Proteção de Geradores Elétricos

Olá pessoal vamos conhecer um pouco sobre a proteção de um gerador elétrico em especial o gerador síncrono podemos citar por exemplo a proteção diferencial 87g proteção do rotor à Terra proteção do enrolamento do estator à terra e temos ainda diversas outras proteções como por exemplo a proteção de desequilíbrio para corrente elétrica de sequência negativa proteção de distância não é apenas para linha de transmissão o gerador também utiliza proteção de distância proteção direcional de potência para evitar motorização do gerador proteção de perda de Campo proteção de ângulo de fase que é o relé de perda de

sincronismo também sobrecorrente com restrição de tensão proteção contra sobre excitação subtensão sobre frequência e sobretensão em primeiro lugar o o gerador síncrono tem uma parte fixa chamada estator Onde existe o enrolamento da armadura ou enrolamento estat cólico são três enrolamentos defasados entre si de 120º estamos falando de um gerador síncrono trifásico a parte girante chamamos de rotor e esse rotor ele possui um enrolamento é o enrolamento de Campo que é alimentado por uma fonte de tensão contínua e essa a fonte de tensão que alimenta o enrolamento do rotor chamamos de excitatriz teremos então uma corrente

elétrica contínua circulando no enrolamento do rotor e ela produzirá um campo magnético constante até aí não temos geração de energia elétrica Mas agora vamos acoplar ao rotor uma máquina primária que vai transferir energia mecânica e fará o movimento de rotação do rotor Agora sim teremos a geração de energia elétrica pelo princípio da indução eletromagnética de farad e quando essa máquina primária é acionada pela força das águas temos então uma turbina hidrelétrica e a usina ela é chamada de usina hidrelétrica de igual modo se a máquina primária ela é acionada por uma turbina térmica através da

produção de valor do vapor em alta pressão chamamos então de usina termelétrica outra questão bastante importante é que o enrolamento do estator do gerador ele é normalmente Aterrado e o grande objetivo é a detecção de curto circuito de fase para terra em geral os geradores síncronos TM o enrolamento do estator conectado na ligação estrela e esse aterramento que é o aterramento do neutro da estrela ele pode ser solidamente Aterrado é uma conexão direta com a terra ou então Aterrado através de impedância e essa é a forma mais usual nas grandes hidrelétricas e termelétrica porque essa

impedância ela funciona como limitador da corrente de curto circuito de fase para a terra e mesmo que sejam geradores pequenos temos que fazer o devido aterr ento do neutro da estrela isso para segurança e também para detecção de curto circuito de fase para Terra e vamos agora às proteções do gerador síncrono propriamente ditas vamos verificar cada uma delas e em primeiro lugar verificaremos a proteção diferencial que é o relé 87g relé diferencial do gerador temos aqui o nosso gerador e a proteção diferencial alimentada por por transformadores de corrente posicionados antes e depois do gerador o

relé diferencial ele detecta faltas internas seja curto circuito de fase para terra ou entre fases e ele monitora a diferença entre as correntes elétricas dos T6 tudo que tiver entre os T6 será zona protegida temos aqui o diagrama trifásico do gerador e observe o neutro da estrela Aterrado através de uma impedância temos aqui a lição do nosso relé diferencial monitorando enol do estator oic e pertea de aterramento ela foro vai sensibilidade do relé diferencial para F de Fas para terra e para isso precisaremos de uma proteção de reta chegamos Então à retaguarda da proteção diferencial

do gerador que é a proteção do estator terra é o relé 59 GN Observe se tivermos uma falta do estator para terra um curto circuito monofásico teremos uma corrente elétrica circulando pelo neutro pelo condutor de aterramento e é justamente isso que será monitorado pelo relé 59g n teremos um transformador detectando a sobretensão de neutro então a proteção de estatua Terra nada mais é do que uma detecção de sobretensão de neutro quando ocorre um curto circuito do enrolamento do estator para a terra e como eu já falei anteriormente é uma retaguarda para proteção diferencial principalmente naqueles

casos onde a impedância de aterramento é muito elevada Chegamos em então a proteção de rotor à terra que é o relé 64g lembre-se que o enrolamento do rotor ele é suprido por uma fonte de tensão contínua na verdade não é uma bateria temos um sistema trifásico de retificação e o sistema DC ele é isolado da terra o que significa isso significa que uma fuga Terra no enrolamento do rotor não muda nada o gerador continua operando normalmente o problema ocorre com a segunda fonte de fuga Terra Aí sim teremos um problema e danificação do enrolamento do

