Investigation and methodology for ozone concentration analysis in hydrogenerators as a predictive maintenance tool

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dc.contributor.advisorFrança, José Alexandre de
dc.contributor.authorFernandes, Martim Felipe
dc.contributor.bancaStone, Greg
dc.contributor.bancaTatizawa, Hédio
dc.contributor.bancaTosin, Marcelo
dc.contributor.bancaMelo, Leonimer Flávio de
dc.coverage.extent126 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2026-09-01T14:21:12Z
dc.date.available2026-09-01T14:21:12Z
dc.date.issued2025-07-07
dc.description.abstractResumo: O hidrogerador é um ativo de importância central para a geração de energia em muitos países, especialmente no Brasil, onde mais de 60% da eletricidade gerada vem de usinas hidrelétricas (2023). Danos permanentes, falhas na operação ou até paradas não planejadas geralmente resultam em altos custos para as empresas de geração. A avaliação regular da condição da máquina, que está fortemente relacionada à qualidade de seu sistema isolante, permite a minimização dessas perdas e a redução do risco operacional. Durante a operação, a distribuição desigual do gradiente de campo elétrico dentro do gerador pode causar descargas em pequenos espaços ou vazios no isolamento, conhecidas como Descargas Parciais (DP). Além disso, o envelhecimento, a vibração mecânica e muitos outros fatores deterioram o sistema de isolamento, aumentando a intensidade das descargas. A medição de descargas parciais é uma ferramenta de manutenção preditiva bem estabelecida para máquinas rotativas de alta tensão, permitindo a avaliação da condição do isolamento não apenas durante as paradas da máquina, mas também continuamente durante a operação regular, possibilitando um planejamento mais eficiente de grandes revisões ou possíveis reparos. Alguns tipos de descargas parciais têm como consequência a produção de ozônio em máquinas resfriadas a ar, mas o monitoramento de ozônio não tem sido amplamente usado comercialmente para essa aplicação, talvez com uma exceção que utiliza um sistema complexo de tubos e válvulas para direcionar amostras de ar para uma câmara de medição, usando o princípio de absorção de luz ultra-violeta (UV). No entanto, avanços em sensores eletroquímicos permitiram medições mais confiáveis a um custo muito mais baixo. Neste trabalho, um protótipo de sistema de monitoramento completo é desenvolvido com base em sensores eletroquímicos de baixo custo e instalado em dois hidrogeradores de 311 MVA, junto a monitores contínuos de descargas parciais. Métodos para mitigar uma das principais desvantagens dos sensores eletroquímicos, que é a sensibilidade a variações de umidade e temperatura, são apresentados, permitindo uma redução consistente de até 75% no erro quadrático médio, quando comparado com medições não corrigidas. Os dados coletados das duas máquinas, uma das quais tinha problemas de DPs na superfície, foram avaliados para determinar qualitativamente a utilidade geral do monitoramento contínuo da concentração de ozônio como uma ferramenta de manutenção preditiva para hidrogeradores e para propor recomendações objetivas para a aplicação prática desta técnica. Em uma das máquinas, o monitoramento de ozônio permitiu identificar um potencial problema que não seria detectado apenas com a análise tradicional de pulsos de descargas parciais
dc.description.abstractother1The hydroelectric generator is an asset of central importance for power generation in many countries, especially in Brazil where over 60% of the total electricity generated comes from hydro plants (2023). Permanent damage, failure in operation or even unplanned halts usually incur in high costs to Generation companies. Regular assessment of the machine condition, which is strongly related to the quality of its insulation system, allows for minimization of such losses and reduced operational risk. During operation, the uneven electric field distribution inside the generator can cause discharges to happen across small gaps or voids in the insulation, which are known as Partial Discharges (PD). Moreover, aging, mechanical vibration and many other factors deteriorate the isolation system, increasing the intensity of PD. Partial discharge measurement is a well-established predictive maintenance tool for high-voltage rotating machines, allowing the condition of the insulation to be assessed not only during machine outages, but also continuously monitored during regular operation, enabling a more eficiente planning of major overhauls or possible repairs. Some types of partial discharges are known to produce ozone in air-cooled machines, but ozone monitoring has not been widely available commercially for this application, perhaps with one exception which uses a complex system of tubes and valves to direct air samples to a measuring chamber, based on ultra-violet (UV) light absorption. Advances in electrochemical sensors, however, have allowed for more reliable measurements at very low cost. In this work, a full monitoring system prototype is developed based on inexpensive electrochemical sensors and installed in two 311 MVA hydrogenerators, along continuous PD monitors. Methods to overcome one of the main disadvantages of electrochemical sensors, which is their sensitivity to humidity and temperature variations, are presented, allowing a consistente reduction of 75% in the Root Mean Square Error when compared to non-compensated measurements. The data collected from the two machines, one of which knowingly had surface PD problems, was evaluated in order to assess the overall value of continuous ozone concentration monitoring as a predictive maintenance tool for hydrogenerators and to propose objective recommendations for practical application of this technique. In one of the machines, ozone monitoring allowed the detection of a potential problem that would not have been detected only with traditional analysis of partial discharge pulses
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/19874
dc.language.isoeng
dc.relation.departamentCTU - Departamento de Engenharia Elétrica
dc.relation.institutionnameUniversidade Estadual de Londrina - UEL
dc.relation.ppgnamePrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
dc.subjectHidrogeradores
dc.subjectDescargas parciais
dc.subjectOzônio
dc.subjectMáquinas rotativas
dc.subjectManutenção preditiva
dc.subjectAlta tensão
dc.subjectSensores eletroquímicos
dc.subjectMonitoramento de ozônio
dc.subjectMáquinas rotativas de alta tensão
dc.subject.capesEngenharias - Engenharia Elétrica
dc.subject.cnpqEngenharias - Engenharia Elétrica
dc.subject.keywordsHydrogenerators
dc.subject.keywordsPartial discharges
dc.subject.keywordsOzone
dc.subject.keywordsRotating Machines
dc.subject.keywordsPredictive maintenance
dc.subject.keywordsHigh voltage
dc.subject.keywordsElectrochemical sensors
dc.subject.keywordsOzone monitoring
dc.subject.keywordsHigh-voltage rotating machines
dc.titleInvestigation and methodology for ozone concentration analysis in hydrogenerators as a predictive maintenance tool
dc.title.alternativeInvestigação e metodologia de análise de concentração de ozônio em hidrogeradores como ferramenta de manutenção preditiva
dc.typeTese
dcterms.educationLevelDoutorado
dcterms.provenanceCentro de Tecnologia e Urbanismo

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