Os transformadores para instrumentos (TIs) são equipamentos essenciais para a realização das funções de medição e de proteção nos sistemas elétricos de potência. O mau funcionamento dos TIs nos sistemas de proteção pode provocar tanto atuações indevidas como falhas de operação e, em ambos os casos, acarretará prejuízos à concessionária ou a terceiros, podendo, ainda, serem gerados danos materiais ou pessoais. Quando os transformadores de corrente (TCs) ou de potencial (TPs) estão instalados em sistemas de medição para faturamento e não funcionam com a precisão necessária, milhares ou milhões de reais podem ser perdidos por ano, seja por quem vende a energia, seja por quem a compra. O presente estudo, analisa a viabilidade (ou possibilidade) da utilização de TIs ópticos no sistema elétrico de potência brasileiro. Foram realizados comparativos técnicos e econômicos entre os TIs convencionais e os ópticos, sendo que no aspecto econômico são analisadas situações em que maus funcionamentos (ou falhas) dos TIs convencionais podem causar prejuízos às concessionárias. São apresentados levantamentos de dados indicativos das quantidades de TIs em uso e dos preços de aquisição desses equipamentos. Também é apresentado o resultado de uma enquete que avaliou o grau de familiaridade que os engenheiros do setor elétrico brasileiro tem com a tecnologia de TIs ópticos. O trabalho apurou que os TIs ópticos demonstram superioridades técnicas e econômicas frente aos TIs convencionais, mas que, para que eles sejam utilizados mais amplamente nas subestações, além de uma maior divulgação dos mesmos por parte de seus fabricantes, ainda são necessários esforços de adaptação e/ou aplicação de novas tecnologias que facilitem a conexão dos TIs ópticos aos sistemas de proteção e medição em uso. O trabalho indica também que esse problema, no futuro, deverá ser eliminado com a natural modernização das subestações e com a implantação de redes de comunicação aderentes à norma IEC 61850-9-2. / The instruments transformers (ITs) are essential equipment to perform the measurement and protection functions in electrical power systems. The malfunctioning of ITs in protection systems can cause undue actuations as well as operation failures and, in both cases, the utilities or third parties will face financial losses and, also, personal or material damages can be generated. When current transformers (CTS) or potential transformers (PTs) are used for revenue metering applications and do not work with the necessary precision, thousands or millions of reais may be lost per year, either by those who sell energy, or by whom purchase it. This study examines the viability of optical ITs applications in brazilian electric power systems. Technical and economical comparisons between conventional and optical ITs were carried out, and economic aspects of situations in which malfunctions (or failures) of conventional ITs can cause financial losses to utilities are discussed. Data about quantities and prices of conventional ITs in use in Brazil are shown. Also, results of a research evaluating the familiarity of engineers working in electric power utilities with the optical ITs technology are presented. The study found that optical ITs have shown technical and economical superiorities over conventional ITs, but, in order to be widely used in substations there are still needed adaptation efforts and/or application of new technologies that facilitate the connection of optical ITs to protection and measurement systems already in use. The present work also indicates that this problem, in the future, should be eliminated by natural modernization of substations and the installation of communication networks compliant to the IEC 61850-9-2 standard.

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.

Transformadores de potência são equipamentos essenciais no sistema elétrico de potência, alterando os níveis de tensão para interligar os sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Neste trabalho são relacionados e descritos os principais modos de falha normalmente verificados em transformadores, associados ao levantamento estatístico que compõe um banco de dados elaborado a partir de perícias realizadas entre os anos de 2.000 e 2.008 para companhias seguradoras. É apresentada e desenvolvida uma análise de falhas verificadas em cerca de uma centena de transformadores com diferentes tipos de aplicação, classes de tensão e níveis de potência. O objetivo do estudo é contribuir com um melhor entendimento de causas de falhas e os tipos de transformadores mais suscetíveis a cada uma delas. / Power transformers are essential equipment in the electric system by changing the voltage levels in order to connect generation, transmission and distribution systems of electric energy. In this study are related and described the most common failure modes in transformers, associated with the statistical statement that makes up a database developed from expertise held between the years 2000 and 2008 for insurance companies. It is presented and developed an analysis of failures found in around a hundred transformers with different types of application, classes of voltage and power levels. The objective of the study is to contribute to a better understanding of the causes of failures and the transformers types most susceptible to each one.

