Desenvolvimento de procedimentos para detecção e avaliação de faltas em geradores síncronos por meio da monitoração do campo magnético externo

Abstract

A monitoração da condição de geradores síncronos por meio da inspeção do seu campo magnético externo é uma estratégia com potencial de aplicação na manutenção preditiva destas máquinas pela sua característica não invasiva e pela capacidade de detecção de diferentes tipos de faltas. Esta estratégia se baseia na monitoração de componentes do espectro de frequências, obtido pela transformada de Fourier, de formas de onda relativas à derivada temporal do campo magnético externo. As amplitudes de algumas destas componentes espectrais refletem características construtivas e operacionais do gerador síncrono e os conjuntos formados por estas componentes espectrais são denominados de assinatura magnética. A monitoração do histórico destas amplitudes do conteúdo espectral ao longo do tempo possibilita a detecção de faltas incipientes. Uma limitação desta estratégia é a necessidade de avaliação do histórico de amplitudes de centenas ou milhares de componentes espectrais para cada sensor de campo magnético utilizado no sistema de monitoração. Neste contexto, é apresentada nesta tese uma metodologia para detecção de faltas em geradores síncronos por meio da detecção automática de alterações em sua assinatura magnética obtida por meio de medidas de campo magnético externo. Ao contrário de outras pesquisas publicadas onde a detecção de faltas é realizada por inspeção visual, esta tese propõe a aplicação de métodos de gráficos de controle para promover a detecção automática de alterações da assinatura magnética do gerador síncrono. Além disso, a metodologia permite gerar um indicador global de alteração para identificar períodos em que ocorre a detecção de alteração de amplitude de várias componentes espectrais simultaneamente de maneira correlacionada, o que é uma característica constatada na ocorrência de faltas incipientes. A investigação e caracterização da influência de alterações do ponto de operação do gerador síncrono sobre a sua assinatura magnética é outra contribuição desta tese, bem como o conceito de monitoramento do comportamento da assinatura magnética continuada. Esta investigação permitiu o desenvolvimento de uma estratégia de estratificação da assinatura magnética em regiões de operação com pequenas perturbações, que foi incluída na metodologia de detecção de faltas. Com esta etapa de estratificação, a metodologia desenvolvida minimiza a ocorrência de falsos positivos no processo de detecção de faltas, causados por alterações naturais de operação do gerador síncrono. A metodologia é avaliada por meio da análise de dados sintéticos, obtidos por simulação computacional, de dados experimentais, obtidos de ensaios em um gerador síncrono de 10 kVA em uma bancada experimental que permite a imposição controlada de faltas, e de dados obtidos por um equipamento de monitoração do campo magnético externo instalado em um gerador síncrono de 305 MVA em uma usina hidrelétrica. Os resultados obtidos mostram que a metodologia permitiu a detecção automática de diferentes tipos de faltas nos casos avaliados, validando a sua aplicação prática para a monitoração da condição de geradores síncronos.

Abstract: Monitoring the condition of synchronous generators through inspection of their external magnetic field is a strategy with potential application in the predictive maintenance of these machines due to its non-invasive characteristic and its ability to detect different types of faults. This strategy is based on monitoring components of the frequency spectrum, obtained by the Fourier transform, of waveforms related to the time derivative of the external magnetic field. The amplitude of some of these spectral components reflects constructive and operational characteristics of the synchronous generator and the sets formed by these spectral components are called the magnetic signature. Monitoring the history of these spectral content amplitudes over time makes it possible to detect incipient faults. One problem with this strategy is the need to evaluate the amplitude history of hundreds or thousands of spectral components for each magnetic field sensor used in the monitoring system. In this context, this thesis presents a methodology for detecting faults in synchronous generators through the automatic detection of changes in their magnetic signature obtained through external magnetic field measurements. Unlike other works where fault detection is performed by visual inspection, this thesis proposes the application of control chart methods to promote the automatic detection of changes in the magnetic signature of the synchronous generator. Furthermore, the methodology makes it possible to generate a global change indicator to identify periods in which changes in the amplitude of several spectral components are detected simultaneously in a correlated manner, which is a characteristic observed in the occurrence of incipient faults. The investigation and characterization of the influence of changes in the synchronous generator operating point on its magnetic signature is another contribution of this thesis, as well as the concept of monitoring the behavior of the continuous magnetic signature. This investigation allowed the development of a strategy for stratifying the magnetic signature in operating regions with small disturbances, which was included in the fault detection methodology. With this stratification stage, the methodology developed minimizes the occurrence of false positives in the fault detection process, caused by natural changes in the synchronous generator operation. The methodology is evaluated by analyzing synthetic data obtained by computer simulation, experimental data obtained by testing a 10 kVA synchronous generator on an experimental bench that allows the controlled imposition of faults, and data obtained by external magnetic field monitoring equipment installed on a 305 MVA synchronous generator at a hydroelectric power plant. The results obtained show that the methodology enabled the automatic detection of different types of faults in the cases evaluated, validating its practical application for monitoring the condition of synchronous generators.