13 ago Diretrizes básicas para ajustes de proteção de máquinas síncronas
- Introdução
O artigo aborda de forma genérica os principais critérios usualmente empregados para o ajuste de proteções mais frequentemente aplicadas a máquinas síncronas trifásicas. Além da prática usual adotada, o artigo se vale das orientações dadas em catálogos e publicações de fabricantes de relés e sistemas de proteção.
Durante as etapas de projeto de usinas e instalações de máquinas síncronas, é normal que os usuários necessitem de uma “ordem de ajuste preliminar” para as proteções envolvidas. Naturalmente, embora procurando aproximar-se ao máximo das condições reais de operação, esses ajustes possuem um caráter preliminar, devendo, no entanto, ser suficientemente próximos da realidade de forma a permitir adaptações simples, práticas e rápidas ao pessoal usuário. Tendo em vista que alguns dispositivos são intimamente ligações a lógicas e a características próprias das instalações onde estão sendo empregados, não serão eles objeto de análise nesse trabalho. Tipicamente, enquadrar-se-iam nesse caso os relés de *tempo, de supervisão de tensões auxiliares, os relés dos sistemas de serviços auxiliares e serviços gerais da instalação, diferencial global e falha de disjuntor.
Assim, serão descritos os seguintes tipos de proteções:
– Diferencial restrita (87G)
– Defeito a terra do estator (64.1 e 64.2)
– Defeito a terra do rotor (64R)
– Desequilíbrio de corrente (46)
– Perda de excitação (40)
– Mínima impedância ou de distância (21)
– Potência reversa (32)
– Sobretensão (59)
– Mínima frequência (81)
– Defeito a terra do sistema isolado (64S)
– Sobrecarga (49)
As proteções encontram-se representadas na fig. 1, onde é mostrada uma instalação para um hidrogerador síncrono trifásico de polos salientes, com potência superior a 100 MVA, ligado a um sistema de potência por meio de uma transformação trifásica.
2. PROTEÇÕES
– Diferencial restrita (87G)
Essa proteção costuma ser empregada de formas diversas, caso o projetista deseje proteger especificamente a máquina ou incluir na zona protegida o sistema de excitação.
De uma forma geral, costuma-se excluir, da zona de proteção, o sistema de serviços auxiliares derivado da própria máquina síncrona, inserindo-se um transformador de corrente a montante do transformador de serviços auxiliares. A proteção procura detectar defeitos na máquina propriamente dita, sendo esses de natureza bi ou trifásica. Isso ocorre, porque as máquinas modernas são normalmente aterradas com um elevado valor de impedância para solicitá-la o mínimo possível, no caso de defeito para terra. A proteção se baseia no fato de que as correntes que entram e saem em ambos os lados da máquina devem ser as mesmas. Para evitar o falseamento de detecção no caso de elevados valores de correntes passantes – o que pode fazer com que os TCs se comportem de forma não uniforme alguns fabricantes costumam empregar um princípio de funcionamento que proporcione a estabilização da proteção. Isso é obtido com a chamada corrente de restrição. A fig. 2 apresenta a característica típica de um relé com esse tipo de operação: há uma relação bem definida entre as correntes de operação e restrição.
Normalmente, é possível efetuar o ajuste do valor de operação mínimo, ou seja, o valor da corrente de operação tal que o relé funcione para corrente de restrição nula.
A determinação desse valor pode ser feita através da seguinte equação:
E = ΣE; (I) onde:
E = Valor de ajuste
E; = Erros que interferem no circuito diferencial. Estes erros são, normalmente: – Erros de transformação nos TCs;
– Erro de medição do relé;
– Erro na variação da resistência dos cabos de interligação com a elevação da temperatura.
Obtida a soma indicada na equação (1), o ajuste deve ser escolhido como o imediatamente superior, disponível no relé em questão. Deve-se salientar que, sendo essa proteção a mais importante para a máquina, deve, de preferência, atuar diretamente nos circuitos de desligamento dos disjuntores, sem qualquer temporização intencional.
