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GPC/018

21 a 26 de Outubro de 2001Campinas - São Paulo - Brasil

GRUPO VGRUPO DE ESTUDO DE PROTEÇÃO, MEDIÇÃO E CONTROLE EM SISTEMAS DE POTÊNCIA

RETROFIT DAS PROTEÇÕES EM USINAS ANTIGAS

Jorge Mitsuhiro OuraCESP

RESUMO

O objetivo deste trabalho é apresentar a experiência daCESP no retrofit das proteções, informar os problemasencontrados e mostrar a estratégia que está sendoadotada pela empresa.

PALAVRAS-CHAVE: Retrofit, Proteções digitaisnuméricas, Modernização, Digitais microprocessadas

1.0 INTRODUÇÃO

A CESP – Companhia Energética de São Paulo, hoje, éuma empresa totalmente voltada para a geração deenergia. Ela surgiu da cisão da antiga CESP emempresas de geração, transmissão e distribuição, eposteriormente da nova cisão da empresa de geraçãoem outras três. Sua potência instalada é de 6.721,7MW sendo responsável pela geração de 50 % daenergia do estado de São Paulo. Atualmente, aempresa opera seis usinas: Ilha Solteira inaugurada em1973, Eng. Souza Dias (Jupiá) inaugurada em 1969,Três Irmãos inaugurada em 1993, Paraibunainaugurada em 1978, Jaguari inaugurada em 1972 eEng. Sérgio Motta (Porto Primavera), ainda emconstrução.A partir de 1995 a CESP iniciou um plano demodernização dos sistemas de proteção de seu parquegerador, devido à inexistência no mercado, decomponentes de reposição das antigas proteçõeseletromecânicas e em vista da crescente taxa de falhas,notadamente nas usinas de Ilha Solteira e Souza Dias.

2.0 PROBLEMAS ADVINDOS DA MODERNI-ZAÇÃO

2.1 Dificuldades advindas da mudança de tecnologia

Inicialmente foram adquiridas duas proteções para aUsina de Ilha Solteira e uma unidade para a UHE Eng.Souza Dias (UHE Jupiá). As proteções adquiridas paraa Usina de Ilha Solteira ainda eram de tecnologiaestática convencional, enquanto que a proteção para aUHE Eng. Souza Dias (UHE Jupiá) foi fornecida coma tecnologia digital numérica. Observou-se que amudança na tecnologia de eletromecânica para aestática não ocasionou grandes dificuldades para aequipe de manutenção, enquanto que a mudança diretada tecnologia eletromecânica para a digital numéricaocasionou dificuldades para a equipe de manutenção.Efetuando-se um diagnóstico desta dificuldade,concluiu-se que o problema consistia na falta dahabitualidade de lidar com a nova proteção, isto é, aexistência de uma única proteção com característicastotalmente diferentes das demais causara grandestranstornos à equipe de manutenção, necessitando dereciclagem constante como forma de evitar oesquecimento da forma de manuseio do equipamento.

2.2 Problemas da diversificação de fabricantes

Sendo a CESP uma empresa estatal, os processos deaquisições ocorrem dentro da lei 8666, que não permitea livre escolha do fornecedor, portanto a cada novaaquisição, a probabilidade de adquirirmos proteções dediferentes fornecedores é muito grande. Considerando-se que na usina de Ilha Solteira são 20 unidadesgeradoras e Usina Eng. Souza Dias (Jupiá) 14 unidadesgeradoras, e que a quantidade de proteções a adquirirestá em função do orçamento anual, neste processo deaquisição em pequenos lotes, o risco de criarmos umamiscelânea de proteções de diversos fabricantes de

FIGURA 1PAINEL COM PROTEÇÕES ELETROMECÂNICAS

diferentes filosofias em uma única usina era iminente.

2.3 Custo da modernização e tempo de implementação

As primeiras proteções foram adquiridas namodalidade de pacote fechado, isto é, fornecimento dasproteções com painel, serviço de engenharia ecomissionamento. Este procedimento tornava oprocesso muito oneroso, inviabilizando a realização doretrofit em maior quantidade dentro do orçamentoanual. No caso da Usina Ilha Solteira com 20unidades geradoras, caso tivéssemos prosseguido oprograma de substituição de duas unidades ao ano, oprocesso de modernização levaria 10 anos!!!

