Caracterização do comportamento dinâmico dos enrolamentos de transformadores de potência tipo core

Abstract

O transformador é um equipamento elétrico responsável pela transformação da corrente e tensão elétrica entre os locais de geração e consumo de energia elétrica. Sendo um dos equipamentos mais críticos das redes elétricas, são várias as áreas de investigação focadas nos transformadores, das quais se destaca a investigação do comportamento dinâmico dos enrolamentos que compõe as fases, com foco na mitigação de ruído e na manutenção para monitorização e análises de falhas. A procura de modelos que permitam a simulação do comportamento dos diversos componentes de transformadores em operação é fundamental para uma caracterização global. Nesse sentido, o trabalho de Doutoramento teve como principal objetivo desenvolver um modelo de previsão do comportamento modal de enrolamentos de transformadores tipo core para diferentes condições e cenários de funcionamento. Assim, o modelo desenvolvido é composto por elementos massa representativos das espiras do enrolamento. Por sua vez, os espaçadores utilizados entre espiras, e blocos de madeira, são simulados como elementos elásticos e amortecedores do sistema. Para a obtenção dos modos de vibração, procedeu-se ao desenvolvimento de um conjunto de modelos complementares subdivididos em sistemas discretos com múltiplos graus de liberdades e em modelos baseados em acoplamento de sistemas contínuos segundo a teoria de vigas curvas. Sendo uma das principais limitações para a longevidade dos transformadores, a deterioração das propriedades mecânicas do material isolante pressboard foi analisada através de ensaios laboratoriais de envelhecimento acelerado dos quais se obtiveram 6 grupos de amostras com diferentes graus de polimerização. A estes, seguiram-se ensaios dinâmicos de compressão cíclica entre 1 Hz e 150 Hz para analisar e quantificar os parâmetros de elasticidade e amortecimento do pressboard. Para tal, foram utilizados 2 sistemas com equipamentos distintos, uma máquina servo-hidráulica e o SVU, este último desenvolvido na âmbito do Doutoramento. Com base nas curvas de histerese obtidas nos ensaios, um novo modelo visco-elástico não-linear é proposto. Os três parâmetros utilizados para definir o modelo são dependentes do grau de polimerização e da frequência sendo a sua correlação analisada neste Doutoramento. Por fim, a aplicabilidade dos modelos matemáticos propostos na análise de falhas em enrolamentos é demonstrada através da concordância com valores de referência.

The transformer is an electrical equipment responsible for transforming electrical current and voltage between areas of generation and consumption of electrical energy. Being one of the most critical equipments of electrical grid, there are several areas of investigation focus on transformers, with emphasis on dynamic behavior of windings that compose the transformer’s phases and related with noise mitigation, condition assessment and fault analysis. The search for models which help simulate the behaviour of diverse components of transformer during operation is crucial for an overall characterization. In this context, the main goal of this doctoral work was to develop a predictive model of modal behavior of windings of core-type transformer under different scenarios and operating conditions. Therefore, the developed model is composed by mass elements that represent the windings’ coils. On the other hand, the spacers between coils, and wood blocks, are simulated as elastic and damping elements of the system. To obtain the mode shapes, it was developed a set of complementary models subdivided into discrete systems with multiple degrees of freedom and models based on the coupling of continuous systems according to the theory of curved beams. Being one of the main limitations of transformers’ longevity, the deterioration of mechanical properties of the insulation material, pressboard, was analyzed though laboratory tests of accelerated aging, from which 6 groups of samples with different degrees of polymerization were obtained. These were followed by dynamic cyclic compression tests conducted between 1 Hz and 150 Hz, where the elasticity and damping parameters of pressboard were analyzed and quantified. For this purpose, two systems with different equipment were used, a servo-hydraulic machine and the unidirectional vibration system, the latter of which was developed as part of the PhD project. Based on the hysteresis curves obtained in the tests, a visco-nonlinear elastic model was proposed. The three parameters used to define the model are dependent on the degree of polymerization and the frequency, and their correlation is analysed in this PhD. To finish, the applicability of the proposed mathematical models in the analysis of windings’ faults is validated through their concordance with reference values.