Gabriele Ribichini

sexta-feira, 3 de fevereiro de 2023 · 0 min read

TERNA S.p.A.

Teste de vibração em reator de alta tensão

Os testes e análises de vibração são amplamente usados para identificar anomalias em máquinas industriais e outras. Neste teste, o sistema de medição Dewesoft SIRIUSi foi usado para testar um reator de alta tensão. Esses testes em intervalos regulares permitem acompanhar a evolução das características mecânicas do material isolante - identificando problemas com o maquinário para prever a necessidade de manutenção. O Dewesoft SIRIUSi pode ser configurado para realizar medições mecânicas ou elétricas ou uma combinação das duas, dependendo das necessidades de teste.

Terna SpA é uma operadora de sistema de transmissão (TSO) com sede em Roma, Itália. Opera por meio da Terna Rete Italia, que administra a rede de transmissão de alta tensão italiana. Uma rede de 74.669 Km de linhas com 888 subestações elétricas e 4 centros de controle gerenciando 320 bilhões de kWh por ano. Essas redes distribuem eletricidade de alta tensão muitas vezes maior do que as tensões dos consumidores, na Itália normalmente até 380 kV (CA).

Reatores shunt são usados em sistemas de transmissão de energia de alta tensão para estabilizar a tensão durante as variações de carga. Um reator de derivação tradicional tem uma classificação fixa e está conectado à linha de alimentação o tempo todo ou ligado e desligado dependendo da carga.

Os principais parâmetros do sistema de energia são as tensões e a frequência do sistema, que normalmente indicam o nível das potências ativa e reativa geradas em relação ao requisito de potência da carga.

O aumento da carga de potência ativa e reativa tende a diminuir a frequência do sistema e os níveis de tensão, respectivamente. Então, torna-se essencial gerar energia ativa e reativa adicional. A função dos reatores é estabilizar a tensão da rede consumindo a potência reativa das linhas aéreas em condições de baixa carga.

A alta qualidade e estabilidade de longo prazo desses componentes são cruciais para uma rede de transmissão confiável. No entanto, baixos níveis de ruído e vibração são exigidos pelos clientes. O ruído dos reatores e grandes transformadores de potência tem um caráter tonal, que é percebido como mais incômodo do que o ruído de banda larga nos mesmos níveis sonoros.

Objetivo do Teste

O objetivo do teste foi verificar as diferenças no nível de vibração entre um reator particularmente ruidoso e um menos ruidoso (normal) conforme a variação da carga aplicada. Esta comparação tem como objetivo avaliar as possíveis variações ao longo do tempo de eventuais desvios mecânico-estruturais dos reatores, para prever e prevenir suas falhas.

O equipamento de medição usado

SIRIUSi-HS 4xHS, sistema de aquisição de dados 4xLV e analisador de energia. Possui quatro amplificadores diretos CAT II de alta voltagem e quatro amplificadores de baixa voltagem e é capaz de condicionar voltagem e também sinais IEPE com taxas de amostragem de até 1 MS / s.

Os transformadores de corrente (TCs) são usados para medir a corrente alternada (CA). Eles são sensores indutivos que consistem em um enrolamento primário, um núcleo magnético e um enrolamento secundário. 

Essencialmente, uma corrente alta é transformada em uma baixa usando um portador magnético, portanto, correntes muito altas podem ser medidas com segurança e eficiência. Na maioria dos transformadores de corrente, o enrolamento primário tem muito poucas voltas, enquanto o enrolamento secundário tem muito mais voltas. Essa proporção de voltas entre o primário e o secundário determina o quanto a magnitude da carga atual é reduzida.

A CA detectada pelo enrolamento primário produz um campo magnético no núcleo, que induz uma corrente no enrolamento secundário. Esta corrente é convertida na saída do sensor.
Os transformadores de corrente estão disponíveis na configuração split-core da Dewesoft, o que permite possibilidades convenientes de conexão, uma vez que o circuito não precisa ser alterado de forma alguma.

Figura 1. A configuração da medição. O módulo de aquisição Dewesoft SIRIUSi é compacto e robusto - projetado para operações de campo.

