AULA_4_PROTECAO_DE_GERADORES

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AULA 4 – PROTEÇÃO DE GERADORES 
RAFAEL DE OLIVEIRA RIBEIRO 
1 
Proteção de Geradores Síncronos 
2 
A máquina síncrona, operando como 
gerador é um equipamento vital ao 
sistema elétrico. 
Proteção de Geradores Síncronos 
3 
Sua capacidade de geração limita a 
demanda que pode ser suprida. 
 
O sistema elétrico é mantido por poucos 
geradores, sendo que sua carga está 
distribuída em milhares de pontos. 
Proteção de Geradores Síncronos 
4 
Sendo o gerador um equipamento 
complexo, o qual possui peças girantes, 
está sujeito a maiores riscos. 
Proteção de Geradores Síncronos 
5 
A máquina síncrona, acoplada ao 
sistema elétrico, está sujeita a diversos 
tipos de perturbações provenientes de: 
• Sistema elétrico 
• Da própria máquina síncrona 
(armadura/rotor) 
• Da máquina primária 
Proteção de Geradores Síncronos 
6 
As perturbações no sistema elétrico são 
decorrentes da: 
• Retirada súbita de cargas 
• Inserção de cargas pesadas 
• Retirada súbita de geração 
• Curtos-circuitos 
Proteção de Geradores Síncronos 
7 
As perturbações no sistema elétrico são 
decorrentes da: 
• Sobrecargas 
• Abertura de fase 
• Cargas fortemente desequilibradas 
• Descargas atmosféricas 
Proteção de Geradores Síncronos 
8 
As perturbações na máquina síncrona – 
na armadura: 
• Falha de 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 
Proteção de Geradores Síncronos 
9 
As perturbações na máquina síncrona – 
na armadura: 
• Aquecimento nas bobinas e materiais do 
estator 
• Não equalização de campos elétricos e 
magnéticos no material do núcleo da 
armadura 
Proteção de Geradores Síncronos 
10 
As perturbações na máquina síncrona – 
na rotor: 
• Falha na isolação entre espiras 
• Falha na isolação entre bobinas e a carcaça 
• Movimentação das espiras devido às forças 
elétricas e magnéticas, provocadas pelas 
correntes de curto-circuito 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
11 
As perturbações na máquina síncrona – 
na rotor: 
• Movimentação das espiras, devido a força 
centrífuga provocada pela sobre velocidade do 
rotor 
• Aquecimento nas bobinas e material do rotor 
• Abertura de espiras 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
12 
As perturbações na máquina síncrona – 
na rotor: 
• Perdas de campo (excitação) 
• Problemas mecânicos e de aquecimento dos 
mancais do rotor 
• Problemas na escova 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
13 
Problemas nos serviços auxiliares: 
• Problemas nos equipamentos que 
compõem os serviços auxiliares, próprios 
para operação e regulação da máquina, 
afetam as condições de operação do 
gerador síncrono. 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
14 
Problemas na máquina primária: 
• Problemas em qualquer componente vital, 
principalmente nas turbinas, comprometem 
a operação do conjunto de geração. 
• Problemas decorrentes da vibração ou 
movimentos anômalos das palhetas nas 
turbinas. 
 
15 
A seguir um levantamento estatístico de taxas de 
falhas dos equipamentos de uma 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% 
Proteção de Geradores Síncronos 
16 
A proteção utilizada no gerador síncrono 
é, principalmente, devido a: 
• Curto-circuito 
 Entre espiras 
 Entre fases 
 Fase e carcaça 
 trifásico 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
17 
A proteção utilizada no gerador síncrono 
é, principalmente, devido a: 
• Falha de Funcionamento 
 Perda de excitação 
 Carga desequilibrada 
 Sobre velocidade 
 Vibração 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
18 
A proteção utilizada no gerador síncrono 
é, principalmente, devido a: 
• Falha de Funcionamento 
 Sobrecarga 
 Sobretensão 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
19 
Visando cobrir todos os defeitos e 
demais anormalidades, as proteções 
mais utilizadas em geradores síncronos 
são: 
Proteção de Sobrecorrente (50,51) 
Proteção Diferencial (87) 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
20 
Proteção de Subtensão (27) 
 
Proteção de Sobretensão (59) 
 
Proteção de Sequência Negativa (46) 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
21 
Proteção de Imagem Térmica (49) 
É um relé que opera quando a temperatura do 
enrolamento da armadura, de outro enrolamento ou 
elemento da máquina, sujeito à sobrecarga de uma 
máquina, excede um valor predeterminado. 
Esta função é própria para sinalizar o nível de 
sobrecarga de um equipamento elétrico. 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
22 
Proteção de Perda de Excitação (40) 
É um relé que opera com a ocorrência de falha (curto-
circuito) ou com um valor anormalmente baixo da 
corrente de campo de uma máquina síncrona, ou por 
um valor excessivo da componente reativa da 
corrente de armadura da máquina síncrona. 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
23 
Proteção Direcional de Potência (32) 
É um relé que opera num valor desejado do fluxo de 
energia numa dada direção. 
 
