CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O monitoramento e o diagnÃstico de falhas incipientes em transformadores de potÃncia imersos em Ãleo estÃo diretamente relacionados à avaliaÃÃo das condiÃÃes do sistema de isolamento. Neste estudo, estabelece-se o conceito de monitoramento e diagnÃstico, e em seguida tÃcnicas de monitoramento on-line sÃo discutidas. Um sistema de prÃ-diagnÃstico à elaborado baseado na utilizaÃÃo de um dispositivo on-line de monitoramento, Hydran da GE, para classificar a gravidade da situaÃÃo de falha detectada. Uma vez detectada uma situaÃÃo de falha, mÃdulos inteligentes de diagnÃstico de falhas incipientes, via redes neurais, podem ser utilizados para identificaÃÃo da falha interna do equipamento. Para completar a verificaÃÃo da qualidade dielÃtrica do lÃquido isolante, tambÃm à descrito um algoritmo inteligente, baseado em redes neurais, para diagnÃstico do estado do Ãleo atravÃs das grandezas fÃsico-quÃmicas. A relaÃÃo entre os atributos fÃsico-quÃmicos e as grandezas cromatogrÃficas referente ao Ãleo mineral tambÃm foram averiguadas. Foi desenvolvida, entÃo, a estimaÃÃo dos gases dissolvidos atravÃs das caracterÃsticas fÃsico-quÃmicas. Os mÃdulos de monitoramento on-line, diagnÃsticos do estado do Ãleo e de falhas incipientes, alÃm da estimaÃÃo dos gases dissolvidos, perfazem um sistema computacional de auxÃlio à operaÃÃo e manutenÃÃo. O sistema implementado apresenta resultados satisfatÃrios na implantaÃÃo em uma planta de usina termelÃtrica. / The monitoring and diagnosis of incipient fault in power transformers immerses in oil are directly related to the assessment of the isolation system conditions. In this research, it is established the concept of monitoring and diagnosis, after that, on-line monitoring techniques are discussed. A pre-diagnosis system is elaborated based on use of a monitoring on-line device, Hydran GE, to classify the situation gravity of the detected fault. Once detected a fault situation, intelligent modules of incipient fault diagnosis, by neural networks, can be used to identification of internal fault of the equipment. To complete the checking of the dielectric quality of the isolate liquid, it is also described an intelligent algorithm, based on neural networks, to diagnosis of the oil estate through physical-chemical attribute. The relation between physical-chemical attributes and chromatographic ones regarding to mineral oil were also verified. It was developed, then, the dissolved gases esteem through physicalchemical characteristics. The on-line monitoring modules, diagnosis of oil estate and incipient fault, besides dissolved gases esteem, constitute a computation aid system to operation and maintenance. The implemented system presents satisfied results in a thermoelectric power plant.

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.

Os transformadores de potência elétrica produzem um elevado nível de ruído que em alguns casos gera desconforto à comunidade vizinha. O presente trabalho desenvolve um modelo estrutural de elementos nitos que, com carregamento adequado, é capaz de reproduzir o deslocamento, medido durante a operação, de um transformador de potência elétrica. Este modelo estrutural é utilizado para calcular a redução do deslocamento das superfícies deste transformador decorrentes do emprego de absorvedores dinâmicos de vibração. Este modelo estrutural foi desenvolvido para estimar o número de absorvedores dinâmicos, sua massa e sua localização que permitiria reduzir o ruído acústico emitido por este transformador de potência até alcançar níveis de intensidade de som em comformidade com a legislação brasileira. / Electrical power transformers produce a high level of noise, which, in some cases, generate discomfort to the surrounding community. The present work develops a structural model by the Finite Element Method that, with adequate loading conditions, is capable of reproducing the displacement, measured during operation, of the transformer tank. The structural model has been used to compute the displacement reduction of the transformer surfaces by using dynamic vibration absorbers. The structural model was developed to estimate the number of dynamic absorbers, the mass and localization that could reduce the acoustic noise to levels of intensity of sound in accordance to the Brazilian law.