Defeito a terra do estator
Para eliminar a deficiência da proteção diferencial no que se refere a defeitos a terra decorrentes do tipo de aterramento das máquinas, é empregada uma proteção que seja sensibilizada por defeitos do estator contra a terra.
Quando ocorre um defeito entre qualquer ponto do enrolamento estatórico para a terra, há um deslocamento elétrico do neutro da máquina que proporciona tensão desenvolvida entre esses pontos, e em consequência, uma corrente flui através da conexão a terra da máquina. Tal critério é empregado para essa detecção.
O que é feito normalmente, é conectar um relé de máxima tensão que receba sinal de sequência zero. Nessas condições, isso pode ser obtido de um transformador ligado entre o neutro do gerador e a ter: a, tendo por carga um resistor em seu secundário. Essa proteção confere uma cobertura de cerca de 90% de enrolamento.
Entretanto, se o defeito ocorre muito próximo ao neutro da máquina, é pouco provável que essa proteção seja sensibilizada. Torna-se, portanto, necessário o emprego de outro sistema de detecção que assegure a sensibilização do elemento de proteção nessas condições.
Alguns fabricantes já possuem métodos alternativos para lidar com esse tipo de problema; dois deles são descritos, sucintamente, a seguir.
- Método de avaliação da 3ª harmônica
Baseia-se na comparação entre o valor da componente de 3ª harmônica existente no gerador em condições normais e aquele que ocorre nas condições de defeito a terra. Quando o valor dessa terceira harmônica inalterado, um relé de tensão que mede o valor da 3ª harmônica que se apresenta para ele, é sensibilizado. O ajuste pode ser feito teoricamente, desde que se possuam todos os valores de capacitâncias do circuito da máquina. Entretanto, é preferível efetuar esse ajuste no campo, durante o comissionamento.
- Método de injeção de corrente.
Este método consiste em avaliar a corrente de uma subfrequência da corrente do sistema – geralmente 1/3 ou 1/4 – que é injetada no circuito estatórico, fechando-se о mesmo pelas capacitâncias da máquina para a terra. Por ocasião do defeito o valor dessa corrente aumentará significativamente, caracterizando a situação anormal O valor da corrente injetada é bastante reduzido, de forma a não interferir no funcionamento normal da máquina. Alguns fabricantes, por uma questão de segurança, injetam essa corrente de forma codificada (fig. 3) de tal forma que ela não possa ser objeto de qualquer interpretação duvidosa. Por medida de precaução, o cálculo teórico feito a partir das características do circuito deve ser conferido à época de comissionamento.
Defeito a terra do rotor
Um defeito para terra do enrolamento rotórico não traz imediatamente prejuízos ou danos à máquina, visto que esse circuito é isolado. Entretanto, um segundo defeito pode acarretar uma danificação de grande vulto.
Dessa forma, é importante que logo a primeira falha seja imediatamente identificada. São vários os métodos normalmente empregados para esse fim.
- Método da “ponte rotórica”:
Consiste na injeção de corrente alternada e verificação do desequilíbrio de uma ponte. Esse método, mostrado na fig. 4, é pouco recomendado, tendo em vista que mesmo pequenas correntes capacitivas entre o rotor e a terra podem ser altamente prejudiciais à máquina, exigindo o uso de providências especiais, como isolar os mancais e provê-los de escovas de aterramento.
Uma alternativa é aproveitar a tensão nos terminais do enrolamento rotórico e, por meio de um relé de bobina móvel, verificar o desequilíbrio da ponte.
Com a finalidade de eliminar o ponto cego decorrente da disposição do circuito, é inserido em um dos ramos da ponte um resistor não linear, de forma que a posição do ponto cego se desloque e que o desequilíbrio possa ser identificado para qualquer ponto de defeito no enrolamento (fig. 5).
- Método de injeção de corrente contínua:
Similar ao método de medição de corrente alternada, esse método contorna o problema relativo à circulação de correntes pelos mancais. Para que o sistema seja eficiente, o relé deve ser suficientemente sensível ao aumento da corrente, em consequência da redução da isolação do rotor, porém, insensível à corrente que circula normalmente, devido à isolação em condições operativas normais.
