Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnonológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2009 / Made available in DSpace on 2012-10-24T08:08:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 275242.pdf: 5522254 bytes, checksum: fd81e45812f5b53e477ed10de9495647 (MD5) / Esta dissertação aborda um estudo de transformadores de corrente (TCs) utilizados em instrumentação. Propõe-se um algoritmo de simulação com base no circuito elétrico equivalente do TC para auxiliar no projeto destes dispositivos. O modelo depende de ensaios de caracterização do núcleo, os quais fornecem dados para os cálculos dos seguintes parâmetros de entrada: a permeabilidade e as perdas magnéticas. A permeabilidade é considerada de três maneiras distintas para avaliar qual a melhor forma de representação deste parâmetro no modelo. As perdas magnéticas são inseridas através de resistências elétricas equivalentes, calculadas analiticamente por constantes obtidas nos ensaios de caracterização. Este trabalho também aborda a utilização de materiais nanocristalinos em TCs, os quais apresentam menores perdas e permeabilidade magnética mais alta quando comparados às ligas de ferro-silício de grão orientado. Para a validação do modelo, duas amostras de TCs são fabricadas com materiais magnéticos distintos (liga de ferro-silício de grão orientado e material nanocristalino), ensaiadas sob condições de carga e caracterizadas magneticamente. Os resultados dos ensaios são comparados com os obtidos através da simulação e os desempenhos dos TCs são avaliados qualitativamente para cada um dos materiais utilizados. Os materiais nanocristalinos confirmam-se como uma alternativa interessante para aplicações específicas em que alta eficiência é requerida. / This dissertation addresses a study of current transformers (CT) utilized in instrumentation. A mathematical algorithm is proposed based on the equivalent electric circuit of the CT and it provides a useful tool to analyze the design of these devices. The model depends on the magnetic characterization of the core which supplies data to set the following input parameters: permeability and magnetic losses. The permeability is considered using three different methods and an evaluation is made to discover which one is the best to represent it. The magnetic losses are inserted in the simulation through equivalent electric resistances, which are analytically calculated by constants obtained experimentally from the characterization tests. This work also addresses the utilization of nanocrystalline materials, which present lower losses and higher magnetic permeability when compared to grain-oriented silicon-iron alloys. To validate the proposed algorithm, two CTs prototypes with different magnetic materials were prepared (grain-oriented silicon-iron alloy and nanocrystalline material), tested under normal operation and magnetically characterized. The experimental data is compared with the simulation results and the performances of each CT are evaluated qualitatively. Nanocrystalline materials confirm themselves as an interesting alternative for applications where high efficiency is required.

[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.

Este trabalho apresenta a proposta de um sistema completo de proteção diferencial de transformadores de potência, aplicando-se as técnicas de Redes Neurais Artificiais (RNAs). O esquema proposto busca a classificação do sistema de proteção como um problema de reconhecimento e reconstrução de padrões, representando um método alternativo aos algoritmos convencionais. Vários fatores como, por exemplo, as situações de energização do transformador e a saturação dos transformadores de corrente, podem causar uma má operação do dispositivo de proteção. Com o objetivo de melhoramento na proteção digital de transformadores de potência, desenvolveu-se um sistema de proteção diferencial, incluindo dispositivos com base em RNAs, em substituição à filtragem harmônica de sinais existente no algoritmo convencional. Em complementação, esquemas de reconstrução das ondas distorcidas provenientes da saturação dos TCs são também propostos e adicionados ao algoritmo final de proteção, sendo esses comparados ao algoritmo convencional de proteção diferencial de transformadores. Com a referida adição de ferramentas de inteligência artificial a 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 proposes a complete differential protection system for power transformers, applying the Artificial Neural Network (ANN) theory. The proposed approach treat the classification of the protection system as a problem of pattern recognition and as an alternative method to the conventional algorithms. Several factors such as, for example, transformer energization and CT saturation can cause an inadequate operation of the protection relay. With the objective of improving the power transformer digital protection, a complete protection system was developed, including an ANN-based device in substitution to harmonic filters, in use in the conventional algorithm. Some approaches concerning the reconstruction of the distorted signals caused by the CTs saturation are also proposed. These routines are added to the final protection algorithm and they are compared to the conventional algorithm for power transformer protection. With the use of artificial intelligence tools in a complete power transformer protection algorithm, one intends to obtain a very precise, fast and efficient solution, if compared to the conventional methods.

