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OS RESISTORES TÊM UM PAPEL VITAL EM SENSORES SMART GRID

Por: T&DWorld | Tradução: Power On Tecnologia. | Patrocínio: EBG Resistors

Freqüentemente chamada de "Internet da eletricidade", a Smart Grid oferece às operadoras de serviços públicos os novos recursos de que precisam para se manter competitivas e sustentáveis no século 21, mas também estão colocando novas demandas nos sensores de energia que usam para monitorar a tensão, sinais atuais e outros sinais vitais em pontos críticos em toda a cadeia de distribuição. Para que a rede inteligente perceba maior eficiência, maior confiabilidade e maior integração de fontes de energia renováveis, os sensores de energia que atuam como os "olhos e ouvidos" das redes devem ser mais precisos, responsivos e confiáveis do que os usados para monitorar as redes de

distribuição atuais. Para atender a esses desafios, os projetistas de sensores devem ter certeza de que os componentes que realizam a detecção são tão inteligentes quanto as redes que monitoram.


Compilamos esta série de perguntas frequentes para ajudar os projetistas e gerentes de tecnologia a compreender os novos requisitos que estão sendo colocados nos sensores de potência usados em aplicações de Smart Grid e como esses requisitos afetam a seleção de seus componentes de detecção de tensão.


As redes inteligentes permitem interações bidirecionais inteligentes entre fontes de energia, redes de transmissão e distribuição de energia e usuários de energia.

Fonte: NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards, Versão 3.






O que é Smart Grid e qual o papel dos sensores na modernização da rede?

A Força Tarefa da Comissão da União Europeia para Smart Grids define Smart Grid como “uma rede elétrica que pode integrar de maneira econômica o comportamento e as ações de todos os usuários conectados a ela - geradores, consumidores e aqueles que fazem ambos” (1)


As redes inteligentes contarão com uma rede distribuída de sensores para fornecer informações precisas e em tempo real sobre pontos críticos em sua rede de distribuição. Os dados do sensor fornecem ao sistema de controle Smart Grid uma imagem detalhada das condições ao longo sua rede, permitindo-lhe responda rapidamente a condições de carga e pontos problemáticos variáveis. Isso permite que as operadoras façam um uso mais eficiente da capacidade de geração existente e reduzam as interrupções de serviço para menores custos operacionais, maiores lucros e maior satisfação do cliente. Os operadores podem despachar com precisão a quantidade de energia necessária, permitindo uma eficiência 3% a 5% maior que vai diretamente para os resultados financeiros do operador.

As interações em tempo real possibilitadas pela tecnologia Smart Grid também permitem que as operadoras integrem quantidades muito maiores de energias renováveis que variam no tempo, como solar e eólica, em sua linha de base do que os 5% -10% que as "redes burras" podem acomodar.


Como funcionam os sensores Smart Grid e onde são usados dentro da rede?

Os sensores Smart Grid medem a tensão, a corrente, o fator de potência e outros valores-chave em pontos da rede de transmissão e distribuição e os retransmitem para o centro de controle da operadora por meio de uma rede sem fio. Ao implantar sensores em todas as redes de transmissão e distribuição, seus operadores podem identificar picos de carga, quedas de carga, uso de energia e outros eventos a tempo de responder antes que se tornem problemas. Os sensores Smart Grid também fornecem informações que permitem que os operadores identifiquem os locais das falhas de energia, permitindo que as equipes de reparos sejam despachadas rapidamente, em vez de esperar para saber sobre o problema de um cliente irritado sentado no escuro.

O valor mais comum que os sensores monitoram é a tensão que, dependendo da localização, normalmente varia entre 1-2 quilovolts e 230kV. Na maioria dos casos, esses níveis estão muito além do que um sensor de tensão pode medir com segurança e sem risco de danos. Em vez de medição direta, um circuito divisor de tensão é usado. Consiste em dois componentes resistivos ou capacitivos colocados em série, a fim de produzir uma versão mais baixa e precisamente reduzida da tensão da linha que está dentro da faixa do circuito de medição.

Os divisores de tensão vêm em dois "sabores":

Divisores resistivos: O circuito divisor clássico usa dois resistores em série para produzir uma tensão de saída (Vout) que é uma fração da tensão de entrada por uma proporção de resistores: o resistor inferior dividido pela soma dos resistores.

Divisores capacitivos: Como os capacitores demonstram uma impedância reativa na presença da frequência da linha CA da rede, é relativamente simples calcular os valores para dois componentes que produzirão um Vout dentro da faixa dos componentes eletrônicos do sensor. (3)


Quais são os diferentes tipos de sensores de Smart Grid?

Além de detectar a tensão da linha, os circuitos divisores de tensão desempenham papéis importantes na detecção de outros valores críticos, incluindo corrente, fator de potência, distorção harmônica e potência real vs. reativa. Esses sensores são usados para monitorar pontos em toda a rede de transmissão e distribuição. Por exemplo, os sensores autônomos podem ser pendurados diretamente nas linhas de transmissão e distribuição (sensores de montagem de condutor) ou como sensores do tipo topo de poste (sensor posterior). Além disso, os fabricantes de equipamentos estão começando a incorporar sensores inteligentes diretamente em produtos como religadores, transformadores e gabinetes de montagem subterrâneos.


