Proteção SEP Vol3 - Geraldo Kindermann - 2a ed

(Parte 2 de 7)

Curto-circuito Trifásico

Supondo a ocorrência de um defeito trifásico a p% a partu' do neutro (N) da bobina do estator, conforme mostra a figura 1.6.2.

Bobinas da Armadura C l~ p% Local do defeito

Figura 1.6.2 -Curto-circuito a p% do Em'olamento

Como o curto-circuito trifásico é equilibrado, tem-se somente a representação do modelo de seqüência positiva, como está representado na figura 1.6.3.

Assim, pE E

Icc3$p% = X = X = Icc3<v P G G (1.6.1)

14 pE

Capítulo I

~ terminal (1 _ p)E (1 -p)XG

Figura 1.6.3 -Seqüêucia Positiva do Enrolamento do Gerador Síncrono, para o Curtocircuito a p%

Observa-se que, 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 Bifásico

Para o curto-circuito bifásico, mostrado na figura 1.6.4, supondo ter ocorrido num ponto a p% das bobinas do estator das fases B e C, tem-se os modelos de seqüência positiva e negativa conectados em paralelo, como mostra a figura 1.6.5.

Bobinas da Armadura

N a p% da bobina

Figura 1.6.4 -Curto-circuito Bifásico ~ (1 -p)X2 Figura 1.6.5 -Circuitos de SeqUência Pos.itiva e Negativa Conectados em Paralelo

Proteçào de Geradores Síncronos

pE

Conforme o circuito da tigura 1.6.5, tem-se que: Ial = -la2 = --"---- pXG +pX1

De acordo com [5J e aplicando a matriz transformação das componentes de seqüências nas componentes de fases, obtém-se:

J3.E

IB = -lc = ---- XG +X2

A intensidade da corrente de curto-circuito bifásica depende do tipo de rotor da máquina síncrona, o qual pode ser:

~ Máqujna síncrona de rotor liso

Neste caso XG = X2 e, assun:

.J3 E Icc2<p =2' X G

~ Máquina síncrona de rotor saliente

Neste caso XG * X2 ' tal que:

.J3·E =---- Xo +X2

Portanto, pode-se concluiT que o valor da corrente de curto-ciTcuito bifásica é o mesmo e i:ndepende da localjzação do ponto de defeito no enrolamento da bobina do estator (annadma).

Curto-circuito monofásico à terra

A ocorrência de um cllTto-circuito monofásico para a terra (carcaça), em um ponto p% do enrolamento da bobina do estator, é ilustrada na figura 1.6.6.

Apresenta-se uma máquina síncrona genérica, que está aterrada por um impedância :lN' A máquina pode apresentar a impedância do aterramento com os seguintes valores:

.:. Zero, ou seja, solidamente atenada .

• :. Não muito elevada, com o objetivo de apenas limitar a conente de defeito a um valor considerado.

16 Capítulo 1

••• Muito elevada, para limitar consideravelmente a corrente de defeito. .:. lnfinita: isto é, sem aterramento.

N Bobinas da Armadura

Curto-circuito à carcaça

Figura 1.6.6 -Curto-circuito Monofásico à Carcaça Para este tipo de defeito os circuitos de seqüência positiva, negativa e zero são conectados em série, como mostra a figura l.6.7. ~~ ~ , •. \V

(1 _ p)E (1 -p)X G pE

Seqüência positiva

(1-p)X2 Seqüência negativa

(1 -p)XO Seqüência zero

Figura 1.6.7 -Circuitos de Seqüência Positiva, Negativa e Zero Conectados em Série

Proteção de Geradores Síncronos 17 Pelo circuito. 3::. COITentes de seqüéncias são e obtidas por:

i =

~_

c IIp-terra (X X X),.., z' P G+ 2+ O+.JN ( 1.6.2)

Portanto, a conente de curto-circuito monofásica a tena dependerá do local do defeito e da impedância conectada ao neutro do gerador síncrono. Assim, podese analisar os casos a seguir:

.:. Máquina síncrona solidamente aterrada: neste caso a corrente de curtoci.rcuito será

. 3E

Iccl<j>-tena = X X X G + 2 + O

( 1.6.3)

Portanto, a conente de curto-circuito independe do local do defeito.

