Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Doutor em Ciências / Transformadores de potência são dispositivos essenciais aos sistemas elétricos e constituem-se num dos seus componentes de maior custo. Entretanto, verifica-se ainda, grandes carências e lacunas a serem exploradas quando se trata do estudo dos efeitos danosos ocorridos em seus enrolamentos em função dos elevados esforços eletromecânicos internos. Dentre elas, destaca-se a escassez de trabalhos que abordam temas voltados para a obtenção de curvas de suportabilidade mecânica de enrolamentos de transformadores. Neste sentido, esta tese tem por objetivo propor uma metodologia analítica para estimar os limites de suportabilidade mecânica de enrolamentos de transformadores e produzir curvas que permitem analisar a redução de vida útil do equipamento, quando estes são submetidos a elevados esforços advindos das correntes de energização e de curto circuito externo. Complementando os aspectos citados, os valores obtidos pela metodologia analítica são confrontados com os resultados experimentais e aqueles oriundos de simulações computacionais. Para as análises e os estudos vinculados com os aspectos mecânicos utilizou-se um programa reconhecido internacionalmente baseado no método dos elementos finitos na sua versão tridimensional (COMSOL).

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:08:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EFEITOS DE CARGAS NAO-LINEARES.pdf: 1238178 bytes, checksum: 7e5ce254fff10ac951edcf5de73046a3 (MD5) Previous issue date: 2012-05-30 / The intense use of solid state converters that use semiconductor in processing electric power of electrical and electronic equipment brings great benefits such as lower cost, greater efficiency and comfort, but also brings disadvantages, because when connected to the distribution system of electricity produced currents distorted relative to the sinusoidal waveform.. Thus also cause nonsinusoidal voltages that produce additional losses in conductors, transformers and also in its own equipment that generated them. In transformers feeding nonlinear loads occur further losses, which increase the temperature and compromising the insulation life. The factors used and internationally recommended in UL 1561-1994 (K-factor) and IEEE Std C57.110-2008 (Harmonic Loss Factor - FHL) to calculate maximum power three-phase transformers operating in these conditions will be objects of comparison. This work, performed in the laboratory with two three-phase transformers connected in the configuration back-to-back, aims to conduct a survey of actual losses in transformers under linear and nonlinear load and also propose a new scale factor that the three-phase transformers feeding these specific charges. Another aspect to be addressed is planning the design of transformers using these factors. The measurements and data processing are performed at low voltages of the transformers and use transducers voltage and current with high accuracy and LabVIEW programming. / O uso intenso de conversores que utilizam semicondutores no processamento da energia elétrica dentro dos equipamentos elétricos e eletrônicos traz grandes benefícios como menor custo, maior eficiência e mais conforto, contudo traz também desvantagens, pois, quando conectados ao sistema de distribuição de energia elétrica produzem correntes distorcidas em relação à forma de onda senoidal. Desta forma, causam também deformações na forma de onda das tensões. Estes efeitos produzem perdas adicionais em condutores, transformadores e também nos próprios equipamentos que as gerou. Em transformadores, quando do suprimento de cargas não-lineares, ocorrem perdas adicionais, que elevam a temperatura comprometendo a isolação e a sua vida útil. Os fatores usados internacionalmente e recomendados na UL 1561-1994 (Fator K) e na IEEE Std C57.110-2008 (Fator de Perda Harmônica - FHL) para cálculo da potência máxima em transformadores trifásicos operando nestas condições serão objetos de comparação. Este trabalho, realizado em laboratório com dois transformadores trifásicos conectados na configuração back-to-back, tem por objetivo realizar um levantamento real das perdas em transformadores submetidos às cargas lineares e não-lineares e também propor um novo fator que dimensione os transformadores trifásicos alimentando estas cargas específicas. Outro aspecto que será abordado é o planejamento do dimensionamento de transformadores utilizando-se destes fatores. As medições e tratamento de dados são realizados nas tensões inferiores dos transformadores que utilizam transdutores de tensão e de corrente de alta precisão e programação em LabVIEW.

