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CAPTULO 10

PROTEO DE GERADORES E MOTORES

Prof. Jos Wilson Resende Ph.D em Sistemas de Energia Eltrica (University of Aberdeen-Esccia)

Professor titular da Faculdade de Engenharia Eltrica Universidade Federal de Uberlndia

10.1. Introduo

Os geradores e motores esto sujeitos a diversas condies anormais, tais como: faltas nos enrolamentos do estator e rotor, sobrecarga, sobreaquecimento nos enrolamentos e mancais, sobrevelocidade, motorizao, perda de excitao, desbalano de corrente, sobretenses, etc.

A proteo de um grupo gerador ou motor deve atender a trs requisitos

bsicos:

1. a minimizao do dano ao gerador/motor por falta internas: 2. a minimizao dos distrbios do sistema devido s faltas internas, pelo

rpido desligamento da mquina; 3. proteo do gerador/motor devido ao efeito de faltas sustentadas, cargas

desequilibradas, e condies de fase aberta que possam ocorrer no sistema.

a) Medidas preventivas e dispositivos de proteo contra faltas externas: Rels trmicos (contra sobrecargas) Rels temporizados, a mximo de corrente (contra curtos) Rels a mximo de tenso (contra as elevaes de tenso devidas s manobras

normais do sistema). Rels sensveis corrente de seqncia negativa (para proteo contra

funcionamento de cargas desequilibradas). Rels de potncia inversa (para impedir o funcionamento do gerador como

motor). b) Proteo contra defeitos internos: Proteo diferencial (contra curtos entre enrolamentos de fases diferentes). Proteo contra os defeitos massa, do estator. Proteo contra os defeitos massa, do rotor.

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Proteo contra os curtos entre espiras da mesma fase. Proteo contra a abertura acidental ou no dos circuitos de excitao c) Outros Elementos Pra-raios, indicadores de circulao de leo, termostatos, proteo contra

incndio (atua na extino do fogo iniciado devido aos arcos voltaicos dos defeitos), dispositivos de rpida desexcitao, etc.

Os geradores so as peas mais caras (dos equipamentos de sistemas de

potncia) e so as mais sujeitas a defeitos. O desejo de proteg-los de todas essas anormalidades resulta em considerveis divergncias de opinio.

Vrias receitas podem ser sugeridas para a proteo. Um critrio usual baseado na potncia da mquina.

Em geral, h dois tipos de falta no gerador: Falhas no enrolamento (entre espiras, entre fases, entre fase e terra):

causadas por sobretenses, sobreaquecimentos (corrente desequilibrada, ventilao deficiente) ou a movimentos do condutor (fora do curto, perda de sincronismo).

Condies anormais de funcionamento: perda de campo, carga desequilibrada no estator, sobrevelocidade, vibraes, etc.

Algumas das anormalidades que ocorrem nos geradores, e que sero vistas a seguir:

1. Falhas nos enrolamentos do estator 2. Sobrecarga 3. Falhas nos enrolamentos do rotor 4. Sobreaquecimentos nos enrolamentos e mancais 5. Sobre velocidade 6. Perda de excitao 7. Funcionamento como motor 8. Desbalano de corrente 9. Sobre e subtenso 10. Perda de sincronismo

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10.2- Proteo contra falhas no enrolamento do Estator

Esta proteo aplicada para detetar as seguintes

falhas:

osenrolament nos abertos circuitoscircuitos-Curtos

10.2.1. Curtos-Circuitos Na figura, tem-se um gerador ligado em Y com o neutro aterrado por uma impedncia Zn, com um s enrolamento por fase.

Figura 10.1:

A falha F ocorre a x pu do neutro. Se a fase A gerar E [volts], a

poro x gerar xE. Na parte restante tem-se (1 x)E.

Obs.: Na figura, ZF a impedncia no ponto do curto. 10.2.1.1. Curto trifsico

Para este tipo de curto, usa-se apenas o circuito de seqncia (+).

Figura 10.3:

Na anlise que se segue, ZF ser adotada como nula.

A corrente de curto ser ==11

F ZE

xZxEI .

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Para este curto, a corrente de falta INDEPENDE do ponto onde ocorreu o curto no enrolamento do gerador. 10.2.1.2. Curto Fase-Terra: Para esta anlise, os 3 circuitos so ligados em srie, pelo ponto de FALTA.

Figura 10.5:

As correntes de sequncia sero:

n0210a2a1a Z3)ZZZ(x

xEIII +++===

=++=+++=++= 0 Zpara ,ZZZ

E3IZ3)ZZZ(x

xE3IIII n201

AFn201

0a2a1aAF

Para o curto fase-terra, quando Zn no nulo, a corrente de falta depende do ponto de curto:

Figura 10.6:

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10.2.1.3. Curto entre Espiras

Figura 10.7:

Esta anlise pode ser feita adotando as tcnicas do curto fase-terra:

021021F ZZZ

E3)ZZZ(x

xE3I ++=++= Pela equao acima nota-se que a corrente INDEPENDE do ponto x do enrolamento, em curto.

