O documento discute as perturbações que podem afetar geradores síncronos e as proteções utilizadas para esses equipamentos. As principais informações são: 1) Geradores síncronos estão sujeitos a perturbações do sistema elétrico, da própria máquina e da máquina primária. 2) As proteções mais utilizadas incluem proteção de sobrecorrente, diferencial, sub/sobretensão e perda de excitação. 3) Curto-circuitos na bobina da armadura podem ser trifás

1. AULA 4 – PROTEÇÃO DE GERADORES
RAFAEL DE OLIVEIRA RIBEIRO
1

2. Proteção de Geradores Síncronos
2
A máquina síncrona, operando como
gerador é um equipamento vital ao
sistema elétrico.

3. 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.

4. Proteção de Geradores Síncronos
4
Sendo o gerador um equipamento
complexo, o qual possui peças girantes,
está sujeito a maiores riscos.

5. 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

6. 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

7. Proteção de Geradores Síncronos
7
As perturbações no sistema elétrico são
decorrentes da:
• Sobrecargas
• Abertura de fase
• Cargas fortemente desequilibradas
• Descargas atmosféricas

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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.

14. 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. 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%

16. 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

17. 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

18. Proteção de Geradores Síncronos
18
A proteção utilizada no gerador síncrono
é, principalmente, devido a:
• Falha de Funcionamento
 Sobrecarga
 Sobretensão

19. 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)

20. Proteção de Geradores Síncronos
20
Proteção de Subtensão (27)
Proteção de Sobretensão (59)
Proteção de Sequência Negativa (46)

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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. 32

33. Proteção de Geradores Síncronos
33
O sistema de proteção existente abre primeiro o disjuntor
52 e portanto momentaneamente a nova configuração
passa a ser:

34. Proteção de Geradores 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.

35. 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.

36. 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.

37. 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.

38. 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.

39. 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:
��� ∅�% =
��
���
=
�
��
= ��� ∅
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.

40. 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.

41. 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
��� ∅ = ∗
�
��
Máquina síncrona de rotor saliente (neste caso XG ≠ X2
��� ∅ =
∗ �
�� + �

42. 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).

43. 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.

44. 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.

45. Curto-circuito na bobina da armadura do
Gerador Síncrono
45
Máquina síncrona solidamente aterrada (independe local defeito):
��� ∅−���� =
�
�� + � + �
Máquina síncrona aterrada com uma impedância de valor elevado, tal que
ZN >>> (XG+X2+X0) (depende do local defeito)
��� ∅−���� =
��
�

46. 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.

47. Curto-circuito na bobina da armadura do
Gerador Síncrono
47

48. 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.

49. 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.
��� =
�
�� + � + �
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.

50. 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.

51. Trecho não Protegido pela Proteção 87
51
A corrente de defeito monofásico à carcaça, na bobina da armadura da
máquina síncrona, é dada por:
��� ∅− =
�
�
O trecho desprotegido é limitado pela corrente de defeito, a
qual é igual a corrente de ajuste do relé 87, isto é:
��� ∅− =
�
�
= � ∗ ���

52. Trecho não Protegido pela Proteção 87
52
Assim:
=
�
�
∗ ��� ∗ �
Como
� =
��
O trecho desprotegido é calculado por:
=
∗ �
��
∗ ��� ∗ �

53. 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.

54. 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:
� á� ∝
�
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.

55. 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 em relação 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%.

56. DÚVIDAS ?
56