Aplicação de Novos Disjuntores de Poste em Centrais Hidroelétricas de Pequeno Porte em Áreas Montanhosas

A micro-hidrelétrica refere-se a estações de energia com capacidade instalada unitária inferior a 50.000 kV. A integração da micro-hidrelétrica na rede de distribuição altera a topologia do sistema e a direção do fluxo de energia. A literatura analisou e discutiu os desafios na regulação de regiões ricas em micro-hidrelétricas, estudou estratégias de recolocação para linhas de rede de distribuição com micro-hidrelétricas e propôs um novo tipo de dispositivo automático de desconexão segura para micro-hidrelétricas.

​1 Situação Atual das Micro-Hidrelétricas em Áreas Montanhosas​
A área total é de 45.385 km², sendo que o terreno montanhoso representa 98,3% da região. Existem 58 estações de micro-hidrelétricas com uma capacidade instalada total de 41,45 MW, a maioria das quais tem uma capacidade instalada inferior a 1 MW. Estas estações estão amplamente distribuídas e sofrem de más condições de comunicação.

Devido à sua idade, as estações utilizam principalmente equipamentos de controle mecânicos e carecem de dispositivos de automação. A maioria dos medidores de portão são medidores de pulso, dependendo da leitura manual sem capacidades de transmissão remota. Os dispositivos de proteção de controle e equipamentos de sincronização carecem de interfaces de comunicação, necessitando de relatórios manuais de dados operacionais aos despachantes por telefone.

As linhas de 10 kV das subestações de 35 kV da rede frequentemente operam em modo híbrido, onde a micro-hidrelétrica e o consumo de carga coexistem. O lado de alta tensão do transformador principal da estação utiliza fusíveis de queda, que são simples em estrutura e conectados às linhas de conexão de 10 kV através de conexões T.

​2 Análise de Problemas​
​2.1 Impacto na Ativação de Dispositivos de Controle Automático de Linha​
Em redes de distribuição ativas, após o disjuntor de saída da subestação saltar, as estações de micro-hidrelétrica podem continuar a fornecer energia ao ponto de falha, impedindo a extinção do arco de falha e reduzindo a taxa de sucesso de recolocação. Se os recursos de energia distribuída (DER) permanecerem conectados durante a recolocação, pode ocorrer fechamento assíncrono, resultando em correntes de inrush que podem causar falha de recolocação e danificar as unidades de micro-hidrelétrica.

Algumas usinas de energia conectadas à rede de 10 kV carecem de proteção de desconexão por baixa tensão tanto para a proteção da linha conectada à rede quanto para a proteção do gerador, não atendendo aos requisitos de operação da rede. Isso afeta severamente o fornecimento seguro e confiável de energia da rede e a vida útil operacional dos geradores.

Quando ocorre uma falha no canal de conexão à rede de uma estação de micro-hidrelétrica, o gerador não consegue se desconectar rapidamente após a limpeza da falha do lado do sistema. Isso pode levar a uma reconexão assíncrona à rede após a ação de recolocação da linha do lado do sistema, impedindo a ativação da recolocação do lado do sistema e causando interrupções desnecessárias de energia para os usuários de transformadores públicos, resultando em impacto social negativo significativo.

Assim, quando ocorre uma falha no canal de conexão à rede, a incapacidade do gerador de se desconectar rapidamente afeta severamente o fornecimento seguro e confiável de energia da rede e pode causar reconexão assíncrona à rede.

​2.2 Transmissão Incompleta de Informações de Despacho​
Com base em pesquisas de campo, a maioria das estações de micro-hidrelétrica está localizada em áreas montanhosas, distantes das subestações centrais da rede. Instalar cabos de fibra ótica dedicados através de florestas seria caro e pouco confiável. A atualização de equipamentos de automação e a transmissão de dados via redes privadas sem fio seguras após avaliações de cibersegurança também requer investimento significativo. Além disso, a maioria das pequenas usinas hidrelétricas tem capacidade limitada e baixo benefício de geração de energia, reduzindo o incentivo para atualizações. As limitações do canal de comunicação resultam em informações incompletas enviadas ao centro de despacho.

No entanto, a incapacidade de transmitir dados operacionais em tempo real para o centro de despacho regional afeta a análise da rede pelos despachantes e a confiabilidade dos transformadores de distribuição de 10 kV nas linhas conectadas à rede. A plataforma de despacho será forçada a operar cegamente para as estações de micro-hidrelétrica por períodos prolongados, comprometendo a operação segura da rede regional.

​3 Soluções​
​3.1 Visão Geral da Solução​
Para alcançar o monitoramento eficaz e a aquisição de dados para as unidades de micro-hidrelétrica e melhorar a segurança e confiabilidade da rede, os fusíveis de queda no lado de alta tensão dos transformadores principais são substituídos por novos disjuntores de vácuo montados em poste equipados com sensores eletrônicos de alta precisão. Esses são pareados com Terminais de Automação de Alimentadores (FTUs) com funções de sinalização remota, telemetria, controle remoto e desconexão automática para coletar dados no ponto de conexão de 10 kV e estado dos interruptores.