gerador teremos fluxos diferentes no entreferro da máquina assíncrona produzindo conjugados desbalanceados resultando em vibração e dando-nos ao eixo e mancais do gerador dito isso temos que detectar de cara a primeira fuga Terra porque se esperarmos pela segunda teremos então a danificação do enrolamento do rotor e temos duas técnicas simples para identificar essa fuga terra a primeira é utilizando um divisor de tensão e um detector de corrente elétrica conectado à Terra Observe quando ocorrer uma fuga a terra teremos o fechamento de um circuito pela terra e haverá corrente elétrica no detector e assim o gerador será

desligado um outro método bastante utilizado é através da injeção de uma corrente elétrica alternada passando por uma ponte de diodos em condição normal não haverá fuga à terra e o detector não detectará corrente elétrica no entanto havendo fuga Terra teremos um circuito fechado e temos então a detecção de corrente elétrica são dois métodos simples e bastante eficazes uma outra proteção bastante importante é o relé 32 que é o direcional de potência o grande objetivo dele é evitar a motorização do gerador ou seja esse gerador ele não pode se transformar no motor e quando isso acontece

quando é que um gerador motoriza normalmente é uma falha na máquina primária na turbina com ausência de suprimento de energia mecânica E aí esse gerador que devia apenas injetar potência ativa ele passa a consumir potência ativa como um motor elétrico Observe aqui os eixos da potência ativa e potência reativa quando a potência ativa ela é positiva nós temos a operação como gerador quando essa potência ativa ela é negativa nós temos o gerador operando como motor síncrono e a pergunta mais importante é qual é o problema de um gerador síncrono funcionar como motor síncrono nesse caso

ele Vai admitir uma potência reversa ele vai consumir potência ativa da rede elétrica como o motor no caso das hidrelétricas essa potência reversa vai provocar cavitação na turbina hidrelétrica o objetivo do relé 32 não é a proteção do gerador em si mas da turbina seja uma turbina hidrelétrica ou turbina de uma termelétrica e essa cavitação da turbina ela provocará vi ações e problemas graves outra coisa se a terma elétrica for a óleo como por exemplo um moto gerador podemos ter incêndio e explosão de todo aquele óleo diesel que não foi queimado no interior do motor

e nas termoelétricas com turbinas a gás podemos ter danificação do compressor e na turbina a vapor sobreaquecimento das lâminas do rotor são problemas gravíssimos que devem ser evitados é por isso que os geradores utilizam o relé 32 Mas aí você pode dizer Professor existem geradores síncronos que operam como compensador síncrono consumindo um pequeno percentual de potência ativa É verdade mas para essa operação de gerador como compensador síncrono deve ser desativado o relé 32 que é o relé direcional de potência senão ele irá detectar a potên reversa e desligará o gerador vamos agora ao relé 46

que é o relé que monitora desequilíbrio de sequência negativa Perceba o seguinte o gerador síncrono alimentando uma carga trifásica equilibrada só existirão componentes de sequência positiva mas se houver um desequilíbrio teremos a presença de componentes negativas perceba as correntes desequilibradas no gerador elas produzem correntes de sequência negativa e qual é a consequência dessas componentes de sequência negativa teremos um fluxo magnético que gira em oposição ao rotor e haverá também a indução de correntes elétricas de dupla frequência no rotor tudo isso provocará o derretimento do núcleo do rotor é algo gravíssimo por isso temos que utilizar

relés de sobrecorrente com filtro de sequência negativa Ou seja é um relé de sobrecorrente especial para detecção de correntes de sequência negativa e uma pergunta importante Quais são as causas das correntes desequilibradas ora a presença de transformadores monofásicos linhas de transmissão sem transposição cargas trifásicas desequilibradas também curtos circuitos desequilibrados no sistema ou ainda condutores com alguma fase em aberto tudo isso pode provocar correntes desequilibradas e a consequência são correntes de sequência negativa e essa corrente sequência negativa ela normalmente é limitada ao valor máximo de 10% e todo fabricante de gerador síncrono ele fornece um gráfico

onde temos a corrente elétrica de sequência negativa em função do máximo tempo que o gerador pode suportar sem que haja dano nesse caso o relé 46 do gerador deve estar coordenado com este gráfico vamos agora ao relé 24 que é a proteção contra a sobre excitação do gerador síncrono e nós já sabemos que a excitação é a alimentação DC do enrolamento do rotor o enrolamento de campo e essa tensão induzida isso consta em qualquer livro de máquinas elétricas ela é proporcional ao número de espiras ao fluxo magnético e a frequência elétrica se nós isolarmos o

