Protecção de Motores

1. Protecção de Motores Disciplina de Sistemas de Protecção 2 Dezembro 2005 Miguel Freitas & José Carvalho

2. SUMÁRIO Pontos Essenciais da Apresentação • Aspectos gerais da protecção de motores • Tipos de defeitos • Tipos e formas de protecção • Exemplo de um sistema de protecção completo Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

3. Motores CC e Motores CA Conceitos essenciais idênticos Atender às especificidades de cada motor Dimensão, Custo e Complexidade do Sistema de Protecçãodependem: • Condições de funcionamento do motor • Defeitos que possam ocorrer • Qualidade e continuidade de serviço pretendida • Potência do motor ASPECTOS GERAIS As Ideias base Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

4. Dispositivos de Protecção Montados juntamente com o sistema de controlo do motor Sensores térmicos montados no interior do motor Motores de pequena dimensão • Normalmente controlados e comutados por contactores • Protegidos por fusíveis Motores de maior dimensão >100kW • Normalmente protegidos por relés • Relés actuam sobre disjuntores capazes de interromper correntes elevadas ASPECTOS GERAIS Tipos de Protecção e Dimensão do Motor Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

5. Aquecimento Aquecimento Aquecimento Aquecimento Aquecimento TIPOS DE DEFEITOS A Detectar pelas Protecções • Sobrecargas • Defeitos Entre Fases ou Fase Terra • Troca de Fases da Alimentação • Redução ou Quebra da Tensão de Alimentação • Assimetria de Fases • Temperatura Elevada/Pouca Ventilação • Perda de Carga, Perda de Sincronismo…. Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

6. Objectivo Garantir que os isolantes mantenham as suas características mecânicas e dieléctricas. Problema Difícil acompanhar a curva de aquecimento de um motor com um único relé. Utilização de 2 Relés Relé térmico de sobrecarga e Relé de Sobreintensidade Sobrecargas Protecção Contra Sobrecargas Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

7. Protecção Contra Sobrecargas Pequenas, e de Média ou Longa duração. • Realiza uma réplica da temperatura no interior do motor através da leitura da corrente absorvida pela máquina. • Actua em tempo fixo para uma determinada corrente de sobrecarga. Relé RTS Relé Térmico de Sobrecarga Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

8. Protecção Contra Sobrecargas Severas • Situações de rotor bloqueado • Actua em milissegundos para correntes muito superiores à nominal • Montagem idêntica ao relé anterior Relé RS Relé de Máximo de Intensidade Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

9. Protecção Total Contra Sobrecargas • Utilizando os dois relés em simultâneo • Ou um relé electrónico capaz de realizar as duas funções. RST+ RS Protecção Completa Contra Sobrecargas Relés de Protecção Contra Sobrecargas em Quantas Fases? Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

10. SINGLE-PHASING Protecção Contra Sobrecargas Sobrecarga sob tensões simétricas. Motor Secundário do Transformador Primário do Transformador Sobrecarga sob tensões assimétricas – Single-Phasing Circuito Aberto Primário do Transformador Secundário do Transformador Motor Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

11. Regime de Neutro do Motor • Normalmente não ligado à terra. Protecção Assegurada Por... • Transformador de corrente somador que alimenta o relé de protecção. Relé • De máxima intensidade • Instantâneo ou temporizado Atenção • Protecção contra descargas atmosféricas? • ...possíveis problemas de regulação. • Todavia raros! Vantagens da Protecção • Económica: apenas um T.I. • Não é afectada pela corrente de arranque, nem por assimetrias. DEFEITOS À TERRA Protecção Contra Defeitos à Terra Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

12. SIM: Icc >>Istart Corrente de Arranque Istart Corrente de CC entre fases maior que Istart? Maior Corrente Absorvida Pelo Motor? Na maior parte dos casos... Em Funcionamento Normal... Relé de Máximo de Intensidade (instantâneo) Regulação do Relé I3f> 4,8 Istart Corrente de Disparo (Id) DEFEITOS ENTRE FASES Protecção Contra Defeitos Entre Fases Id < 1/3 I3f Id > 1,6 Istart Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

