1. PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE CAMPO OU EXCITAÇÃO/SINCRONISMO
1.1. A perda de campo em geradores s íncronos acionados por máquinas térmicas pode proporcionar as seguintes consequências: • O gerador vai operar como gerador de indução. • O conjunto máquina primária-gerador tem a sua velocidade angular aumentada. • Ocorrência de sobretensões no sistema. • Quanto maior for o escorregamento, menor será a potência gerada. • O desempenho de outros geradores conectados ao sistema será afetado devido à significativa potência reativa absorvida da rede pelo gerador defeituoso.
1.1.1. Já a proteção contra perda de campo magnético dos geradores síncronos, em geral, é feita utilizando relés de distância direcionais instalados nos terminais do gerador “vendo” o seu interior. Finalmente a proteção por perda de excitação pode ser realizada por um dos seguintes relés: • Relé de subtensão. • Relé de impedância do tipo MHO. • Relé direcional.
2. PROTEÇÃO CONTRA CARGAS ASSIMÉTRICAS
2.1. O rotor de um gerador pode sofrer sobreaquecimento inadmissível quando o estator está submetido à componente de sequência negativa devido ao desequilíbrio da carga elétrica alimentada pelo gerador, provocando: tensões de fase também desequilibradas; assimetria do sistema elétrico devido à inexistência de transposição das linhas de transmissão; defeitos monopolares no sistema; e falta de fase na rede. Normalmente se utiliza para proteção contra cargas assimétricas um relé de sobrecorrente temporizado de tempo inverso agregado a um filtro de sequência negativa.
3. PROTEÇÃO CONTRA SOBREVELOCIDADE
3.1. O sistema de proteção contra sobrevelocidade consiste na instalação de um pequeno gerador de imã permanente no eixo do gerador principal que tem a função de fornecer ao regulador de velocidade uma tensão proporcional à velocidade desenvolvida pelo gerador. A sobrevelocidade é medida pelo dispositivo do sinal de rotação, função 12, fixado no eixo do gerador, podendo enviar esse sinal para o alarme ou atuação.
4. PROTEÇÃO CONTRA FALTAS NA REDE ELÉTRICA
4.1. A proteção de sobrecorrente de geradores não oferece segurança e confiabilidade para falhas internas ao gerador, sendo considerada uma proteção de segunda linha ou de retaguarda. Podem ser utilizados relés de sobrecorrente de tempo inverso ou de tempo definido.
4.1.1. Proteção de sobrecorrente
4.1.1.1. Para atender às diversas expectativas de proteção de sobrecorrente do gerador e de proteção de retaguarda das demais partes da rede, são normalmente utilizados os relés de proteção de sobrecorrente temporizados associados aos relés de sobrecorrente temporizados e agreguados a uma unidade sensível à tensão entre fases que faça restrição à atuação do relé em condições de sobrecarga admitida, onde a tensão da rede é igual ou muito próxima da tensão nominal.
5. PROTEÇÃO CONTRA SOBRE E SUBFREQUÊNCIAS
5.1. A operação em sobrefrequência é necessária quando o gerador não pode entregar a energia gerada, e como essa energia tem que ser consumida, ela é normalmente transformada em energia cinética. Já a subfrequência é normalmente o resultado do desligamento de uma grande unidade de geração operando num sistema interligado, por exemplo, em que a carga a ele conectada continua solicitando demanda de fornecimento.
5.1.1. A proteção contra sobre e subfrequência é feita por meio de relés dotados da função 81.
6. PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
6.1. Os para-raios instalados na saída das linhas aéreas são a melhor proteção contra as descargas atmosféricas. A instalação desses dispositivos deve estar o mais próximo possível dos terminais do conjunto gerador-transformador.
7. PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA DE FASE
7.1. Os geradores elétricos podem ser protegidos por meio de relés de distância. Essa forma é conhecida como proteção de mínima impedância. É utilizada de forma complementar às proteções ditas de primeira linha. Normalmente é aplicada no conjunto formado pelo gerador e o seu respectivo transformador elevador e se destina à proteção de defeitos ocorridos na mesma zona de proteção coberta pela unidade diferencial, ou seja, envolvendo os enrolamentos do gerador até parte dos enrolamentos do transformador elevador correspondente.
