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AULA 4 – PROTEÇÃO DE GERADORES

RAFAEL DE OLIVEIRA RIBEIRO 1

Proteção de Geradores Síncronos

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A máquina síncrona, operando como gerador é um equipamento vital ao sistema elétrico.


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Sua capacidade de geração limita a demanda que pode ser suprida. O sistema elétrico é mantido por poucos geradores, sendo que sua carga está distribuída em milhares de pontos.


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Sendo o gerador um equipamento complexo, o qual possui peças girantes, está sujeito a maiores riscos.


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A máquina síncrona, acoplada ao sistema elétrico, está sujeita a diversos tipos de perturbações provenientes de: • Sistema elétrico • Da própria máquina síncrona

(armadura/rotor) • Da máquina primária


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As perturbações no sistema elétrico são decorrentes da: • Retirada súbita de cargas • Inserção de cargas pesadas • Retirada súbita de geração • Curtos-circuitos


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As perturbações no sistema elétrico são decorrentes da: • Sobrecargas • Abertura de fase • Cargas fortemente desequilibradas • Descargas atmosféricas


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As perturbações na máquina síncrona – na armadura: • Falha de isolação entre espiras • Falha na isolação entre bobinas e carcaça • Movimentação das espiras devido às forças

elétricas e magnéticas, provocadas pelas correntes de curto-circuito


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As perturbações na máquina síncrona – na armadura: • Aquecimento nas bobinas e materiais do

estator • Não equalização de campos elétricos e

magnéticos no material do núcleo da armadura


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As perturbações na máquina síncrona – na rotor: • Falha na isolação entre espiras • Falha na isolação entre bobinas e a carcaça • Movimentação das espiras devido às forças

elétricas e magnéticas, provocadas pelas correntes de curto-circuito


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As perturbações na máquina síncrona – na rotor: • Movimentação das espiras, devido a força

centrífuga provocada pela sobre velocidade do rotor

• Aquecimento nas bobinas e material do rotor • Abertura de espiras


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As perturbações na máquina síncrona – na rotor: • Perdas de campo (excitação) • Problemas mecânicos e de aquecimento dos

mancais do rotor • Problemas na escova


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Problemas nos serviços auxiliares: • Problemas nos equipamentos que

compõem os serviços auxiliares, próprios para operação e regulação da máquina, afetam as condições de operação do gerador síncrono.


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Problemas na máquina primária: • Problemas em qualquer componente vital,

principalmente nas turbinas, comprometem a operação do conjunto de geração.

• Problemas decorrentes da vibração ou movimentos anômalos das palhetas nas turbinas.

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A seguir um levantamento estatístico de taxas de falhas dos equipamentos de uma usina hidrelétrica.

EQUIPAMENTO PERCENTUAL DE FALHAS

Gerador 28,73%

Regulador de Velocidade 21,28%

Turbina Hidráulica 12,23%

Excitação 10,10%

Adução/Sucção 8,51%

Mancal 13,30%

Serviço Auxiliar 4,25%

Quadro de Comando 1,60%


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A proteção utilizada no gerador síncrono é, principalmente, devido a: • Curto-circuito Entre espiras Entre fases Fase e carcaça trifásico


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A proteção utilizada no gerador síncrono é, principalmente, devido a: • Falha de Funcionamento Perda de excitação Carga desequilibrada Sobre velocidade Vibração


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A proteção utilizada no gerador síncrono é, principalmente, devido a: • Falha de Funcionamento Sobrecarga Sobretensão


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Visando cobrir todos os defeitos e demais anormalidades, as proteções mais utilizadas em geradores síncronos são: Proteção de Sobrecorrente (50,51) Proteção Diferencial (87)


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Proteção de Subtensão (27) Proteção de Sobretensão (59) Proteção de Sequência Negativa (46)


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Proteção de Imagem Térmica (49) É um relé que opera quando a temperatura do enrolamento da armadura, de outro enrolamento ou elemento da máquina, sujeito à sobrecarga de uma máquina, excede um valor predeterminado. Esta função é própria para sinalizar o nível de sobrecarga de um equipamento elétrico.