[pt] Esta Dissertação de Mestrado apresenta uma metodologia para analisar transformadores para instrumentos (TI) em geral, e vários tipos de transformadores de corrente (TC-s) para medição. O funcionamento e as características dos transformadores de potencial (TP-s) e dos TC-s estão sendo analisados, usando-se as ferramentas tradicionais (circuito equivalente e representação fasorial). O tratamento generalizado facilita a comparação entre TP-s e TC-s e a análise qualitativa dos parâmetros que influenciam os erros de relação e de ângulo de fase.Após verificação geral, quatro tipos de TC-s estão sendo estudados detalhadamente. Para analisar construções eletromagnéticas mais complexas, um método não tradicional está sendo aplicado. Usando-se as representações fasoriais,realiza-se o cálculo baseando-se nas equações elétricas e nas equações magnéticas. O erro complexo do TC é o resultado das soluções destas equações, e vem expresso em função dos parâmetros de construção. Os resultados facilitam comparar o desempenho de vários tipos de TC-s existentes e/ou a serem projetados. Um programa de simulação, utilizando a linguagem C no ambiente LabWindows/CVI - C for Virtual Instrumentation (National Instruments), foi desenvolvido com base nas equações para o cálculo do erro. O programa analisa o comportamento de 4 tipos de TC-s, existentes e/ou a serem projetados, quanto ao erro de relação e ao ângulo de fase. A partir do tipo de material, da dimensão do núcleo e do tipo de enrolamentos, em modo interativo, pode-se escolher várias combinações dos parâmetros em etapas repetidas. A eficiência do método aplicado foi verificada e comprovada. Os resultados são coerentes e quando usados no programa de simulação, resultam em um novo método para analisar, projetar ou escolher um TC para uma finalidade específica. / [en] This dissertation for a master degree presents a methodology to analyse Instrument Transformers in general terms and several types of Current Transformers (CT`s) for measurements, in details.At first, operation and characteristics of Potential Transformers (PT` s) and that of CT` s are analysed, using traditional tools (as equivalent circuits and fasorial representation). The generalised treatment facilitates the comparison between PT` s and CT` s as well as a qualitative analysis of the parameters influencing the ratio and phase errors. After giving a general view, four types of CT` s are studied in details. To analyse complex electromagnetic constructions, a non-traditional method is applied. By using fasorial representations, calculus is based on defining separate groups of electrical and magnetic equations to describe a device. The result of the solution of this set of equations is the complex error of the CT, which is being expressed exclusively in terms of parameters of the construction. The results facilitate the comparison of the performance of various types of CT` s, that exist or are to be designed. A simulation program, using language C, in the ambient of LabWindows/CVI - C for Virtual Instrumentation (National Instruments), was developed, in order to calculate the errors, based upon the equations obtained. The program is capable of specifying the parameters and analysing the characteristics of four types of CT` s, representing finally the ratio and phase errors, in terms of the variation of the current or that of the load. Characteristics of various magnet ic materials, dimensions ofstandardized toroidal cores and that of wires can be specified, stored and selected thereafter. The program facilitates experimenting with various combinations of parameters in an interactive mode and to approximate optimised constructions in iterative steps. Efficiency of the method was verified and proved. The results are coherent and when are used in the simulation program, represent a new method to analyse an existing CT or to design a new one, or to select the most adequate model for a specific purpose.

Ingeniero Civil Electricista / En este trabajo se presenta un estudio de la protección diferencial de transformadores de poder. Se comienza con el estudio y cálculo de ajuste de parámetros para la protección de un transformador de potencia típico de las instalaciones de Chilectra; estudio y cálculos extensibles a equipos e instalaciones de cualquier empresa de distribución. Se presentan algunas discusiones, principalmente respecto del grupo de construcción y conexión que se encuentra en las instalaciones de la compañía ya citada. El ajuste de parámetros se realiza para relés electromecánicos y digitales. El estudio y desarrollo aquí presentado, se centra en particular en el relé modelo SEL587 del fabricante Schweitzer Electric Laboratories. Este relé corresponde a tecnología digital, tecnología que se emplea actualmente en la industria y constituye un estándar en nuevas instalaciones, desde esta perspectiva este trabajo es generalizable a cualquier modelo y fabricante. A partir de información entregada por el fabricante en sus manuales de operación, además de información recopilada en diversos papers, se estudia el método numérico a través del cual el relé obtiene los valores de corriente de operación(Iop) y corriente de retención(Irst). Este algoritmo se replica en una planilla de cálculo, en la que se limitan las variables de entrada, ya que se proyecta como herramienta de testeo, incluso en terreno por su sencillez. Se desarrolla entonces una planilla capaz de entregar valores de de corriente de operación(Iop) y corriente de retención(Irst), recibiendo como parámetro básicamente sólo la corriente de entrada al relé, es decir, la corriente de salida de los transformadores de corriente. De forma paralela al desarrollo descrito, se realizan pruebas de rutina al relé, con el auxilio de una maleta hexafásica, obteniendo una completa colección de registros entregados por el relé en las diversas situaciones planteadas. En particular se estudia los valores de de corriente de operación(Iop) y corriente de retención(Irst) entregados ante ingresos de corrientes equilibradas en condiciones de operación normal o estable, también en condiciones cercanas a la frontera de operación, y ante condiciones de falla. Se reportan también pruebas con ingresos monofásicos. De la comparación de los valores de corriente de operación(Iop) y corriente de retención(Irst) registrados en las pruebas descritas anteriormente, con los valores entregados por el algoritmo desarrollado en la planilla, se comprueba cuán ajustados son los resultados entregados por esta última, lo que permite utilizarla como herramienta de simulación o testeo. Se realiza finalmente trabajo en laboratorio, simulando las fallas más frecuentes en el comisionamiento y operación de relés diferenciales de transformadores de poder, proponiendo un protocolo de lectura e interpretación de los registros de corriente de operación y retención; y verificación del relé, con el apoyo de la planilla desarrollada durante este trabajo.