2.4 Custo da formação de sobressalentes devido àdiversificação de fabricantes

Outro grande problema na diversificação defabricantes, além da necessidade de treinamentoconstante da equipe de manutenção para atender váriostipos de proteção, está na formação de peçassobressalentes. A cada lote de um determinado modelode proteção, necessita-se ter o correspondentesobressalente numa quantidade suficiente para atendera um período de no mínimo 20 anos, o que eleva aindamais o custo da modernização.

3.0 ESTRATÉGIA DA CESP NA EXECUÇÃO DORETROFIT

3.1 Serviços de engenharia e instalação por conta daempresa

A mudança fundamental na estratégia da empresa foiabandonar a aquisição na modalidade pacote fechado,ficando com o encargo de elaborar o projeto, efetuarestudo de ajustes, instalar no campo, e efetuar ocomissionamento. A CESP passou a adquirir apenasrelés de proteção e contratação do comissionamento deapenas uma unidade. Desta forma ocorreu umaredução do preço final para menos de 1/3 do valor queestava sendo praticado. Possibilitou-se, assim,aumentar a quantidade de aquisição anual.

3.2 Limitação na diversificação de fabricantes

Considerou-se que a quantidade máxima admissível dediversificação de fornecedores seria 3 (três) dentro deuma única usina, portanto no planejamento para asnovas aquisições nas usinas de Ilha Solteira e Eng.Sérgio Motta (Jupiá), os lotes de aquisição foramdivididos de forma a não termos diversificação maiorque este número.

FIGURA: 2PAINEL COM PROTEÇÕES DIGITAIS

3.3 Aproveitamento máximo das antigas instalações

As instalações das proteções estão sendo efetuadas nopainel de proteção antigo, removendo-se as proteçõeseletromecânicas, e todos os acessórios como TC’sauxiliares, mantendo-se todo o restante tais como

fiações secundárias dos TP’s e TC’s, réguas bornes,relés de bloqueio e sinalizadores. Este procedimento,em contrapartida ao da instalação de um painel novo aolado do painel antigo, reduz bastante o custo de obrascivis e proporciona menor agressão visual.

3.4 Desvinculação total das antigas proteções

No início do processo, quando ainda não havia a plenaconfiança nas proteções digitais, cogitou-se colocaralgumas proteções eletromecânicas como retaguarda.Porém esta forma foi totalmente abandonada e, todasas proteções estão sendo retiradas e substituídas porproteções digitais, procedimento que hoje, considera-seacertado, dada a alta confiabilidade demonstrada pelasproteções digitais.

3.5 Aproveitamento das paradas das máquinas parao retrofit

As implementações estão sendo efetuadas, quandoocorrem as paradas das máquinas para manutençãopreventiva. Portanto não está sendo exigido tempo deindisponibilidade adicional para a execução do retrofit.O tempo médio necessário para a execução total dasubstituição da proteção incluindo a reforma do painele execução de toda a fiação tem sido de 20 dias.

3.6 Desmistificação da nova tecnologia

Outra estratégia da empresa foi desmistificar a novatecnologia. A equipe de campo que estáimplementando, comissionando e se encarregando damanutenção é a mesma equipe de comando e controleque lida com as proteções eletromecânicas. Procurou-se democratizar ao máximo a absorção da novatecnologia, dando treinamento a todos, não se criandonenhum grupo de elite. Esta forma de condução teveum retorno excelente, como a motivação da equipepara o aprendizado da nova tecnologia.

4.0 VANTAGENS OBTIDAS COM O RETROFIT

4.1 Redução no tempo de indisponibilidade dosgeradores

Inegavelmente, a grande vantagem da substituição dasproteções por digitais numéricas, além do óbvioaumento na confiabilidade da proteção por substituiçãode equipamentos antigos por novos, é a redução notempo de indisponibilidade do gerador para a execuçãoda manutenção preventiva da proteção, e na redução dotempo para o diagnóstico de uma ocorrência.

4.2 Dados do sistema em tempo real

A proteção digital fornece as grandezas de tensão,corrente, defasagens, componentes de sequência zero,positivo e negativo, potência ativa, reativa, fator depotência etc. em tempo real. Com estes dados épossível diagnosticar se os TP’s e TC’s e a proteçãoestão ligados corretamente. Estes dados sãofundamentais no comissionamento da proteção.

4.3 Automonitoramento

A proteção verifica permanentemente a suaintegridade e avisa quando qualquer uma das suasfunções deixar de funcionar. Com isto eliminou-se anecessidade de ensaios periódicos na proteção paraverificar o seu funcionamento.