This dissertation is a systematic study of artificial intelligence (AI) applications for the diagnosis of power transformer incipient fault. The AI techniques include artificial neural networks (ANN, or briefly neural networks - NN), expert systems, fuzzy systems and multivariate regression. The fault diagnosis is based on dissolved gas-in-oil analysis (DGA). A literature review showed that the conventional fault diagnosis methods, i.e. the ratio methods (Rogers, Dornenburg and IEC) and the key gas method, have limitations such as the "no decision" problem. Various AI techniques may help solve the problems and present a better solution. Based on the IEC 599 standard and industrial experiences, a knowledge-based inference engine for fault detection was developed. Using historical transformer failure data from an industrial partner, a multi-layer perceptron (MLP) modular neural network was identified as the best choice among several neural network architectures. Subsequently, the concept of a hybrid diagnosis was proposed and implemented, resulting in a combined neural network and expert system tool (the ANNEPS system) for power transformer incipient diagnosis. The abnormal condition screening process, as well as the principle and algorithms of combining the outputs of knowledge based and neural network based diagnosis, were proposed and implemented in the ANNEPS. Methods of fuzzy logic based transformer oil/paper insulation condition assessment, and estimation of oil sampling interval and maintenance recommendations, were also proposed and implemented. Several methods of power transformer incipient fault location were investigated, and a 7Ã 21Ã 5 MLP network was identified as the best choice. Several methods for on-load tap changer (OLTC) coking diagnosis were also investigated, and a MLP based modular network was identified as the best choice. Logistic regression analysis was identified as a good auditor in neural network input pattern selection processes. The above results can help developing better power transformer maintenance strategies, and serve as the basis of on-line DGA transformer monitors. / Ph. D.

Este trabalho apresenta um procedimento completo de simulação da proteção digital diferencial aplicada a transformadores de potência, visando o emprego deste à avaliação do comportamento de relés comercialmente disponíveis. Foi escolhido o software ATP (Alternative Transients Program) como ferramenta para a simulação de distintas situações sobre um sistema diferencial de proteção aplicado a um transformador de 25 MVA. Dentre as ocorrências evidenciadas, destacam-se: situações de faltas internas, faltas externas, situações de energização e energização com falta interna do transformador, condição de sobreexcitação e de saturação de TC (Transformador de Corrente). Cabe comentar que das simulações a real caracterização sobre o relé em teste, fez-se necessário todo um pré-processamento e análise da informação que será convenientemente abordada e justificada no trabalho apresentado, denotando-se um procedimento comum de teste a ser adotado a esta filosofia de proteção. A metodologia e esquema prático adotado trazem uma contribuição importante para a análise laboratorial de modelagens e simulações aplicadas a relés de proteção presentes no mercado e contribui de maneira substancial para os estudos teóricos de possíveis soluções para limitações eventualmente encontradas / This dissertation presents a complete procedure of simulation of digital differential protection applied to power transformers, focusing on its use to evaluate of the behavior of commercially available relays. Software ATP (Alternative Transients Program) was chosen as a tool for the simulation of distinct situations in a differential protection system applied to a 25 MVA three-phase transformer. Amongst the evidenced occurrences internal and external fault conditions, energization with or without internal fault of a three-phase transformer, overexcitation and CT (Current Transformer) saturation conditions were distinguished. It should be mentioned that from simulations to the characterization the real situations on the relay in test, a pre-processing and analysis of the information were necessary, and will be justified in the present study, denoting a common test procedure to be adopted to this philosophy of protection

