proteção de geradores
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Proteção de GeradoresCondições Anormais de Operação
Paulo Lima
Engenharia de Aplicação e Suporte Técnico
• Proteção térmica
• Correntes desequilibradas
• Sobreexcitação e sobretensão
• Perda de campo
• Perda de sincronismo
• Funções de retaguarda
Agenda
• Sobrecarga no gerador
• Falha nos sistemas de refrigeração
• Pontos quentes localizados causados por:
▪ Falha de isolação nas lâminas do núcleo
▪ Falha de isolação no enrolamento
Proteção TérmicaCausas
SobrecargaSuportabilidade do Gerador para Sobrecarga
• Tipos: RTD e PTC
• Localização:
▪ Embutidos no meio do enrolamento, em canais de circulação
de ar refrigerante, entre as barras condutoras superior e
inferior
▪ Embutidos entre as barras tubulares do estator com saída de
líquido refrigerante
▪ Embutidos em mancais
Sensores de Temperatura
Sensores de Temperatura
Imagem Térmica
( )
2 2
22 ln
P
NOM
I IT
I k I
−= −
Elemento de Desequilíbrio de Corrente
Correntes Desequilibradas no Gerador
Produz correntes de sequência negativa que:
▪ Causa fluxo magnético que gira em oposição ao rotor
▪ Induz correntes de dupla frequência no rotor, maior frequência
Danos Causados pela Corrente de Sequência-Negativa
• Danos nas bordas do rotor devido ao aquecimento
por I22R
• Danos nos anéis de retenção do rotor devido ao
aquecimento por I22R
• Resulta num tempo elevado para reparos com o
gerador fora de serviço
Causas das Correntes Desequilibradas
• Transformadores monofásicos
• Linhas de transmissão sem transposição
• Cargas desequilibradas
• Faltas desequilibradas no sistema
• Condutor aberto
Suportabilidade de Sequência-Negativa
Continuamente
Tipo do Gerador I2 Max %
Pólos Salientes (C50.12)
Enrolamentos amortecedores conectados 10
Enrolamentos amortecedores desconectados 5
Pólos Lisos (C50.13)
Refrigeração indireta 10
Refrigeração direta, até 350 MVA 8
351 a 1250 MVA 8
1251 a 1600 MVA 5
Suportabilidade de Sequência-Negativa
Tempo Curto
Tipo de Gerador I22t Max %
Pólos Salientes (C37.102) 40
Condensador Síncrono (C37.102) 30
Pólos Lisos (C50.13)
Indiretamente Refrigerado 30
Diretamente Refrigerado até 800 MVA 10
Direto. Refrigerado, 801-1,600MVA →
22 2I t K=
Suportabilidade de Sequência-Negativa
Tempo Curto
Com I em por unidade, para um gerador de 13,8 kV, 68,9 MVA
Exemplo da Curva de Danos de Tempo Curto para Sequência-Negativa
22 2 10 sI t K= =
Sobrecorrente de Sequência-Negativa
Proteção de Sobrecorrente de Sequência-Negativa
Desbalanço de CorrenteRequisitos Mínimos de Trip
• Trip nos disjuntores principais do gerador
• Trip no disjuntor da excitatriz *
• Trip na Turbina *
• Transferência dos Circuitos Auxiliares *
Sobreexcitação e Sobretensão
Saturação Magnética
• Fluxo alinha domínios magnéticos (dipolos) no ferro
• A saturação ocorre quando:
▪ A densidade máxima de fluxo é atingida
▪ Todos os dipolos estão alinhados
• Saturação causa redução da permeabilidade
Efeitos da Sobreexcitação
• Núcleo fica saturado
• Fluxo flui em componentes não laminados
• Altas correntes parasitas nas extremidades do núcleo
• Maior dano nas extremidades do núcleo
Caminho do Fluxo SobreexcitadoVista Lateral
Caminho do Fluxo SobreexcitadoVista Frontal
Danos Causados pelas Correntes de Eddy
• Aquecimento do núcleo devido a perdas I²*R
• Tensão elevada degrada o isolamento fino
• Dano do núcleo de ferro
▪ Danos podem ocorrer em segundos
▪ Núcleo danificado é muito caro para consertar
Medição da Densidade de Fluxo
• Monitorar a densidade de fluxo é essencial
• Medir a densidade de fluxo diretamente não é
prático
• Medições alternativas
▪ Densidade de fluxo proporcional à tensão
▪ Densidade de fluxo inversamente proporcional à
frequência
Método de Detecção Preferencial
Relé de proteção baseado em tensão e frequência
▪ Relé com função volts/hertz (24)
▪ Método preferido para proteger geradores e
transformadores
Causas de Sobreexcitação
• Controle manual durante a partida da máquina
• Queima de fusíveis do TP
• Conexões incorretas do TP
• Medição ou indicação com defeito
• Falha no regulador ou na excitação
• Perda de geração ou de carga
• Sem Carga
▪ 1.05 p.u. na base do gerador
• Plena carga
▪ 1.05 p.u. na base do gerador
Norma ANSI/IEEE C50.13
