FACULDADE DE TECNOLOGIA SENAI “ANCHIETA”
CURSOS DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS EMBARCADOS
DENIS BRUNO TAVARES DE QUEIROZ
FÁBIO HAMAZAKI
INTEGRAÇÃO DE SISTEMA DE PROTEÇÃO TÉRMICA DE
TRANSFORMADORES DO TIPO-SECO A INTERNET-IOT
SÃO PAULO
2022
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Monitoramento de transformadores de energia elétrica usando tecnologia IoT, Redação de Engenharia Eletrônica
Pesquisa sobre a aplicação da tecnologia IoT no monitoramento térmico de transformadores de energia elétrica. O objetivo é analisar a viabilidade de utilizar a IoT para estimar a vida útil do transformador com base em dados de temperatura em tempo real. O documento detalha o processo de integração da IoT com o sistema de proteção térmica, permitindo o acesso remoto aos valores de temperatura e o cálculo da expectativa de vida útil remanescente. Os resultados demonstram que a IoT se mostrou eficiente para armazenar, organizar e atualizar os dados de temperatura, possibilitando a estimativa em tempo real da vida útil do transformador.
Tipologia: Redação
2014
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FACULDADE DE TECNOLOGIA SENAI “ANCHIETA”
CURSOS DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS EMBARCADOS
DENIS BRUNO TAVARES DE QUEIROZ
FÁBIO HAMAZAKI
INTEGRAÇÃO DE SISTEMA DE PROTEÇÃO TÉRMICA DE
TRANSFORMADORES DO TIPO-SECO A INTERNET-IOT
SÃO PAULO
DENIS BRUNO TAVARES DE QUEIROZ
FÁBIO HAMAZAKI
INTEGRAÇÃO DE SISTEMA DE PROTEÇÃO TÉRMICA DE
TRANSFORMADORES DO TIPOSECO A INTERNET - IOT
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado a Faculdade de Tecnologia SENAI “Anchieta” como requisito parcial para obtenção do título de Especialista em Sistemas Embarcados. Orientador: Professor Dr. Leandro Poloni Dantas SÃO PAULO 2022
DENIS BRUNO TAVARES DE QUEIROZ
FÁBIO HAMAZAKI
INTEGRAÇÃO DE SISTEMA DE PROTEÇÃO TÉRMICA DE
TRANSFORMADORES DO TIPO-SECO A INTERNET-IOT
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado a Banca Examinadora como requisito parcial para obtenção do título de Especialista em Sistemas Embarcados.
Nome do aluno Orientador
Prof. Beltrano de Tal Banca examinadora
Prof. Me Fulano de Tal
Prof. Esp. Fulano de Tal São Paulo, _____ de ________________202 2.
Deus, pois somente Ele é fiel e justo.
“Caiam mil homens à tua esquerda e dez mil à tua direita, tu não serás atingindo”. Salmo 9 0 :
INTEGRAÇÃO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO TÉRMICA DO TRANSFORMADOR
DO TIPO-SECO A INTERNET-IOT
Denis Bruno Tavares de Queiroz^1 Fábio Hamazaki^2 Orientador: Leandro Poloni Dantas^3 RESUMO Atualmente, o emprego de transformadores no sistema elétrico é vital para utilidade pública, dada a importância do fornecimento e ao crescente consumo de energia elétrica. Umas das principais preocupações de clientes e fabricantes durante a operação de um transformador de potência é a elevação de temperatura, pois se não observada pode afetar a vida útil do transformador e causar transtornos a população. Dada a importância de um transformador do tipo-seco no fornecimento de energia no sistema elétrico, a monitoração do comportamento térmico dos enrolamentos torna-se muito relevante uma vez que a temperatura dos condutores está diretamente associada ao tempo de vida útil do sistema de isolação. Com aprofundamento das especificações normativas vigentes e o domínio técnico do acessório responsável por indicar a temperatura dos enrolamentos de transformadores do tipo-seco, optou-se por desenvolver uma pesquisa de natureza teórico-empírica para analisar a viabilidade da aplicação dos conceitos da tecnologia conhecida como internet das coisas, de maneira que, uma vez implementada ao sistema de proteção térmica possibilite a estimação de vida útil do transformador através dos dados físicos adquiridos. Por tratar-se