new methodology for identification of sympathetic inrush ... · afundamento de tensão [14] ......

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1 Abstract— This paper presents a new methodology to identify the transient of sympathetic inrush between power transformers that aims to prevent the protection system from being affected by this transient. The developed method is based on the variation of the detail coefficients of different levels of DWT decomposition. During the sympathetic inrush condition, the detail coefficients present a different variation from that which occurs during an internal fault condition. The proposed methodology is able to identify the sympathetic inrush conditions without the need to set a threshold, making the methodology intelligent and avoiding unwanted trip of the protection system. The proposed methodology was thoroughly tested and proved to be promising in the identification and discrimination between sympathetic inrush and internal faults. Keywords— Power transformers, differential protection, sympathetic inrush, wavelet transform. I. INTRODUÇÃO s transformadores de potência tem um importante papel no Sistema Elétrico de Potência (SEP), e garantir que esse equipamento funcione de maneira segura é um desafio. Sabe-se que as correntes de magnetização, conhecidas como correntes de inrush, é um fenômeno que ocorre durante a energização do transformador e pode afetar a proteção diferencial. A proteção diferencial por restrição da segunda harmônica é ainda a principal técnica utilizada para prevenir a má operação de transformadores de potência durante a sua energização [1][2]. Desta maneira, muitos esforços tem sido feitos para garantir uma correta atuação do sistema de proteção durante as correntes de inrush e faltas internas. No entanto, a proteção diferencial de um transformador não está sujeita apenas aos fenômenos causados pelas correntes de inrush. Uma situação que muitas vezes é ignorada nas diversas técnicas de proteção existentes [3]-[11], é o transiente causado pela energização de um transformador em paralelo com outro já em operação, conhecido como energização solidária [12][13]. Como consequência dessa conexão, a energização do 1 J.P. Marques, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, RS, Brasil, jefersonjpm.ee@gmail.com G. Cardoso Junior, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, RS, Brasil, [email protected] A.P. de Morais, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, RS, Brasil, [email protected] transformador em paralelo faz surgir correntes de magnetização no transformador já em operação, podendo afetar o relé de proteção diferencial dos equipamentos conectados próximos. Ainda nesse sentido, a energização solidária pode causar problemas de qualidade de energia como afundamento de tensão [14] e saturação dos TCs, o que dificulta ainda mais a sua identificação. Nos últimos anos alguns trabalhos têm sido feitos no sentido de identificar o fenômeno da energização solidária para evitar a má operação do sistema de proteção de transformadores de potência. Em [15] propôs um método baseado em árvore de decisões para criar modelos de regras para a previsão das condições de inrush e faltas internas. O método apresentado foi testado para diversas condições de operação, inclusive energização solidária. No entanto, o método depende de treinamento para a criação das regras de tomada de decisão, o que pode dificultar a sua aplicação para diferentes transformadores e condições de operação. A referência [16] utilizou a morfologia matemática para a identificação da energização solidária e faltas internas, analisando as características dos picos e vales das correntes diferenciais para cada situação. Para a identificação das situações de operação, o método necessita que seja pré escolhido dois limiares de atuação, o que dificulta a sua aplicação para sistemas de utilizam transformadores diferentes. O trabalho proposto por [17] foi baseado no incremento da tensão acompanhado pela energização solidária. No entanto, o método de identificação proposto usa a Transformada de Fourier Discreta para processar os sinais, e assim, a sua precisão pode ser influenciada por componentes aperiódicas presentes no sinal. Neste trabalho é apresentado uma nova metodologia para a identificação do transitório de energização solidária que permite distinguir das condições de faltas internas ao transformador de potência. A nova metodologia é baseada na análise de diferentes níveis de decomposição dos coeficientes de detalhes (CD) provenientes da Transformada Wavelet Discreta aplicada nas correntes diferencias. Com base nas características de comportamento dos CD dos níveis, a metodologia consegue discriminar as condições de energização solidária de faltas internas sem a necessidade de um liminar de atuação. Para testar a metodologia foi implementado um sistema de simulação no software EMTP/ATP para obtenção dos dados das condições dos O New Methodology for Identification of Sympathetic Inrush for a Power Transformer using Wavelet Transform J. P. Marques, G. Cardoso Junior, A. P. de Morais, Member, IEEE 1158 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 16, NO. 4, APRIL 2018

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1Abstract— This paper presents a new methodology to identify the transient of sympathetic inrush between power transformers that aims to prevent the protection system from being affected by this transient. The developed method is based on the variation of the detail coefficients of different levels of DWT decomposition. During the sympathetic inrush condition, the detail coefficients present a different variation from that which occurs during an internal fault condition. The proposed methodology is able to identify the sympathetic inrush conditions without the need to set a threshold, making the methodology intelligent and avoiding unwanted trip of the protection system. The proposed methodology was thoroughly tested and proved to be promising in the identification and discrimination between sympathetic inrush and internal faults.

