Analysis of the impacts of harmonic voltage distortions on the occurrence of partial discharges using a finite element model

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O monitoramento de descargas parciais (DPs) é uma das principais técnicas aplicadas mundialmente para avaliar as condições do isolamento de equipamentos elétricos alimentados por média e alta tensão. A ocorrência de DPs está normalmente relacionada ao aparecimento de defeitos no sistema de isolação que, com o passar do tempo, podem comprometer a integridade do material dielétrico empregado, aumentando a probabilidade de ruptura completa. Os testes de laboratório para medição e avaliação de DPs são geralmente realizados com a aplicação de tensões alternadas puramente senoidais. No entanto, devido às adversidades da rede elétrica, é muito comum que os equipamentos elétricos em algum momento sejam operados com tensões distorcidas por componentes harmônicas. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo analisar os impactos das distorções harmônicas de tensão sobre a ocorrência de DPs. Para isso, foi implementado um modelo dinâmico para simulação de DPs com base na aplicação do método dos elementos finitos (MEF). Com este modelo, diversas simulações foram realizadas aplicando-se tensões distorcidas compostas por diferentes frequências harmônicas, vários níveis de distorção, ângulos de fase distintos, entre outras combinações. Os resultados extraídos das simulações revelaram que as distorções harmônicas podem causar variações no número de DPs geradas, bem como nos valores médios de suas cargas. Também foram observadas deformações nos padrões de DPs associadas à fase da tensão de alimentação (PRPD – do inglês). Além disso, a evolução temporal das DPs se mostrou altamente dependente das características de cada forma de onda analisada, tais como pontos de inflexão e valores de pico. Em geral, para níveis de distorção harmônica mais elevados, os efeitos sobre as atividades das DPs foram mais significativos. Na prática, alguns destes efeitos podem contribuir com a degradação do material dielétrico e prejudicar a interpretação de padrões PRPD, dificultando o diagnóstico da condição do sistema de isolação. The monitoring of partial discharges (PDs) is one of the main techniques applied worldwide to assess the insulation condition of electrical equipment powered by medium and high voltage. The occurrence of PDs is normally related to the appearance of defects in the insulation system that, over time, can compromise the integrity of the dielectric material used, increasing the probability of complete failure. Laboratory tests for measuring and evaluating PDs are generally performed with the application of purely sinusoidal alternating voltages. However, due to the adversities of the electrical grid, it is very common for electrical equipment to be operated with voltages distorted by harmonic components at some point. In this context, this work aims to analyze the impacts of harmonic voltage distortions on the occurrence of PDs. For this, a dynamic model was implemented to simulate PDs based on the application of the finite element method (FEM). With this model, several simulations were performed applying distorted voltages composed of different harmonic frequencies, various levels of distortion, different phase angles, among other combinations. The results extracted from the simulations revealed that the harmonic distortions can cause variations in the number of PDs generated, as well as in the mean values of their charges. Deformations in the Phase-Resolved Partial Discharge (PRPD) patterns were also observed. Furthermore, the temporal evolution of the PDs was highly dependent on the characteristics of each analyzed waveform, such as inflection points and peak values. In general, for higher harmonic distortion levels, the effects on PD activities were more significant. In practice, some of these effects may contribute to the degradation of the dielectric material and impair the interpretation of PRPD patterns, making it difficult to diagnose the condition of the insulation system. Dissertação (Mestrado)