Como os requisitos para sensores Smart Grid diferem daqueles usados em redes “burras”?

As redes inteligentes são tão inteligentes quanto as informações que obtêm sobre sua rede. Como resultado, seus sensores devem fornecer informações precisas, confiáveis e oportunas ao longo de décadas de serviço e sob uma ampla gama de condições desafiadoras.


Latência: sempre há um pequeno atraso quando um sensor converte uma tensão ou outra variável do mundo real em dados digitais que podem ser compreendidos pelo Smart Grid. Essa latência se deve a uma série de fatores, incluindo o tempo de estabilização do sensor - ou seja, o tempo que a tensão dentro do elemento de detecção leva para atingir o equilíbrio com o ponto que ele está monitorando.


Precisão: uma vez que os sensores de potência operam sob tais condições exigentes, existem vários tipos de precisão a serem considerados:

Estabilidade de temperatura (também conhecido como TCR): Os valores dos resistores e capacitores tendem a variar ligeiramente com a temperatura, com a quantidade de desvio por grau referido como coeficiente de temperatura (TCR). Quaisquer erros são agravados pelas condições externas extremas em que os sensores Smart Grid devem operar.

Estabilidade de tensão (também conhecido como VCR): As variações de tensão também causam mudanças nos valores dos componentes de detecção usados nos divisores de tensão.

Estabilidade ao longo do tempo: A exposição prolongada a temperaturas extremas e altas tensões pode fazer com que os capacitores e resistores se degradem ao longo do ciclo de vida de mais de 30 anos normalmente esperado de equipamentos de utilidade pública.


Por que os resistores são a melhor escolha para divisores de tensão usados em sensores Smart Grid?

Agora que definimos claramente os requisitos para os divisores de tensão usados nos sensores Smart Grid, vamos comparar como resistores e capacitores os atendem:

Latência: O tempo de estabilização de um divisor de tensão é amplamente determinado pelo tempo que leva para colocar qualquer capacitância no circuito em equilíbrio com a tensão da linha. Embora os resistores tenham algum pequeno nível de capacitância parasita, ele é várias ordens de magnitude menor do que o que está presente em um circuito divisor capacitivo. Conseqüentemente, os resistores têm tempos de estabilização muito mais curtos, o que resulta em uma latência muito menor.

Estabilidade de temperatura (TCR): Os capacitores são compostos por camadas alternadas de materiais dielétricos e condutores e, em alguns casos, um líquido eletrolítico. Sua capacitância tende a variar ligeiramente com a temperatura à medida que os materiais que compõem essas estruturas complexas se expandem e entram em contato. Em contraste, os resistores de óxido metálico e filme espesso que são usados com mais frequência em aplicações de alta tensão oferecem TCRs extremamente baixos, normalmente em torno de 25 ppm com valores ainda mais baixos possíveis.

Estabilidade de tensão (VCR): Capacitores e resistores exibem variações em suas propriedades elétricas à medida que tensões cada vez mais altas são aplicadas, mas os resistores de óxido metálico e de filme espesso variam muito menos do que os elementos capacitivos. Resistores de filme espesso de qualidade normalmente oferecem um VCR em torno de 0,03 ppm / V.

Estabilidade ao longo do tempo: Graças à sua construção mais simples e robusta, os resistores estão menos sujeitos do que os capacitores às mudanças físicas e às mudanças resultantes nos valores dos componentes, que podem ocorrer durante décadas de exposição às condições externas. Da mesma forma, as películas resistivas e os substratos cerâmicos robustos que formam os corpos do resistor são mais resistentes à quebra relacionada ao envelhecimento do que a maioria dos materiais dielétricos usados em capacitores, e a estabilidade dos resistores de película espessa realmente fica melhor quanto mais eles são usados.


Conclusão

Para cumprir a promessa de maior eficiência, maior confiabilidade e um futuro mais sustentável, as redes inteligentes exigirão sensores que forneçam alta precisão, alta confiabilidade e baixa latência.

Os elementos divisores de tensão capacitivos estão lutando para atender a esses novos requisitos rigorosos. Ao mesmo tempo, resistores de filme espesso e óxido

de metal de alto desempenho, como os oferecidos pela EBG, oferecem o desempenho e a confiabilidade de longa distância que os projetistas de sensores Smart Grid precisam para atender aos requisitos de hoje - e aos desafios de amanhã.


Referências:

1. Expert Group 1, EU Commission Task Force for Smart Grids. (2010).

“Functionalities of smart grids and smart meters, http://www.ieadsm.org/”

2. Kuphaldt, T., Starck, J., LaPlante, R. (2000-2017). “Lessons In Electric Circuits, Divider Circuits and Kirchhoff’s Laws”

3. Electronics Hub (2015). “Electronics Hub Tutorials: Capacitive Voltage Divider”

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