Estudos de transitórios eletromagnéticos são importantes fontes de informação para que os transformadores sejam dimensionados de maneira correta. No entanto, para que tais estudos sejam bem sucedidos, os modelos utilizados devem refletir com fidelidade o comportamento do equipamento. Este trabalho mostra como os elementos do modelo de um transformador são influenciados pelas dimensões geométricas de sua parte ativa. Também introduz uma formulação alternativa, para o transformador saturável (STC) do ATP, desenvolvida dentro do programa MATLAB. Os ramos RL foram representados usando o Método de Integração Trapezoidal e a magnetização foi equacionada pelo Método da Compensação. Uma das contribuições que esta dissertação oferece é a possibilidade de identificar erros numéricos que ocorrem em simulações do ATP, bem como permitir a interpretação de resultados que apresentem oscilações numéricas. / Electromagnetic transient studies are an important source of information to develop transformer dimensioning. But, for the success of that purpose, it is important the models which are being used reflect with fidelity the behavior of the machine. This lecture presents how the transformer model elements are influenced by the active part geometrical dimensions. It also introduces an alternative formulation for the ATP saturable transformer (STC), written inside the MATLAB program. The RL branches are represented using the Trapezoidal Rule and the magnetization by the Compensation Method. One of the contributions of this dissertation is the possibility to identify numerical errors that occur in ATP simulations, and also permit numerical oscillatory results interpretation.

Estudos de transitórios eletromagnéticos são importantes fontes de informação para que os transformadores sejam dimensionados de maneira correta. No entanto, para que tais estudos sejam bem sucedidos, os modelos utilizados devem refletir com fidelidade o comportamento do equipamento. Este trabalho mostra como os elementos do modelo de um transformador são influenciados pelas dimensões geométricas de sua parte ativa. Também introduz uma formulação alternativa, para o transformador saturável (STC) do ATP, desenvolvida dentro do programa MATLAB. Os ramos RL foram representados usando o Método de Integração Trapezoidal e a magnetização foi equacionada pelo Método da Compensação. Uma das contribuições que esta dissertação oferece é a possibilidade de identificar erros numéricos que ocorrem em simulações do ATP, bem como permitir a interpretação de resultados que apresentem oscilações numéricas. / Electromagnetic transient studies are an important source of information to develop transformer dimensioning. But, for the success of that purpose, it is important the models which are being used reflect with fidelity the behavior of the machine. This lecture presents how the transformer model elements are influenced by the active part geometrical dimensions. It also introduces an alternative formulation for the ATP saturable transformer (STC), written inside the MATLAB program. The RL branches are represented using the Trapezoidal Rule and the magnetization by the Compensation Method. One of the contributions of this dissertation is the possibility to identify numerical errors that occur in ATP simulations, and also permit numerical oscillatory results interpretation.

Este trabalho apresenta uma proposta para cálculo da correção do fator de construção de núcleos de transformadores de potência, devido à influência das perdas na região das juntas magnéticas. Esse fator permite corrigir o valor de perdas em vazio no núcleo, obtido das curvas do fabricante das chapas de aço-silício, e sua determinação, até o momento, tem sido baseada, sobretudo, em estimativas empíricas e estatísticas. A correção proposta para esse fator é baseada no cálculo das perdas magnéticas na região das juntas, cálculo esse obtido a partir de uma simulação computacional do transformador pelo Método de Elementos Finitos. Com esse fator de correção, foi possível melhorar a precisão do cálculo de perdas em vazio, aproximando-o mais dos valores experimentais. Foram estudados dois tipos de juntas magnéticas, com e sem step-lap, e três dimensões de entreferro; em seguida, foi analisada a influência desses parâmetros no fator de construção. As simulações foram realizadas por um programa comercial que utiliza o Método de Elementos Finitos em duas dimensões. / This work presents a suggestion to calculate a correction factor of building factor in a core of power transformers, due to influence of losses in the magnetic junctions. This factor allows correcting the value of no load loss in the core, obtained from steel manufacturers, and their determination, up to now, it has been based, especially, in empirical and statistics estimates. The correction suggested to this factor is based in magnetic losses calculations in junction region, calculation which was obtained from a computer simulation of the transformer by Finite Element Method. Having this correction factor, could the accuracy of the calculation of no load loss, be improved, setting of the experimental value closer. Two types of magnetic joints, with and without step-lap, and three of gap were studied; then, it was examined the influence of these parameters in the building factor. The simulations were run by commercial software which uses finite element method in two dimensions.

