ABSTRACT Power transformers are key components for electrical energy transfer in a power system. Stability and security of transformer protection are important to system operation. Many maloperation cases of transformer differential protection are caused by inrush current problems. The phenomenon of transformer inrush current has been widely discussed in literature. Therefore, this research only discussed and analyzed inrush current problems to transformer differential protection. To understand the inrush current problems on differential protection, transformer simulation models were presented using Matlab/Simulink. Differential relay simulations for internal and external faults, and relay performance during current transformer saturation were performed using PSCAD. Recommendations were made on methods of reducing the blocking time of differential protection during inrush conditions.

O presente trabalho tem como objetivo analisar as correntes de inrush que surgem nos momentos de energização dos alimentadores de sistemas de distribuição. Desta forma, são relevantes em projetos cotidianos de concessionárias de energia elétrica como por exemplo, nos cálculos de ajustes dos dispositivos de proteção. Foram estudadas 291 (duzentas e noventa e uma) amostras extraídas de oscilografias de medidores alocados nas saídas de alimentadores de distribuição, os quais armazenaram informações de tais correntes nos momentos em que houveram religamentos bem sucedidos (carga quente), bem como em energizações após longos períodos de interrupção (carga fria). Todos os alimentadores analisados pertencem a AES-ELETROPAULO. Os valores (em magnitude) das correntes de inrush foram analisados nos primeiros instantes (16,66 ms e 100 ms) logo após o momento da energização dos alimentadores, sendo os valores estudados como variáveis probabilísticas. As análises desta dissertação fundamentaram-se na comparação dos dados oriundos de medição com os resultados de cálculo segundo o modelo tradicional (aplicação de fatores multiplicativos), na qual se observa uma clara majoração que tende a sobredimensionar os resultados das correntes. Desta forma este trabalho sugere a adoção de valores (ou faixa de valores) mais adequados e que tendem a garantir uma aproximação mais consistente com as medições. Comparando os valores (magnitude) dos fatores multiplicativos para as correntes de inrush entre carga quente e carga fria, verifica-se que as correntes de inrush em carga fria tendem a ser maiores do que em carga quente. Bem como em ambas as cargas, observa-se a relação direta de proporcionalidade do fator multiplicativo com a potência instalada dos alimentadores em termos dos transformadores de distribuição. / The purpose of this dissertation is to analyze the inrush currents generated upon the energization of distribution system feeders. These said currents are relevant for typical designs in electric power concessionaries, for example upon calculating the ideal settings for protection devices. It was analyzed (or studies) 291 (two hundred and ninety one) oscilography samples extracted from measuring devices oscilographs were analyzed. These devices were placed in the beggining of distribution feeders, and stored information on such currents both in successful reclosing (hot load) events and re-energization after long periods of outage (cold load) events. All feeders analyzed belong to the AES-Eletropaulo. The inrush current values (in magnitude) were analyzed right after (more specifically 16.66 ms and 100 ms) the feeder energization. For this reason, its corresponding values were studied as a probabilistic variables. This analysis was based on the comparison between measured data and traditional model (application of factor coefficients) calculation results, in this way, observed it that the traditional model yields over-dimensioned results which lead to oversizement of the results currents. It has thus suggested revised, more suitable values (or bands of values) which are bound to ensure a more consistent approximation to the real measurements. Upon comparing the final value (in magnitude) results on the analysis of the factor coefficients for inrush currents for hot load and cold load, it is observed that the cold load inrush currents tend to be higher than those for hot load. Furthermore, it was observed the direct relation of proportionality of the factor coefficients to the ratings capacity transformer power installed along the feeder lines.

The objective of this research is to advance the field of condition monitoring of electrolytic capacitors used in power electronics circuits. The construction process of an electrolytic capacitor is presented. Descriptions of various kinds of faults that can occur in an electrolytic capacitor are discussed. The methods available to detect electrolytic capacitor faults are discussed. The effects of the capacitor faults on the capacitor voltage and current waveforms are investigated through experiments. It is also experimentally demonstrated that faults in the capacitor can be detected by monitoring the capacitor voltage and current. Various ESR estimation based detection techniques available to detect capacitor failures in power electronics circuits are reviewed. Three algorithms are proposed to track and detect capacitor failures: an FFT based algorithm, a system modeling based detection scheme, and finally a parameter estimation based algorithm. The parameter estimation based algorithm is a low-cost real-time scheme, and it is inexpensive to implement. Finally, a detailed study is carried out to understand the failure mechanism of an electrolytic capacitor due to inrush current.