OBS.: Pare este tipo de curto, os rels diferenciais no atuam, pois a corrente

que entra na bobina a mesma que sai. Vejamos como proteger o gerador contra estas falhas. 10.2.1.4. Rel diferencial de alta impedncia A figura abaixo ilustra o princpio fundamental de funcionamento dessa proteo por fase. O rel diferencial de alta impedncia possui somente uma bobina, denominada bobina de operao. Condies normais de funcionamento:

Figura 10.8:

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Com o gerador operando normalmente, temos a situao acima o rel no opera. Existindo uma falha em F, dentro da regio compreendida entre os TCs, o rel opera (veja a prxima figura) e a seguinte seqncia de operaes ocorre: O disjuntor principal 52 aberto O disjuntor de campo 41 aberto O gerador parado injetado CO2 (para evitar incndio).

Figura 10.9:

Se o gerador est interligado, pode existir contribuio do sistema. Entretanto, no necessrio que haja contribuies dos dois lados da falta, para o rel operar.

Se houver contribuio somente do gerador (sistema radial) na bobina do

rel circular a diferena (IS1 IS2):

Figura 10.10:

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Operao da Proteo

1. Existe a falha em F 2. Por ex.:, o rel 87-A sente a falha, opera, e seu contato 5C-5D fecha,

colocando positivo na bobina do rel auxiliar 87C-X. 3. O rel 87C-X opera, os seus contatos se fecham, o contato 3A-3D abre o

52 o 4B-4C abre o disjuntor 41, o 4D-4E atua na parada da mquina e o 4G-4F faz soar o alarme do anunciador, avisando o operador da ocorrncia.

4. Quando o rel 87C-X opera, tambm faz com que nele aparea uma bandeirola colorida, indicativa da sua atuao.

Figura 10.11:

IMPORTANTE: Os rels diferenciais necessitam de uma corrente mnima de operao (Im).

Por outro lado, nas faltas fase-terra, a corrente de falta depende do ponto do enrolamento onde ela ocorreu. Assim,.teremos uma regio em que a proteo diferencial no proteger a Unidade Geradora para curtos fase-terra, visto que, nessa parte do enrolamento, a corrente de defeito ser menor que a mnima corrente de operao:

Vimos anteriomente que n021

AF Z3)ZZZ(xxE3I ++= ;

Mas normalmente Zn>>(Z1+Z2+Z0).

Assim, a corrente de falta Fase-Terra ser dada por: =n

AF ZxEI .

Representando isso em um grfico:

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Figura 10.12:

Pela figura, para o rel operar: IAF > Im 10.2.1.6. Determinao da percentagem do enrolamento que no protegida

pelos rels diferenciais nas faltas FASE-TERRA.

Foi visto que .ZxEI

nAF

Essa equao pode ainda ser escrita da seguinte forma:

===

primrio no falha, de Igerador no fases entre

.310..

AF

3

correntetensoV

ZVxI

nAF

Temos ainda que:

===

sTC' dos relao RTCrel do operao de II

RTC.II mnimammAF

Para que o rel opere:

V.10RTC.I.Z.3x

Z.310.V.xRTC.I 3

mn

n

3

m == Expressando x em % do enrolamento: 100% 1,0 pu

10.VRTC.I.Z.3P100.xP xP mn= :Percentagem de enrolamento no PROTEGIDO, a partir do

neutro. A percentagem protegida ser: q = 100 P

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Problema no 1 Para o gerador abaixo definido: a) calcular o valor da impedncia de aterramento Zn que possa limitar a

corrente de curto fase terra, nos terminais deste gerador, a 5 A . b) calcular o valor da corrente de curto trifsica nos terminais deste gerador. P = 60 MVA : U = 13,8 KV Xd = 0,24 pu Icc = ? ; Zn = ?

SOLUO:

a) A5

3/13800.1I

3/E.xZncc

== Zn = 1594 b) Icc para curto trifsico:

Icc = pu27,4pu24,0pu1

d"XE ==

Icc(A) = ( , . ). , . , . , .

6013 8 3 4 17 2 510 3 4 17 10 460

MVAkV pu A pu A= =

10.2.1.7. Proteo Contra Falhas FASE-TERRA O esforo de tenso no isolamento mximo nos terminais do gerador e nulo na juno do neutro e varia linearmente ao longo do enrolamento. Logo, temos um pequeno esforo no isolamento prximo ao neutro, dando origem a poucas faltas nessa rea. A corrente de falta a terra em geradores geralmente limitada pela impedncia de aterramento (Zn) reduzindo-se, assim, os danos no ncleo do estator ao mnimo. Logo, se a proteo de falta a terra necessria ou no, depender do tipo de aterramento usado e da sensibilidade dos rels diferenciais. Em certos casos esta corrente muito pequena e no chega a sensibilizar os rels diferenciais (geralmente limitada entre 5 e 10A, reduzindo-se assim os danos do estator ao mnimo).

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Uma das solues adotadas para se fazer a proteo colocar no neutro de aterramento do gerador um rel de sobrecorrente com baixo pick-up conforme ilustra a figura a seguir.

