SISTEMAS DE PROTEÇÃOSISTEMAS DE PROTEÇÃO

ALTERNADORESALTERNADORES

Alisson S. Takahashi

Henrique S. Higa

Rafael Simon

Sérgio S. Prestes

IntroduçãoIntrodução

Causa primeira: Defeito…Causa primeira: Defeito… Dispositivos de protecção: relésDispositivos de protecção: relés Esquemas de proteçãoEsquemas de proteção Relés térmicos, contra sobrecargasRelés térmicos, contra sobrecargas Relés temporizados, a máximo de Relés temporizados, a máximo de

corrente, contra curto circuitoscorrente, contra curto circuitos Relés a máximo de tensão, contra Relés a máximo de tensão, contra

elevações de tensão devidas às manobras elevações de tensão devidas às manobras normais do sistemanormais do sistema

RelésRelés

Relés de potencia inversa, para impedir o Relés de potencia inversa, para impedir o funcionamento do gerador como motorfuncionamento do gerador como motor

Protecção diferencial, contra os curto circuitos Protecção diferencial, contra os curto circuitos entre enrolamentos entre fases diferentesentre enrolamentos entre fases diferentes

Protecção contra defeitos em massa, do estator Protecção contra defeitos em massa, do estator e do rotore do rotor

Protecção contra curto circuito de espiras da Protecção contra curto circuito de espiras da mesma fasemesma fase

Protecção contra abertura acidental ou não nos Protecção contra abertura acidental ou não nos circuitos de exitaçãocircuitos de exitação

PROTEÇÃO DIFERENCIAL DO ESTATOR PROTEÇÃO DIFERENCIAL DO ESTATOR CONTRA CURTO CIRCUITOCONTRA CURTO CIRCUITO

A proteção diferencial do estator contra curto circuito é A proteção diferencial do estator contra curto circuito é recomendada para máquinas acima de 1MVA e recomendada para máquinas acima de 1MVA e obrigatória acima de 10MVA.obrigatória acima de 10MVA.

O custo e a função do gerador também são levados em O custo e a função do gerador também são levados em consideração para a decisão do uso ou não da proteção.consideração para a decisão do uso ou não da proteção.

Atua na ocorrência de curto circuito entre fases.Atua na ocorrência de curto circuito entre fases.

Quando o neutro do gerador for aterrado diretamente ou Quando o neutro do gerador for aterrado diretamente ou através de uma resistência de baixo valor, a proteção através de uma resistência de baixo valor, a proteção funciona também para faltas a terra. Em caso contrário, funciona também para faltas a terra. Em caso contrário, uma outra proteção particular deve ser usada.uma outra proteção particular deve ser usada.

Relés utilizados são os de alta velocidade a fim de Relés utilizados são os de alta velocidade a fim de minimizar os danos do arco sobre as lâminas do núcleo.minimizar os danos do arco sobre as lâminas do núcleo.

ESQUEMÁTICO DE UMA PROTEÇÃO ESQUEMÁTICO DE UMA PROTEÇÃO DIFERENCIAL LONGITUDINALDIFERENCIAL LONGITUDINAL

Relés diferenciais são, por definição, relés que atuam quando o vetor da diferença de duas ou mais grandezas elétricas semelhantes excede uma quantidade pré-determinada.

PROTEÇÃO DIFERENCIAL DO ESTATOR PROTEÇÃO DIFERENCIAL DO ESTATOR CONTRA CURTO CIRCUITO ENTRE ESPIRASCONTRA CURTO CIRCUITO ENTRE ESPIRAS

Utilizados quando as fases, por motivos Utilizados quando as fases, por motivos construtivos, possuem as fases sub-construtivos, possuem as fases sub-divididas.divididas.

Sempre aconselhável nos arranjos bloco-Sempre aconselhável nos arranjos bloco-gerador-transformador.gerador-transformador.

Ajuste típico do relé é para corrente de Ajuste típico do relé é para corrente de desiquilíbrio maior ou igual a 5% da desiquilíbrio maior ou igual a 5% da corrente nominal do gerador.corrente nominal do gerador.