O presente trabalho tem como objetivo analisar as correntes de inrush que surgem nos momentos de energização dos alimentadores de sistemas de distribuição. Desta forma, são relevantes em projetos cotidianos de concessionárias de energia elétrica como por exemplo, nos cálculos de ajustes dos dispositivos de proteção. Foram estudadas 291 (duzentas e noventa e uma) amostras extraídas de oscilografias de medidores alocados nas saídas de alimentadores de distribuição, os quais armazenaram informações de tais correntes nos momentos em que houveram religamentos bem sucedidos (carga quente), bem como em energizações após longos períodos de interrupção (carga fria). Todos os alimentadores analisados pertencem a AES-ELETROPAULO. Os valores (em magnitude) das correntes de inrush foram analisados nos primeiros instantes (16,66 ms e 100 ms) logo após o momento da energização dos alimentadores, sendo os valores estudados como variáveis probabilísticas. As análises desta dissertação fundamentaram-se na comparação dos dados oriundos de medição com os resultados de cálculo segundo o modelo tradicional (aplicação de fatores multiplicativos), na qual se observa uma clara majoração que tende a sobredimensionar os resultados das correntes. Desta forma este trabalho sugere a adoção de valores (ou faixa de valores) mais adequados e que tendem a garantir uma aproximação mais consistente com as medições. Comparando os valores (magnitude) dos fatores multiplicativos para as correntes de inrush entre carga quente e carga fria, verifica-se que as correntes de inrush em carga fria tendem a ser maiores do que em carga quente. Bem como em ambas as cargas, observa-se a relação direta de proporcionalidade do fator multiplicativo com a potência instalada dos alimentadores em termos dos transformadores de distribuição. / The purpose of this dissertation is to analyze the inrush currents generated upon the energization of distribution system feeders. These said currents are relevant for typical designs in electric power concessionaries, for example upon calculating the ideal settings for protection devices. It was analyzed (or studies) 291 (two hundred and ninety one) oscilography samples extracted from measuring devices oscilographs were analyzed. These devices were placed in the beggining of distribution feeders, and stored information on such currents both in successful reclosing (hot load) events and re-energization after long periods of outage (cold load) events. All feeders analyzed belong to the AES-Eletropaulo. The inrush current values (in magnitude) were analyzed right after (more specifically 16.66 ms and 100 ms) the feeder energization. For this reason, its corresponding values were studied as a probabilistic variables. This analysis was based on the comparison between measured data and traditional model (application of factor coefficients) calculation results, in this way, observed it that the traditional model yields over-dimensioned results which lead to oversizement of the results currents. It has thus suggested revised, more suitable values (or bands of values) which are bound to ensure a more consistent approximation to the real measurements. Upon comparing the final value (in magnitude) results on the analysis of the factor coefficients for inrush currents for hot load and cold load, it is observed that the cold load inrush currents tend to be higher than those for hot load. Furthermore, it was observed the direct relation of proportionality of the factor coefficients to the ratings capacity transformer power installed along the feeder lines.

