1001 ] A presente invenção se insere no campo das metodologias de detecção de faltas a um transformador de potência, em que a referida metodologia é aplicada com alta sensibilidade para faltas internas ao transformador, entre espiras e espíra-terra, possibilitando a retirada do transformador de potência de serviço de forma rápida e confiável. Adicionalmente, a presente invenção pode ser aplicada para detecção de faltas em outros equipamentos como motores, reafores shunt, banco de capacitores e linhas de transmissão, sendo os transformadores o caso considerado mais critico.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO;

[002) A referência de. qualidade de vida está diretamente ligada ao fornecimento de energia elétrica e a demanda de energia tende a aumentar constantemente, principalmente, em paises em desenvolvimento. Para atender a esta demanda crescente., há uma incessante busca por maior eficiência no sistema de geração, transmissão e distribuição de energia. Para o aumento desta eficiência energética ê necessário que o sistema elétrico seja seguro e confiável, levando â uma alta qualidade da energia elétrica.

[0.03] Usualmente, índices de qualidade de energia na distribuição e a qualidade da transmissão de energia são monitorados por normas avaliativas e comparativas com padrões desejáveis.

[Q04] Um dos equipamentos que possui função primordial na. manutenção de altos níveis de qualidade de energia são os transformadores de potência. Eles são os principais equipamentos e, também os mais caros, de uma subestação de energia., SE, de transmissão ou de distribuição.. Na geração, os transformadores não são os mais caros, mas isto não reduz sua importância .

[005] Desta forma,, os transformadores devem sofrer manutenção frequente., mas mesmo assim, estão sujeitos a curtos- circuitos, fato que é considerado grave, pois há sempre o risco de fogo. Quando há a ocorrência de faltas internas ao transformador, diferentemente de linhas de transmissão aéreas, produz-se um dano no equipamento que precisará ser reparado. No entanto, é na redução da extensão do dano que os equipamentos de proteção trabalham. Quanto mais rápido for detectada a anormalidade, menor será o dano ao equipamento..

[006] De acordo com o exposto em estudos na matéria desta invenção, 12% das faltas no sistema elétrico ocorrem em transformadores. Na literatura, apresentam-se estatísticas de falhas em transformadores e, apesar de percentualmente haver certa variação, em relação aos locais de falta, é possível verificar que a maioria das faltas ocorrem nos enrolamentos do transformador, seguido pelo comutador de taps e em terceiro lugar pelas buchas _*

[007] Analisando as faltas nos enrolamentos, verifica-se que uma falta entre poucas espiras não provoca grande variação de corrente na entrada e saída do transformador, mas internamente a corrente de fuga, ou seja, de falta, é alta e provoca grande aquecimento local no transformador. Este aquecimento gera gases que são detectados, por exemplo, peio relê Buchholz. Este processo é demorado, aumentando o dano ao transformador.. Pode também ocorrer uma evolução da falta, sendo assim detectável pelo relê de proteção, mas novamente o ^: dano causado será alto.

[008] Faltas a terra no enrolamento delta de um transformador também podem passar desapercebidas pela proteção diferencial convencional e quanto maior for o dano ao transformador, maior pode ser o tempo de manutenção, levando à indisponibilidade de fornecimento de energia e ao aumento dos custos de reparo.

Est&do da Técnica:

[009] O documento CN101702512 apresenta uma proposta direcionada apenas para geradores. Primeiramente é realizado um cálculo de. corrente minima de I.2.. Quando este está acima de 10% da carga,, é comparado o ângulo, de impedância de sequência zero com certos limites. Se. entre Qgraus e 90graus a falta é externa, e se entre -90graus e -180graus, a falta è interna. Contudo, as possibilidades que esta invenção oferece estão unicamente restritas a geradores, diferentemente da presente invenção, que. amplia seu campo de aplicação por meio de uma tecnologia inventiva e diferenciada, que será a seguir detalhada.

[010] O documento US5514978 baseia-se no cálculo de impedância de sequência negativa. O método faz diversas contas, compara 22 com um limité, mas. faz contas inversas,, lê 12 e, após multiplicar por Z2, compara. Com um limiar de V2„ Faz o contrário também, lê V2 θ compara com um 12 após cálculo com uma impedância padrão 22. Entretanto, a tecnologia revelada no US5514978 está exclusivamente ligada a motores, enquanto a presente invenção amplia seu campo de aplicação por meio de uma tecnologia inventiva e diferenciada.

