Esta pesquisa apresenta uma metodologia, baseada em duas técnicas não invasivas para identificação e diagnóstico de pontos quentes em transformadores de potência durante plena operação ou em fase de projeto. A primeira técnica é baseada na medição de radiação infravermelha, emitida pelo equipamento em funcionamento e registrada por meio de análise termográfica. A segunda técnica é possível a partir do conhecimento prévio das características construtivas do transformador, fazendo uso do Método dos Elementos Finitos (MEF). A segunda técnica pode ser validada a partir das medições realizadas utilizando a primeira técnica. A formação de gases no interior dos transformadores de potência, devido à elevação da temperatura do óleo isolante em função dos pontos quentes, é discutida em detalhes com base nas normas técnicas estabelecidas pelo IEEE e IEC. As técnicas e procedimentos abordados ao longo dessa pesquisa foram obtidos a partir de um transformador com potência nominal de 120 MVA e relação de tensão 13,8/230 kV, projetado para integrar uma fazenda eólica ao Sistema Interligado Nacional (SIN). / This research presents a methodology based on two noninvasive techniques for identification and diagnostic of hot spots in power transformers during operation or project development. The first is based on measurements of infrared radiation from the equipment during operation and recording by thermography. The second technique is possible from the previous knowing of the constructive characteristics of the power transformer, by using the Finite Element Method (FEM). The second technique can be validated from measurements obtained using the first technique. The gas formation into the power transformers, because of the high temperatures in the insulating oil due to the hot spots, is discussed in details based on normative recommendations well established by the IEEE and IEC. All techniques and procedures to be approached in this research were obtained using a 120-MVA power transformer with voltage relationship of 13.8/230 kV that was projected to interconnect a wind farm to the Interconnected Brazilian System (Sistema Interligado Nacional - SIN).

Existem inúmeras ferramentas e metodologias para o diagnóstico de falhas em transformadores de potência, tanto para a monitoração e acompanhamento do equipamento em operação (planta fixa) como àquele retirado e abrigado em laboratórios de unidades fabris. Em função dos custos envolvidos no transporte dos equipamentos, manuseio para a substituição, energia não faturada nos períodos de manobras e custos adicionais dos ensaios para voltar com o equipamento em operação, as principais metodologias que se destacam são aquelas direcionadas ao equipamento em operação e também as escolhidas para serem analisadas neste trabalho. Após um estudo sistemático dessas metodologias, tais como termográfica, emissão acústica e análise dos gases dissolvidos no óleo, denominada cromatografia, verificou-se que esta última se destaca como a mais econômica e a mais difundida na identificação das falhas. Contudo, na cromatografia, existem diferentes critérios de análise baseados nas relações e quantidades de diferentes tipos de gases e que são usados pelas companhias concessionárias de forma indiscriminada, gerando muitas dúvidas quanto à sua validade. Esta pesquisa teve como principal foco a comparação desses critérios usando como base de dados àqueles fornecidos pela IEC e pela Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL). A base de dados da CPFL contem aproximadamente quatro mil ensaios cromatográficos, colhidas nas ultimas três décadas correspondendo a 500 unidades transformadoras, nas potências de 5,0 a 50 MVA, instaladas em subestações nas tensões primárias de 69 e 138 kV, e secundária de 13,8 kV. Também fez parte dessa pesquisa a definição de um conjunto de critérios que melhor identificam as falhas em transformadores. / There are numerous tools and methodologies for fault diagnosis in power transformers, either for monitoring and tracking equipment in operation (fixed plant) or for those removed and housed in laboratories plants. Due to the costs involved in transporting the equipment, handling for the replacement, unbilled energy during periods of maneuvers and additional costs of the tests to return with the equipment in operation, the main methodologies that stand out are those using the equipment in operation and also those chosen to be analyzed in this work. After a systematic study of these methods such as thermography, and acoustic emission and analysis of gases dissolved in the oil, known as chromatography, it was found that the latter stands out as the most economical and most widely in the identification of faults. However, in chromatography, there are different criteria based on the relationships of different types and quantities of gases that are used by electrical companies indiscriminately, raising many questions about its validity. This research was mainly focused on the comparison of these criteria using the database as those provided by IEC and the Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL). The database of CPFL contains approximately four thousand chromatographic assays from the last three decades, corresponding 500 transforming units, from 5 to 50 MVA, in substations with primary voltages of 138 kV and 69 and secondary of 13,8 kV. Was also studied the definition of a set of criteria which identify faults in transformers.