O ruído acústico produzido pelos transformadores elétricos de potência, instalados em áreas urbanas, gera problemas ambientais e desconforto na população vizinha. Neste trabalho propõe-se desenvolver uma metodologia de projeto para reduzir o ruído dos transformadores com o objetivo de atingir níveis de ruído que a legislação ambiental exige. Um transformador elétrico de potência contém um núcleo, no qual encontram-se as bobinas, dentro de um tanque, ao ativar-se o núcleo e a bobina produz ruído e vibração em todos os componentes do transformador. Para diminuir a vibração e o ruído propõe-se o uso de Absorvedores Dinâmicos (AD) fixados nas paredes do tanque, e amortecedores automotivos ligados à base do tanque. Com os amortecedores procura-se atenuar os deslocamentos da base do tanque impostos pelo núcleo. Este procedimento, isoladamente, diminui a vibração da base do tanque e das paredes do tanque. Adicionalmente, utilizando absorvedores dinâmicos de vibração, projetados e alocados de acordo com resultados de simulações numéricas, é possível reduzir a amplitude de vibração das paredes do tanque. A redução de amplitude de vibração das paredes do tanque leva necessariamente a uma redução do ruído acústico, pois o ruído acústico decorre do acoplamento da vibração das paredes com o ar vizinho. Dados de deslocamento das paredes em condições operacionais, Operational Defection Shape (ODS), foram utilizados para determinar regiões de maior vibração e regiões para alocação dos absorvedores dinâmicos. Os modelos de elementos finitos do tanque, dos absorvedores dinâmicos e o carregamento operacional permitem estimar a redução de ruído e o número e a posição dos absorvedores dinâmicos. / The acoustic noise produced by electric power transformers, installed in urban areas, generates environmental problems and discomfort for the citizens of the neighborhood. The present work proposes a design methodology of devices to reduce the acoustic noise to levels legally accepted. An electric power transformer has a core, where the coils are assembled, inside a tank to active the core and coils make sound and vibration in all transformer component. To reduce vibration and noise it is evaluate the use of Dynamic Absorbers (DA), attached to the walls of the tank, and automotive dampers, attached to the base of the tank. The shock absorbers are intended to attenuate the displacements of the base of the tank imposed by the core of the transformer. This procedure, alone, reduces the vibration amplitude of the base and of the walls of the tank. Additionally, using vibration dynamic absorbers, designed and allocated according to numerical simulations, it is possible to reduce the amplitude of vibration on the walls of the tank. The reduction of the vibration amplitude necessarily leads to a reduction of the acoustic noise, since the acoustic noise is generated through the coupling of the structural vibration and the air in the near field. Operational displacement data, from an Operational Defection Shape (ODS) analysis, were used to determine regions of vibration higher and regions to location of dynamic absorber. Finite elements models of the tank and of the dynamic absorbers and the operational loading allow the estimation of noise reduction and of the number and position of the dynamic absorbers.

Este trabalho apresenta uma proposta para cálculo da correção do fator de construção de núcleos de transformadores de potência, devido à influência das perdas na região das juntas magnéticas. Esse fator permite corrigir o valor de perdas em vazio no núcleo, obtido das curvas do fabricante das chapas de aço-silício, e sua determinação, até o momento, tem sido baseada, sobretudo, em estimativas empíricas e estatísticas. A correção proposta para esse fator é baseada no cálculo das perdas magnéticas na região das juntas, cálculo esse obtido a partir de uma simulação computacional do transformador pelo Método de Elementos Finitos. Com esse fator de correção, foi possível melhorar a precisão do cálculo de perdas em vazio, aproximando-o mais dos valores experimentais. Foram estudados dois tipos de juntas magnéticas, com e sem step-lap, e três dimensões de entreferro; em seguida, foi analisada a influência desses parâmetros no fator de construção. As simulações foram realizadas por um programa comercial que utiliza o Método de Elementos Finitos em duas dimensões. / This work presents a suggestion to calculate a correction factor of building factor in a core of power transformers, due to influence of losses in the magnetic junctions. This factor allows correcting the value of no load loss in the core, obtained from steel manufacturers, and their determination, up to now, it has been based, especially, in empirical and statistics estimates. The correction suggested to this factor is based in magnetic losses calculations in junction region, calculation which was obtained from a computer simulation of the transformer by Finite Element Method. Having this correction factor, could the accuracy of the calculation of no load loss, be improved, setting of the experimental value closer. Two types of magnetic joints, with and without step-lap, and three of gap were studied; then, it was examined the influence of these parameters in the building factor. The simulations were run by commercial software which uses finite element method in two dimensions.

