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Os transformadores de distribuição são empregados em grande número no sistema de distribuição de energia elétrica, e são responsáveis por grande parte das perdas e falhas deste setor. Para um melhor desempenho desses equipamentos, foram estudados e otimizados parâmetros de projeto elétrico, núcleo magnético, óleo isolante e sistema de refrigeração. Assim, projetou-se um dispositivo de maior eficiência e vida útil que os convencionais transformadores de distribuição, acarretando em menos perdas no setor de distribuição. Palavras chave: Transformadores de distribuição. Núcleo amorfo. Óleo vegetal isolante. Elevada eficiência.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents a family of integrated electronic ballasts applied to the public lighting system. The electronic ballasts are designed to supply High-Pressure Sodium lamps according to the desired lamp operation characteristics. The viability of use High-Pressure Sodium lamps in the public lighting system of Santa Maria city is studied along this work. Another topic addressed, is the acoustic resonance phenomenon occurrence. It is explained based on a large number of works previously presented in the literature, in order to choose for a reliable method to supply the lamp. The incremental impedance of the High-Pressure Sodium lamp is defined in the frequency domain. This model is used to analyze the lamp and ballast interaction. The presented integrated electronic ballasts to supply High-Pressure sodium lamps take the advantage of low cost and simplicity providing a stable lamp operation. Este trabalho apresenta uma proposta de integração de conversores estáticos para alimentação de lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão (HPS), baseando-se, fundamentalmente, na viabilidade de aplicação deste tipo de lâmpadas a sistemas de iluminação pública. Ao longo do trabalho, é discutida a viabilidade de aplicação das lâmpadas HPS ao sistema de iluminação pública existente na cidade de Santa Maria- RS, evidenciando os parâmetros técnicos necessários ao projeto e desenvolvimento de reatores eletrônicos. A abordagem do fenômeno da ressonância acústica é feita de forma consistente, avaliando-se trabalhos previamente publicados, a fim de se chegar a um método confiável para se alimentar a lâmpada HPS sem a excitação deste fenômeno. Além disso, uma análise do modelo de pequenos sinais da lâmpada traz uma visão dos principais estágios a serem empregados no reator para garantir um funcionamento estável do sistema. A metodologia de integração proposta para alimentação de lâmpadas HPS, através de reatores eletrônicos, sem a excitação do fenômeno da ressonância acústica, busca a redução de custos e a simplicidade do sistema, sem deixar de considerar os procedimentos necessários a uma operação estável e confiável.

Fundação de Apoio à Tecnologia e Ciência, FATEC, Brasil The arc flash is an event of stochastic behavior caused by the rupture of the dielectric strength between two or more conductors, from conditions that favor its appearance. Its high destructive potential and the resulting incident energy generates a high electrical risks to equipments and workers. Given the severity of this event, since 1980, there has been an increase in research and laboratory tests in the subject, which focused on a better understanding of the phenomenon and which allowed the creation of mathematical models for the estimation of incident energy, which enabled the arising of more effective safety measure against these events. Also, standards related to the subject were created, such as IEEE Std 1584-2018 and NFPA 70E, at the international ambit, and national standards, such as NR-6, NR-10 and ABNT NBR 16384:2020, with a more supperficial approach. Despite this, due to the great technical complexity and associated implementation costs, there are still few high-current laboratories in the world that carry out technical research related to electric arcs. Considering the different situations that can culminate in an arc f lash, there are still points that need to be clarified and that are not directly addressed in the current regulations, such as weather conditions (for example: humidity), besides more diversified configurations and gaps between electrodes. Thus, a laboratory with a structure to generate high short-circuit currents for arc flash tests was built at the Institute of Intelligent Networks (INRI) of UFSM, in a partnership with CPFL Energy group. The structure of the laboratory makes possible to establish the arc flash and control its extinction for times up to two seconds, and among its equipments, stands out a threephase transformer of 5 MVA and three single-phase reactors capable of controlling the levels of short-circuit currents, furthermore an incident energy measurement system that involves calorimeters with copper discs and a high-speed thermographic camera to record the temperature increase in the calorimeters. The results found certify that the laboratory succed to perform safely arc flash tests through the adopted laboratory’s procedures, and that the implemented measurement system can reliably estimate the incident energy, in order that on the horizon it will be possible to explore