Transformadores de potência, como produtos não seriados, estão sujeitos a uma série de possíveis desvios de processo. As divergências que transformadores podem apresentar em relação ao seu projeto original podem ter consequências em sua capacidade de suportar carregamentos mecânicos que lhe serão aplicados. Seu transporte da fábrica às subestações elétricas é um dos principais eventos durante o qual suas estruturas são carregadas. Este trabalho foca em descrever e analisar um transformador de potência genérico em um modelo bidimensional, sob o ponto de vista da Mecânica Analítica e da análise de variabilidades com o objetivo de identificar parâmetros importantes à integridade estrutural do equipamento, especialmente aqueles relacionados ao modo de falha de destacamento das chapas do núcleo nos step laps. O modelo numérico do transformador consiste na representação de corpos rígidos conectados entre si por elementos de rigidez e amortecimento, tendo o conjunto do núcleo ferromagnético particularmente mais detalhado de modo a descrever o atrito existente em suas junções. A avaliação dos esforços nesses locais é feita por meio do método dos multiplicadores de Lagrange, ao considerar o atrito como uma restrição ao movimento, sendo que as forças e momentos limites para que ocorra o deslizamento planar das chapas do núcleo são determinados utilizando-se Newton-Raphson ou outras técnicas de otimização. / Power transformers, as non serialized products, are subject to a number of process deviations. The divergences that transformers present from their original design may have consequences on their ability to withstand mechanical loads which will be applied on them. Their transportation from workshop to power plants is one of the main events their structures are loaded. This work focuses on describing and analyzing a generic power transformer in a two-dimensional model, under the sight of Analytical Mechanics and Structural Reliability in order to identify important parameters related to their structural integrity, especially those concerning the failure mode of dismantling of the ferromagnetic core in the step-lap joints. The numerical model of the transformer consists of a representation of rigid bodies, connected to each other by stiness and damping elements, having the assembly of the ferromagnetic core more detailed in order to describe the friction present on their step-lap joint. The evaluation of friction in these locations is made using the Lagrange Multipliers Method, by considering it as a movement restriction, and the limit values of forces and moments to which the planar sliding of the core sheets occurs, damaging the behavior of the electric machine, are determined using Newton-Raphson and Optimization Methods.