Figura 10.13: Proteo para faltas fase-terra com rels de sobrecorrente

Pela figura 10.13, notamos que esse rel poder atuar para uma falta fase-

terra (F1) fora do trecho (ou vo) protegido. Logo, existe a necessidade de se fazer a coordenao de tempo com os rels de proteo do vo.

Faltas a terra em F2 no causam a atuao do rel, pois neste no circular corrente devido ligao tringulo-estrela do transformador.

O grande inconveniente da aplicao de um rel de sobrecorrente nessa proteo que, na medida em que aumentamos a impedncia de aterramento, haver uma grande dificuldade de distino entre as correntes de falta a terra e as corrente de terceiro harmnico, que circulam pelo neutro em condies normais de funcionamento do gerador. Nestas condies, a soluo usual a utilizao de um rel de sobretenso (59R), ligado impedncia de aterramento atravs de um TP:

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Figura 10.14: Proteo para faltas fase-terra com rels de sobretenso

No esquema da figura acima, a finalidade do filtro de terceiro harmnico discriminar a corrente de terceiro harmnico de 180 Hz, da corrente de falta de 60 Hz, ou seja, o filtro oferece uma alta impedncia para correntes de 180 Hz e baixa impedncia para correntes de 60 Hz, evitando operao incorreta do rel. Operao deste rel de sobretenso:

1. Existe a falha terra, em F: uma tenso de 60 Hz aplicada em Zn. 2. O rel 59R sente a falha, opera, e seu contato 3E-3G fecha, colocando

positivo na bobina do rel auxiliar temporizado 59RX-1. 3. Aps a contagem do tempo, o rel 59RX-1 opera, o seu contato 1G-2G

fecha, colocando positivo na bobina do rel auxiliar 86-1. 4. O rel auxiliar 86-1 opera, os seus contatos se fecham: o contato 1A-1D abre

o disjuntor 52, o 2B-2C abre o disjuntor 41, o 2D-2E atua na parada da mquina e o 1C-1F faz soar o alarme no anunciador, avisando o operador.

5. Operando o rel 59RX-1, nele surgir uma bandeirola colorida indicativa.

Figura 10.15:

A mxima tenso que poder ser aplicada em Zn aquela causada quando de uma falha terra no extremo do enrolamento do gerador (quando Icc mxima):

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[ ]{ gerador do nominal linhas, entre Tenso :V V3

10.VV3

mx =

No secundrio do TP ligado a Zn tem-se [ ]VRTC.310.VV

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mx = O ajuste do rel 59R poder ser feito a partir de 5% do valor de Vmx

protegendo-se assim 95% do enrolamento. Devemos usar o rel auxiliar 59RX-1 temporizado para que a mquina seja

retirada somente em casos de falha e no durante distrbios transitrios. IMPORTANTE: Tal como para os rels de sobrecorrente instalados no neutro, esses rels podem operar para falhas terra que ocorrerem fora do gerador. Assim, necessrio que haja coordenao de tempo com os outros rels envolvidos. 10.2.1.8. Saturao dos TCs da Malha Diferencial devido a Falha Externa

nos Terminais do Gerador

Figura 10.16:

Inicialmente ser analisado a hiptese em que o TC saturado pelo efeito de

uma falha que cause elevadas correntes no seu primrio. Ocorrendo a falha citada, a componente DC da corrente de curto pode saturar completamente o TC. Nesta situao, teremos as curvas abaixo em quase 1/2 ciclo, o fluxo constante. Consequentemente, a f.e.m.: e = 0, ou seja, a indutncia Zexc torna-se NULA (o secundrio do TC ficar em curto).

Figura 10.17:

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10.2.1.8) Clculo dos Ajustes de Rel 87:

Nesta seo ser determinada a tenso de ajuste, VR para que no haja operao incorreta devido a falhas externas do gerador.

Figura 10.18:

O perfil das tenses mostra que a maior tenso nos terminais do rel, devido

a FALHAS EXTERNAS, aquela que surge quando um TC completamente saturado e o outro no (esta a condio mais desfavorvel). Para a figura acima: RS : resistncia do secundrio dos TCs (de cada um): Rc : resistncia dos cabos entre os TCs e o rel RR : resistncia do rel VR: tenso mnima na qual o rel deve ser ajustado, para no operar incorretamente. IR: corrente no rel IF: corrente de falha primrio

RTCII FF = : corrente de falha, no secundrio

Iex1 : corrente de excitao secundrio no TC IS1 e IS2 : correntes na malha secundrio

Da mesma figura tira-se:

===

(b) IIIIII(a) III

R1S2S2S1SR

1exF1S

Substituindo-se (a) em (b): IS2 = IF Iex1 - IR Por outro lado, VR = IS2(Rc+ RS) Substituindo-se Is2 obtido em (b) na equao acima: VR = (IF Iex1 - IR)(Rc+ RS) Considerando que: RR >> (RC + RS) Ento IS1 >> IR Ainda temos: IS2 = IS1 IR desprezando IR: IS2 = IS1 (c)

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Levando (c) na expresso de VR isto , desprezando IR e ainda desprezando Iexc1:

)RR(RTC

IVou RR(IV SCFRSCFR +=+= OBS.: Os arredondamentos efetuados daro maior margem de segurana no que se refere a aberturas indevidas.