[011] No documento US781.2615, o principio de operação distingue-se da presente invenção. É mencionado que a tecnologia do US7812615 consegue identificar 2¾ de falta entre espiras. Contudo, alguns problemas técnicos podem ser identificados, como: possuir um sensor de mínima corrente de. sequência negativa; usar um minimo de corrente diferencial de sequência negativa e usar o ângulo para descriminar a falta, não ficando claro como usar o método para mais de duas correntes. Neste sentido, cabe ressaltar que, de maneira diferencial, a presente invenção apresenta uma sensibilidade muito apurada, menor que 1% para faltas entre espiras.

[012] No documento CN100550557, inicialmente já tem um principio de operação diferente da presente invenção, além de apresentar outras adicionais distinções como: fazer uso de um diferencial de corrente de sequência, negativa., apresentar como limitações um minimo valor de operação e o próprio diferencial que possui uma dessensibilização intrínseca ao método. Mais uma vez, a presente invenção, de maneira diferencial, propõe uma sensibilidade muito apurada, solucionando esta que era uma deficiência latente do estado da técnica .

[013] O documento US79O3381 trabalha de maneira muito similar em relação ao CN100550557, podendo ser verificadas as mesmas considerações .

[014:] O documento US8823307 restringe sua especificação, apenas para geradores, sendo baseado na comparação de magnitude, e ângulo de várias grandezas como tensão e corrente de sequência (positiva, negativa e zero} . Enquanto sua aplicação é especifica para geradores e consideravelmente complexa, a presente invenção propõe simplicidade e aplicação ampla. £015] O documento CN1015050:S1, por sua vez, também é direcionado para geradores. Baseado na distribuição da tensão de sequência negativa no gerador., detecta se a falta é interna ou externa ao gerador com base no perfil de tensão de sequência negativa na salda do gerador e depois do Trafo elevador. Contudo, diferentemente da presente invenção, sua aplicação é exclusivamente restrita a geradores.

[016] O documento US517Q308 apresenta, uma tecnologia baseada no cálculo da admitância paralela do transformador. Aplica- se para a detecção de faltas internas durante a energizaçáo, o que não é proposta da presente invenção.

Í017] No documento US4204237, é descrita uma tecnologia sobre relés de estado sólido, diferencial tradicional de transformador, A referida matéria atua na proteção principal do trafo, enquanto que de maneira diferencial, a presente invenção objetiva complementar a proteção principal.

[018] O documento BR8606027 revela um estudo sobre o diferencial tradicional de transformador. De maneira, similar ao documento US4204.237, sua matéria atua na proteção principal do trafo, enquanto que de maneira diferencial, a presente invenção objetiva complementar a. proteção principal .

[019] _. Há também o artigo "Analysis on the. Negative Sequence Impedance Directional Protection for Stator Internai Fault of Turbo Generator" que è baseado na impedância de sequência negativa, porém não apresentando as mesmas impedâncias frente e atrás esperadas» A tecnologia de que trata o referido artigo, portanto, é restrita, diferentemente da presente invenção que não tem especificidade apenas para geradores e,, ainda, contempla a atuaçâo para equipamentos com mais de duas entradas/saídas.

[020] O documento CN10:4991160, descreve uma tecnologia referente à detecção de faltas internas ao transformador. Para seu funcionamento., é preciso instalar um sensor de acoplamento capacitivo. Este equipamento inj.eta alta frequência que é medida e tratada para a detecção. A presente invenç¾o se diferencia do CN1Q4991160 principalmente pelo fato de utilizar um princípio de operação diferente, baseada nas impedâncias de sequência negativa. Além disso, o CN104991I60 necessita de instalação de equipamento extra no transformador, ao contrário da presente, invenção, que ainda tem a vantagem de utilizar para medição apenas os equipamentos já existentes, caracterizando sua adaptabilidade e portabilidade.