Existem inúmeras ferramentas e metodologias para o diagnóstico de falhas em transformadores de potência, tanto para a monitoração e acompanhamento do equipamento em operação (planta fixa) como àquele retirado e abrigado em laboratórios de unidades fabris. Em função dos custos envolvidos no transporte dos equipamentos, manuseio para a substituição, energia não faturada nos períodos de manobras e custos adicionais dos ensaios para voltar com o equipamento em operação, as principais metodologias que se destacam são aquelas direcionadas ao equipamento em operação e também as escolhidas para serem analisadas neste trabalho. Após um estudo sistemático dessas metodologias, tais como termográfica, emissão acústica e análise dos gases dissolvidos no óleo, denominada cromatografia, verificou-se que esta última se destaca como a mais econômica e a mais difundida na identificação das falhas. Contudo, na cromatografia, existem diferentes critérios de análise baseados nas relações e quantidades de diferentes tipos de gases e que são usados pelas companhias concessionárias de forma indiscriminada, gerando muitas dúvidas quanto à sua validade. Esta pesquisa teve como principal foco a comparação desses critérios usando como base de dados àqueles fornecidos pela IEC e pela Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL). A base de dados da CPFL contem aproximadamente quatro mil ensaios cromatográficos, colhidas nas ultimas três décadas correspondendo a 500 unidades transformadoras, nas potências de 5,0 a 50 MVA, instaladas em subestações nas tensões primárias de 69 e 138 kV, e secundária de 13,8 kV. Também fez parte dessa pesquisa a definição de um conjunto de critérios que melhor identificam as falhas em transformadores. / There are numerous tools and methodologies for fault diagnosis in power transformers, either for monitoring and tracking equipment in operation (fixed plant) or for those removed and housed in laboratories plants. Due to the costs involved in transporting the equipment, handling for the replacement, unbilled energy during periods of maneuvers and additional costs of the tests to return with the equipment in operation, the main methodologies that stand out are those using the equipment in operation and also those chosen to be analyzed in this work. After a systematic study of these methods such as thermography, and acoustic emission and analysis of gases dissolved in the oil, known as chromatography, it was found that the latter stands out as the most economical and most widely in the identification of faults. However, in chromatography, there are different criteria based on the relationships of different types and quantities of gases that are used by electrical companies indiscriminately, raising many questions about its validity. This research was mainly focused on the comparison of these criteria using the database as those provided by IEC and the Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL). The database of CPFL contains approximately four thousand chromatographic assays from the last three decades, corresponding 500 transforming units, from 5 to 50 MVA, in substations with primary voltages of 138 kV and 69 and secondary of 13,8 kV. Was also studied the definition of a set of criteria which identify faults in transformers.

The dissertation studies the nonlinear resonance problems of power systems. Generally speaking, ferroresonance has usually occurred in low-voltage distribution system, especially for potential transformers. Due to the considerable increase of power consumption, the power system is more complex than before. Besides, a number of under-ground cables are used, and transformers¡¦ loss reduce due to improvement of core iron material. These factors could probably result in ferroresnance occurring in extra-high-voltage power system. The dissertation proposed three-phase representation method to analyze unbalance and non-linear system. This method employ magnetically coupled electrical circuit techniques and the original voltage equations can be used without the need for any transformations, which improves significantly computation accuracy. Consequently, it is quite suitable for power system design and incident investigation. Since the traditional d-q-0 model is not well suited for the study of unbalanced faults and requires further transformation, the analytical solution becomes rather complicated and the solutions are still inaccurate. At last we simulated the ferroresonant overvoltages occurring at a nuclear power station in Taiwan in order to investigate the causes and afford mitigation. The simulation results were enough to prove accuracy and practicability of this method.

