Monitoring method for armoring shielding cable in strong electromagnetic region in substation

Resumo Técnico: Método de Monitoramento para Cabos com Blindagem de Armadura em Regiões de Forte Campo Eletromagnético em Subestações

Problema
Em subestações de alta tensão (AT) e ultra-alta tensão (UAT), reatores de núcleo de ar do tipo seco geram um fluxo magnético de dispersão significativo, criando regiões de forte campo eletromagnético local. Quando loops de circuito secundário se formam ao redor dessas regiões — frequentemente devido ao desgaste da isolação entre as camadas de armadura/blindagem ou aterramento inadequado dos fios de terra — correntes de loop induzidas podem exceder 20A. Esse fenômeno leva ao superaquecimento severo, queima de cabos e potenciais riscos de incêndio, representando uma ameaça crítica à segurança da subestação.

A manutenção tradicional baseia-se em inspeções visuais manuais e medições periódicas de temperatura por infravermelho. Os autores identificam limitações significativas nesses métodos convencionais:

• Natureza não em tempo real: As inspeções ocorrem apenas uma ou duas vezes ao dia (até quatro vezes para tarefas de alta prioridade), deixando lacunas de várias horas onde um cabo pode progredir de um aquecimento anormal para uma ignição.
• Baixa precisão e subjetividade: A detecção depende fortemente da habilidade e do estado mental do pessoal, do estágio específico de desenvolvimento da falha e se o local de medição está blindado.
• Ineficiência: Esses métodos conseguem detectar apenas uma pequena fração das anomalias de aquecimento, particularmente antes que danos visíveis ocorram.

Metodologia
O artigo propõe um novo sistema de monitoramento online baseado na aquisição contínua de características elétricas específicas e um critério de discriminação composta consistindo em cinco alarmes distintos.

1. Aquisição de Dados:
   O sistema foca em cabos com blindagem de armadura em caixas de terminais dentro de regiões de forte campo eletromagnético. Ele coleta:

• A soma das correntes nos fios de terra da camada de blindagem ($I_P$).
• A soma das correntes nos fios de terra da camada de armadura ($I_K$).
• O potencial do barramento de cobre de aterramento primário e do barramento de cobre de aterramento secundário para calcular diferenças de potencial.
• A corrente de terra de uma caixa de terminal adjacente para contextualizar o risco.

2. Critérios de Discriminação Composta:
   A lógica de monitoramento utiliza cinco critérios específicos para disparar alarmes:

• Critério de Diferença de Potencial Excessiva: Monitora a diferença de potencial entre os barramentos de aterramento primário e secundário. Se a diferença exceder um limite (valor de experiência: 1 V), ou se ocorrer uma diferença "extra-grande", um alarme é disparado. O sistema ajusta dinamicamente as restrições com base na magnitude da diferença de potencial.
• Critério de Sobrecorrente de Aterramento da Caixa: Monitora a corrente de aterramento da caixa de terminal. O limiar de alarme é adaptativo: é mais rigoroso (limite mais baixo) se uma caixa de terminal adjacente já estiver apresentando um alarme de sobrecorrente, e mais frouxo se a caixa adjacente estiver normal.
• Critério de Sobrecorrente do Fio de Terra da Camada de Blindagem: Dispara se a soma das correntes dos fios de terra da camada de blindagem exceder um limite definido (valor de experiência: 10 A).
• Critério de Sobrecorrente do Fio de Terra da Camada de Armadura: Dispara se a soma das correntes dos fios de terra da camada de armadura exceder um limite definido (valor de experiência: 10 A).
• Critério de Sobrecorrente de Loop: Esta é a lógica central para detecção de formação de loop. Ela avalia a soma de $I_P$ e $I_K$.
  • Se não houver alarme de diferença de potencial, o sistema verifica se as correntes individuais dos fios são altas enquanto a soma permanece abaixo de um limite de loop específico (valor de experiência: < 5 A), indicando um loop localizado.
  • Se um alarme de diferença de potencial estiver ativo, os limites para $I_P$ e $I_K$ são dinamicamente relaxados para considerar o cancelamento de fase e o dano de isolação simultâneo em múltiplos cabos.

Implementação do Sistema
Um sistema de monitoramento foi desenvolvido compreendendo uma estação de trabalho mestre na sala de relés e múltiplas Unidades de Aquisição de Dados (DAUs) implantadas nos pátios de manobra de subestações de 500kV. As DAUs coletam os dados elétricos e transmitem via fibra óptica para a estação central para análise e geração de alarmes.

Resultados
O sistema foi implantado em duas subestações de 500kV na rede elétrica de Nanjing (Jiangsu, China) de 2020 a 2022. Durante um período de três anos, o sistema gerou 26 alarmes em 9 DAUs.

• Capacidade de Detecção: O método proposto (Método A) detectou com sucesso várias anomalias, incluindo 3 alarmes de diferença de potencial excessiva, 7 alarmes de sobrecorrente de aterramento de caixa, 8 alarmes de sobrecorrente de blindagem, 5 alarmes de sobrecorrente de armadura e 3 alarmes de sobrecorrente de loop.
• Comparação: Em contraste, o método convencional (Método B), baseado em inspeção manual e termografia infravermelha, detectou apenas uma fração desses eventos (por exemplo, detectando apenas 1 sobrecorrente de camada de blindagem e 1 sobrecorrente de loop, de um total de 8 e 3 detectados pelo novo sistema, respectivamente).
• Achados Específicos: Uma DAU registrou uma corrente máxima de camada de blindagem de aproximadamente 27 A, e outra registrou uma corrente de loop máxima de aproximadamente 49 A, confirmando a capacidade do sistema de capturar condições de alto risco que provavelmente seriam perdidas pelas verificações manuais.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que este trabalho estabelece uma base para a ampla aplicação de monitoramento e alerta precoce para o superaquecimento de cabos em subestações de alta tensão. As principais contribuições são:

1. Viabilidade do Monitoramento Online: Demonstrar que o monitoramento online de características elétricas específicas é uma solução viável para as limitações da inspeção manual em regiões de forte campo eletromagnético.
2. Discriminação Composta: A introdução de uma lógica de cinco critérios que distingue efetivamente diferentes tipos de falhas (diferenças de potencial, sobrecorrentes de terra e formações de loop) em vez de depender de uma única métrica.
3. Manutenção Inteligente: A implementação bem-sucedida do sistema em subestações de 500kV verifica sua confiabilidade e viabilidade, fornecendo uma base para integrar o monitoramento de cabos em estruturas de manutenção inteligente mais amplas.

O artigo conclui observando que trabalhos futuros envolverão a generalização das funções do sistema, incorporando monitoramento por fibra, e integrando com tecnologias de computação de borda e 5G para melhorar a eficiência e a interoperabilidade com outros subsistemas, como sistemas de inspeção por robôs.