ESQUEMÁTICO DE UMA PROTEÇÃO ESQUEMÁTICO DE UMA PROTEÇÃO DIFERENCIAL TRANSVERSALDIFERENCIAL TRANSVERSAL

PROTEÇÃO DIFERENCIAL DO PROTEÇÃO DIFERENCIAL DO ESTATOR CONTRA FALTA A TERRAESTATOR CONTRA FALTA A TERRA

O aterramento do neutro de um gerador O aterramento do neutro de um gerador através de alta impedância tem as através de alta impedância tem as seguintes finalidades:seguintes finalidades:

limitar os esforços mecânicos,limitar os esforços mecânicos, limitar os danos no ponto do defeito,limitar os danos no ponto do defeito, proteger contra descargas atmosféricas,proteger contra descargas atmosféricas,limitar as sobre-tensões transitórias,limitar as sobre-tensões transitórias,necessidades de se obter correntes das faltas necessidades de se obter correntes das faltas

fase-terra.fase-terra.

Em geral, nesse tipo de aterramento, os relés Em geral, nesse tipo de aterramento, os relés diferenciais não são suficientemente sensíveis e seguros diferenciais não são suficientemente sensíveis e seguros contra desligamentos intempestivos devidos a faltas contra desligamentos intempestivos devidos a faltas externas á sua zona de proteção.externas á sua zona de proteção.

Um relé de sequencia zero pode ser usado para Um relé de sequencia zero pode ser usado para proteger um gerador contra as faltas a terra.proteger um gerador contra as faltas a terra.

Devido aos efeitos destrutivos de uma falta a terra Devido aos efeitos destrutivos de uma falta a terra (condutor para o nucleo), em consequencia da alta (condutor para o nucleo), em consequencia da alta temperatura do arco, a corrente de falta é usualmente temperatura do arco, a corrente de falta é usualmente limitada por uma impedância colocada no neutro do limitada por uma impedância colocada no neutro do gerador, e que pode ser uma resistencia, um gerador, e que pode ser uma resistencia, um transformador de distribuição com resistor de carga, transformador de distribuição com resistor de carga, uma reatancia ou um transformador de potencial.uma reatancia ou um transformador de potencial.

PROTEÇÃO CONTRA CIRCUITO PROTEÇÃO CONTRA CIRCUITO ABERTO NO ESTATORABERTO NO ESTATOR

Não é prática prover-se de tal proteção, já que Não é prática prover-se de tal proteção, já que em máquinas bem construídas raramente isso em máquinas bem construídas raramente isso ocorre.ocorre.

Quando ocorre um circuito aberto ou junta de Quando ocorre um circuito aberto ou junta de alta resistencia no enrolamento do estator é alta resistencia no enrolamento do estator é muito difícil de detetar antes que um muito difícil de detetar antes que um considerável dano já tenha ocorrido.considerável dano já tenha ocorrido.

O releamento de sequencia negativa para O releamento de sequencia negativa para proteção contra corrente desiquilibradas pode proteção contra corrente desiquilibradas pode conter um sensível alarme para alertar o conter um sensível alarme para alertar o operador no caso de um futuro circuito aberto.operador no caso de um futuro circuito aberto.

O sobreaquecimento pode ser causado por O sobreaquecimento pode ser causado por sobrecarga ou falha no sistema de refrigeração.sobrecarga ou falha no sistema de refrigeração.

É costume colocar bobinas detectoras de É costume colocar bobinas detectoras de temperatura ou termopares nas ranhuras do temperatura ou termopares nas ranhuras do enrolamento do estator para acionar alarmes enrolamento do estator para acionar alarmes para os operadores.para os operadores.

Também podem ser usados relés tipo réplica ou Também podem ser usados relés tipo réplica ou de imagem térmica. Estes, por variação da de imagem térmica. Estes, por variação da resistencia fazem atuar alarmes.resistencia fazem atuar alarmes.