Keywords— Power transformers, differential protection,

sympathetic inrush, wavelet transform.

I. INTRODUÇÃO

s transformadores de potência tem um importante papel no Sistema Elétrico de Potência (SEP), e garantir

que esse equipamento funcione de maneira segura é um desafio. Sabe-se que as correntes de magnetização, conhecidas como correntes de inrush, é um fenômeno que ocorre durante a energização do transformador e pode afetar a proteção diferencial. A proteção diferencial por restrição da segunda harmônica é ainda a principal técnica utilizada para prevenir a má operação de transformadores de potência durante a sua energização [1][2]. Desta maneira, muitos esforços tem sido feitos para garantir uma correta atuação do sistema de proteção durante as correntes de inrush e faltas internas.

No entanto, a proteção diferencial de um transformador não está sujeita apenas aos fenômenos causados pelas correntes de inrush. Uma situação que muitas vezes é ignorada nas diversas técnicas de proteção existentes [3]-[11], é o transiente causado pela energização de um transformador em paralelo com outro já em operação, conhecido como energização solidária [12][13]. Como consequência dessa conexão, a energização do

1 J.P. Marques, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, RS, Brasil, [email protected]

G. Cardoso Junior, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, RS, Brasil, [email protected]

A.P. de Morais, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, RS, Brasil, [email protected]

transformador em paralelo faz surgir correntes de magnetização no transformador já em operação, podendo afetar o relé de proteção diferencial dos equipamentos conectados próximos. Ainda nesse sentido, a energização solidária pode causar problemas de qualidade de energia como afundamento de tensão [14] e saturação dos TCs, o que dificulta ainda mais a sua identificação.

Nos últimos anos alguns trabalhos têm sido feitos no sentido de identificar o fenômeno da energização solidária para evitar a má operação do sistema de proteção de transformadores de potência. Em [15] propôs um método baseado em árvore de decisões para criar modelos de regras para a previsão das condições de inrush e faltas internas. O método apresentado foi testado para diversas condições de operação, inclusive energização solidária. No entanto, o método depende de treinamento para a criação das regras de tomada de decisão, o que pode dificultar a sua aplicação para diferentes transformadores e condições de operação.

A referência [16] utilizou a morfologia matemática para a identificação da energização solidária e faltas internas, analisando as características dos picos e vales das correntes diferenciais para cada situação. Para a identificação das situações de operação, o método necessita que seja pré escolhido dois limiares de atuação, o que dificulta a sua aplicação para sistemas de utilizam transformadores diferentes. O trabalho proposto por [17] foi baseado no incremento da tensão acompanhado pela energização solidária. No entanto, o método de identificação proposto usa a Transformada de Fourier Discreta para processar os sinais, e assim, a sua precisão pode ser influenciada por componentes aperiódicas presentes no sinal.

Neste trabalho é apresentado uma nova metodologia para a identificação do transitório de energização solidária que permite distinguir das condições de faltas internas ao transformador de potência. A nova metodologia é baseada na análise de diferentes níveis de decomposição dos coeficientes de detalhes (CD) provenientes da Transformada Wavelet Discreta aplicada nas correntes diferencias.

Com base nas características de comportamento dos CD dos níveis, a metodologia consegue discriminar as condições de energização solidária de faltas internas sem a necessidade de um liminar de atuação. Para testar a metodologia foi implementado um sistema de simulação no software EMTP/ATP para obtenção dos dados das condições dos

O

New Methodology for Identification of Sympathetic Inrush for a Power Transformer using

Wavelet Transform

J. P. Marques, G. Cardoso Junior, A. P. de Morais, Member, IEEE

1158 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 16, NO. 4, APRIL 2018

transitórios. A metodologia foi testada para diversas condições de operação e mostrou-se promissora na identificação de transitórios em transformadores de potência.

II. MÉTODO PROPOSTO

A metodologia proposta neste trabalho visa identificar a influência da condição de energização solidária em transformadores de potência e discriminar das condições de faltas internas, com objetivo de evitar a má operação do sistema de proteção e garantir a confiabilidade em situações que poderiam afetar o relé de proteção.