- Método de injeção de corrente pulsante codificada:
É exatamente o mesmo método empregado para a detecção de defeitos a terra do estator descrito acima. Normalmente, é usada a mesma fonte de geração de frequência submúltipla que alimenta a proteção de defeito a terra do estator.
Proteção de desequilíbrio de corrente
A finalidade dessa proteção é evitar que, em caso de cargas desequilibradas, a corrente de sequência negativa venha a induzir, no enrolamento rotórico e no próprio eixo, correntes de frequência dupla da nominal, provocando sobreaquecimento indevido.
O desequilíbrio normal estabelecido pelas normas IEC 34 Icap 22 e ABNT EB-281, é de 12% do valor do carregamento nominal da máquina. O aquecimento de uma máquina síncrona é regido por: i²t = K = Constante, sendo que, tipicamente, o valor de K varia de 10 a 40 (fig. 6). O ajuste deve ser escolhido tendo em vista as curvas fornecidas pelo fabricante da máquina.
O método de avaliação é, normalmente, prover a proteção de um filtro de sequência negativa.
Proteção de perda de excitação e perda de sincronismo
O objetivo é proteger a máquina contra o sobreaquecimento resultante da perda ou diminuição do nível de excitação requerido pela máquina para o funcionamento normal. Essa condição pode ainda conduzir a máquina à perda do sincronismo com a rede.
Dentre os métodos de detectar essa situação, serão examinados dois.
- Mínima reatância capacitiva
Em condições normais de operação, a máquina possui seu ponto de operação no quadrante de reatância e resistência positivas do diagrama R-X (fig. 7). Quando ocorre a perda ou redução da excitação, ele passa a absorver potência capacitiva do sistema ao qual está ligado.
Dessa forma, o ponto de operação passa a se localizar no semiplano capacitivo do diagrama, entrando na característica circular indicada, que caracteriza a anormalidade.
No caso em que haja perda do sincronismo, mas que a excitação esteja normal, passa a haver uma oscilação de potência entre a máquina e o sistema e, dessa forma, o ponto de operação entrará e sairá da característica operativa do relé.
Para caracterizar tal situação, é possível utilizar um integrador, que passaria a contar o tempo de permanência do ponto dentro da característica fornecendo um sinal de desligamento após um tempo predeterminado.
Alguns fabricantes ainda incorporam à proteção uma unidade direcional e uma unidade de mínima tensão; o primeiro com atuação instantânea e o segundo ajustado para um valor a partir do qual não haja possibilidade de ressincronização da máquina com o sistema.
Tendo em conta a dificuldade em determinar esse valor, deve ser feita uma análise de estabilidade transitória para esse fim.
- Método da característica de operação da máquina
Baseia-se no fato em que a curva característica da máquina (fig. 8) permite identificar critérios distintos de operação para enrolamento estatórico e rotórico que, associados a um temporizador que leva em conta a possibilidade do regulador automático de tensão aumentar a excitação, proporciona a atuação de uma proteção.
A fig. 9 resume a lógica para esse tipo de proteção.
Proteção de mínima impedância ou distância
A finalidade dessa proteção é, olhando para fora da máquina, detectar defeitos no lado da conexão entre a máquina e o transformador de força, servindo de retaguarda à proteção diferencial. Normalmente, o alcance no sentido direto deve abranger de 70 a 75% do valor da impedância do transformador, de forma a não ser sensibilizada por de-. feitos no lado da tensão secundária, ou seja, defeitos no sistema e deve atuar de forma temporizada.
Proteção para potência reversa
Esse fenômeno, denominado motorização, ocorre quando a potência da máquina acionadora não é suficiente para suprir as perdas da geração. Isso acontecendo, a diferença entre a potência fornecida e a necessária é absorvida do sistema ao qual a máquina está ligada.
Esse tipo de anormalidade pode levar a máquina acionadora à condição de cavitação. Dessa forma, é desejável identificar rapidamente um tal funcionamento. Tendo em vista que mesmo pequenos valores de potência absorvida, podem ser altamente nocivos ao funcionamento da máquina acionante.
