22 Apoio

A proteo do gerador deve ser analisada

cuidadosamente, no apenas para faltas, mas

tambm para as diversas condies anormais

de operao de um gerador. Existem muitas

razes para o desligamento de um gerador, as

quais destacamos:

Faltas no gerador

Faltas no sistema de potncia

Proteo trmica

Condies anormais de operao

Tendo em vista a fadiga, a vibrao

mecnica e o envelhecimento da isolao

dos enrolamentos do gerador, aps um longo

perodo de tempo, os geradores tendem a

desenvolver defeitos em seus enrolamentos.

As faltas no gerador so sempre consideradas

graves, pois a elevada corrente de falta gerada

pode danificar severamente a isolao, o

enrolamento e o ncleo. Alm disso, devido

ao decaimento lento do fluxo, a corrente de

falta vai fluir por vrios segundos mesmo aps

o gerador com defeito ter sido desligado e o

campo desconectado. Esta corrente de falta

prolongada pode resultar em maiores danos.

Faltas tpicas no gerador incluem faltas

Por Geraldo Rocha e Paulo Lima*

Captulo II

Faltas entre fases e entre espiras

Prot

eo

de

gera

dore

s

fase-fase, fase-terra e entre espiras. A falta

fase-terra a mais frequente (65% das

ocorrncias), sendo que as faltas fase-fase

representam 23,5% das ocorrncias e as faltas

entre espiras, 11,5%.

Sempre que ocorre uma falta no gerador,

mesmo se a mquina for bem protegida,

haver custos para reparo do gerador e

compra de energia de substituio. Este

custo atinge facilmente muitos milhes de

dlares no caso de geradores de 250 MW. A

relao dos custos de danos para uma falta

no protegida versus danos para uma falta

protegida de aproximadamente 6 para 1

Figura 1 Faltas no estator do gerador.

23

para os geradores de 250 MW.

Como consequncia, para faltas em geradores

que produzem elevadas corrente de falta,

normalmente, so usados sistemas de proteo de

alta velocidade para dar trip e desligar o gerador o

mais rpido possvel, de forma a reduzir os danos

mquina.

Proteo contra faltas entre fases no estator

Diferencial percentual

A proteo diferencial de corrente de alta

velocidade normalmente usada para proteger

geradores contra faltas trifsicas, bifsicas e

bifsicas-terra.

Se o gerador for aterrado por meio de baixa-

resistncia, a proteo diferencial de corrente

tambm pode proteger contra faltas terra nos

enrolamentos desde o terminal at um pequeno

percentual acima do neutro. Para geradores

aterrados por alta resistncia, a corrente de falta

terra bem pequena, normalmente abaixo

do nvel de sensibilidade do rel diferencial de

corrente.

O diagrama da Figura 2 mostra o mais

simples dos esquemas diferenciais usando um

rel de sobrecorrente instantneo. Algumas

vezes denominado esquema de sobrecorrente

diferencial.

A proteo diferencial uma das formas

mais efetivas de proteo dos equipamentos de

potncia. Colocando de uma forma simples, a

proteo diferencial opera com base na diferena

entre a corrente medida entrando e saindo da

zona protegida. Uma vez que ela opera somente

com base na diferena e no na corrente total

que circula no circuito, um rel com essas

caractersticas de proteo pode ter maior

sensibilidade para faltas do que outros tipos

de rels. Alm disso, como a zona de proteo

definida com preciso pela localizao dos

TCs que envolvem a zona protegida, o rel

altamente seletivo. Com alta seletividade, um

rel diferencial pode dar trip rapidamente sem o

intervalo de tempo de coordenao.

24 Apoio

Prot

eo

de

gera

dore

s

Figura 2 Esquemas diferenciais usando um rel de sobrecorrente instantneo.

As caractersticas da proteo diferencial podem ser

resumidas como:

Princpio:

Medir a corrente entrando e saindo da zona de proteo;

Se as correntes no forem iguais, existe uma falta.

Fornece:

Alta sensibilidade;

Alta seletividade.

Resultado:

Velocidade relativamente alta.

Todas as protees diferenciais devem lidar com o

desafio de permanecerem seguras diante de elevadas

correntes de faltas passantes.

Durante uma falta externa severa, um TC pode

saturar e fornecer menos do que o valor de sua

relao de corrente. Nesse caso, as correntes no so

completamente canceladas, resultando numa falsa

corrente diferencial. Para isso, os esquemas de proteo

diferencial percentual so mais utilizados e oferecem

maior segurana e confiabilidade ao compararem uma

grandeza de operao com uma grandeza de restrio.

O princpio de operao da proteo diferencial

percentual o mesmo da proteo de sobrecorrente

diferencial, conforme a Figura 4. Contudo, no esquema

Figura 3 Desafios da proteo diferencial.

diferencial percentual, a corrente de restrio tem

uma magnitude elevada para uma falta externa severa.

Logo, mesmo se houver uma corrente de operao

significativa, a restrio ser to grande que o rel no

vai operar. Se a falta for interna, a corrente de operao

consideravelmente maior do que a corrente de restrio,

permitindo a operao do rel.

Nesse esquema, o rel opera quando a magnitude da

corrente de operao do secundrio, OP = S + R, for maior do que uma determinada proporo da corrente

de restrio do secundrio IRT. Para este esquema

especfico, a corrente de restrio escolhida como IRT

= (|S| + |R|) / 2. A constante de proporcionalidade, k, ou slope,

algumas vezes ajustvel, com valores tpicos de 0.1 a 0.8;

ou 10% a 80%.