O ruído acústico produzido pelos transformadores elétricos de potência, instalados em áreas urbanas, gera problemas ambientais e desconforto na população vizinha. Neste trabalho propõe-se desenvolver uma metodologia de projeto para reduzir o ruído dos transformadores com o objetivo de atingir níveis de ruído que a legislação ambiental exige. Um transformador elétrico de potência contém um núcleo, no qual encontram-se as bobinas, dentro de um tanque, ao ativar-se o núcleo e a bobina produz ruído e vibração em todos os componentes do transformador. Para diminuir a vibração e o ruído propõe-se o uso de Absorvedores Dinâmicos (AD) fixados nas paredes do tanque, e amortecedores automotivos ligados à base do tanque. Com os amortecedores procura-se atenuar os deslocamentos da base do tanque impostos pelo núcleo. Este procedimento, isoladamente, diminui a vibração da base do tanque e das paredes do tanque. Adicionalmente, utilizando absorvedores dinâmicos de vibração, projetados e alocados de acordo com resultados de simulações numéricas, é possível reduzir a amplitude de vibração das paredes do tanque. A redução de amplitude de vibração das paredes do tanque leva necessariamente a uma redução do ruído acústico, pois o ruído acústico decorre do acoplamento da vibração das paredes com o ar vizinho. Dados de deslocamento das paredes em condições operacionais, Operational Defection Shape (ODS), foram utilizados para determinar regiões de maior vibração e regiões para alocação dos absorvedores dinâmicos. Os modelos de elementos finitos do tanque, dos absorvedores dinâmicos e o carregamento operacional permitem estimar a redução de ruído e o número e a posição dos absorvedores dinâmicos. / The acoustic noise produced by electric power transformers, installed in urban areas, generates environmental problems and discomfort for the citizens of the neighborhood. The present work proposes a design methodology of devices to reduce the acoustic noise to levels legally accepted. An electric power transformer has a core, where the coils are assembled, inside a tank to active the core and coils make sound and vibration in all transformer component. To reduce vibration and noise it is evaluate the use of Dynamic Absorbers (DA), attached to the walls of the tank, and automotive dampers, attached to the base of the tank. The shock absorbers are intended to attenuate the displacements of the base of the tank imposed by the core of the transformer. This procedure, alone, reduces the vibration amplitude of the base and of the walls of the tank. Additionally, using vibration dynamic absorbers, designed and allocated according to numerical simulations, it is possible to reduce the amplitude of vibration on the walls of the tank. The reduction of the vibration amplitude necessarily leads to a reduction of the acoustic noise, since the acoustic noise is generated through the coupling of the structural vibration and the air in the near field. Operational displacement data, from an Operational Defection Shape (ODS) analysis, were used to determine regions of vibration higher and regions to location of dynamic absorber. Finite elements models of the tank and of the dynamic absorbers and the operational loading allow the estimation of noise reduction and of the number and position of the dynamic absorbers.

O trabalho aborda o estudo e o desenvolvimento de um interferômetro sensor de alta tensão, baseado em célula Pockels (modulador eletro-óptico) na topologia reflexiva (\"double pass\") e que é parte integrante de um Transformador de Potencial Óptico (TPO), que utiliza sistema interferométrico de luz branca (WLI-White Light Interferometry), que está sendo desenvolvido pelo grupo do Laboratório de Sensores Ópticos (LSO) do PEA-EPUSP, e é capaz de medir diretamente tensões presentes em sistema elétrico de potência (SEP) classe 69kVRMS. Para desenvolver o tema proposto foi feita uma revisão da literatura baseada em livros, artigos e teses para identificar topologias em moduladores eletro-ópticos transmissiva (\"single pass\") e reflexiva (\"double pass\") para definir o tipo de modulador mais adequado para a aplicação em questão. A partir dos estudos e implementações realizadas, verificou-se um enorme potencial para o desenvolvimento e aplicação da topologia \"double pass\" no sensor interferométrico da célula de alta tensão do TPO. A topologia mostrou-se vantajosa em relação aos protótipos dos TPOs desenvolvidos anteriormente, a partir de características tais como: a facilidade de recurso de alinhamento do feixe de luz, construção e reprodução relacionados ao cristal eletro-óptico, diminuição do número de componentes ópticos volumétricos e aumento da rigidez dielétrica da célula sensora. Simulações computacionais foram realizadas mediante a aplicação do método dos elementos finitos (MEF) que contribuíram para o auxílio do projeto da célula sensora, particularmente, para estimativa do valor da voltagem de meia onda, V?, parâmetro importante para o projeto do TPO. Um protótipo do TPO com célula sensora de alta tensão reflexiva foi implementado e testado no laboratório de alta tensão do IEEUSP a partir de ensaios com tensões nominais de 69kVrms a 60Hz e máxima de 140kVrms a 60 Hz. Como resultado deste trabalho, amplia-se o conhecimento e domínio das técnicas de construção de interferômetros sensores de alta tensão na topologia reflexiva aplicadas a TPOs. / This work describes the study and development of a high-voltage interferometer sensor based on Pockels cell (electro-optical modulator) in the reflective topology (double pass), which is part of an optical potential transformer (OPT) using a white light interferometry system (WLI) being developed by the Optical Sensors Laboratory (LSO) group from PEA-EPUSP, which is able to directly measure power electrical system (PES) voltages for the 69kVrms class. To develop the work, a bibliographic review was made on books, papers and theses in order to identify electro-optical modulators related to transmissive (single pass) and reflective (double pass) topologies aiming at defining the most appropriate modulator type for the present application. From the studies and implementations performed, it was realized that there is a huge potential for the development and application of \'double pass\' topology in the OPT high-voltage interferometric sensor. This topology showed to be advantageous compared to previously developed OPT prototypes for characteristics such as: ease of beam alignment feature, construction and reproduction related to the electro optical crystals, decrease of volumetric optical components number and increase of the sensor cell dielectric strength. Computer simulations were performed by applying the Finite Element Method (FEM) that contributed to the sensor cell design, particularly in estimating the half-wave voltage value, V?. The OPT with the reflective high-voltage sensing cell was implemented and tested at the high voltage laboratory of IEE-USP for the 69kVrms at 60Hz nominal voltage and the 140kVrms at 60Hz maximum voltage. As a result of this work, nationwide expertise over the techniques of construction of high-voltage interferometer sensors in reflective topology applied to OPTs was achieved and knowledge was broadened.