Este trabalho tem como objetivo apresentar um algoritmo de proteção diferencial de geradores baseado em Redes Neurais Artificiais (RNAs), que seja robusto e confiável em situações onde os algoritmos padrões podem apresentar dificuldades, como no caso, da saturação de TCs. O algoritmo desenvolvido é constituído por dois módulos principais: a) um módulo de detecção da saturação dos transformadores de corrente (TCs) empregados na proteção diferencial de geradores e; b) um módulo de correção das formas de onda distorcidas devido à saturação dos TCs. Os módulos utilizam RNAs para detectar e corrigir situações onde haja saturação dos TCs, a fim de evitar a má operação da proteção diferencial. O algoritmo foi desenvolvido em ambiente Matlab e validado com base nos dados da modelagem e simulações de um sistema elétrico utilizando o software Alternative Transients Program (ATP). / This work has as objective to present an algorithm for differential protection of generators based on Artificial Neural Networks (ANN), which is robust and reliable in situations where standard algorithms fail, as in the case of Current Transformer (CT) saturation. The algorithm developed consists of two main modules: a) a module to detect saturation of CTs used in differential protection of generators and; b) module to correct distorted waveforms due to CT saturation. The modules use ANNs to detect and correct situations where there is saturation of CTs in order to avoid misoperation of the differential protection. The algorithm was developed using Matlab software and validated based on data modeling and simulations of a power system using the Alternative Transients Program (ATP) software.

Este trabalho tem como objetivo apresentar um algoritmo de proteção diferencial de geradores baseado em Redes Neurais Artificiais (RNAs), que seja robusto e confiável em situações onde os algoritmos padrões podem apresentar dificuldades, como no caso, da saturação de TCs. O algoritmo desenvolvido é constituído por dois módulos principais: a) um módulo de detecção da saturação dos transformadores de corrente (TCs) empregados na proteção diferencial de geradores e; b) um módulo de correção das formas de onda distorcidas devido à saturação dos TCs. Os módulos utilizam RNAs para detectar e corrigir situações onde haja saturação dos TCs, a fim de evitar a má operação da proteção diferencial. O algoritmo foi desenvolvido em ambiente Matlab e validado com base nos dados da modelagem e simulações de um sistema elétrico utilizando o software Alternative Transients Program (ATP). / This work has as objective to present an algorithm for differential protection of generators based on Artificial Neural Networks (ANN), which is robust and reliable in situations where standard algorithms fail, as in the case of Current Transformer (CT) saturation. The algorithm developed consists of two main modules: a) a module to detect saturation of CTs used in differential protection of generators and; b) module to correct distorted waveforms due to CT saturation. The modules use ANNs to detect and correct situations where there is saturation of CTs in order to avoid misoperation of the differential protection. The algorithm was developed using Matlab software and validated based on data modeling and simulations of a power system using the Alternative Transients Program (ATP) software.

