SISTEMAS DE PROTEÇÃO

1. SISTEMAS DE PROTEÇÃO ALTERNADORES Alisson S. Takahashi Henrique S. Higa Rafael Simon Sérgio S. Prestes

3. Introdução • Causa primeira: Defeito… • Dispositivos de protecção: relés • Esquemas de proteção • Relés térmicos, contra sobrecargas • Relés temporizados, a máximo de corrente, contra curto circuitos • Relés a máximo de tensão, contra elevações de tensão devidas às manobras normais do sistema

4. Relés • Relés de potencia inversa, para impedir o funcionamento do gerador como motor • Protecção diferencial, contra os curto circuitos entre enrolamentos entre fases diferentes • Protecção contra defeitos em massa, do estator e do rotor • Protecção contra curto circuito de espiras da mesma fase • Protecção contra abertura acidental ou não nos circuitos de exitação

5. PROTEÇÃO DIFERENCIAL DO ESTATOR CONTRA CURTO CIRCUITO • A proteção diferencial do estator contra curto circuito é recomendada para máquinas acima de 1MVA e obrigatória acima de 10MVA. • O custo e a função do gerador também são levados em consideração para a decisão do uso ou não da proteção. • Atua na ocorrência de curto circuito entre fases. • Quando o neutro do gerador for aterrado diretamente ou através de uma resistência de baixo valor, a proteção funciona também para faltas a terra. Em caso contrário, uma outra proteção particular deve ser usada. • Relés utilizados são os de alta velocidade a fim de minimizar os danos do arco sobre as lâminas do núcleo.

6. ESQUEMÁTICO DE UMA PROTEÇÃO DIFERENCIAL 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.

7. PROTEÇÃO DIFERENCIAL DO ESTATOR CONTRA CURTO CIRCUITO ENTRE ESPIRAS • Utilizados quando as fases, por motivos construtivos, possuem as fases sub-divididas. • Sempre aconselhável nos arranjos bloco-gerador-transformador. • Ajuste típico do relé é para corrente de desiquilíbrio maior ou igual a 5% da corrente nominal do gerador.

8. ESQUEMÁTICO DE UMA PROTEÇÃO DIFERENCIAL TRANSVERSAL

9. PROTEÇÃO DIFERENCIAL DO ESTATOR CONTRA FALTA A TERRA • O aterramento do neutro de um gerador através de alta impedância tem as seguintes finalidades: • limitar os esforços mecânicos, • limitar os danos no ponto do defeito, • proteger contra descargas atmosféricas, • limitar as sobre-tensões transitórias, • necessidades de se obter correntes das faltas fase-terra.

10. Em geral, nesse tipo de aterramento, os relés diferenciais não são suficientemente sensíveis e seguros contra desligamentos intempestivos devidos a faltas externas á sua zona de proteção. • Um relé de sequencia zero pode ser usado para proteger um gerador contra as faltas a terra. • Devido aos efeitos destrutivos de uma falta a terra (condutor para o nucleo), em consequencia da alta temperatura do arco, a corrente de falta é usualmente limitada por uma impedância colocada no neutro do gerador, e que pode ser uma resistencia, um transformador de distribuição com resistor de carga, uma reatancia ou um transformador de potencial.

11. PROTEÇÃO CONTRA CIRCUITO ABERTO NO ESTATOR • Não é prática prover-se de tal proteção, já que em máquinas bem construídas raramente isso ocorre. • Quando ocorre um circuito aberto ou junta de alta resistencia no enrolamento do estator é muito difícil de detetar antes que um considerável dano já tenha ocorrido. • O releamento de sequencia negativa para proteção contra corrente desiquilibradas pode conter um sensível alarme para alertar o operador no caso de um futuro circuito aberto.

12. PROTEÇÃO CONTRA SOBREAQUECIMENTO NO ESTATOR • O sobreaquecimento pode ser causado por sobrecarga ou falha no sistema de refrigeração. • É costume colocar bobinas detectoras de temperatura ou termopares nas ranhuras do enrolamento do estator para acionar alarmes para os operadores. • Também podem ser usados relés tipo réplica ou de imagem térmica. Estes, por variação da resistencia fazem atuar alarmes.

13. PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE SINCRONISMO • A perda de sincronismo pode ser devido a causa exterior, ou por um defeito de excitação. • Causa exterior : • Devido à um curto-circuito na rede; • Desligamento de um grande consumidor de carga indutiva; • Defeito de excitação : • Gerado pela abertura involuntária do disjuntor de campo; • Rompimento de um condutor.

14. PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE SINCRONISMO • Na prática, não é usual o emprego dessa protecção; • Visto que ela já é protegida pelas faltas que resultariam na perda de sincronismo, como protecção contra de feito de excitação ou protecção de curto-circuito na rede.