issues that are not addressed in the main current normative references. O arco elétrico é um evento de comportamento estocástico ocasionado pela ruptura da rigidez dielétrica entre dois ou mais condutores, a partir de condições que favoreçam o seu surgimento. O seu alto potencial destrutivo e a energia incidente decorrente geram elevados riscos elétricos a equipamentos e trabalhadores. Dada a gravidade deste evento, desde 1980, houve um aumento de pesquisas e ensaios laboratoriais no tema, que incidiram em uma melhor compreensão do fenômeno e que permitiram que fossem criados modelos matemáticos para a estimação da energia incidente, que possibilitaram o surgimento de medidas de segurança mais efetivos contra esses eventos. Ademais, foram criadas normas relacionadas ao assunto, como a IEEE Std 1584-2018 e a NFPA 70E, no âmbito internacional, além de uma abordagem superficial em normas nacionais, como as NR-6, NR-10 e a ABNT NBR 16384:2020. Apesar disso, devido à grande complexidade técnica e custos de implementação associados, ainda há poucos laboratórios de altas correntes no mundo que realizam pesquisas técnicas relacionadas aos arcos elétricos. Considerando as diversas situações que podem culminar em um arco elétrico, ainda há pontos a serem esclarecidos que não são diretamente abordados nas normas vigentes, como condições ambientais (por exemplo: umidade), além de configurações e espaçamentos entre eletrodos mais diversif icadas. Assim, foi construído no Instituto de Redes Inteligentes (INRI) da UFSM, em parceria com o grupo CPFL Energia, um laboratório com estrutura para gerar elevadas correntes de curto-circuito para ensaios de arcos elétricos. A estrutura do laboratório permite estabelecer o arco elétrico e controlar a sua extinção para tempos de até dois segundos, e dentre seus equipamentos, destacam-se um transformador trifásico de 5 MVA e três reatores monofásicos capazes de controlar os níveis das correntes de curto-circuito, além de um sistema de medição de energia incidente que envolve calorímetros com discos de cobre e uma câmera termográfica de alta velocidade para o registro de aumento de temperatura nos calorímetros. Os resultados encontrados certificam que o laboratório possui a capacidade de realizar ensaios de arcos elétricos de maneira segura através dos procedimentos laboratoriais adotados, e que o sistema de medição implementado consegue estimar a energia incidente de maneira confiável, para que no horizonte seja possível explorar questões que não são abordadas nas principais referências normativas atuais.

CPFL Energia Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul - FAPERGS Electric arcs are phenomena that occur when the ionization of the air is sufficient to allow the flow of electric current, which can occur due to the separation of energized contacts, such as during the opening of switching devices, or due to a short circuit between two or more conductors separated by a certain distance, which can be caused by poor contact, insulation failure or human error during maintenance of energized equipment. Therefore, the electric arc is one of the most dangerous risks involving activities related to electricity, as it is capable of releasing enormous amounts of energy, almost instantaneously, without any reaction time for anyone nearby. From this, efforts are dedicated to the study of the incident energy (IE) generated by the electric arc, which, in addition to severely damaging the equipment, is responsible for causing burns, putting the lives of workers at risk. However, most studies in the literature are carried out through practical experiments, which have high costs and require long preparation periods. Thus, this dissertation presents a methodology of numerical simulations of electric arcs, using finite element/volume methods, aiming at the study of the EI produced by them. For this, a review is carried out on the main characteristics of electric arcs, the mathematical modeling using the Magnetohydrodynamics Theory and the IE calculation methodology of the IEEE Std 1584/2018 guide, which is widely disseminated and applied for this type of study. From this, the simulation steps are described in detail using the ANSYS Fluent® and ANSYS Electronics Desktop® software, the preparation of the geometries and the EI calculation method based on the simulation data. Finally, different cases are simulated, the results obtained are compared with the results of the IEEE Std 1584/2018 guide which, although they do not present the same final results, allowed to ratify the simulations and corroborate the main characteristics of IE. Therefore, the proposed methodology proved to be satisfactory and opens possibilities for several studies through the variation of several parameters, contributing with agility and cost reduction in the accomplishment of this type of study. Arcos elétricos são fenômenos que ocorrem quando a ionização do ar é suficiente para permitir que haja passagem de corrente elétrica, a qual pode ocorrer devido à separação de contatos energizados como durante a abertura de dispositivos de manobra, ou decorrente de um curto-circuito entre dois ou mais condutores separados por uma determinada distância, que pode ser provocado por mal contato, falha de isolamento