Proteção de Frequência (81) 
É um relé que opera quando a variação na 
frequência do sistema. Pode ser de subfrequência 
ou sobrefrequência. 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
24 
Proteção de Perda de Sincronismo (78) 
É o relé de medição de ângulo de fase ou de proteção 
fora de fase atuando quando o ângulo entre duas 
tensões ou entre duas correntes, excede um valor 
predeterminado. 
 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
25 
Proteção de Balanço de Tensão (60) 
É o relé que opera quando a diferença de tensão de 
dois circuitos ultrapassar um valor pré-ajustado. Este 
relé é usado principalmente para detectar a perda do 
sinal de tensão dos circuitos de proteção ou controle 
alimentados por TPs. 
 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
26 
Proteção de Terra – Ground (64) 
É o relé que opera qundo da ocorrência de uma falha 
do isolamento contra a terra de uma máquina, 
transformador ou de outro equipamento ou sob arco 
elétrico a terra de uma máquina de CC. Estes relés 
podem ser por corrente ou por tensão, para a sua 
identificação, os diagramas devem indicar se são 
alimentados por TC ou TP. 
 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
27 
Proteção de Terra – Ground (64) 
A função 64R designa proteção à terra do rotor 
enquanto a função 64S designa proteção à terra da 
bobina de armadura da máquina síncrona. 
 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
28 
Proteção de balanço de corrente (61) 
É um relé que opera quando uma dada diferença de 
corrente de entrada ou saída de dois circuitos, 
ultrapassar um valor pré-ajustado. 
Esta função é muito utilizada na proteção de banco de 
capacitores e em enrolamentos de mesma fase de 
geradores síncronos. 
 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
29 
Proteção de mancal (38) 
É um dispositivo que funciona quando a temperatura 
do mancal do eixo da máquina for excessiva ou sob 
outras condições mecânicas anormais, associadas ao 
mancal, tais como desgaste indevido, que resulta em 
excessivo aumento da temperatura do mancal. 
 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
30 
Proteção contra vibrações (39) 
É um dispositivo que funciona quando da ocorrência 
de uma condição mecânica anormal (exceto a 
associada com mancais na forma abrangida pela 
função 38) tal como excessiva vibração, 
excentricidade, expansão, choque, inclinação ou falha 
de vedação. 
 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
31 
Diagrama unifilar de uma unidade geradora que sofre um 
curto-circuito. 
 
 
 
 
As correntes de curto-circuito IG e IS, que alimentam o 
defeito em F, são provenientes dos 2 lados, isto é, do 
gerador síncrono e do sistema elétrico conectado à barra. 
 
 
32 
Proteção de Geradores Síncronos 
33 
O sistema de proteção existente abre primeiro o disjuntor 
52 e portanto momentaneamente a nova configuração 
passa a ser: 
 
 
 
 
 
 
Proteção deGeradores Síncronos 
34 
Na figura anterior, o estado aberto do disjuntor 52 está 
assinalado me negrito, sendo que a partir do instante de sua 
abertura o sistema elétrico não contribui mais com a 
corrente de curto-circuito. 
 
Porém como o gerador está excitado e girando, o curto-
circuito continua sendo alimentado pela máquina síncrona. 
 
 
 
 
 
 
Proteção de Geradores Síncronos 
35 
Deste instante em diante, a corrente de curto-circuito proveniente da 
máquina se extingue gradualmente (lentamente) devido a existência no 
rotor de magnetismo remanescente. Dependendo do porte da máquina 
síncrona, a corrente se extingue na faixa de 5 s a 10 s. 
 
 
 
 
 
 
Curto-circuito na bobina da armadura do 
Gerador Síncrono 
36 
 
Na bobina (enrolamento) da armadura são induzidas as tensões 
elétricas, sendo que defeitos em algum ponto das espiras provocarão 
correntes de curto-circuito. 
 
 
 
 
 
 
Curto-circuito na bobina da armadura do 
Gerador Síncrono 
37 
Na figura a seguir representa um gerador síncrono operando a vazio, com as 
bobinas da armadura conectadas em Y, e aterrado no neutro por uma 
impedância ZN. 
 
 
 
 
 
 
 
Neste gerador o defeito pode ocorrer a p% do enrolamento da bobina do 
estator. 
 
 
 
 
 
 
Curto-circuito na bobina da armadura do 
Gerador Síncrono 
38 
Curto-circuito Trifásico: 
 
Supondo a ocorrência de um defeito trifásico a p% a partir 
de neutro (N) da bobina do estator, conforme figura. 
 