de dados físicos variáveis aquisitados durante o tempo, esteja ou não, o transformador em operação, será possível determinar e monitorar em tempo real o tempo de vida útil do transformador através da aplicação da integração desta tecnologia. O emprego dessa tecnologia no monitoramento de transformadores poderá futuramente não só estimar o tempo de vida útil do transformador, mas também atender a outras requisições especificadas pelas normativas. Palavras-chave: Transformador; internet das coisas; temperatura; vida-útil. (^1) Pós-graduando em Sistemas Embarcados. e-mail: denisttqueiroz@gmail.com (^2) Pós-graduando em Sistemas Embarcados. e-mail: fhamazaki.82@gmail.com (^3) Doutor em Engenharia Eletrônica. e-mail: leandro.poloni@sp.senai.br
1. INTRODUÇÃO
Basicamente, transformador é um componente utilizado em circuitos elétricos, composto por um conjunto de núcleo magnético e espiras condutoras de eletricidade, responsável por elevar ou reduzir níveis de tensão elétrica. (FRITZGERALD, HIGGINBOTHAM, GRABEL, 1981 ). O princípio de funcionamento de um transformador é baseado em conceitos de eletromagnetismo descoberto por dois cientistas, Joseph Henry e Michael Faraday, em 1 831 , que trabalhavam isoladamente em continentes diferentes. A descoberta do eletromagnetismo contribuiu para o concebimento do primeiro transformador com características construtivas confiáveis para uso comercial em 1885 , após modificações em seu projeto feitas por William Stanley, então engenheiro da empresa norte-americana Westinghouse (EDISONTECHCENTER, 2022). O registro histórico da primeira aplicação bem-sucedida de transformadores em um sistema elétrico de distribuição de potência em corrente alternada ocorreu em 6 de março de 1886, na eletrificação do circuito de iluminação da vila de Great Barrington, no estado de Massachusetts. nos Estados Unidos da América. (IEEE Global History Network). Atualmente, o emprego de transformadores no sistema elétrico é de vital relevância para seu funcionamento, dada a importância do fornecimento de energia elétrica para suprir a demanda das atividades do cotidiano, muitas delas essenciais para manutenção da vida, como por exemplo, garantir o serviço de máquinas conectadas a pacientes internados em leitos hospitalares, cuja sobrevivência dependa de seu serviço ininterrupto (FEITOSA, SILVA, DE MELO, LAVOR, 2019). Enfatizando de maneira concisa a criticidade do transformador em redes de energia elétrica, há cerca de dois anos, a considerar da data deste artigo, na noite de três de novembro de 2020, ocorreu um incêndio em um dos transformadores da subestação Macapá, no Estado do Amapá no Brasil, que acarretou um blecaute que afetou 700 mil consumidores por todo o estado durante 20 dias até o reestabelecimento do fornecimento de energia elétrica (BARROS, 2021). Na data deste evento, a subestação contava com três transformadores que, segundo o relatório do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), o incêndio do primeiro transformador ocorreu em decorrência de um curto-circuito em um dos dois
transformadores que estavam operando, ocasionando uma falha em série (VENTURA, 2020). Devido à crescente demanda e a consequente dependência do fornecimento de energia elétrica nos dias atuais, a atenção de profissionais e pesquisadores da área da eletricidade aos componentes fundamentais que compõem o circuito de uma rede elétrica se intensifica proporcionalmente. E, independentemente do fim almejado, o uso de transformadores é indispensável para garantir o funcionamento apropriado da carga que esteja conectada fisicamente a ele por intermédio de um circuito elétrico. Portanto, se ocorrer um corte não programado do transformador durante sua operação, o suprimento de energia elétrica de todo e qualquer componente do circuito interligado