O conhecimento das características experimentais das faltas de alta impedância é de suma importância para o desenvolvimento de sistemas e equipamentos voltados a detecção eficiente das mesmas em sistemas de distribuição de energia elétrica. Este trabalho apresenta um conjunto de estratégias experimentais que visam orientar passo a passo a realização de ensaios de faltas fase-terra com alta impedância, contemplando-se desde os dispositivos de proteção usados na viabilização dos experimentos até os equipamentos de oscilografias utilizados para registrar as grandezas elétricas advindas dessas situações de faltas. São ainda apresentados os resultados obtidos pelos ensaios realizados de queda de condutor energizado (lado fonte) em solo seco, queda de condutor energizado (lado fonte) em brita seca, queda de condutor energizado sobre a cruzeta e queda de condutor energizado (lado carga) em solo seco. / The knowledge of experimental characteristics of high-impedance fault is of highest importance for developing both systems and equipments addressed to its efficient detection in electric power distribution systems. This work presents a set of practical strategies to guide step by step the accomplishment of experiments involving phase-ground faults with high impedance, being also contemplated from protection devices used in the experiments to oscillograph equipments dedicated to register the electric signals produced in those situations. It is still presented the results produced by fault experiments involving drop of energized cable (source side) in dry soil, drop of energized cable (source side) in dry broken stones, drop of energized cable on crossarm and drop of energized cable (load side) in dry soil.

O objetivo deste trabalho consiste em apresentar o projeto de um sistema especialista que visa auxiliar nos procedimentos envolvidos com a especificação de pára-raios de óxido de zinco para proteção de transformadores frente às descargas atmosféricas, bem como permitir que a análise do comportamento dos surtos de tensão de origem atmosférica que incidem em determinada área de concessão possa ser executada de forma detalhada e sistemática. Para tanto, o sistema especialista desenvolvido faz a integração eficiente de abordagens e técnicas que levam em consideração os aspectos característicos das descargas atmosféricas, as análises experimentais representativas do fenômeno e os modelos matemáticos que permitam mapear todo o processo de desencadeamento das descargas atmosféricas. / The objective of this study consists of presenting an expert system that assists the procedures involved with the protection specification of transformers against atmospheric discharges, allowing also to analyze in a detailed and systematic way the behavior of the respective voltage transients that are generated at the supplying area. For such purpose, the expert system developed in this research makes the efficient integration of approaches and techniques that take into account the characteristic aspects of the atmospheric discharges, the experimental analyses that represent the phenomenon and the mathematical models that allow to map the process involved with the formation of the lightning.