 
 
 
 
Curto-circuito na bobina da armadura do 
Gerador Síncrono 
39 
Curto-circuito Trifásico: 
 
Como o curto-circuito trifásico é equilibrado, tem-se somente a 
representação do modelo de sequência positiva. 
Assim: 
 
𝐼𝐶𝐶3∅𝑝% =
𝑝𝐸
𝑝𝑋𝐺
=
𝐸
𝑋𝐺
= 𝐼𝑐𝑐3∅ 
 
Para o curto-circuito trifásico, a corrente independe do ponto da bobina do 
estator em que ocorreu o defeito e tem o mesmo valor no terminal da 
máquina síncrona, isto é, a 100% do enrolamento. 
 
 
 
 
 
Curto-circuito na bobina da armadura do 
Gerador Síncrono 
40 
Curto-circuito Bifásico: 
 
Para o curto-circuito bifásico, supondo ter ocorrido num ponto a p% das 
bobinas do estator das fases B e C, tem-se os modelos de sequência positiva 
e negativa conectados em paralelo. 
 
 
 
 
 
Curto-circuito na bobina da armadura do 
Gerador Síncrono 
41 
A intensidade da corrente de curto-circuito bifásica depende do tipo de rotor da 
máquina síncrona, qual pode ser: 
 
Máquina síncrona de rotor liso (neste caso XG = X2 
 
𝐼𝑐𝑐2∅ =
3
2
∗
𝐸
𝑋𝐺
 
 
Máquina síncrona de rotor saliente (neste caso XG ≠ X2 
 
𝐼𝑐𝑐2∅ =
3 ∗ 𝐸
𝑋𝐺 + 𝑋2
 
 
 
 
 
 
Curto-circuito na bobina da armadura do 
Gerador Síncrono 
42 
Curto-circuito Bifásico: 
 
Portanto, pode-se concluir que o valor da corrente de curto-circuito 
bifásica é o mesmo e independe da localização do ponto de defeito no 
enrolamento da bobina do estator (armadura). 
 
 
 
 
 
Curto-circuito na bobina da armadura do 
Gerador Síncrono 
43 
Curto-circuito monofásico à terra: 
 
A ocorrência de um curto-circuito monofásico para a terra (carcaça), em um 
ponto p% do enrolamento da bobina do estator é apresentado a seguir. 
 
 
 
 
 
Curto-circuito na bobina da armadura do 
Gerador Síncrono 
44 
Curto-circuito monofásico à terra: 
 
Apresenta-se uma máquina síncrona genérica, que está aterrada por uma 
impedância ZN. A máquina pode apresentar a impedância do aterramento 
com os seguintes valores: 
• Zero, ou seja, solidamente aterrada. 
• Não muito elevada, com objetivo de apenas limitar a corrente de defeito 
a uma valor considerado. 
• Muito elevada, para limitar consideravelmente a corrente de defeito. 
• Infinita, isto é, sem aterramento. 
 
 
 
 
 
Curto-circuito na bobina da armadura do 
Gerador Síncrono 
45 
Máquina síncrona solidamente aterrada (independe local defeito): 
 
𝐈𝐜𝐜𝟏∅−𝐭𝐞𝐫𝐫𝐚 =
𝟑𝐄
𝐗𝐆 + 𝐗𝟐 + 𝐗𝟎
 
 
 
Máquina síncrona aterrada com uma impedância de valor elevado, tal que 
ZN >>> (XG+X2+X0) (depende do local defeito) 
 
𝐈𝐜𝐜𝟏∅−𝐭𝐞𝐫𝐫𝐚 =
𝐩𝐄
𝐙𝑵
 
 
 
 
 
Curto-circuito na bobina da armadura do 
Gerador Síncrono 
46 
Como a corrente de curto-circuito à carcaça depende do ponto de defeito, as 
espiras iniciais mais próximas do neutro não ficarão cobertas pela proteção 
diferencial (87). 
Isto ocorre porque as correntes de defeito menores que o ajuste do relé 87 
não serão eliminadas. 
Dependendo da máquina síncrona e da impedância de aterramento, por 
exemplo, um percentual de 5% a 10% da bobina da armadura pode ficar sem 
proteção. 
Portanto necessita-se de outros esquemas de proteção para cobrir esses 
trechos. 
 
 
 
 
Curto-circuito na bobina da armadura do 
Gerador Síncrono 
47 
Curto-circuito na bobina da armadura do 
Gerador Síncrono 
48 
Curto-circuito entre espiras: 
 
A figura a seguir mostra o caso em que um curto-circuito ocorre entre 
espiras de uma bobina da armadura da máquina síncrona. 
 
