Desenvolvimento de Métodos de Detecção de Avarias e Algoritmos de Protecção para Aplicação em Sistemas de Monitorização Contínua de Transformadores Trifásicos

Abstract

Os transformadores são um componente vital dos sistemas de produção, transmissão e distribuição de energia eléctrica e constituem um dos maiores investimentos de capital- intensivo realizado pelas empresas do sector eléctrico. Uma avaria inesperada num transformador pode provocar prejuízos elevados, onde se incluem não só a reparação ou substituição do equipamento, mas também os custos relativos à energia não vendida e às eventuais penalidades devido ao incumprimento dos padrões de continuidade de serviço. Neste contexto, existe uma crescente exigência relativamente aos sistemas de manutenção e protecção dos transformadores, no sentido de garantir elevados padrões de fiabilidade e qualidade de serviço da rede eléctrica. Consequentemente, o desenvolvimento de novos métodos de diagnóstico de avarias e o aperfeiçoamento dos dispositivos de protecção tem merecido particular atenção por parte da comunidade científica, por forma a tentar detectar as anomalias na sua fase mais precoce e assim evitar avarias catastróficas, minimizando os danos no transformador e reduzindo o período e custos de indisponibilidade. O trabalho apresentado nesta dissertação teve como objectivo principal o desenvolvimento de métodos de detecção de avarias em transformadores trifásicos. Pretendeu-se que os métodos possam ser utilizados em sistemas de monitorização contínua já existentes ou, preferencialmente, integráveis nos dispositivos de protecção baseados em microprocessadores, por forma a conseguir um sistema de monitorização contínua de baixo custo. A dissertação começa por apresentar uma caracterização das avarias que mais frequentemente ocorrem nos transformadores e uma revisão bibliográfica sobre os métodos de diagnóstico e técnicas de detecção de avarias utilizadas nos relés de protecção. De seguida descreve-se o desenvolvimento do modelo computacional do transformador, o qual é indispensável para analisar com detalhe o seu comportamento em diversas condições de funcionamento, tais como avarias nos enrolamentos, sobrecorrentes transitórias de excitação, perturbações na tensão de alimentação ou curtos-circuitos externos. Foi aqui dada especial atenção ao processo de obtenção dos parâmetros do modelo, particularmente no que se refere à determinação da curva de magnetização em regime saturado e à caracterização das indutâncias de fugas em função da severidade e localização da avaria. Foi também tomada em consideração a influência dos transformadores de corrente no sistema de monitorização/protecção, tendo sido igualmente desenvolvido um modelo matemático destes dispositivos. Para a validação experimental dos modelos computacionais foram concebidos vários circuitos de electrónica de potência que permitem efectuar a simulação analógica das avarias e controlar os parâmetros relacionados com as sobrecorrentes transitórias de excitação. De seguida propõem-se dois métodos para detectar avarias nos enrolamentos de transformadores trifásicos. Um dos métodos utiliza a análise do espectro harmónico do módulo do Vector de Park das correntes diferenciais, revelando sensibilidade suficiente para efectuar a monitorização contínua do estado do transformador e também para executar funções de protecção nos relés diferenciais. Este método supera as principais limitações que os algoritmos de protecção convencionais apresentam, efectuando correctamente a discriminação entre a condição de avaria e as sobrecorrentes transitórias de excitação, mesmo quando a percentagem do segundo harmónico das correntes diferenciais possui valores reduzidos. O outro método baseia-se na análise dos sinais relativos às potências instantâneas diferenciais activa e reactiva. À semelhança do anterior, este método distingue correctamente as sobrecorrentes transitórias de excitação da ocorrência de avarias internas, mesmo para um valor reduzido da percentagem de segundo harmónico das correntes diferenciais. Adicionalmente, este método não é afectado pelo erro na razão de transformação, provocado pelo comutador de tensão. O método não se revela no entanto tão sensível na identificação das avarias como o anterior e apresenta menor imunidade em relação à distorção dos sinais provenientes dos transformadores de corrente. Sugere-se ainda uma possível estratégia para combinar as vantagens dos dois métodos propostos.

Power transformers are key elements of the electric generation, transmission and distribution network and constitute one of the most capital-intensive investments made by power system utilities. The unexpected failure of a power transformer can generate substantial costs, not only because of repair or replacement but also because of financial losses due to undelivered energy and related penalties. In this context, there is a growing demand in power transformers maintenance and protection systems, to ensure high standards of reliability and quality of service of the electrical network. Therefore, the development of new diagnostic methods and protection devices has received particular attention from the research community, in order to detect faults at an earlier stage and thus avoiding catastrophic failures, minimizing the damages in the transformer and reducing the downtime period and related costs. The main purpose of the work presented in this dissertation is the development of fault detection methods in three-phase power transformers. These methods are intended to be used in existing continuous condition monitoring systems or, preferably, integrated into microprocessor-based protection devices, in order to achieve a low-cost continuous monitoring system. The dissertation begins by presenting a characterization about the most likely failures that can occur in power transformers and a bibliographic review of the diagnostic methods and fault detection techniques used in protection relays. Then, the development of a transformer digital simulation model is described. This model is indispensable to analyze the transformer behavior in different operating conditions, such as interturn short-circuits in the windings, inrush currents, supply voltage disturbances and external faults. Special attention has been given to the model parameters determination, particularly the magnetization curve under severe saturation and the characterization of leakage inductances as a function of the fault severity and location. The non-ideal characteristics of current transformers were also included in the monitoring/protection system, and the corresponding mathematical model of these devices was also developed. Several power electronic circuits have been designed and implemented in order to reproduce the winding faults behavior and control the inrush currents parameters, so that the digital simulation models can be experimentally validated. Two methods were proposed for the winding fault detection in three-phase transformers. One of the methods is based on the analysis of the harmonic spectrum of the differential currents Park's Vector modulus, being sufficiently sensitive to continuously monitor the transformer condition and also to perform protective functions in differential relays. This method overcomes the limitations of the conventional protection algorithms, making the correct discrimination between the occurrence of faults and inrush currents, even when the second harmonic percentage of the differential currents is reduced. The other method is based on the analysis of the harmonic content of the instantaneous active and reactive differential powers. Like the previous one, this method correctly discriminates inrush currents from internal faults, even for a reduced value of the differential currents second harmonic percentage. Furthermore, this method is not affected by the error in the transformation ratio, caused by the tap-changer. However, the method based on the instantaneous differential powers is not as sensitive as the previous one in identifying winding incipient faults and provides lower immunity against current transformers saturation. It is also suggested a possible strategy to combine the advantages of the two proposed methods.