O escoamento entre o poço marítimo e a unidade flutuante é realizado através de dutos definidos como risers. Os risers flexíveis são compostos por camadas intercaladas de diferentes materiais, como aço e polietileno, o qual cada camada possui uma função. Os mecanismos de falha mais reportados são referentes a danos na camada externa polimérica, o que leva à exposição de suas armaduras metálicas ao meio externo. Os risers rígidos são dutos fabricados normalmente em aço, formados por segmentos de dutos unidos por soldas, onde a causa de dano mais frequente é a corrosão. Tem-se como objetivo nesta dissertação, o projeto e desenvolvimento de uma ferramenta e de um método para operações submarinas em risers. A ferramenta deverá ser capaz de aplicar de forma automática, um clamp bipartido no reparo da camada externa polimérica de risers flexíveis, ou acoplar sistemas de monitoramento em risers rígidos. Já o método, deverá permitir a sua aplicação tanto no reparo quanto na proteção do sistema de monitoramento. Para isto, realizou-se uma revisão bibliográfica a fim de obter uma melhor compreensão sobre o tema estudado. Desenvolveu-se o projeto do método e da ferramenta, e, posteriormente, construiu-se o protótipo para a realização de testes de funcionamento em um duto rígido Por último, através de ensaios hidrostáticos de pressão interna e externa, realizaram-se ensaios para avaliação do comportamento do método aplicado em um duto rígido. Os ensaios comprovaram a eficácia do clamp quando aplicado em ambientes submarinos em grandes profundidades, porém apresentou vazamentos nos ensaios de pressão interna e externa. A resina epóxi utilizada não garantiu a estanqueidade, possivelmente devido a sua alta rigidez, aderência ineficaz em superfícies metálicas, ou presença de vazios ou porosidades. O ensaio de pressão interna indicou que as deformações não ultrapassaram o regime elástico tanto do duto quanto do clamp até aproximadamente 182 bar de pressão. No regime elástico, o ensaio apresentou deformações menores no clamp em relação ao duto, possivelmente porque a resina acabou absorvendo as deformações. O método demonstrou ser eficiente como recipiente para a resina, e também permitiu a montagem e fixação de um colar de sensores no seu interior. Os testes de funcionamento mostraram que a ferramenta projetada e construída mostrou-se adequada para a aplicação automática de um clamp bipartido em risers, e o método mostrou-se adequado para sua aplicação em risers, tanto no reparo quanto na proteção do sistema de monitoramento. / The drain between the maritime oil well and the floating unit is made trough pipes, which is defined as risers. The flexible risers are composed by alternate layers from different materials as steel and polyethylene, each layer has its function. The failure mechanisms more reported are referent to the damage in the external polymeric layer which leads to the exposition of the metal armature to the outside. The rigid risers are pipes usually fabricated in steel made by ducts segments connect by spot welding, where the most common damage is corrosion. This essay aims to project and create a tool and a method for submarine operations in risers. The tool must be able to apply, in an automatic way, a bipartite clamp in the repair of the flexible rises in external polymeric layer or to attach monitoring systems to the rigid risers. The method must allow its application in the repair as much as the monitoring system protection. For this, it was made a bibliographic review to obtain a better comprehension from the studied theme. A project from the method and a tool were developed, later a prototype was built to make the operation tests in a rigid pipe. At last, by internal and external pressure hydrostatic trials, were made tests to evaluate the behavior of the method applied in a rigid pipe The trials proved the efficiency of the clamps when applied in submarine environments and in depth; however there were leaks in the internal and external pressure tests. The Epóxi resin did not guarantee the leak-tightness, possible due to its hardness, ineffective adherence in metal surfaces or presence of gaps and porosities. The internal pressure trial indicated that the deformations did not exceed the elastic regime in the pipe as in the clamp until, about 182 pressure bar. In the elastic regime, the trial presented minor deformation in the clamps related to the pipe possibly, because the resin absorbed the deformation. The method has proven efficient as recipient for the resin and also allowed the assembly and fixation of a sensor collar in its interior. The operation tests showed that the designed and built tool is proper for an automatic bipartite clamp application in risers and the method has proven proper for its application in risers in repair as much as monitoring system protection.

O objetivo deste trabalho consiste em apresentar o projeto de um sistema especialista que visa auxiliar nos procedimentos envolvidos com a especificação de pára-raios de óxido de zinco para proteção de transformadores frente às descargas atmosféricas, bem como permitir que a análise do comportamento dos surtos de tensão de origem atmosférica que incidem em determinada área de concessão possa ser executada de forma detalhada e sistemática. Para tanto, o sistema especialista desenvolvido faz a integração eficiente de abordagens e técnicas que levam em consideração os aspectos característicos das descargas atmosféricas, as análises experimentais representativas do fenômeno e os modelos matemáticos que permitam mapear todo o processo de desencadeamento das descargas atmosféricas. / The objective of this study consists of presenting an expert system that assists the procedures involved with the protection specification of transformers against atmospheric discharges, allowing also to analyze in a detailed and systematic way the behavior of the respective voltage transients that are generated at the supplying area. For such purpose, the expert system developed in this research makes the efficient integration of approaches and techniques that take into account the characteristic aspects of the atmospheric discharges, the experimental analyses that represent the phenomenon and the mathematical models that allow to map the process involved with the formation of the lightning.