8. É conveniente descrever sucintamente as funções de cada um dos elementos de controle de um gerador síncrono.
8.1. • Regulador de tensão: tem como função controlar a tensão de saída da excitatriz que alimenta o campo magnético do gerador de forma que a potência reativa gerada e a tensão nos terminais do gerador variem de acordo com as necessidades do sistema elétrico. • Excitatriz: em construções mais antigas a excitatriz era constituída de um gerador de corrente contínua fixado no eixo do gerador. Atualmente outros sistemas são utilizados, como o sistema excitação estática com uso de tiristores. • Controles auxiliares: genericamente podem ser definidos como funções empregadas para estabelecer os limites de sub e sobre-excitação, compensação de corrente reativa etc.
9. Os geradores são máquinas de grande importância dentro de um sistema de potência. A sua falha ou saída intempestiva provoca graves consequências no sistema elétrico se não houver geração disponível para substituir a unidade defeituosa. Em virtude disso, o seu esquema de proteção deve abranger um grande número de falhas possíveis, tornando-se muitas vezes complexo o sistema de proteção adotado.
9.1. Os dispositivos de proteção de geradores síncronos devem evitar a ocorrência de defeitos e, se eles ocorrerem, minimizar os danos decorrentes. Assim, na ocorrência de um defeito entre duas espiras de um enrolamento, o dano deverá ficar limitado a essa bobina com a intervenção segura do elemento de proteção. Caso a proteção não atue adequadamente, essa pequena avaria poderá estender-se às outras bobinas, culminando com um dano de maior natureza ou irreversível.
9.1.1. Entre as causas que podem resultar em falhas nas unidades de geração, destacamos as seguintes: a) Falhas construtivas e de materiais b) Origem externa c) Origem interna d) Origem nos equipamentos agregados
10. Os geradores síncronos são máquinas elétricas constituídas de enrolamentos estatóricos instalados na sua parte fixa denominada estator ou armadura que está conectada à rede elétrica, e de enrolamentos rotóricos, também denominados enrolamentos de campo, instalados na sua parte móvel denominada rotor. Uma fonte de corrente contínua alimenta os enrolamentos de campo originando um campo magnético, que em rotação no interior da armadura, induz uma tensão alternada nos enrolamentos estatóricos a uma frequência diretamente proporcional à rotação do rotor e ao número de polos do gerador.
11. PROTEÇÃO CONTRA SOBRECARGA
11.1. Quando as sobrecargas aquecem os enrolamentos que, atingindo valores de temperatura superiores à elevação de temperatura admitida pelo fabricante, reduzem a vida útil da máquina. Para proteger os enrolamentos de possíveis sobrecargas nos geradores podem ser utilizados relés de sobrecorrente temporizados, porém sem oferecer uma proteção satisfatória. Outra forma de proteção é o uso de relés térmicos utilizados em disjuntores ou contactores. No entanto, a solução mais adequada é o uso de relés digitais de imagem térmica. Esses relés funcionam com base em um software que simula as características térmicas dessas máquinas, em operação a quente e a frio, e quando este atinge o nível equivalente ao obtido pela circulação permanente da corrente máxima admitida para aquela máquina em particular o relé envia um sinal de atuação para o disjuntor.
12. PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE CORRENTE
12.1. A proteção diferencial de corrente em geradores tem como objetivo reduzir os danos internos à máquina para defeitos trifásicos, bifásicos e fase à terra. A sua aplicação é em parte semelhante à dos transformadores de potência. No entanto, o sistema de aterramento do neutro do gerador é de fundamental importância para aplicação da proteção diferencial.