É cada vez maior a preocupação com a poluição sonora gerada pelos transformadores de potência de subestações elétricas. Atualmente, o controle desse tipo de ruído é feito utilizando-se métodos passivos, que são caros e dificultam a manutenção dos transformadores. Uma alternativa para os métodos passivos é o controle ativo de ruído (ANC). Apesar de extensas pesquisas realizadas nas últimas três décadas, ainda não existem soluções comercialmente viáveis para o ANC de transformadores. As dificuldades para a aplicação bem sucedida do ANC para transformadores foram investigadas por meio de simulações e de testes com protótipo. Os três maiores obstáculos identificados foram: o posicionamento dos transdutores eletroacústicos; a obtenção de atenuação em uma região longe do transformador, usando um número reduzido de fontes de controle e de sensores de erro, os últimos colocados ainda na região de campo acústico próximo; e a identificação robusta do caminho secundário com baixa razão sinal/ruído. Os dois primeiros problemas foram abordados, analisando-se algumas alternativas de soluções. Algoritmos genéticos (GA) foram utilizados para a otimização da posição dos transdutores do sistema ANC. O desempenho desses algoritmos depende fortemente da modelagem acústica realizada e verificou-se que o método de Usry, escolhido para modelar o campo primário do transformador, não forneceu estimativa adequada. Usando um modelo mais simples de fonte primária, constatou-se a importância da função de mérito para o desempenho do GA. Também foi verificado que a otimização conjunta das posições dos transdutores fornece o mesmo resultado, e em menor tempo, que a otimização das posições das fontes de controle e dos sensores de erro separadamente. Simulações realizadas com uma nova estratégia de sensores virtuais (baseada no janelamento das fontes de controle) mostra que é possível aumentar o nível de atenuação longe do transformador, mesmo com um número pequeno de fontes de controle e sensores de erro. Testes com um protótipo de sistema ANC foram feitos em laboratório e em campo e os resultados desses testes são discutidos detalhadamente. / Concern regarding noise pollution caused by power transformers in electrical substations is increasing. Nowadays, this kind of noise is controlled using passive methods, which are expensive and make transformer maintenance more difficult. An alternative to passive methods is active noise control (ANC). However, despite extensive research undertaken in the last three decades, there is still no viable commercial solution for the active control of transformer noise. The difficulties for a successful implementation of an ANC solution in the case of power transformer noise are investigated through simulations and tests with a prototype. The three main obstacles found were: the positioning of the electro-acoustic transducers; the achievement of sufficient attenuation in a region far from the transformer, using a small number of control sources and error sensors (when the latter are positioned on the region of acoustic near-field); and the robust identification of the secondary path in a low signal/noise situation. The two former problems were dealt with, and some alternative solutions were analyzed. Genetic algorithms (GA) were used for the optimization of the transducers\' position. The performance of these algorithms is strongly related to the acoustical model used and it was verified that the Usry method, used for modelling the transformers primary field, did not result in an adequate estimate. Using a simplified model for the primary source, the importance of the cost function in the GA\'s performance was made evident. It was also verified that the joint optimization of transducers\' position provides the same result, and in shorter time, as the independent optimization of control source and error sensor positions. Simulations with a new virtual sensor strategy (based on windowing the control sources) show that it is possible to increase attenuation levels in a region far from the transformer, even with a small number of control sources and error sensors. Laboratory and field tests with an ANC system prototype were undertaken and the results of these tests are thoroughly discussed.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / A análise de gases dissolvidos tem sido aplicada há décadas como a principal técnica de manutenção preditiva para diagnosticar defeitos incipientes em transformadores de potência, tendo em vista que a decomposição do óleo mineral isolante produz gases que permanecem dissolvidos na fase líquida. Entretanto, apesar da importância desta técnica, os métodos de diagnóstico mais conhecidos são baseados em constatações de modelos termodinâmicos e composicionais simplificados para a decomposição térmica do óleo mineral isolante, em conjunto com dados empíricos. Os resultados de simulação obtidos a partir desses modelos não reproduzem satisfatoriamente os dados empíricos. Este trabalho propõe um modelo termodinâmico flexível aprimorado para mimetizar o efeito da cinética de formação de sólidos como restrição ao equilíbrio e seleciona, entre quatro modelos composicionais, aquele que apresenta o melhor desempenho na simulação da decomposição térmica do óleo mineral isolante. Os resultados de simulação obtidos a partir do modelo proposto apresentaram uma melhor adequação a dados empíricos do que aqueles obtidos a partir dos modelos clássicos. O modelo propostofoi, ainda, aplicado ao desenvolvimento de um método de diagnóstico com base fenomenológica.Os desempenhos desta nova proposta fenomenológica e de métodos clássicos de diagnóstico por análise de gases dissolvidos foram comparados e discutidos; o método proposto alcançou desempenho superior a vários métodos usualmente empregados nessa área do conhecimento. E, ainda, um procedimento geral para a aplicação do novo método de diagnóstico é descrito / The dissolved gas analysis has been applied for decades as the main predictive maintenance technique for diagnosing incipient faults in power transformers since the decomposition of the mineral insulating oil produces gases that remain dissolved in the liquid phase. Nevertheless, the most known diagnostic methods are based on findings of simplified thermodynamic and compositional models for the thermal decomposition of mineral insulating oil, in addition to empirical data. The simulations results obtained from these models do not satisfactorily reproduce the empirical data. This work proposes a flexible thermodynamic model enhanced to mimic the kinetic effect of solid formation as a restriction to equilibrium and selects, among four compositional models, the one offering the best performance on the simulation of the thermal decomposition of mineral insulating oil. The simulation results obtained from the proposed model showed better adequacy to reported data than the results obtained from the classical models. The proposed model was also applied in the development of a diagnostic method with a phenomenological basis. The performances of this new phenomenological proposition and of classical dissolved gas analysis diagnostic methods are compared and discussed; the proposed method achieved a performance superior to several methods usually employed in this area of knowledge.Also, a general procedure for the application of the new diagnostic method is described