O objetivo do desenvolvimento deste trabalho é tecer uma análise da viabilidade técnica - econômica da modernização do sistema de Proteção da Distribuição, comparando a utilização dos relés digitais aos quais foram incorporadas novas funções, em relação aos relés eletromecânicos e estáticos. As informações apresentadas nesse trabalho mostram que os relés digitais oferecem uma significante economia quanto ao custo de aquisição e implantação, no desenvolvimento dos projetos de aplicação e na manutenção destes equipamentos após instalados em campo. Os relés eletromecânicos tem sido largamente utilizados nos esquemas de proteção de consumidores industriais e residencias de grande porte e nos sistemas de proteção das companhias de eletricidade. Devido a quantidade de peças móveis e freqüentes re-ajustes que estes tipos de equipamentos necessitam, os mesmos demandam muitas horas dispendidas pelo pessoal de calibração e manutenção das empresas de eletricidade. A realização de Estudos de Proteção, com a parametrização destes relés muitas vezes torna-se inviável, sob o ponto de vista de sensibilidade e da coordenação das proteções, devido ao fato de que estes equipamentos possuem ajustes limitados tanto de valores de corrente de partida como na seleção de curvas tempo x corrente utilizadas para temporização das proteções, no caso de relés eletromecânicos de sobrecorrente. Durante os últimos anos, com o advento da evolução da indústria, da micro eletrônica e do desenvolvimento de softwares, os relés digitais veêm substituíndo os relés eletromecânicos e estáticos, tanto em instalações novas como também nas remodelações das instalações mais antigas, nos sistemas elétricos de proteção industrial e de empresas de eletricidade. Realizou-se uma análise quanto ao histórico dos relés de proteção, mostrando o seu desenvolvimento desde os relés mais antigos, tipos eletromecânicos, após os relés estáticos, que foram a evolução dos anteriores e finalmente estudando os relés digitais. Os relés digitais oferecem muitas vantagens se comparados com os relés eletromecânicos e estáticos, as quais serão abordandos em items específicos da revisão de literatura neste trabalho. O trabalho é finalizado com uma análise de casos, onde foram computados e analisados casos, como índices de fornecimento, custos de instalação de relés digitais em substituição à relés e sistemas eletromecânicos e estáticos, utilizados convencionalmente para a proteção em alimentadores de Subestações da Copel - Companhia Paranaense de Energia, com o objetivo de coletar-se e analisar-se, ao longo de 12 meses as reais vantagens e desvantagens da utilização destes equipamentos nos sistemas elétricos de proteção dos circuitos de distribuição de energia. / The purpose of this study is to carry out a technical and economic feasibility assessment of the updating of the Distribution Protection system, comparing the use of digital relays, to which new functions have been integrated, with electromechanical and static relays. Information hereby presented shows that digital relays are significantly cost-effective in terms of acquisition and implementation for developing application projects and in maintaining that equipment after it has been set up in the field. Electromechanical relays have been largely used in protection schemes for large-scale industrial and residential consumers, as well as in security schemes for power plant companies. Because of the large number of moving parts and frequent readjustments required by that type of equipment, many manhours must be put in by calibration and maintenance staff employed by power plant companies. Carrying out a Protection Study that establishes parameters for those relays is often unfeasible given the sensitivity and coordination of the protections, in that the equipment in question has limited adjustments, both in terms of pick-up currents values and of the selection of time curve vs. current used in the protection timer, in the case of overcurrent electromechanical relays. During the last years, with the rise of industrial evolution, microelectronics and software development, digital relays are replacing electromechanical and static relays in electrical security systems used by industrial and power plant company protection, both in new facilities and in refurbished facilities. A study was carried out on the history of protection relays showing how they developed from the older, electromechanical type after the static relays, which evolved form the former, and was concluded with the study of digital relay models. Digital relays provide significant advantages compared to electromechanical and static relays, which will be covered under specific revision items of the references provided herein. The study is concluded by assessing case studies that were accounted for and assessed, such as supply rates, installation costs of digital relays to replace electromechanical and static systems used traditionally to provide protection for COPEL´s (Power Company of the State of Paraná) Substations. The purpose was to collect and analyze, over a 12-month period, the actual advantages and disadvantages of using that type of equipment in electrical systems that provide circuit protection for power distribution.

The main objective of this thesis was to develop appropriate system protection schemes against two important causes of failure in power systems, namely, long-term voltage instability and cascade tripping of overloaded transmission lines, mainly due to overloading. To this purpose a distributed undervoltage load shedding scheme against voltage instability, and a centralized protection meant to alleviate line overload are proposed. The former, through the chosen system protection scheme characteristics, has the ability to adjust its actions to the disturbance location and severity. This behavior is achieved without resorting to a dedicated communication network. The distributed controllers do not exchange information, but are rather informed of their respective actions through voltage measurements. Neither do the controllers require a model of the system. This and the absence of communication makes the protection scheme simple and reliable. The other protection scheme, inspired of model predictive control, is aimed at bringing the currents in the overloaded lines below their limits in the time interval left by protections, while accounting for constraints on control changes. Its closed-loop nature allows to compensate for model uncertainties and measurement noise. In order to tune the proposed system protection schemes parameters and validate their performance it was preferred to detect plausible cascading event scenarios. To this purpose, an algorithm meant to identify such complex sequences has been developed. It encompasses hidden failures and the resulting system response. The tests performed on small systems as well as on a real-life one confirm not only that proposed protection schemes appropriately deal with the problems for which they were designed, but also that they cooperate satisfactorily for combined voltage and thermal problems that are beyond their individual capabilities.