4.4 Exatidão dos ajustes

Observa-se que os valores ajustados na proteção sãoextremamente exatos, não se requerendo qualquer tipode calibração, e estes valores não sofrem degradaçãocom o tempo, o que torna a aferição deste tipo deproteção desnecessário para realização do reajuste.Graças a estas características, os reajustes dasproteções atualmente estão sendo efetuados com aunidade geradora em operação.

4.5 Oscilografia e sequenciamento de eventos

A incorporação da oscilografia e sequenciamento deeventos na proteção possibilita o rápido diagnóstico daperturbação no sistema, eliminando-se a necessidadede efetuar ensaios no gerador e transformador quandoocorre uma atuação indevida da proteção. Cita-se oexemplo da atuação indevida da proteção terra estator100%, que exigia ensaios de isolação do gerador etransformador quando ocorria a sua atuação. Com asproteções digitais é facilmente diagnosticado se aatuação ocorreu devido a um curto circuito monofásicoou devido a queda na tensão de 3a harmônica devido aoexcesso de reativo na máquina.

5.0 CONSTANTE EVOLUÇÃO DAS PROTE-ÇÕES E SUAS CONSEQUÊNCIAS

5.1 Tempo de obsolescência das proteções digitais

Até hoje o tempo de vida útil das proteções forammedidas pelo MTBF (Mean Time Between Failure)que no caso das proteções eletromecânicas eramelevadíssimas. Não é incomum encontrar proteçõeseletromecânicas com mais de 40 anos funcionandoperfeitamente. O mesmo não se pode dizer dasproteções estáticas que sucederam as eletromecânicasque tem o MTBF de no máximo 15 anos. O que seobserva hoje é que as proteções estáticas que foram

instaladas posteriormente às proteções eletromecânicasjá estão com a vida útil esgotada, enquanto outrasproteções eletromecânicas ainda estão funcionando acontento. No caso das proteções digitaismicroprocessadas o problema não se constitui nadurabilidade dos componentes, e sim na obsolescênciados processadores e dos softwares, que tem-seobservado de curtíssima duração. A evolução nestecampo está tão veloz que o tempo de obsoletismo estána mesma velocidade dos micros PCs.

5.2 “Debug” de produtos recém lançados

Embora a tecnologia digital microprocessada sejalargamente aplicada nas proteções dos sistemas dedistribuição e de transmissão, a utilização destatecnologia para a geração ainda é recente, e mesmo osfabricantes tradicionais de sistemas de proteção, estãocom produtos recém lançados os quais carecem devárias melhorias principalmente no que se referem aos“softwares” de aplicação, e algumas vezes com erro deconcepção. A CESP apontou deficiências no“firmware” da proteção do gerador, os quais foramobjeto de estudo no centro de desenvolvimento dofabricante e resultou na edição de um novo “firmware”com as revisões solicitadas.

5.3 Necessidade de efetuar manutenção emequipamentos obsoletos

Estima-se que no decorrer do tempo, a substituição deuma grande parte das antigas proteçõeseletromecânicas com as de tecnologia digital,provocará um efeito inverso ao do início do processo,isto é, haverá poucos profissionais habilitados a efetuarmanutenção nas proteções eletromecânicas. Enquantoestas proteções não tiverem sido substituídas e aindaestiverem cumprindo a sua função, será necessáriomanter a equipe de comando e controle apto a executara manutenção nestas proteções.

6.0 PROJEÇÕES PARA O FUTURO NA CESP

6.1 Prazo para a conclusão da modernização

Se o programa de substituições das proteções forcumprido conforme o planejado, a completasubstituição das proteções ocorrerá entre 2004 e 2005.

6.2 Implementação de rede de comunicação dasproteções

A CESP está se preparando para implementar uma redepara interligar todas as proteções. Neste momentodepara-se com a questão de como integrar proteções

com protocolos, sistemas operacionais, e softwares degerenciamento diferentes. Após consultas a diversosfornecedores, concluiu-se que integrações deproteções de fabricantes diferentes mesmo adotando-seum protocolo padronizado como MODBUS ou IEC60870-5-103, ainda é um problema. Somente algunsdados serão passíveis de trafegar por esta rede deprotocolo padrão. A transferência de dados extensos,como o registro de oscilografia, tornaria o processoextremamente lento e impraticável. Alguns processosque são formas exclusivas de cada fabricante, como amudança de ajuste de um local remoto, seriamimpossíveis de serem efetuados nesta rede. A formaviável de integração de proteções diferentesrecomendada pelo fabricante, é a indicada na Figura 3.

