Orientador: José Alfredo Covolan Ulson / Banca: Rogério Andrade Flauzino / Banca: Fabrício Guimarães Baptista / Resumo: O monitoramento e a localização precoce de descargas parciais em aparelhos de alta tensão, como nos transformadores de potência, são de fundamental importância para a prevenção de problemas funcionais associados à degradação contínua dos materiais que compõe o isolamento elétrico destes tipos de aparelho. Alguns fatores críticos na operação dos transformadores, como o funcionamento em sobrecarga, superaquecimento, transitórios e sinais elétricos de grande conteúdo harmônico vinculados a sistemas chaveados, em longo prazo, fazem com que o sistema de isolação de um transformador apresente degradação de suas propriedades físicas e químicas intrínsecas aos diversos tipos de materiais utilizados para esta finalidade e, deste modo, surjam descargas parciais. Este trabalho teve como objetivo aplicar sensores piezelétricos de baixo custo para a identificação e localização de descargas parciais em transformadores de potência por meio de sistemas inteligentes do tipo Redes Neurais e sistema de inferência neuro fuzzy adaptativos. Ambos os sistemas foram treinados com algumas métricas de processamento de sinais e os resultados de erro médio de localização chegaram na casa dos milímetros. Variou-se o número de sensores acoplados e foi realizado um estudo sobre os resultados de localização obtidos. / Abstract: Partial discharge damages in power transformers require high cost monitoring procedures based on corrective maintenance or even interruptions of the power system. The development of online non-invasive monitoring systems to detect partial discharges in power transformers has great relevance since it can reduce significant maintenance costs. Some critical factors in the operation of transformers such as overload, nonlinear loads, transient voltage surges by atmospheric origin and switching, can make the insulation system of transformers to lose their physical and chemical properties. Therefore, these operating conditions can cause early deterioration of the insulation, causing internal partial discharges that may develop into major defects and thus shorten the useful life of electrical equipment. This research aimed to apply a low cost piezoelectric sensors for partial discharge identification and location in power transformers through intelligent systems such as neural networks and adaptive fuzzy inference system. Both systems were trained with some signal processing metrics and the results for location error was in the region of millimeters. It was varied the number of coupled sensors and a study was conducted on the obtained location results. / Mestre

Orientador: José Alfredo Covolan Ulson / Banca: José Carlos de Melo Vieira Junior / Banca: Renato Crivellari Creppe / Resumo: Os transformadores são equipamentos importantes do sistema elétrico de potência, possuem alto custo e suas falhas tem influência direta na qualidade da energia entregue aos consumidores. Uma das principais causas de falhas em transformadores imersos em líquido isolante, as descargas parciais, advém da degradação física e química do sistema de isolação devido à diversos fatores tais como sobrecarga, cargas não-lineares, chaveamento e superaquecimento. Essas descargas parciais aceleram a degradação do dielétrico do transformador e podem levar à destruição do equipamento, ocasionando elevado prejuízo financeiro. Dessa forma, são necessárias ações de prevenção de falhas causadas por descargas parciais em transformadores, através de métodos de monitoramento e localização. Este trabalho teve por objetivo apresentar um método de localização de descargas parciais em transformadores de potência imersos em óleo mineral isolante utilizando o método de emissão acústica e sistemas inteligentes do tipo redes neurais artificiais e algoritmos genéticos. Foram aplicadas métricas de processamento de sinais aos sinais acústicos gerados a partir de descargas parciais e obtidos através de sensores piezelétricos de baixo custo instalados no lado externo do tanque do transformador. Estas métricas foram utilizadas para treinamento das redes neurais a fim de obter a distância euclidiana entre os sensores e as descargas parciais. Essas distâncias euclidianas foram utilizadas em um sistema não-linear d... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Transformers are important devices of the electric power system, which have high cost and their failures have a direct influence on the power quality delivered to the consumers. One of the main causes of failures in oil-immersed transformers, the partial discharges, comes from the physical and chemical degradation of the insulation system due to several factors such as overload, non-linear loads, switching and overheating. These partial discharges accelerate the degradation of the transformer dielectric and they can lead to the destruction of the equipment, causing high financial losses. Thus, actions are necessary to prevent faults caused by partial discharges in transformers, through monitoring and locating methods. The