A identificação do transitório baseia-se na análise e monitoramento dos Coeficientes de Detalhes (CD) do 1º e 3º nível de decomposição da TWD da família Daubechies 4 (db4). A utilização de diferentes níveis de CD justifica-se devido a apresentarem uma variação distinta entre os níveis de decomposição da TWD para as situações de energização solidária e para as condições de falta interna. Na Fig. 1 (a) e (b) é apresentado o comportamento dos CD do 1º e 3º nível de decomposição para as condições de energização solidária e falta interna, respectivamente.

Amostras0 100 200 300 400 500

Coef

icie

ntes

de

Det

alhe

s

0

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0.03

0.04

0.05

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0.07

CD1CD3

(a)

Amostras0 100 200 300 400 500

Coef

icie

ntes

de

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alhe

s

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

CD1CD3

(b)

Figura 1. Comportamento dos coeficientes de detalhes do 1º e 3º nível de decomposição da TWD, (a) energização solidária (b) falta interna.

Como é possível observar na Fig. 1, os CD para as condições de energização solidária e falta interna apresentam um comportamento bem característico, ou seja, durante a energização solidária os CD do 3º nível de decomposição são maiores que os CD do 1º nível de decomposição, e para a condição de falta interna essa situação se inverte. Com base nessa característica analisada na metodologia proposta, não é necessário a determinação de um limiar de atuação para identificar os transitórios ocorridos no transformador, sendo apenas necessário fazer um monitoramento e comparação dos valores dos CD dos diferentes níveis de decomposição da TWD.

A. Passo 1: Pré-Processamento dos dados

Inicialmente os dados vindos dos TCs são filtrados por um filtro passa-baixa do tipo Butterworth de 2ª ordem, com uma frequência de corte de 480Hz. Os dados são reamostrados para uma frequência de 15,36 kHz, de maneira que se tenha 256 amostras/ciclo. Após, é feita a correção da defasagem angular proveniente da conexão Δ-Y do transformador.

B. Passo 2: Detecção de transitórios

Após o pré-processamento, é calculado as correntes diferenciais das fases, dada por (1), e verificado se houve extrapolação da corrente de operação, dada por (2). Sendo i2p e i2s as correntes do secundário dos TCs do lado primário e secundário do transformador de potência, respectivamente. K é a característica diferencial percentual do relé, que foi adotado um valor de K = 0,3.

!! = !!! − !!! (1)

!!" = !. !!!!!!!! (2)

Caso !! ≥ !!", o algoritmo inicia a decomposição dos dados pela TWD.

C. Passo 3: Decomposição pela TWD Nesta etapa as correntes diferenciais das fases vão sendo

decompostas pela TWD utilizando a wavelet mãe Daubechies 4 (db4). Como resultado da decomposição, obtem-se 128 e 32 CD para o 1º e 3º nível de decomposição, respectivamente. Para evitar a análise de todos os dados dos CD provenientes da decomposição, considerou-se somente a última amostra dos CD, ou seja, a amostra da posição 128 e a posição 32, do 1º e 3º nível de decomposição, respectivamente. Deste modo, utilizando apenas uma amostra para cada nível de decomposição, a identificação torna-se mais fácil e ágil pois é feito um monitoramento em uma quantidade menor de dados, além de diminuir significativamente a quantidade de dados armazenados. Salienta-se que as janelas de dados utilizadas são deslizantes, ou seja, os valores vão sendo atualizados a cada instante de tempo.

JEFERSON MARQUES et al.: NEW METHODOLOGY FOR 1159

D. Passo 4: Identificação do transitório

Com os dados das correntes diferenciais decompostos pela TWD, a identificação dos transitórios pelo método proposto é baseado no cálculo da variação das últimas amostras dos CD presentes nos vetores com as últimas amostras dos CD, como mostram (3) e (4).

∆!_!"!!"# = !! !_!"!(!) − !_!"! !!

!!! (3)

∆u_CD!"#$ = !! u_CD!(i) − u_CD! !!

!!! (4)

Onde N é o número de amostras, i é a amostra atual u_CD as últimas amostras dos coeficientes de detalhes e !_!" a média das últimas amostras dos coeficientes de detalhes.

É importante salientar que o cálculo de ∆!_!" é feito conforme os dados das correntes diferenciais são decompostos pela TWD, ou seja, não é necessário esperar os vetores com as últimas amostras de CD estarem completos para identificar o transitório. Com isso, o método proposto torna-se rápido na identificação do transitório que é feito já nos primeiros dados de entrada.