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Proteção de Perda de Excitação (40) É um relé que opera com a ocorrência de falha (curto-circuito) ou com um valor anormalmente baixo da corrente de campo de uma máquina síncrona, ou por um valor excessivo da componente reativa da corrente de armadura da máquina síncrona.


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Proteção Direcional de Potência (32) É um relé que opera num valor desejado do fluxo de energia numa dada direção.

Proteção de Frequência (81) É um relé que opera quando a variação na frequência do sistema. Pode ser de subfrequência ou sobrefrequência.


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Proteção de Perda de Sincronismo (78) É o relé de medição de ângulo de fase ou de proteção fora de fase atuando quando o ângulo entre duas tensões ou entre duas correntes, excede um valor predeterminado.


25

Proteção de Balanço de Tensão (60) É o relé que opera quando a diferença de tensão de dois circuitos ultrapassar um valor pré-ajustado. Este relé é usado principalmente para detectar a perda do sinal de tensão dos circuitos de proteção ou controle alimentados por TPs.


26

Proteção de Terra – Ground (64) É o relé que opera qundo da ocorrência de uma falha do isolamento contra a terra de uma máquina, transformador ou de outro equipamento ou sob arco elétrico a terra de uma máquina de CC. Estes relés podem ser por corrente ou por tensão, para a sua identificação, os diagramas devem indicar se são alimentados por TC ou TP.


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Proteção de Terra – Ground (64) A função 64R designa proteção à terra do rotor enquanto a função 64S designa proteção à terra da bobina de armadura da máquina síncrona.


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Proteção de balanço de corrente (61) É um relé que opera quando uma dada diferença de corrente de entrada ou saída de dois circuitos, ultrapassar um valor pré-ajustado. Esta função é muito utilizada na proteção de banco de capacitores e em enrolamentos de mesma fase de geradores síncronos.


29

Proteção de mancal (38) É um dispositivo que funciona quando a temperatura do mancal do eixo da máquina for excessiva ou sob outras condições mecânicas anormais, associadas ao mancal, tais como desgaste indevido, que resulta em excessivo aumento da temperatura do mancal.


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Proteção contra vibrações (39) É um dispositivo que funciona quando da ocorrência de uma condição mecânica anormal (exceto a associada com mancais na forma abrangida pela função 38) tal como excessiva vibração, excentricidade, expansão, choque, inclinação ou falha de vedação.


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Diagrama unifilar de uma unidade geradora que sofre um curto-circuito. As correntes de curto-circuito IG e IS, que alimentam o defeito em F, são provenientes dos 2 lados, isto é, do gerador síncrono e do sistema elétrico conectado à barra.


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O sistema de proteção existente abre primeiro o disjuntor 52 e portanto momentaneamente a nova configuração passa a ser:


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Na figura anterior, o estado aberto do disjuntor 52 está assinalado me negrito, sendo que a partir do instante de sua abertura o sistema elétrico não contribui mais com a corrente de curto-circuito. Porém como o gerador está excitado e girando, o curto-circuito continua sendo alimentado pela máquina síncrona.


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Deste instante em diante, a corrente de curto-circuito proveniente da máquina se extingue gradualmente (lentamente) devido a existência no rotor de magnetismo remanescente. Dependendo do porte da máquina síncrona, a corrente se extingue na faixa de 5 s a 10 s.

Curto-circuito na bobina da armadura do Gerador Síncrono

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Na bobina (enrolamento) da armadura são induzidas as tensões elétricas, sendo que defeitos em algum ponto das espiras provocarão correntes de curto-circuito.