Transformadores de potência são dispositivos que requerem atenção especial devido a sua grande importância ao sistema elétrico de potência no qual ele está conectado. Geralmente relés diferenciais são utilizados como proteção primária em transformadores de potência. Nestes relés, a corrente diferencial é comparada com um nível de ajuste e caso ocorra uma falta interna, o transformador deverá ser desconectado do restante do sistema. Entretanto, a simples detecção da presença de uma corrente diferencial não é suficiente para distinguir faltas internas de outras situações que também podem produzir tal corrente. Tais situações surgem durante a energização dos transformadores, devido a saturação dos transformadores de corrente, entre outras, as quais podem resultar em uma incorreta atuação da proteção. Uma rápida e correta discriminação entre faltas internas e outras situações é um dos desafios da moderna proteção de transformadores de potência. A respeito da identificação de faltas internas ou situações de energização, além da mencionada lógica diferencial é acrescentado uma subrotina baseada na restrição de harmônicas. Neste método, a corrente de energização é reconhecida através da presença de uma segunda harmônica obtida por filtros de Fourier. No entanto, o método de filtragem pode algumas vezes retardar a operação da proteção. Além disto, uma componente de segunda harmônica pode também estar presente durante uma falta interna. Este trabalho propõe a utilização da transformada Wavelet - uma poderosa ferramenta matemática - empregada como um meio rápido e eficiente de analisar as formas de onda de transformadores de potência e como uma alternativa a tradicional transformada de Fourier. Os sinais das correntes diferenciais são processados pelas transformadas discretas Wavelet, visando obter uma discriminação entre ambas situações (energização e falta). Um nível de limiar é utilizado após a decomposição Wavelet do sinal para discriminar entre as situações descritas. A janela de dados utilizada para este propósito pode ser variada. Para testar o algoritmo proposto, as simulações de energização e falta foram implementadas, utilizando o programa ATP (\"Alternative Transient Program\"). Em situações onde a janela de dados é reduzida para 1/4 de ciclo o critério de discriminação pode ser otimizado utilizando a transformada discreta de Wavelet auxiliada com técnicas de reconhecimento de padrões. Este trabalho apresenta a utilização de redes neurais artificiais para tal finalidade como exemplo. Resultados encorajadores são apresentados sobre a capacidade de discriminação para as situações descritas assim como a rapidez de resposta quando comparados aos métodos tradicionais. / Power transformers are devices that require special maintenance and care due to their importance to the electrical system to which they are connected. Generally, differential relays are used for the primary protection of large transformers. In such relays, differential currents are compared to a threshold and in the case of an internal fault, the transformer should be disconnected from the rest of the system. However, a simple detection of a differential current is not sufficient to distinguish internal faults from other situations that also produce such a current. Some of these situations appear during transformer energization (inrush currents), CT (current transformer) saturation, among others, which can result in an incorrect trip. A correct and fast distinction of internal faults from the other situations mentioned is one of the challenges for modern protection of power transformers. Concerning the identification of internal faults as opposed to inrush currents, the approach tarditionally used is the aforementioned differential logic together with harmonic restraint. In this method, transformer inrush current due to energization is recognized on the basis of second harmonic components obtained by Fourier filters. However, the filtering method can sometimes delay the protection process. In addition to this, a second harmonic component can also be present during internal faults. This work proposes Wavelet transform - a powerful mathematical tool - employed as a fast and effective means of analyzing waveforms from power transformers, as an alternative to the traditional Fourier transform. The differential signals are processed by discrete Wavelet transform to obtain the discrimination between both situations (inrush and fault). A threshold level is utilized after the Wavelet decomposition to discriminate the situations describeb. The time window used for such purpose can be varied. In order to test proposed algorithm, simulations of fault and inrush currents in a power transformer were implemented using ATP ( \"Alternative Transient Program\") software. When the time window is reduced to only 1/4 of the cycle the discrimination criteria should be optimized using a pattern recognition technique to aid the Discrete Wavelet transform. This study shows as a sample for this purpose the use of artificial neural networks. Very encouraging results are presented concerning the capacity of discrimination of the described situations as well as the speed of response when compared to the traditional method.

Current differential protection principle is superior in terms of sensitivity and speed of operation in comparison with other protection principle used in power systems. From the last five decades, various current differential protection schemes are widely used to protect busbars, transformers, and short-transmission lines. The deployment of high capacity microwave and optical fiber technologies redefined the line protection systems by facilitating the use of current differential protection schemes for long transmission lines. The common application issue of these schemes is mis-operation due to current transformer (CT) saturation during close-in external faults. Moreover, transformer differential protection schemes face mis-trip due to inrush current during energization. The techniques presented in the literature to address those issues, de-sensitize protection function and increase the time of operation. A comprehensive fault discrimination algorithm and an inrush current detection algorithm are highly demanded for current differential protection schemes. The purpose of this dissertation is to optimize the performance of differential schemes applied to protect busbar, transformer and line. This research derives the mathematical model of saturated secondary current of CT and introduces the concept of Partial Operating Current (POC). Based on these mathematical developments, the characteristics of POC are identified for all three types of differential zones like busbar, transformer and line protection. A new inrush current blocking algorithm is developed for transformer differential protection. A new time-domain CT saturation detection algorithm is also proposed. Based on these new developments, three separate differential schemes are designed for busbar, transformer, and line protection, respectively. The proposed schemes provide complete immunity against the mis-operations due to CT saturation during close-in external faults and transformer inrush current without sacrificing the sensitivity for internal faults. The speed of operation is also improved. The model for each scheme is built in Matlab platform and the performance is validated using the test system simulated in Electro-Magnetic Transient Program (EMTP) for all possible fault scenarios. Documented results show the improved performance of the proposed schemes when compared to traditional differential schemes in terms of reliability, sensitivity, selectivity, and speed