O trabalho aborda o estudo e o desenvolvimento de um interferômetro sensor de alta tensão, baseado em célula Pockels (modulador eletro-óptico) na topologia reflexiva (\"double pass\") e que é parte integrante de um Transformador de Potencial Óptico (TPO), que utiliza sistema interferométrico de luz branca (WLI-White Light Interferometry), que está sendo desenvolvido pelo grupo do Laboratório de Sensores Ópticos (LSO) do PEA-EPUSP, e é capaz de medir diretamente tensões presentes em sistema elétrico de potência (SEP) classe 69kVRMS. Para desenvolver o tema proposto foi feita uma revisão da literatura baseada em livros, artigos e teses para identificar topologias em moduladores eletro-ópticos transmissiva (\"single pass\") e reflexiva (\"double pass\") para definir o tipo de modulador mais adequado para a aplicação em questão. A partir dos estudos e implementações realizadas, verificou-se um enorme potencial para o desenvolvimento e aplicação da topologia \"double pass\" no sensor interferométrico da célula de alta tensão do TPO. A topologia mostrou-se vantajosa em relação aos protótipos dos TPOs desenvolvidos anteriormente, a partir de características tais como: a facilidade de recurso de alinhamento do feixe de luz, construção e reprodução relacionados ao cristal eletro-óptico, diminuição do número de componentes ópticos volumétricos e aumento da rigidez dielétrica da célula sensora. Simulações computacionais foram realizadas mediante a aplicação do método dos elementos finitos (MEF) que contribuíram para o auxílio do projeto da célula sensora, particularmente, para estimativa do valor da voltagem de meia onda, V?, parâmetro importante para o projeto do TPO. Um protótipo do TPO com célula sensora de alta tensão reflexiva foi implementado e testado no laboratório de alta tensão do IEEUSP a partir de ensaios com tensões nominais de 69kVrms a 60Hz e máxima de 140kVrms a 60 Hz. Como resultado deste trabalho, amplia-se o conhecimento e domínio das técnicas de construção de interferômetros sensores de alta tensão na topologia reflexiva aplicadas a TPOs. / This work describes the study and development of a high-voltage interferometer sensor based on Pockels cell (electro-optical modulator) in the reflective topology (double pass), which is part of an optical potential transformer (OPT) using a white light interferometry system (WLI) being developed by the Optical Sensors Laboratory (LSO) group from PEA-EPUSP, which is able to directly measure power electrical system (PES) voltages for the 69kVrms class. To develop the work, a bibliographic review was made on books, papers and theses in order to identify electro-optical modulators related to transmissive (single pass) and reflective (double pass) topologies aiming at defining the most appropriate modulator type for the present application. From the studies and implementations performed, it was realized that there is a huge potential for the development and application of \'double pass\' topology in the OPT high-voltage interferometric sensor. This topology showed to be advantageous compared to previously developed OPT prototypes for characteristics such as: ease of beam alignment feature, construction and reproduction related to the electro optical crystals, decrease of volumetric optical components number and increase of the sensor cell dielectric strength. Computer simulations were performed by applying the Finite Element Method (FEM) that contributed to the sensor cell design, particularly in estimating the half-wave voltage value, V?. The OPT with the reflective high-voltage sensing cell was implemented and tested at the high voltage laboratory of IEE-USP for the 69kVrms at 60Hz nominal voltage and the 140kVrms at 60Hz maximum voltage. As a result of this work, nationwide expertise over the techniques of construction of high-voltage interferometer sensors in reflective topology applied to OPTs was achieved and knowledge was broadened.

