proteção diferencial adaptativa de transformadores de potência baseada na análise de

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by  Acid Jazz

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

MARIO ORLANDO OLIVEIRA

PROTEÇÃO DIFERENCIAL ADAPTATIVA DE
TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA BASEADA NA
ANÁLISE DE COMPONENTES WAVELETS

Porto Alegre
2013
MARIO ORLANDO OLIVEIRA

PROTEÇÃO DIFERENCIAL ADAPTATIVA DE
TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA BASEADA NA
ANÁLISE DE COMPONENTES WAVELETS

Tese de Doutorado apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como
parte dos requisitos para a obtenção do título de Doutor
em Engenharia Elétrica.
Área de concentração: Energia

ORIENTADOR: Prof. Dr. Arturo Suman Bretas

Porto Alegre
2013
CIP - Catalogação na Publicação

Oliveira, Mario Orlando
Proteção Diferencial Adaptativa de Transformadores
de Potência Baseada na Análise de Componentes Wavelets
/ Mario Orlando Oliveira. -- 2013.
123 f.

Orientador: Arturo Suman Bretas.

Tese (Doutorado) -- Universidade Federal do Rio
Grande do Sul, Escola de Engenharia, Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Elétrica, Porto Alegre, BR-RS,
2013.

1. Transformador de Potência. 2. Proteção
Diferencial. 3. Transformada Wavelet. 4. Energia
Espectral. I. Bretas, Arturo Suman, orient. II.
Título.

Elaborada pelo Sistema de Geração Automática de Ficha Catalográfica da UFRGS com os
dados fornecidos pelo(a) autor(a)
MARIO ORLANDO OLIVEIRA
PROTEÇÃO DIFERENCIAL ADAPTATIVA DE
TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA BASEADA NA
ANÁLISE DE COMPONENTES WAVELETS

Esta Tese de Doutorado foi julgada adequada para a
obtenção do título de Doutor em Engenharia Elétrica e
aprovada em sua forma final pelo Orientador e pela
Banca Examinadora.

Orientador: ____________________________________
Prof. Dr. Arturo Suman Bretas, UFRGS
Doutor pela Virginia Tech – Blacksburg, Estados Unidos

Banca Examinadora:
Prof. Dr. Antonio Carlos Siqueira de Lima, UFRJ
Doutor pela Universidade Federal do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, Brasil

Prof. Dr. Carlos Augusto Duque, UFJF
Doutor pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro,
Brasil

Prof. Dr. Washington Luiz Araujo Neves, UFCG
Doutor pela University of British Columbia – UBC, Canadá

Prof. Dr. Roberto Chouhy Leborgne, UFRGS
Doutor pela Chalmers University of Technology - Gotemburgo, Suécia

Prof. Dr. Roberto Petry Homrich, UFRGS
Doutor pela Universidade Estadual de Campinas – Campinas, Brasil

