Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/2751
Título: Imageamento térmico do estator de geradores de alta potência empregando sensores óticos distribuídos
Título(s) alternativo(s): Thermal imaging for stator of high power generators using distributed optical sensors
Autor(es): Bazzo, João Paulo
Orientador(es): Silva, Jean Carlos Cardozo da
Palavras-chave: Fibras ópticas
Sistemas imageadores
Métodos de simulação
Engenharia elétrica
Optical fibers
Imaging systems
Simulation methods
Electric engineering
Data do documento: 17-Mar-2017
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: BAZZO, João Paulo. Imageamento térmico do estator de geradores de alta potência empregando sensores óticos distribuídos. 2017. 124 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2017.
Resumo: Este trabalho apresenta um novo método de imageamento térmico para estator de geradores de alta potência, empregando sensores óticos distribuídos baseados em espalhamento Raman, que permite identificar regiões com temperaturas relativamente elevadas em qualquer parte da estrutura. Regiões com temperaturas acima de 100 ºC podem indicar o desgaste da estrutura de isolação, que quando não identificadas no estágio inicial aumentam o risco de falhas que possam causar sérios danos ao gerador como, por exemplo, curto-circuito nos enrolamentos do estator. O método consiste no desenvolvimento de um software que combina as informações de temperatura e posição espacial do sensor com um modelo tridimensional do estator, para gerar as imagens térmicas de acordo com a distribuição de temperatura na estrutura. Como principais vantagens em relação à instrumentação convencional do estator, que faz o uso de transdutores eletrônicos pontuais, pode-se destacar a imunidade à interferência eletromagnética, a utilização de apenas um elemento sensor, e a possibilidade de identificar regiões quentes em qualquer parte da estrutura. O desempenho do método foi avaliado por meio de um ensaio experimental com um gerador hidrelétrico de 200 MW. Durante o ensaio, foi possível avaliar diferentes dinâmicas térmicas do estator como, por exemplo, aquecimento e resfriamento em função da geração ou ausência de potência ativa, respectivamente. As imagens geradas mostraram um bom desempenho para monitorar a distribuição de temperatura do estator em função da potência do gerador. No entanto, um fator limitante do método proposto é a resolução espacial do sensor distribuído, que torna o sistema inviável para detectar regiões quentes em dimensões inferiores a um metro. Como solução, foram desenvolvidos algoritmos de reconstrução de sinais/imagem baseados em métodos para solução de problema inverso. Os algoritmos utilizam um modelo de aquisição do sensor distribuído e a deconvolução do sinal por Total Variation. As imagens são geradas através de representação esparsa de um dicionário de pontos quentes, construído através de simulação com um modelo multi-físico da estrutura. Devido às dificuldades de reprodução de falhas de isolamento na estrutura real do estator, foram realizados ensaios experimentais utilizando um protótipo do estator em laboratório. Os resultados demonstram que a aplicação dos algoritmos permite reconstruir imagens de regiões quentes com dimensões de até 15 cm, representando um ganho de resolução de até seis vezes quando comparado com a resolução espacial do sensor. Os algoritmos desenvolvidos podem ser uma solução promissora para compensar as limitações do sistema de imageamento, tornado mais preciso e confiável. O monitoramento contínuo da distribuição de temperatura na estrutura pode ser uma ferramenta fundamental de manutenção preditiva, reduzindo os riscos de falhas que resultem em graves danos ao gerador, contribuindo assim com a disponibilidade operativa e o desempenho da máquina. O uso eficiente dos geradores também contribui com o sistema elétrico nacional, que exige cada vez mais da sua capacidade energética.
Abstract: This work presents a new method of thermal imaging for stator of high power generators, using distributed optical sensors based on Raman scattering, which can identify areas with relatively high temperatures in any part of the structure. Regions with above 100 ºC may indicate wear on the insulation structure, which when not identified in the initial stage increase the risk of failures that can cause serious damage to the generator, such as short circuit in the stator windings. The method is based on a software that combines the temperature information and spatial position of the sensor with a three-dimensional stator model, for generating thermal images according to the temperature distribution in the structure. The main advantages over conventional stator instrumentation, which uses electrical transducers, can be highlight the immunity to electromagnetic interference, the use of only one sensor element, and the possibility of identifying hot spots in any part of the structure. The method performance was evaluated by experimental testing with a hydroelectric generator 200 MW. In the test, it was possible to evaluate different thermal dynamics of the stator, such as heating and cooling due to the generation or absence of active power, respectively. The generated images showed great performance to monitor the stator temperature distribution according to the power of the generator. However, a limiting factor of the proposed method is the spatial resolution of the distributed sensor, which makes the system unfeasible to detect hot regions in dimensions smaller than one meter. As a solution, signal/image reconstruction algorithms were developed based on methods to solve the inverse problem. The algorithms use a distributed sensor acquisition model and Total Variation deconvolution. The thermal images are generated through sparse representation of a hotspot dictionary, constructed through simulation with a multi-physical model of the structure. Due to the difficulties of reproducing insulation faults in the real stator structure, experimental tests were performed using a stator prototype. The results demonstrate the ability of the algorithms to reconstruct images of hot regions up to 15 cm, representing a resolution gain of six times when compared to the spatial resolution of the sensor. The application of the proposed algorithms may be a promising solution to improve the accuracy and reliability of the imaging system. Continuous monitoring of the stator temperature can be a fundamental tool of predictive maintenance, reducing the risk failures that result in serious damage to the generator, thus contributing to the operational availability and the machine performance. In addition, other benefits such as maintenance costs reduction and losses with fines for lack of energy supply may be considered. The efficient use of generators also contributes to the national electrical system, which nowadays requires the most of their energy capacity.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/2751
Aparece nas coleções:CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial

Arquivos associados a este item:
Arquivo Descrição TamanhoFormato 
CT_CPGEI_D_Bazzo, João Paulo_2017.pdf
  Disponível a partir de 2022-03-17
24,61 MBAdobe PDFVisualizar/Abrir Solicitar uma cópia


Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.