneamente a la reducción de costos de operación y mantenimiento y aumento de la eficiencia del mantenimiento, los sistemas para monitoreo y diagnóstico online del estado de los activos se han diseminado en la última década, proporcionando una herramienta para la migración del mantenimiento preventivo para el predictivo y para la filosofía de mantenimiento centrado en la confiabilidad [1] [2].

Gran destaque ha sido dado a los transformadores de potencia y reactores de derivación, visto que son considerados los principales activos de una subestación, por ser equipos esenciales para la generación y transmisión de energía eléctrica, por sus elevados costos de reposición y largos tiempos de fabricación.

Este trabajo presenta un breve historial de la implantación y evolución de esos sistemas en Eletrobras Eletrosul y los resultados obtenidos.

2.0 - IMPLANTACIÓN DEL MONITOREO ONLINE DE TRANSFORMADORES EN ELETROSUL

En el contexto presentado arriba, y como empresa con tradición en la utilización de tecnologías innovadoras y referencia en buenas prácticas de gestión de activos, Eletrobras Eletrosul inició en 2001 la implantación del monitoreo online para transformadores de potencia, buscando alcanzar los siguientes objetivos generales:

  • Diagnósticos online del estado de los equipos de alta tensión;
  • Reducción del riesgo de fallas;
  • Control y extensión de la vida útil;
  • Migración para el mantenimiento predictivo;
  • Reducción de los costos de mantenimiento;
  • Aumento de disponibilidad de los equipos en el sistema;
  • Reducción de los costos por indisponibilidad de los equipos;
  • Uso optimizado de los activos;
  • Mejor negociación de premios de seguros;
  • Preservación de la imagen corporativa.

La implantación empezó por los dos transformadores trifásicos de 230/138 kV 150 MVA con conmutadores bajo carga de la subestación de Itajaí [3], mostrados en la figura 1, donde fue instalado el sistema Sigma de Treetech, cuya arquitectura básica es mostrada en la figura 2.

eletrosul_imagem1

Figura 1 – Primeros transformadores monitoreados en la SE Itajaí, 138/13,8 kV 150 MVA

eletrosul_imagem2_esp

Figura 2 – Arquitectura original del sistema de monitoreo online implantado en la SE Itajaí

Las principales características de esa solución, observadas en la figura 2, son:

  • Utilización de arquitectura descentralizada, con sensores del tipo IED, eliminando la necesidad de un elemento centralizador (CLP u otro) en el cuerpo del transformador [4] [5];
  • Sensores del tipo IED proyectados y probados específicamente para el ambiente de patio de subestación, garantizando la confiabilidad y durabilidad del sistema [4] [5];
  • Comunicación de los sensores IEDs con el servidor de monitoreo tipo RS-485, medio físico par trenzado blindado;
  • Conversión del medio de comunicación de RS-485 a RS-232 para conexión al servidor de monitoreo;
  • Utilización de un servidor de monitoreo independiente en la sala de control de cada subestación;
  • Conexión del servidor de monitoreo a la red corporativa (intranet) de Eletrosul, para permitir el acceso remoto de los usuarios al sistema de monitoreo;
  • Instalación de un software de visualización remoto en la computadora de cada usuario remoto, el cual se conecta al servidor de monitoreo.

Las variables monitoreadas, según la especificación técnica de Eletrosul, son mostradas en la tabla 1 [3].

Variables monitoreadas en los transformadores de la SE Itajaí, conforme especificación de Eletrosul

VariableSensor
Temperatura del tope del aceiteMonitor de Temperatura
Temperatura de los devanados (hot-spot)
Temperatura ambiente
Temperatura del aceite en la llave de carga del conmutador bajo carga
Porcentuales de carga
Temperatura del aceite en la parte inferior del tanqueMonitor de Temperatura
Capacitancia del aislamientoMonitor de Bushings
Tangente delta del aislamiento
Gases disueltos en el aceiteMonitor de gas
Cantidad de agua disuelta en el aceite en el transformadorMonitor de humedad
Cantidad de agua disuelta en el aceite en el conmutadorMonitor de humedad
Ruptura de la membrana/bolsa del tanque de expansiónRelé de rotura de membrana/bolsa
Tensiones de líneaTransductor digital
Corrientes de línea
Tensiones de los ventiladores/bombasTransductor digital
Corrientes de los ventiladores/bombas
Tensiones del motor del conmutador bajo cargaTransductor digital
Corrientes del motor del conmutador bajo carga
Posición de tap del conmutador bajo cargaIndicador de posición de tap
Etapas de enfriamiento on/offMódulo de adquisición de datos
Tiempo de operación del conmutador
Contactos de alarma:
- Relé Buchholz;
- Válvula de alivio de presión;
- Nivel de aceite, etc.