.:. Máqullla síncrona atenada com uma impedância de valor elevado, tal que Z N > > > (X G + X 2 + X O), nesse caso a conente de curto- circuito será

. pE

Iccl<j>-terra = Z N (1.6.4 )

Portanto, pela expressão 1.6.4, a corrente de curto-circuito dependerá da localização do defeito.

A figura 1.6.7 mostra, graficamente, a corrente de curto-circuito à carcaça, em função do ponto de defeito.

'Como a COlTente 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 OCOlTe porque as correntes de defeito menores que o ajuste do relé 87 não serão eliminadas. Ou seja, dependendo da máquina síncrona e da impedância de atenamento, por exemplo, um percenulal de 5% a 10 % da bobina da armadura pode ficar sem proteção. Portanto necessita-se de outros esquemas de proteção para cobrir esses h'echos.

18 Capítulo J l,justo do rele 87

! 100% p% espiras

N~ . ~ Terminal da Bobina

.. da Armadura l-Frecho desprotegido pelo relé 87

Figura 1.6.7 -Gráfico da COITente de Curto-circuito em Função do Ponto de Defeito

Curto-circuito entre espiras

A figura 1.6.8 mostra o caso em que um cmto-circuito ocorre entre espiras de uma bobina da armadura da máquina síncrona.

Bobina da Armadura

ti

;%% espiras em curto

Figura 1.6.8 -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 cUlto-circuito é do tipo monofásico para a carcaça e os circuitos de seqüência estão conectados em série, tal que as correntes de seqüência são dadas por

. .' pE

IaO = Ia 1 = Ia2 == -p-X-G-+-p!-X-2 -+-p-X- o

A corrente do defeito será dada pela expressão 1.6.5.

Proleção de Geradores Síncronos 19

I c entre espiras == X X X G + + I

Portanto, pela expressào 1.6.5, a corrente de curto-circuito entre espiras independerá do local do defeito e terá o mesmo valor do curto-circuito monofásicu a terra da máquina síncrona solidamente aterrada.

1. 7 Proteção Diferencial do Gerador Síncrono

A proteção diferencial (87), protege o gerador de defeitos na bobina do estator (armadura). O esquema é o mesmo utilizado no transformador, mas com a facilidade de que, na proteção do gerador. as correntes de entrada e saída sào iguais. Isto facilita a aquisição (compra) de TCs iguais, diminuindo os erros de relação de transformação, tão comuns em transformadores de potência.

Afigura 1.7.1 mostra a proteção diferencial típica, utilizada na proteção dos enrolamentos do estator (armadura) da máquina síncrona.

Gerador Síncrono

Figura 1.7.1 -Proteção Diferencial dos Enrolamentos da Máquina Síncrona

Essa proteção é adequada para defeitos que causam curto-circuito nos enmlamentos da bobinas do estator, que são:

10 Capítulo 1

"7 Curto-circuito trifásico: "7 Cuno-circuito bifásico;

"7 Curto-circuito monofásico para a carcaça. em gerador síncrono com aterramento sólido do neutro:

"7 CUlto-circuito monofásico para a carcaça (tena) com alguma restrição, nos geradores que tenham atenamento com alta impedância no neutro.

Conforme apresentado no item l.6, a proteção diferencial pode também atuar para defeitos monofásicos à carcaça, com restrição nos geradores que têm urna impedância considerável conectada no neutro dos seus emolamentos.

Outro esquema de proteção diferencial do tipo auto balanço, utilizada em máquinas de pequeno porte, é apresentado na figura 1.7.2.

Figura 1.7.2 -Proteção Diferencial Tipo Autobalanço

A proteção utilizada é de sobreconente que está fazendo a função da proteção diferencial. O TC é do tipo janela, com núcleo toroidal, na qual, em operação n0l111al, as conentes elétricas de entrada e saída, sâo iguais. Um defeito interno provoca um desbalanço de conente, tal que, se a diferença for maior do que o ajuste da proteção, o relé de sobrecorrente atua. Nesse tipo de proteção para máquinas de pequeno porte é requerido que os TCs sejam de baixa relação e, para evitar a saturação, os relés utilizados, devem ser de baixa carga (burden). Note que TC de baixa relaçâo fornece no secundário uma corrente elétrica de amplihlde mais elevada, sensibilizando me1hor o relé de sobrecolTente.