Este trabalho apresenta uma aplicação de redes neurais artificiais (RNAs) na proteção diferencial de transformadores de potência, como um método para distinguir formas de onda que podem confundir a operação do relé. Vários fatores como, por exemplo, as situações de energização do transformador, podem causar uma má operação do dispositivo de proteção. Com o objetivo de melhoramento na proteção diferencial digital de transformadores de potência, desenvolveu-se um sistema completo de proteção, incluindo um dispositivo com base em RNAs, em substituição à filtragem harmônica dos sinais, existentes no algoritmo convencional. Com a referida adição de RNAs em um algoritmo completo de proteção diferencial de transformadores, obteve-se uma solução bastante precisa e eficiente, capaz de responder em um tempo reduzido, se comparada aos métodos convencionais. / This work presents an application of artificial neural networks (ANNs) in differential protection of transformers as an alternative method to distinguish among wave forms which can cause malfunction to the relay. One of the several factors that can cause malfunction is the inrush current present when the transfonner is energized. In order to improve the differential protection of the power transformers, the authors added a neural network routine to the conventional differential protection algorithm, in substitution to the filtering of the harmonic signals found on the traditional algorithm. By making this option, the authors obtained a more effective and precise solution, compared to the conventional methods.

O transformador de potência é o ativo mais valioso e importante de uma subestação, razão pela qual se faz necessário um acompanhamento especial para estes equipamentos. A operação de qualquer equipamento fora de suas condições nominais é sempre uma situação de risco, porém, tal risco pode ser minimizado através de estudos e análises particulares para cada equipamento.Com os transformadores de potência isso não é diferente, as normas e guias de aplicação de cargas em transformadores prevêem períodos de sobrecarga dentro de algumas condições, porém, há uma grande incerteza nesses dados já que cada transformador envelhece de forma diferente ainda que sejam idênticos de projeto e fabricação. Por essa razão se faz necessária uma análise particular de cada equipamento onde serão identificados os riscos em potencial e a partir daí determinado o grau de confiabilidade do equipamento. Com base em informações históricas dos equipamentos e algoritmos desenvolvidos com base nas normas vigentes, foi desenvolvido o Sistema Integrado de Gestão denominado SGT. Através deste sistema será possível armazenar de forma organizada as informações de todas as unidades fornecendo subsídios para uma tomada de decisão minimizando os riscos. Através do Sistema Integrado será possível estabelecer uma base única de consultas, promovendo assim a otimização destes equipamentos face a regulação do setor elétrico. / The power transformer is the most valuable and important assets of a substation, for that reason is necessary a special attendance for these equipments. The operation of any equipment out of their nominal conditions it is always a risk situation, however, such a risk can be minimized through studies and private analyses for each equipment. Power transformers are not different, the norms and guides of load application foresee overload periods under some conditions, however, and there is a great uncertainty in those data since each transformer ages in a different way although they are identical of project and production. For that reason are necessary peculiar analysis of each equipment where you/they will be identified the potential risks and since then certain the degree of reliability of the equipment. Based in historical informations of the equipments and algorithms developed in agreement with the effective norms, the Integrated System of Management was developed and denominated SGT. Through this system it will be possible to store in an organized way the information of all of the units, supplying subsidies to have a safe decision minimizing the risks. Through the Integrated System it will be possible to establish an only base of consultations, promoting the assets optimization based in the new regulation of the electric section.