ou falha humana durante manutenção de equipamentos energizados. Logo, o arco elétrico é um dos riscos mais perigosos envolvendo atividades relacionadas à eletricidade, pois é capaz de liberar enormes quantidades de energia, praticamente de forma instantânea, sem que haja qualquer tempo de reação para quem estiver próximo. A partir disso, esforços são dedicados ao estudo da energia incidente (EI) gerada pelo arco elétrico, a qual, além de prejudicar os equipamentos severamente, é responsável por ocasionar queimaduras, colocando em risco a vida dos trabalhadores. No entanto, a maioria dos estudos presentes na literatura são realizados através de experimentos práticos, os quais possuem elevados custos e demandam longos períodos de preparação. Nesse sentido, esta dissertação apresenta uma metodologia de simulações numéricas de arcos elétricos, empregando métodos de elementos/volumes finitos, visando o estudo da EI produzida pelos mesmos. Para isso, é realizada uma revisão acerca das principais características dos arcos elétricos, a modelagem matemática empregando a Teoria Magnetohidrodinâmica e a metodologia de cálculo de EI do guia IEEE Std 1584/2018, a qual é amplamente difundida e aplicada para esse tipo de estudo. A partir disso, são descritas, em detalhes, as etapas da simulação empregando os softwares ANSYS Fluent® e ANSYS Electronics Desktop®, a preparação das geometrias e o método de cálculo de EI a partir dos dados de simulação. Por fim, são simulados diferentes casos cujos resultados obtidos são comparados com os resultados do guia IEEE Std 1584/2018 que, embora não apresentem resultados finais iguais, permitiram ratificar as simulações e corroborar as principais características de EI. Logo, a metodologia proposta mostrouse satisfatória e abre possibilidades para vários estudos através da variação de diversos parâmetros, contribuindo com agilidade e redução de custos na realização desse tipo de estudo.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This master thesis presents contributions to the field of dielectric tests for solidliquid insulation systems applied to power transformers. It is intended that this methodology serves as a reference guide to obtain experimental results. In this context, it is necessary to design and build the structure necessary to carry out the tests in two configurations, consisting of electrode arrays that present geometries that seek to replicate real conditions of the transformer. In order to validate such configurations, computational simulations based on finite element analysis are performed. Due to the need to ensure a reliable statistical characterization of the test, a methodology for defining the minimum number of samples to be used in dielectric breakdown tests is also proposed. In addition, the procedures for sample preparation of paper and insulating oil are presented, as well as the application of withstand voltage of standardized lightning impulse and alternating voltage at commercial power frequency. The assembly of the test configurations is carried out and a pre-test procedure is proposed. Finally, the Weibull distribution is described with the purpose of analyzing the breakdown voltage data obtained in the dielectric tests. From the proposed methodology, it becomes possible, in the future, to carry out dielectric tests and the definition of design curves, as well as the safety margins for the dielectric design using different solid and liquid insulating materials, in addition to providing results and conclusions that enable the design and manufacture of power transformers. Esta dissertação apresenta contribuições ao campo de ensaios dielétricos para sistemas de isolação sólido-líquido aplicados a transformadores de potência. Tem-se como objetivo que esta metodologia sirva de guia de referência para a obtenção de resultados experimentais. Neste contexto, são apresentados o projeto e a fabricação da estrutura necessária para a realização dos ensaios em duas configurações, compostas por arranjos de eletrodos que apresentam geometrias que buscam replicar as condições reais do transformador. A fim de validar tais configurações, simulações computacionais baseadas na análise de elementos finitos são realizadas. Devido à necessidade de garantir uma caracterização estatística confiável do ensaio, também é proposta uma metodologia para definição do número mínimo de amostras a serem testadas nos ensaios de ruptura dielétrica. Além disso, são apresentados os procedimentos de preparação das amostras de papel e óleo isolante, bem como de aplicação de tensão suportável de impulso atmosférico padronizado e de tensão alternada em frequência comercial. A montagem das configurações de ensaio são efetuadas e um procedimento pré-testes é proposto. Por fim, a distribuição de Weibull é descrita com o propósito de realizar a análise dos dados de tensão de ruptura obtidos nos testes dielétricos. A partir da metodologia proposta, torna-se possível, futuramente, a realização de ensaios dielétricos e a definição das curvas de projeto, bem como das margens de segurança do projeto dielétrico empregando diferentes materiais isolantes sólidos e líquidos, além de fornecer resultados e conclusões que viabilizem o projeto e a fabricação de transformadores de potência.