O relé a ser empregado deve ser suficientemente sensível para detectar condições de operação com valores entre 1 e 2% da potência nominal. Também nesse caso, é desejável usar um integrador que seja sensibilizado cada vez que o nível seja atingido, fornecendo um sinal no caso das perturbações cumulativas atingirem uma condição indesejável.
Proteção contra sobretensão
Além do fenômeno de descargas atmosféricas ao qual está sujeito o gerador, as causas de sobretensão podem ser outras. Essas não são cobertas pela ação dos para-raios de surto, e são:
– Sobretensões resultantes de falha do regulador de tensão;
– Sobretensões resultantes de falha do regulador de velocidade;
– Sobretensões resultantes de variações bruscas da carga (normalmente reativa), quando ela estiver funcionando em controle manual e com o regulador de tensão fora de serviço;
– Sobretensões resultantes de rejeição de carga ou desligamento de cargas por efeito de atuação de proteção (por exemplo, a perda de uma linha).
Nestes casos, deve ser usada uma proteção de sobretensão com dois estágios:
– uma unidade temporizada para funcionar até o nível máximo e quando essa condição pode ser corrigida pela atuação do regulador de tensão;
– e, uma unidade instantânea para valores acima desse nível.
A ligação dos contatos dos elementos da unidade temporizada é normalmente do tipo em paralelo, atuando, portanto, para qualquer tipo de sobretensão.
Para os contatos da unidade instantânea, é recomendada a ligação dos contatos em série, de tal forma que fique саracterizada a atuação para defeitos trifásicos.
Proteção contra subfrequência
A causa da redução na frequência gerada pode ser motivada por:
– Falha de potência da máquina acionante;
– Carga elevada sendo alimentada;
– Defeito no regulador de velocidade.
A diminuição da frequência causa o aumento da indução nos circuitos magnéticos de equipamentos, que podem provocar sobreaquecimento.
Pode ainda provocar danos às pás da turbina.
Essa proteção deve ser ajustada de acordo com os estudos do sistema e, eventualmente, contém uma temporização.
Proteção para defeitos a terra do sistema isolado
Tendo em vista que o sistema ligado à máquina é, normalmente isolado através de alta impedância, é difícil detectar defeitos a terra que não sejam intimamente ligados a máquina como, por exemplo, um defeito a terra do estator.
Por essa razão, é geralmente prevista uma proteção que supervisione tal condição.
Consiste em um relé de sobretensão ligado aos terminais secundários de um TP em delta aberto (fig. 10). Em condições normais, a soma vetorial das tensões que chegam para a proteção é zero. No caso em que alguma das fases vá para a terra, aparecerá para esta uma tensão tal que a sensibilizará. Tendo em vista que deve ser dada uma possibilidade de correção rápida desse defeito, é aconselhável a temporização dessa proteção.
Proteção de sobrecarga
Essa proteção pode ser feita de diversas formas, salientando-se duas entre elas:
a. Medição direta: Consiste em transduzir a informação térmica de elementos sensores a uma proteção que atuará para valores predeterminados. Em última análise, trata-se de um transdutor corn um contato de atuação. Assim, o projeto do referido transdutor deve ser tal, que seja minimizado o valor da constante de tempo do mesmo.
b. Medição indireta: Nesse caso, a verificação do aquecimento é feita avaliando-se a corrente da máquina. Alguns fabricantes utilizam elementos sensíveis à variação de temperatura de resposta bastante rápida, capazes de acompanhar de forma adequada a curva de aquecimento da máquina.
- CONSIDERAÇÕES SOBRE AJUSTES
A tabela 1 mostra, de forma resumida, os tipos de atuação das proteções, bem como os processos que a elas dão início.
A tabela 2 mostra, para cada tipo de proteção, os valores típicos de ajuste normalmente recomendados.
Bibliografia e fontes de informações:
– “Protective Relaying: Principles and Applications” – J. Lewis Blackburn & Thomas J. Domin
– Catálogos e publicações da ALSTOM (hoje GE)
– Catálogos e publicações da SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES
Sobre o autor:
Emmanuel de Lima Britto Filho é engenheiro eletricista pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo e sócio-consultor da SIEGER SERVIÇOS DE ENGENHARIA
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