PROTEÇÃO CONTRA PROTEÇÃO CONTRA SOBREAQUECIMENTO NO ESTATORSOBREAQUECIMENTO NO ESTATOR

PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE SINCRONISMOSINCRONISMO

A perda de sincronismo pode ser devido a A perda de sincronismo pode ser devido a causa exterior, ou por um defeito de excitação.causa exterior, ou por um defeito de excitação.

Causa exterior :Causa exterior : Devido àDevido à um curto-circuito na rede; um curto-circuito na rede; Desligamento de um grande consumidor de Desligamento de um grande consumidor de

carga indutiva;carga indutiva; Defeito de excitação :Defeito de excitação :

Gerado pela abertura involuntária do Gerado pela abertura involuntária do disjuntor de campo;disjuntor de campo;

Rompimento de um condutor.Rompimento de um condutor.

PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE SINCRONISMOSINCRONISMO

Na prática, não é usual o emprego dessa Na prática, não é usual o emprego dessa protecção;protecção;

Visto que ela já é protegida pelas faltas que Visto que ela já é protegida pelas faltas que resultariam na perda de sincronismo, como resultariam na perda de sincronismo, como protecção contra de feito de excitação ou protecção contra de feito de excitação ou protecção de curto-circuito na rede.protecção de curto-circuito na rede.

PROTEÇÃO DO ROTOR CONTRA PROTEÇÃO DO ROTOR CONTRA FALTA A TERRAFALTA A TERRA

Como o circuito de campo não opera aterrado, Como o circuito de campo não opera aterrado, essa falta não provocaria dano ou mesmo essa falta não provocaria dano ou mesmo afectaria a operação do gerador;afectaria a operação do gerador;

Porém, aumentaria a probabilidade de ocorrer Porém, aumentaria a probabilidade de ocorrer outra falta que danificaria a máquina;outra falta que danificaria a máquina;

Ou seja, consequentemente há um esforço dos Ou seja, consequentemente há um esforço dos outros pontos do campo para a terra, podendo outros pontos do campo para a terra, podendo ocorrer um outro aterramento; ocorrer um outro aterramento;

PROTEÇÃO DO ROTOR CONTRA PROTEÇÃO DO ROTOR CONTRA FALTA A TERRAFALTA A TERRA

Consequências da segunda falta :Consequências da segunda falta :

Acarretará um curto-circuito no enrolamento Acarretará um curto-circuito no enrolamento do campo ;do campo ;

Desequilíbrio de fluxo no entreferro ;Desequilíbrio de fluxo no entreferro ;Forças magnéticas desequilibradas no rotor, Forças magnéticas desequilibradas no rotor,

podendo deformar o eixo e quebrar os podendo deformar o eixo e quebrar os mancais.mancais.

O curto-circuito no rotor é muito raro de O curto-circuito no rotor é muito raro de acontecer, visto que há uma protecção acontecer, visto que há uma protecção anterior a sua causa.anterior a sua causa.

PROTEÇÃO DO ROTOR CONTRA PROTEÇÃO DO ROTOR CONTRA FALTA A TERRAFALTA A TERRA

Umas das protecções Umas das protecções mais usuais para falta a mais usuais para falta a terra, é a de um relé de terra, é a de um relé de sobretensão colocado sobretensão colocado em série com um resistor em série com um resistor (de valor elevado que lhe (de valor elevado que lhe permitirá o seu ajuste) permitirá o seu ajuste) entre o circuito de campo entre o circuito de campo e o terra.e o terra.

PROTEÇÃO CONTRA PROTEÇÃO CONTRA AQUECIMENTO DO ROTORAQUECIMENTO DO ROTOR

Aquecimento do rotor devido a correntes Aquecimento do rotor devido a correntes desequilibradas do estator.desequilibradas do estator.

As correntes desequilibradas no estator podem As correntes desequilibradas no estator podem ser devido :ser devido : Abertura de uma linha ;Abertura de uma linha ; Falta de contacto de um pólo do disjuntor ;Falta de contacto de um pólo do disjuntor ; Falta no enrolamento do estator ;Falta no enrolamento do estator ;

A corrente desequilibrada do estator induz uma A corrente desequilibrada do estator induz uma corrente no rotor.corrente no rotor.