O módulo integra um circuito de condicionamento de sinal de alta qualidade com todos os recursos necessários, tais como:

  • seleção de acoplamento AC ou DC,

  • ganhos programáveis,

  • compensação de deslocamento (derivado de transdutores),

  • filtros passa-baixa programáveis,

  • excitação das sondas de corrente,

  • a possibilidade de medição IEPE,

  • auto-reconhecimento das sondas atuais e a sensibilidade a ser usada e auto-reconhecimento dos adaptadores.

Dentre as várias características, destaca-se o isolamento galvânico em 1600V canal-canal e canal-terra.

Configuração de medição

Um canal do sistema de aquisição de dados isolado SIRIUSi foi dedicado à medição de tensão, detectada a jusante do TP (1: 3850). O outro canal foi utilizado para a medição de corrente a jusante do reator (CT 1: 400).

Para este teste, dois acelerômetros foram usados na estrutura externa do reator. Um foi mantido em uma posição fixa próximo ao indicador de temperatura e o outro mudou para duas posições durante o teste. Um no lado do trocador e um no lado da saída HV.

Figura 2. Um acelerômetro foi usado em duas posições diferentes no reator durante o teste - no lado do trocador e no lado da saída de AT.

Reator ruidoso

O teste de monitoramento de vibração da estrutura mecânica do reator de fase 4 ruidoso envolveu duas configurações:

  1. O acelerômetro 1 está posicionado atrás do indicador de pressão e o acelerômetro 2 está posicionado no lado do trocador;

  2. O acelerômetro 1 está posicionado atrás do indicador de pressão e o acelerômetro 2 está posicionado no lado da saída HV.

Figura 3. Medição no reator mostrando alto nível de ruído, em ambas as configurações de teste.

Reator de ruído normal

O teste de monitoramento de vibração da estrutura mecânica de um reator com nível de ruído normal, o reator de fase 12, envolveu duas configurações:

  1. O acelerômetro 1 está posicionado atrás do indicador de pressão e o acelerômetro 2 está posicionado no lado do trocador

  2. O acelerômetro 1 está posicionado atrás do indicador de pressão e o acelerômetro 2 está posicionado no lado da saída HV.

Figura 4. Medição no reator mostrando nível de ruído normal, em ambas as configurações de teste.

Análise Mecânica Comparativa

Fizemos uma análise mecânica comparativa entre o reator de fase 4 e o reator de fase 12. 

Para ambas as configurações de medição, o comportamento mecânico do reator Fase 4 apresenta valores RMS de aceleração mais elevados quando comparado com os valores RMS de aceleração adquiridos no reator Fase 12.

Tabela 1. Os valores médios medidos para ambos os reatores nas duas configurações de teste.
ReatorAcc. 1 (indicador de pressão)Acc. 2 (lado do trocador)Acc. 2 (Lado HV)
Reator barulhentoFase 40.363 g0.606 g0.779 g
Reator de ruído padrãoFase 120.142 g0.430 g0.430 g

Os dados extraídos mostram que um reator com nível de ruído normal apresenta um nível de vibração uniforme em ambos os lados (lado do trocador e lado HV), igual a 0,430 g. O acelerômetro próximo ao indicador de pressão mede uma aceleração igual a cerca de um terço da outra. Este é um fenômeno que se explica pela presença de um reforço da carpintaria metálica não muito longe do primeiro acelerômetro.

The extracted data show that a reactor with a normal noise level shows a uniform vibration level on both sides (exchanger side and HV side), equal to 0.430 g. The accelerometer near the pressure indicator measures an acceleration equal to about one-third of the other. This is a phenomenon that is explained by the presence of a reinforcement of the metal carpentry not far from the first accelerometer.

Figura 5. A posição de medição atrás do indicador de pressão do reator.

A análise realizada no reator ruidoso, por outro lado, mostra uma clara discrepância nos valores de vibração dos dois lados medidos pelo acelerômetro 2 (0,606 e 0,779 g RMS).

Além disso, neste caso, o acelerômetro 1 detecta um nível de vibração mais baixo, mas com uma razão de cerca de ½ em vez de ⅓ como no caso de um reator ruidoso. O fenômeno é claramente visível na Figura 6.

Figura 6. Comparação das medidas nas duas configurações. A curva verde mostra um nível RMS diferente de vibrações no reator ruidoso (Fase 4), passando da configuração 1 no lado do trocador para a configuração 2 no lado HV. Os dois níveis, por outro lado, são quase idênticos para a curva rosa que representa a medição no reator de ruído normal (Fase 12).