Nas falhas internas do GERADOR, a tenso no rel ser maior que VR, causando sua operao: ( ) )RR(IV QUE MENOR RR )III(V SCFRSCR1exF)real(R +=+= 10.2.1.9 Resistor Estabilizador RS

No caso de falhas externas, a corrente atravs do rel no deve causar sua operao. Para tanto, um resistor, chamado estabilizador, deve ser escolhido de tal forma que o valor da tenso nos seus terminais no exceda de VR (tenso de ajuste do 87).

Figura 10.20:

RSsRR

RT RRTRRR resistor rel do aResistnci )I(

VR =+=+== OBS: Se passar uma corrente IR > IR 0 rel diferencial 87 operar incorretamente. (Isto poderia acontecer antes da instalao do resistor RS, pois a

corrente seria R

RR R

VI = ). 10.2.1.10. Proteo Diferencial de Geradores Ligados em Os princpios anteriormente abordados so aplicveis para o caso. Para a fase A, as conexes sero:

Figura 10.21:

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10.2.1.11- Precaues bsicas para evitar operaes incorretas da Proteo Diferencial

Deve-se ter: TCs com a mesma relao e, de preferncia, iguais. Rels convenientemente ajustados, ou escolhidos conforme indicao do

fabricante. Ligaes corretas da fiao secundria, entre TCs e rels observando a

polaridade e que, nas bobinas de operao dos rels, em condies normais, teoricamente no deve circular corrente.

Problema no 2 Proteger o gerador do exerccio 1 contra FALTAS NO ESTATOR, com rel diferencial ASEA, tipo RYDHA. Ver na pgina 131 do livro texto, os dados do fabricante com relao a vrios rels deste tipo. a) Escolher entre os rels disponveis, o indicado para o caso, sabendo-se que:

Rc (resistncia do cabo entre o rel e os TCs) = 0,643 . Rs (resistncia interna dos TCs ) = 1,35 RTC : 600/1 Imnima de operaes dos rels = 16,5 mA

b) Calcular a corrente Ip (primria mnima de operao) para o rel escolhido em b.

c) Calcular a poro de enrolamento do gerador, protegida por este rel diferencial, no caso de uma falha FASE TERRA.

SOLUO:

CONDIO DE PARTIDA: o rel no deve atuar, mesmo para a maior corrente de curto, desde que a falta seja FORA da zona protegida. Como j visto, a maior tenso Vr que surgir no rel, devido a faltas externas, ser na ocasio em que um dos TCs satura:

V74,34)35,1643,0(600

A10460)RR(RTC

IV scRR =+=+= Poder ser usado o rel com um ajuste de 40V. Caso se adote um fator de segurana de 50% ajuste de 50 V.

b) Clculo da corrente Ip (primria mnima de operao) para o rel escolhido em a

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Ip = RTC (IR + Iexc) IR = corrente de operao do rel: 16,5 mA Iexc = soma das correntes de excitao dos TCs, por fase, na tenso de ajuste

VR. Dos dados do fabricante do rel: TC1 Iexc = 11 mA TC2 Iexc = 7,5 mA Iexc = 11 + 7,5 = 18,5 mA Assim: Ip = 600 (16,5 + 18,5) x 10-3 A = 21A

c) Clculo da poro de enrolamento do gerador, protegida por este rel diferencial, no caso de uma falha FASE TERRA.

% protegida = q = 100% - p = ))KV(V.10

RTC.Ir.Zn300,1( IR = 16,5 mA; V = 13,8 KV; Zn = 1594 OHMS; If-t = 5A

q% = 100% - %9810x8,13

600.10.5,16.1594.3 3 =

CONCLUSO: NO HAVER NENHUMA PROTEO J era de se esperar este resultado. Isto porque na pior condio de falha FASE-TERRA (falha no terminal do estator), passar uma corrente de 5A apenas. Ora, 5A < 21A logo, o rel no sentir esta falha. Problema no. 4

O rel diferencial de um gerador opera com 100V e 0,2 A e possui um consumo de 2,0 VA (BURDEN).

Calcular o valor de um resistor estabilizador para que o rel no opere incorretamente no caso de falhas externas.

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RT(resistncia do rel + Resistor) = == 5002,0

100IV

R

R

( ) ====== 45050500RrRRs 502,02

IWRr T22R

10.2.1.12- Proteo Contra Curtos entre Espiras de uma mesma Fase

Normalmente esta proteo desnecessria pois esta falta rapidamente se transforma em falha terra, a qual ser eliminada pela atuao da proteo diferencial ou da proteo de falha terra do estator.

Quando o gerador possuir mais de um enrolamento por fase, torna-se necessrio uma proteo.