O crescente aumento na demanda de energia elétrica nacional, associada às alterações regulamentares do setor, em que o tempo que um equipamento permanece indisponível para o sistema, aguardando manutenção significa perda de receita para as companhias de energia, motivou a busca por diagnósticos precisos e utilização de técnicas não invasivas que possam ser aplicadas em transformadores em serviço. Assim, o foco desta pesquisa foi o desenvolvimento de uma arquitetura de sistema inteligente baseado em Redes Neurais Artificiais, que a partir de características extraídas de sinais de emissão acústicas provenientes de sensores distribuídos espacialmente no tanque de transformadores de potência, possa identificar internamente o local de ocorrência das descargas parciais e fornecer as distâncias estimadas entre os sensores e o ponto dessa descarga, e com essas distâncias, utilizando técnicas numéricas de triangulação, o sistema fornece também a coordenada espacial da falha auxiliando no diagnostico de defeito do transformador e no processo de tomada de decisões. / The increasing in the demand for national electrical energy coupled with alterations in the regulation of the sector, where the time which a piece of the electrical system equipment stays out of service means loss of income for the electrical companies, has motivated the search for correct diagnostics and usage of non-invasive technics that can be used in tranformers which are in operation. Therefore, the aim of this research was to develop the design of an intelligent system based on Artificial Neural Nets, which through the characteristics extracted from the acoustic emission signals coming from the sensors spatially distributed in the power transformer tank can identify internally the place of the occourrence of the partial discharges and provide the estimate distances between the sensors and the discharges point, so with these distances using triangle technical analysis the system will also provide the spatial coordinate of the flaw for diagnosing the problem with the transformer and help the process of decision making.

Le travail de cette thèse avait pour objectif de contribuer à apporter de solutions au problème de surveillance des transformateurs par le biais des analyses de l'huile. La méthodologie et les résultats présentés s'appuient sur des cas concrets de transformateurs expertisés et des analyses d'huile réalisées en laboratoire. Les règles de diagnostic pour les grandeurs physico-chimiques ont été établies pour chaque équipement électrique et pour chaque type de fluide. Ces règles ont montré l'importance des paramètres liés à l'échantillonnage, à la méthode d'analyse et à la conception du transformateur et notamment l'importance du régleur en charge. Un lien entre analyse, défaut et origine du défaut a été établi et constitue la base de l'outil de diagnostic proposé. Ainsi l'outil identifie, à l'aide des analyses physico-chimiques réalisées sur le fluide, des défauts possibles et propose des origines de panne du transformateur. Finalement, une piste de pronostic d'état est abordée afin de développer le diagnostic. / The scope of this thesis was designed to contribute to solving the transformer monitoring problem of monitoring of transformers by analyses oil. The methodology and the results presented are based on concrete cases of assessed de-tanked transformers and oil analysis laboratory. The rules of diagnosis for physicochemical quantities have been established for each electrical equipment and for each type of fluid. These rules showed the importance of the sampling parameters, the method of analysis and the design of the transformer and especially the significance of the on load tap changer. A link between analysis, defect and origin of the defect was established which is the basis of the proposed diagnosis tool. Thanks to the chemical analyses, this tool enables to identify potential defects in the transformer and reveals some origins of failures.