Uma análise de frequência dos sinais dos acelerômetros mostra a presença clara de harmônicos de até 1.500Hz.

O conteúdo espectral é diferente, mas está presente nas mesmas frequências.

Figura 7. A aquisição no reator ruidoso, em azul o acelerômetro próximo ao sensor de temperatura, o lado do trocador em vermelho.

Ao adicionar a tensão da linha ao gráfico (em verde), a correlação da frequência das vibrações mecânicas com a da energização do reator torna-se clara. A tensão da linha está em 50 Hz, enquanto os harmônicos das vibrações são múltiplos de 100 Hz.

Ao adicionar a tensão da linha ao gráfico (em verde), a correlação da frequência das vibrações mecânicas com a da energização do reator torna-se clara. A tensão da linha está em 50 Hz, enquanto os harmônicos das vibrações são múltiplos de 100 Hz.

Análise de Potência

Realizamos uma análise de potência nos sinais de tensão e corrente adquiridos a jusante dos TPs e TCs para calcular os parâmetros típicos de um analisador de rede.

Frequência de linha

A frequência da linha foi calculada pelo algoritmo PLL integrado com DewesoftX que garante precisão de 1 MilliHertz.

Nos 20 minutos de gravação, o sistema detectou variações de frequência com uma variação pico a pico de 0,07 Hz.

Figura 9. As variações de frequência - a escala do gráfico varia de 49,9 a 50,1 Hz.

Análise Fasorial

Uma exibição de fasores de tensão e corrente destaca a mudança de fase de 90 °, que é típica da indutância quase pura do reator.

Figura 10. A tendência das primeiras tensões e correntes harmônicas. O sistema de medição permite a análise dos fasores para todos os harmônicos (até 100 °).

Análise de Harmônicas

Figura 11. Uma análise detalhada de harmônicos destaca a presença de pequenos harmônicos, que são praticamente visíveis apenas em uma escala logarítmica.

O fator de potência muito baixo (0,0255) é quase totalmente causado pelo deslocamento de fase próximo a 90 graus, enquanto a potência de distorção é praticamente desprezível (regime senoidal quase perfeito).

Para a potência reativa Q, é medido em “var” (volt-ampere-reativo) - VA adicionou a letra “r”. Os múltiplos de “var” são kvar (kilovar) e Mvar (megavar).

A potência de distorção D é 1.059 kvar de uma potência reativa total Q de 86.347 kvar e uma potência aparente S de 86.375 kvar.

Figura 12. A tela de análise de energia padrão (personalizável) do DewesoftX Power Module. Uma ampla gama de parâmetros é calculada.

Conclusão

Os testes realizados mostraram claramente um alto nível de vibrações do reator de ruído (Fase 4) em comparação com o reator de ruído normal (Fase 12). Ele também mostrou uma distribuição não uniforme de intensidades nos dois lados medidos.

A vibração medida mostra uma correlação perfeita com a frequência da rede de 50 Hz, um sinal claro de que ela deriva dos fenômenos de energização do reator.

Uma análise em intervalos regulares dos reatores com o sistema Dewesoft permite, sem dúvida, acompanhar a evolução das características mecânicas do material isolante e prever a eventual necessidade de manutenção.

O sistema Dewesoft SIRIUSi pode ser configurado para realizar medições mecânicas ou elétricas ou uma combinação dos dois, dependendo das necessidades de teste.

análise de potência , em paralelo com as medições mecânicas, permite manter todas as características elétricas do sistema sob controle e agrega informações importantes para detectar eventuais anomalias.

A mesma ferramenta poderia ser utilizada para análise modal (Teste Modal) quando o reator não está energizado, para identificar as frequências e formas modais, conforme mostrado na imagem a seguir.

Figura 13. Análise modal identificando as frequências e formas modais do reator.

Qualquer desvio de frequências e formas modais fornece um índice claro de desgaste mecânico com a conseqüente mudança nas características de rigidez.

Esses índices poderiam ser usados tanto na fase inicial para identificar os melhores pontos para analisar as vibrações quanto na análise periódica para ter uma imagem clara da variação das características mecânicas.

Tudo para dar uma ideia do comportamento mecânico dinâmico do reator - uma ferramenta útil para a otimização de suas propriedades de ruído e vibração.

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