In any power system, fault means abnormal flow of current. Insulation breakdown is the cause of fault generation. Different factors can cause the breakdown: Wires drifting together in the wind, Lightning ionizing air, wires with contacts of animals and plants, Salt spray or pollution on insulators. The common type of faults on a three phase system are single line-to-ground (SLG), Line-to-line faults (LL), double line-to-ground (DLG) faults, and balanced three phase faults. And these faults can be symmetrical (balanced) or Unsymmetrical (imbalanced).In this Study, a technique to predict the zero crossing point has been discussed and simulated. Zero crossing point prediction for reliable transmission and distribution plays a significant role. Electrical power control switching works in zero crossing point when a fault occurs. The precision of measuring zero crossing point for syncing power system control and instrumentation requires a thoughtful approach to minimize noise and external signals from the corrupted waveforms A faulted current waveform with estimated faulted phase/s, the technique is capable of identifying the time of zero crossing point. Proper Simulation has been organized on MATLAB R2012a.

Protection of both the wind plant and the interconnecting transmission system during short-circuit faults is imperative for maintaining system structural integrity and reliability. The circuit breakers and protective relays used to protect the power system during such events are designed based upon calculations of the current that will flow in the circuit during the fault. Sequence-network models of various power-system components, such as synchronous generators, transformers, transmission lines, etc., are often used to perform these calculations. However, there are no such models widely accepted for certain types of wind-turbine generators used in modern wind plants. The problem with developing sequence-network models of wind plants is that several different wind-turbine generator designs exist; yet, each exhibit very different short-circuit behavior. Therefore, a “one size fits all” approach is not appropriate for modeling wind plants, as has been the case for conventional power plants based on synchronous-generator technology. Further, many of the newer wind-turbine designs contain proprietary controls that affect the short-circuit behavior, and wind-turbine manufacturers are often not willing to disclose these controls. Thus, protection engineers do not have a standard or other well-established model for calculating short-circuit currents in power systems with wind plants. Therefore, the research described in this dissertation involves the development of such models for calculating short-circuit currents from wind-turbine generators. The focus of this dissertation is on the four existing wind-turbine generator designs (identified as Types 1 – 4). Only AC-transmission-interconnected wind-turbine generators are considered in this dissertation. The primary objective of this research is the development of sequence-network models, which are frequency-domain analysis tools, for each wind-turbine generator design. The time-domain behavior of each wind-turbine generator is thoroughly analyzed through transient simulations, experimental tests on scaled wind-turbine generator test beds, and solutions to the system dynamic equations. These time-domain analyses are used to support the development of the sequence-network models.

Relés de distância são muito utilizados para proteger linhas de transmissão. Porém, há baixa precisão dos limites de sua zona de proteção devido a fenômenos de subalcance e sobrealcance. Assim, nesta dissertação de mestrado é proposto um algoritmo com compensação da resistência de falta, baseado em coordenadas de fase, objetivando aumentar a precisão dos limites da zona de proteção. A formulação proposta utiliza uma estimativa da corrente de falta para estimar a resistência de falta e compensar a impedância aparente calculada. Foram realizados o equacionamento e desenvolvimento do algoritmo para faltas tipo fase. Simulações e testes numéricos comparativos com formulações estado-da-arte verificaram a eficiência do método proposto. / Distance Relays are widely used to protect transmission lines. However, due to underreaching and overreaching phenomena, there is a low precision in protection zone limits of distance relays. Thus, in this dissertation, a new algorithm based in phase coordinates is proposed to increase the precision in zone protection limits. The proposed method uses the fault corrent to estimate the fault resistance and compensate the apparent impedance calculated. The equation development was done for phase type faults. Comparative tests with state-of-the-art formulations verified the efficiency of the proposed method.