Nota: As duas setas das correntes primrias mostradas

so uma conveno comum na anlise da proteo

diferencial. Geralmente, elas so mostradas com ambas

as setas de corrente indo na direo do equipamento

protegido. As duas correntes no tero o mesmo sinal

ou ngulo quando em condies normais de operao

do sistema (sem faltas), a no ser que o equipamento

protegido seja um transformador. De forma contrria,

durante operao normal, as duas correntes tero a

mesma magnitude, porm os fasores vo estar defasados

em 180 graus. Tenha em mente que alguns autores usam

uma conveno diferente.

Figura 4 Esquema de proteo diferencial percentual.

Figura 5 Caractersticas de operao da proteo diferencial percentual.

26 Apoio

Prot

eo

de

gera

dore

s Na Figura 5, um grfico da corrente de operao versus a corrente de restrio mostra a caracterstica

diferencial percentual. Esta figura explica o conceito

do slope (conhecido como inclinao ou rampa). A

rea sombreada representa os pontos do plano em que

o rel vai operar.

Conforme mostrado, a rea acima da linha reta

definida pela equao:

IOP = k . IRT

O slope dessa linha k.

A linha curva tracejada representa a corrente de

operao como funo da corrente de restrio para

faltas externas de magnitudes diferentes. Para valores

baixos da corrente de falta, a corrente de restrio tem

uma magnitude pequena, assim como a corrente de

operao. Para magnitudes elevadas da corrente de

falta externa, os TCs saturam de forma diferente e o

resultado uma corrente de operao maior. A corrente

de restrio tambm aumenta, evitando qualquer

operao indevida do rel para uma falta externa.

Diferencial Autobalanceado

Para geradores pequenos, mais econmico usar

o esquema diferencial autobalanceado mostrado na

Figura 6.

Este esquema utiliza para cada fase um TC de baixa

relao. Os condutores dos terminais dos dois lados

dos enrolamentos do gerador passam pelos TCs de tal

maneira que as correntes entrando e saindo se cancelam

durante uma operao normal. Um rel de sobrecorrente

simples conectado aos TCs, propiciando uma proteo

rpida e confivel pela deteco de qualquer diferena

das correntes entrando e saindo do enrolamento.

Figura 6 Esquema de proteo diferencial autobalanceado.

O tamanho limitado do TC de janela limita o

tamanho do condutor e, consequentemente, o

tamanho do gerador a ser protegido. O rel deve ter

um burden to baixo quanto possvel visando manter

a alta sensibilidade e reduzir as chances de saturao

do TC.

Proteo contra faltas entre espiras do gerador

Defeitos entre espiras so faltas graves para os

geradores. A corrente de falta entre espiras pode ser

muitas vezes maior do que a corrente de falta nos

terminais do gerador.

A maioria dos enrolamentos do estator tem

bobinas com espira nica. Se um estator possuir

enrolamentos com bobinas com mltiplas espiras e

dois ou mais circuitos por fase (fase-dividida), como

muitos dos geradores hidroeltricos, pode-se utilizar

um sistema de proteo contra defeitos entre espiras

do tipo diferencial de corrente de fase dividida ou

autobalanceada de fase dividida.

Para geradores com mltiplas espiras e com apenas

um circuito por fase, ou para um gerador que possua

bobinas multicircuito conectadas de modo neutro

dentro do gerador com apenas um condutor de neutro

disponvel externamente ao gerador, use um elemento

direcional de potncia de sequncia-negativa ou

sobretenso de sequncia-zero (para geradores no

aterrados) para a proteo contra defeitos entre espiras.

Proteo diferencial de corrente de fase dividida

A Figura 7 mostra o esquema diferencial de corrente

de fase-dividida para proteo contra faltas entre

espiras. A relao dos TCs do lado do neutro do gerador

o dobro da relao dos TCs do lado dos terminais do

gerador. Esta diferena nas magnitudes das relaes

possibilita o balanceamento das diferenas de corrente

durante condies normais de operao do gerador.

Este esquema diferencial de corrente de fase

dividida tambm pode proteger o gerador contra faltas

entre fases no enrolamento. Para geradores aterrados

por meio de baixa resistncia, este esquema propicia

proteo contra faltas terra no enrolamento.

Proteo autobalanceado de fase dividida

A outra maneira de proteger o gerador contra faltas

27Apoio

entre espiras usando elementos de sobrecorrente com

TCs de ncleo balanceado, passando os dois condutores

da bobina dentro da janela do TC em direo oposta.

Durante a operao normal do gerador, as correntes

nos dois enrolamentos so iguais. Consequentemente,

a corrente de sada do TC prxima de zero e o

elemento de proteo de sobrecorrente no opera.

Se ocorrer uma falta entre espiras em um dos dois

enrolamentos, as correntes fluindo em ambos os

enrolamentos sero desiguais e no se cancelam no

ncleo do TC. O elemento de sobrecorrente sensvel

atua e d trip no gerador.

Uma considerao importante para este esquema

Figura 7 Esquema de proteo diferencial de corrente de fase dividida.

de proteo quando h reparo de emergncia com

corte do enrolamento.

Figura 8 Esquema de proteo autobalanceado de fase dividida.

Continua na prxima edioConfira todos os artigos deste fascculo em

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*GeRaLdo Rocha engenheiro eletricista e especialista em proteo de sistemas eltricos. atualmente engenheiro de aplicao da Schweitzer engineering Laboratories, Inc.

PauLo LIma graduado em engenharia eltrica, com nfase em Sistemas eltricos de Potncia. especialista em Proteo de Sistemas eltricos, atua na SeL desde 2012 como engenheiro de aplicao e suporte e como professor da universidade SeL.