Modelagem e simulação de faltas internas entre espiras em transformadores de potência para avaliação de funções de proteção

Abstract

Transformadores de potência são elementos muito importantes nos sistemas de energia. Ao longo de sua vida útil, normalmente, eles estão submetidos a uma variedade de transientes que podem danificá-los e também prejudicar outros equipamentos ligados ao transformador. Esquemas de proteção são de grande importância para evitar danos no transformador e maximizar a continuidade do serviço. A simulação por computador do transformador em situações normais e sob falta interna e externa atualmente é uma ferramenta importante para aprimorar a confiabilidade do relé de proteção do transformador. Para uma simulação eficaz é essencial que se modele o transformador adequadamente. Os resultados destas simulações apoiam o engenheiro na definição dos ajustes da proteção. Faltas entre espiras são uma causa comum de defeito no transformador e sua modelagem detalhada para avaliação da proteção diferencial, torna se fundamental. Neste trabalho são utilizados três modelos de transformador sugeridos na literatura, HYBRID, BCTRAN e SATURA, implementados com arranjos no EMTP/ATP. Estes modelos permitem simular faltas internas entre espiras em um transformador. Os modelos usam duas fontes de informação: 1) dados de relatório de ensaios e 2) dados de dimensões internas. Neste trabalho o modelo do transformador é ligado ao modelo de um sistema real e são simuladas faltas externas, faltas internas na zona do diferencial, energização e faltas entre espiras. Os resultados das simulações no EMTP/ATP são convertidos para o formato COMTRADE e usados para avaliar um relé de proteção diferencial de transformador, neste caso o SEL 387E. Um resultado interessante a partir dos testes no laboratório foi o aprimoramento da sensibilidade do relé com o uso de uma função implementada com os Relay Word Bits, utilizando os valores das correntes de sequência negativa calculados no relé. A combinação dessa função com a proteção diferencial tradicional, fez com que faltas entre espiras com 1% até 5% de enrolamento em curto circuito, sejam identificadas. Estas faltas consideradas de baixo nível, normalmente não são detectadas pelo relé de proteção diferencial tradicional.<br>

Abstract: Power transformers are very important elements in power systems. Throughout their life, usually, they are subjected to a variety of transients which can affect them or damage other equipment connected to the transformer. Protection schemes are of great importance to avoid transformer damage and maximize the continuity of service. In order to simulate a transformer condition during normal operation and internal and external faults, programs such as EMTP/ATP are important to improve the reliability of its protection relays. With the objective of obtaining useful results from the simulations, the transformer model must be adequate. The simulations support the engineer in the definition of relay settings. Short circuits between turns are a common cause of transformer failure and its detailed modeling for evaluation the differential protection becomes essential. This work used three transformer models proposed in the literature, HYBRID, BCTRAN and SATURA, implemented with arrangements in the EMTP/ATP, which allows the simulation of internal faults between turns on a transformer. The models use two sources of information: 1) test report data and 2) data of internal dimensions. The transformer model is connected to a real system model, and external faults, internal faults in the differential zone, energization, and faults between turns are simulated. Simulation results in the EMTP/ATP are converted to COMTRADE format and used to evaluate the differential protection relay transformer SEL 387E. An interesting result from the laboratory test was the improvement of the relay sensitivity using a function developed with Relay Word Bits. The negative sequence currents are calculated in the relay. The combination of this function with traditional differential protection, detected faults between turns with 1% to 5% short circuited winding. These faults considered low level, are not typically detected by traditional differential protection relay.