A qualidade e a continuidade do fornecimento de energia elétrica aos consumidores são fatores muito importantes quando da avaliação da eficiência de um sistema elétrico de potência. Nesse contexto, os transformadores são equipamentos muito importantes e demandam especial atenção quando do projeto do esquema de proteção. Apesar do crescente desenvolvimento das metodologias de proteção de transformadores trifásicos, alguns aspectos ainda não foram totalmente solucionados. Um desses diz respeito à proteção diferencial de transformadores de potência, a qual apresenta vários problemas na discriminação de faltas internas ao transformador. A geração de correntes diferenciais provocada por fenômenos transitórios, como a energização do transformador, produz a incorreta operação do relé, ocasionando uma queda na eficiência do esquema de proteção diferencial. Assim sendo, o presente trabalho apresenta uma nova metodologia de proteção diferencial de transformadores trifásicos, a qual utiliza a transformada wavelet para extrair os sinais transitórios dominantes induzidos pelas faltas internas. A transformada wavelet é uma eficiente ferramenta utilizada no estudo de sinais não-estacionários e de rápida transição. De forma a atender os principais problemas do esquema convencional de proteção, a transformada wavelet discreta é utilizada para decompor os sinais de corrente diferencial em várias faixas de freqüências. Após essa decomposição, a variação de energia espectral dos coeficientes de detalhe wavelet é analisada pelo algoritmo proposto, e assim uma discriminação entre faltas internas e correntes de magnetização, ou correntes inrush, é feita. Usando um modelo elaborado de um sistema elétrico de transmissão são efetuadas rigorosas simulações computacionais para avaliar o desempenho do algoritmo proposto. Os resultados obtidos nessas simulações mostram que a metodologia de proteção diferencial de transformadores trifásicos baseada na variação de energia espectral dos coeficientes wavelets apresenta um ótimo desempenho quando comparada com a metodologia de proteção convencional. / Power supply quality and continuity are very important aspect when assessing the efficiency of an electric power system. In this context, the transformers are key equipments that require special attention during the protection scheme design. Despite the increasing development of methodologies for three-phase transformers protection, some aspects have not yet been fully studied. One of these aspects concerns to the differential protection of power transformers, which presents several restrictions regarding the characterization of internal faults. The observation of differential currents caused by transient phenomena such as transformer energization, produces an incorrect operation of protective relaying, causing a drop in the protection scheme efficiency. Therefore, this work presents a new methodology for differential protection of three-phase transformers using the wavelet transform to extract the transient signals induced by the dominant internal faults. The wavelet transform is an efficient tool in the study of non-stationary signals with fast transients. In order to overcome the main problems of the traditional protection scheme, the discrete wavelet transform is used to decompose the differential current signals into several bands of frequencies. After this decomposition, the spectral energy variation of the wavelet detail coefficients is analyzed by the proposed algorithm and, thus, classification between internal faults, external faults and inrush currents is performed. Using a transmission system model, accurate simulations are performed to evaluate the computational performance of the proposed protection algorithm. The results obtained in these simulations show that the proposed methodology has a great performance when compared with traditional protection philosophies.

Este trabalho fundamenta-se no desenvolvimento e aprimoramento de uma metodologia de proteção diferencial de Transformadores de Potência. A metodologia desenvolvida avalia eventos transitórios que dificultam a operação correta de relés diferenciais aplicados à proteção de transformadores. O estudo concentra-se no estabelecimento de contribuições ao estado da arte associadas à análise de sinais de corrente diferenciais geradas tanto por faltas internas e externas quanto por distúrbios transitórios. A concepção da metodologia proposta baseou-se na quantificação da energia espectral gerada a través dos coeficientes de detalhe da Transformada Wavelet Discreta. A metodologia de proteção proposta foi desenvolvida em ambiente MATLAB® e testada por meio de simulações realizadas através do software ATP/EMTP (Alternative Transients Program/Electromagnetic Transients Program). Os resultados da pesquisa mostram a aplicabilidade do algoritmo de proteção, mesmo nas condições mais adversas, como na ocorrência da saturação dos transformadores de corrente. / This work is based on the development and improvement of a methodology to differential protection of power transformer. The proposed methodology evaluates transient events that difficult the correct operation of differential relays applied to transformer protection. The study establishes contributions to the state of the art related to differential current analysis generated by internal and external faults and transient disturbance. The conception of the proposed methodology was based on the spectral energies variation generated by each event and calculated through the detail coefficient of Discrete Wavelet Transform. The proposed methodology was developed in MATLAB® environment and tested through several simulations performed with the ATP/EMTP software (Alternative Transients Program / Electromagnetic Transients Program). The results of the research show the applicability of the protection algorithms, even in adverse conditions, such as saturation of current transformers.