13. Para que I3f> 4,8 Istart Ptransformador pelo menos 2 x Pmotor Caso contrário Usar uma protecção diferencial, insensível à corrente de arranque. DEFEITOS ENTRE FASES Protecção Contra Defeitos Entre Fases Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

14. Consequências da Tensão Reduzida Tensão Reduzida No arranque No funcionamento normal • Impede o motor de atingir a velocidade nominal de arranque. • Perda de Velocidade Elevação da Corrente -> Fortes Sobrecargas REDUÇÃO DE TENSÃO Protecção Contra Redução ou Quebra de Tensão Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

15. Duas Soluções... • CONTACTORES Actuam instantaneamente para: 50 a 70% de Vnominal. • RELÉS TEMPORIZADOS Previnem disparos intempestivos: cavas de tensão momentâneas. Podem ser ligados a um alarme REDUÇÃO DE TENSÃO Protecção Contra Redução ou Quebra de Tensão Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

16. Problema Motor arrancar em sentido inverso...problemas para a carga Ib Vb Ia Va • Relés de Detecção da Sequência de Tensões Verificam a sequência das tensões Vantagem: Não necessitam que o motor seja alimentado Protegem o motor no arranque e em funcionamento Ic Vc TROCAS DE FASES Protecção Contra Trocas de Fases da Tensão de Alimentação Duas Formas de Detecção • Relés de Detecção da Sequência de Correntes Actuam ao detectarem uma sequência de correntes A,C,B Desvantagem: Necessitam que o motor seja alimentado Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

17. Causas • Possibilidade de uma das fases do sistema de alimentação ser interrompida • Zona afectada por distorção harmónica Relés de Assimetria de Correntes • Comparam as correntes duas as duas: Ia com Ib, e Ib com Ic • Relé Electromecânico Desequilíbrio mínimo detectável depende da construção do relé. Geralmente cerca da 10 a 15%. • Relé Digital Consegue-se regular o nível de desequilíbrio ASSIMETRIAS Protecção Contra Desequilíbrios entre Fases Protecção pode ser assegurada por relés que detectem desequilíbrios de tensões Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

18. Ventilação Inadequada e/ou Elevada Temperatura Ambiente Sem aumentar a corrente absorvida pelo motor! • Protecções de medida indirecta de temperatura não protegem o motor... Sensores de Temperatura • Montados directamente nos enrolamentos • Sensíveis às variações de temperatura • Usados como dispositivos auxiliares aos relés de sobrecarga AQUECIMENTO Protecção Directa Contra Aquecimento Aquecimento Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

19. Classificados em 2 Grandes Classes Permitem medir e monitorizar a temperatura • RTD • Termopar Apenas sensíveis a uma determinada temperatura limite • Termóstato • Termístor RTD [Resistance Temperature Detectors] Condutores Resistência • Constituição: Fio de metal enrolado em forma de espiral dentro de um tubo de vidro ou de cerâmica. • Funcionamento: a resistência eléctrica do fio varia linearmente com a temperatura. • Fio tipicamente de: níquel, cobre ou platina Tubo de vidro AQUECIMENTO Protecção Directa Contra Aquecimento Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

20. RTD [Resistance Temperature Detectors] • Utilização: • Apenas como Medidores da Temperatura do Motor • Medindo R com um ohmímetro ou ponte de resistências. • Convertendo R em t através da característica do RTD. • Meio de Operação de um Relé • Informa continuamente o relé da temperatura do motor. • Se ultrapassar o valor parametrizado, o relé actua. AQUECIMENTO Protecção Directa Contra Aquecimento Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

21. Termopar • Constituição: Dois metais não semelhantes unidos na extremidade. • Funcionamento: gera uma tensão que está relacionada com a temperatura da junção. MetalA junção V Metal B AQUECIMENTO Protecção Directa Contra Aquecimento • Utilização: Semelhante à de uma RTD, mas a temperatura é convertida pela medição de uma tensão. Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

22. Termóstato • Disco de acção de mola bimetálico • Opera um conjunto de contactos quando se atinge uma determinada temperatura. AQUECIMENTO Protecção Directa Contra Aquecimento • Vantagens: • Pode ser directamente ligado a um alarme sem utilizar nenhum relé. • A reposição de serviço pode ser automática se a temperatura baixar. • Desvantagens: • A temperatura de funcionamento é fixada na fábrica e não pode ser ajustada. • Não permite monitorizar a temperatura. Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