aim of this work was to present a method for locating partial discharges in oil-immersed power transformers using the acoustic emission method and intelligent systems such as artificial neural networks and genetic algorithms. Signal processing metrics were applied to the acoustic signals generated from partial discharges and obtained by low-cost piezoelectric sensors installed on the external side of the transformer tank. These metrics were used to train the neural networks in order to obtain the euclidean distance between the sensors and the partial discharges. These euclidean distances were used in a nonlinear location system, which was solved through a genetic algorithm in order to obtain the three-dimensional coordinates of the partial discharge. The ana... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Neste trabalho apresentamos o estudo dos principais processos de ionização e dissociação na coluna positiva da descarga luminescente em N2, mantida a campo elétrico constante. A análise foi realizada para pressão de descarga variando de 1 a 4 Torr, corrente de 5 a 40 mA e o fluxo no intervalo de 100 a 200 sccm. Os principais parâmetros da descarga, como o campo elétrico e campo elétrico reduzido, foram obtidos pelo uso de sonda elétrica simples e as análises das temperaturas ro-vibracionais e as densidades atômicas, pela técnica de espectroscopia de emissão óptica. O estudo experimental da cinética de ionização da descarga foi realizado pela análise do comportamento do campo elétrico e campo elétrico reduzido na coluna positiva. Como a cinética de ionização está acoplada à cinética de dissociação, fizemos um estudo da produção de átomo N(4S) em função da pressão e corrente de descarga. O levantamento da densidade do átomo N(4S) foi realizado pela técnica de actinometria. Uma atenção especial foi dada à participação dos estados metaestáveis e na cinética da descarga, pois são os principais canais de reação que levam à ionização. As suas eficiências nos processos cinéticos foram averiguadas pela adição de pequena quantidade de H2 monitorando a mudança no comportamento do campo elétrico. A eficiência da destruição destes estados metaestáveis pela adição de H2 foi realizada pela análise da variação da intensidade de emissão da banda Vegard-Kaplan e Ogawa-Tanaka-Wilkinson-Mulliken. Com as emissões dessas bandas, também foram obtidas as densidades relativas desses estados metaestáveis em função da corrente de descarga e pressão. Os resultados experimentais foram testados pelo modelamento numérico baseando-se na resolução simultânea da equação de Boltzmann para os elétrons, das equações de balanço para as populações das espécies neutras e das equações de continuidade para partículas carregadas.

Descargas de catodo oco (DCO) são capazes de gerar plasmas densos e são empregadas para o desenvolvimento de reatores a plasma em baixa pressão, com taxas elevadas de produção de partículas reativas e alta eficiência de processamento de materiais. A característica geométrica de uma DCO promove oscilações de elétrons de alta energia dentro do catodo, intensificando a ionização, o bombardeio de íons nas paredes internas e outros processos subseqüentes. O objetivo do presente estudo foi investigar sobre as características principais de uma descarga de catodo oco em corrente contínua a fim avaliar sua capacidade de gerar compostos no volume de plasma, pela reação entre as espécies pulverizadas do catodo e os radicais formados na descarga. A DCO foi operada com os gases argônio, nitrogênio e oxigênio em pressões variando na faixa de (9 - 50) Pa e fluxo na faixa de (1 - 100) sccm. A tensão de operação da descarga variou entre (300 - 900) V que corresponde à corrente de descarga entre (10 - 1000) mA. Uma bobina de Helmholtz foi empregada para produzir um campo magnético de baixa intensidade e uniforme ao longo do eixo da descarga variando entre (0 - 10)10-3 T. Os efeitos destes parâmetros, configurações do eletrodo e materiais do catodo (Al, C, Ti), foram investigados nos modos de descarga escura e descarga luminescente a fim de melhorar a eficiência de ionização da descarga e conseqüentemente, produzir plasmas com alta reatividade para a formação de determinados compostos. Os parâmetros do plasma foram inferidos da característica corrente-tensão de uma sonda cilíndrica simples (sonda de Langmuir) posicionada entre os catodos considerando a influência da distância inter-catódica e do campo magnético. Os valores obtidos para a densidade e temperatura de elétrons estão entre (1016 - 1017) m-3 e (2 - 5) eV, respectivamente. Com a técnica de espectrometria de massa algumas espécies na fase gasosa do plasma foram monitoradas para várias condições de operação da descarga. Esta análise de massa complementada com as medidas de sonda fornece uma orientação para otimização da geração dos compostos na descarga e conseqüentemente, para a deposição de filmes finos destes compostos. Interesse especial foi focado na formação de carbono (C), nitreto de alumínio (AlN), dióxido de titânio (TiO2), óxido de titânio (TiO) e nitreto de titânio (TiN) na descarga.

