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Proteção de Geradores SEL
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SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. Schweitzer Engineering Laboratories, Comercial Ltda. – Rua Ana Maria de Souza, 61 – Campinas - SP CEP: 13084-660 Tel.: + 55 (19) 2103 8111 Fax: + 55 (19) 2103 8119 Internet: www.selinc.com.br E-mail: selbr@selinc.com PROTEÇÃO DE GERADORES Eng. Paulo K. Maezono Edição 3 - 2006 SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. Schweitzer Engineering Laboratories, Comercial Ltda. – Rua Ana Maria de Souza, 61 – Campinas - SP CEP: 13084-660 2 / 135 Tel.: + 55 (19) 2103 8111 Fax: + 55 (19) 2103 8119 Internet: www.selinc.com.br E-mail: selbr@selinc.com SOBRE O AUTOR Eng. Paulo Koiti Maezono Formação Graduado em engenharia elétrica pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo em 1969. Mestre em Engenharia em 1978, pela Escola Federal de Engenharia de Itajubá, com os créditos obtidos em 1974 através do Power Technology Course do P.T.I – em Schenectady, USA. Estágio em Sistemas Digitais de Supervisão, Controle e Proteção em 1997, na Toshiba Co. e EPDC – Electric Power Development Co. de Tokyo – Japão. Engenharia Elétrica Foi empregado da CESP – Companhia Energética de São Paulo no período de 1970 a 1997, com atividades de operação e manutenção nas áreas de Proteção de Sistemas Elétricos, Supervisão e Automação de Subestações, Supervisão e Controle de Centros de Operação e Medição de Controle e Faturamento. Participou de atividades de grupos de trabalho do ex GCOI, na área de proteção, com ênfase em análise de perturbações e metodologias estatísticas de avaliação de desempenho. Atualmente é consultor e sócio gerente da Virtus Consultoria e Serviços S/C Ltda. em São Paulo – SP. A Virtus tem como clientes empresas concessionárias no Brasil e na Colômbia, empresas projetistas na área de Transmissão de Energia, fabricantes e fornecedores de sistemas de proteção, controle e supervisão, Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, CEDIS – Instituto Presbiteriano Mackenzie. Área Acadêmica Foi professor na Escola de Engenharia e na Faculdade de Tecnologia da Universidade Presbiteriana Mackenzie no período de 1972 a 1987. É colaborador na área de educação continuada da mesma universidade, de 1972 até a presente data. Foi colaborador do Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da EPUSP – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, desde 1999 até 2002, com participação no atendimento a projetos especiais da Aneel, Eletrobrás e Concessionárias de Serviços de Eletricidade. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. Schweitzer Engineering Laboratories, Comercial Ltda. – Rua Ana Maria de Souza, 61 – Campinas - SP CEP: 13084-660 3 / 135 Tel.: + 55 (19) 2103 8111 Fax: + 55 (19) 2103 8119 Internet: www.selinc.com.br E-mail: selbr@selinc.com INDICE 1. INTRODUÇÃO A GERADORES ..........................................................................................................................5 1.1 OBJETIVO........................................................................................................................................................5 1.2 O GERADOR SÍNCRONO...............................................................................................................................5 1.2.1 Conceito ........................................................................................................................................................5 1.2.2 Sistema de Excitação.....................................................................................................................................6 1.2.3 Conexão ao Sistema Elétrico ........................................................................................................................6 1.2.4 Práticas de Aterramento do Neutro do Gerador...........................................................................................7 1.3 ANORMALIDADES EM GERADORES SÍNCRONOS................................................................................10 1.3.1 Faltas Externas, Sobrecarga e Carga Desbalanceada ...............................................................................11 1.3.2 Sobretensão.................................................................................................................................................12 1.3.3 Sobre-excitação em Grupo Gerador ...........................................................................................................13 1.3.4 Faltas Internas no Estator...........................................................................................................................14 1.3.5 Faltas Internas no Rotor .............................................................................................................................17 1.3.6 Perda de Excitação .....................................................................................................................................17 1.3.7 Perda de Sincronismo .................................................................................................................................19 1.3.8 Energização Acidental de Gerador.............................................................................................................20 1.3.9 Sobre e Sub-frequência ...............................................................................................................................24 1.3.10 Retorno de Energia.................................................................................................................................24 1.3.11 Outras .....................................................................................................................................................25 2. FUNÇÕES DE PROTEÇÃO.................................................................................................................................26 2.1 INTRODUÇÃO...............................................................................................................................................26 2.2 SOBRECARGA TÉRMICA (49) ....................................................................................................................26 2.3 DESBALANÇO (FUNÇÃO 46 – SEQUÊNCIA NEGATIVA) ......................................................................27 2.4 POTÊNCIA ATIVA (FUNÇÃO 32) ..................................................................................................................31 2.5 DIFERENCIAL (87G).....................................................................................................................................32 2.5.1 Requisitos de uma Proteção Diferencial.....................................................................................................32 2.5.2 Proteção de Gerador e de Grupo Gerador / Transformador......................................................................33 2.6 FASE DIVIDIDA (87FD)................................................................................................................................35 2.7 SOBRECORRENTE (FUNÇÃO 50/51), SOBRECORRENTE SUPERVISIONADA POR TENSÃO (FUNÇÃO 51V) E SOBRECORRENTE CONTROLADA POR TENSÃO (51C) .........................................36 2.8 IMPEDÂNCIA (FUNÇÃO 21) .......................................................................................................................37 2.9 PERDA DE CAMPO (FUNÇÃO 40) ..............................................................................................................39 2.9.1 Função 40 com característica R-Xclássica. ...............................................................................................39 2.9.2 PERDA DE SINCRONISMO (FUNÇÃO OUT-OF-STEP 78) ....................................................................41 2.10 PROTEÇÃO TERRA ESTATOR 90 / 95%.....................................................................................................42 2.11 FUNÇÃO TERRA ESTATOR 100% ..............................................................................................................44 2.11.1 Terra Estator (100%) – Usando Terceira Harmônica do Neutro do Gerador.......................................46 2.11.2 Terra Estator (100%) – Usando Terceira Harmônica através de TP’s em Delta Aberto ......................47 2.11.3 Terra Estator (100%) – Usando Comparação de Tensão de Terceira Harmônica entre Neutro e Secundário de TP em Delta Aberto.........................................................................................................48 2.11.4 Terra Estator (100%) – Com Injeção de Sinal Sub-harmônico. .............................................................48 2.12 TERRA-ROTOR (FUNÇÃO 64R) ..................................................................................................................50 2.13 SOBRE-EXCITAÇÃO (FUNÇÃO 24) E SOBRETENSÃO (FUNÇÃO 59) ..................................................53 2.14 SUBTENSÃO (FUNÇÃO 27) .........................................................................................................................56 2.15 FREQUÊNCIA (FUNÇÃO 81) .......................................................................................................................56 2.16 SUPERVISÃO DE CIRCUITO DE TP ...........................................................................................................58 2.16.1 Método de Detecção por Comparação de Tensão..................................................................................59 2.16.2 Detecção de Falha de TP utilizando Componentes Simétricas ..............................................................59 2.17 PROTEÇÃO CONTRA ENERGIZAÇÃO ACIDENTAL DE GERADOR ....................................................60 SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. Schweitzer Engineering Laboratories, Comercial Ltda. – Rua Ana Maria de Souza, 61 – Campinas - SP CEP: 13084-660 4 / 135 Tel.: + 55 (19) 2103 8111 Fax: + 55 (19) 2103 8119 Internet: www.selinc.com.br E-mail: selbr@selinc.com 3. ESQUEMAS DE PROTEÇÃO .............................................................................................................................62 3.1 INTRODUÇÃO...............................................................................................................................................62 3.2 PEQUENOS GERADORES............................................................................................................................62 3.3 GERADORES MÉDIOS .................................................................................................................................64 3.4 GRUPOS GERADORES-TRANSFORMADORES .......................................................................................67 3.5 COMENTÁRIOS ............................................................................................................................................68 3.5.1 Esquema de Proteção..................................................................................................................................68 3.5.2 Redundância................................................................................................................................................68 3.5.3 Algumas Limitações de Algumas Funções de Proteção..............................................................................69 4. BIBLIOGRAFIA....................................................................................................................................................70 5. GRANDEZAS POR UNIDADE............................................................................................................................71 5.1 INTRODUÇÃO...............................................................................................................................................71 5.2 BASE NUM PONTO DO SISTEMA ELÉTRICO ..........................................................................................72 5.3 ESCOLHA DE BASES PARA UM SISTEMA ELÉTRICO ...........................................................................73 5.4 DIAGRAMA DE IMPEDÂNCIAS EM P.U. ..................................................................................................74 5.5 CÁLCULO DE IMPEDÂNCIAS P.U. DE UM TRANSFORMADOR DE TRÊS ENROLAMENTOS NUMA DADA BASE DE ESTUDO............................................................................................................................78 5.6 EXEMPLO DE CÁLCULO COM DIAGRAMA DE IMPEDÂNCIAS EM P.U.............................................81 5.7 EXERCÍCIO PROPOSTO...............................................................................................................................83 6. COMPONENTES SIMÉTRICOS ........................................................................................................................84 6.1 CONCEITO.....................................................................................................................................................84 6.2 CARACTERÍSTICAS DOS COMPONENTES SIMÉTRICOS......................................................................86 6.3 PARTICULARIDADES .................................................................................................................................91 6.4 CIRCUITOS EQUIVALENTES E IMPEDÂNCIAS SEQUENCIAIS ...........................................................93 6.4.1 Seqüências Positiva e Negativa...................................................................................................................93 6.4.2 Seqüência Zero............................................................................................................................................94 6.4.3 Exemplo.......................................................................................................................................................98 7. NOÇÕES DE CÁLCULO DE CURTO-CIRCUITO ........................................................................................100 7.1 INTRODUÇÃO.............................................................................................................................................100 7.2 DESLOCAMENTO DE EIXO DEVIDO A CHAVEAMENTO DE CIRCUITO LR....................................101 7.3 COMPORTAMENTO DE MÁQUINA SÍNCRONA PARA UM CURTO-CIRCUITO...............................103 7.4 CURTO-CIRCUITO TRIFÁSICO SIMÉTRICO..........................................................................................107 7.4.1 Métodos de Cálculo de Curto-Circuito .....................................................................................................107 7.4.2 Exemplo do Primeiro Método ...................................................................................................................109 7.4.3 Exemplo do Segundo Método....................................................................................................................111 7.5 CURTO-CIRCUITO FASE-TERRA.............................................................................................................113 7.5.1 Conceitos...................................................................................................................................................113 7.5.2 Seqüência Prática de Cálculos .................................................................................................................1157.5.3 Curto-circuito envolvendo transformador triângulo-estrela.....................................................................117 7.5.4 Exemplo de cálculo ...................................................................................................................................119 7.5.5 Exercício Proposto....................................................................................................................................129 7.6 CURTO-CIRCUITO BIFÁSICO...................................................................................................................133 7.6.1 Conceito ....................................................................................................................................................133 7.7 CURTO-CIRCUITO BIFÁSICO-TERRA ....................................................................................................134 7.7.1 Conceito ....................................................................................................................................................134 SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 5 de 135 1. INTRODUÇÃO A GERADORES 1.1 OBJETIVO O presente capítulo tem a finalidade de apresentar os conceitos e esquemas básicos de geradores síncronos, bem como as anormalidades que podem afetar a operação desses equipamentos. Este conhecimento servirá de base para compreender o alcance e a finalidade das funções e esquemas de proteção. 1.2 O GERADOR SÍNCRONO 1.2.1 Conceito Um gerador síncrono converte energia mecânica / térmica em energia elétrica. Gerador Saídaelétrica Fonte DC para o Campo Ia Ib Ic Eixo da Turbina entrada mecânica Figura 1.1 – Gerador Síncrono Básico A energia para a turbina pode ser obtida de combustíveis fósseis como carvão, óleo ou gás natural, ou outros resultantes de processos industriais ou de aproveitamento hidráulico. Ou ainda de um motor alimentado por algum tipo de combustível. A turbina a vapor ou a gás tem rotação entre 1800 e 3600 RPM enquanto que a turbina hidráulica tem rotação abaixo de 300 RPM. Assim, tem-se rotores de pólos salientes (para máquinas de baixa rotação) e pólos lisos (para máquinas de alta rotação). A máquina síncrona (gerador ou motor) pode funcionar apenas na velocidade síncrona e numa correta relação angular. A armadura da máquina síncrona é o “estator” e a estrutura de campo é o “rotor”. A armadura, comumente, tem um enrolamento trifásico. A estrutura de campo pode ter pólos salientes ou não salientes, e corrente contínua é suprida para o enrolamento. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 6 de 135 A FEM gerada depende da quantidade de condutores da armadura, do fluxo magnético e da velocidade. Uma máquina síncrona é sempre considerada como sendo equivalente a uma FEM em série com a resistência da armadura e a reatância síncrona. O diagrama fasorial mostra a relação entre as quantidades elétricas. Numa máquina comum o fluxo da Potência Ativa (W) é relacionado ao Torque no eixo e o fluxo da Potência Reativa (VAr) é relacionado à corrente no campo. 1.2.2 Sistema de Excitação O sistema de excitação executa duas funções principais: 1. Produção de tensão DC (e potência) para forçar a corrente a fluir nos enrolamentos do campo (rotor). Há uma relação direta entre as tensões no terminal do gerador com a quantidade de corrente fluindo no campo. 2. Provisão de meio para regular a tensão nos terminais e amortecer oscilações do sistema elétrico de potência. Antes dos anos 60 os geradores síncronos eram providos de excitatrizes rotativas. Desde os anos 60 foram adotados, como arranjos mais comuns, retificadores com pontes de tiristores alimentados por um transformador conectado nos terminais de saída do gerador, conhecidos como “Excitatriz de Alta Resposta Inicial por Retificador Controlado”. Excitatrizes estáticas modernas apresentam a vantagem de prover uma resposta extremamente rápida, com rápida mudança na tensão do terminal do gerador para faltas no sistema. Essa rápida resposta contribui para manter a estabilidade transitória do sistema durante e imediatamente após a falta no sistema elétrico. Controladores de amortecimento do sistema (estabilizadores) também são associados às excitatrizes estáticas. Um outro sistema utilizado para geradores pequenos e de alta velocidade é o sistema “sem escovas” (“brushless”). O gerador AC e os retificadores são rotativos (no rotor). 1.2.3 Conexão ao Sistema Elétrico Um gerador síncrono de ser conectado diretamente ou através de transformador (grupo gerador – transformador como unidade geradora): SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 7 de 135 G Carga Auxiliar Carga Carga G Carga Auxiliar Sistema ElétricoSistema Elétrico Grupo Gerador Transformador como UNIDADE Gerador Diretamente Conectado Figura 1.2 – Conexão de Gerador no Sistema Elétrico Na conexão direta o gerador fornece energia diretamente para as cargas. É usado para conectar máquinas menores. Na conexão UNITÁRIA, o gerador é conectado através de um transformador elevador dedicado a esse fim. O serviço auxiliar do gerador é suprido por um transformador auxiliar conectado nos terminais do gerador. No caso de Grupo Gerador – Transformador, pelo fato de se ter conexão delta no lado do gerador, a corrente para curto-circuito a terra nos terminais do gerador ou mo enrolamento estatórico pode ser dramaticamente reduzindo através do uso de aterramento adequando no neutro do gerador. 1.2.4 Práticas de Aterramento do Neutro do Gerador Há dois tipos (mais comuns) de aterramento do neutro do Gerador Síncrono: - Aterramento de Baixa Impedância - Aterramento de Alta Impedância SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 8 de 135 Aterramento de Baixa Impedância Aterramento de Alta Impedância Resistor Resistor ou Reator Figura 1.3 – Tipos de Aterramento do Gerador Síncrono Aterramento de Baixa Impedância No chamado aterramento de “baixa impedância”, o gerador é aterrado através de resistor ou reator no neutro. A reatância ou resistência é calculada de modo que se tenha uma corrente entre 200 A e 150% da corrente nominal do gerador, para curto-circuito fase- terra nos terminais da máquina. Esse tipo de aterramento é utilizado quando há vários geradores operando numa barra comum ou geradores diretamente conectados para alimentar a carga, sem transformador elevador. Eles servem de fonte de terra. Aterramento de Alta Impedância No chamado aterramento de “alta impedância”, utiliza-se um transformador de distribuição no neutro, com resistência conectada no lado secundário. Esse método de aterramento permite grandes reduções de corrente de terra. O conjunto é especificado de modo que se tenha corrente de terra na faixa 5 – 25 A, para curto-circuito fase-terra nos terminais do gerador. É utilizado, em geral, para grupos geradores – transformadores. O transformador deve ter a tensão primária nominal igual ou superior à tensão fase – neutro do gerador e tensão secundária nominal de 120 ou 240 V. Este transformador deve ter característica tal que não sature para curto fase – terra nos terminais da máquina, com tensão de operação em torno de 105% da nominal. A resistor no secundário deve ter característica tal que: “... para um curto circuito fase-terra nos terminais do gerador, a potência dissipada no mesmoseja igual ou superior ao VA (Volt - ampère) equivalente à perda reativa na capacitância de seqüência zero dos SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 9 de 135 enrolamentos do gerador, seus terminais e os enrolamentos do transformador que são conectados ao gerador” – vide bibliografia [3]. Em termos práticos, de acordo com a bibliografia [10], a resistência não pode ser superior a, aproximadamente: 23N X R C= ohms, para evitar possibilidade de transitórios de tensão devido a ferroressonância. A figura a seguir mostra esquematicamente a reatância capacitiva: G S Curto-Circuito Fase-Terra N2.R XC Figura 1.4 – Curto-circuito Fase-terra e a Reatância Capacitiva E o diagrama de impedâncias para o curto-circuito é mostrado a seguir: Curto-Circuito Fase-Terra 3.N2.R XC XC XCG S ZT ZT ZT ZS+ ZS- ZS0 ZG+ ZG- ZG0 Figura 1.5 – Diagrama de Impedâncias para Curto-circuito Fase-terra SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 10 de 135 Xc é a reatância capacitiva total fase-terra, considerando as capacitâncias dos enrolamentos do gerador, do transformador, do pára-raios e capacitor de surto da entrada. N é a relação de espiras do transformador do neutro (AT/BT) Diz a literatura que essa resistência limitará os transitórios de tensão a cerca de 260% do valor fase-terra. Mas que uma maior redução no R não diminuirá esse limite. Por outro lado, o cálculo e estimativa do Xc são trabalhosos. Assim, é regra prática determinar o valor de R de tal maneira que limite a corrente de curto-circuito fase-terra em aproximadamente 15 A, desprezando o efeito do Xc. Assim: 2 3 .3.15 .10 N VR G= ohms Onde, VG é a tensão fase - neutro nominal do gerador, N a relação de espiras do transformador do neutro. A potência do transformador de neutro deve ser tal que: RN VV kVA TG ..3 ..10 2 3 = onde VT é a tensão nominal do lado AT do transformador de neutro em kV. Similarmente, a potência do resistor deve ser: RN VkW G ..3 .10 2 23 = (continuamente) Esses valores consideram que a proteção não provoque trip, mas apenas acione alarme. 1.3 ANORMALIDADES EM GERADORES SÍNCRONOS Os geradores são afetados por: - Faltas externas, sobrecarga e carga desbalanceada. - Sobretensão dinâmica. - Sobre-excitação em Grupo Gerador - Faltas internas no estator. - Faltas internas no rotor. - Perda de Campo e Perda de Sincronismo. - Energização acidental de gerador. - Sobre ou Sub-frequência. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 11 de 135 - Retorno de Energia. - Outras 1.3.1 Faltas Externas, Sobrecarga e Carga Desbalanceada Sobrecarga Desde que a potência exigida seja maior que a potência nominal da máquina, haverá sobrecorrente no gerador, com aumento das perdas e elevação da temperatura no enrolamento estatórico. Isso pode causar envelhecimento precoce da isolação do enrolamento. Carga Desbalanceada Uma carga desbalanceada, que é caracterizada pela existência de corrente de seqüência negativa (I2), provoca correntes induzidas de frequência dupla no rotor. Além do aumento da perda no enrolamento estatórico, o maior efeito ocorre no rotor (aquecimento). Os seguintes limites para desbalanço contínuo são, em geral, considerados – vide referência [5]: Tipo de Gerador Condição I2 Permitida (% da corrente nominal) Com enrolamentos amortecedores conectados 10 % Pólos Salientes Com enrolamentos amortecedores não conectados 5 % Resfriamento Indireto 10 % Resfriamento direto (até 960 MVA) 8 % Idem, 961 a 1200 MVA 6 % Rotor Cilíndrico Idem, 1201 a 1500 MVA 5 % Verifica-se então que uma carga continuamente desbalanceada da ordem de 5 a 10% da corrente nominal do gerador causa aquecimento danoso no rotor. Faltas Externas Faltas externas ao gerador podem demandar altas correntes de curto-circuito supridas pelo mesmo. Há necessidade de proteção de retaguarda para essas faltas. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 12 de 135 Deve-se observar que altas correntes estatóricas provocam estresse mecânico que podem agravar eventuais defeitos já existentes. Sobre-aquecimentos devido a essas correntes, por outro lado, são relativamente lentas e começam a provocar danos após 10 s, por exemplo. Com faltas assimétricas (deslocamento do eixo na corrente de curto-circuito) podem ocorrer severas vibrações e sobre-aquecimento do rotor. Há também limite de corrente I2 (seqüência negativa) de curto-circuito, o que na norma ANSI C50.13 é mostrada como função de K: Tipo de Máquina Condição K = I2.t (Permitida) Pólos Salientes 40 Compensador Síncrono 30 Resfriamento Indireto 20 Resfriamento direto (0 a 800 MVA) 10 Rotor Cilíndrico Resfriamento direto (801 a 1600 MVA) K = I2.t = 10 – (0,00625 x [MVA-800]) 1.3.2 Sobretensão Durante a partida de um gerador síncrono, antes da sincronização, a tensão nos seus terminais é mantida corretamente através do Regulador Automático de Tensão (AVR). Após a sincronização, a tensão nos seus terminais é mantida em função do próprio AVR, do nível de tensão do sistema e também através dos AVR das máquinas próximas (caso existam). Se a máquina está em paralelo com o Sistema Elétrico de Potência, sua potência é pequena (desprezível) com relação à potência do sistema, e portanto não é possível que essa máquina provoque qualquer alteração sensível na tensão do sistema, enquanto em paralelo. Uma variação na excitação, neste caso, provocará alteração na potência reativa trocada com o sistema. Já numa máquina não conectada ao sistema, a tensão nos seus terminais dependerá da excitação, num montante que dependerá da existência de outras máquinas suprindo a mesma carga. As máquinas em geral, possuem, então, limitadores de excitação, para que os limites de projeto da corrente de campo e da potência reativa da máquina não sejam excedidos. Sé há abertura do disjuntor da máquina a plena carga (rejeição de carga), a sobretensão nos seus terminais será mantida pela rápida atuação do AVR. Caso haja defeito no regulador automático ou se na ocasião o controle estiver em “manual”, sobretensão muito severa pode ocorrer nos terminais da máquina. Essa SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 13 de 135 sobretensão pode ainda ser aumentada pelo aumento da velocidade da máquina rodando sem carga, devido a atuação relativamente lenta do regulador de velocidade. Por exemplo, num gerador hidráulico, sobretensão da ordem de 50 a 100% pode ocorrer. Os transformadores elevadores de grupos geradores / transformadores possuem (como quase todos os transformadores de potência), joelho de saturação bem definido, a cerca de 1,20 a 1,25 x V nominal. No caso de grupos, portanto, deve-se evitar que a tensão ultrapasse esses valores, havendo necessidade de relé de sobretensão ajustado entre 1,15 e 1,20 da tensão nominal. Em sistemas pequenos, se houver, ainda, alguma instalação com TP isolado a óleo, com elo fusível no lado primário deste TP, há possibilidade de que ocorra fusão desse elo e tanto o AVR como o relé de sobretensão ficarem sem tensão. O AVR pode interpretar como severa queda de tensão e aumentar a excitação. E o relé não atuar. Nessascondições, tem-se uma grave situação (há necessidade de dois conjuntos de TPs para melhoria de confiabilidade). TP’s modernos, com disjuntores em circuitos secundários, os contatos auxiliares desses disjuntores devem atuar bloqueando o AVR e emitir alarme. 1.3.3 Sobre-excitação em Grupo Gerador Sobre-excitação é a ocorrência de níveis excessivos de densidade de fluxo magnético (weber / m2). A níveis elevados de densidade de fluxo, os caminhos magnéticos (ferro) saturam e o fluxo começa a percorrer outros caminhos não projetados para tanto. Os campos resultantes são diretamente proporcionais à tensão e inversamente proporcionais à frequência. Assim, densidades altas de fluxo (e sobre-excitação) resultam de sobretensão ou sub-frequência ou a combinação de ambos. As normas ANSI / IEEE C50.13 e C57.12 para geradores e transformadores estabelecem os seguintes limites para a relação V/Hz em condição de operação contínua: Geradores: 1,05 p.u. (na base do gerador). Transformadores: 1,05 p.u. (na base do lado secundário do transformador) à carga nominal, com FP = 0,8 ou maior. 1,10 p.u. (na base do transformador) em vazio. Esses limites se aplicam, a menos que explicitamente especificados pelo fabricante para outros valores. Quando o limite V/Hz é excedido, ocorre a saturação do circuito magnético do gerador e do transformador do grupo. Danos devido a excessivo V/Hz ocorrem, geralmente, quando o grupo gerador / transformador está “off line”, antes da sincronização. A probabilidade está associada à possibilidade de falha de controle (AVR) e secundário de TP aberto. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 14 de 135 Relato de Caso Relata-se caso de retorno de unidade geradora, com fusíveis secundários de TP esquecidos abertos, colocando-se AVR em automático. Houve aumento excessivo de excitação (AVR percebendo tensão zero devido a TP aberto). Com o disjuntor do grupo aberto, a tensão alcançou 120% e a corrente teve valor superior a 30% do valor a plena carga (saturação), antes do trip. G TP aberto TRSA Partida DISJUNTOR ABERTO AVR Figura 1.6 – Caso de Sobre-excitação devido a secundário de TP aberto Figura 1.7 – Oscilograma correspondente 1.3.4 Faltas Internas no Estator Pode ocorrer falha de isolação entre condutor e laminação, entre condutores de fases diferentes e entre espiras de uma mesma fase. Pode também ocorrer rompimento de juntas soldadas. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 15 de 135 Curto-circuito a Terra Essas faltas ocorrem, normalmente, nas ranhuras da armadura. O dano nesse ponto é diretamente relacionado ao nível de corrente estabelecido pelo sistema de aterramento do gerador. Baixas Correntes Se a corrente for, por exemplo, inferior a 15 A e o gerador for desligado com tempo inferior a alguns segundos, o dano pode ser muito pequeno e o serviço de reparo se limitará à troca do trecho do enrolamento sem mexer com a laminação. Dependendo da localização da falta e do tipo de aterramento, pode não haver corrente suficiente de terra para relés de sobrecorrente. Neste caso outros meios de proteção devem ser providenciados. Figura 1.8 - Oscilograma com Curto-Circuito Fase-Terra. Alta impedância de aterramento. Altas Correntes Se o gerador está projetado com baixa impedância de aterramento e ocorrer curto-circuito com corrente superior a 200 A de terra, por exemplo, o dano pode ser severo e haverá necessidade de refazer parte da laminação. Mesmo com relé de proteção rápido, o dano pode ser grande devido à alta constante de tempo do circuito do campo e o tempo relativamente alto necessário para eliminar o fluxo do campo. No caso de alta corrente de curto circuito à terra, pode ser instalado disjuntor de neutro que seria atuado pela proteção de terra, para reduzir o tempo de eliminação da falta e, conseqüentemente, o dano na laminação. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 16 de 135 Curto-Circuito entre fases Esse tipo de falta é muito raro de ocorrer uma vez que, numa ranhura, a isolação entre enrolamentos de duas fases é pelo menos o dobro da isolação de uma fase para a laminação. Na ocorrência de uma falta entre fases, há maior probabilidade de ocorrência nos terminais do enrolamento, fora das ranhuras. A corrente é severa mas há pouca chance de afetar significativamente a laminação. Deve-se observar, entretanto, que, apesar de haver abertura do disjuntor pela atuação rápida da proteção, como mostra a figura a seguir, a corrente proveniente do gerador não acaba instantaneamente (mesmo com a abertura do disjuntor do campo) devido à energia que é armazenada no rotor e contribui para a corrente de curto-circuito: G Curto Entre Fases Figura 1.9 – Curto-Circuito entre Fases. Contribuição do Gerador. A figura a seguir mostra um oscilograma de um curto circuito trifásico nos terminais de um gerador síncrono. O curto-circuito iniciou como fase-terra mas evoluiu para trifásico após cinco ciclos. O oscilograma foi interrompido, mas a corrente de contribuição do gerador permanece por vários segundos: Figura 1.10 – Exemplo de Oscilograma com Curto-Circuito entre Fases. Contribuição do Gerador. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 17 de 135 Essa corrente que existe até que a energia do rotor seja descarregada faz com que os danos referentes a um curto-circuito entre fases sejam grandes, mesmo com a rápida atuação da proteção. Assim sendo, aspectos de confiabilidade nos terminais dos enrolamentos são considerados no projeto de modo que a probabilidade de curto entre fases seja a menor possível. Curto-Circuito entre espiras Esse tipo de falta ocorre especificamente em um tipo de enrolamento (multi-espiras). Pode haver necessidade de proteção sensível e especial para tanto. 1.3.5 Faltas Internas no Rotor Curto-circuito a Terra Uma falha de isolação no enrolamento rotórico pode causar curto-circuito entre o condutor e a laminação (terra). Esse tipo de falta, entretanto, não representa perigo imediato (baixa corrente de falta). Entretanto, se houver uma segunda falha de isolação, pode ocorrer curto-circuito pleno com severo desbalanço mecânico e elevada corrente. Assim sendo, é essencial que se tenha um sistema de alarme / sinalização de “Terra Rotor” para providências cabíveis logo que possível (operacionalmente). Curto-circuito Entre Espiras do Rotor Curto circuito entre espiras no rotor é muito raro de ocorrer. Mas quando ocorre causa vibração e a parte “bypassada” do enrolamento rotórico tem sua temperatura elevada. A alta temperatura danifica a isolação, motivando também falta a terra. 1.3.6 Perda de Excitação Perda de Excitação Uma perda total do campo pode ocorrer quando: - Há abertura acidental do disjuntor do campo. - Um curto-circuito ou fase-aberta no circuito do rotor. - Uma falta no AVR (regulador automático de tensão) com redução da corrente de campo a zero. - Perda da fonte AC para o circuito de excitação (DC) pode também causar perda total do campo. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 18 de 135 Assim, pode-se até haver um intertravamento entre o disjuntor de campo e o disjuntor da máquina (ou do grupo gerador). A perda de campo pode levar,na maioria dos casos, à perda de sincronismo em menos de 1 s, com a máquina operando como gerador de indução com velocidade inferior à velocidade síncrona. A figura a seguir mostra o oscilograma da máquina para perda de campo, antes do trip do gerador / turbina: Figura 1.11 – Exemplo de Oscilograma com perda súbita de campo. Quando um gerador, com suficiente potência ativa, perde a corrente de campo, ele sai fora de sincronismo e passa a rodar de modo assíncrono, com velocidade acima da velocidade síncrona, absorvendo potência reativa. A máxima potência ativa que pode ser gerada sem perda de sincronismo quando o gerador perde o campo depende da diferença entre as reatâncias síncronas de eixo direto e eixo em quadratura – para geradores com pólos salientes, a diferença é normalmente suficiente grande para manter a máquina rodando com sincronismo mesmo com perda do campo, com carga até 15 a 25% da nominal. Para turbo geradores, tais reatâncias são praticamente iguais e a máquina cai fora de sincronismo mesmo com pequena carga ativa. A velocidade de escorregamento aumenta com a carga ativa. O estator e regiões e parte do rotor irão aquecer, se a máquina rodar algum tempo fora de sincronismo. A máxima temperatura, para ponto mais quente, para turbo geradores ocorre, fora de sincronismo, com carga entre 20 e 35%. A característica de operação de um turbo gerador típico é mostrada na figura a seguir: SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 19 de 135 0,6 0,8 + MVAr pu A B 0,80,6 + MW pu Po tên cia No min al a 0,8 atr asa do Potência Nominal a 0,95 adiantado D E F (xe = 0) C F (xe = 0,2) Figura 1.12 – Curva ABCD de Capabilidade de Turbo Gerador Típico Na região sobre-excitada (gerador fornecendo potência reativa), a curva A-B é limitada para corrente no campo (rotor) e a curva B-C é limitada pela corrente no Estator. Na região sub-excitada, o gerador é limitado pelo aquecimento do estator e do ferro. Com a perda de sincronismo, há aquecimento do rotor devido às correntes induzidas pelo escorregamento e aquecimento do estator devido à sobrecarga (reativo). O tempo permitido para tal situação depende da máquina, e está na ordem de grandeza que vai de 10 s a alguns minutos. 1.3.7 Perda de Sincronismo A perda de campo está associada, geralmente, à perda de sincronismo da máquina. O gerador passará a rodar com uma velocidade assíncrona maior que a síncrona, com escorregamento. Também as faltas no sistema elétrico supridor podem causar perda de sincronismo numa máquina síncrona. O efeito elétrico da oscilação de potência para uma máquina com rotor de pólos salientes e com enrolamento amortecedor é menor que aquele para máquina de pólos lisos. A melhor maneira de se detectar e visualizar o fenômeno da perda de sincronismo é a análise da variação aparente da impedância vista nos terminais de um gerador síncrono, ou nos terminais de alta tensão do transformador elevador desse gerador. Essa variação na impedância pode ser detectada por relés de proteção. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 20 de 135 A figura a seguir mostra o conceito da perda de sincronismo em um sistema elétrico de potência, entre dois sistemas geradores conectados por um sistema de transmissão, através do diagrama de impedâncias: jX R E A / EB = 1 E A / E B > 1 EA / EB < 1 A B P ZL ZA ZB δ EA EB ZA ZBZL Figura 1.13 – Condição de Perda de Sincronismo. Típico Lugar Geométrico das Impedâncias 1.3.8 Energização Acidental de Gerador A energização acidental de gerador síncrono previamente desenergizado pode ocorrer, com maior chance, em sistemas industriais. O resultado é o dano do gerador, com possibilidade de destruição total. Em alguns casos há também dano na turbina. A frequência relativamente grande dessas ocorrências (EUA) levou alguns fabricantes a recomendar esquemas dedicados de proteção para detecção desse evento. As causas têm se relacionado a erros operacionais ou falhas e defeitos em circuitos de controle, ou ainda a combinação de ambos. Mostra a literatura que uma das maiores causas de energização acidental de geradores tem sido o fechamento acidental do disjuntor da máquina, conforme ilustrado nas figuras a seguir: SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 21 de 135 G Fechamento Acidental ENERGIZADO Gerador Industrial TRSA Partida G Fechamento Acidental ENERGIZADO Gerador TRSA C G Fechamento Acidental Gerador TRSA G Gerador TRSA Flashover em um pólo do disjuntor aberto IMEDIATAMENTE ANTES DA SINCRONIZAÇÃO Seccionadora Fechada Seccionadora aberta ENERGIZADO Figura 1.14 – Energização Acidental de Gerador SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 22 de 135 A corrente resultante de uma energização TRIFÁSICA é elevada, considerando que é limitada apenas pela impedância de seqüência negativa do gerador, como mostra o circuito equivalente dessa energização mostrada na figura a seguir: Transformador S ZT ZS+ XG2 (Seq. Negativa) SistemaGerador EG ET RG2 Figura 1.15 – Diagrama de Impedâncias para Energização Acidental de Gerador A alta corrente estatórica induz altas correntes no rotor e há rápido aquecimento. Se o gerador é conectado a um forte sistema elétrico de potência, a corrente no estator chegará a um valor em torno de 3 a 4 x a corrente nominal, com a tensão entre 50 e 70% da nominal, no caso de um grupo gerador / transformador. Se a máquina é conectada a um sistema elétrico de potência fraco, a corrente pode chegar a valor em torno de 1 a 2 x a corrente nominal, com a tensão entre 20 e 40% da nominal. No caso de energização acidental através do transformador de serviço auxiliar, como a fonte é muito fraca, a corrente no estator poderá estar entre 10 e 20% do valor nominal. A figura a seguir mostra um oscilograma de energização acidental de gerador: Figura 1.16 – Oscilograma de Energização Acidental de Gerador SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 23 de 135 No caso de fechamento de um pólo de disjuntor (“flashover”) imediatamente antes da sincronização do gerador ao sistema, há uma situação que pode ser estimada com o seguinte circuito equivalente: X1T X1S X1G X2G X0G 3.Rn X2T X0T X2S X0S 1 : ej30 1 : e-j30 Figura 1.17 – Circuito para cálculo de uma fase fechada Neste caso, as correntes de seqüência positiva, negativa e zero são iguais entre si. Trata- se de um caso semelhante a um curto-circuito fase-terra no lado da Alta Tensão. Haverá substancial desbalanço, com aquecimento do rotor. Não há muito torque para manter a rotação. É preciso analisar a curva I22.t = K da máquina. Devido à limitação dos esquemas de proteção convencionais para detectar essa energização, esquemas dedicados são recomendados – são sistemas que estão ativos quando a máquina se encontra fora de operação. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 24 de 135 1.3.9 Sobre e Sub-frequência Sobrefrequência Trata-se aqui da sobrefrequência contínua e não momentânea.Ela estressa mecanicamente a maquina mas não eletricamente. A sobrefrequência moderada, mesmo contínua, não traz grandes problemas para o gerador. Sub-frequência Saturação de Circuito Magnético Durante operação do gerador com sub-frequência, o seu circuito magnético (e do transformador associado) pode saturar dependendo do nível de sub-frequência (V/Hz). Caso haja a saturação, as perdas adicionais no ferro levam ao aquecimento do circuito magnético. Mas isso ocorre para freqüências bem baixas e quando associada a subtensão. Problemas em Turbinas a Vapor e a Gás Podem sim ocorrer prolongada sub-frequência, relativamente moderada. Do ponto de vista prático, as máquinas hidráulicas são pouco sensíveis à sub-frequência. Mas tanto os geradores térmicos como as turbinas a vapor ou a gás apresentam limitações para sub- frequência. As turbinas a vapor são mais restritivas, quanto à operação com sub-frequência devido a possibilidade de ressonância mecânica nos vários estágios das lâminas da turbina – com aumento do estresse mecânico vibratório. As turbinas a gás também são restritivas, mas não tanto quanto as turbinas a vapor. Mas apresentam problemas de instabilidade de combustão e limitação da potência de saída da turbina com a queda da frequência. Os fabricantes apresentam limites de tempo para operação em condição de sub-frequência em cada faixa de operação. 1.3.10 Retorno de Energia O retorno de energia para um gerador síncrono ocorre quando o torque no eixo da turbina ou do motor acionador passa a um valor inferior às perdas totais da unidade turbina – gerador. A energia ativa flui então, do sistema ao qual está conectado para o gerador, no sentido de tentar manter a velocidade síncrona (operando como motor síncrono). Os problemas são para o meio acionador (turbina, motor) e não para o gerador elétrico. No caso de turbina a vapor, uma redução no fluxo do vapor reduz o efeito de resfriamento nas lâminas da turbina e sobre-aquecimento pode ocorrer. Também para turbina a gás pode ocorrer sobre-aquecimento, mas com menos gravidade que a turbina a vapor – para turbina a gás, pode ocorrer outro tipo de problema associado ao mancal. Turbina hidráulica SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Introdução a Geradores 25 de 135 (mormente do tipo Kaplan ou Bulbo) pode ter problema de cavitação (com dano). Máquinas Diesel podem ser danificadas devido à lubrificação insuficiente e apresentam ainda risco de explosão devido ao combustível não queimado. As perdas totais à velocidade nominal, em função da potência nominal do grupo turbina / gerador são, aproximadamente: Turbina a vapor: 1 a 3% Máquina Diesel: 25% Turbina hidráulica: 3% Turbina a gás: 5% Esses valores correspondem a perdas quando não há corte total da energia através do eixo da turbina. Assim, quando a máquina é alimentada pela turbina e pelo sistema, a parte da perda suprida pelo sistema é menor que os valores acima. Para grandes turbo geradores a vapor, a energia reversa pode ter valor inferior a 1% da potência nominal. Para turbinas a gás e para máquinas diesel, não há problema de sensibilidade (para fins de proteção). Para algumas turbinas hidráulicas, pode haver problema de sensibilidade da proteção para detectar retorno de energia. 1.3.11 Outras Sobrevelocidade No caso de rejeição brusca de carga, por exemplo, pela abertura do disjuntor da máquina com carga plena, espera-se que o sistema regulador de velocidade da máquina atue imediata e corretamente, evitando velocidades não suportáveis para o conjunto turbina – gerador. Há portanto necessidade de proteção adicional para o caso de falha em algum componente, seja do regulador, seja do sistema associado à turbina. Outras mecânicas Não consideradas neste capítulo. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 26 de 135 2. FUNÇÕES DE PROTEÇÃO 2.1 INTRODUÇÃO Este capítulo tem a finalidade de apresentar as funções de proteção aplicáveis para geradores síncronos. Tem caráter geral, não cobrindo todas as funções que podem ser encontradas no mercado, mas sim aquelas principais e comumente utilizadas. 2.2 SOBRECARGA TÉRMICA (49) Uma proteção de sobrecarga, seja de equipamento, máquina rotativa, cabos ou linhas tem a ver, sempre, com a temperatura que pode chegar o componente protegido em função de carga excessiva. Qualquer equipamento ou instalação não se aquece instantaneamente em função de carga excessiva. Para um determinado degrau de corrente, para mais, a temperatura desse componente variará exponencialmente em função da sua constante de tempo de aquecimento. A figura a seguir mostra o conceito de constante de tempo para o aquecimento de um corpo homogêneo, para uma variação exponencial: τ = Constante de Tempo 63% da variação total Variação total θ1 θ2 tempo Temperatura Figura 2.1 – Característica de Aquecimento de Corpo Homogêneo Uma proteção de sobrecarga (proteção térmica – Código 49) deve, portanto, emular as condições de aquecimento do componente protegido em função da corrente através desse componente. No passado, procurou-se construir relés térmicos com tecnologia eletromecânica que, através de dissipadores térmicos (alumínio), tentavam simular a constante de tempo do equipamento protegido. Mas esses dispositivos nunca conseguiram prover uma boa proteção para sobrecarga. Eram viáveis apenas para alguns tipos de máquinas. A figura a seguir mostra o esquema de um relé térmico com tecnologia eletromecânica: SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 27 de 135 + Vcc i i i Relé Térmico) I carga Equipamento Trip por corrente Trip por elemento térmico i Figura 2.2 – Esquema de Relé Térmico com Tecnologia Eletromecânica Modernas Proteções Digitais A tecnologia digital tornou possível, através de algoritmos específicos, a emulação de constantes de tempo de aquecimento e demais parâmetros associados ao aquecimento de transformadores, máquinas girantes, cabos e linhas. Assim, alguns relés possuem a função 49 de “Sobrecarga Térmica” para ser devidamente aplicada na detecção de aquecimentos provocados por sobrecargas, o que passa a ser uma opção de utilização não existente num passado recente. Baseiam-se na modelagem de uma réplica térmica com base na corrente de carga. O calor gerado, por exemplo, em cabo ou transformador é função do tipo I2.R.t, isto é, proporcional à corrente ao quadrado. O quadrado da corrente é integrado no tempo, para modelagem. Assim, os diversos fabricantes nos seus diversos relés de proteção digitais apresentam possibilidade de modelagem térmica do equipamento ou instalação a proteger contra temperaturas elevadas causadas por sobrecarga. A grande dificuldade no uso dessa função está na determinação da constante de tempo de aquecimento e demais parâmetros (relacionados a normas) do componente protegido. 2.3 DESBALANÇO (FUNÇÃO 46 – SEQUÊNCIA NEGATIVA) A função de seqüência negativa detecta desbalanços de corrente, com ou sem terra. Correntes de seqüência negativa produzem campo girante no sentido reverso e induzem correntes de frequência dupla no rotor. Pode haver aquecimento severo no rotor e nos enrolamentos amortecedores. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 28 de 135 Curtos-circuitos bifásicos e monofásicos possuem componentes de seqüência negativa, esta função serve também para detectar curtos-circuitosnão trifásicos que podem ter valor de corrente inferior à corrente de carga normal da máquina. Característica Térmica da Máquina Os fabricantes de máquinas indicam o limite permissível de carga desbalanceada através de: 22 )( N PERM I I Kt = tPERM = Tempo máximo permissível de aplicação da corrente de seqüência negativa I2. K = fator de assimetria da máquina (constante da máquina) I2 / IN = Desbalanço de carga (relação entre I2 e IN). O fator de assimetria depende da máquina e representa o tempo em segundos durante a qual a máquina pode ser carregada com 100% de carga desbalanceada (I2 = IN), Este fator está, tipicamente, na faixa 5 a 30 s. O fator K de assimetria da máquina é o valor de tempo para (I2/IN) = 1, na curva característica de carga desbalanceada fornecida pelo fabricante (valor primário). 10 100 100020 20050 500 1,0 0,1 0,11 0,2 0,4 0,5 I2 / IN t (s) Figura 2.3 – Característica de Desbalanço de Máquina Rotativa O aquecimento do objeto protegido (rotor) é calculado no relé tão logo as condições de desbalanço são excedidas (ajuste I2>). A área corrente x tempo é constantemente calculada para assegurar uma correta avaliação da carga que pode estar variando. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 29 de 135 É dado trip desde que se atinja o limite, isto é, a área ((I2/IN)2.t) atinja o limite K. Estágio de Tempo Definido Para corrente de seqüência negativa superior a um valor alto, ajustável (I2 >>). A partir desse valor, a curva é cancelada e a função de tempo definido é ativada (geralmente com tempo = 0s). É para detecção de corrente de curto circuito bifásico. A figura a seguir mostra esse valor de tempo definido, sobreposto à curva de tempo inverso. I2 ADM I2 >> T I2 >> T ALARME Figura 2.4 – Zona de Trip da Proteção de Carga Desbalanceada Relé SEL300G O relé da SEL apresenta as seguintes curvas de ajustes (K): SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 30 de 135 Figura 2.5 – Características K do relé SEL300G SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 31 de 135 2.4 POTÊNCIA ATIVA (Função 32) A função 32 na direção reversa (32R) é utilizada para geradores síncronos, na detecção de retorno de energia. Dependendo do tipo de turbina, deve ter uma grande sensibilidade no sentido inverso (da ordem de 1,0% da potência nominal do gerador). A literatura sugere os seguintes ajustes: Turbinas hidráulicas: 0,5 a 2% Turbinas a vapor: 1 a 3% Turbinas a gás: 1 a 3% Diesel: > 5% Entretanto, a melhor política é verificar a documentação do fabricante de cada turbina ou grupo motor / gerador. Quando ocorre motorização, a potência ativa estará entrando no gerador e a potência reativa poderá estar entrando ou saindo, dependendo da excitação. Assim, a impedância vista pela proteção poderá estar no segundo ou no terceiro quadrante. No relé SEL300G, o ajuste é feito em p.u. (por unidade) da potência nominal do gerador. O relé pede IN e VN para calcular MVA nominal. E possui dois ajustes, um na direção reversa e outro na direção para frenjte: Figura 2.6 – Características de ajustes da função 32 do relé SEL300G SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 32 de 135 O ajuste 32P1P é na direção reversa (retorno de energia). O ajuste 32P2P pode ser ajustado como sendo uma proteção de sobrecarga ((1.05 a 1,10 pu). 2.5 DIFERENCIAL (87G) Na proteção de sistemas elétricos de potência, uma das funções mais utilizadas na proteção é a função DIFERENCIAL. Como o próprio nome indica, seu princípio de funcionamento baseia-se na comparação entre grandezas (ou composição de grandezas) que entram no circuito protegido e grandezas de mesma natureza que saem do circuito protegido. No caso de se apurar diferença entre grandezas comparadas, descontando-se os aspectos esperados das condições de contorno como erros de TC´s, defasamentos angulares e diferenças de potencial entre os lados comparados, pode-se concluir quanto à existência de anormalidade no componente protegido. A função DIFERENCIAL é utilizada na proteção de transformadores, equipamentos de compensação reativa, máquinas rotativas, sistemas de barramentos, cabos e linhas de transmissão. A função diferencial é recomendada para máquinas rotativas com potência superior a um valor em torno de 1 MW (1000 kW). Ela pode ser do tipo percentual (a maioria dos casos) ou do tipo “alta impedância”. 2.5.1 Requisitos de uma Proteção Diferencial Os seguintes são os requisitos básicos de qualquer proteção diferencial: • Deve considerar os efeitos de erros de precisão nos TC’s e TC’s auxiliares utilizados para conexão da proteção. • Deve manter a estabilidade (não atuar) para curto-circuito externo à área protegida, mesmo com saturação de TC. • Deve manter a estabilidade para correntes de magnetização transitória (energização) quanto aplicada a transformadores de potência. • Deve ter rápida atuação para curto-circuito interno, mesmo para aquelas faltas de baixa corrente. as correntes devem ser devidamente condicionadas antes da medição da diferença entre as correntes de um lado e do outro. O princípio diferencial percentual é mostrado a seguir: SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 33 de 135 Figura 2.7 – Princípio da Função Diferencial Percentual – Relé SEL300G Geralmente, adota-se como operação o Módulo da Soma das correntes. Enquanto que para a restrição adota-se a soma dos módulos. Há sempre uma corrente mínima diferencial para atuação da função (O87P) A inclinação 1 (SLP1) serve para correntes relativamente baixas onde o erro do TC ainda é baixo. A inclinação SLP2 serve para correntes elevadas onde o erro do TC chega a 10% para 20 x Inominal. 2.5.2 Proteção de Gerador e de Grupo Gerador / Transformador A figura a seguir mostra uma conexão para proteção diferencial de grupo gerador / transformador. Pode-se usa relé SEL300G para gerador e relé SEL387A para o grupo gerador / transformador: SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 34 de 135 52 87 Grupo 87 Gerador S. Aux. Transformador Elevador Gerador Figura 2.8 – Conexão de TC’s para Proteção Diferencial de Gerador e de Grupo Gerador - Transformador SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 35 de 135 2.6 FASE DIVIDIDA (87FD) As figuras a seguir ilustram o princípio. Figura 2.9 – Fase Dividida / Conexão Transversal de TC’s No caso de curto entre espiras, haverá diferença de corrente nos dois TC’s da fase em falta, com atuação da proteção. Há situações onde se utiliza 01 TC apenas com dois primários,como na figura a seguir: Figura 2.10 – Fase Dividida com TC de dois primários SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 36 de 135 2.7 SOBRECORRENTE (FUNÇÃO 50/51), SOBRECORRENTE SUPERVISIONADA POR TENSÃO (FUNÇÃO 51V) E SOBRECORRENTE CONTROLADA POR TENSÃO (51C) Haverá, sempre, a necessidade de proteção de retaguarda para faltas entre fases no gerador eno transformador elevador, para aqueles com proteção diferencial. Para aqueles geradores que não possuem proteção diferencial, haverá sempre a necessidade de proteção para faltas entre fases. Essa proteção é feita através de uma ou mais das seguintes funções: - Proteção de sobrecorrente de fase (51). - Proteção de sobrecorrente de fase, supervisionada por tensão (51V). - Proteção de sobrecorrente de fase, controlada por tensão (51C). - Proteção de impedância. A proteção de sobrecorrente é sempre aplicada, como retaguarda ou como proteção principal, para gerador de qualquer capacidade. A proteção de sobrecorrente simples é ajustada para cerca de 1,20 a 1,30 x a corrente nominal da máquina e com tempo de cerca de 5 s (grandes máquinas) se característica de tempo definido. G 21 51 ou51V Figura 2.11 – Proteção de Sobrecorrente e Proteção de Impedância SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 37 de 135 A proteção de sobrecorrente com supervisão de tensão já é aplicada para geradores com capacidade média ou alta (superior a 1000 kW). A vantagem dessa proteção com relação à de sobrecorrente simples é que pode ser ajustada para correntes menores, para tensões abaixo da nominal. Figura 2.12 – Proteção de Sobrecorrente supervisionada por tensão A figura acima mostra a característica da função 51V do relé SEL 300G. Nota-se que, para tensões inferiores a 1.0 pu (100%), a sensibilidade da proteção de sobrecorrente aumenta, isto é, diminui o valor de pickup. Já uma proteção 51C (controlada por tensão) só atua quando a tensão for inferior a um dado valor ajustado. Por exemplo, se ajusto a tensão para 0,7 pu (70%), o relé não irá atuar com sobrecorrente para tensões superiores a esse. 2.8 IMPEDÂNCIA (FUNÇÃO 21) Ela serve como proteção de retaguarda para curtos-circuitos no gerador ou no transformador elevador, principalmente para faltas entre fases. A proteção de impedância é conectada em TC do lado do neutro do Gerador e também aos TP’s da máquina, como mostra a figura anterior. A característica dessa proteção pode ser do tipo circular, como mostra a figura a seguir, uma vez que a direcionalidade é inerente, isto é, toda falta na máquina estará na sua frente (uso de TC’s do lado do neutro do gerador). SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 38 de 135 Figura 2.13 – Proteção de Impedância de Gerador. Característica Circular A figura acima é do relé SEL300G. Nota-se que tem característica mho deslocada. E apresenta blindagem para carga, Isto é, uma região onde a carga pode chegar, sem atuar o elemento 21. O relé tem ainda a possibilidade de ter uma segunda zona, com temporização respectiva. A proteção convencional pode, de um modo aproximado, ser ajustada para operar com cerca de 70% da impedância de carga nominal da máquina, correspondente a uma corrente de 1 / 0,7 = 1,4 p.u. para tensão de 1,0 p.u. Esse ajuste, geralmente assegura retaguarda para curtos no gerador e no transformador elevador. Temporização adequada é necessária para seletividade com as demais proteções (geralmente 0,5 a 0,6 s). Caso se deseje um ajuste mais fino, deve-se calcular as impedâncias vistas do gerador e do transformador para curto- circuito no lado da Alta Tensão. Numa proteção com duas zonas, como a proteção SEL300G da Schweitzer, pode-se ajustar a primeira zona sem temporização adicional, porém alcançando apenas o lado da BT do transformador elevador. A segunda zona, com temporização entre 0,5 e 1,0 s, poderia atingir o lado da AT. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 39 de 135 2.9 PERDA DE CAMPO (FUNÇÃO 40) 2.9.1 Função 40 com característica R-X clássica. O uso de característica de impedância no plano R-X, como mostrado na figura a seguir, é a forma clássica de se ter a função 40 para máquinas síncronas: XR X'd / 2 Diâmetro = Xd Diâmetro= 1 p.u. Figura 2.14 – Função perda de excitação (40). Característica clássica para Gerador. Relé SEL300G O deslocamento do círculo no sentido –X terá um valor ajustado de X’d / 2 (metade da reatância transitória de eixo direto da máquina), considerando que, ao se perder o campo, a impedância medida é maior em móduo que |X’d / 2|. Classicamente, a característica da função 40 (que no fundo é um relé de impedância) é ajustada como sendo um círculo de diâmetro igual a Xd (reatância síncrona de eixo direto). O relé SEL300G apresenta essa característica clássica. O relé SEL 300G oferece proteção 40 também com a característica com diâmetro 1.0 pu (impedância da máquina), conforme a figura, com atuação instantânea. Isso porque, quando de perda de campo, a impedância vista vai cair dentro dessa característica. Note que 1 p.u. equivale à impedância calculada nas bases nominais da máquina: SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 40 de 135 N N N N MVA kV I V 23/ = Com a perda de campo, a máquina começa a absorver reativo, operando como gerador de indução. A chamada primeira zona (circulo menor) detecta a perda de campo em condições de carga nominal. A impedância cairá dentro dessa área. Em condições de carga leve, a impedância poderá cair na segunda zona (circulo maior). Figura 2.15 – Trajetória da impedâancia quando da perda de campo. Considerando que em condição de oscilação de potência ou outra condição transitória, a característica pode passar por essa área, há necessidade de temporizar a função 40 (diâmetro Xd) para dar tempo à atuação de regulador de tensão (atua no campo) e evitar trip desnecessário. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 41 de 135 2.9.2 PERDA DE SINCRONISMO (FUNÇÃO OUT-OF-STEP 78) O uso da função 78 de perda de sincronismo é comum para grandes geradores síncronos. Proteção SEL300G O relé 300G implementa essa função 78 através da medição da impedância vista nos terminais da máquina. A figura a seguir mostra a característica da função: Figura 2.16 – Características da função 78. Proteção rSchweitzer. Tanto num esquema como no outro, os elementos laterais 78R1 / 78R2 do lado direito e os elementos laterais 78L1 / 78L2 do lado esquerdo, servem para detectar a passagem do vetor impedância por eles, dentro do Mho. Assim, a lógica do relé permite detectar se é oscilação de potência apenas ou perda de sincronismo. A oscilação de potência é uma ocorrência trifásica, simétrica (sem desbalanço) portanto a impedância medida pelo relé será sempre de seqüência positiva. Uma condição de perda de sincronismo requer que a característica detectada (vetor da impedância medida pela proteção) entre por um lado e saia pelo outro. O relé pode detectar a entrada e saída por um mesmo lado. Neste caso, a oscilação tende a se estabilizar. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 42 de 135 2.10 PROTEÇÃO TERRA ESTATOR 90 / 95% Para um gerador ou motor síncrono aterrado através de alta impedância, haverá baixa corrente de curto-circuito fase-terra (da ordem de 15 A), o que muito difícil de ser detectado por proteção de sobrecorrente ou diferencial. Assim, o critério de medição direta da corrente de terra não pode ser utilizado. Com alta impedância de aterramento, haverá suficiente tensão de seqüênciazero (Deslocamento de Neutro = 3. V0) que pode ser medido de duas maneiras: - Através do secundário de TP (delta aberto ou soma das tensões de fase). - Através da resistência de neutro, no secundário do Transformador de Neutro. A figura a seguir mostra o caso do Transformador de Neutro 59 N VResidual Figura 2.17 – Proteção Terra Estator com Tensão Residual de Neutro O esquema detecta curto-circuito fase-terra em qualquer trecho, desde o enrolamento em triângulo do transformador elevador até cerca de 90 a 95% do enrolamento estatórico. Não detectará curtos próximos ao neutro. Na figura a seguir mostra-se a utilização de tensão medida no secundário dos TP’s quando o neutro é isolado. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 43 de 135 59 N VResidual Figura 2.18 – Proteção Terra Estator com Tensão Residual Secundário de TP A tensão através da proteção 59N equivale a Va + Vb + Vc = 3. V0 que é um valor relativamente grande para sistemas aterrados com alta impedância: Curto-Circuito Fase-Terra 3.N2.R XC XC XCG S ZT ZT ZT ZS+ ZS- ZS0 ZG+ ZG- ZG0 i0 V0 Figura 2.19 – Tensão de Seqüência Zero SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 44 de 135 Note que o esquema é aplicável pois, devido à conexão DELTA do transformador elevador, as faltas a terra no lado do gerador são detectados através da tensão residual. Em termos vetoriais: VA VC VBVBA VCB VAC VA = tensão do condutor A para TERRA VB = tensão do condutor B para TERRA VC = tensão do condutor C para TERRA A B C Condição Normal de Operação VC VB VBA VCB VAC A B C Curto Fase A - Terra VA = tensão do condutor A para TERRA VB = tensão do condutor B para TERRA Aumentou VC = tensão do condutor C para TERRA Aumentou VA + VB + VC = Valor GrandeVA Figura 2.20 – Deslocamento do Neutro para Falta Fase-Terra 2.11 FUNÇÃO TERRA ESTATOR 100% Faltas a terra em pontos próximos ao neutro ou no próprio fechamento do neutro precisam ser detectados, uma vez que, no caso de um segundo curto-circuito fase-terra num outro ponto da máquina, a falta será plena, sem a limitação introduzida pelo aterramento de alta impedância. Assim sendo para geradores de porte grande (depende do usuário e da recomendação do fabricante), se utiliza uma proteção para detectar curtos-circuitos a terra em 100% do enrolamento estatórico. SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 45 de 135 Há, basicamente, dois métodos de detecção de faltas a terra no estator: - Utilizando medição de tensão de terceira harmônica. - Utilizando injeção de um sinal sub-harmônico no neutro e medindo corrente correspondente. Técnica Envolvendo a Terceira Harmônica Componentes de terceira harmônica de tensão estão presentes nos terminais de quase todas as máquinas síncronas e sua intensidade varia de acordo com o projeto da máquina / fabricante. Se presentes em quantidade razoável, são utilizados para medir a ocorrência de faltas a terra em pontos próximos ao neutro (0 – 30%). A figura a seguir mostra as tensões de terceira harmônica (V3H) presentes no neutro e nos terminais da máquina síncrona típica durante as diferentes condições de carga: Neutro Terminal Terminal Neutro + VTH - VTH Terminal + VTH Neutro - VTH A) Condição Normal de Operação B) Curto-Circuito a Terra no Neutro C) Curto-Circuito a Terra no Terminal Plena Carga Sem Carga Sem Carga Plena Carga Plena Carga Sem Carga Sem Carga Plena Carga Figura 2.21 – Tensões de Terceira Harmônica no Neutro e nos Terminais da Máquina Síncrona Das figuras anteriores, tem-se: 1. O nível de tensão de terceira harmônica no NEUTRO da máquina é dependente das condições de operação. Em geral a tensão (Terceira Harmônica) a plena carga é maior SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 46 de 135 que a tensão (Terceira Harmônica) em vazio – mas dependendo da máquina, o inverso pode ser verdadeiro. 2. Há um ponto no enrolamento estatórico em que a tensão de terceira harmônica é zero. 3. Para um curto-circuito a terra no ponto de fechamento do NEUTRO, a tensão de terceira harmônica neste ponto torna-se zero. Para um curto-circuito próximo ao neutro, a tensão de terceira harmônica do neutro terá um valor superior a zero, porém menor que a tensão que existiria em operação. No TERMINAL, a tensão de terceira harmônica irá crescer, com um curto-circuito no NEUTRO. 4. Para um curto-circuito a terra no TERMINAL, a tensão de terceira harmônica neste ponto torna-se zero. Para um curto-circuito próximo ao terminal, a tensão de terceira harmônica no terminal terá um valor superior a zero, porém menor que a tensão que existiria em operação. No NEUTRO, a tensão de terceira harmônica irá crescer, com um curto-circuito no TERMINAL 5. Como a tensão de terceira harmônica irá variar, de máquina para máquina, essa tensão DEVE SER MEDIDA em condição de carga e em vazio, nos terminais e no neutro, antes de se ajustar a proteção baseada na medição dessa grandeza. 2.11.1 Terra Estator (100%) – Usando Terceira Harmônica do Neutro do Gerador Neste esquema utiliza-se uma função de Subtensão (27) para a Tensão de Terceira Harmônica medida no Neutro do Gerador. A figura a seguir ilustra o mencionado: 59 N VResidual 27 TH V3aHarm 59 F 52 R.1 R.2 59N Terra Estator 90 / 95% 59F 27THTerra Estator100% 86 R.1 R.2 Figura 2.22 – Utilização da Terceira Harmônica do Neutro da Máquina Síncrona SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 47 de 135 Ajusta-se a função 27 para não operar com tensão (Terceira Harmônica) em condição normal de operação (plena carga ou vazio), mas que opere para curtos-circuitos perto do neutro. Na figura acima, a função 59N opera para tensão de 60 Hz (fundamental) e a função 27TH opera para 180 Hz. A combinação das funções proporciona proteção para 100% do estator (95% + 5%). Há suficiente “overlap” pois a função 27TH pode chegar a 30% do enrolamento a partir do Neutro. E geralmente, não mais que uma tensão em torno de 1% da tensão nominal será necessária para o “overlap”. A função 27TH não deve provocar “trip” quando da partida ou parada da máquina. E também, em alguns casos, não haverá Terceira Harmônica suficiente para a função em condição “em vazio” ou carga leve. Assim, além da supervisão de tensão 59F (Vmin) mostrada na figura acima, haverá necessidade de supervisão por sobrecorrente (de fase) ou potência (Na proteção Siemens 7UM6 há Pmin e Vmin). 2.11.2 Terra Estator (100%) – Usando Terceira Harmônica através de TP’s em Delta Aberto Neste esquema utiliza-se uma função de sobretensão 59TH para a Tensão de Terceira Harmônica medida nos terminais da Máquina, através de TP’s. A figura a seguir ilustra o mencionado: 59 N VResidual V3aHarm 52 R.1 R.2 59N Terra Estator 90 / 95% 59TH Terra Estator 100% 86 R.1 R.2 59 TH Figura 2.23 - Utilização da Terceira Harmônica dos TP’s dos Terminais da Máquina Síncrona SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA. PROTEÇÃO DE GERADORES Funções de Proteção 48 de 135 Ajusta-se a função 59TH para não operar com
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