23. Vantagens: • Actuação mais rápida que os dispositivos anteriores. • Não sofrem desgaste mecânico. • Desvantagem: • Temperatura de mudança não ajustável. AQUECIMENTO Protecção Directa Contra Aquecimento Termístor • Constituição: dispositivo semi-condutor que altera a sua resistência abruptamente a uma determinada temperatura. • Utilização: mudança de resistência usada para activar um alarme ou desligar o motor. Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

24. Protecção Contra Encravamento • Redunda normalmente na protecção contra sobrecargas • Situação de rotor travado... • Protecção adicional pode ser implementada por relés digitais • Protecção de backup: correntes elevadas durante mais de 1 segundo Protecção Contra Perda de Carga • Motor deve ser retirado imediatamente de serviço • Protecção assegurada por relés digitais: • Medem o valor da corrente durante intervalos de tempo especificados PROTECÇÕES ADICIONAIS • Exemplo: • Motor Carregado: I > 20% Inominal durante pelo menos 2*Tstart • Perda de Carga: 10% Inominal < I < 20% Inominal durante pelo menos 1 segundo Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

25. Protecção Contra Falha no Circuito de Excitação (motores síncronos) • Assegurada por um relé de mínimo de corrente • Ligado ao circuito de excitação PROTECÇÕES ADICIONAIS Protecção Contra Perda de Sincronismo (motores síncronos) • Causas: • Carga excessiva • Tensão de alimentação baixa • Problemas no circuito de excitação • Protecção deriva da dos geradores síncronos Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

26. ESQUEMA DE PROTECÇÃO COMPLETO Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

27. Relé Digital • Um único relé pode proteger contra: • Temperatura Excessiva • Rotor Travado • Assimetria de Correntes • Perda de Carga • Sobrecargas • Defeito à Terra • Tentativas de arranque DISPLAY Botões de Controlo Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

28. Dúvidas? Obrigado pela vossa atenção! Perguntas? Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

29. Protecção de Reactâncias Disciplina de Sistemas de Protecção 2 Dezembro 2005 José Carvalho & Miguel Freitas

30. SUMÁRIO Pontos Essenciais da Apresentação • Conceitos básicos sobre reactâncias; • Exemplos ilustrativos de aplicação; • Noções gerais sobre protecção de reactâncias; • Tipos e formas de protecção; • Exemplo de um sistema de protecção completo. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

31. CONCEITOS BÁSICOS Conceito de Reactância Z = R + jX Indutâncias REACTÂNCIA Consoante o tipo de ligação REACTÂNCIAS SÉRIE REACTÂNCIAS SHUNT Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

32. CONCEITOS BÁSICOS REACTÂNCIAS SÉRIE • VANTAGENS • Diminuição da intensidade da corrente de defeito quando colocadas num ponto específico da rede; • Poupança no investimento visto não ser necessário recorrer à utilização de outras protecções mais complexas e mais caras que suportem correntes de curto-circuito elevadas. • DESVANTAGENS • Preocupações acrescidas na alimentação de cargas com baixos factores de potência; Utilização de reguladores de tensão Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

33. CONCEITOS BÁSICOS REACTÂNCIAS SHUNT • VANTAGENS • Desempenham um papel importantíssimo na compensação das grandes correntes capacitivas que tendem a estar presentes em linhas de transmissão de elevado comprimento. Excesso Energia Reactiva • Baixos factores de potência; • Excesso de kVARs nas linhas; CorrentesCapacitivas Correntes em atraso que compensam excesso de Q • Optimização do cosφ; • Desocupação das linhas; Reactâncias shunt Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

34. APLICAÇÕES Alguns exemplos ilustrativos Reactâncias Série Limitadoras de Corrente • Formada por bobinas trifásicas, colocadas umas sobre as outras utilizando isoladores de suporte entre elas; • Distância entre isoladores garante que a indutância mútua seja inferior à indutância principal; • Limitar as correntes de curto-circuito evitando que atinjam valores passíveis de danificar os equipamentos a que estão ligados; • Permitem utilizar disjuntores e condutores standard evitando a utilização de aparelhos mais complexos e onerosos; Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