Os medidores de pulso existentes de portão são substituídos por medidores trifásicos eletrônicos multifuncionais para coletar dados operacionais das unidades geradoras, que são transmitidos ao FTU via barramento de campo. O FTU está equipado com um módulo de criptografia vertical de dupla cartão. Os dados são criptografados de forma segura e enviados ao sistema de despacho integrado regional via um canal de rede sem fio público dedicado com forte cobertura de sinal.

Quando uma falha na linha de conexão à rede causa o salto do interruptor de saída da subestação, a proteção contra perda de tensão do FTU é ativada, e o disjuntor montado em poste se abre para desconectar a estação de micro-hidrelétrica da rede. A resincronização e reconexão ocorrem após a restauração do fornecimento de energia.

​3.2 Equipamento de Pacote de Automação Digital​
O pacote de automação digital inclui disjuntores montados em poste do tipo ZW32, disjuntores de isolamento duplo, transformadores de potência de tensão, e FTUs digitais. A unidade de disjuntor integra três sensores eletrônicos combinados (EVCT) e uma unidade digital local (ADMU).

A estrutura geral é compacta e leve, facilitando a instalação e manutenção. Em comparação com o software de monitoramento inteligente tradicional de equipamentos de detecção, este sistema permite que o software de monitoramento obtenha dados operacionais dos sistemas operacionais de 32 unidades. Captura simultaneamente tamanhos de arquivos de imagens de câmera e monitora se o software de detecção (pacote pequeno, pacote de barra, falta de barra na caixa, detecção de cinco rodas) está operando normalmente, junto com informações de dados de ação de rejeição. Manifestações específicas incluem:

• O software envia dados de imagem rejeitados para o console.
• O software envia todos os dados de imagem para o console.
• O software envia todos os dados estatísticos (incluindo marca, data, hora, informações da unidade, etc.) para o console.

Aproveitando o servidor intranet da fábrica, quando o software de monitoramento de equipamentos de detecção gera dados de informações de falha, esses são transmitidos para o servidor, acionando alarmes no local via servidor intranet da fábrica. Os dados de informações de falha também são alertados remotamente via PC e terminais móveis. Problemas como falhas de software, desconexões de câmera, falha de captura de imagens da câmera, sensores de detecção de pacote de cigarros falhando, falha em receber imagens de defeito e falhas de dispositivos de rejeição acionam pop-ups de aviso em interfaces de PC e móveis. A página de alarme exibe informações de falha do dispositivo, localização, hora de ocorrência e registros de tratamento.

​3.3 Implementação do Controle de Alerta de Qualidade do Produto​
Analisando os dados de detecção do equipamento, alertas antecipados são emitidos quando o número de pacotes de cigarro defeituosos excede os limites ou ocorrem frequências anormais de defeitos. A função de alerta de qualidade alerta o pessoal de manutenção para ajustar ou reparar partes relevantes do equipamento principal de produção, eliminando prontamente defeitos de qualidade e prevenindo o agravamento.

Os dados dos dispositivos de detecção de pacote pequeno, dispositivos de detecção de cinco rodas, dispositivos de detecção de falta de barra na caixa e dispositivos de detecção de pacote de barra são analisados com base em informações de nome de imagem de defeito de qualidade (incluindo a hora de ocorrência do defeito, quantidade de produtos defeituosos e localização da câmera onde o defeito foi detectado). Um alerta de defeito de produto é emitido quando a contagem de defeitos excede o limite de alerta.

Analisando o tempo e a quantidade de produtos defeituosos, a frequência de defeitos em um determinado período e as tendências a longo prazo podem ser analisadas estatisticamente. Isso fornece uma base para a gestão de avaliação de equipamentos, alertas oportunos para o pessoal de manutenção para ajustes e melhora a gestão científica de manutenção.

​3.4 Gestão Centralizada do Estado de Equipamentos de Detecção​
O pessoal de gestão de produção (pessoal de qualidade de processo, gestores de equipamentos) usa o sistema de monitoramento para comparar e analisar centralmente o estado operacional de dispositivos de detecção e situações de defeito de produto, alcançando a gestão centralizada do estado de equipamentos de detecção. O sistema de monitoramento de equipamentos de detecção pode exibir o estado operacional em tempo real, tendências de defeitos de qualidade e análise estatística de dados históricos para todos os equipamentos de detecção da fábrica, permitindo a gestão centralizada unificada de todos os equipamentos da fábrica.

Registros históricos de falhas abrangentes podem analisar a proporção de unidades defeituosas, tipos de falha, equipamentos defeituosos e horários de pico de falha. A gestão de manutenção planejada é implementada para unidades, tipos de falha e equipamentos com falhas frequentes para prevenir ocorrências.

​4 Conclusão​
Em resumo, o sistema de detecção de equipamentos na oficina de fabricação de cigarros de uma fábrica de tabaco requer monitoramento online em tempo real para garantir que o estado operacional dos dispositivos de detecção seja rastreado, fornecendo alarmes e localização de falhas. Isso reduz durante o processo de produção de pacotes de cigarro, garante operações de produção suaves e melhora a eficiência de produção.