37

Na figura a seguir representa um gerador síncrono operando a vazio, com as bobinas da armadura conectadas em Y, e aterrado no neutro por uma impedância ZN. Neste gerador o defeito pode ocorrer a p% do enrolamento da bobina do estator.


38

Curto-circuito Trifásico:

Supondo a ocorrência de um defeito trifásico a p% a partir de neutro (N) da bobina do estator, conforme figura.


39

Curto-circuito Trifásico: Como o curto-circuito trifásico é equilibrado, tem-se somente a representação do modelo de sequência positiva. Assim:

𝐼𝐶𝐶3∅𝑝% =𝑝𝐸

𝑝𝑋𝐺=

𝐸

𝑋𝐺= 𝐼𝑐𝑐3∅

Para o curto-circuito trifásico, a corrente independe do ponto da bobina do estator em que ocorreu o defeito e tem o mesmo valor no terminal da máquina síncrona, isto é, a 100% do enrolamento.


40

Curto-circuito Bifásico: Para o curto-circuito bifásico, supondo ter ocorrido num ponto a p% das bobinas do estator das fases B e C, tem-se os modelos de sequência positiva e negativa conectados em paralelo.


41

A intensidade da corrente de curto-circuito bifásica depende do tipo de rotor da máquina síncrona, qual pode ser: Máquina síncrona de rotor liso (neste caso XG = X2

𝐼𝑐𝑐2∅ =3

2∗

𝐸

𝑋𝐺

Máquina síncrona de rotor saliente (neste caso XG ≠ X2

𝐼𝑐𝑐2∅ =3 ∗ 𝐸

𝑋𝐺 + 𝑋2


42

Curto-circuito Bifásico: Portanto, pode-se concluir que o valor da corrente de curto-circuito bifásica é o mesmo e independe da localização do ponto de defeito no enrolamento da bobina do estator (armadura).


43

Curto-circuito monofásico à terra: A ocorrência de um curto-circuito monofásico para a terra (carcaça), em um ponto p% do enrolamento da bobina do estator é apresentado a seguir.


44

Curto-circuito monofásico à terra: Apresenta-se uma máquina síncrona genérica, que está aterrada por uma impedância ZN. A máquina pode apresentar a impedância do aterramento com os seguintes valores: • Zero, ou seja, solidamente aterrada. • Não muito elevada, com objetivo de apenas limitar a corrente de defeito

a uma valor considerado. • Muito elevada, para limitar consideravelmente a corrente de defeito. • Infinita, isto é, sem aterramento.


45

Máquina síncrona solidamente aterrada (independe local defeito):

𝐈𝐜𝐜𝟏∅−𝐭𝐞𝐫𝐫𝐚 =𝟑𝐄

𝐗𝐆 + 𝐗𝟐 + 𝐗𝟎

Máquina síncrona aterrada com uma impedância de valor elevado, tal que ZN >>> (XG+X2+X0) (depende do local defeito)

𝐈𝐜𝐜𝟏∅−𝐭𝐞𝐫𝐫𝐚 =𝐩𝐄

𝐙𝑵


46

Como a corrente de curto-circuito à carcaça depende do ponto de defeito, as espiras iniciais mais próximas do neutro não ficarão cobertas pela proteção diferencial (87). Isto ocorre porque as correntes de defeito menores que o ajuste do relé 87 não serão eliminadas. Dependendo da máquina síncrona e da impedância de aterramento, por exemplo, um percentual de 5% a 10% da bobina da armadura pode ficar sem proteção. Portanto necessita-se de outros esquemas de proteção para cobrir esses trechos.


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Curto-circuito entre espiras: A figura a seguir mostra o caso em que um curto-circuito ocorre entre espiras de uma bobina da armadura da máquina síncrona.


49

Curto-circuito entre espiras: O trecho de espiras em curto-circuito pode ser interpretado como correspondendo a um pequeno gerador, separado do gerador principal. Nesse caso, o curto-circuito é do tipo monofásico para a carcaça e os circuitos de sequência estão conectados em série.