Limites de SobreexcitaçãoContínua do Gerador
• Sem carga
▪ 1.10 p.u. na base do transformador
• Plena carga
▪ 1.05 p.u. na base do secundário do transformador
com carga nominal e fator de potência igual a 0.8, ou
maior
Norma ANSI/IEEE C57.12.00
Limites de SobreexcitaçãoContínua do Transformador
Proteção: Volts/Hertz (24)
Tempo-Definido com Dois Níveis
Time (Minutes)
Generator Limit Curve
Transformer Limit Curve
on Generator Voltage Base
0.01 0.1 1.0 10 100 1000
100
110
120
130
140
Vo
lts/H
ert
z (
Pe
rce
nta
ge
)
Relay
Characteristic
24D2P2 = 118%
24D2D2 = 6 s
24D2P1 = 110%
24D2D1 = 60 s
Proteção de Sobreexcitação
Proteção de Tempo-Definido e Tempo-Inverso
.001 .01 0.1 1.0 10 100
100
110
120
130
140V
olts/H
ert
z (
%)
1000
Característica
do Relé
Tempo (Minutos)
Curva do Limite do Transformador
na Base de Tensão do Gerador
.001 .01 0.1 1.0 10 100
100
110
120
130
140V
olts/H
ert
z (
%)
1000
Pickup=108%
118
1.2 s
Curva de Proteção Recomendada
pelo Fabricante do Gerador
Proteção de Sobretensão (59)
• A sobretensão pode ocorrer sem sobreexcitação
quando a tensão e a frequência aumentam
proporcionalmente
• Os danos são resultantes do stress dielétrico na
isolação do gerador
• Ocorrem principalmente nos hidrogeradores
• Normalmente, não são um problema para turbinas a
gás e vapor
Sobretensões Típicas Permissíveis Sem Carga
Geradores Transformadores
105% Continuamente
110% 30 min
115% 5 min
125% 2 min
100% Continuamente
115% 30 min
120% 5 min
130% 3 min
Proteção de Sobretensão
• Tempo-definido permite que o regulador responda à sobretensão
▪ Partida de tempo-definido com 110%
• Unidade instantânea para sobretensões muito elevadas
▪ Partida instantânea com 130%–150%
Fonte: IEEE C37.102
Sobreexcitação e SobretensãoRequisitos Mínimos de Trip
• Trip nos disjuntores principais do gerador
• Trip no disjuntor do campo
• Trip na turbina
• Transferência dos circuitos auxiliares
Perda de Campo
64 Exciter
High-
Voltage
Bus
Field
Winding
59N87G
46
50/
5132
87T
50G
50N/
51N
78
87
63
59
81
49
27
24
Service Transformer
51V
21
Generator
40
Causas da Perda do Campo
• Circuito aberto no campo
• Curto-circuito no campo
• Trip acidental do disjuntor do campo
• Falha do sistema de controle do
regulador
• Perda do campo da excitatriz principal
• Perda da fonte AC para a excitação
Efeitos da Perda do Campo
• O gerador absorve potência reativa
• Aumenta a velocidade do gerador
• Funciona como um gerador de indução
• O gerador fornece potência ativa
• O gerador pode perder o sincronismo
Efeitos no Gerador
• A temperatura do rotor aumenta devido a correntes
parasitas
• A temperatura do estator aumenta devido ao alto
consumo de energia reativa
• Temperatura do ferro no estator aumenta devido ao
fluxo de dispersão axial
• Danos graves podem ocorrer dentro de 10 segundos
Curvas de Capabilidade do Gerador
Detecção da Perda de Campo
• Absorve potência reativa
• Fornece potência ativa significativamente reduzida
• Impedância aparente corre ao longo do eixo –Y no
gráfico de impedância
• Elemento de impedância é tipicamente usado para
detecção
Proteção Contra Perda de Campo (40 - LOF) -Elemento Mho
Proteção LOF Usando Elementos Mho de Deslocamento Negativo
Proteção LOF Usando Elementos Mho Com Offset Positivo
Sys T SX X X= +
Requisitos Mínimos de Disparo de Perda de Campo (Trip)
• Trip nos disjuntores principais do gerador
• Trip no disjuntor do campo
• Trip na turbina
• Transferência dos circuitos auxiliares
Perda de Campo – Exemplo Real
Perda de Campo – Exemplo Real
Proteção de Retaguarda
• Esquemas de proteção de backup do sistema
▪ Elementos de distância de fase
▪ Elementos de sobrecorrente de tempo inverso controlados
por tensão ou com restrição de tensão
• Indica-se a aplicação de uma das filosofias
▪ Melhor coordenar com o tipo da proteção do sistema de
transmissão
Proteção de Backup é Necessária?
Proteção Distância de Fase
Alcance Típico da Zona de TRIP
• Zona 1
▪ Alcance para 120% da impedância do Transformador Elevador
▪ Atraso de 0,5 segundo acima da zona 1 do sistema
mais falha do disjuntor (BF). Tipicamente = 0,7 segundos
▪ Usar o alcance reverso, se necessário. A prevenção de
invasão de carga não será necessária. Deve ser usado o
sensor de perda de potencial LOP.