O escoamento entre o poço marítimo e a unidade flutuante é realizado através de dutos definidos como risers. Os risers flexíveis são compostos por camadas intercaladas de diferentes materiais, como aço e polietileno, o qual cada camada possui uma função. Os mecanismos de falha mais reportados são referentes a danos na camada externa polimérica, o que leva à exposição de suas armaduras metálicas ao meio externo. Os risers rígidos são dutos fabricados normalmente em aço, formados por segmentos de dutos unidos por soldas, onde a causa de dano mais frequente é a corrosão. Tem-se como objetivo nesta dissertação, o projeto e desenvolvimento de uma ferramenta e de um método para operações submarinas em risers. A ferramenta deverá ser capaz de aplicar de forma automática, um clamp bipartido no reparo da camada externa polimérica de risers flexíveis, ou acoplar sistemas de monitoramento em risers rígidos. Já o método, deverá permitir a sua aplicação tanto no reparo quanto na proteção do sistema de monitoramento. Para isto, realizou-se uma revisão bibliográfica a fim de obter uma melhor compreensão sobre o tema estudado. Desenvolveu-se o projeto do método e da ferramenta, e, posteriormente, construiu-se o protótipo para a realização de testes de funcionamento em um duto rígido Por último, através de ensaios hidrostáticos de pressão interna e externa, realizaram-se ensaios para avaliação do comportamento do método aplicado em um duto rígido. Os ensaios comprovaram a eficácia do clamp quando aplicado em ambientes submarinos em grandes profundidades, porém apresentou vazamentos nos ensaios de pressão interna e externa. A resina epóxi utilizada não garantiu a estanqueidade, possivelmente devido a sua alta rigidez, aderência ineficaz em superfícies metálicas, ou presença de vazios ou porosidades. O ensaio de pressão interna indicou que as deformações não ultrapassaram o regime elástico tanto do duto quanto do clamp até aproximadamente 182 bar de pressão. No regime elástico, o ensaio apresentou deformações menores no clamp em relação ao duto, possivelmente porque a resina acabou absorvendo as deformações. O método demonstrou ser eficiente como recipiente para a resina, e também permitiu a montagem e fixação de um colar de sensores no seu interior. Os testes de funcionamento mostraram que a ferramenta projetada e construída mostrou-se adequada para a aplicação automática de um clamp bipartido em risers, e o método mostrou-se adequado para sua aplicação em risers, tanto no reparo quanto na proteção do sistema de monitoramento. / The drain between the maritime oil well and the floating unit is made trough pipes, which is defined as risers. The flexible risers are composed by alternate layers from different materials as steel and polyethylene, each layer has its function. The failure mechanisms more reported are referent to the damage in the external polymeric layer which leads to the exposition of the metal armature to the outside. The rigid risers are pipes usually fabricated in steel made by ducts segments connect by spot welding, where the most common damage is corrosion. This essay aims to project and create a tool and a method for submarine operations in risers. The tool must be able to apply, in an automatic way, a bipartite clamp in the repair of the flexible rises in external polymeric layer or to attach monitoring systems to the rigid risers. The method must allow its application in the repair as much as the monitoring system protection. For this, it was made a bibliographic review to obtain a better comprehension from the studied theme. A project from the method and a tool were developed, later a prototype was built to make the operation tests in a rigid pipe. At last, by internal and external pressure hydrostatic trials, were made tests to evaluate the behavior of the method applied in a rigid pipe The trials proved the efficiency of the clamps when applied in submarine environments and in depth; however there were leaks in the internal and external pressure tests. The Epóxi resin did not guarantee the leak-tightness, possible due to its hardness, ineffective adherence in metal surfaces or presence of gaps and porosities. The internal pressure trial indicated that the deformations did not exceed the elastic regime in the pipe as in the clamp until, about 182 pressure bar. In the elastic regime, the trial presented minor deformation in the clamps related to the pipe possibly, because the resin absorbed the deformation. The method has proven efficient as recipient for the resin and also allowed the assembly and fixation of a sensor collar in its interior. The operation tests showed that the designed and built tool is proper for an automatic bipartite clamp application in risers and the method has proven proper for its application in risers in repair as much as monitoring system protection.