 
 
 
Curto-circuito na bobina da armadura do 
Gerador Síncrono 
49 
Curto-circuito entre espiras: 
 
O trecho de espiras em curto-circuito pode ser interpretado como 
correspondendo a um pequeno gerador, separado do gerador principal. 
Nesse caso, o curto-circuito é do tipo monofásico para a carcaça e os 
circuitos de sequência estão conectados em série. 
𝑰𝑪𝑪 𝒆𝒏𝒕𝒓𝒆 𝒆𝒔𝒑𝒊𝒓𝒂𝒔 =
𝟑𝑬
𝑿𝑮 + 𝑿𝟐 + 𝑿𝟎
 
 
Portanto, a corrente de curto-circuito entre espiras independerá do local do 
defeito e terá o mesmo valor do curto-circuito monofásico a terra da 
máquina síncrona solidamente aterrada. 
 
 
 
 
Trecho não Protegido pela Proteção 87 
50 
Com objetivo de limitar a corrente de curto-circuito à terra, para que os 
danos sejam minimizados, as máquinas síncronas devem operar com uma 
impedâncias conectada ao neutro. 
 
Esse procedimento prejudica a proteção diferencial que não cobre mais 
100% das espiras do enrolamento da armadura. 
 
O trecho não protegido é devido ao valor da corrente de ajuste no relé 87, 
isto é, ao Iajuste do relé 87. 
 
 
 
Trecho não Protegido pela Proteção 87 
51 
A corrente de defeito monofásico à carcaça, na bobina da armadura da 
máquina síncrona, é dada por: 
𝑰𝒄𝒄𝟏∅−𝒕𝒆𝒓𝒓𝒂 =
𝒑𝑬
𝒁𝑵
 
O trecho desprotegido é limitado pela corrente de defeito, a 
qual é igual a corrente de ajuste do relé 87, isto é: 
𝑰𝒄𝒄𝟏∅−𝒕𝒆𝒓𝒓𝒂 =
𝒑𝑬
𝒁𝑵
= 𝑰𝒂𝒋𝒖𝒔𝒕𝒆 𝟖𝟕 ∗ 𝑹𝑻𝑪 
 
 
 
 
Trecho não Protegido pela Proteção 87 
52 
Assim: 
𝒑 =
𝒁𝑵
𝑬
∗ 𝑹𝑻𝑪 ∗ 𝑰𝒂𝒋𝒖𝒔𝒕𝒆 𝟖𝟕 
 
Como 
𝐸 =
𝑉𝐿
3
 
 
O trecho desprotegido é calculado por: 
𝒑 =
𝟑 ∗ 𝒁𝑵
𝑽𝑳
∗ 𝑹𝑻𝑪 ∗ 𝑰𝒂𝒋𝒖𝒔𝒕𝒆 𝟖𝟕 
 
 
Proteção Contra Falhas entre Espiras 
53 
A proteção diferencial (87) não é sensível para defeitos entre espiras. 
Isto ocorre porque as correntes de entrada e saída nos TCs são iguais. 
Para obter-se a proteção entre espiras, utiliza-se uma proteção diferencial 
especial, chamada função 61, a qual pode ser realizada por vários relés, e 
que depende do porte do gerador e do esquema adotado. 
 
Função ANSI 61 – Relé de balanceamento de corrente 
É um relé que opera quando uma dada diferença de corrente de entrada ou 
saída de dois circuitos, ultrapassar um valor pré-ajustado. Esta função é 
muito utilizada na proteção de banco de capacitores e em enrolamentos de 
mesma fase de geradores síncronos. 
 
 
 
Relé de Sobreexcitação do Gerador Síncrono 
54 
O fluxo magnético máximo no interior do núcleo do transformador ou na 
estrutura da máquina síncrona é diretamente proporcional ao termo V/f, isto 
é: 
 
𝝋𝒎á𝒙𝒊𝒎𝒐 ∝
𝑽
𝒇
 
 
Portanto, sob frequência nominal, um aumento na tensão, provoca um 
aumento no fluxo magnético, produzindo um aquecimento não desejado no 
núcleo do transformador ou da máquina síncrona. 
 
 
 
 
Relé de Sobreexcitação do Gerador Síncrono 
55 
Os transformadores e geradores síncronos dependendo da tecnologia e 
dos materiais empregados na sua fabricação, os mesmos apresentam 
uma curva de danos emrelação ao excesso de fluxo magnético, ou seja, 
elevada relação de V/Hz. 
 
Como os modernos relés digitais tem o recurso de personalizar curvas de 
atuação, pode-se ajustar uma curva de atuação que seja uma réplica da 
curva de dano do transformador ou gerador síncrono, deslocada para 
baixo em torno de 20%. 
 
 
 
 
DÚVIDAS ? 
56