La presente investigación, se realizó en la institución SENATI, sede Huancayo, en la subestación localizada en Jr. Los conquistadores 1320, distrito del Tambo, provincia de Huancayo, Región Junín, La investigación es de tipo Deductivo – Cuantitativo, no experimental ya que no afecta al objeto, se determinó la influencia de las pérdidas eléctricas producidas por el sobre dimensionamiento del transformador de 500 KVA. Las pérdidas eléctricas del transformador son por pérdidas en el cobre y en el núcleo (obtenidas del protocolo de pruebas de fabricación) y su influencia se dirigió al costo de facturación de eléctrica proporcionado por la empresa distribuidora ELECTROCENTRO S.A. El método utilizado en la presente investigación puede servir para tener en consideración para la implementación de una subestación, ya que el mal dimensionamiento genera pérdidas técnicas y económica. Según los resultados de la investigación se puede decir que el sobredimensionamiento del transformador de 500 KVA influye en costo de facturación Eléctrica con una incidencia de 3.11% y una pérdida económica de S/.164.571 en cada recibo de energía eléctrica. Y las pérdidas en el núcleo que fueron determinadas por el protocolo de pruebas de fabricación que realizó la prueba de en vacío, influye con una incidencia de 2.76 % y una pérdida económica de S/. 145.71 en cada recibo de energía eléctrica. Y las pérdidas en el cobre que fueron determinadas por el protocolo de pruebas de fabricación que realizó la prueba de en corto circuito, tiene una influencia mínima con una incidencia relevante de 0.39% y una pérdida económica de S/. 20.6619 en cada recibo de energía eléctrica. Y la investigación concluye que el sistema no es eficiente y el sobre dimensionamiento crean pérdidas económicas y que se ven reflejadas en el costo de facturación, las mayores pérdidas en un sobre dimensionamiento son en las pérdidas en el núcleo.

Los transformadores, junto con los generadores, son los equipos más importantes de las redes eléctricas. Sería inimaginable transmitir energía eléctrica a grandes distancias sin estos equipos, ya que con ellos podremos transformar un nivel de tensión a otro superior para así disminuir las corrientes, y por consiguiente atenuar las pérdidas en la transmisión de dicha energía. Bastaría instalar otro transformador cerca de los consumidores, para poder así trabajar con tensiones más bajas que nos permitan tener equipos con menos aislamientos (por lo tanto, más económicos), y trabajar con más seguridad. Si una red no está adecuadamente planificada, una falla en un transformador puede dejar desabastecida de energía eléctrica a una zona o toda una ciudad, dependiendo de la capacidad e importancia de esta. Por ello se justifica la necesidad de estudiar las contingencias que pudieran ocurrir en la puesta en servicio y operación de los transformadores de potencia. Estas contingencias obligan que el transformador sea diseñado con características dieléctricas, térmicas y electrodinámicas superiores a las que se tienen en condiciones normales de operación (tensiones y corrientes nominales).

A quantidade de falhas recentes em transformadores e suas consequências são alarmantes. As perdas econômicas, os riscos e a falta de confiabilidade decorrentes são inaceitáveis. Face à gravidade da situação um conjunto de recomendações de implementação imediata é estabelecido. O objetivo é assegurar a continuidade da operação confiável dos transformadores em serviço e garantir a especificação segura de transformadores novos. As recomendações envolvem o dimensionamento de enrolamentos levando em conta transitórios rápidos e ressonâncias internas; auditoria e controle de projetos; formas de ondas de ensaio mais representativas de fenômenos transitórios não convencionais; ações associadas à condições de operação; monitoração contínua e aplicação de filtros para a proteção frente a transitórios rápidos. Estas recomendações apoiam-se em análises cuidadosas das condições de projeto, fabricação e ensaios de transformadores complementadas pela análise teórica e de campo de falhas recentes em grandes transformadores de alta tensão. Vários modos de falhas dielétricas de transformadores estão associados a transitórios eletromagnéticos não convencionais. É analisada a modelagem de enrolamentos para transitórios de alta frequência. Os resultados de simulações aplicadas a alguns transformadores de alta tensão são apresentados. A aplicação das recomendações apresentadas deverá resultar na redução de falhas em grandes transformadores de alta tensão. / The number of transformer failures and its consequences are of very high concern. The associated economic losses, risks to life and environment and reduced reliability level are not acceptable any more. From this situation, a set of recommendation with possible immediately implementation is established. The objective is to give a reliable continuous operation condition to the remaining transformers in service and guarantee a safe specification for new transformers. The recommendations are including the dimensioning of transformer windings related to very fast transients and internal resonance; design review; dielectric test waves more representatives of non conventional transients phenomena; operation conditions; continuous monitoring and application of filter as protection device against very fast transients. These recommendations are supported by deep analysis of design conditions, manufacturing and test of power transformers complemented with theoretic and on site analysis of recent failures of high voltage large power transformers. Several dielectric failures modes of transformers are associated with non conventional electromagnetic transients. From this, it is included a modeling of transformer windings for high frequency transients. The results of simulations applied to high voltage transformers are presented. The application of the presented recommendations shall give as result a reduction in number of failures of large power transformers.