O estimador de estado (EE) foi originalmente desenvolvido para lidar com sistemas de transmissão (ST). Desta maneira, sua aplicação em sistemas de distribuição (SD) exige que os métodos clássicos sejam repensados. Este trabalho teve como objetivo avaliar os métodos disponíveis na literatura para a estimação de estado em SD e explorar a fundo um método escolhido. A abordagem escolhida foi a que utiliza as correntes complexas nos ramos como variáveis de estado. Tal abordagem visa tirar proveito das características específicas dos SD, e apresenta um desempenho computacional superior se comparado a soluções que utilizam as tensões como variáveis de estado. Entretanto, tal método ainda se encontra pouco explorado na literatura, de modo que diversas limitações foram identificadas. A principal limitação encontrada foi no que tange à presença de transformadores no sistema, que foi negligenciada nos trabalhos encontrados na literatura. De modo a aumentar a confiabilidade da estimação, além das correntes em todos os ramos, foi considerada a possibilidade de se incluir no vetor de estado variáveis referentes à tensão na subestação (SE). Na presença de transformadores, tal expansão no vetor de estados gerou um acoplamento do modelo matemático. Neste trabalho, foram propostas soluções para lidar com diferentes conexões de transformadores utilizando o estimador com base nas correntes mantendo uma de suas principais características, que é o desacoplamento entre fases. Na ocasião da estimação da tensão na SE, um método de combinação ótima de variáveis de estado foi proposto de modo a contornar o acoplamento gerado no modelo matemático. Sistemas teste do IEEE foram utilizados para avaliar o desempenho do algoritmo implementado. Os resultados obtidos mostraram que a metodologia escolhida foi capaz de estimar o estado do SD com precisão adequada na presença de diferentes tipos de medidas e topologias. Os modelos propostos neste trabalho se mostraram eficazes na incorporação de transformadores com diferentes conexões na formulação do EE. Por fim, o método proposto para lidar com a estimação da tensão na SE de maneira desacoplada na presença de transformadores foi validado e se mostrou mais eficiente computacionalmente quando comparado ao seu análogo acoplado. / The state estimator (SE) was originally developed to deal with transmission networks (TN). Hence, its application in distribution networks (DN) requires the classical methods to be modified. The main aim of this work was to evaluate the methods available in the literature for state estimation in DN and to explore in depth a chosen method. The chosen approach was the one that uses the complex branch currents as state variables. This approach aims to take advantage of the specific characteristics of DN, and presents a superior computational performance when compared to solutions that use voltages as state variables. However, this method is still little explored in the literature, so that several limitations have been identified. The main limitation was in terms of the presence of transformers in the system, which was neglected in the papers found in the literature. In order to increase the reliability of the estimation, in addition to the branch currents, it was considered the posibility of including the substation voltage variables in the state vector. In the presence of transformers, such expansion in the state vector generated a coupled mathematical model. In this work, solutions were proposed to deal with different transformer connections using the branch current SE while keeping one of its main characteristics, that is the decoupling between phases. When the substation voltage is being estimated, an optimal combination of state variables was proposed in order to circumvent the coupling in the mathematical model. IEEE test systems were used to evaluate the performance of the implemented algorithm. The results showed that the chosen methodology was able to estimate the DN state with adequate accuracy in the presence of different types of measurements and topologies. The models proposed in this work proved to be effective in the incorporation of transformers with different connections in the SE formulation. Finally, the proposed method to decouple the branch current SE when dealing with substation voltage estimation in the presence of transformers was validated and proved to be computationally more efficient when compared to its coupled version.

O presente trabalho teve como foco um problema que vem se tornando cada vez mais grave nos dias de hoje, já que, com o crescimento das zonas urbanas, algumas residências estão se aproximando dos transformadores de potência. Transformadores são máquinas cuja função é aumentar ou diminuir a diferença de potencial de uma rede elétrica, porém, eles geram um nível significativo de ruído, podendo ser prejudicial à saúde. Esse ruído é causado pela magnetostricção pelas chapas de Fe-Si as quais compõem o núcleo. Assim, o intuito desse trabalho foi estudar duas ligas de Fe-Ti, para averiguar seu comportamento magnetostrictivo. Além disso, é importante estudar as propriedades magnéticas dessas ligas, a fim de se analisar quais são as perdas magnéticas associadas a essas ligas. Portanto, também foram feitas medidas de indução magnética, permeabilidade magnética e resistividade elétrica. Também foram feitas análises de microscopia eletrônica de varredura, para análise do tamanho e morfologia dos grãos, difratometria de raios X, para identificação das fases presentes e difração de elétrons retroespalhados, para identificação da textura. Todas essas medidas foram feitas para as ligas de Fe-Ti e uma liga de Fe-Si comercial de grão orientado e os resultados foram comparados entre si. As ligas de Fe-Ti apresentaram valores de magnetostricção menores do que a liga de Fe-Si, porém, apresentaram valores bem maiores quando analisadas as perdas magnéticas. Com isso, foi possível fazer uma primeira análise das ligas de Fe-Ti, criando diversas possibilidades para estudos futuros. / The present research had as focus a problem that is becoming very serious nowadays, since with the growth of urban areas, some households are approaching the power transformers. Power transformers are machines whose function is to increase or decrease the potential difference of a power grid, but they generate a significant level of noise, which can be harmful to human health. This noise is created by the magnetostriction of the Fe-Si plates that compose the core. Thus, the purpose of this research was to study two Fe-Ti alloys to investigate their magnetostrictive behavior. In addition, it is important to study the magnetic properties of these alloys in order to analyze the magnetic losses associated with these samples. Therefore, measurements of magnetic induction, magnetic permeability and electrical resistivity were also made. Were made analyzes of scanning electron microscopy to investigate the size and morphology of the grains, X-ray diffraction, to identify the phases that are present in the material and electron backscatter diffraction to identify the texture.These characterizations were made for the Fe-Ti alloys and a commercial grain-oriented Fe-Si alloy. The results were compared to each other. Fe-Ti alloys showed lower magnetostriction values than the Fe-Si alloy, however they presented highest values of magnetic losses. As a result, it was possible to make a first analysis of the Fe-Ti alloys properties, creating several possibilities for future studies in order to improve Fe-Ti alloys properties.