Neste trabalho foram desenvolvidos estudos sobre um jato de plasma com o objetivo de aperfeiçoar seu emprego para corrosão (plasma etching) de materiais eletrônicos. Foi investigado um novo tipo de reator, recentemente desenvolvido, no qual um jato de plasma é gerado em alto vácuo a fim de proceder à corrosão dos materiais. Com o intuito de determinar as condições características de corrosão adequadas a processos de microeletrônica, foram realizados diversos experimentos a fim de avaliar a influência dos parâmetros de controle tais como corrente elétrica da descarga, tensão aplicada, pressão de operação, e influência de campo magnético. Os materiais utilizados, especificamente, filmes de Carbono tipo Diamante são fabricados por técnicas de deposição por sputtering. As taxas de corrosão em função dos parâmetros de controle constituíram o conjunto de condições de operação avaliadas no sentido de se caracterizar a nova técnica de corrosão por plasma para processos de microeletrônica. Os resultados indicam que o processo em alto vácuo na presença de campos magnéticos moderados oferecem algumas vantagens potenciais em relação a outras técnicas de processamento por plasma utilizadas na microeletrônica. A corrosão em ambiente de baixa pressão reduz a presença de impurezas sendo que a direcionalidade do jato de plasma favorece a anisotropia da corrosão.

Filmes finos de carbono tipo diamante (DLC) são materiais promissores para o uso em indústria de micro e nanoeletrônica, por suas singulares propriedades físicas e químicas. Para estas aplicações, os filmes de DLC são normalmente submetidos a processos de corrosão a plasma em baixa pressão, os quais necessitam de um sofisticado sistema de vácuo e injeção de gases. Neste trabalho foi desenvolvido e testado um sistema de configuração simples e barata para a corrosão de filmes de DLC. Este sistema é baseado em descarga de barreira dielétrica (DBD), operando com oxigênio em pressões próximas a atmosférica. O fluxo de partículas provenientes da descarga da barreira dielétrica foi injetado a uma câmara de trabalho, onde um porta-substrato foi colocado a uma certa distância suficiente para interceptar o fluxo de gás na saída da descarga. O reator desenvolvido passou por sucessivas modificações, dando origem a cinco configurações que se diferenciaram, basicamente, pela geometria do reator e do potencial elétrico aplicado ao porta-amostras. O desempenho do processo de corrosão nestes sistemas foi avaliado através da corrosão de filmes de DLC nas seguintes condições de operação: pressão de 55,0 a 75,0 kPa, tempo de processo variando entre 1 e 20 min e distância entre eletrodo-amostra de 5 e 10 mm. As principais técnicas de caracterização dos filmes corroídos foram microscopia de força atômica (AFM), espectroscopia Raman e perfilometria. Os resultados mostram taxas de corrosão de até 7nm/min sendo obtidos com potência menor que 3W. A DBD foi caracterizada através do método de Manley usando figuras de Lissajous, com base nas condições de pressão e distância de eletrodo, que representam a região "ótima" de trabalho do reator. Os resultado mostram descargas com energias entre 1,58 até 3,50W rms com uma fonte AC de 11 kV - 500 Hz.