[021] No documento B.R _. 200900722, a tecnologia descrita no documento refere-se â detecção de faltas internas ao transformador de potência. A referida tecnologia utiliza, o princípio diferencial de sequência negativa. Contudo, a invenção aqui revelada tem uma proposta que difere do BR2009007.22, principalmente pelo fato de utilizar um princípio de operação diferente, baseada nas impedâncias de sequência negativa.

Vantagens da Invenção;

[022] A presente invenção permite apresentar maior e aprimorada sensibilidade na detecção de faltas internas nos transformadores de potência. A referida invenção não está sujeita á corrente de energização do transformador ou mesmo à sobre-excitaçâo do transformador de potência. Os métodos do estado da técnica baseados em corrente de sequência negativa aplicam um comparador de minima corrente para executar um algoritmo e a presente, invenção não o faz, contribuindo para o aumento da sensibilidade, do elemento. Outro diferencial é que em nenhum outro trabalho é mencionado σ fato que após a saida de uma falta externa, há um transiente no diagrama de sequência negativa e que este transiente se assemelha a uma falta interna, sendo necessário um bloqueio ou apropriada dessensibilização do algoritmo. Uma vantagem adicional, da presente invenção, ainda, é a facilidade de expansão do método para equipamento com mais de duas entradas/saidas .

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO;

[023] A presente invenção refere-se a um método de proteção de transformador para faltas internas.

[024] Em suma, o método revelado na presente invenção se propõe a aumentar a sensibilidade de detecção de faltas internas em equipamentos, principalmente, transformadores de potência, mas podendo ser também empregado na detecção de faltas internas a outros equipamentos como motores, geradores, reatores shunt., banco de capacitores, linhas de transmissão e até mesma para a combinação de mais de um equipamento na zona de proteção.

[0251 O presente método atua aumentando a. sensibilidade para as faltas internas, diminuindo, assim, os tempos de atuação e promovendo uma redução no dano dos equipamentos sob a proteção que fornece.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS :

[026] Para obter total, e completa visualização do objeto desta invenção, são apresentadas as figuras as quais se faz referências, conforme se segue..

[027] A FIGURA 1 apresenta o sistema de potência exemplo. [028] A FIGURA 2 apresenta graficamente as impedâncias de sequência negativa vistas pelo lado delta.:

[029J A FIGURA 3 apresenta graficamente as impedâncias de sequência negativa vistas pelo lado estrela.

[030] A FIGURA 4 apresenta graficamente as impedâncias de sequência negativa vistas pelo lado delta.

[031] A FIGURA 5. apresenta graficamente as impedâncias de sequência negativa vistas pelo lado estrela.

[032] A FIGURA € apresenta graficamentê as impedâncias de sequência negativa., lado delta,

[033] A FIGURA 7 apresenta graficamente as impedâncias de sequência negativa, lado estreia.

[034] A FIGURA 8 apresenta o diagrama de sequência para falta monofásica na barra R.

[03.5] A FIGURA 9 apresenta um diagrama de sequência para falta monofásica na barra S.

[036] A FIGURA 10 representa a. visão da impedância vista por ambos os lados do trafo.

[037] A FIGURA. 11 é uma apresentação gráfica do plano de atuação referenciado na presente invenção.

[038] A FIGURA 12 é uma apresentação gráfica da atuaçâo indevida para falta externa.

[039] A FIGURA 13 é uma apresentação gráfica do novo plano de atuaçâo.

[040] A FIGURA 1.4 é um diagrama de sequência para falta bifásica externa.

[041] A FIGURA 15 mostra a excursão das impedâncias de sequência negativa .