12.1.1. Os relés diferenciais protegem os geradores contra os seguintes defeitos: • Defeitos nos condutores instalados na zona de proteção diferencial. • Defeitos internos ao gerador, com exceção de falta entre espiras. • Defeitos monopolares à terra em qualquer ponto dos enrolamentos do estator, com exceção das faltas próximas ao ponto neutro do gerador, conforme será adiante estudado.
13. PROTEÇÃO CONTRA SUB E SOBRETENSÕES
13.1. Os eventos de subtensão, a função 27 dos relés de tensão, podem surgir a partir da perda de uma unidade de geração, da ocorrência de uma falta próxima ao ponto de conexão do gerador ou de um aumento abrupto da demanda.Os eventos de sobretensão, função 59 dos relés de tensão, podem surgir a partir de uma operação incorreta ou mesmo de falha do regulador de tensão.
13.1.1. A reação inicial contra essas variações normalmente é oferecida pelo regulador de tensão do gerador. Adicionalmente utiliza-se um relé de sobretensão de ação temporizada ajustado para um valor da tensão de 110% da tensão nominal com um tempo de atuação do relé de 10 s.
14. PROTEÇÃO CONTRA MOTORIZAÇÃO
14.1. Quando ocorre a ausência de suprimento do energético da máquina primária, sem a intervenção da proteção, o gerador passa a funcionar como um motor síncrono, acionando agora a máquina primária. Além do aquecimento do gerador, os danos podem ser maiores na máquina primária. A proteção indicada para a essa situação operacional é o relé direcional de potência
15. CORRENTES DE CURTO-CIRCUITO EM GERADORES Para a determinação das correntes de curto-circuito nos terminais dos geradores, ou muito próximo a eles, devem-se considerar as suas reatâncias que caracterizam cada máquina.
15.1. Reatâncias dos geradores
15.1.1. A principal fonte das correntes de curto-circuito são os geradores. No gerador síncrono a corrente de curto-circuito inicial é muito elevada, porém vai decrescendo até alcançar o regime permanente. Assim, o gerador é dotado de uma reatância interna variável, compreendendo inicialmente uma reatância pequena até atingir o valor constante, quando o gerador alcança o seu regime permanente. Para que se possam analisar os diferentes momentos das correntes de falta nos terminais do gerador é necessário se conhecer o comportamento dessas máquinas quanto às reatâncias limitadoras, conceituadas como reatâncias positivas. Essas reatâncias são referidas à posição do rotor do gerador em relação ao estator.
15.2. Reatância subtransitória do eixo direto
15.2.1. Também conhecida como reatância inicial do eixo direto, é aquela que se contrapõe à corrente que circula na armadura do gerador durante os primeiros ciclos. Compreende a reatância de dispersão dos enrolamentos do estator e do rotor do gerador, onde se incluem as influências das partes maciças rotóricas e do enrolamento de amortecimento, limitando a corrente de curto-circuito no seu instante inicial, isto é, para T = 0. O seu valor é praticamente o mesmo para curtos- circuitos trifásicos, monofásicos e fase e terra.
15.3. Reatância transitória do eixo direto
15.3.1. Também conhecida como reatância total de dispersão do eixo direto, compreende a reatância de dispersão dos enrolamentos do estator e da excitação do gerador, limitando a corrente de curto-circuito após cessados os efeitos da reatância subtransitória. Os valores inferiores correspondem à constante de tempo dos geradores síncronos de turbogeradores. O valor superior corresponde a geradores síncronos de máquinas hidráulicas. O seu valor varia para curtos-circuitos trifásicos e fase e terra.
15.4. Reatância síncrona do eixo direto
15.4.1. Compreende a reatância total do eixo direto dos enrolamentos do rotor do gerador, isto é, a reatância de dispersão do estator e a reatância de reação do rotor, limitando a corrente de curto-circuito após cessados os efeitos da reatância transitória, iniciando-se aí a parte permanente por um ou vários ciclos da corrente de falta. A constante de tempo transitória (Td) depende das características amortecedoras dos enrolamentos do estator dado pela relação entre a sua reatância e resistência e das reatâncias e resistências da rede conectada ao gerador.