Nesses casos, usa-se o rel 61, de fase dividida, que ligado nos TCs de tal forma que normalmente no h corrente na sua bobina:

Figura 10.22

Estando o gerador em operao normal: IP1 = IP2 ; i1 = i2; IR = 0 Ocorrendo um curto entre espiras: IP1 IP2; i1 i2; IR = i1 i2 0 0 Rel 61 operar.

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10.2.2. Circuitos Abertos nos Enrolamentos Normalmente os geradores no so especificamente protegidos contra esta

falta. Entretanto, os rels de fase dividida protegem os enrolamentos nestes casos tambm, pois quando h o rompimento de um dos enrolamentos (desde que haja mais de um enrolamento por fase) a corrente se torna nula e toda corrente do(s) outro(s) enrolamento(s) passa a circular na bobina do rel 61, operando-o.

Por exemplo, na figura anterior, se i2 = 0, no rel teremos IR = i1. Entretanto, o rel 61 somente ver essa anormalidade quando j existir danos considerveis.

Deve-se notar que esse tipo de anormalidade s notada pelos rels de Fase Dividida em estgios adiantados, ou seja, quando j existem danificaes considerveis na Unidade Geradora.

Rels de Seqncia Negativa, como veremos posteriormente, para proteo contra desbalano de corrente de fases, podero proteger o gerador, fazendo soar um alarme indicativo da anormalidade.

10.3 Sobre-Carga

A proteo de sobre-carga mais usada como proteo de retaguarda do que para proteger o gerador propriamente. Segundo a norma AIEE, o gerador deve ser capaz de suportar, sem danos, um curto trifsico nos seus terminais por 30 segundos, quando opera com potncia e fator de potncia nominais e com 5% de sobretenso. IMPORTANTE: Quando a impedncia sncrona do gerador (Xd) igual ou maior do que 1,1 p.u., a corrente de curto sustentada igual ou menor do que a corrente mxima de carga, tornando-se difcil a coordenao da proteo de retaguarda com rels de sobrecorrente.

Nesse caso, aconselhvel o uso de um rel de sobrecorrente com restrio por tenso, o qual opera quando a tenso atinge valores abaixo de um valor pr-fixado. 10.4 Falhas nos Enrolamentos do Rotor

Como o circuito de campo opera no aterrado, uma primeira falta no provoca dano. Entretanto, o surgimento de uma 2a falta, colocar parte do enrolamento do campo em curto e surgiro desbanos e vibraes, que podem destruir, inclusive, a mancais, rotor, o que deixar a mquina em reparos por extenso perodo.

H dois mtodos para a deteco dessas falhas.Um deles adota a corrente alternada e o outro, a corrente contnua como informao bsica para o rel.

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a) Mtodo da Corrente Alternada A figura 10.23 auxiliar no entendimento deste mtodo. Nesta figura,

observamos que o rel 64F, que deteta faltas a terra no rotor, alimentado por uma fonte de CA., a qual produz circulao de corrente de fuga atravs da capacitncia dos enrolamentos do campo.

Figura 10.23

Operao da Proteo: 1. Inicialmente h a falta a terra (--------) 2. A corrente de falha sensibiliza o rel 64F. 3. O rel 64F opera, fecha seu contato 5G-5E e faz soar um alarme no anunciador.

Desvantagens do mtodo: I) As correntes de fuga (_____), circulando atravs dos mancais, aquecem e

danificam sua superfcie. II) Perdendo-se a fonte AC, a proteo no atua. Evidentemente que a corrente de fuga no deve sensibilizar o rel 64F, fazendo-o operar incorretamente. Dados reais ilustrativos: Para um gerador de 60 MVA e 13,8 KV, a corrente de fuga medida foi de: Ifuga : 4,5 mmA

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Neste caso, a corrente de ajuste do 64F adotada foi de 10 mA e a tenso da fonte AC foi de 130V. b) Mtodo da Corrente Contnua O princpio de operao similar ao do mtodo AC. A ponte retificadora alimentada por uma fonte AC. O polo (+) DC da ponte aterrado e o seu negativo, atravs de um resistor

limitador e do rel 64F, conectado ao (+) da excitatriz do campo do gerador. Neste mtodo no surgem as indesejveis correntes de fuga.

Figura 10.24

10.5 Sobrevelocidade

Esta proteo deve-se, principalmente, ao fato de que o gerador poder atingir altas velocidades, devido inrcia dos reguladores de velocidade, no caso de interrupes bruscas de carga. Para os geradores movidos por turbina hidrulica, h dois mtodos de proteo: 10.5.1. Mtodo Eltrico

Um gerador de im permanente (GIP) colocado no eixo do gerador. Nos terminais de sada do GIP est conectado um rel de sobrefreqncia (81):

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Figura 10.31

Operao da Proteo: 1. H sobrevelocidade no gerador 2. O rel 81 opera, fechando sue contato K1 K2. 3. O contato K1 K2 energiza o rel auxiliar 86, que abrir os disjuntores 52

(principal) e 41 (de campo), atua no mecanismo de parada e faz soar o anunciador.