A qualidade e a continuidade do fornecimento de energia elétrica aos consumidores são fatores muito importantes quando da avaliação da eficiência de um sistema elétrico de potência. Nesse contexto, os transformadores são equipamentos muito importantes e demandam especial atenção quando do projeto do esquema de proteção. Apesar do crescente desenvolvimento das metodologias de proteção de transformadores trifásicos, alguns aspectos ainda não foram totalmente solucionados. Um desses diz respeito à proteção diferencial de transformadores de potência, a qual apresenta vários problemas na discriminação de faltas internas ao transformador. A geração de correntes diferenciais provocada por fenômenos transitórios, como a energização do transformador, produz a incorreta operação do relé, ocasionando uma queda na eficiência do esquema de proteção diferencial. Assim sendo, o presente trabalho apresenta uma nova metodologia de proteção diferencial de transformadores trifásicos, a qual utiliza a transformada wavelet para extrair os sinais transitórios dominantes induzidos pelas faltas internas. A transformada wavelet é uma eficiente ferramenta utilizada no estudo de sinais não-estacionários e de rápida transição. De forma a atender os principais problemas do esquema convencional de proteção, a transformada wavelet discreta é utilizada para decompor os sinais de corrente diferencial em várias faixas de freqüências. Após essa decomposição, a variação de energia espectral dos coeficientes de detalhe wavelet é analisada pelo algoritmo proposto, e assim uma discriminação entre faltas internas e correntes de magnetização, ou correntes inrush, é feita. Usando um modelo elaborado de um sistema elétrico de transmissão são efetuadas rigorosas simulações computacionais para avaliar o desempenho do algoritmo proposto. Os resultados obtidos nessas simulações mostram que a metodologia de proteção diferencial de transformadores trifásicos baseada na variação de energia espectral dos coeficientes wavelets apresenta um ótimo desempenho quando comparada com a metodologia de proteção convencional. / Power supply quality and continuity are very important aspect when assessing the efficiency of an electric power system. In this context, the transformers are key equipments that require special attention during the protection scheme design. Despite the increasing development of methodologies for three-phase transformers protection, some aspects have not yet been fully studied. One of these aspects concerns to the differential protection of power transformers, which presents several restrictions regarding the characterization of internal faults. The observation of differential currents caused by transient phenomena such as transformer energization, produces an incorrect operation of protective relaying, causing a drop in the protection scheme efficiency. Therefore, this work presents a new methodology for differential protection of three-phase transformers using the wavelet transform to extract the transient signals induced by the dominant internal faults. The wavelet transform is an efficient tool in the study of non-stationary signals with fast transients. In order to overcome the main problems of the traditional protection scheme, the discrete wavelet transform is used to decompose the differential current signals into several bands of frequencies. After this decomposition, the spectral energy variation of the wavelet detail coefficients is analyzed by the proposed algorithm and, thus, classification between internal faults, external faults and inrush currents is performed. Using a transmission system model, accurate simulations are performed to evaluate the computational performance of the proposed protection algorithm. The results obtained in these simulations show that the proposed methodology has a great performance when compared with traditional protection philosophies.

Este trabalho fundamenta-se no desenvolvimento e aprimoramento de uma metodologia de proteção diferencial de Transformadores de Potência. A metodologia desenvolvida avalia eventos transitórios que dificultam a operação correta de relés diferenciais aplicados à proteção de transformadores. O estudo concentra-se no estabelecimento de contribuições ao estado da arte associadas à análise de sinais de corrente diferenciais geradas tanto por faltas internas e externas quanto por distúrbios transitórios. A concepção da metodologia proposta baseou-se na quantificação da energia espectral gerada a través dos coeficientes de detalhe da Transformada Wavelet Discreta. A metodologia de proteção proposta foi desenvolvida em ambiente MATLAB® e testada por meio de simulações realizadas através do software ATP/EMTP (Alternative Transients Program/Electromagnetic Transients Program). Os resultados da pesquisa mostram a aplicabilidade do algoritmo de proteção, mesmo nas condições mais adversas, como na ocorrência da saturação dos transformadores de corrente. / This work is based on the development and improvement of a methodology to differential protection of power transformer. The proposed methodology evaluates transient events that difficult the correct operation of differential relays applied to transformer protection. The study establishes contributions to the state of the art related to differential current analysis generated by internal and external faults and transient disturbance. The conception of the proposed methodology was based on the spectral energies variation generated by each event and calculated through the detail coefficient of Discrete Wavelet Transform. The proposed methodology was developed in MATLAB® environment and tested through several simulations performed with the ATP/EMTP software (Alternative Transients Program / Electromagnetic Transients Program). The results of the research show the applicability of the protection algorithms, even in adverse conditions, such as saturation of current transformers.