[042} A Figura 16 mostra as correntes e atuação do elemento durante falta interna ao transformador. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO:

[043] A presente Invenção refere-se a um método de proteção de transformador para faltas internas, o qual compreende as seguintes etapas e subetapas:

a>Aquisição dos dados da rede;

a.l) Monitora todos os sinais de corrente e tensão do equipamento protegido (correntes e tensões trifásicas de cada terminal);

a.2} Elimina a superposição de frequências; a.3) Converte todos os sinais de analógicos para digitais;

a.4} Extrai os fasores da componente fundamental; b} Tratamento do sinal;

b.1) Condiciona os sinais para valores por unidade, pu;

b.2!í Calcula as correntes e tensões de sequência negativa de cada terminal;

b.3) Calcula as impedâncias de sequência negativa de cada terminal;

c) Identificação da necessidade de desbloqueio;

cl) Calcula as derivadas das tensões de cada terminai em relação ao passado (de 1 a 3 cicios) .; c2) Compara a sub-etapa (cl) com o limiar LI (de 0.01 a 5) ;

c 3) Compara a sub-etapa (cl) com o limiar L2 (de 0.5 a 10) ;

c.4) Compara a sub-etapa (cl) com o limiar L3 (de 10 a 120);

c.5) Declara distúrbio externo, não retira o bloqueio, se uma das derivadas da sub-etapa (c4) é verdadeira pelo tempo tl (de 0 a 3 ciclos) ;

c.6) Declara distúrbio, interno se uma das derivadas da sub-etapa (c.2) é verdadeira e a sub- etapa (c.4) é falsa pelo tempo t2 (de 0 a 3 ciclos); c7) Declara distúrbio interno se mais de uma derivada da sub-etapa (c.3) è verdadeira e (c.4) é falsa pelo tempo t3 (de 0 a. 3 ciclos) ;

c, 8) Bloqueia novamente caso o desbloqueio permaneça pelo tempo t4 (de 100 a 500 ms) ; d) Identificação da falta;

d. l) Compara os resultados da sub-etapa (b.3) com a característica de atuação» (Nesta etapa pode haver diferentes tipos de. características, por exemplo, reta simples, reta dupla, circular entre outras); d.2) Declara falta interna caso a sub-etapa (d.l) seja verdadeira para todos os terminais;

d.3). Declara falta externa caso um terminal da sub- etapa (d.l) seja. falso;

e). Identificação de falta trifásica;

e. l) Calcula, as correntes de sequência positiva de cada. terminal;

e.2) Calcula as correntes de operação e diferencial;

e.3) Calcula as variações das correntes da sub- etapa (e .2) ;

e.4) Compara com o limiar L4. (de 0,5 a 2,0);

e.5) Declara bloqueio caso a sub-etapa (e.4) seja verdadeira .

(0441 Em suma, o método revelado na presente invenção se propõe a aumentar a sensibilidade de detecção de faltas internas em equipamentos,, principalmente em transformadores de potência, mas podendo ser também empregado na detecção de faltas internas em outros equipamentos como motores, geradores, reatores shunt, banco de capacitores, linhas de transmissão e até mesma para a combinação de mais de um equipamento na zona de proteção.

[045] Em geral todos os trabalhos baseados em sequência negativa falham em mostrar como o método comporta-se quanto à sensibilidade com e sem carga., presença de fonte de somente um lado do transformador, mas principalmente em outras duas situações de suma importância: 1) Como o elemento se comporta durante desequilíbrios no sistema, de potência e 2 ) Como o elemento se comporta após uma falta externa ser extinta.

[046] A presente invenção foi desenvolvida contemplando estas situações .

[047] O presente método não objetiva substituir o esquema principal de proteção do transformador, mas complementá-lo, aumentando a sensibilidade para as faltas internas, diminuindo assim os tempos de atuação e promovendo uma redução no dano dos equipamentos sob proteção, principalmente no caso de transformadores..

[048] O presente método mede, todas as: correntes que entram ou saem do equipamento sob proteção. Mede, também, todas as tensões ao redor do equipamento protegido. Estas correntes e tensões são filtradas através de filtros analógicos e digitais de forma a se extrair as componentes fundamentais. Com posse dos fatores das componentes fundamentais, as correntes,, tensões e impedâncias de sequência negativa são calculadas. As impedâncias de sequência negativa são comparadas com um plano de impedâncias de forma a se detectar se a falta é interna ao transformador. Quando todas as impedâncias caem dentro do plano especificado, significa que a falta é interna. Em caso de falta externa, e após a eliminação desta,, existe um transitório no diagrama de sequência negativa que pode provocar a atuação de elementos dependentes de sequência negativa. Para evitar este tipo de atuação indevida, este tipo de fenómeno deve ser identificado e o bloqueio ou dessensibilização da execução do método deve ser promovido.