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O diagnÃstico de falhas incipientes em transformadores de potÃncia imersos em Ãleo està diretamente relacionado à avaliaÃÃo das condiÃÃes do sistema de isolamento. Este estudo aborda a relaÃÃo entre os gases dissolvidos no Ãleo e a qualidade do Ãleo mineral isolante utilizado em transformadores de potÃncia. As redes neurais artificiais sÃo utilizadas na abordagem da avaliaÃÃo das condiÃÃes operacionais do Ãleo isolante em transformadores de potÃncia, que à caracterizada por um comportamento dinÃmico nÃo-linear. As condiÃÃes de operaÃÃo e a integridade do sistema de isolamento de um transformador de potÃncia podem ser inferidas atravÃs das anÃlises fÃsico-quÃmicas e cromatogrÃficas (AnÃlise de GÃs Dissolvido). Estes ensaios permitem estabelecer procedimentos de operaÃÃo e manutenÃÃo do equipamento e normalmente sÃo realizados simultaneamente. Esta tese de doutorado propÃe um mÃtodo que pode ser usado para extrair informaÃÃes cromatogrÃficas usando as anÃlises fÃsico-quÃmicas atravÃs de redes neurais artificiais. As anÃlises atuais das propriedades fÃsico-quÃmicas fornecem apenas diagnÃstico do estado do Ãleo, o que nÃo permite o diagnÃstico de falhas incipientes. Acredita-se que, as concessionÃrias de energia podem melhorar a confiabilidade na previsÃo de falhas incipientes a um custo menor com este mÃtodo, uma vez que apenas um ensaio à necessÃrio. Os resultados mostraram que esta estratÃgia à promissora com mÃdia de acertos em diagnÃsticos de falhas maiores que 72%. O objetivo deste trabalho à a aplicaÃÃo direta do diagnÃstico de falhas incipientes atravÃs da utilizaÃÃo de propriedades fÃsico-quÃmicas, sem a necessidade de fazer uma cromatografia do Ãleo. / The diagnosis of incipient fault in power transformers immerses in oil are directly related to the assessment of the isolation system conditions. This search is about the relationship between dissolved gases and the quality of the insulating mineral oil used in power transformers. Artificial Neural Networks are used to approach operational conditions assessment issue of the insulating oil in power transformers, which is characterized by a nonlinear dynamic behavior. The operation conditions and integrity of a power transformer can be inferred by analysis of physicochemical and chromatographic (DGA â Dissolved Gas Analysis) profiles of the isolating oil. This tests allow establishing procedures for operating and maintaining the equipment and usually are performed simultaneously. This work proposes a method that can be used to extract chromatographic information using physicochemical analysis through Artificial Neural Networks. The present analysis of physicochemical properties only provide a diagnostic tool for the oil quality, which does not allow the diagnosis of incipient faults. ItÂs believed that, the power utilities could improve reliability in the prediction of incipient failures at a lower cost with this method, since only one test is required. The results show this strategy might be promising with an average accuracy for diagnosis of faults greater than 72%. The purpose of this work is the direct implementation of the diagnosis of incipient faults through the use of physicochemical properties without the need to make an oil chromatography.

Este trabalho apresenta um procedimento completo de simulação da proteção digital diferencial aplicada a transformadores de potência, visando o emprego deste à avaliação do comportamento de relés comercialmente disponíveis. Foi escolhido o software ATP (Alternative Transients Program) como ferramenta para a simulação de distintas situações sobre um sistema diferencial de proteção aplicado a um transformador de 25 MVA. Dentre as ocorrências evidenciadas, destacam-se: situações de faltas internas, faltas externas, situações de energização e energização com falta interna do transformador, condição de sobreexcitação e de saturação de TC (Transformador de Corrente). Cabe comentar que das simulações a real caracterização sobre o relé em teste, fez-se necessário todo um pré-processamento e análise da informação que será convenientemente abordada e justificada no trabalho apresentado, denotando-se um procedimento comum de teste a ser adotado a esta filosofia de proteção. A metodologia e esquema prático adotado trazem uma contribuição importante para a análise laboratorial de modelagens e simulações aplicadas a relés de proteção presentes no mercado e contribui de maneira substancial para os estudos teóricos de possíveis soluções para limitações eventualmente encontradas / This dissertation presents a complete procedure of simulation of digital differential protection applied to power transformers, focusing on its use to evaluate of the behavior of commercially available relays. Software ATP (Alternative Transients Program) was chosen as a tool for the simulation of distinct situations in a differential protection system applied to a 25 MVA three-phase transformer. Amongst the evidenced occurrences internal and external fault conditions, energization with or without internal fault of a three-phase transformer, overexcitation and CT (Current Transformer) saturation conditions were distinguished. It should be mentioned that from simulations to the characterization the real situations on the relay in test, a pre-processing and analysis of the information were necessary, and will be justified in the present study, denoting a common test procedure to be adopted to this philosophy of protection