PROTEÇÃO CONTRA PROTEÇÃO CONTRA AQUECIMENTO DO ROTORAQUECIMENTO DO ROTOR

Essa corrente induzida no rotor lhe causará um Essa corrente induzida no rotor lhe causará um sobreaquecimento.sobreaquecimento.

Causando danos perigosos como :Causando danos perigosos como : Afrouxar as cunhas e anéis de retenção do Afrouxar as cunhas e anéis de retenção do

enrolamento ;enrolamento ;

O tempo que o rotor pode suportar esta O tempo que o rotor pode suportar esta condição é inversamente proporcional ao condição é inversamente proporcional ao quadrado da corrente desequilibrada do estator :quadrado da corrente desequilibrada do estator : K = IK = I².T (corrente em ampéres, tempo em ².T (corrente em ampéres, tempo em

segundos)segundos)

PROTEÇÃO CONTRA PROTEÇÃO CONTRA AQUECIMENTO DO ROTORAQUECIMENTO DO ROTOR

Para turbina a vapor :Para turbina a vapor : K = 7 à 30 ; K = 7 à 30 ;

Para turbina hidráulica :Para turbina hidráulica : K = 40 à 60 ; K = 40 à 60 ;

Uma das protecções é o relé Uma das protecções é o relé de tempo inverso.de tempo inverso. Geralmente o fabricante forneceGeralmente o fabricante fornece a curva K = Ia curva K = I².T².T do gerador para do gerador para permitir o ajuste do relé.permitir o ajuste do relé.

PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE EXCITAÇÃO OU DE CAMPOEXCITAÇÃO OU DE CAMPO

É caracterizada como condições anormais de É caracterizada como condições anormais de funcionamento.funcionamento.

A perda de excitação faz com que o gerador A perda de excitação faz com que o gerador puxe corrente reactiva da rede ao invés de puxe corrente reactiva da rede ao invés de fornecer.fornecer.

Consequências em questões de minutos :Consequências em questões de minutos : Desequilíbrio magnético na máquina;Desequilíbrio magnético na máquina; Rotor mais acelerado;Rotor mais acelerado; Sobreaquecimento no equipamento.Sobreaquecimento no equipamento.

PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE EXCITAÇÃO OU DE CAMPOEXCITAÇÃO OU DE CAMPO

No estator, também haverá uma sobrecorrente, No estator, também haverá uma sobrecorrente, e seu aquecimento, porém, mais lento que no e seu aquecimento, porém, mais lento que no rotor.rotor.

Alguns sistemas não toleram a operação do Alguns sistemas não toleram a operação do gerador sem ou com baixa excitação.gerador sem ou com baixa excitação.

Visto que em poucos minutos a perda de Visto que em poucos minutos a perda de excitação já gera perigo e prejuízo econômico, excitação já gera perigo e prejuízo econômico, as protecções tem que ter uma resposta rápida.as protecções tem que ter uma resposta rápida.

PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE EXCITAÇÃO OU DE CAMPOEXCITAÇÃO OU DE CAMPO

Um dos relés mais utilizados é o relé Um dos relés mais utilizados é o relé direccional.direccional.

Alimentado pela corrente e tensão alternada do Alimentado pela corrente e tensão alternada do gerador.gerador.

PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE EXCITAÇÃO OU DE CAMPOEXCITAÇÃO OU DE CAMPO

O relé funcionará de modo a analisar se o O relé funcionará de modo a analisar se o sentido da corrente reactiva é para o gerador ou sentido da corrente reactiva é para o gerador ou para a rede.para a rede.

O funcionamento do gerador sem excitação, O funcionamento do gerador sem excitação, necessitará de uma cuidadosa análise antes de necessitará de uma cuidadosa análise antes de religá-lo a rede, para não haver perigo.religá-lo a rede, para não haver perigo.