Zona 1 e Zona 2 de Backup
IEEE C37.102 e NERC
• Zona 2
▪ Alcance para 120% da impedância da linha
▪ Atraso de 0,5 segundo acima da zona 3 do sistema
mais falha do disjuntor (BF). Tipicamente = 1.5 segundos
▪ Usar o alcance reverso, se necessário. A prevenção de
invasão de carga pode ser necessária. Deve ser usado o
sensor de perda de potencial LOP.
Zona 1 e Zona 2 de Backup
IEEE C37.102 e NERC
Proteção de Distância de Fase ComBloqueio de Invasão de Carga
Decréscimo da Corrente do Gerador
0
Co
rre
nte
de
Cu
rto
-Circu
ito
Extrapolação da
envoltória do
período transitório
Extrapolação do
período em regime
("steady-state”)
Envoltória da
corrente real
Tempo
Período em regime
(“steady-state”)
Período
transitório
Período
subtransitório
Faltas entre Fases
Sobrecorrente Simples
Faltas entre Fases Sobrecorrente Controlado por Tensão
• Operação controlada por tensão, ou controle de torque (“torque control”)
▪ Opera somente quando a tensão é baixa
▪ A corrente de pickup pode ser ajustada com valores baixos
• Ajuste a corrente de pickup em 30–40% da corrente de plena carga
▪ Use a reatância síncrona (período maior de duração da falta) para verificar a operação e coordenação
Sobrecorrente com Restrição de TensãoExemplo
0.25
0.50
1.00
0.25 0.50 1.00
Pic
ku
p d
o 5
1V
(pu
do
aju
ste
do
51
VP
)
pu da Tensão
Elemento de Proteção Para Perda de Sincronismo (78)
64 Exciter
High-
Voltage
Bus
Field
Winding
59N87G
46
50/
5132
87T
50G
50N/
51N40
87
63
59
81
49
27
24
Service Transformer
51V
21
Generator
78
Estabilidade do Sistema de Potência
• Estabilidade: capacidade de o sistema permanecer em
sincronismo
• Estabilidade em regime: alterações graduais de carga
• Estabilidade transitória: alterações súbitas e em larga
escala
Revisão: Ângulo do Rotor
Equação de Oscilação com oÂngulo de Torque
(p.u.)
P T=
mm e f
dJ Torques T T T
dt
= = − −
−−== fem PPPPotênciasdt
dM
2
2
Oscilações de Potência Estáveis e InstáveisÂngulo de Torque vs. Tempo
0 Sistema Estável
t
Sistema Instável
(Out of Step)
Causas da Perda de Sincronismo
• Faltas no sistema não eliminadas dentro do tempo
crítico de eliminação
• Alterações drásticas de carga
• Perda de geração
• Perda da excitação
Danos por Perda de Sincronismo
• Correntes altas que podem exceder uma falta trifásica
nos terminais do gerador
• Estresses mecânicos no enrolamento no gerador
• Correntes induzidas no rotor por causa do
escorregamento
• Torques pulsantes podem produzir fortes vibrações e
danos ao eixo
Transferência de Potência na Rede
•• sin
where
S Re
S L R
E EP
X
X X X X
=
= + +
Curva do Ângulo de Potência
Capacidade de Transmissão de Energia Durante Faltas
Sistema em Anel Sob Falta
Efeito do Tipo de Falta
Conversão Estrela-Delta
X Y Y Z Z X
Z
X X X X X XX
X
+ +=
Instabilidade Transitória
Oscilação de PotênciaÂngulo de Torque vs Tempo
Traçado da Oscilação de Potência no
Plano de Impedância
Medição Indireta de
Trajetória da Impedância Aparente
Característica de Perda de Sincronismo
Necessidade de Proteção AutônomaOut-of-Step vs Centro Elétrico
• Com a evolução do Sistema de Potência , a
impedância aparente da oscilação pode sair do
sistema de transmissão e chegar no transformador
elevador
• Ou ainda, dependendo da robustez do Sistema de
Potência relativa à Unidade Geradora, a impedância
aparente da oscilação chegar no gerador
Inadequações de Outros Elementos de Proteção
• Relé de sobrecorrente
• Relé diferencial de corrente
• Relé de impedância ou mho (backup)
• Relé de perda de campo
Inadequações de Outros Elementos de Proteção
Desafios da Aplicação de "Backup" do Sistema
Inadequações de Outros Elementos de Proteção
Desafios da Aplicação de Perda de Campo
Considerações Proteção OOS de Barreiras Simples
Proteção OOS de Barreiras Duplas
Trip por Perda de Sincronismo(OOS) Requisitos Mínimos
64 Exciter
High-
Voltage
Bus
Field
Winding
87G
46
50/
5132
87T
50G
50N/
51N40
87
63
59
81
49
27
24
Service Transformer
51V
21
Generator
Trip Main Generator Breakers
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