Con esas variables, el software Sigma efectúa el tratamiento de los datos para la obtención de informaciones útiles para el diagnóstico y pronóstico del estado de los transformadores. Las funciones de ingeniería, compuestas por modelos matemáticos y algoritmos que efectúan el tratamiento de los datos, son mostradas en la tabla 2 [3].

Modelos de ingeniería para diagnóstico y pronóstico del estado de los transformadores

Modelo de ingenieríaDiagnósticos y pronósticos
Vida útil del aislamientoVida útil restante del aislamiento (%)
Tendencia de pérdida de vida del aislamiento (%/día)
Tiempo de vida restante del aislamiento (años)
Previsión de gradiente final de temperaturaTemperatura futura del hot-spot después de la estabilización
Tiempo para alcanzar temperatura de alarma
Tiempo para alcanzar temperatura de desconexión
Gases en el aceiteTendencia de evolución del gas en el aceite (principalmente H2)
Alarmas por tendencia de evolución y concentraciones de gas altas o muy altas
Cromatografía/Físico-químicoLaudo de ensayos de gas-cromatografía offline
Laudo de ensayos físico-químicos offline
Humedad en el aceite y en el papelSellado del transformador – ruptura de la bolsa de goma del tanque de expansión
Cantidad de agua en el aceite (ppm)
Tendencia de evolución del contenido de agua (ppm/día)
Cantidad de agua en el papel (% de la masa seca)
Factor de aceleración de la pérdida de vida del aislamiento por hidrólisis
Temperatura de formación de burbujas/ampollasTemperatura de formación de burbujas/ampollas
Temperatura de formación de agua libre
Eficiencia del enfriamientoTemperatura del tope del aceite calculada
Diferencia entre temperaturas medida y calculada
Eficiencia del sistema de enfriamiento
Diferencial de temperatura del conmutadorDiferencial de temperatura instantáneo
Diferencial de temperatura filtrado
Alarmas por diferenciales de temperatura elevados
Torque y tiempo de operación del motor del conmutadorTorque máximo del motor en cada región de la conmutación
Tiempo de operación del mecanismo del conmutador
Alarmas por valores de torque y tiempo de operación fuera de los patrones
Asistente de mantenimiento del conmutadorNúmero de operaciones del conmutador
Suma de la corriente conmutada
Tiempo de servicio del conmutador
Previsión de tiempo restante para mantenimiento del conmutador
Avisos con antecedencia para mantenimiento del conmutador
Asistente de mantenimiento de la ventilación forzadaTiempo de operación de los grupos de ventilación, total y después del último mantenimiento
Previsión de tiempo restante para mantenimiento de la ventilación
Avisos con antecedencia para mantenimiento de la ventilación

Posteriormente, esa misma solución fue expandida para otros 27 (veinte y siete) transformadores y reactores de la empresa. La tabla 3 lista los equipos monitoreados.

Sistemas de monitoreo online Sigma implantados en Eletrosul

SubestaciónTransformersReactoresTensión (kV)Potencia
Itajaí30230/138 - 13,8150MVA
Siderópolis10230/69 - 13,888MVA
Xanxerê20230/138 - 13,8150MVA
Campos Novos60525/230 - 13,8224MVA
Biguaçu20230/138 - 13,8150MVA
Gravataí III40230/69 - 13,855MVA
Nova Santa Rita30525/230 - 13,8224MVA
Santo Ângelo33525/230 - 13,8
550 (reactor)
224MVA
54MVAr
Dourados10230/138 - 13,875MVA

3.0 - EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE MONITOREO ONLINE

Como es natural, por tratarse, en la época del inicio de implantación (2001), de una tecnología reciente, el sistema Sigma sufrió un proceso de evolución, en el cual Eletrobras Eletrosul tuvo un importante papel al interaccionar en los nuevos desarrollos, perfeccionamientos y customizaciones realizados en el sistema.

En ese proceso, el sistema fue sometido a customizaciones para atender a las necesidades específicas de Eletrobras Eletrosul, como, por ejemplo, la inclusión de un algoritmo de diagnóstico por gas-cromatografía propietario de la empresa, así como perfeccionamientos para facilitar la usabilidad del sistema. A seguir son presentados algunos ejemplos de la evolución del sistema.