será instantaneamente interrompido. Ocasionando prejuízos financeiros, expediente de serviço demasiadamente exaustivo devido à complexidade de sua manutenção e transtornos ao consumidor enquanto o reestabelecimento do funcionamento do transformador não ocorrer (TORIN, MEDINA, SOUZA, 2019). Durante a operação do transformador, existem pontos imprescindíveis a serem observados para garantir e manter a normalidade de seu funcionamento. A monitoração da temperatura de serviço de um transformador é amplamente discutida no mundo por especialistas do segmento, dado ao fato de que se o aquecimento do transformador se mantiver em níveis críticos por um tempo consideravelmente longo, a probabilidade de falhas na qualidade do fornecimento de energia elétrica aumentará de maneira correspondente. (LOPES, SANTOS, COSTA, ARRIFANO, 2016). Existem diversos trabalhos e estudos relacionados ao uso de tecnologias modernas no monitoramento térmico de transformadores difundidos no meio acadêmico. Segundo a revisão de Júnior, Freitas e Filho (2020) sobre trabalhos relacionados a este tema, observou-se que a integração da tecnologia denominada internet das coisas (do inglês Internet of Things - IoT) proporciona de maneira satisfatória a otimização de processos vigentes, e que a carência de investimento no desenvolvimento desta tecnologia na monitoração de transformadores em operação é prejudicial à qualidade do fornecimento de energia elétrica, já que seu uso pode colaborar com a previsão e antecipação de falhas e imprevistos. Com o objetivo de analisar o desempenho da aplicação da tecnologia IoT na monitoração térmica de transformadores, decidiu-se optar pela elaboração de um
Os enrolamentos, por se tratar de materiais condutores de eletricidade, são submetidos a ensaios de níveis de isolação. De modo que o emprego do material isolante no enrolamento suporte a carga nominal ao qual o transformador é projetado. A NBR 5356-11 (2016) determina que para um transformador do tipo-seco operando em condições normais de serviço, ou seja, que esteja localizado em até 1000 metros em relação ao nível do mar e que a umidade relativa do meio ambiente seja inferior a 93%, a elevação de temperatura de cada um de seus enrolamentos não deve ultrapassar um valor específico e pré-determinado. Esse valor pré- determinado leva em consideração a temperatura do ponto mais quente (do inglês hot-spot ), que pode ser medido em qualquer ponto do sistema de isolação do transformador em operação. Os sistemas isolantes são divididos por classes de isolamento, cada qual com sua característica particular de comportamento térmico tolerável em função da temperatura dos enrolamentos. O valor de temperatura máxima, medido em graus Celsius, de cada classe isolante propicia a preservação de sua propriedade física durante a operação do transformador do tipo-seco. (FINNOCHIO, 2010). A Tabela 1 apresenta as diferentes classes e seus respectivos limites de temperatura. Tabela 1 – Limites de elevação de temperatura. Classe de isolamento Temperatura máxima do sistema isolante (°C) Máxima temperatura do enrolamento (°C) Elevação de temperatura média do enrolamento K (°C) Temperatura de referência (°C) A 105 95 60 80 E 120 110 75 95 B 130 120 80 100 F 155 145 100 120 H 180 170 125 145 Fonte: Adaptado de NBR 5356-11: 2016. Se a temperatura dos enrolamentos exceder o limite de temperatura máxima da classe do sistema isolante, ocorrerá consequentemente a degradação das propriedades físicas do material isolante que reduzirá significativamente a vida sua vida útil do transformador (FINNOCHIO, 2010). Para encontrarmos a durabilidade do sistema de isolação dos enrolamentos, podemos aplicar a equação baseada na teoria de Darkin e Arrhenius. O tempo de estimativa de vida útil do transformador é obtida através da Equação 1.