fluxo magnético ele será proporcional a razão entre tensão e frequência elétrica e quando dizemos que o enrolamento está sobre excitado é porque aumentamos a relação entre tensão e frequência elétrica e essa sobre excitação ela provoca aumento da corrente de Campo no enrolamento do rotor e consequente sobreaquecimento e falha de isolação por isso que é tão importante o relé 24 que ele monitora a relação entre tensão e frequência e os fabricantes dos geradores síncronos eles fornecem uma curva do tempo máximo de suportabilidade do gerador para uma sobre excitação ou seja em função da relação tensão frequência

em percentual temos o tempo máximo que o enrolamento de Campo suporta sobre esse vamos agora ao relé 51v que é o relé de sobrecorrente com restrição de tensão Observe o seguinte quando ocorre um curto circuito no terminal de um gerador síncrono dois fenômenos acontecem teremos uma sobrecorrente e também uma subtensão o gerador ele não consegue manter a tensão terminal e muitas vezes a corrente de curto circuito se torna menor que a corrente de carga nessa situação devemos utilizar o relé de sobrecorrente com restrição de tensão vamos agora verificar qual é a sua estratégia temos aqui

um gráfico da corrente elétrica em função do tempo temos aqui a curva de atuação do relé para uma tensão nominal de 100% Perceba o seguinte o relé de sobrecorrente com restrição de tensão quando ele percebe a queda de tensão junto a um curto circuito ele aumenta a sensibilidade temos um deslocamento da curva de atuação perceba para tensão de 80% e 60% da tensão nominal Então esse é um relé muito utilizado em geradores síncronos e por fim chegamos ao relé 78 que é o relé de perda de sincronismo mas o que vem a ser perda de

sincronismo é a perda do acoplamento magnético entre enrolamento de Campo que é o enrolamento do rotor e a armadura que é o enrolamento do estator nesse momento deixamos de ter um gerador síncrono e o gerador passa ser gerador de indução Porque existe um escorregamento uma diferença de velocidade entre velocidade do rotor e a velocidade do campo magnético do estator e a consequência são correntes elétricas induzidas muito elevadas que provocam sobreaquecimento danos ao enrolamento e esforços torcionais severos é por isso que entra em Ação o relé 78 desligando o gerador para proteção do enrolamento vamos agora

entender um pouco mais sobre perda de sincronismo temos em tela o campo magnético do rotor e o campo magnético do estator esse ângulo Delta ele é o ângulo de carga e ele significa que é o ângulo entre o campo magnético do rotor e o campo Mag magnético do estator Observe quando eles estão alinhados Delta iG 0 não temos geração elétrica na medida que aumentamos a geração aumentamos consequentemente o ângulo de carga ou seja quanto maior o ângulo de carga maior será a potência gerada no gerador síncrono consid em tela a expressão matemática da potência trifásica

do gerador síncrono e perceba que ela depende do seno do ângulo Delta vamos aqui colocar o gráfico da potência em função do ângulo Delta Observe temos aqui ângulo Delta igual 90º teremos a potência máxima porque o seno é máximo no ângulo de 90º essa região de 0 a 90º chamamos de região estável no entanto quando o ângulo Delta ultrapassa de 90º temos uma região instável porque o seno do ângulo acima de 90 ele ele é negativo dessa forma o gerador perde o sincronismo e podemos dizer que o ângulo de carga ele não pode ultrapassar 90º

Essa é a condição limite a partir daí teremos a perda do sincronismo vamos agora avaliar de forma prática o comportamento do ângulo de carga do gerador síncrono em função de uma oscilação de potência que pode ser provocada por exemplo pela perda de um grande bloco de carga ou de geração ou ainda diante de uma falta um curto circuito no sistema elétrico Observe na simulação a variação do ângulo de carga perceba que o ângulo de carga vai aumentando e se aproximando dos 90º até que ele supera o 90º e acontece a perda do sincronismo perceba claramente

que a perda de sincronismo do gerador ocorreu na oscilação não amortecida e o ângulo de carga superou 90º tivemos então a perda de sincronismo e o relé 78 que é o relé de perda de sincronismo ele deve desligar o gerador antes que aconteça a perda de sincronismo Essa é a função do relé 78 É isso aí pessoal Espero que tenham gostado do vídeo Um forte abraço e bons estudos