Este trabalho apresenta a proposta de um sistema completo de proteção diferencial de transformadores de potência, aplicando-se as técnicas de Redes Neurais Artificiais (RNAs). O esquema proposto busca a classificação do sistema de proteção como um problema de reconhecimento e reconstrução de padrões, representando um método alternativo aos algoritmos convencionais. Vários fatores como, por exemplo, as situações de energização do transformador e a saturação dos transformadores de corrente, podem causar uma má operação do dispositivo de proteção. Com o objetivo de melhoramento na proteção digital de transformadores de potência, desenvolveu-se um sistema de proteção diferencial, incluindo dispositivos com base em RNAs, em substituição à filtragem harmônica de sinais existente no algoritmo convencional. Em complementação, esquemas de reconstrução das ondas distorcidas provenientes da saturação dos TCs são também propostos e adicionados ao algoritmo final de proteção, sendo esses comparados ao algoritmo convencional de proteção diferencial de transformadores. Com a referida adição de ferramentas de inteligência artificial a 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 proposes a complete differential protection system for power transformers, applying the Artificial Neural Network (ANN) theory. The proposed approach treat the classification of the protection system as a problem of pattern recognition and as an alternative method to the conventional algorithms. Several factors such as, for example, transformer energization and CT saturation can cause an inadequate operation of the protection relay. With the objective of improving the power transformer digital protection, a complete protection system was developed, including an ANN-based device in substitution to harmonic filters, in use in the conventional algorithm. Some approaches concerning the reconstruction of the distorted signals caused by the CTs saturation are also proposed. These routines are added to the final protection algorithm and they are compared to the conventional algorithm for power transformer protection. With the use of artificial intelligence tools in a complete power transformer protection algorithm, one intends to obtain a very precise, fast and efficient solution, if compared to the conventional methods.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents innovative methods for detection and correction of the distorted portions of the secondary current waveforms, which occur due to the core saturation of current transformers (CTs). The detection technique is based on the analysis of the plans formed by the secondary current (i2) and their difference-functions (deln). The distance between consecutive points in these plans has a significant increase when saturation occurs, bucking the trend during the undistorted intervals, which are not corrupted by CT saturation. Additionally, the proposed correction of these signals is based on a technique of curve fitting by least squares, which uses the frequency signal estimated from the secondary current signals as a parameter of compensation. The aforementioned frequency signal is estimated using the Mathematical Morphology operators of dilation and erosion, which are used to estimate future values of the α and β signals obtained from the Clarke Transform. Computational simulations of short circuits were performed to obtain the secondary current signals distorted by CT saturation. The detection method was evaluated in terms of the ability to identify saturation intervals and its speed of response. Moreover, the correction technique was evaluated in terms of the compensation accuracy and its processing time. Calculations of transient error and the use of a full cycle Fourier filter were the basis for the qualitative analysis of the performance of the correction technique. The tests revealed that the combination of the proposed techniques ensures excellent accuracy during correction signals distorted by saturation, showing that the proposals constitute a robust tool for use in numerical relays, increasing the reliability of protection schemes in situations involving the saturation of TCs. / Este trabalho apresenta métodos inovadores para detecção e correção dos trechos distorcidos da forma de onda dos sinais da corrente secundária, que ocorrem em virtude da saturação do núcleo dos transformadores de corrente (TCs). A técnica de detecção é fundamentada na análise dos planos formados pela corrente secundária (i2) e suas funções-diferença (deln). A distância entre pontos consecutivos nesses planos tem um aumento significativo quando a saturação ocorre, contrariando a tendência durante os intervalos não distorcidos por saturação. Além disso, a proposta para correção desses sinais utiliza uma técnica de ajuste de curvas por Mínimos Quadrados, a qual emprega o sinal de frequência estimado a partir dos sinais da corrente secundária como parâmetro de compensação. O referido sinal de frequência é estimado por uma metodologia fundamentada em Morfologia Matemática, cujos operadores de dilatação e erosão são utilizados para estimação de valores futuros dos sinais α e β, obtidos a partir da Transformada de Clarke. Simulações computacionais de curtos-circuitos foram realizadas para a obtenção dos sinais da corrente secundária distorcida por saturação. O método de detecção foi avaliado em termos da capacidade de reconhecimento dos intervalos de saturação e velocidade de resposta. Ainda, a técnica de correção foi avaliada com relação à precisão da compensação e do tempo de processamento. Cálculos de erro transitório e a utilização de um filtro de Fourier de ciclo completo foram a base para a análise qualitativa do desempenho da técnica de correção. Os testes revelaram que a combinação entre as técnicas propostas garante excelente precisão durante a correção dos sinais distorcidos por saturação, mostrando que as propostas constituem uma ferramenta robusta para aplicação em relés numéricos, aumentando a confiabilidade dos esquemas de proteção em situações que envolvam a saturação dos TCs.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work aims to evaluate the performance of some methods used to detect and correct the distorted portions of the secondary current signal waveform, which occur due to the core saturation of current transformers. Such methods are presented didactically divided among techniques existing in the specialized literature and new methodologies proposed. Involving various mathematical tools, methods of correction and detection were combined for the analyzed cases. Computer simulations of faults were made to obtain secondary current signals distorted by saturation, allowing the evaluation of these methodologies. The detection methods were evaluated in terms of the ability to identify saturation intervals and speed response. Moreover, the correction techniques were evaluated in terms of compensation accuracy and their processing time. Transient error calculations and the use of a full cycle Fourier filter were the basis for the qualitative analysis of the correction techniques performance. In each case analyzed, different performances were verified for the combinations tested. It was found that differences in detection time instants of the distorted portions provide different rates of error to the methodologies that are associated with saturation detectors. In this context, one of the techniques proposed for detection of distorted sections showed good precision, ensuring low errors for one of the associated correction methodologies in all the analyzed cases. Also, it was found that methods based on Least Squares have good accuracy for the correction of signals distorted by saturation. / Este trabalho visa avaliar o desempenho de alguns métodos para detecção e correção dos trechos distorcidos da forma de onda dos sinais de corrente secundária, que ocorrem em virtude da saturação do núcleo dos transformadores de corrente. Tais métodos são apresentados didaticamente, divididos entre técnicas existentes na literatura especializada e novas propostas. Envolvendo variadas ferramentas matemáticas, as metodologias de correção e detecção foram combinadas para análise de casos. Simulações computacionais de curtoscircuitos foram realizadas para a obtenção dos sinais da corrente secundária distorcida por saturação. Os métodos de detecção foram avaliados em termos da capacidade de reconhecimento dos intervalos de saturação e velocidade de resposta. Além disso, as técnicas de correção foram avaliadas em termos da precisão da compensação e do tempo de processamento. Cálculos de erro transitório e a utilização de um filtro de Fourier de ciclo completo foram a base para a análise qualitativa do desempenho das técnicas de correção. Em cada caso analisado, diferentes desempenhos foram verificados. Observou-se que diferenças nos instantes de detecção dos trechos distorcidos propiciam diferentes margens de erro às metodologias de correção, que são associadas aos detectores de saturação. Nesse contexto, uma das técnicas propostas para detecção dos trechos distorcidos apresentou boa precisão, garantindo que uma das metodologias de compensação, a qual foi associada, obtivesse erros relativamente baixos para todos os casos analisados. Também, verificou-se que as metodologias fundamentadas em Mínimos Quadrados possuem boa precisão durante a correção dos sinais distorcidos por saturação.