Para uma mquina de 174 MVA, 13,8 KV, ASEA (a turbina hidrulica): o rel

81 ajustado em 145% a 148% da velocidade nominal. Em turbinas a vapor: AJUSTES em 110% (aproximadamente). 10.5.2. Mtodo Mecnico

colocado um dispositivo mecnico (12) centrfugo no eixo do gerador que, em sobrevelocidades, fecha um contato, retirando o gerador do sistema. Estes dois mtodos podem ser aplicados juntos num mesmo gerador.

Os fabricantes da turbina e gerador nos fornecem geralmente esses ajustes. A seguir, como ilustrao, damos os ajustes do dispositivo mecnico 12,

usados na mesma Unidade Geradora de 174 MVA 13,8 kV, fabricao ASEA, j mencionada acima:

Dispositivo mecnico 12: Ajustado em 152% da velocidade nominal.

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10.6 Perda de Excitao em Geradores a) Principais Motivos da Perda de Excitao

Perda do campo da excitatriz principal Aberturas acidentais do disjuntor de campo. Curtos no campo Mal contato nas escovas da excitatriz Falhas no rel 41 Erros de operao

b) Conseqncias de Perda de Excitao O gerador passa a funcionar como gerador de induo, girando acima da

velocidade sncrona. Nos Geradores de polos lisos: no possuem enrolamentos amortecedores que

possam suportar as correntes induzidas no rotor quando funcionam como gerador de induo. Em decorrncia, o rotor ir se sobreaquecer rapidamente e, em dois ou trs minutos, podero haver srios danos.

Geradores de polos salientes (que possuem enrolamentos amortecedores): no esto sujeitos a altos aquecimentos.

O estator de qualquer tipo de gerador sncrono est sujeito a sobreaquecimento enquanto funcionar como gerador de induo e as correntes do estator podero atingir 2 a 4 vezes o valor da corrente nominal.

Instantes antes da perda de excitao, o gerador est fornecendo uma certa quantidade do reativo ao sistema. Ao perder a excitao, no entanto:

O gerador passar a absorver reativo do sistema Haver queda de tenso nos seus terminais.

Esses fatos podem provocar a perda de estabilidade (dependendo dos reguladores de tenso e da capacidade do gerador em relao ao sistema).

A condio de perda de excitao , geralmente, detectada por rels de subcorrente ou subtenso no circuito de campo, ou por rels de distncia direcionais olhando para dentro do gerador, a partir de seus terminais. A operao dos rels de corrente e tenso no circuito de campo praticamente bvia e a operao do rel de distncia pode ser mais facilmente visualizada pelo uso do diagrama R-X, como indicado na figura 10.32. Quando o campo do gerador perdido, o fluxo de eixo direto do rotor decresce, a Unidade Geradora se acelera e sai de sincronismo com o resto do sistema. O choque para o sistema, quando a Unidade Geradora sai de sincronismo no ser severo, j que o nvel do fluxo no rotor do gerador (ou tenso interna da Unidade Geradora) ser baixo. Desprezando qualquer oscilao de potncia ativa devido ao fluxo no rotor, a Unidade Geradora far a transio de gerador sncrono para gerador de induo, incluindo um perodo de aumento na velocidade do rotor com aproximadamente, constante potncia ativa de sada.

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Durante a transio, contudo, a sada de reativo decrescer at zero e tornar-se- negativa, para um valor de 2 a 4 vezes a sada nominal de reativo da Unidade Geradora. A figura abaixo indica o percurso que seria descrito por um gerador de 100 MVA operando, inicialmente, nas condies nominais e para as quais perdida a excitao.

Figura 10.32 Caractersticas da perda de campo e do rel de proteo.

Curvas reais podem ser obtidas atravs de medies, como essas abaixo:

Figura 10.33

Curva 1: Gerador com curto no campo, funcionando com carga inicial de 100% e ligado a um sistema pequeno.

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Curva 2: gerador com curto no campo com carga inicial de 100% e ligado a um sistema grande. Curva 3: gerador com campo aberto, carga inicial de 100% e ligado a um sistema grande. Curva 4: gerador com curto circuito no campo, com carga de 29,4%, da plena carga e ligado a um sistema grande.

Sob o ponto de vista de proteo: a curva 5 indica o final de todos os lugares geomtricos dos pontos finais destas curvas. 10.6.2. Proteo Contra Perdas de Excitao com Rel MHO

Figura 10.34

Os geradores so protegidos contra perda de excitao atravs do rel MHO com caracterstica INVERTIDA. Desta forma, quando da perda de excitao, a impedncia equivalente do sistema penetrar a caracterstica deste rel MHO, fazendo-o operar e retirando o gerador do sistema:

Figura 10.35

a) Determinao da posio da caracterstica do rel MHO em relao ao

eixo dos R (OFF-SET). Deve ser observado que o rel no deve operar incorretamente nos casos de

oscilaes e de perda de sincronismo. A pior condio aquela em que o gerador est ligado a um sistema infinito

(representado por uma impedncia nula).