No description available.

Transformadores de potência são dispositivos que requerem atenção especial devido a sua grande importância ao sistema elétrico de potência no qual ele está conectado. Geralmente relés diferenciais são utilizados como proteção primária em transformadores de potência. Nestes relés, a corrente diferencial é comparada com um nível de ajuste e caso ocorra uma falta interna, o transformador deverá ser desconectado do restante do sistema. Entretanto, a simples detecção da presença de uma corrente diferencial não é suficiente para distinguir faltas internas de outras situações que também podem produzir tal corrente. Tais situações surgem durante a energização dos transformadores, devido a saturação dos transformadores de corrente, entre outras, as quais podem resultar em uma incorreta atuação da proteção. Uma rápida e correta discriminação entre faltas internas e outras situações é um dos desafios da moderna proteção de transformadores de potência. A respeito da identificação de faltas internas ou situações de energização, além da mencionada lógica diferencial é acrescentado uma subrotina baseada na restrição de harmônicas. Neste método, a corrente de energização é reconhecida através da presença de uma segunda harmônica obtida por filtros de Fourier. No entanto, o método de filtragem pode algumas vezes retardar a operação da proteção. Além disto, uma componente de segunda harmônica pode também estar presente durante uma falta interna. Este trabalho propõe a utilização da transformada Wavelet - uma poderosa ferramenta matemática - empregada como um meio rápido e eficiente de analisar as formas de onda de transformadores de potência e como uma alternativa a tradicional transformada de Fourier. Os sinais das correntes diferenciais são processados pelas transformadas discretas Wavelet, visando obter uma discriminação entre ambas situações (energização e falta). Um nível de limiar é utilizado após a decomposição Wavelet do sinal para discriminar entre as situações descritas. A janela de dados utilizada para este propósito pode ser variada. Para testar o algoritmo proposto, as simulações de energização e falta foram implementadas, utilizando o programa ATP (\"Alternative Transient Program\"). Em situações onde a janela de dados é reduzida para 1/4 de ciclo o critério de discriminação pode ser otimizado utilizando a transformada discreta de Wavelet auxiliada com técnicas de reconhecimento de padrões. Este trabalho apresenta a utilização de redes neurais artificiais para tal finalidade como exemplo. Resultados encorajadores são apresentados sobre a capacidade de discriminação para as situações descritas assim como a rapidez de resposta quando comparados aos métodos tradicionais. / Power transformers are devices that require special maintenance and care due to their importance to the electrical system to which they are connected. Generally, differential relays are used for the primary protection of large transformers. In such relays, differential currents are compared to a threshold and in the case of an internal fault, the transformer should be disconnected from the rest of the system. However, a simple detection of a differential current is not sufficient to distinguish internal faults from other situations that also produce such a current. Some of these situations appear during transformer energization (inrush currents), CT (current transformer) saturation, among others, which can result in an incorrect trip. A correct and fast distinction of internal faults from the other situations mentioned is one of the challenges for modern protection of power transformers. Concerning the identification of internal faults as opposed to inrush currents, the approach tarditionally used is the aforementioned differential logic together with harmonic restraint. In this method, transformer inrush current due to energization is recognized on the basis of second harmonic components obtained by Fourier filters. However, the filtering method can sometimes delay the protection process. In addition to this, a second harmonic component can also be present during internal faults. This work proposes Wavelet transform - a powerful mathematical tool - employed as a fast and effective means of analyzing waveforms from power transformers, as an alternative to the traditional Fourier transform. The differential signals are processed by discrete Wavelet transform to obtain the discrimination between both situations (inrush and fault). A threshold level is utilized after the Wavelet decomposition to discriminate the situations describeb. The time window used for such purpose can be varied. In order to test proposed algorithm, simulations of fault and inrush currents in a power transformer were implemented using ATP ( \"Alternative Transient Program\") software. When the time window is reduced to only 1/4 of the cycle the discrimination criteria should be optimized using a pattern recognition technique to aid the Discrete Wavelet transform. This study shows as a sample for this purpose the use of artificial neural networks. Very encouraging results are presented concerning the capacity of discrimination of the described situations as well as the speed of response when compared to the traditional method.