Estudo de Desenvolvimento do Método

[049] A fundamentação do método, a apresentação dos termos e a realização dos testes de desenvolvimento são descritos abaixo, para melhor entendimento da invenção:

Análise de Faltas

[0501 A análise de faltas compreende o estudo e reconhecimento de como as grandezas elétricas se comportam para faltas internas ao transformador. Faltas externas também são analisadas para poder encontrar o que as diferenciam das faltas internas, possibilitando o desenvolvimento do método da presente invenção, que é aqui revelado.

[051] As análises discutidas a seguir r.eferem-se a um transformador. DY e com fonte apenas de um lado, lado delta, conforme apresentado na Figura 1.

Faltas Internas Espira.-Terra

[052] É possível verificar que as impedâncias de sequência- neqativa possuem um comportamento bem definido para todas as faltas a frente do. TC do lado delta, conforme figura 2, e que. para a falta reversa o comportamento é bem diferente. O mesmo ocorre quando analisado as faltas do ponto de vista do lado estrela, conforme Figura 3. Para ambos os lados do transformador, a impedância de pré-falta de sequência, negativa apresenta aleatoriedade, pois a tensão e correntes são próximas de zero.

Faltas Internas entre Espxzas

[053] As Figuras 4 e 5 mostram o comportamento da impedância de sequência negativa para as faltas entre espiras. Observa- se que o comportamento, das impedâncias é o mesmo do caso de faltas espira-terra.

[054] Estas análises mostram que as componentes simétricas para faltas internas ao transformador possuem um comportamento bem definido mostrando que o elemento de sequência negativa é promissor para o desenvolvimento do método de proteção de transformadores aqui revelado.

(055] Fica claro nas análises que uma proteção efetiva do transformador não pode ocorrer somente com a análise de um dos lados do transformador, por isto, a função atual mais utilizada é o diferencial percentual. Já existe comercialmente diferenciais de sequência negativa, mas. ainda não conseguem ser altamente sensíveis, deixando parte do enrolamento descoberto»

[056] _. Portanto, é importante analisar as. situações anteriores em relação à _. variação de carga, e de impedância interna da fonte. Desta forma, serão apresentadas abaixo algumas análises considerando a fonte infinita e a carga praticamente zero.

Fonte Forte e sem Carga

Faltas Espira.-Terra

[057] Como as correntes tendem a crescer muito, as impedâncias tendem a origem conforme Figura 6. Já a Figura 7 mostra que a impedância de sequência negativa tende para um ponto específico,, que está relacionado com a impedância de pré-falta.

A Elaboração do Método

[056] Os testes e conceitos acima justificam o desenvolvimento do método dè proteção de transformador para faltas internas, conforme revelado, na presente invenção.

[059} Tendo em vista a conclusão de que as correntes e tensões de sequência negativa possuem um comportamento bem definido, apresenta-se aqui os diagramas de sequência para os tipos de falta às quais se aplica o método da presente invenção.

Faltas Monofásicas

[060] A Figura 8 mostra o diagrama, de sequência para uma falta monofásica na barra R, ou seja, do lado estrela do transformador. Pode-se observar que a corrente de sequência positiva: e negativa da fonte S são as mesmas correntes do transformador, tanto do lado delta quanto do lado estrela., apenas com a inversão de sentido. Já para a corrente de sequência zero náo há corrente no lado delta e há corrente no neutro do transformador e no lado estrela.

[061] De acordo com a Figura 8, as impedâncias equivalentes de sequência são;

[062] Sabe-se que:

[063] Pelo divisor de corrente tera>-se:

1064} Consequentemente as correntes dos dois lados do transformador são:

[065] Escrevendo as equações de impedância de sequência negativa para cada lado do transformador têtn-se:

[066] Como nâ.o é possivel medir, a corrente mas somente

a corrente 12s, a equação acima deve ser reescrita como:

[067] Qbserva-se que a impedância de sequência negativa medida pelo lado delta para uma falta externa na barra R terá o valor da impedância da fonte S com valor negativo. Já a impedância medida pelo lado estrela para a mesma falta terá o valor da soma das impedâncias da fonte S e do transformador, com valor positivo.