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Quando existe uma oscilao entre o gerador e este grande sistema, a impedncia equivalente do sistema ser apenas a impedncia transitria do gerador (Xd).

Para que o rel OPERE corretamente, faz-se, na figura acima, 2d'XKO .

b) Determinao do dimetro da caracterstica do rel MHO.

Para que a caracterstica do rel envolva completamente a curva 5, o dimetro do seu crculo na figura anterior deve ser: KL = OL OK EXEMPLO: Para o gerador abaixo, fazer os ajustes do rel CEH (da GE) de caracterstica MHO deslocada, contra perda de excitao. Dados do fabricante do gerador: NG = 160 MVA; U = 15 KV; Xd = 0,29; Xd = 0,82 pu. 1. OFF-SET (Xd/2) pode ser variado de 0,5 a 4 (em degraus de 0,5) sem que o

dimetro da caracterstica (KL) varie:

2. Dimetro da caracterstica (TAP de restrio): pode ser variado, sem alterao do

OFF-SET, atravs dos taps de 1-100%.

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O tap para o dimetro (d) desejado dado por:

TAP% = 500/d Onde d = Xdsec OFF SET

3. RTC: 6000/5

RTP: 125/1 (15000/ 3 /120000/ 3 ) Regular o rel (OFF SET, dimetro d e o valor do TAP (+) para o dimetro d escolhido).

Soluo: a) Clculo do OFF SET: OF SET = Xd/2

Zb = Vb2/Nb = 152/160 = 1,406 Zb visto pelo rel === 50,13

1/1255/6000406,1.'

RTPRTCZbbZ

Xd(em ) = Xd (pu) . Zb () = 0,29 x 13,5 = 3,915 OFF SET = Xd/2 = 1,9575

O OFF SET mais prximo 2 (acima do valor calculado), e que dever ser ajustado no rel.

b) Clculo do dimetro da caracterstica: D = Xdsec OFF SET Xdsec = 0,82 . 13,5 = 11,07 D = 11,07 2 = 9,07

c) Clculo do TAPE:

TAPE = 500/d = 500/9,07 = 55,19% Adota-se 55% (a ser ajustado no rel)

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10.7 Proteo Contra Desbalanos de Correntes no Estator a) Motivos dos Balanos

Uma fase aberta numa linha ou um contato aberto de seu disjuntor. Uma falha desbalanceada prxima da mquina, que no prontamente

eliminada pelos rels de proteo indicados. Uma falha no enrolamento do estator.

b) Causas

Existncia de correntes de seqncia (-) no estator. O fluxo destas correntes gera, nas ranhuras do rotor, correntes de freqncia dupla. Estas correntes sobreaquecem o rotor e produzem vibraes. c) A Constante K

O tempo que o rotor pode suportar este desbalano inversamente proporcional ao quadro da corrente de seqncia (-), isto :

==

)hidrulica turbina(para 60-40 K vapor)a turbina(para 30-7 K

:mquina de tipodo depende :K (-) seqncia de corrente:I

falha da durao de tempo:t

Kt.)I(2

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Se: K < (I2)2 t < 2K o gerador poder ser danificado (I2)2 t > 2K o gerador ficar seriamente danificado.

Em geral o fabricante fornece a curva K = (I2)2 t do gerador, permitindo ajustar a caracterstica do rel de tempo inverso (alimentado por filtro de seqncia (-) imediatamente abaixo daquela curva.

28

10.7.1 Proteo contra desbalanos, com Rel de Seqncia Negativa 46 ASA

Figura 10.36

Neste tipo de rel haver tenso (e somente de seqncia (-)), apenas por

ocasio dos desequilbrios. Curvas Caractersticas do Gerador e Rel 46

Figura 10.37

10.8 Proteo Contra sobretenses:

As sobretenses podem sujeitar as linhas de transmisso a arcos, pra-raios a uma excessiva corrente fundamental, transformadores e geradores a esforos dieltricos excessivos aquecimento do ncleo, causando a degradao do isolamento.

Proteo contra sobretenso pode consistir em rels de sobretenso com ajuste temporizado para atuar de 5 a 10% acima da tenso nominal.

O esquema da figura abaixo ilustra a proteo de sobretenso, insensvel a variao de freqncia.

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Figura 10.39

Essa proteo pode desligar os geradores, desligar seces de linhas ou

atuarem no campo dos geradores para se diminuir a corrente de campo.

10.9 Proteo Contra Motorizao feita com vistas turbina e no ao gerador. O fabricante indica tempos crticos de operao, aps os quais pode haver srios riscos para a turbina (por exemplo, na hidrulica, a cavitao) ou indesejvel carga para a rede, resultante do fato de o gerador operar como motor e tracionando o conjunto gerador-turbina, se o fluxo de gua (turbina hidrulica) for paralisado.

A proteo feita com rels direcionais de potncia inversa, monofsicos, regulados para cerca de 0,5 a 3% da potncia nominal e temporizados at minutos (de acordo com o fabricante).