35. APLICAÇÕES Alguns exemplos ilustrativos Reactâncias de Choque para Baterias de Condensadores • Limitar as perturbações transitórias e as sobrecorrentes provocadas por baterias de condensadores em paralelo mediante a colocação em série de damping reactors de choque com essas mesmas baterias; • Muito similares às reactâncias série mas com uma impedância um pouco mais baixa ainda que sejam, geralmente, submetidas a esforços de tensões mais elevados; Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

36. APLICAÇÕES Alguns exemplos ilustrativos Reactâncias de Neutro à Terra • Inserida entre o neutro de um sistema trifásico e a terra; • Limitar a corrente entre uma linha de transmissão directamente ligada à terra, ou reduzir a corrente entre a linha e a terra numa rede de neutro isolado até um valor seguro que garanta a sua protecção. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

37. APLICAÇÕES Alguns exemplos ilustrativos Reactâncias Shunt • Utilizadas para compensar a potência reactiva capacitiva gerada por linhas de transmissão muito compridas sujeitas a um baixo regime de carga. • Colocadas ou retiradas de serviço mediante a utilização de disjuntores próprios e estão normalmente conectadas ao enrolamento terciário do transformador principal, ou, em alguns casos, directamente ao circuito de transmissão. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

38. APLICAÇÕES Alguns exemplos ilustrativos Reactâncias Controladas por Tirístores • Também denominadas por TCR (Thyristor controlled reactors), utilizam-se nos compensadores estáticos de energia reactiva. • São muito semelhantes às reactâncias shunt, mas o controlo da corrente é feito de uma forma contínua através das válvulas dos tirístores. • A reactância trifásica liga-se em triângulo. Cada fase da reactância divide-se em duas bobinas e os tirístores são colocados entre as referidas bobinas. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

39. APLICAÇÕES Alguns exemplos ilustrativos Reactâncias Filtro • Estas reactâncias assumem duas funções: • Produzem potência reactiva capacitiva à frequência básica. • Filtram harmónicos. • Um filtro harmónico é desenhado para ter uma baixa impedância entre fase terra, ou entre fases à frequência harmónica pretendida. Consequentemente, a corrente harmónica fluirá no sentido do filtro e não no sentido da rede eléctrica. • Normalmente cada frequência harmónica necessita de um filtro independente. Para as frequências harmónicas mais elevadas utilizam-se filtros de banda larga. • Algumas destas reactâncias filtro possuem tomadas que permitem ajustar a frequência que se pretende filtrar. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

40. Protecção Noções Gerais Sobre Protecção de Reactâncias Em termos construtivos: Reactância ≈ Transformador Sistemas de Protecção Semelhantes A resposta é SIM, mas no caso das reactâncias a questão é mais simples. Porquê? • Duas razões fundamentais: • Existência de um único enrolamento; • Ausência de correntes transitórias de magnetização do núcleo aquando da sua colocação em serviço. Pode ainda dar-se o caso da reactância estar numa zona já protegida e não ser necessária nenhuma protecção adicional. Por exemplo, reactâncias ligadas a barramentos já protegidos e reactâncias em série com cargas já protegidas. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

41. Protecção Tipos de Defeitos Mais Comuns • No que respeita às reactâncias, os tipos de defeitos mais usuais são: • Defeitos fase-terra; • Curto-circuitos entre fases no caso de um banco de reactâncias; • Curto-circuitos entre espiras das bobinas; • Sobreaquecimento dos enrolamentos devido a sobrecargas ou falhas nos sistemas de refrigeração. Está testado que este tipo de defeitos rapidamente se escoam pela terra e são detectados pelas protecções de defeitos à terra. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

42. Protecção Reactâncias Série Protecção Diferencial O sistema funciona através da comparação das correntes que circulam em direcção à reactância com as correntes que dela saem – teoria da circulação de correntesMerz-Price. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

43. Protecção Reactâncias Série Protecção Diferencial Situação de um defeito fase-terra interno Se a diferença entre as correntes que percorrem o relé for superior a um valor predefinido este deverá actuar fazendo disparar um disjuntor que corte o defeito. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