Este trabalho tem por meta focalizar a adaptação necessária na metodologia de planejamento atual, norteada segundo uma ótica determinística e conservadora, afim de permitir a elaboração de Programas de Obras de Transmissão/Subtransmissão, condicionados por limitações de teto no montante de investimento a curto e médio prazos. Para tanto, como tema central, busca-se desenvolver uma base conceitual e metodológica, para permitir uma exploração maximizada das possibilidades de carregamento de equipamentos e instalações do sistema de transmissão, contemplando a especificação das ferramentas computacionais necessárias para dar consequência prática à proposta. Considerando o potencial de análise proporcionado por métodos e técnicas de natureza probabilística, aplicados ao planejamento de Sistemas Elétricos, a espinha dorsal da evolução metodológica delineada no texto repousa sobre a avaliação de confiabilidade global e quantificação de riscos operativos. O texto foi estruturado em 8 capítulos onde, a partir de um capítulo introdutório, enfoca-se sequencialmente os temas: * Conceitos e Metodologias para Maximização do Carregamento de Transformadores de Potência. * Conceitos e Metodologias para Maximização do Carregamento de Linhas aéreas de Transmissão. * Impacto das Restrições Financeiras no planejamento e possibilidade de atuação a nível técnico para administrar o conflito entre qualidade de serviço e recursos limitados. * Conceitos e Metodologias para relaxação dos Critérios limitantes para o carregamento máximo de componentes do sistema, em ambiente de severas restrições financeiras, no horizonte de curto prazo. * Resultados obtidos em aplicações concretas a situações do Setor Elétrico, visando caracterizar o alcance do ferramental preconizado nos capítulos anteriores. * Critérios e Procedimentos para Padronização de Subestações e Linhas de Transmissão , coerentes com os conceitos de maximização de carregamento introduzidos nos dois primeiros capítulos. Ao final do texto, incluiu-se um capítulo de \"Conclusões\", com o objetivo de sumarizar os aspectos mais relevantes abordados no texto, assim como indicar linhas de ação e novos desenvolvimentos, necessários para permitir a efetivação prática da metodologia proposta. / An important problem posed to power system planners in developing countries is now becoming commonplace, even in developed countries, and concerns on how to fit an expansion plan into a tight budget, with the least reduction in reliability levels. This problem is known as power system planning under financial constraints and a series of methods is now available to deal with it. So, this work addresses the necessary adjustments in order to permit the Transmission / Sub-transmission Expansion Program establishment when there are investments constraints in a medium/short term range. The main emphasis is on the development of a methodological and conceptual framework, aiming at a maximizes exploration of the loading capability of transformers and transmission lines of the power network. In this context, a new methodological framework for transmission system planning in a financial constrained environment is presented. The proposed approach combines transmission projects priority evaluation and ranking as well as criteria flexibilization, being particularly suitable for short-term planning. The problem to be faced is to operate the system after a project postponement, while the service quality is kept so adequate as it is possible. One of the main issues to be focused is the transmission system uprating since a maximized equipment utilization can contribute to avoid a more significant restriction to the costumers. Therefore, a detailed description of the models for transmission lines and transformers loading limits assessment is presented, with emphasis on the main concepts and the application of probabilistic tools to circumvent the inherent conservatism of deterministic methods. A summary of the contents is presented in what follows: * Concepts and Methodology for Transformers loading maximization. * Concepts and Methodology for Transmission Lines loading maximization. * Financial Restrictions impacts on Expansion Planning Process and the possibilities to manager the conflict between service quality and investment constraints. * Concepts and Methodologies to the relaxation of Criteria that limits the loading capability of transmission lines, aiming at short term Planning under severe financial restrictions, * Obtained results in concrete applications of the proposed methodology and computational tools to Brazilian Electric Power System. * Methods and Criteria to standardization of Substations and Transmission Lines, according the main issues formerly introduced. * Conclusion and Future Research.

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