[068] Uma análise mais detalhada pode ser feita e verifica- se que, para todas as faltas a direita do TC do lado delta, independentemente se a falta está interna ao transformador ou mesmo externa até dentro do sistema equivalente da fonte R, a impedância vista pelo lado delta do transformador sempre será a impedância da fonte S com valor negativo, equação (D ·

[069] A. mesma análise pode ser feita para o lado estrela, ou seja, para todas as faltas à direta do TC do lado estrela, a impedância medida sempre estará de acordo com (2) . A Figura 9 mostra o diagrama para uma falta também externa à seção de proteção.,, mas na. barra S. Não há circulação de corrente de sequência zero, mas ainda há circulação de corrente de sequência negativa, mas as. correntes medidas pelo lado delta ou estrela, são agora, a corrente proveniente do. equivalente R.

[070] Com isto podemos reescrever as equações de tensão por corrente de cada lado do transformador.

1071J Verifica-se que o comportamento se inverte em relação ao caso da barra R. O lado delta sempre verá uma impedância positiva conforme equação (3) , para todas as faltas a esquerda, do TC do lado delta. Já a impedância vista pelo lado estrela sempre estará de acordo com a equação (4) , para todas as faltas a esquerda do TC do lado estrela, mesmo para faltas internas.

[072] Portanto a Figura 10 resume a visão de impedância de sequência negativa para ambos os lados. Verifica-se que somente para. faltas internas ao transformador ambos os lados podem ver uma impedância negativa.

[073] As impedâncias de ambos os lados determinam se as fontes são fortes ou fracas., portanto estas impedâncias podem variar de zero a infinito. Com isto dete.rmína-se que o zero e o menos infinito são pontos de atuaçáo e, consequentemente, a região de operação, conforme Figura 11.

[074] As análises acima já descartam a necessidade de uma análise de faltas internas à seção de proteção ou mesmo as faltas interna espira-terra...

Falta Monofásica Externa com Carga

[0.75] A situação de falta externa com fonte em apenas um lado, ou seja, sistema radial precisa ser analisado.

[076] Voltando a analisar as Figuras 2 e 3, è possível verificar que para uma falta na barra S, a impedância de sequência negativa vista pelo lado delta é igual a impedância de sequência positiva de pré-falta, ou seja, basicamente a impedância da carga.

[077] Para. o lado estrela, a impedância de sequência negativa vista é justamente a impedância da carga, mas no quadrante oposto. Se estes pontos forem colocados no plano de atuação poderíamos ter uma atuação indevida do elemento de proteção para uma falta externa, conforme representado na Figura 12.

[078] Baseado neste problema, a região de atuação do elemento é modificada conforme Figura 13.

[079] Este elemento é aqui referenciado como impedância negativa para faltas internas ou negative impedance for internai fault, Z2IF.

Faltas Blfáslcas

[080] Nas seções anteriores foram analisadas as faltas monofásicas externas e internas ao transformador para sistemas em anel e radial. Nesta seção, é analisado se o cálculo da Z2IF também pode ser aplicado as faltas bifàsicas.

[0811 A Figura.14 mostra o diagrama de sequência para. a falta bifásica externa ao transformador na barra R e reescrevendo as equações de impedância de sequência negativa para cada lado do transformador têm~se:

[082] Estas são exatamente as mesmas equações (1) e (2) para uma falta, monofásica na barra B.

[083] _. Se for aplicada uma falta na barra S, o resultado da impedância será o mesmo da. falta monofásica na barra R, A mesma análise pode ser feita para as faltas internas ao transformador, portanto,, conclui-se que o elemento possui o mesmo comportamento, independentemente do tipo de falta e excluindo a falta trifásica.

[084] De forma a demonstrar a operação do método aqui descrito, a Figura 15 mostra a resposta do método na presença de uma falta interna entre espiras com 1% do enrolamento, estrela curto-circuitado. É possível verificar a excursão das impedâncias de sequência negativa até o estado permanente das impedâncias quando há a presença da falta.

[085] A Figura 16 complementa a análise mostrado as correntes de. ambos os lados do transformador e o bit de operação do método aqui descrito.