Como pode ser visto na Fig. 1(a), durante a condição de energização solidária, os CD do 3º nível de decomposição apresentam uma variação significativa entre as amostras, chegando em alguns instantes a valores próximos aos dos CD do 1º nível de decomposição. Já para os CD do 1º nível de decomposição, a variação é quase constante entre as amostras. Deste modo, devido a essa variação dos CD, considerou-se uma média dos vetores de ∆!_!"! e ∆!_!"!, como mostram as (5) e (6). Com isso, elimina-se a possibilidade de equívoco na identificação dos transitórios devido a alguma amostra fora do padrão de comportamento.

!ℎ!! = !é!"# ∆!_!"! (5) !ℎ!! = !é!"# ∆!_!"! (6)

Após o cálculo dos valores médios, o método verifica se o valor de thd3 é maior que thd1. Se sim, a metodologia identifica como uma situação de energização solidária e envia um sinal de restrição, mantendo o transformador de potência em operação normalmente. Caso thd3 for menor que thd1, uma condição de falta interna é identificada e enviado um sinal de trip para o sistema de proteção.

III. ESTUDO DE CASO Os transformadores de potência estão sujeitos a diversos

transitórios quando conectados ao sistema de potência. Transitórios esses que ocorrem devido às próprias características dos equipamentos, como as correntes de magnetização, efeitos dos equipamentos conectados próximos, como a energização solidária, além das condições de curto-circuito. Deste modo, para garantir que a metodologia proposta é robusta e capaz de identificar e distinguir as diferentes condições de operação em transformadores de potência, foram simulados diversas situações para testar a sua eficiência. Dentre os casos simulados estão:

• Energização solidária entre transformadores • Energização solidária com falta interna • Energização do transformador (inrush) • Faltas internas

Para a obtenção dos dados de testes foi modelado um sistema elétrico no software EMTP/ATP, Fig. 2, que consiste de dois transformadores trifásicos, com potência de 25 MVA, 138/13,8 kV, ambos conectados em Δ-Y. Os TCs utilizados foram de 200:5 no lado primário e 2000:5 no secundário. As condições de faltas internas simuladas variaram em 5, 10, 50, 80 e 100% dos enrolamentos das espiras para faltas fase-terra, fase-fase, fase-fase-terra, e faltas trifásicas. Para todas as situações foi variado o ângulo de tensão em 0º, 45º, 60º e 90º.

S

T1 – 25MVA138/13.8 kV

T2 – 25MVA138/13.8 kV

Cargai1

i2

Zs R

CT1 CT2

Figura 2. Sistema teste.

A. Sympathetic inrush

Para a simulação deste caso, a chave S é fechada, Figura 2, conectando o transformador T2 ao sistema de potência, enquanto que o transformador T1 já estava em operação. Após a chave S ser fechada, a energização solidária entre os transformadores começa a ocorrer. Para teste da metodologia sob essa condição de operação foi considerada a corrente diferencial do transformador T1, como mostra a Fig. 3. Nota-se que no instante t =0,2 seg quando a chave S foi fechada, a energização do transformador T2 faz surgir no transformador T1 correntes de magnetização, semelhantes a inrush.

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idA

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0

2

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idC

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0

2

Tempo(s) Figura 3. Corrente diferencial do transformador T1 sob condição da energização solidária, ângulo de incidência de 90º.

Mesmo as correntes diferenciais de T1 sendo afetadas pela energização de T2, os valores de th!" mantiveram-se menores que th!" em todo o instante de tempo, Fig. 4, permitindo assim que a metodologia identificasse a condição de energização solidária corretamente.

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Tempo(s)0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21

Méd

ia C

DC

0

0.01

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thd1thd3

Figura 4. Variação dos CD do 1º e 3º nível de decomposição para a condição de energização solidária. B. Falta interna

Para a condição de falta interna apresentada, foi realizado um curto-circuito em 5% das espiras da fase A do enrolamento secundário do transformador T1. Neste caso, o transformador T2 estava desconectado do sistema de potência. Na Fig. 5 é apresentado o comportamento da corrente diferencial de T1.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

idA

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0

0.5

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Tempo(s)0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

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-0.2

0

0.2

Figura 5. Corrente diferencial do transformador T1 sob condição de falta interna, ângulo de incidência de 90º.

A partir da análise de comportamento dos CD apresentado na Fig. 6, é possível verificar que logo no início da falta, th!" tem uma elevação brusca e sendo maior que th!" durante toda a situação de falta interna, comportamento inverso ao que ocorre durante o transitório de energização solidária.

0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22

Méd

ia C

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Méd

ia C

DC 10-3

0

0.5

1 thd1thd3

Figura 6. Variação dos CD do 1º e 3º nível de decomposição para a condição de falta interna.

