Dispositivo fotorrefrativo revestido de material compósito para medição simultânea de vibração e temperatura em núcleo de transformadores
This work presents studies on the identification of mechanical vibrations and temperature originating in the iron core of a three-phase dry transformer. Different frequency components can generate losses and damages through mechanical vibrations. The loss of insulation causes major failures such as...
| Autor principal: | Kuhn, Gustavo Gomes |
|---|---|
| Formato: | Tese |
| Idioma: | Português |
| Publicado em: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
2021
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| Assuntos: | |
| Acesso em linha: |
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/23667 |
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riut-1-236672021-01-04T06:10:34Z Dispositivo fotorrefrativo revestido de material compósito para medição simultânea de vibração e temperatura em núcleo de transformadores Photorefractive device coated composite material for simultaneous measurement of vibration and temperature in transformers iron core Kuhn, Gustavo Gomes Silva, Jean Carlos Cardozo da https://orcid.org/0000-0003-2310-9159 http://lattes.cnpq.br/9949032159595994 Sousa, Kleiton de Morais https://orcid.org/0000-0003-0060-3875 http://lattes.cnpq.br/5409590007366145 Dartora, Cesar Augusto https://orcid.org/0000-0001-5110-5214 http://lattes.cnpq.br/9823126897769892 Silva, Jean Carlos Cardozo da https://orcid.org/0000-0003-2310-9159 http://lattes.cnpq.br/9949032159595994 Rambo, Marcos Vinicio Haas https://orcid.org/0000-0001-7793-0909 http://lattes.cnpq.br/1121386710402716 Oliveira, Sergio Vidal Garcia https://orcid.org/0000-0002-2862-3870 http://lattes.cnpq.br/7485662763949116 Oliveira, Valmir de https://orcid.org/0000-0001-5731-6127 http://lattes.cnpq.br/1276189869170012 Transformadores elétricos Vibração - Medição Temperatura - Medição Fibras ópticas Fibras de carbono Detectores ópticos Sistemas de energia elétrica Deformações térmicas - Equipamento elétrico Simulação por computador Electric transformers Vibration - Measurement Temperature - Measurement Optical fibers Carbon fibers Optical detectors Electric power systems Thermal stresses - Electric equipment Computer simulation CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA Engenharia Elétrica This work presents studies on the identification of mechanical vibrations and temperature originating in the iron core of a three-phase dry transformer. Different frequency components can generate losses and damages through mechanical vibrations. The loss of insulation causes major failures such as short circuits, which end up generating losses to energy concessionary and mainly to final consumers. Unlike commercial electrical sensors, which are attached to the transformer’s external housing, this study proposes the application of Bragg gratings in optical fiber (FBG) as sensor elements applied directly to the core, simultaneously monitoring dynamic vibration and temperature. Also compared to traditional electrical sensors (strain gages), FBGs sensors do not suffer electromagnetic interference, and can be applied internally to the transformer without optical signal attenuation. In addition, it monitors vibration directly at the main causative source, which is the iron core. As the sensor is exposed to a hostile environment, a carbon fiber reinforced composite device is designed to protect the optical fiber. The optical sensors were coated by the composite, which also has the function of improving the sensitivity to dynamic deformation of the sensor. The part geometry has a spring shape that guarantees this increase in sensitivity by approximately 12.3 % for the 120 Hz mechanical fundamental frequency component. For the measurement of temperature and vibration, two multiplexed sensors with different wavelengths were used. The temperature compensation of the strain sensor was also performed. Electrical tests on a 3 kVA three-phase dry transformer were carried out with different types of electrical loads. The Frequency Response Function (FRF) was used to present the dynamic deformation results and compare the FRFs of sensors glued freely to the core with the embedded sensors. The quick coupling device, in the experimental tests, obtained an average sensitivity increase ratio of 32 % in relation to the non-encapsulated sensor. Thus, direct application to the iron core of three-phase dry transformers was shown to be feasible. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Este trabalho apresenta estudos sobre a identificação de vibrações mecânicas e temperatura originadas no núcleo de ferro de um transformador trifásico à seco. Diferentes componentes de frequência podem gerar perdas e danos por meio de vibrações mecânicas. A perda de isolamento provoca falhas como curtos-circuitos, que acabam gerando prejuízos às concessionárias de energia e principalmente aos consumidores finais. Diferentemente dos sensores elétricos comerciais, que são acoplados na carcaça externa do transformador, esse estudo propõe a aplicação de redes de Bragg em fibra ótica (FBG) como elementos sensores aplicados diretamente ao núcleo, monitorando de forma simultânea vibração e temperatura. Também comparados aos sensores elétricos tradicionais (strain gages), os sensores FBGs não sofrem interferência eletromagnética, podendo ser aplicados internamente ao transformador sem atenuações do sinal ótico. Além disso, monitora a vibração diretamente na principal fonte causadora, que é o núcleo de ferro. Como o sensor fica exposto a um ambiente hostil, um dispositivo em compósito reforçado de fibra de carbono foi projetado para proteger a fibra ótica. Os sensores óticos foram revestidos pelo compósito, que também tem a função de melhorar a sensibilidade à deformação do sensor. A geometria da peça tem um formato de mola que garante esse aumento na sensibilidade em aproximadamente 12,3 % para a componente de frequência fundamental mecânica de 120 Hz. Para a medição da temperatura e vibração foram utilizados dois sensores multiplexados com comprimentos de onda diferentes. A compensação da temperatura do sensor de deformação também foi realizada. Ensaios elétricos em um transformador trifásico à seco de 3 kVA foram realizados com diferentes tipos de cargas elétricas. A Função da Resposta em Frequência (FRF) foi utilizada para apresentação dos resultados de deformação e comparação das FRFs de sensores colados livremente no núcleo com os sensores embebidos em fibra de carbono. O dispositivo de engate rápido, nos testes experimentais, obteve uma relação média de incremento de sensibilidade de 32 % em relação ao sensor não encapsulado. Dessa forma, mostrou-se viável a aplicação direta no núcleo de ferro de transformadores trifásicos à seco. 2021-01-04T00:37:46Z 2021-01-04T00:37:46Z 2020-10-27 doctoralThesis KUHN, Gustavo Gomes. Dispositivo fotorrefrativo revestido de material compósito para medição simultânea de vibração e temperatura em núcleo de transformadores. 2020. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/23667 por openAccess http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial UTFPR |
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Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
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Português |
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Transformadores elétricos Vibração - Medição Temperatura - Medição Fibras ópticas Fibras de carbono Detectores ópticos Sistemas de energia elétrica Deformações térmicas - Equipamento elétrico Simulação por computador Electric transformers Vibration - Measurement Temperature - Measurement Optical fibers Carbon fibers Optical detectors Electric power systems Thermal stresses - Electric equipment Computer simulation CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA Engenharia Elétrica |
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This work presents studies on the identification of mechanical vibrations and temperature originating in the iron core of a three-phase dry transformer. Different frequency components can generate losses and damages through mechanical vibrations. The loss of insulation causes major failures such as short circuits, which end up generating losses to energy concessionary and mainly to final consumers. Unlike commercial electrical sensors, which are attached to the transformer’s external housing, this study proposes the application of Bragg gratings in optical fiber (FBG) as sensor elements applied directly to the core, simultaneously monitoring dynamic vibration and temperature. Also compared to traditional electrical sensors (strain gages), FBGs sensors do not suffer electromagnetic interference, and can be applied internally to the transformer without optical signal attenuation. In addition, it monitors vibration directly at the main causative source, which is the iron core. As the sensor is exposed to a hostile environment, a carbon fiber reinforced composite device is designed to protect the optical fiber. The optical sensors were coated by the composite, which also has the function of improving the sensitivity to dynamic deformation of the sensor. The part geometry has a spring shape that guarantees this increase in sensitivity by approximately 12.3 % for the 120 Hz mechanical fundamental frequency component. For the measurement of temperature and vibration, two multiplexed sensors with different wavelengths were used. The temperature compensation of the strain sensor was also performed. Electrical tests on a 3 kVA three-phase dry transformer were carried out with different types of electrical loads. The Frequency Response Function (FRF) was used to present the dynamic deformation results and compare the FRFs of sensors glued freely to the core with the embedded sensors. The quick coupling device, in the experimental tests, obtained an average sensitivity increase ratio of 32 % in relation to the non-encapsulated sensor. Thus, direct application to the iron core of three-phase dry transformers was shown to be feasible. |
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Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
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2021 |
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KUHN, Gustavo Gomes. Dispositivo fotorrefrativo revestido de material compósito para medição simultânea de vibração e temperatura em núcleo de transformadores. 2020. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020. |
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