Coordenador do PPGEE: _______________________________
Prof. Dr. João Manoel Gomes da Silva Jr.
Porto Alegre, Setembro de 2013.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a minha esposa Karina e meu filho Imanol, por serem a luz da minha
vida e meus aliados incondicionais nesta importante etapa.
AGRADECIMENTOS
A Deus, pela minha vida e família e por iluminar sempre meu caminho.
A minha esposa Karina e meu filho Imanol, pelo carinho, muita paciência, compreensão e
principalmente por me fazerem imensamente feliz.
A meus pais Andrés e Erica, pela constante lição de vida, e toda minha família pela
compreensão dos tantos momentos em que estive ausente em virtude dos trabalhos do curso
de doutorado.
Ao meu orientador prof. Dr. Arturo Suman Bretas pelos ensinamentos, orientação e toda
disposição oferecida e, sobretudo pela confiança depositada em mim.
Ao programa PEC-PG (Programa de Estudante Convênio de Pós-Graduação) e CAPES
(Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal do Nível Superior), pela bolsa de estudos
propiciando a concretização desta tese.
A meus colegas do Laboratório de Sistemas de Elétricos de Potência –LASEP, pelos trabalhos
e momentos compartilhados ao longo do período de pós-graduação.
A todos os professores e funcionários do Departamento de Engenharia Elétrica –DELET, da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, pelos ensinamentos e ajuda durante a minha
permanência nesta universidade.
Às autoridades e amigos da Facultad de Ingeniería de Oberá, da Universidad Nacional de
Misiones –UNaM Argentina, por me apoiar nesta etapa de aperfeiçoamento.
Às autoridades, colegas e amigos da Faculdade SATC –Associação Beneficente da Indústria
Carbonífera de Santa Catarina pela oportunidade de me desempenhar como professor e pelos
gratos momentos compartilhados.
Ao povo brasileiro por ter me acolhido muito bem.
Sinceramente, muito obrigado.
RESUMO
Este trabalho fundamenta-se no desenvolvimento e aprimoramento de uma metodologia de
proteção diferencial de Transformadores de Potência. A metodologia desenvolvida avalia
eventos transitórios que dificultam a operação correta de relés diferenciais aplicados à
proteção de transformadores. O estudo concentra-se no estabelecimento de contribuições ao
estado da arte associadas à análise de sinais de corrente diferenciais geradas tanto por faltas
internas e externas quanto por distúrbios transitórios. A concepção da metodologia proposta
baseou-se na quantificação da energia espectral gerada a través dos coeficientes de detalhe da
Transformada Wavelet Discreta. A metodologia de proteção proposta foi desenvolvida em
ambiente MATLAB® e testada por meio de simulações realizadas através do software
ATP/EMTP (Alternative Transients Program/Electromagnetic Transients Program). Os
resultados da pesquisa mostram a aplicabilidade do algoritmo de proteção, mesmo nas
condições mais adversas, como na ocorrência da saturação dos transformadores de corrente.

Palavras-chave: Transformador de Potência. Proteção Diferencial. Adaptabilidade.
Transformada Wavelet Discreta. Energia Espectral.
ABSTRACT
This work is based on the development and improvement of a methodology to differential
protection of power transformer. The proposed methodology evaluates transient events that
difficult the correct operation of differential relays applied to transformer protection. The
study establishes contributions to the state of the art related to differential current analysis
generated by internal and external faults and transient disturbance. The conception of the
proposed methodology was based on the spectral energies variation generated by each event
and calculated through the detail coefficient of Discrete Wavelet Transform. The proposed
methodology was developed in MATLAB® environment and tested through several
simulations performed with the ATP/EMTP software (Alternative Transients Program /
Electromagnetic Transients Program). The results of the research show the applicability of the
protection algorithms, even in adverse conditions, such as saturation of current transformers.