C. Energização solidária e falta interna simultâneamente

Um transitório em que os transformadores de potência estão

sujeitos durante sua operação e que, até então, não foram vistos testes em outros trabalhos sobre o assunto [18]-[25], é a situação em que está ocorrendo a energização solidária entre os transformadores T1 e T2, e ocorre uma falta interna. Para simular tal situação, considerou-se que o transformador T1 já estava em operação quando o transformador T2 foi energizado no instante t = 0,1 segundos. Como mostra a Fig. 7 durante a energização de T2 faz surgir o transitório causado pela energização solidária nas correntes diferenciais de T1, quando

JEFERSON MARQUES et al.: NEW METHODOLOGY FOR 1161

que no instante t = 0,25 segundos ocorre uma falta interna na fase A do transformador T1.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

idA

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0

20

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Tempo(s)0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

idC

-10

0

10

Figura 7. Corrente diferencial do transformador T1 sob condição de energização solidária com falta interna, ângulode incidência de 90º.

Tal situação torna-se de difícil identificação pois além da influência da energização solidária, surgem as correntes de curto-circuito no relé de proteção diferencial. Como mostra a Fig. 8, durante a energização solidária, th!" é menor que th!", comportando-se de maneira esperada. Já no instante em que ocorre a falta interna em T1, há uma elevação brusca de th!" tornando-o maior que th!", e assim possibilitanto a metodologia proposta a identificar condição de falta.

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Méd

ia C

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0.1

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Méd

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Tempo(s)0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22

Méd

ia C

DC

0

0.05

thd1thd3

Figura 8. Variação dos CD do 1º e 3º nível de decomposição para a condição de energização solidária com falta interna.

D. Correntes de inrush Conforme mencionado anteriormente, a energização

solidária entre transformadores ocorre devido a influência da energização de um transformador sobre outro já energizado. Com isso, a metodologia proposta foi testada também para verificar a sua capacidade de identificação da condição de correntes de inrush que podem sensibilizar o relé de proteção.

A condição de correntes de inrush foi testada levando em consideração somente o transformador T1. Para isto, a chave S que conecta o transformador T2 ao sistema elétrico permaneceu aberta. O transformador T1 foi energizado sem carga. A Fig. 9 apresenta as correntes diferenciais das fases de T1.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

idA

-20

0

20

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

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0

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Tempo(s)0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

idC

-10

0

10

Figura 9. Corrente diferencial do transformador T1 sob condição de inrush, ângulo de incidência de 45º.

Conforme pode-se verificar na Fig. 10, o th!" é menor que o th!" durante o transitório de inrush do transformador T1, apresentando um comportamento semelhante ao da condição de energização solidária, e sendo assim, mantendo o transformador em operação normalmente

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Tempo(s)0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22

Méd

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DC

0

0.02

0.04

thd1thd3

Figura 10. Variação dos CD do 1º e 3º nível de decomposição para a condição de inrush.

IV. CONCLUSÃO Neste artigo foi apresentada uma nova metodologia para

identificação do transitório de energização solidária e discriminação das condições de falta interna envolvendo transformadores de potência. O comportamento dos transitórios foram analisados utilizando a TWD, sendo a discriminação entre as diferentes condições de operação

1162 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 16, NO. 4, APRIL 2018

baseada no monitoramento dos CD dos diferentes níveis de decomposição das correntes diferencias pela TWD. Os testes realizados para diferentes condições de operação do sistema elétrico, mostraram que a metodologia proposta foi capaz de discriminar com sucesso os transitórios envolvendo os transformadores, tornando-a promissora para aplicação na proteção de transformadores de potência.

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Jeferson Prates Marques É graduado em engenharia elétrica pela Universidade Federal do Pampa em 2011. Mestre em engenharia elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria em 2014. Atualmente é aluno de doutorado na Universidade Federal de Santa Maria, pesquisando sobre proteção de transformadores de potência.

Ghendy Cardoso Junior é graduado em engenharia elétrica pela

Universidade Federal de Santa Maria, em 1994. Mestre em engenharia elétrica pela Universidade Federal do Pará, em 1997 e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina, em 2003. Atualmente é professor adjunto no departamento de eletromecânica e sistemas de potência, na Universidade Federal de Santa Maria.

Adriano Peres de Morais é graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria em 2006, concluindo seu mestrado e doutorado pela Universidade Federal de Santa Maria em 2008 e 2012, respectivamente. Atualmente é professor no Colégio Técnico Industrial da Universidade Federal de Santa Maria.

JEFERSON MARQUES et al.: NEW METHODOLOGY FOR 1163