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

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

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3 Introdução Causa primeira: Defeito… Causa primeira: Defeito… Dispositivos de protecção: relés Dispositivos de protecção: relés Esquemas de proteção Esquemas de proteção Relés térmicos, contra sobrecargas Relés térmicos, contra sobrecargas Relés temporizados, a máximo de corrente, contra curto circuitos 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 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 Relés de potencia inversa, para impedir o funcionamento do gerador como motor Protecção diferencial, contra os curto circuitos entre enrolamentos entre fases diferentes Protecção diferencial, contra os curto circuitos entre enrolamentos entre fases diferentes Protecção contra defeitos em massa, do estator e do rotor Protecção contra defeitos em massa, do estator e do rotor Protecção contra curto circuito de espiras da mesma fase Protecção contra curto circuito de espiras da mesma fase Protecção contra abertura acidental ou não nos circuitos de exitação 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. 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. 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. 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. 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. 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. Utilizados quando as fases, por motivos construtivos, possuem as fases sub- divididas. Sempre aconselhável nos arranjos bloco- gerador-transformador. 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. 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: O aterramento do neutro de um gerador através de alta impedância tem as 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 fase-terra. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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 O sobreaquecimento pode ser causado por sobrecarga ou falha no sistema de refrigeração. 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. 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. Também podem ser usados relés tipo réplica ou de imagem térmica. Estes, por variação da resistencia fazem atuar alarmes. PROTEÇÃO CONTRA SOBREAQUECIMENTO NO ESTATOR

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

14 PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE SINCRONISMO Na prática, não é usual o emprego dessa protecção; 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. 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; 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; 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; 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 : Consequências da segunda falta : Acarretará um curto-circuito no enrolamento do campo ; Acarretará um curto-circuito no enrolamento do campo ; Desequilíbrio de fluxo no entreferro ; Desequilíbrio de fluxo no entreferro ; Forças magnéticas desequilibradas no rotor, podendo deformar o eixo e quebrar os mancais. 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. 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. 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. Aquecimento do rotor devido a correntes desequilibradas do estator. As correntes desequilibradas no estator podem ser devido : As correntes desequilibradas no estator podem 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 corrente no rotor. 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. Essa corrente induzida no rotor lhe causará um sobreaquecimento. Causando danos perigosos como : Causando danos perigosos como : Afrouxar as cunhas e anéis de retenção do enrolamento ; 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 : 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) K = I².T (corrente em ampéres, tempo em segundos)

20 PROTEÇÃO CONTRA AQUECIMENTO 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 fornece Geralmente o fabricante fornece a curva K = I².T do gerador para a curva K = I².T do gerador para permitir o ajuste do relé. permitir o ajuste do relé.

21 PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE EXCITAÇÃO OU DE CAMPO É caracterizada como condições anormais de funcionamento. 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. A perda de excitação faz com que o gerador puxe corrente reactiva da rede ao invés de 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.

22 PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE EXCITAÇÃO OU DE CAMPO No estator, também haverá uma sobrecorrente, e seu aquecimento, porém, mais lento que no rotor. 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. 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. 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. Um dos relés mais utilizados é o relé direccional. Alimentado pela corrente e tensão alternada do gerador. 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 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Em geral só há atuação de alarme em centrais.

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

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