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10.10- `Proteo de Motores de mdia tenso:

Os motores de mdia tenso industrial variam de algumas centenas de HP a alguns milhares de HP. Existe um grande nmero de funes de protees que podem ser usadas para proteger os motores, todavia sempre o custo/benefcio, a experincia, e o bom senso, devem guiar a escolha dos rels.

Dada a quantidade de rels possveis de utilizao, muitos especialistas preferem definir critrios de aplicao em funo da potncia dos motores, caracterizando como motores menores que 1500 HP e motores de 1500 HP e acima. 10.10.1- Motores de Induo 10.10.1.1- Motores de Induo Menores que 1500 HP.

Proteo de motores de induo menores que 1500 HP

27 Subtenso 49/50 Trmico e sobrecorrente instantneo 50GS Sensor de terra 48 Partida incompleta 47 Subtenso + Seqncia de fase (3) a) Proteo contra perda de tenso ou sub tenso (27): obtido pelo rel monofsico da subtenso (27) nos casos em que os motores so alimentados por fusveis, pode-se usar proteo de subtenso para verificar as trs fases. Neste caso pode-se usar o rel (47), que geralmente como benefcio promove a proteo contra seqncia de fase reversa.

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b) Proteo contra sobrecarga/Rotor travado e curto circuito (49/50): obtida pelo rel 49/50 - importante que o rele temporizado (49) escolhido, se adapte caracterstica trmica do motor. Rels de sobrecorrente temporizado podem ser usados para executar a funo 49. A unidade instantnea (50) deve ser ajustada para 1,6 a 2,0 da corrente de rotor travado, no devendo ser sensibilizado na partida. c) Proteo contra curto (50GS): De modo a obter sensibilidade e velocidade para faltas a terra, pode-se usar o rele 50 GS, que trabalha com a componente de seqncia zero. d) Proteo contra seqncia de partida incompleta (48): Sistemas de partida de motores que promovem a elevao gradual da tenso podem apresentar problemas e o motor ser solicitado a operar com tenso reduzida. Neste caso sugere-se a instalao do rel 48, para prevenir operao dos equipamentos com tenso reduzida. 10.10.1.2- Motores de Induo de 1500 HP e acima:

Proteo de Motores de Induo de 1500 HP e acima

Na figura identificamos as seguintes protees:

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a) Rel de desbalano de corrente 46: Fornece proteo para evitar que o motor fique conectado sob alimentao monofsica com falta de fase. b) Rel de Sobrecarga - 49 (Trmico): O rel 49 opera com um detector (resistor dependente em temperatura), que instalado no estator da maquina. Esse tipo de proteo prefervel do que a trmica (49S) que somente se baseia na corrente do estator como indica do na figura 2, uma vez que o (49S) no responde. a variaes rpidas na temperatura, que poderiam acontecer em algumas condies de rotor travado. c) Proteo contra curto - 87 (Diferencial): O rel diferencial 87 - fornece proteo conta curtos entre fases e fase-terra. d) Proteo contra sub-tenso 27: A unidade 47 pode substituir a 27, pois alm de possuir subtenso ela detecta inverso na seqncia de fase. e) Proteo contra seqncia de fase reversa f) Proteo contra curto 50 e 50 GS: - Instantneo de fase 50 - Instantneo fase/terra 50 GS (ground sensor), onde as trs fases passam dentro do ncleo do TC produzindo 3I0. g) Proteo contra seqncia de partida incompleta - 48

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10.10.2- Motores Sncronos para acionamentos 10.10.2.1 - Motores Sncronos para Acionamentos menores que 1500 HP

Motor sncrono usado em acionamentos, abaixo de 1500 HP

26 Elemento Trmico: Fornece proteo devido ao aquecimento que o enrolamento amortecedor apresenta durante a partida. Esse rel normalmente tem sua caracterstica do tipo tempo inversa (I t), sensvel a freqncia, para acomodar as partidas do motor. Durante a partida, a freqncia de corrente induzida no rotor baixa e aumenta ao valor da freqncia do sistema a medida que o motor acelera. Assim o rel possui sua caracterstica de operao alterada de modo que o tempo para o rel operar maior quando a freqncia menor (durante a partida). 27 - Subtenso 47 - Subtenso e seqncia de fase reversa 48 - Seqncia de partida incompleta 49/50 - Trmico e instantneo 50 GS - Ground sensor - Instantneo 55 - Rel de fator de potncia.

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10.10.2.2 - Motor Sncrono para Acionamento maior ou Igual a 1500 HP.

Motor sncrono usado em acionamentos, de e acima de 1500 HP

No esquema tem-se a presena dos seguintes rels: 26 - Elemento trmico (conectado no enrolamento de campo) para proteger o enrolamento de campo na partida. 27 - Subtenso 46 - Rel de desbalano de corrente 47 - Subtenso e seqncia de fase (opcional ao 27) 48 - Seqncia de. partida incompleta. 49 - Trmico com resistor dependente de temperatura instalado no estator. 50 - Instantneo para curto circuito. 50 GS - Sensor de terra - instantneo 55 - Fator de Potncia 87 - Diferencial.