Submitted by NADYA KALACHE null (nadyakalache@gmail.com) on 2017-02-02T18:30:28Z No. of bitstreams: 1 Nadya Kalache.pdf: 2308527 bytes, checksum: 9cdc9b520310cc767a416203f4a8451d (MD5) / Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO (luizamenezes@reitoria.unesp.br) on 2017-02-06T16:12:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 kalache_n_dr_ilha.pdf: 2308527 bytes, checksum: 9cdc9b520310cc767a416203f4a8451d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-06T16:12:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 kalache_n_dr_ilha.pdf: 2308527 bytes, checksum: 9cdc9b520310cc767a416203f4a8451d (MD5) Previous issue date: 2016-12-09 / O gerenciamento econômico de transformadores de distribuição é de fundamental importância no planejamento econômico das concessionárias de energia, pois estão presentes em grande quantidade no sistema elétrico. No novo conceito de redes inteligentes, novas considerações sobre as perdas nos transformadores devem ser feitas e outras possibilidades de gerenciamento podem ser exploradas. A primeira afirmação se deve ao fato do aumento da não-linearidade no perfil da carga no transformador, proveniente do aumento de cargas eletrônicas e de unidades de geração distribuída que utilizam conversores eletrônicos para conexão com a rede. A segunda afirmação é justificada pela infraestrutura avançada de medição presente nas redes inteligentes, o que possibilita acesso remoto e dinâmico a uma maior quantidade de informações fundamentais para análise das condições operacionais dos transformadores. Este trabalho analisa como utilizar um sistema de monitoramento em redes inteligentes em conjunto com o cálculo de perdas para identificação de transformadores sobrecarregados. Além disso, com o conhecimento das curvas de carga diária, dos índices econômicos vigentes, desenvolveu-se um aplicativo para gerenciamento de unidades transformadoras em operação, ferramenta esta que poderá ser utilizada no sistema de gestão de ativos das concessionárias. / Economic management of distribution transformers has fundamental importance in the economic planning of utilities, since they are present in large quantities in the electrical system. In the new concept of smart grids, new considerations about losses in transformers must be made and other management possibilities can be explored. The first statement is due to the increase of non-linearity in the load profile transformer, from the increase of electronic loads and distributed generation units that use electronic converters for connection to the grid. The second statement is justified by the advanced metering infrastructure available in smart grids, which enables remote and dynamic access to a greater amount of essentials information for analyzing the transformers operating conditions. This paper analyzes how to use a monitoring system in smart grids with the calculation of losses for identification of overloaded transformers. Also, by the knowledge of daily load curves, the current economic indices, an application was developed to manage transforming units in operation, a tool that can be used in the assets management system of dealers.

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.

Transformadores de potência são equipamentos essenciais no sistema elétrico de potência, alterando os níveis de tensão para interligar os sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Neste trabalho são relacionados e descritos os principais modos de falha normalmente verificados em transformadores, associados ao levantamento estatístico que compõe um banco de dados elaborado a partir de perícias realizadas entre os anos de 2.000 e 2.008 para companhias seguradoras. É apresentada e desenvolvida uma análise de falhas verificadas em cerca de uma centena de transformadores com diferentes tipos de aplicação, classes de tensão e níveis de potência. O objetivo do estudo é contribuir com um melhor entendimento de causas de falhas e os tipos de transformadores mais suscetíveis a cada uma delas. / Power transformers are essential equipment in the electric system by changing the voltage levels in order to connect generation, transmission and distribution systems of electric energy. In this study are related and described the most common failure modes in transformers, associated with the statistical statement that makes up a database developed from expertise held between the years 2000 and 2008 for insurance companies. It is presented and developed an analysis of failures found in around a hundred transformers with different types of application, classes of voltage and power levels. The objective of the study is to contribute to a better understanding of the causes of failures and the transformers types most susceptible to each one.