3.1 - Customización con método de diagnóstico de DGA de Eletrosul

El análisis de resultados de ensayos de gas-cromatografía es realizado en Eletrosul utilizando una metodología propietaria, desarrollada en función de la experiencia de la empresa con esa técnica. Debido a que el software de monitoreo tiene la característica de ser abierto, éste permite el incremento de nuevas funciones de monitoreo del usuario, lo que fue efectuado entonces con esa técnica de análisis de gas-cromatografía propietaria de Eletrosul.

3.2 - Expansiones del sistema

Aprovechando las características de modularidad y expansibilidad del sistema Sigma, y por ser un sistema abierto, éste sufrió expansiones para incremento de sensores.

Inicialmente fueron agregados al sistema los sensores IED para monitoreo online de capacitancia y tangente delta de los bushings, visto que esos sensores fueron instalados en el transformador en una segunda etapa.

Posteriormente, fueron agregados al sistema de monitoreo diversos sensores online de gases disueltos en el aceite (básicamente H2) que ya existían en el parque de Eletrosul. También en ese caso se aprovechó el hecho del sistema ser abierto para el desarrollo de un driver de comunicación específico para esos sensores, que utilizaban protocolo de comunicación propietario del fabricante. Como los sensores se encontraban en otras subestaciones de la empresa, fue utilizada la red intranet de Eletrosul para transitar los datos de esos sensores hasta el servidor de monitoreo, en la sala de control de la SE Itajaí.

3.3 - Envío de alertas por email

Para evitar la necesidad de supervisión continua del sistema por un operador, fue agregada al sistema la posibilidad de envío automático de emails para direcciones previamente registradas. De esa forma, se evita el gasto de tiempo de la ingeniería de mantenimiento cuando no hay diagnósticos de problemas.

3.4 - Upgrade con tecnologías Web 2.0

Como explicado en el ítem 2.0, el sistema inicialmente implantado en Eletrosul utilizaba para acceso remoto a los datos un software visualizador, que debía ser instalado en la computadora remota de cada usuario.

Esa solución, aunque funcionalmente perfecta, presentaba algunos inconvenientes, como la limitación de acceso al sistema solamente a partir de computadoras previamente preparadas, el gasto de tiempo del personal de TI para la instalación del software visualizador para los usuarios y también para las actualizaciones, cuando necesario.

Para evitar esos inconvenientes, y en sintonía con las más modernas tendencias de cloud-computing, en que los aplicativos son ejecutados apenas en los servidores remotos, utilizando como interfaz local apenas el navegador de internet (browser), la interfaz del sistema de monitoreo Sigma fue actualizada para el empleo de las tecnologías denominadas Web 2.0.

Con eso, dejó de existir la necesidad de instalación de un software específico en las computadoras de los usuarios, que pasaron a utilizar solamente el navegador de internet ya existente. De esa forma, cualesquiera actualizaciones efectuadas en el sistema se restringen a los servidores de monitoreo, no afectando las computadoras de los usuarios, y el acceso al sistema se vuelve posible a partir de cualquier computadora en la red intranet de Eletrosul, desde que el usuario tenga su login y contraseña.

La seguridad do acceso al sistema puede ser mantenida a través del uso del protocolo de conexión cifrada HTTPS, además de la exigencia de login y contraseña para acceso.

3.5 - Comunicación sin cable con los sensores

Con el objetivo de reducir el costo y facilitar la instalación de los sistemas de monitoreo, la viabilidad de utilización de comunicación sin cable entre los sensores en el transformador y la sala de control de la subestación fue verificada a través de un piloto en la SE Santo Ángelo, por ocasión de la implantación del sistema en un banco de transformadores, con la utilización del patrón Wi-Fi. Fueron integrados sensores de gas ya existentes, juntamente con nuevos monitores de capacitancia y tangente delta de los bushings. Los datos son transmitidos directamente a un router, conectado a la red corporativa y requeridos en el software Sigma4.

El desempeño de la aplicación se mostró plenamente satisfactorio, demostrando la viabilidad de uso de esa tecnología, con gran potencial para reducción de costos y del tiempo de instalación.

3.6 - Incremento de modelo de ingeniería

La arquitectura abierta y modular del sistema de monitoreo permitió también la inclusión de un nuevo ítem de ingeniería, para simulación de carga. La simulación es posible de dos modos:

  • Basado en las condiciones actuales de carga en temperatura, con el usuario introduciendo apenas el nuevo valor de carga hipotético;
  • Basado en curvas hipotéticas de evolución de carga y temperatura ambiente en un período de 24h.