FIGURA 3

Nela seria implementada uma rede comum em RS 485ou fibra óptica e protocolo padrão para tráfego dedados em tempo real (tensão, corrente, potência, etc)para sistema SCADA e outras redes exclusivas paragrupos de proteções semelhantes com protocolo dofabricante para tráfegos de oscilografia e realização demudança de ajustes.

6.3 Gerenciamento remoto das proteções

O sistema de gerenciamento local que seráimplementado com um micro PC, terá uma interface desaída com modem para conexão a um micro PC queficará no escritório de engenharia de manutenção nacidade de São Paulo, onde através da linha discada,será possível ter acesso aos relés de proteção de todasas usinas.

,

R S 4 8 5 P R O T O C O L O I E C

R S 4 8 5 P R O T O C O L O Y

R S 4 8 5 P R O T O C O L O X

U N I D A D ED E

P R O C E S S A M E N T OC E N T R A L

M O D E M

M O D E M

U N I D A D ED E

P R O C E S S A M E N T OL O C A L

C H A V E A D O R

R E L É O 1F A B R I C A N T E X

R E L É 0 2F A B R I C A N T E X

R E L É N + 1F A B R I C A N T E Y

R E L É N + 2F A B R I C A N T E Y

USINAILHA SOLTEIRA

O U T R A SU S I N A S

S I S T E M AS C A D A L O C A L

A N T E N AG P S

IRIG B

6.4 Sincronização de horário das proteções

Será implementada também um sistema desincronização de horário de todas as proteções atravésdo sinal de GPS, a fim de podermos ter a mesmareferência de tempo para os sequenciamentos deeventos e oscilografia.

7.0 CONCLUSÕES

7.1 Mudança conceitual no gerenciamento damanutenção

Diferentemente da mudança de tecnologia deeletromecânica para a estática, a mudança para atecnologia digital microprocessada está obrigando aempresa a mudar o seu conceito gerencial demanutenção das proteções. A periodicidade damanutenção preventiva, a aferição dos ajustes, aquestão da segurança de reajustes com o gerador emoperação, a análise das perturbações, os ensaios dosgeradores e transformadores quando ocorrem algumaatuação da proteção, etc., estão sendo reavaliados coma utilização da nova tecnologia.

7.2 Amortização do investimento pela redução notempo de indisponibilidade dos geradores

As vantagens da substituições das proteções antigaspor digitais numéricas são inegáveis. Os custos doinvestimento são rapidamente absorvidos pela reduçãono tempo de indisponibilidade dos geradores.

7.3 Estratégia que deu certo

A estratégia da CESP em não adquirir soluções prontasdos fabricantes e assumir a implantação foipreponderante para a redução no custo do processo deimplantação propiciando aos especialistas da empresao domínio da tecnologia, e até apontar erros naconcepção e também sugerir melhorias ao fabricante.

7.4 Necessidade de parceria com o fabricante

A parceria com os fabricantes é fundamental. Já queinúmeros problemas são detectados somente com a

instalação dos relés de proteção no sistema e com omanuseio do dia a dia. Os relatos de problemas aosfabricantes com sugestões de melhoria, propiciamconstantes evoluções no produto que revertem embenefício do usuário.

7.5 Integração de equipamentos de diversosfabricantes ainda é problema

A integração de diversos equipamentos de fabricantesdiferentes ainda é um problema que não se solucionaapenas com a padronização de protocolos, e há aindaum longo caminho a ser percorrido para se encontraruma solução mais adequada.

8.0 BIBLIOGRAFIA

(1) ZIEGLER, GERHARD, Numerical DistanceProtection Principle and Application; SiemensAG; Berlin and Munich. Germany

(2) PHADKE, ARUN G., THORP, JAMES S.,Computer Relaying for Power Systems; Taunton.England

(3) ABB POWER T & D COMPANY INC.Instruction Booklet 1MRA589765-MIB;Allentown, PA. USA

(4) ABB POWER T & D COMPANY INC.Instruction Booklet 1MRA588372-MIB;Allentown, PA. USA

(5) ABB AUTOMATION INC. DPU2000R remoteaccess using telephone modem; Allentown, PA.USA

(6) ABB AUTOMATION INC. IRIG-Bimplementation in the DPU/GPU/TPU 2000/Rrelays; Allentown, PA. USA

(7) ABB AUTOMATION INC. MSOCcommunication commonality withDPU/GPU/TPU 2000R Protective relays;Allentown, PA.USA