The non-standard waveforms caused by high frequency transients pose a challenge when it comes to their representation in testing high-voltage equipment. Such a challenge is worrisome for electric power utilities and manufacturers of high voltage electrical equipment, since such transient voltages might not be represented by standard waveforms. The standard lightning impulse test 1.2/50 μs is important for factory testing of equipment and evaluating its performance before installation in the electrical system. However, actual surge waveforms are complex and difficult to reproduce in high voltage laboratories. The complexity of the resulting waves in the electrical system has increased in recent years, mainly due to systemic changes and integration of equipment with new technologies. With the different characteristics imposed on the equipment, evaluations of the tests currently used are necessary. In order to overcome this obstacle, this Thesis suggests a method that represents non-standard waveforms in equipment tests in a laboratory. Based on the multiresolution analysis of the wavelet transform, the method considers the equivalence of amplitude and entropy in the decomposition levels among the waveforms. For that purpose, alterations are suggested in the following lightning impulse parameters: amplitude, cut-off instant and front time. The results show that for most cases, the composition between a full atmospheric impulse waveform with cut atmospheric impulse waves at different instants is sufficient to represent the non-standard voltages. Only when the transient voltage spectral density falls predominantly in a frequency range above 3.125 MHz, will there be need for a complementary lightning impulse with a steep front time. By using this approach, it is not expected to describe exactly the rupture process of the diverse dielectrical media when subjected to non-standard waveforms. The aim is to bring together lightning impulse waveforms that have similar features to non-standard waveforms. Thus, the method’s application allows manufacturers and power utilities to subject the equipment to conditions that properly represent the transient effects, through lightning impulse tests carried out at high voltage laboratories. As formas de onda não padronizadas oriundas de transitórios de altas frequências representam um desafio em sua representação nos ensaios de equipamentos de alta tensão. Tal desafio desperta preocupação para concessionárias de energia elétrica e fabricantes de equipamentos elétricos de alta tensão, uma vez que os efeitos de tais tensões transitórias podem não ser representados por formas de onda padronizadas. O ensaio padrão de impulso atmosférico 1,2/50 μs é importante para ensaiar os equipamentos em fábrica e avaliar seu desempenho antes da instalação no sistema elétrico. Entretanto, as formas de onda de surtos reais são complexas e difíceis de serem reproduzidas em laboratórios de alta tensão. A complexidade das ondas resultantes no sistema elétrico acentuou-se nos últimos anos, principalmente pelas alterações sistêmicas e integrações de equipamentos com novas tecnologias. Com as características diferenciadas impostas aos equipamentos, são necessárias avaliações dos ensaios atualmente utilizados. Para superar tal dificuldade esta Tese propõe um método que represente as formas de onda não padronizadas nos ensaios de equipamentos em laboratório. Baseado na análise multirresolução da transformada wavelet, o método considera a equivalência da amplitude e entropia nos níveis de decomposição entre as formas de onda. Para isso são propostas alterações nos seguintes parâmetros do impulso atmosférico: amplitude, instante de corte e tempo de frente. Os resultados mostram que, para a maioria dos casos, a composição entre uma onda de impulso atmosférico plena com ondas de impulso atmosférico cortada em diferentes instantes é suficiente para representar as tensões não padronizadas. Somente quando a densidade espectral predominante da tensão transitória se situar na faixa de frequência superior a 3,125 MHz, haverá a necessidade de se utilizar uma onda de impulso atmosférico complementar com tempo de frente íngreme. Com esta abordagem não se espera detalhar o processo de ruptura dos mais diversos meios dielétricos quando submetidos a formas de onda não padronizadas. O que se busca é reunir formas de onda de impulso atmosférico que possuam características similares às formas de onda não padronizadas. Assim, a aplicação deste método possibilita que fabricantes e concessionárias de energia submetam os equipamentos a condições que representem os efeitos dos transitórios, por meio da composição adequada de tensões de ensaio de impulso atmosférico que possam ser realizados em laboratórios de alta tensão.