(1) Onde: EVu: Tempo de vida útil do transformador para T=Tnom+∆T; EVunom: Tempo de vida útil nominal do transformador para T=Tnom ∆T: Acréscimo de temperatura em relação à Tnom em graus Celsius (°C) Tnom: Temperatura nominal do transformador em graus Kelvin (K). K: Constante de Boltzann igual 0,8617.10-^4 em elétron-Volt (eV) E: Energia de ativação da reação de envelhecimento, em elétron-Volt (eV) As concessionárias de energia elétrica, órgãos credenciados pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), como por exemplo, a Entidade Nacional de Eletricidade (ENEL), através da especificação técnica número 88 , versão número 02 de 2020 , exige aos fabricantes de transformador do tipo-seco que a classe de isolamento do sistema de isolação seja classe F ou classe H. Específica também que a garantia de vida útil mínima de um transformador do tipo-seco seja de 25 anos. E solicita a integração de um sistema de proteção térmica na estrutura do transformador e que esse sistema seja composto por um monitor microprocessado e de sensores de temperatura alocados no interior dos enrolamentos de maneira que seja capaz de detectar constantemente a temperatura máxima determinada pela classe térmica do material. Essa especificação também exige que o fabricante disponibilize uma placa que contenha todas as informações técnicas do transformador. Na Figura 2 é ilustrado o monitor térmico instalado na estrutura do transformador e na Figura 3 é apresentada uma fotografia da placa de identificação do transformador utilizado nos testes feitos. Os monitores digitais que integram o sistema de monitoração térmica, normalmente exigido pelas concessionárias como já mencionado, possuem entradas de sensores termorresistivos para medição e indicação temperatura dos enrolamentos do transformador, saídas a relé para alarme e desligamento por temperatura. Alguns monitores digitais térmicos possuem entrada para comunicação serial, geralmente padrão recomendado 485 (do inglês, recommended standard 485, RS-485) muito comum em aplicações industriais (ARAÚJO, 2007).
supervisão em tempo real do envelhecimento térmico do sistema de isolação em função do tempo de trabalho do transformador do tipo-seco. Adotou-se a tecnologia IoT por sua característica de coletar valores do mundo físico, digitalizá-los e conectá-los a internet. Além de seu baixo custo para implementação, não está suscetível a perturbações elétricas, garantindo a confiabilidade do sinal de leitura de temperatura (DA SILVA, 2021). Através da coleta desses dados, o estudo visa que através da leitura de temperatura em função do tempo de operação do transformador, seja possível indicar e atualizar o tempo de vida-útil remanescente do transformador em tempo real.
3. METODOLOGIA
3.1 Descrições da estrutura da aplicação de campo deste experimento A aplicação deste experimento ocorreu em 25 de fevereiro de 2022, no Morumbi Shopping, instalação da qual a equipe de operação e manutenção local gentilmente cedeu o espaço para a realização deste trabalho, aproveitando o ensejo de uma parada programada para manutenção periódica do Transformador 1 (TR-1). O Alinhamento e aguardo desta atividade consumiram algum tempo do prazo estipulado para a elaboração deste artigo. A execução deste trabalho não apresenta possibilidade de causar risco algum ao funcionamento do transformador. Ao realizar a montagem da estrutura proposta para este experimento, exigiu-se que os autores utilizassem equipamentos de proteção individual (EPI) de uso específico para instalações elétricas e serviço com eletricidade e que também estivessem em conformidade com a Norma Regulamentadora número 10 (NR10) e sua complementação, em sistemas elétricos de potência (NR10 SEP). A conformidade com a NR- 10 indica que o profissional está apto para realizar serviços em instalações elétricas com segurança. Conforme pode ser observado na Figura 4 , o sistema de proteção térmica especificado para este transformador utiliza um monitor digital modelo EP4, do fabricante Electron do Brasil. Este monitor digital possui quatro canais de entrada para leitura de temperatura, porém, neste sistema, havia apenas três sensores sendo utilizados para medir a temperatura dos enrolamentos. As conexões dos sensores podem ser observadas em detalhes na Figura 5.
