análise dos problemas causados pela perda parcial de excitação

ANÁLISE DOS PROBLEMAS CAUSADOS PELA PERDA PARCIAL DE
EXCITAÇÃO EM GERADORES SÍNCRONOS
Alex Itczak(1), Arian Rodrigues Fagundes(2),Eduardo Machado dos Santos(3)
(1)
Estudante; Universidade Federal do Pampa; Alegrete, RS; [email protected];
Estudante; Universidade Federal do Pampa; Alegrete, RS; [email protected];
(3)
Orientador; Universidade Federal do Pampa;
(2)
RESUMO: Um gerador síncrono é uma fonte de tensão com frequência constante que fornece potência a uma carga,
onde sua tensão terminal é controlada pelo sistema de excitação, o qual fornece corrente contínua ao enrolamento de
campo do gerador, produzindo um campo magnético. Porém, sabe-se que podem ocorrer problemas no gerador devido
à baixa corrente de excitação (subexcitação do gerador), tais como aquecimento, perda de sincronismo, sobreexcitação
em outras máquinas, processamento de energia reativa indutiva vinda da rede, entre outros. Dessa forma, é necessário
exercer maiores estudos a respeito da perda parcial de excitação. Essa pesquisa tem por objetivo estudar os problemas
causados pela perda parcial de excitação em geradores síncronos, através da realização de simulações e análises de
situações onde ocorram perdas parciais de excitação.
Palavras-Chave: Sistemas Elétricos de Potência, perda parcial de excitação, geradores síncronos.
INTRODUÇÃO
Segundo Fitzgerald et. al (1996), um gerador síncrono é uma fonte de tensão com frequência
constante, que fornece potência a uma carga. Sua tensão terminal é controlada pelo sistema de excitação,
o qual fornece corrente contínua ao enrolamento de campo do gerador, produzindo campo magnético.
Quando este campo é enfraquecido por problemas na fonte de corrente contínua, o gerador opera
subexcitado, o que pode provocar o aquecimento da máquina, além de provocar o processamento de reativos
indutivo e poder causar a perda de sincronismo, entre outros problemas.
No gerador síncrono, utiliza-se uma proteção específica para a perda de excitação (função ANSI
40), a qual detecta a subexcitação da máquina e a desconecta da rede, mantendo a estabilidade do sistema
elétrico de potência.
Uma vez que a criação do campo magnético girante ocorre a partir da energização do rotor com
corrente contínua, o qual induz tensão nas bobinas do estator quando em movimento pela variação do fluxo
magnético, a tensão nos terminais do gerador depende da intensidade da tensão na fonte de corrente
contínua. Logo, se a excitação do rotor for perdida, não será produzida tensão nos terminais da máquina
geradora e a produção de energia elétrica da unidade ficará comprometida, bem como o sistema elétrico a
ela conectado.
Em relação ao desempenho da proteção do sistema, é comum ocorrer vários desligamentos
impróprios de unidades geradoras caso não exista um controle da perda total ou parcial de excitação.
Ressalta-se que, para um bom funcionamento do relé de proteção exercendo a função ANSI 40, é
necessário realizar a coordenação entre a proteção e o ajuste do limite da subexcitação da máquina.
Segundo (Coelho, 2014), o ajuste típico da proteção ANSI 40 sugere que se aplique a proteção contra a
perda total de excitação, sendo que a proteção do ajuste para a perda parcial de excitação pode causar
desligamento indevido, deixando o gerador vulnerável a graves danos causados pela perda parcial. Além
disso, a perda parcial de excitação também pode afetar a estabilidade do sistema de energia.
Assim, a realização do estudo sobre os problemas causados pela perda parcial de excitação em
geradores síncronos se faz importante, pois o desenvolvimento de metodologias capazes de detectar esse
problema e sua aplicação em relés de proteção previne que a máquina seja danificada, além de aumentar a
confiabilidade do sistema elétrico.
