gerador tensão

SISTEMAS DE PROTEÇÃO
ALTERNADORES
Alisson S. Takahashi
Henrique S. Higa
Rafael Simon
Sérgio S. Prestes
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
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
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.
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
prédeterminada.
PROTEÇÃO DIFERENCIAL DO ESTATOR
CONTRA CURTO CIRCUITO ENTRE ESPIRAS
 Utilizados quando as fases, por motivos
construtivos, possuem as fases subdivididas.
 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.
ESQUEMÁTICO DE UMA PROTEÇÃO
DIFERENCIAL TRANSVERSAL
PROTEÇÃO DIFERENCIAL DO
ESTATOR CONTRA FALTA A TERRA
 O aterramento do neutro de um gerador
através de alta impedância
seguintes finalidades:
tem
as
 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.
 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.
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.
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.
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.
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.
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;
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.
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.
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.
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)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Protecção contra vibração
 A protecção do rotor contra sobreaquecimento
devido a correntes desequilibradas no estator,
minimiza ou elimina a vibração, dispensando
protecção especifica.
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.
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.
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.
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