A proteção apresentada na figura 1.7.1 é conhecida como proteção diferencial curta; isto é, específica dos enrolamentos das bobinas da armadura.

Proteção de Geradores Síncronos I

Quando a proteção diferencial engloba a uoidad.: de geração. constituída pelo conjunto gerador e tranSfOnllador elevador. como apresentado na figura 1.7.3. a proteção é chamada de diferencial longa.

o c e g Vi

Õ -o

'" o

;z -N

Figura 1.7.3 -Proteção Diferencial Longa

12 CapínIlo I

Na figura 1.7.3 observa-se que o transformador elevador, conectado ao gerador síncrono. é do tipo l:::, -Y. Por esta razão as correntes de operação. no lado primário e secundário. estão defasadas de ± 30°, o que faria a proteção diferencial atuar desnecessariamente. Para contornar este problema há a necessidade de compensar a rotação de ± 30°, fazendo as ligações dos TCs como indicado no item 4.8 ela referência [52].

Este tipo de transfonnador é preferido porque todos os cUlios-circuitos monofásicos à telTa, no lado do sistema elétrico, não passam pelo aterramento do gerador síncrono; e as harmônicas de 3" ordem e seus múltiplos, normalmente geradas no gerador síncrono, não passam ao sistema elétrico.

1.8 Trecho não Protegido pela Proteção 87

Com o objetivo de limitar a corrente de curto-circuito à ten'a, para que os danos sejam minimizados, as máquinas síncronas devem operar com uma impedância 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

I ajuste do relê 87 .

A corrente de defeito monofásico à carcaça, na bobina da annadura da máquina síncrona, é dada pela expressão 1.6.4, isto é

I = pE CCilj>-lerrn Z N

O h'ecbo desprotegido é limitado pela corrente de defeito, a qual é igual a corrente de ajuste do relé 87, isto é pE

ICClII>-tma = Z = Iajusle 87 . RTC N

ZN P = -_. RTC· I ajuste 87 E

Como E = V L , tem-se fi

Proteçâo de Geradores Síncronos 23

.fi, z p = V . RTC ·1'JuSl<K7 L

(I.S.1)

O trecho protegido está mostrado na figura 1.6.7.

Exemplo 1.8.1: Um gerador síncrono de pólos salientes, bobinas da armadura conectadas em Y, 30MV A, 13,8kV, 60Hz, está funcionando à vazio, com tensão nominal em seus terminais. A reatância subtransitória do eixo direto é igual a O,2pu e a reatância de seqüência negativa vale O,25pu. A reatância de seqüência zero vale O,08pu.

Calcular: a) A corrente e a impedância base.

I = Sbase base '3. V -y .J base

Z -Vbase base -S base

I = 30M base fi. 13,8k z = (13,8ky base 30M

I lbase = 1255A I Zbase = 6,348Q I b) A corrente de curto-circuito 3nos terminais do gerador síncrono.

Utilizando-se a expressão 1.6.1, tem-se

ICC3$ = -,,-= -= 5pu = 5Ibase = 5 ·1255 = 6275A Xdl 0,2 c) A corrente de curto-circuito 3<j> a 40% no enrolamento da armadura do gerador síncrono.

d) A corrente de curto-circuito 2nas fases b e c, nos terminais do gerador síncrono.

fi·E I =---

CC2X" + X di 2

.fi·I _:...--..-= 3,845pu = 3,845 x 1255 = 4825,4A 0,2 + 0,25

2Capítulo I e) O valor da impedância de aterramento (ZN)' para que a corrente de curto-circuito I -terra nos terminais do gerador síncrono, fique limitada em lOA.

Desprezando-se as impedâncias do gerador síncrono e utilizando-se a expressão 1.6.4, tem-se

10 = 13,8k

.J3 x ZN Z = 13,8k = 796,70. N ..j3;10 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 = 0,2A ?