A presente pesquisa apresenta um estudo sobre os problemas causados pela perda parcial de
excitação em geradores síncronos, através da realização de simulações e análises de situações onde
ocorram essas perdas. A partir dessas análises, foram determinadas as variações típicas em parâmetros
elétricos como a tensão terminal, as potências ativa e reativa, para diferentes níveis de perda de excitação.
Dessa forma, o estudo apresentado constitui a etapa preliminar para o desenvolvimento de metodologias
para detecção das perdas parciais de excitação.
Anais do VII Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão – Universidade Federal do Pampa
METODOLOGIA
®
O sistema teste da Figura 1 foi implementado no software Dig-Silent , onde foram simulados
diferentes casos de perdas parciais e totais de excitação. Nessas simulações, foram analisados o
comportamento da tensão na barra de geração (Barra A), bem como as alterações nas potências ativas e
reativas das máquinas geradoras, após a incidência de um evento de perda parcial (tensão de excitação
menor que 1 p.u. e maior que zero) ou total de excitação em pelo menos uma das máquinas.
Figura 1. Sistema teste implementado.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Alguns dos resultados obtidos para perdas parciais de excitação no gerador 1, bem como a perda
total de excitação essa máquina, são mostrados na Figura 2.Na figura 2(a), podem-se observar os
afundamentos de tensão na barra de geração, provocados quando a excitação da máquina é reduzida para
0,5 e 0,9 p.u., além do afundamento provocado pela perda total de excitação.
É importante ressaltar que, embora o maior afundamento de tensão ocorra para a perda total de
excitação, as reduções provocadas pelas perdas parciais não devem ser desprezadas, uma vez que
afundamentos deste tipo podem provocar colapsos de tensão, comprometendo a estabilidade do sistema, o
que pode acarretar em blecautes. Já a Figura 2(b) e Figura 2(c) apresentam as variações de potência
reativa e potência ativa do gerador 1 para os casos de perda de excitação citados anteriormente. Em (b),
verifica-se que, a partir do instante em que a máquina passa a opera sem excitação ou subexcitada, esta
deixa de entregar reativos ao sistema, processando potência reativa proveniente da rede e das demais
máquinas da estação geradora, quando estas encontram-se em serviço. Ressalta-se que o processamento
de reativos indutivos, em qualquer nível, provoca o aquecimento da máquina, reduzindo sua vida útil, além
de poder causar incêndios. Por fim, em (c), pode-se observar que, nos três casos, a potência ativa gerada
pela máquina em questão diminui de forma considerável quando a máquina encontra-se sem excitação ou
subexcitada em 0,5 p.u.
Figura 2. Gráficos das simulações para diferentes níveis de subexcitações. Em (a) é apresentado a tensão
de fase, em (b) a potência reativa, e (c) a potência ativa.
CONCLUSÕES
Tendo em vista os resultados obtidos, conclui-se que geradores síncronos operando subexcitados
podem comprometer a estabilidade do sistema, uma vez que provocam o afundamento de tensão na barra
da estação geradora. Além disso, tais máquinas, operando em condições de subexcitação, perdem
capacidade de geração de potência ativa, processando uma parcela de potência reativa, o que pode
provocar sobreaquecimento da máquina podendo causar o desgaste da isolação dos condutores, bem
como a redução no rendimento e na vida útil da máquina. Sendo assim, pode-se concluir também que existe
a necessidade de proteger os geradores síncronos contra perdas parciais de excitação.
REFERÊNCIAS
COELHO, A. L. M., et. al, Loss-of-Excitation Protection and Underexcitation Controls Correlation for Syncronous
Generators in a Real Time Digital Simulator. 8th Power Systems Protection and Control Conference, 2014.
FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY Jr., Charles; UMANS, Stephen. Máquinas Elétricas: Com introdução à eletrônica
de Potência. 6. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006.
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