Descargas de arco deslizante geram plasmas em pressão atmosférica que podem operar em três regimes diferentes: térmico, não-térmico ou transitório. No regime transitório a descarga inicialmente forma um arco térmico que durante sua evolução sofre uma transição para o regime não-térmico. Esta transição permite obter alta densidade eletrônica e seletividade química, tornando este tipo de descarga interessante para aplicações em processos químicos em fase gasosa a pressão atmosférica. No presente trabalho é realizada a caracterização de um sistema gerador de descargas de arco deslizante em vórtice com o objetivo de compreender melhor os fenômenos básicos deste tipo de reator, em especial, a influência que o fluxo de gás exerce sobre os parâmetros elétricos e o efeito da vazão e da corrente nos processos químicos ocorridos no meio reativo. A caracterização foi feita utilizando ar atmosférico, gás natural e mistura de ambos os gases. As análises foram feitas através de medidas elétricas, espectroscopia óptica e espectrometria de massas. Os experimentos com ar foram realizados variando a vazão mássica entre 0,6 e 3,6 g/s e a corrente da descarga de 76 a 583 mA e, para gás natural, na faixa de 0,4 a 0,7 g/s e 80 a 992 mA. Os experimentos com mistura de gases foram realizados com vazão total de 2,0 g/s variando a razão de equivalência de 0,9 a 11,3 com correntes entre 50 e 392 mA e com vazão total de 1,0 g/s com razão de equivalência fixa em 1,9, variando a corrente de 100 mA a 960 mA. Os resultados mostram que a tensão de ruptura cresce fortemente com o aumento da vazão de gás, ao mesmo tempo em que há um pequeno decréscimo da corrente. A freqüência da descarga, por sua vez, é função tanto da tensão de ruptura quanto da vazão. Observa-se que a reatividade do meio cresce com o aumento da corrente, elevando a produção de NO na descarga em ar e a conversão de gás natural nos experimentos com gás natural puro e com mistura de gases. A redução da vazão total pela metade nos experimentos com mistura dobra a conversão de gás natural, mostrando a importância do tempo de residência no processo.

O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo sistemático dos microplasmas luminescentes produzidos através de descargas elétricas de corrente contínua, complementando o trabalho iniciado na dissertação de mestrado. Estes estudos envolvem as propriedades elétricas e espectroscópicas (através da espectroscopia óptica de emissão - EOE). Os microplasmas caracterizados eletricamente são: microcatodo oco aberto e fechado, microanodo oco, microjato de plasma com anodo (ou catodo) plano, além de outras modalidades destes, operados em pressões que variam de poucos Torr até a pressão atmosférica. Para as caracterizações espectroscópicas, que é a essência desta tese, optou-se por estudar microplasmas produzidos na pressão atmosférica, principalmente o microjato de plasma com catodo plano e o microanodo oco com fluxo de gás. Este é o primeiro estudo sistemático que se faz nesta modalidade de microjato. O microjato de plasma é gerado através de uma descarga em corrente contínua, entre o orifício de um microtubo metálico polarizado positivamente e uma superfície metálica plana, polarizada negativamente e posicionada defronte ao microtubo. Um fluxo de gás argônio atravessa o tubo e propicia a geração do microjato de poucos milímetros de comprimento. Através da caracterização elétrica obteve-se para os microplasmas: curvas de Paschen, curva característica tensão-corrente, curva tensão versus comprimento do jato (para o microjato). Através destes dados determinaram-se alguns parâmetros elétricos das descargas, como intensidade de campo elétrico na região da coluna positiva do microjato de plasma e densidade de elétrons. Um estudo dos processos de alargamentos das linhas de emissão (exclusivamente para as linhas de Balmer do hidrogênio e linhas de ArI) foi feito com o intuito de se determinar, através da EOE e em função da intensidade de corrente de operação, outros parâmetros da descarga, como: densidade de elétrons (1015cm-3), temperatura de excitação de elétrons (104K), temperatura do gás (103K) e temperatura do átomo de hidrogênio (104K). Através de um sistema óptico com alta resolução espacial obteve-se, em primeira mão, a distribuição do campo elétrico e a densidade efetiva de partículas carregadas na região de bainha catódica do microjato de plasma e a espessura (~102?mm) desta região.