𝑰𝑪𝑪 𝒆𝒏𝒕𝒓𝒆 𝒆𝒔𝒑𝒊𝒓𝒂𝒔 =𝟑𝑬

𝑿𝑮 + 𝑿𝟐 + 𝑿𝟎

Portanto, a corrente de curto-circuito entre espiras independerá do local do defeito e terá o mesmo valor do curto-circuito monofásico a terra da máquina síncrona solidamente aterrada.

Trecho não Protegido pela Proteção 87

50

Com objetivo de limitar a corrente de curto-circuito à terra, para que os danos sejam minimizados, as máquinas síncronas devem operar com uma impedâncias conectada ao neutro. Esse procedimento prejudica a proteção diferencial que não cobre mais 100% das espiras do enrolamento da armadura. O trecho não protegido é devido ao valor da corrente de ajuste no relé 87, isto é, ao Iajuste do relé 87.


51

A corrente de defeito monofásico à carcaça, na bobina da armadura da máquina síncrona, é dada por:

𝑰𝒄𝒄𝟏∅−𝒕𝒆𝒓𝒓𝒂 =𝒑𝑬

𝒁𝑵

O trecho desprotegido é limitado pela corrente de defeito, a qual é igual a corrente de ajuste do relé 87, isto é:

𝑰𝒄𝒄𝟏∅−𝒕𝒆𝒓𝒓𝒂 =𝒑𝑬

𝒁𝑵= 𝑰𝒂𝒋𝒖𝒔𝒕𝒆 𝟖𝟕 ∗ 𝑹𝑻𝑪


52

Assim:

𝒑 =𝒁𝑵

𝑬∗ 𝑹𝑻𝑪 ∗ 𝑰𝒂𝒋𝒖𝒔𝒕𝒆 𝟖𝟕

Como

𝐸 =𝑉𝐿

3

O trecho desprotegido é calculado por:

𝒑 =𝟑 ∗ 𝒁𝑵

𝑽𝑳∗ 𝑹𝑻𝑪 ∗ 𝑰𝒂𝒋𝒖𝒔𝒕𝒆 𝟖𝟕

Proteção Contra Falhas entre Espiras

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A proteção diferencial (87) não é sensível para defeitos entre espiras. Isto ocorre porque as correntes de entrada e saída nos TCs são iguais. Para obter-se a proteção entre espiras, utiliza-se uma proteção diferencial especial, chamada função 61, a qual pode ser realizada por vários relés, e que depende do porte do gerador e do esquema adotado. Função ANSI 61 – Relé de balanceamento de corrente É um relé que opera quando uma dada diferença de corrente de entrada ou saída de dois circuitos, ultrapassar um valor pré-ajustado. Esta função é muito utilizada na proteção de banco de capacitores e em enrolamentos de mesma fase de geradores síncronos.

Relé de Sobreexcitação do Gerador Síncrono

54

O fluxo magnético máximo no interior do núcleo do transformador ou na estrutura da máquina síncrona é diretamente proporcional ao termo V/f, isto é:

𝝋𝒎á𝒙𝒊𝒎𝒐 ∝𝑽

𝒇

Portanto, sob frequência nominal, um aumento na tensão, provoca um aumento no fluxo magnético, produzindo um aquecimento não desejado no núcleo do transformador ou da máquina síncrona.

Relé de Sobreexcitação do Gerador Síncrono

55

Os transformadores e geradores síncronos dependendo da tecnologia e dos materiais empregados na sua fabricação, os mesmos apresentam uma curva de danos em relação ao excesso de fluxo magnético, ou seja, elevada relação de V/Hz. Como os modernos relés digitais tem o recurso de personalizar curvas de atuação, pode-se ajustar uma curva de atuação que seja uma réplica da curva de dano do transformador ou gerador síncrono, deslocada para baixo em torno de 20%.

DÚVIDAS ?

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