O estimador de estado (EE) foi originalmente desenvolvido para lidar com sistemas de transmissão (ST). Desta maneira, sua aplicação em sistemas de distribuição (SD) exige que os métodos clássicos sejam repensados. Este trabalho teve como objetivo avaliar os métodos disponíveis na literatura para a estimação de estado em SD e explorar a fundo um método escolhido. A abordagem escolhida foi a que utiliza as correntes complexas nos ramos como variáveis de estado. Tal abordagem visa tirar proveito das características específicas dos SD, e apresenta um desempenho computacional superior se comparado a soluções que utilizam as tensões como variáveis de estado. Entretanto, tal método ainda se encontra pouco explorado na literatura, de modo que diversas limitações foram identificadas. A principal limitação encontrada foi no que tange à presença de transformadores no sistema, que foi negligenciada nos trabalhos encontrados na literatura. De modo a aumentar a confiabilidade da estimação, além das correntes em todos os ramos, foi considerada a possibilidade de se incluir no vetor de estado variáveis referentes à tensão na subestação (SE). Na presença de transformadores, tal expansão no vetor de estados gerou um acoplamento do modelo matemático. Neste trabalho, foram propostas soluções para lidar com diferentes conexões de transformadores utilizando o estimador com base nas correntes mantendo uma de suas principais características, que é o desacoplamento entre fases. Na ocasião da estimação da tensão na SE, um método de combinação ótima de variáveis de estado foi proposto de modo a contornar o acoplamento gerado no modelo matemático. Sistemas teste do IEEE foram utilizados para avaliar o desempenho do algoritmo implementado. Os resultados obtidos mostraram que a metodologia escolhida foi capaz de estimar o estado do SD com precisão adequada na presença de diferentes tipos de medidas e topologias. Os modelos propostos neste trabalho se mostraram eficazes na incorporação de transformadores com diferentes conexões na formulação do EE. Por fim, o método proposto para lidar com a estimação da tensão na SE de maneira desacoplada na presença de transformadores foi validado e se mostrou mais eficiente computacionalmente quando comparado ao seu análogo acoplado. / The state estimator (SE) was originally developed to deal with transmission networks (TN). Hence, its application in distribution networks (DN) requires the classical methods to be modified. The main aim of this work was to evaluate the methods available in the literature for state estimation in DN and to explore in depth a chosen method. The chosen approach was the one that uses the complex branch currents as state variables. This approach aims to take advantage of the specific characteristics of DN, and presents a superior computational performance when compared to solutions that use voltages as state variables. However, this method is still little explored in the literature, so that several limitations have been identified. The main limitation was in terms of the presence of transformers in the system, which was neglected in the papers found in the literature. In order to increase the reliability of the estimation, in addition to the branch currents, it was considered the posibility of including the substation voltage variables in the state vector. In the presence of transformers, such expansion in the state vector generated a coupled mathematical model. In this work, solutions were proposed to deal with different transformer connections using the branch current SE while keeping one of its main characteristics, that is the decoupling between phases. When the substation voltage is being estimated, an optimal combination of state variables was proposed in order to circumvent the coupling in the mathematical model. IEEE test systems were used to evaluate the performance of the implemented algorithm. The results showed that the chosen methodology was able to estimate the DN state with adequate accuracy in the presence of different types of measurements and topologies. The models proposed in this work proved to be effective in the incorporation of transformers with different connections in the SE formulation. Finally, the proposed method to decouple the branch current SE when dealing with substation voltage estimation in the presence of transformers was validated and proved to be computationally more efficient when compared to its coupled version.