Keywords: Power Transformer. Differential Protection. Adaptability. Discrete Wavelet
Transform. Spectral Energy.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................ 18
1.1 Contextualização do Problema .............................................................................................. 18
1.2 Justificativa do Estudo .......................................................................................................... 19
1.3 Objetivos Propostos............................................................................................................... 21
1.4 Contribuições do Trabalho .................................................................................................... 22
1.5 Organização da Tese ............................................................................................................. 22
2. REVISÃO DO ESTADO DA ARTE ............................................................................................ 23
2.1 Transitórios Eletromagnéticos em Sistemas de Potência ...................................................... 24
2.1.1 Faixas de Frequência dos Fenômenos Transitórios ......................................................... 24
2.2 Tipos de Faltas em Transformadores .................................................................................... 25
2.2.1 Projeto de Sistemas de Proteção ...................................................................................... 26
2.3 Métodos de Proteção de Transformadores ............................................................................ 26
2.4 Filosofia de Proteção Diferencial .......................................................................................... 29
2.4.1 Proteção Diferencial Percentual ...................................................................................... 30
2.4.2 Características de Operação do Relé Diferencial Percentual .......................................... 31
2.5 Fenômenos não Faltosos que Geram Correntes Diferenciais ................................................ 32
2.5.1 Correntes de Magnetização Durante a Energização do Transformador .......................... 33
2.5.2 Saturação de Transformadores de Corrente (TCs) .......................................................... 35
2.5.3 Sobre-excitação de Transformadores de Potência ........................................................... 37
2.5.4 Remoção de Faltas Próximas ao Transformador ............................................................. 38
2.5.5 Rejeição de Carga ............................................................................................................ 38
2.5.6 Diferenças nas Características dos TCs ........................................................................... 38
2.5.7 Energização de Transformadores em Paralelo (Energização Solidária) .......................... 39
2.6 Modelagem de Transformadores para Estudos de Fenômenos Transitórios ......................... 40
2.6.1 Considerações Para a Modelagem de Transformadores .................................................. 41
2.6.2 Critérios Utilizados Para a Classificação dos Modelos ................................................... 42
2.6.2.1 Critérios de Modelagem Baseados em Princípios Físicos ...................................... 42
2.6.2.2 Outros Critérios Para Classificação dos Modelos ................................................... 43
2.7 Metodologias Utilizadas no Aprimoramento da Proteção Diferencial .................................. 44
2.7.1 Proteção Diferencial Digital de Transformadores ........................................................... 44
2.7.2 Proteção Diferencial de Transformadores Utilizando a Transformada Wavelet (TW) ... 46
2.7.3 Proteção Diferencial de Transformadores com Combinação de Técnicas de Análise .... 48
2.8 Sumário ................................................................................................................................. 49
3. METODOLOGIA DE PROTEÇÃO PROPOSTA ........................................................................ 50
3.1 Introdução à Análise de Sinais .............................................................................................. 51
3.2 Comparação da Transformada Wavelet com a Transformada de Fourier ............................. 52
3.2.1 Introdução à Transformada de Fourier ............................................................................ 53
3.2.2 Transformada de Fourier Janelada (TFJ)......................................................................... 54
3.2.3 Introdução à Transformada Wavelet (TW) ..................................................................... 56
3.2.4 Principais Diferenças entre a TF e TW ........................................................................... 58
3.3 Análise Multi-Resolução (AMR) .......................................................................................... 59
3.4 Energia Wavelet do Sinal e Espectro de Potência ................................................................. 60
3.5 Descrição do algoritmo de Proteção Proposto ...................................................................... 61
3.5.1 Fundamentação para Classificação de Distúrbios ........................................................... 62
3.5.2 Estrutura Geral do Fluxo de Dados ................................................................................. 63
3.5.3 Estrutura Geral do Algoritmo de Proteção ...................................................................... 64
2.5.3.1 Bloco 1: Detecção do Distúrbio .............................................................................. 64
2.5.3.2 Bloco 2: Discriminação do Distúrbio ..................................................................... 66
3.6 Sumário ................................................................................................................................. 70
4. ESTUDO DE CASO E RESULTADOS ....................................................................................... 71
4.1 Sistemas Elétrico Estudado ................................................................................................... 71
4.2 Modelagem da Rede Elétrica no ATP/EMTP ....................................................................... 72
4.2.1 Descrição dos elementos Utilizados na Modelagem do SEP .......................................... 72
4.2.1.1 Gerador ................................................................................................................... 72
4.2.1.2 Transformador de Potência (TDP) .......................................................................... 73
4.2.1.3 Transformador de Corrente (TC) ............................................................................ 74
4.2.1.4 Linha de Transmissão (LT)..................................................................................... 75
4.2.1.5 Carga Elétrica ......................................................................................................... 76
4.2.1.6 Chaves Trifásicas de Tempo Controlado ................................................................ 77
4.3 Avaliação da Metodologia Proposta: Simulações Realizadas ............................................... 78
4.3.1 Fenômenos Estudados ..................................................................................................... 78
4.3.2 Simulação de Faltas Internas no TDP.............................................................................. 78
4.3.2.1 Faltas Internas Repentinas (FIR) ............................................................................ 78
4.3.2.2 Faltas Internas Incipientes (FII) .............................................................................. 80
4.3.2.3 Faltas entre Enrolamentos Primários e Secundários ............................................... 82
4.3.3 Simulação de Condições Não Faltosos (Transitórias) ..................................................... 83
4.3.3.1 Energização do Transformador –Corrente de Inrush .............................................. 83
4.3.3.2 Energização de Transformadores em Paralelo –Energização Solidária .................. 85
4.3.3.3 Falta Externa ao Transformador ............................................................................. 86
4.3.3.4 Sobre-Excitação de Transformadores ..................................................................... 87
4.3.4 Simulação de Outros Eventos .......................................................................................... 87
4.3.4.1 Energização de Transformadores com Presença de Falta Interna ........................... 88