Made available in DSpace on 2015-04-14T13:56:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 346965.pdf: 3297110 bytes, checksum: 9c9cf105ab610a8e39728bcab8f989d5 (MD5) Previous issue date: 2006-03-09 / A energia, nas suas mais diversas formas de utiliza??o ? indispens?vel ? sobreviv?ncia da esp?cie humana e a possibilidade de redu??o de sua disponibilidade ? um forte limitante para o progresso econ?mico. Desta forma, devem ser consideradas medidas que busquem o uso racional e eficiente dos recursos energ?ticos, tanto pelo lado da Oferta como pelo lado da Demanda. Tendo em vista que as a??es de Gerenciamento pelo Lado da Demanda provocam modifica??es no perfil das curvas de carga, este estudo voltou-se para verificar o impacto que tais medidas causam sobre o sistema el?trico, com ?nfase nos transformadores das subesta??es. A Associa??o Brasileira de Normas T?cnicas atrav?s da NBR 5416 - Aplica??o de cargas em transformadores de pot?ncia - Jul.1997, estabelece procedimentos para o c?lculo do valor m?ximo de carregamento de transformadores, n?o mais limitado ao seu valor nominal de placa e sim a valores limites de temperatura do ponto mais quente do enrolamento e do ?leo, somente aplic?vel, no entanto, para transformadores que apresentam um ?nico pico de carga di?rio. Esta disserta??o apresenta uma proposta de adapta??es nesta metodologia, denominada M?todo dos Patamares que permite determinar valores limites de carregamento para qualquer n?mero de picos de carga no ciclo di?rio dos transformadores. A metodologia utilizada divide o ciclo de carga em patamares de aumento ou redu??o do valor de carregamento, que ocasionam o aumento ou diminui??o da temperatura do ponto mais quente do enrolamento. Pode-se ent?o determinar os valores m?ximos de carregamento por patamar e otimizar a capacidade deste equipamento. Assim ? poss?vel estabelecer os reais limites de carregamento para que, ao se aplicar as figura de m?rito de Preenchimento de Vales, Deslocamento da Ponta de Carga e de Crescimento Gerenciado, n?o se incorra em envelhecimento acelerado da celulose ou perda de vida adicional. Torna-se tamb?m poss?vel quantificar o ganho de tempo de vida ?til do transformador ou de posterga??o de obras originado pela aplica??o das figuras de m?rito de Rebaixamento de Pico, Conserva??o de Energia e de Redu??o de Sazonalidade. Al?m disso, permite escolher o hor?rio de ponta mais adequado, sob o enfoque do transformador, dentro do perfil da curva de carga da concession?ria. A metodologia utilizada divide o ciclo de carga em patamares de aumento ou redu??o do valor de carregamento, que ocasionam o aumento ou diminui??o da temperatura do ponto mais quente do enrolamento. Pode-se ent?o determinar os valores m?ximos de carregamento por patamar e otimizar a capacidade deste equipamento. Assim ? poss?vel estabelecer os reais limites de carregamento para que, ao se aplicar as figura de m?rito de Preenchimento de Vales, Deslocamento da Ponta de Carga e de Crescimento Gerenciado, n?o se incorra em envelhecimento acelerado da celulose ou perda de vida adicional. Torna-se tamb?m poss?vel quantificar o ganho de tempo de vida ?til do transformador ou de posterga??o de obras originado pela aplica??o das figuras de m?rito de Rebaixamento de Pico, Conserva??o de Energia e de Redu??o de Sazonalidade. Al?m disso, permite escolher o hor?rio de ponta mais adequado, sob o enfoque do transformador, dentro do perfil da curva de carga da concession?ria.