44. Protecção Reactâncias Série Protecção Diferencial Situação de um defeito fase-terra externo As correntes no secundário irão circular com sentidos tais que fazem com que a corrente que circula no relé diferencial seja residual e este não veja o defeito. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

45. Protecção Reactâncias Série Protecção Diferencialbackup contra sobre-intensidades Para se prevenir o caso da falha da protecção diferencial adicionamos uma backup-feature que irá actuar caso isso aconteça. A protecção de backup consiste num relé i.m.d.t. (Inverse Definite Minimum Time) de sobre-intensidades em derivação de um dos grupos de transformadores de corrente. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

46. Protecção Reactâncias Série Protecção Diferencialbackup contra sobre-intensidades + defeitos fase-terra Consiste em conectar residualmente o elemento central do relé de sobre-intensidade e aplicar-lhe uma parametrização mais baixa para defeitos fase-terra. Em condições normais, a corrente no ponto central de ligação dos relés é residual devido ao equilíbrio das fases e ao cancelamento dos vectores das correntes. O relé central passa a detectar a corrente de neutro (soma da corrente das três fases) e assim a funcionar como protecção contra defeitos monofásicos (defeito fase-terra). Os dois relés que não sofrem alteração na sua ligação desempenham a função de protecção contra defeitos trifásicos e/ou bifásicos. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

47. Protecção Reactâncias Série Protecção BuchholzRate-of-Rise-of-Pressure Protection Um banco de reactâncias imersas em óleo não está devidamente protegido se não for munido de um relé de protecção que seja actuado por fenómenos relacionados com o nível de óleo e o gás libertado. Um defeito muito pequeno que se desenvolva lentamente no núcleo da reactância, ou um defeito não visível no tanque das mesmas, não será detectado por outras formas de protecção. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

48. Protecção Reactâncias Série Protecção BuchholzRate-of-Rise-of-Pressure Protection Uma falha que se desenvolva no interior das reactâncias é acompanhada pela libertação de gases provenientes do aquecimento do óleo. Estes gases, libertados em forma de bolhas no recipiente da protecção afectam a posição de flutuadores existentes no seu interior. Consoante a gravidade do defeito, estas bolhas provocarão o movimento dos flutuadores e o resultante actuar de um alarme (no caso de bolhas pequenas) ou provocar o disparo de um disjuntor (no caso de bolhas de maior volume). Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

49. Protecção Reactâncias Série Protecção Térmica dos Enrolamentos O sobreaquecimento derivado de uma sobrecarga prolongada ou uma falha no sistema de refrigeração, irá resultar, se for permitido por não actuação de protecções, numa deterioração prematura do isolamento e numa consequente drástica redução do tempo de vida útil da máquina. Para se aplicar uma protecção contra o sobreaquecimento do enrolamento, utiliza-se um termómetro como o esquematizado na figura ao lado. Este mecanismo faz uma medição da temperatura do óleo do tanque que por sua vez é condicionada por uma resistência de aquecimento colocada junto ao termómetro e alimentada por um transformador de corrente localizado nos enrolamentos da reactância. A constante de tempo do termómetro é ajustada de maneira a tirar o máximo partido do tempo que os enrolamentos podem estar sujeitos a sobrecarga sem haver danificação dos isolamentos. De realçar que actualmente já se aplica a protecção térmica dos enrolamentos às reactâncias com isolamento seco. O processo consiste na introdução de uma sonda no seio dos enrolamentos da bobina. Essa sonda é conectada a um sistema medidor de temperatura que, dependendo dos níveis que registar, emite alarmes ou emite uma ordem de actuação às protecções. Para além de assinalar a temperatura dos enrolamentos este mecanismo inclui dois interruptores de mercúrio. Um que inicia um processo de alarme se a temperatura atingir um valor predeterminado (100ºC valor típico) e outro que completa o accionamento do circuito de tripping quando se verifica o atingir de outra temperatura de referência, digamos 120ºC. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

50. Protecção Reactâncias Shunt Protecção Diferencial Se os seis terminais da reactância trifásica estiverem acessíveis é possível aplicar um sistema de protecção diferencial similar ao que se apresentou anteriormente. Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas