Proteção de Geradores Síncronos

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Proteção de Geradores Síncronos
(Proteção por relé Diferencial)
Professor: Rogério Gaspar de Almeida
Disciplina: Proteção de Sistemas Elétricos
Departamento de Engenharia Elétrica
João Pessoa – PB
O Gerador Síncrono
• É um equipamento vital para o sistema elétrico. É 
praticamente o componente que mantém a frequência 
operacional do sistema, e portanto, limita a demanda 
que pode ser suprida;
• Sendo um equipamento complexo, com peças girantes 
sujeitas a muitos ricos, e dada a sua relevante 
importância no sistema elétrico, este tipo de máquina 
requer uma grande quantidade de relés de proteção;
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Perturbações na Máquinas Síncrona 
3
• Do Sistema Elétrico:
– Retirada súbita de carga;
– Inserção de cargas pesadas;
– Retirada súbita de geração
– Curtos-circuitos (3, 3 - t, 2, 2 - t e 1 - t)
– Sobrecargas;
– Abertura de fases;
– Cargas fortemente desequilibradas;
– Descargas atmosféricas diretas e indiretas
• Da Máquina Primária:
– Problemas em qualquer componente vital, principalmente nas 
turbinas;
– Problemas decorrentes de vibração ou movimento anômalo das 
palhetas nas turbinas.
Perturbações na Máquinas Síncrona 
• Da própria Máquina Síncrona:
– Na armadura:
• Falha na isolação entre espiras;
• Falha na isolação entre bobinas e carcaça;
• Movimentação das espiras devido às forças elétricas e 
magnéticas, provocadas pelas correntes de curto-circuito;
• Aquecimento nas bobinas e materiais do estator;
• Não equalização de campos elétricos e magnéticos no 
material do núcleo da armadura;
• Abertura de espiras.
– No rotor:
• Falha na isolação entre espiras;
• Falha na isolação entre as bobinas e a carcaça;
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Perturbações na Máquinas Síncrona 
• Movimentação das espiras, devido às forças elétricas e 
magnéticas provocadas pelas correntes dos curtos-circuitos;
• Movimentação das espiras, devido à força centrífuga 
provocada pela sobrevelocidade do rotor;
• Aquecimento nas bobinas e material do rotor;
• Não equalização de campos elétricos e magnéticos no 
material do núcleo do rotor;
• Abertura de espiras;
• Perdas de campo (excitação);
• Problemas mecânicos e de aquecimento dos mancais do 
rotor;
• Problemas na escova.
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Perturbações na Máquinas Síncrona 
• Levantamento estatístico das taxas de falhas 
dos equipamentos de uma usina hidrelétrica
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Usina Hidrelétrica
Equipamento Percentual de falhas
Gerador 28,73%
Regulador de Velocidade 21,28%
Turbina Hidráulica 12,23%
Excitação 10,10%
Adução/Sucção 8,51%
Mancal 13,30%
Serviço Auxiliar 4,25%
Quadro de Comando 1,60%
Tipos de Proteção do Gerador Síncrono
• O tipos de proteção visando cobrir os defeitos que pode ocorrer 
num gerador síncrono são:
– Proteção de Sobrecorrente (50/51);
– Proteção Diferencial (87);
– Proteção de Subtensão (27);
– Proteção de Sobretensão (59);
– Proteção de Sequência Negativa (46);
– Proteção de Imagem Térmica (49);
– Proteção de perda de excitação (40);
– Proteção de Sobreexcitação (24);
– Proteção de Distância (21);
– Proteção Direcional de Potência (32);
– Proteção de Frequência (81);
– Proteção de perda de Sincronismo (78);
– Proteção de balanço de tensão (60);
– Proteção de terrra (ground) (64);
– Proteção de balanço de corrente (61);
– Proteção de mancal (38);
– Proteção contra vibrações (39). 7
Tipos de Proteção do Gerador Síncrono
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Esquemas de proteção do Gerador Síncrono
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Unidade Geradora 
síncrona e transformador 
acoplado diretamente ao 
sistema elétrico
Gerador síncrono 
acoplado diretamente 
ao sistema elétrico
Gerador síncrono 
acoplado 
diretamente ao 
transformador
Esquemas de proteção do Gerador Síncrono
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Geradores 
síncronos acoplado 
ao transformador
Geradores 
síncronos acoplados 
ao transformador de 
três enrolamentos
Curto-Circuito na Bobina da Armadura do Gerador 
Síncrono
• Um dos principais defeitos que ocorrem no gerador 
síncrono, consiste em curto-circuito na bobina da 
armadura (estator) do gerador. 
• Esses curtos circuitos podem ser:
– Curto-circuito trifásico;
– Curto-circuito Bifásico;
– Curto-circuito monofásico à terra;
– Curto-circuito entre espiras;
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Gerador ligado em Y e 
aterrado por uma impedância 
ZN
Curto-Circuito na Bobina da Armadura do Gerador
Síncrono
• Curto-circuito trifásico:
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cc3 p% cc3
G G
pE E
I =
pX X
I  
Sequência positiva do Enrolamento do 
Gerador Síncrono, para o Curto-circuito a p% 
do Enrolamento
Curto-circuito a p% do Enrolamento
Curto-Circuito na Bobina da Armadura do Gerador 
Síncrono
• Curto-circuito Bifásico:
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cc2
G 2
3E
I =
X X 
Circuitos de sequência Positiva e Negativa conectados em 
paralelo
Curto-circuito bifásico
Curto-Circuito na Bobina da Armadura do Gerador 
Síncrono
• Curto-circuito monofásico à terra:
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cc1 terra
G 2 0 N
3pE
I =
p(X X X ) 3Z   
Curto-circuito Monofásico à carcaça
Circuitos de Sequência Positiva, 
Negativa e Zero conectados em série
Curto-Circuito na Bobina da Armadura do Gerador 
Síncrono
• Curto-circuito entre espiras
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cc-entre-espiras
G 2 0
3E
I =
(X X X ) 
Curto-circuito entre Espiras
Proteção Diferencial do Gerador Síncrono
• A proteção diferencial (87), protege o gerador 
de defeitos na bobina do estator. O esquema 
utilizado é:
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Proteção Diferencial Curta
• Esquema de proteção diferencial do tipo 
autobalanço, utilizada em máquinas de pequeno 
porte:
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Proteção Diferencial Longa
• A proteção diferencial longa engloba a unidade 
de geração, constituída pelo gerador e 
transformador elevador.
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Trecho não Protegido pela Proteção 87
• Uma vez que se objetiva limitar a corrente de 
curto-circuito à terra, para que os danos sejam 
minimizados, as máquinas síncronas devem 
operar com uma impedância conectada ao 
neutro;
• Este procedimento prejudica a proteção 
diferencial que não consegue 100% das espiras 
do enrolamento da armadura;
• O trecho não protegido é devido ao valor da 
corrente de ajuste do relé 87, ou seja, ao 
Iajuste_do_relé87.
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Trecho não Protegido pela Proteção 87
• O trecho desprotegido é limitado pela corrente de 
defeito, a qual é igual a corrente de ajuste do relé 87, 
isto é:
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N
cc1 terra ajuste 87 ajuste 87
N
NLL
ajuste 87
LL
ZpE
I = =I .RTC p= .RTC.I
Z E
3.ZV
como E= p= .RTC.I
V3
 

• Sabendo que a corrente de defeito monofásica à 
carcaça, na bobina da armadura da máquina síncrona é 
expressa por:
cc1 terra N G 2 0
N
pE
I = , p/ Z X +X +X
Z

Exemplo de Aplicação
• Um gerador síncrono de pólos salientes, bobinas da 
armadura conectadas em Y, 30 MVA, 13,8 kV 60 Hz, 
está funcionando à vazio, com tensão nominal em seus 
terminais. A reatância subtransitória do eixo direto é 
igual a 0,2 p.u. e a reatância de sequência negativa vale 
0,25 p.u. A reatância de sequencia zero vale 0,08 p.u. 
Calcule:
a) A corrente e impedância base;
b) A corrente curto-circuito 3 nos terminais do gerador síncrono;
c) A corrente de curto-circuito 3 a 40% no enrolamento da 
armadura do gerador síncrono;
d) A corrente de curto-circuito 2 nas fases b e c, nos terminais 
do gerador síncrono;
e) O valor da impedância de aterramento (ZN), para que a 
corrente de curto-circuito 1 - terra nos terminais do gerador 
síncrono, fique limitada em 10 A; 21
Exemplo de Aplicação
f) No gerador síncrono utiliza-se a proteção diferencial, que é 
alimentada por conjuntos de TCs de 1200/5. Qual o percentual 
do enrolamento da armadura protegido pela proteção 87, que 
tem Iajuste 87 = 0,2 A?
g) Repetir o item anterior para uma resistência de 50 , conectada 
no neutro do gerador síncrono;h) A corrente de curto-circuito 1 - terra nos terminais do gerador 
síncrono para o caso de neutro solidamente aterrado;
i) A corrente de falta no caso em que a bobina do estator está 
com defeito e ocorre um curto-circuito 1 - terra a 20% do 
enrolamento. O gerador síncrono tem neutro solidamente 
aterrado.
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Exemplo de Aplicação
Solução:
a) 
23
2
base base
2
base base
base base
I = Z =
3.
30 (13,8 )
I = Z =
303.13,8kV
I =1255 A Z =6,348 
base base
basebase
S V
SV
MVA k
MVA

Exemplo de Aplicação
• c)
24
cc3 ''
1
I = = =5 p.u. = 5I =5.1255 = 6275 A
0,2 based
E
X
• b)
• d)
cc3 40% cc3I =I = 6275 A 
cc2 ''
2
3. 3.1
I = = =3,845 p.u. = 3,845I =4825,4 A
0,2 0,25 based
E
X X  
Exemplo de Aplicação
• e)
25
ajuste 87
3. 3 796,7 1200
p= .RTC.I = . .0, 2
13,8 5
p 4,80 p.u. = 480%
A proteção diferencial não protege nenhum trech do enrolamento
da bobina do estator para o curto-circuito 1 -terra
N
LL
Z x
V k


• f):
cc1
13,8 13,8
I = 10 = Z 796,7
3. 3.10
terra N
N N
E k k
Z Z
    
Exemplo de Aplicação
• g)
26
ajuste 87
3. 3 50 1200
p= .RTC.I = . .0, 2
13,8 5
p 0,3 p.u. = 30%
Conclusão para o curto-circuito 1 -terra:
A proteção diferencial cobre 70 % do enrolamento a partir
do terminal do gerador síncrono. Os 30% re
N
LL
Z x
V k


stantes do enrola-
mento, junto ao neutro, estão desprotegidos.
Exemplo de Aplicação
• i) 
27
cc1 ''
2 0
cc1
3
I = 
3.1
I = 5,6 p.u = 5,6x1255 = 7103,3 A
0,20 0,25 0,08
terra
d
terra
E
X X X



 
 
• h) 
20% do enrolamento 1I = I 7103,3 Acc terra 