Este trabalho apresenta um procedimento completo de simulação da proteção digital diferencial aplicada a transformadores de potência, visando o emprego deste à avaliação do comportamento de relés comercialmente disponíveis. Foi escolhido o software ATP (Alternative Transients Program) como ferramenta para a simulação de distintas situações sobre um sistema diferencial de proteção aplicado a um transformador de 25 MVA. Dentre as ocorrências evidenciadas, destacam-se: situações de faltas internas, faltas externas, situações de energização e energização com falta interna do transformador, condição de sobreexcitação e de saturação de TC (Transformador de Corrente). Cabe comentar que das simulações a real caracterização sobre o relé em teste, fez-se necessário todo um pré-processamento e análise da informação que será convenientemente abordada e justificada no trabalho apresentado, denotando-se um procedimento comum de teste a ser adotado a esta filosofia de proteção. A metodologia e esquema prático adotado trazem uma contribuição importante para a análise laboratorial de modelagens e simulações aplicadas a relés de proteção presentes no mercado e contribui de maneira substancial para os estudos teóricos de possíveis soluções para limitações eventualmente encontradas / This dissertation presents a complete procedure of simulation of digital differential protection applied to power transformers, focusing on its use to evaluate of the behavior of commercially available relays. Software ATP (Alternative Transients Program) was chosen as a tool for the simulation of distinct situations in a differential protection system applied to a 25 MVA three-phase transformer. Amongst the evidenced occurrences internal and external fault conditions, energization with or without internal fault of a three-phase transformer, overexcitation and CT (Current Transformer) saturation conditions were distinguished. It should be mentioned that from simulations to the characterization the real situations on the relay in test, a pre-processing and analysis of the information were necessary, and will be justified in the present study, denoting a common test procedure to be adopted to this philosophy of protection

Este trabalho apresenta um procedimento completo de simulação da proteção digital diferencial aplicada a transformadores de potência, visando o emprego deste à avaliação do comportamento de relés comercialmente disponíveis. Foi escolhido o software ATP (Alternative Transients Program) como ferramenta para a simulação de distintas situações sobre um sistema diferencial de proteção aplicado a um transformador de 25 MVA. Dentre as ocorrências evidenciadas, destacam-se: situações de faltas internas, faltas externas, situações de energização e energização com falta interna do transformador, condição de sobreexcitação e de saturação de TC (Transformador de Corrente). Cabe comentar que das simulações a real caracterização sobre o relé em teste, fez-se necessário todo um pré-processamento e análise da informação que será convenientemente abordada e justificada no trabalho apresentado, denotando-se um procedimento comum de teste a ser adotado a esta filosofia de proteção. A metodologia e esquema prático adotado trazem uma contribuição importante para a análise laboratorial de modelagens e simulações aplicadas a relés de proteção presentes no mercado e contribui de maneira substancial para os estudos teóricos de possíveis soluções para limitações eventualmente encontradas / This dissertation presents a complete procedure of simulation of digital differential protection applied to power transformers, focusing on its use to evaluate of the behavior of commercially available relays. Software ATP (Alternative Transients Program) was chosen as a tool for the simulation of distinct situations in a differential protection system applied to a 25 MVA three-phase transformer. Amongst the evidenced occurrences internal and external fault conditions, energization with or without internal fault of a three-phase transformer, overexcitation and CT (Current Transformer) saturation conditions were distinguished. It should be mentioned that from simulations to the characterization the real situations on the relay in test, a pre-processing and analysis of the information were necessary, and will be justified in the present study, denoting a common test procedure to be adopted to this philosophy of protection