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CPGEI (Doutorado): João Paulo Bazzo-17/03/17

Defesa Pública de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
Quando 17/03/2017
das 13h30 até 16h30
Onde Sede Central: Sala B-205
Nome do Contato Prof. Jean Carlos Cardozo da Silva
Participantes Prof. Jean Carlos Cardozo da Silva , Dr. Orientador - UTFPR
Prof. Cicero Martelli, Dr. Co-orientador - UTFPR
Banca examinadora:
Prof. Jean Carlos Cardozo da Silva, Dr. Presidente - UTFPR
Profa. Maria Jose Pontes, Dra. - UFES
Prof. João Batista Rosolem, Dr. - CPQD
Prof. Daniel Rodrigues Pipa, Dr. - UTFPR
Prof. Hypolito José Kalinowski, Dr. - UFF
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Imageamento térmico do estator de geradores de alta pontência empregando sensores óticos distribuídos

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 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.
Palavras-chave: Temperatura do estator de geradores. Falhas em geradores. Sensores de temperatura distribuídos. Sensores a fibra ótica. Algoritmos de reconstrução de imagem.

Thermal imaging for stator of high power generators using distributed optical sensors.

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 highlight 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.
Keywords: Generator stator temperature. Faults in generators. Distributed temperature sensors. Fiber optic sensors. Image reconstruction algorithms.

Lista de publicações:

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BAZZO, J. P.; PIPA, D. R.; SILVA, E. V.; MARTELLI, C.; DA SILVA, J. C. C. Improving Spatial Resolution of Raman DTS Using Total Variation Deconvolution. IEEE Sensors Journal, vol. 16, no. 11, pp. 4425-4430, 2016.

BAZZO, J. P.; PIPA, D. R.; SILVA, E. V.; MARTELLI, C.; DA SILVA, J. C. C. Sparse Reconstruction for Temperature Distribution Using DTS Fiber Optic Sensors with Applications in Electrical Generator Stator Monitoring. Sensors, vol. 16, no. 1425, pp. 1-16, 2016.

SILVA, E. V.; DREYER, U. J.; SOUSA, K. M.; SOMENZI, J.; MEZZADRI, F.; BAZZO, J. P.; OLIVEIRA, V.; KALINOWSKI, H. J.; MARTELLI, C.; SILVA, J. C. C. Medição de Temperatura do Estator, Radiador e Mancal de um Gerador de Potência de 182 MW Utilizando Sensores a Fibra Ótica. In: VII Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica CITENEL e III Seminário de Eficiência Energética no Setor Elétrico - SEENEL, 2013, Rio de Janeiro. ANAIS VII CITENEL e III SEENEL, 2013. p. 1-9.

SOUSA, K. M.; BAZZO, J. P.; MEZZADRI, F.; BORTOLOTTI, F.; MARTELLI, C.; SILVA, J. C. C.; PROBST, W. K. Optical fiber Bragg grating sensors applied on energy conversion systems. In: 2013 SBMO/IEEE MTTS International Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC), 2013, Rio de Janeiro. 2013 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave & Optoelectronics Conference (IMOC). v. único. p. 1-5.

BAZZO, J. P.; MARTELLI, C.; MEZZADRI, F.; SILVA, E. W.; PIPA, D. R.; CARDOZO DA SILVA, J. C. Temperature Sensing of High Power Generator Stator using DTS. In: Bragg Gratings, Photosensitivity, and Poling in Glass Waveguides, 2014, Barcelona. Advanced Photonics. Washington: OSA, 2014. p. JM5A.64.

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MARTELLI, C.; SILVA, M. J.; SILVA, J. C. C.; MORALES, R.; PIPA, D. R.; SILVA, E. V.; ZAMARREÑO, C. R.; BARONCINI, V. H.; MEZZADRI, F ; PATYK, R.; DUTRA, G.; BAZZO, J. P.; VENDRUSCOLO, T. Photonic Sensors: From Crude Oil to Engine Monitoring. In: Latin America Optics and Photonics Conference, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2014), 2014, Cancun. Photonic Sensors: From Crude Oil to Engine Monitoring, 2014.

BAZZO, J. P.; MEZZADRI, F.; SILVA, E. V.; PIPA, D. R.; MARTELLI, C.; DA SILVA, J. C. C. Thermal Imaging System for Hydroelectric Generator Stator Based on Distribute Optical Sensors. Optical Sensors, 2015.

BAZZO, J. P.; PIPA, D. R.; MEZZADRI, F.; SILVA, E. V.; MARTELLI, C.; DA SILVA, J. C. C. Super-Resolution Algorithm Applied in Thermal Imaging of Hydroelectric Generators Stator using Hybrid Sensing with DTS and FBG. Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC), SBMO/IEEE MTT-S International, pp. 1-5, 2015.

MEZZADRI, F.; BAZZO, J. P.; SILVA, E. V.; MARTELLI, C.; DA SILVA, J. C. C. 200 MW Hydroelectric Generator Stator Surface Temperature Monitoring using a DTS System. OFS, 2015

SILVA, E. V.; SANTOS, M.; DILLI, P.; FEITOSA, P.; DREYER, U. J.; SOUSA, K. M.; GALVÃO, J. R.; DUTRA, G.; RENZO, A. B.;BAZZO, J. P.; MEZZADRI, F.; PIPA, D. R.; MARTELLI, C.; DA SILVA, J. C. C. Medição de Temperatura Utilizando Sensoria-mento Ótico Distribuído e Quase-Distribuído em Geradores Elétricos de Potência. CITENEL, 2015.

SILVA, E. V.; SANTOS, M.; DILLI, P.; FEITOSA, P.; DREYER, U. J.; SOUSA, K. M.; GALVÃO, J. R.; DUTRA, G.; RENZO, A. B.;BAZZO, J. P.; MEZZADRI, F.; PIPA, D. R.; MARTELLI, C.; DA SILVA, J. C. C. Mapeamento térmico tridimensional de geradores elétricos de alta potência empregando técnicas de sensoriamento ótico distribuído e quase-distribuído. XXIII SNPTEE, 2015.

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