Protecção contra SobretensãoProtecção contra Sobretensão

Esta protecção é recomendada em geradores Esta protecção é recomendada em geradores accionados por turbinas hidráulicas ou a gás.accionados por turbinas hidráulicas ou a gás.

A protecção é garantida pelo regulador de A protecção é garantida pelo regulador de tensão, ou por um relé de sobre tensão tensão, ou por um relé de sobre tensão temporizado.temporizado.

Observamos a ocorrência de um filtro que é Observamos a ocorrência de um filtro que é responsável por deixar o relé insensível à responsável por deixar o relé insensível à variação da frequência. variação da frequência.

Protecção contra aquecimento do Protecção contra aquecimento do rotor devido a sobreexcitaçãorotor devido a sobreexcitação

Esta protecção é garantida pela protecção Esta protecção é garantida pela protecção contra sobreaquecimento do estator, ou contra sobreaquecimento do estator, ou pela característica de limitação do pela característica de limitação do equipamento regulador de tensão.equipamento regulador de tensão.

Protecção contra vibraçãoProtecção contra vibração

A protecção do rotor contra sobreaquecimento A protecção do rotor contra sobreaquecimento devido a correntes desequilibradas no estator, devido a correntes desequilibradas no estator, minimiza ou elimina a vibração, dispensando minimiza ou elimina a vibração, dispensando protecção especifica. protecção especifica.

Protecção contra SobrevelocidadeProtecção contra Sobrevelocidade A sobre velocidade deve ser especialmente A sobre velocidade deve ser especialmente

acompanhada nos turbo geradores. O correcto acompanhada nos turbo geradores. O correcto funcionamento das válvulas de vazão e a verificação funcionamento das válvulas de vazão e a verificação dos procedimentos de operação para inserir e remover dos procedimentos de operação para inserir e remover cargas devem fazer parte da manutenção periódica.cargas devem fazer parte da manutenção periódica.

As grandes turbinas possuem wattímetros que As grandes turbinas possuem wattímetros que identificam repentinas diminuições na carga e fecham identificam repentinas diminuições na carga e fecham válvulas emergenciais para diminuir o fluxo na turbina.válvulas emergenciais para diminuir o fluxo na turbina.

A velocidade pode ser monitorado ainda por chave A velocidade pode ser monitorado ainda por chave centrifuga ou um relé de sobre frequência.centrifuga ou um relé de sobre frequência.

Protecção contra motorizaçãoProtecção contra motorização

Para fazer esta protecção devemos monitorar a Para fazer esta protecção devemos monitorar a turbina, monitorando tempos críticos de turbina, monitorando tempos críticos de operação fornecidos pelos fabricantes.operação fornecidos pelos fabricantes.

Esta protecção deve ser efectiva pois o gerador Esta protecção deve ser efectiva pois o gerador pode se tornar uma carga indesejável para a pode se tornar uma carga indesejável para a rede resultante, operando como motor e rede resultante, operando como motor e traccionando o conjunto gerador-turbina.traccionando o conjunto gerador-turbina.

Por ser um fenómeno simétrico, usam-se relés Por ser um fenómeno simétrico, usam-se relés temporizados monofásicos de potencia inversa temporizados monofásicos de potencia inversa para esta supervisão.para esta supervisão.

Protecção contra Protecção contra sobreaquecimento dos mancais sobreaquecimento dos mancais

É utilizado um bulbo termométrico É utilizado um bulbo termométrico colocado em algum orifício do mancal, ou colocado em algum orifício do mancal, ou por detector de temperatura, tipo por detector de temperatura, tipo resistencia embutido no mancal.resistencia embutido no mancal.

Em geral só há atuação de alarme em Em geral só há atuação de alarme em centrais.centrais.

DefiniçõesDefinições

Custo beneficioCusto beneficio Pequeno investimento e grandes ganhosPequeno investimento e grandes ganhos Essencial num sistema de energiaEssencial num sistema de energia Muito desenvolvido os esquemas de Muito desenvolvido os esquemas de

protecção e relés, restando poucos protecção e relés, restando poucos avanços nesse ramoavanços nesse ramo