En ambos modos el usuario puede verificar las consecuencias de situaciones hipotéticas en términos de temperaturas alcanzadas y pérdida de vida útil relacionada, pudiendo comparar la máxima temperatura que sería alcanzada con la temperatura de formación de ampollas/burbujas debido a la humedad, también calculada por el software de monitoreo. En todas las simulaciones el usuario puede modificar el modo de comando del enfriamiento (automático o manual) y las temperaturas para accionamiento e histéresis del enfriamiento.

3.7 - Conectividad con otros sistemas

La evolución de los sistemas de monitoreo Sigma les brindó la capacidad de cambio de datos con otros sistemas existentes en Eletrosul, tales como el sistema supervisorio SAGE.

Esa conectividad es posible a través de diferentes métodos, seleccionados según la necesidad y conveniencia de la aplicación. Ejemplos de posibilidades son: bancos de datos SQL o en otros patrones, OPC, web services, protocolos de comunicación abiertos (por ejemplo, Modbus, DNP 3.0, TCP/IP), entre otros.

4.0 - RESULTADOS

La utilización de sistemas de monitoreo online de transformadores y reactores presenta diversas características que pueden traer beneficios para el mantenimiento de esos equipos, como la reducción de riesgo de fallas catastróficas, el control y la extensión de la vida útil, la migración del mantenimiento preventivo para el predictivo, con consecuente aumento de disponibilidad de los equipos y reducción de los costos por indisponibilidad y reducción de los costos de mantenimiento, entre otros.

Aún así, el sistema de monitoreo se presenta como una herramienta útil no apenas para la ingeniería de mantenimiento, como también para la operación y planificación, gracias a las funciones de simulación de carga y previsión de temperatura futura en función de la carga actual, asociadas a los diagnósticos de estado del equipo, que proveen indicación del riesgo de utilización del equipo en sobrecarga, por ejemplo.

Otro ejemplo de utilidad del sistema de monitoreo pudo ser observado a partir de la falla de un bushing de 245 kV en la SE Santo Ángelo. En ese caso, la evolución del defecto en el bushing se dio de forma extremamente rápida, no dejando tiempo para la retirada de operación antes de la falla, diferente de lo que se espera normalmente para los defectos en bushings [6]. Aún así, la presencia del sistema de monitoreo con el almacenamiento de mediciones en bancos de datos permitió el análisis posterior de la ocurrencia, llevando a conclusiones que serían imposibles sin el sistema de monitoreo – como el hecho de la evolución del defecto haber ocurrido de forma muy rápida.

Con eso, el sistema de monitoreo permitió el aumento del conocimiento a respecto de la evolución de ese tipo de defecto, así como el perfeccionamiento del propio sistema y de los procedimientos en casos de ese tipo.

5.0 - CONCLUSIONES

Este trabajo presentó el historial de implantación, ampliación, customización y operación de los sistemas de monitoreo Sigma en Eletrobras Eletrosul, así como su evolución a lo largo del tiempo, incluyendo las arquitecturas utilizadas para el sensoriamento de los equipos, las arquitecturas para transmisión de datos, los medios de comunicación y las interfaces de los usuarios.

Fueron presentados aún los resultados obtenidos y los beneficios logrados por las evoluciones y los perfeccionamientos del sistema a lo largo del tempo, permitidos en gran parte por la arquitectura abierta, descentralizada y modular del Sigma.

Considerando la importancia de los transformadores y reactores en el parque de Eletrosul para el SIN, la implantación del sistema de monitoreo online para esos equipos, así como la posibilidad de evolución del sistema y de sus usos a lo largo del tiempo, es de gran importancia para el aumento de la confiabilidad del sistema eléctrico y continuidad del suministro, además de contribuir para reducciones de costo que contribuyen para la modicidad tarifaria.

6.0 - REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

  1. 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.
  2. Alves, Marcos, “Sistema de Monitoração On-Line de Transformadores de Potência”, Revista Eletricidade Moderna, Maio/2004.
  3. Alves, Marcos, “Field Experience with On-Line Monitoring of Two 150MVA 230kV Transformers with On-Load Tap Changers”, Cigre SC A3 International Technical Colloquium, September/2007.
  4. Vasconcellos, M. Alves, “Especificação de Sistemas de Monitoração On-line para Transformadores de Potência Baseados em uma Arquitetura Descentralizada”, V Workspot, Brasil, Abril 2008.
  5. Lavieri Jr., Arthur, Hering, Ricardo, “Novos Conceitos em Sistemas de Energia de Alta Confiabilidade”, Encarte Especial Siemens Energia, http:// mediaibox.siemens.com.br/upfiles/232.pdf, Janeiro/2001.
  6. 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.
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