Na atualidade há uma busca por novos materiais para a fabricação da estrutura das aeronaves como meio de gerar melhorias tanto na manufatura como na manutenção das mesmas. Os materiais compostos, entre eles os compósitos de fibra de carbono, são materiais que acrescentam as características esperadas quando comparados aos metais. Contudo, os materiais compostos não são bons condutores de eletricidade e desta forma uma atenção deve ser dada para as conseqüências de incidências de descargas atmosféricas em aviões que são constituídos destes materiais. Este trabalho avalia a ocorrência de centelhamento em junções de compósito de fibra de carbono encontradas nas asas de uma aeronave quando da passagem de uma corrente de alta intensidade proveniente de uma incidência direta de uma descarga atmosférica. Para alcançar os resultados desejados os parâmetros da corrente de descarga são avaliados na teoria e na prática.

O objetivo do presente trabalho foi realizar estudo experimental e teórico amplo e criterioso de plasmas confinados em um microcatodo oco aberto (MCO aberto), formado por um capacitor de placas plano-paralelas com um dielétrico (mica), entre elas e um furo de diâmetro (diâmetros escolhidos: 250m, 500m e 1000m), vazando o centro das placas juntamente com o dielétrico. Este dispositivo foi alimentado por uma fonte de alta tensão de corrente continua (CC). Os eletrodos utilizados na confecção dos MCO';s abertos foram o cobre, molibdênio e tântalo. Em relação às condições experimentais, os nossos microplasmas foram gerados em uma mistura de gases, , sob pressões sub-atmosféricas ou atmosféricas. Primeiro, fizemos uma investigação sobre os modos de operação apresentados pelos microplasmas através da curva característica tensão-corrente. Os resultados obtidos para estas curvas foram divididos em dois grupos. No primeiro grupo focamos a aplicação da lei de similaridade de Allis-White com relação ao modo de operação que apresenta uma resistência negativa (regime de catodo oco ou auto-pulsado). Para a faixa de pressão em que as microdescargas foram geradas, outros mecanismos (emissão secundaria, efeito Penning entre outros) são predominantes na produção de elétrons livres em relação ao efeito catodo oco, verificando o modo de operação e o auto-pulsado. Em relação ao segundo grupo ( - ), verificamos somente os regimes de operação normal e anormal estão presentes na descarga. Segundo, por meio do estudo das linhas de emissão dos espectros dos átomos de hidrogênio ( ) e argônio ( ) e também das moléculas de OH, obtivemos os resultados para a densidade eletrônica ( ), temperatura de excitação de elétrons ( ), função de distribuição dos estados atômicos (FDEA) do e a temperatura do gás ( ). Os resultados obtidos para , e estão coerentes com os publicados na literatura quando a corrente da descarga ou a pressão dentro do reator é elevada. Para os perfis apresentados pela FDEA do , constatamos que os estados pertencentes ao nível apresentaram o equilíbrio de Boltzmann parcial local, enquanto que, os níveis pertencentes à cauda da função de distribuição tenderam ao equilíbrio de Saha parcial local quando a pressão e o furo do microcatodo oco foram aumentados. Através dos valores apresentados pelo parâmetro , foi possível avaliar o quanto cada estado da função de distribuição dos estados atômicos do argônio experimental estava fora do equilíbrio de Saha . Além disso, por meio deste parâmetro concluímos que os balanços impróprios que mais contribuíram para tal perda de equilíbrio foram o balanço corona (BC) e o balanço de saturação por excitação (BSE). Por fim, para validar o código colisional radiativo de modelagem CRModel [MULLEN-2000], confrontamos os valores obtidos para e experimentalmente com os teóricos fornecidos pelo código, onde verificamos que para , os resultados estão em boa concordância dentro das incertezas, exceto, para alguns valores de pressão e diâmetros de furo dos MCO.