Utilizando-se a expressão 1.8.1, tem-se

= .J3. ZN .RTC. I . = .J3 x 796,7 . 1200 . ° 2

P V ajuste 87 13 8k 5 ' L '

P = 4,80pu = 480%

Conclusão: A proteção diferencial não protege nenhum trecho do enrolamento da bobina do estator para curto-circuito -terra.

g) Repetir o item anterior para uma resistência de500., conectada no neutro do gerador síncrono.

P = .fi. ZN . RTC. 1. = .J3 x 50. 1200 . ° 2

V ajuste 87 13 8k 5 ' L ' p = 0,3pu = 30%

Conclusão: Para um curto-circuito -terra, a proteção diferencial cobre

70% do enrolamento, a partir do terminal do gerador síncrono. Os 30% restantes do enrolamento, junto ao neutro, estão desprotegidos.

h) A corrente de curto-circuito -terra nos terminais do gerador síncrono, para o caso de neutro solidamente aterrado.

Proteçào de Geradores Síncronos

Utilizando a expressão 1.6.3. tem-se

3E 1 CCI'v-terr3 = -X-,-, --X-, --X- di + _ +

3·]

Iccl$-term = = 5,6pll = 5,6 x 1255 = 71 03,3A 0,20 + 0,25 + 0,08

ICCI$-terra = 71 03,3A i) A corrente de falta no caso em que a bobina do estator está com defeito e ocorre um curto-circuito -terra a 20% do enrolamento. O gerador síncrono tem neutro solidamente aterrado.

120% do enrolamento = ICCIterra = 71 03,3A

1.9 Proteção Contra Falhas entre Espiras

No esquema apresentado na figura 1.7.1 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 de defeitos entre espiras, utilizase 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.

Há váIios tipos de esquemas para a proteção de falhas entre espiras, que pode ser aplicado a geradores síncronos que tem majs de um emolamento por fase.

Um possível esquema de proteção entre espiras está apresentado na figura 1.9.1, de um gerador sÍ ncrono que tem fase divjdida (Split).

Aplicando-se aI" lei de Kirchhoff no ponto k da figura 1.9.\, obtém-se I = 12 + Irelé 61

Na operação normal, isto é, sem defeito, as correntes de fase são divididas e passam pelos enrolamentos da mesma fase. As COlTentes i e I2 são iguais e circulam nos secundários dos TCs, sem passarem pelo relé 61.

26 A B c

Figw·a 1.9.1 -Proteção de Falhas entre Espiras

Havendo defeito (cUlto-circuito) entre espiras, como está figura 1.9.2, a diferença de conente dos 2 enrolamentos da mesma pelo relé 61, que atnará de modo instantâneo.

A B c

Figura 1.9.2 -Curto-circuito entre Espiras

Capítulo 1 indicado na fase passará

Proteçào de Geradores Síncronos

Uma varianll:! do esquema de proteção da figura 1. 9. I é na figura 1.9.3.

Figura 1.9.3 -Proteçào contra CLlIto-circuito entre Espiras

. Outro esquema baseado na utilização de um TC toroidal, que abraça de maneIra transversa a mesma fase dos enrolamentos da máquina síncrona. é apresentado na figura 1.9.4.

Figura 1.9.4 -TC Toroidal para a Proteção Curto-circuito entre Espiras da mesma Fase

Capítulo J

Muitos geradores síncronos nâo usam proteção para defeito entre espiras. por ser rara essa ocorrência. Outra razão deve-se ao aspecto construtivo da máquilJa síncrona de grande porte. onde são colocadas. uma ou duas espiras por ranhura. Desse modo, o nível da tensão elétrica elJtre espiras é baixo, não forçando a isolação. Entretanto, se o gerador não tiver proteçâo para defeito entre espiras, e na ocorrência dessa falha, este defeito evolui, gerando outros danos, que só será eliminado com atuação de alguma proteção existente. Geralmente, o defeito evolui rapidamente para um cmio-circuito à carcaça.

1.10 Proteção de Seqüência Negativa do Gerador Síncrono

Quando o sistema opera desequilibrado ou em cLUto-circuito diferente do a componente de seqüência negativa estará sempre presente. Os estudos envolvendo as componentes de seqüências positiva negativa e zero estão apresentados na referência [5]. A componente de seqüência negativa é dada pela expressão.

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