Figura 4 – Transformador do tipo-seco deste experimento. Fonte: Autor. Figura 5 – Entrada dos sensores de temperatura no monitor digital. Fonte: Autor. O material dos sensores que realizam a leitura de temperatura dos enrolamentos deste transformador é a platina, que tem como propriedade variar o valor de sua resistência de acordo com a temperatura em que é submetida. A platina do sensor dessa aplicação, por exemplo, indicará que a temperatura do enrolamento estará em zero grau Celsius quando a resistência de seu material apresentar um valor de 100 ohms (IOPE, 2022). A Figura 6 mostra parcialmente os cabos dos sensores alocados dentro dos enrolamentos do transformador. Figura 6 – Sensores de temperatura alocados no interior dos enrolamentos do transformador. Fonte: Autor.
simples. O MQTT foi projetado para suportar milhares de acessos remotos, através de tópicos de notação de objeto JavaScript (d o inglês , javascript object notation - json) como alternativa a linguagem de marcação extensível (do inglês, extensible markup language – XML) (KHAN, 2019). 3.3 Criação do servidor Para o gerenciamento dos tópicos através de publicação e inscrição (do inglês, publish and subscribe ) é necessário implementar um corretor de mensagens (do inglês, broker ). O broker é responsável por receber mensagens e encaminhá-las para clientes que estejam inscritos nos tópicos onde essas mensagens serão publicadas (ECLIPE MOSQUITTO, 2022). 3.4 Interface gráfica Já com os dados monitorados disponíveis no servidor, pode-se consultá-los através de uma aplicação remota. A aplicação remota servirá de interface entre o sistema de proteção térmica e o usuário final. A interface deve possuir didática simples e objetiva para identificação dos valores de temperatura medidos pelos sensores alocados nos enrolamentos do transformador. O desenvolvimento da aplicação remota utilizou-se das seguintes tecnologias:
- Servidor de rede (do inglês, web ) Apache. Para que a aplicação fosse visualizada pelo computador (APACHE, 2022).
- Pré-processador de hipertexto (do inglês, hypertext preprocessor – PHP), aplicado na programação do servidor por ser uma tecnologia de código aberto (PHP, 2022).
- Linguagem de marcação de hipertexto (do inglês, hypertext markup language – HTML), para a inserção dos conteúdos da página da aplicação da interface desenvolvida para esse experimento;
- Bootstrap, por ser uma estrutura de código genética para complementação da estrutura desenvolvida;
- JavaScript, por ser uma linguagem de programação que otimiza a interface dinamicamente por permitir gerenciar os dados em função do tempo e que também possibilita a criação de rotinas que trabalhem de modo assíncrono. Processando qualquer requisição ao servidor em segundo plano (DEVELOPER, 2022).
- Socket.IO, uma biblioteca de JavaScript que estabelece uma comunicação bidirecional, baseada em eventos entre cliente e servidor, permitindo a inscrição ou publicação de mensagens em um broker MQTT em uma página web (SOQUETE.IO, 2022). 3.5 Descrição do funcionamento do protótipo utilizado no experimento O objetivo deste experimento visa à aquisição dos valores de temperatura do enrolamento do transformador através da conexão entre a saída de comunicação serial RS-485 do monitor digital do sistema de proteção térmica através do protocolo de comunicação Modbus RTU na mesma rede de um servidor Raspberry Pi 3. Para tal objetivo foi elaborado um protótipo “Conversor RS-485 para Internet”, utilizando um conversor serial para RS-485 e um módulo ESP32. Onde, o conversor RS- 485 com saída serial, fica responsável em converte o sinal serial proveniente do ESP em um sinal RS-485, transmitindo então para o relé de proteção térmica. Já o ESP32, comunica-se com o conversor RS-485 via protocolo Modbus RTU – Mestre e com o servidor broker via protocolo MQTT. Para a criação do servidor broker optou- se por utilizar uma placa Raspberry Pi. O broker por sua vez, disponibiliza os tópicos de temperatura para serem consumidos, o script desenvolvido em linguagem Python realiza a conexão com o broker ( subscriber ) nos tópicos pertinentes e realiza o armazenamento no banco de dados. A Figura 8 ilustra o sistema proposto. Figura 8 – Diagrama de bloco protótipo de integração do sistema de proteção térmica a internet IoT. Fonte: Elaborado pelo autor.