15. PROTEÇÃO DO ROTOR CONTRA FALTA A TERRA • Como o circuito de campo não opera aterrado, essa falta não provocaria dano ou mesmo afectaria a operação do gerador; • Porém, aumentaria a probabilidade de ocorrer outra falta que danificaria a máquina; • Ou seja, consequentemente há um esforço dos outros pontos do campo para a terra, podendo ocorrer um outro aterramento;

16. PROTEÇÃO DO ROTOR CONTRA FALTA A TERRA • Consequências da segunda falta : • Acarretará um curto-circuito no enrolamento do campo ; • Desequilíbrio de fluxo no entreferro ; • Forças magnéticas desequilibradas no rotor, podendo deformar o eixo e quebrar os mancais. • O curto-circuito no rotor é muito raro de acontecer, visto que há uma protecção anterior a sua causa.

17. PROTEÇÃO DO ROTOR CONTRA FALTA A TERRA • Umas das protecções mais usuais para falta a terra, é a de um relé de sobretensão colocado em série com um resistor (de valor elevado que lhe permitirá o seu ajuste) entre o circuito de campo e o terra.

18. PROTEÇÃO CONTRA AQUECIMENTO DO ROTOR • Aquecimento do rotor devido a correntes desequilibradas do estator. • As correntes desequilibradas no estator podem ser devido : • Abertura de uma linha ; • Falta de contacto de um pólo do disjuntor ; • Falta no enrolamento do estator ; • A corrente desequilibrada do estator induz uma corrente no rotor.

19. PROTEÇÃO CONTRA AQUECIMENTO DO ROTOR • Essa corrente induzida no rotor lhe causará um sobreaquecimento. • Causando danos perigosos como : • Afrouxar as cunhas e anéis de retenção do enrolamento ; • O tempo que o rotor pode suportar esta condição é inversamente proporcional ao quadrado da corrente desequilibrada do estator : • K = I².T (corrente em ampéres, tempo em segundos)

20. PROTEÇÃO CONTRA AQUECIMENTO DO ROTOR • Para turbina a vapor : • K = 7 à 30 ; • Para turbina hidráulica : • K = 40 à 60 ; • Uma das protecções é o relé de tempo inverso. • Geralmente o fabricante fornece a curva K = I².T do gerador para permitir o ajuste do relé.

21. PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE EXCITAÇÃO OU DE CAMPO • É caracterizada como condições anormais de funcionamento. • A perda de excitação faz com que o gerador puxe corrente reactiva da rede ao invés de fornecer. • Consequências em questões de minutos : • Desequilíbrio magnético na máquina; • Rotor mais acelerado; • Sobreaquecimento no equipamento.

22. PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE EXCITAÇÃO OU DE CAMPO • No estator, também haverá uma sobrecorrente, e seu aquecimento, porém, mais lento que no rotor. • Alguns sistemas não toleram a operação do gerador sem ou com baixa excitação. • Visto que em poucos minutos a perda de excitação já gera perigo e prejuízo econômico, as protecções tem que ter uma resposta rápida.

23. PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE EXCITAÇÃO OU DE CAMPO • Um dos relés mais utilizados é o relé direccional. • Alimentado pela corrente e tensão alternada do gerador.

24. PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE EXCITAÇÃO OU DE CAMPO • O relé funcionará de modo a analisar se o sentido da corrente reactiva é para o gerador ou para a rede. • O funcionamento do gerador sem excitação, necessitará de uma cuidadosa análise antes de religá-lo a rede, para não haver perigo.

25. Protecção contra Sobretensão • Esta protecção é recomendada em geradores accionados por turbinas hidráulicas ou a gás. • A protecção é garantida pelo regulador de tensão, ou por um relé de sobre tensão temporizado. • Observamos a ocorrência de um filtro que é responsável por deixar o relé insensível à variação da frequência.

26. Protecção contra aquecimento do rotor devido a sobreexcitação • Esta protecção é garantida pela protecção contra sobreaquecimento do estator, ou pela característica de limitação do equipamento regulador de tensão.

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

28. Protecção contra Sobrevelocidade • A sobre velocidade deve ser especialmente acompanhada nos turbo geradores. O correcto funcionamento das válvulas de vazão e a verificação dos procedimentos de operação para inserir e remover cargas devem fazer parte da manutenção periódica. • As grandes turbinas possuem wattímetros que identificam repentinas diminuições na carga e fecham válvulas emergenciais para diminuir o fluxo na turbina. • A velocidade pode ser monitorado ainda por chave centrifuga ou um relé de sobre frequência.

29. Protecção contra motorização • Para fazer esta protecção devemos monitorar a turbina, monitorando tempos críticos de operação fornecidos pelos fabricantes. • Esta protecção deve ser efectiva pois o gerador pode se tornar uma carga indesejável para a rede resultante, operando como motor e traccionando o conjunto gerador-turbina. • Por ser um fenómeno simétrico, usam-se relés temporizados monofásicos de potencia inversa para esta supervisão.

30. Protecção contra sobreaquecimento dos mancais • É utilizado um bulbo termométrico colocado em algum orifício do mancal, ou por detector de temperatura, tipo resistencia embutido no mancal. • Em geral só há atuação de alarme em centrais.

31. Definições • Custo beneficio • Pequeno investimento e grandes ganhos • Essencial num sistema de energia • Muito desenvolvido os esquemas de protecção e relés, restando poucos avanços nesse ramo