7.2 Tipos de esquemas de prote¸c˜ ao
7.2.3 Prote¸c˜ ao contra terra-enrolamentos do estator
Para limitar danos nos enrolamentos do gerador quando da ocorrˆencia de um curto- circuito fase-terra nos seus enrolamentos ´e comum aterrar o seu neutro, utilizando um desses m´etodos:
• por meio de um reator • por meio de um resistor
• por meio de um transformador monof´asico de distribui¸c˜ao
Qualquer um desses m´etodos, apresenta uma situa¸c˜ao intermedi´aria entre o neutro isolado e o neutro solidamente aterrado.
Por raz˜oes econˆomicas, o aterramento por meio de um transformador monof´asico de distribui¸c˜ao ´e o mais utilizado.
O m´etodo de aterramento utilizado no gerador afeta diretamente o desempenho dos esquemas com rel´es diferencial ou rel´e de terra, isto porque, quanto maior a impedˆancia de aterramento, menor ser´a a magnitude da corrente de curto-circuito fase-terra e mais dif´ıcil a sua detec¸c˜ao. Um esquema de prote¸c˜ao separado localizado no aterramento do gerador ´e, portanto, necess´ario. A aplica¸c˜ao de um esquema com rel´e de sobrecorrente ´e inadequado, pois a necessidade da utiliza¸c˜ao de baixo valor da corrente de pick-up torna muito dif´ıcil a discriminar a corrente de curto-circuito `a terra e as correntes de
7 PROTEC¸ ˜AO DE GERADORES S´INCRONOS 111 3a harmˆonica que fluem no neutro (estas correntes podem atingir valores de at´e 15% da corrente nominal).
A Figura 86 mostra um esquema de prote¸c˜ao adequado, utilizando o m´etodo de ater- ramento atrav´es de um transformador de distribui¸c˜ao e um resistor (Rn) e um rel´e de
sobretens˜ao s˜ao conectados no seu secund´ario.
n R
A
B
C Gerador Transformador elevador
Relé de sobretensão
Figura 86: Gerador aterrado atrav´es de um transformador de distribui¸c˜ao
O valor da resistˆencia do resistor Rn dever´a ser selecionado de tal forma que se en-
quadre dentro de dois limites. A fim de evitar sobretens˜oes transit´orias elevadas, devido ao fenˆomeno de ferro-ressonˆancia, a resistˆencia n˜ao dever´a ultrapassar a um determinado valor. Por outro lado, a fim de n˜ao diminuir demasiadamente a sensibilidade do rel´e de sobretens˜ao, a resistˆencia n˜ao dever´a ser inferior a um determinado limite.
A fim de se evitar as sobretens˜oes transit´orias mencionadas anteriormente, o resistor dever´a ser dimensionado de tal forma que, durante um curto-circuito `a terra no terminal do gerador a potˆencia dissipada no resistor, em kW, seja igual a potˆencia reativa, em kVAr, na capacitancia de zequˆencia zero por fase do sistema compreendido entre o gerador e o prim´ario do transformador elevador inclusive, isto ´e, capacitˆancias dos enrolamentos do estator, capacitores para prote¸c˜ao contra surtos de tens˜ao ou p´ara-raios, se usados, cabos e enrolamentos prim´ario do transformador de potˆencia.
A seguir ´e dada a sequˆencia de c´alculos para a determina¸c˜ao de Rn:
A corrente de sequˆencia zero ´e calculada por
Ioc0 = Vf 2πf C =
Vf
Xc
(162) A corrente capacitiva de curto-circuito ser´a
Ioc= 3I 0 oc= 3 Vf Xc (163) A potˆencia capacitiva para a terra ser´a
7 PROTEC¸ ˜AO DE GERADORES S´INCRONOS 112
Pc = IocVf = 3
Vf2 Xc
(164) Considerando a tens˜ao prim´aria do transformador de aterramento (Vp) igual a tens˜ao
de fase do gerador (Vf), tem-se
Vf
Vs
= N (165)
A potˆencia dissipada no resistor Rn ser´a
Pr= IrVs= Ir Vf N (166) Considerando Pr = Pc: Ir Vf N = 3 Vf2 Xc (167) Portanto, Ir = 3 VfN Xc (168) O valor aproximado da resistˆencia do resistor Rn´e dado por:
Rn= Vs Ir = (Vf N)( 3Xc VfN ) (169) Rn= Xc 3N2 Ω (170)
A determina¸c˜ao da reatˆancia Xc esbarra em certas dificuldades pr´aticas, pois nem
sempre ´e f´acil obter-se os valores das capacitˆancias de sequˆencia zero, principalmente os dos enrolamentos do estator dos geradores s´ıncronos de polos salientes, j´a que variam de m´aquina para m´aquina e de fabricante para fabricante. Por esta raz˜ao e tamb´em para simplificar os c´alculos pode-se admitir que a corrente de curto-circuito fase-terra seja limitada em 15 Amp`eres, desprezando o efeito da reatˆancia Xc. Assim, esta corrente
pode ser calculada por:
Rn =
Vf
15N2 Ω (171)
Para evitar a circula¸c˜ao de corrente de magnetiza¸c˜ao muito elevada no transformador de aterramento, quando da ocorrˆencia de curto-circuito fase-terra, sugere-se que a tens˜ao prim´aria deste transformador seja pelo menos 1,5 vezes a tens˜ao nominal fase-neutro do gerador. A tens˜ao nominal secund´aria pode ser 120, 240 ou 480 V, dependendo da disponibilidade ou a tens˜ao nominal desejada no rel´e.
A potˆencia aparente nominal requerida para o transformador de aterramento depen- der´a se ele ir´a alimentar um rel´e de prote¸c˜ao ou um rel´e de alarme. Se o rel´e for meramente para soar um alarme, o transformador dever´a ter uma capacidade cont´ınua de pelo menos:
7 PROTEC¸ ˜AO DE GERADORES S´INCRONOS 113
Sn=
VfVs
N2Rn
kV A (172)
De maneira similar, a potˆencia dissipada no resistor deve ser de pelo menos
Pr =
Vf2 N2Rn
kW (173)
Se o transformador de aterramento for destinado para alimentar um rel´e de prote¸c˜ao para desligamentos de disjuntor principal e o disjuntor de campo, ent˜ao a sua potˆencia aparente ser´a:
Sn0 = Sn
k kV A (174)
sendo k um fator de sobrecarga, que varia conforme a Tabela 30:
Tempo Fator k 1 minuto 4,7 5 minutos 2,8 10 minutos 2,5 30 minutos 1,8 1 hora 1,6 2 horas 1,4
Tabela 30: Fator de sobrecarga ´
E usual utilizar a capacidade correspondente a 1 minuto de dura¸c˜ao da passagem da corrente. O resistor pode tamb´em ser selecionado na base de 10 segundos ou 1 minuto, mas por uma quest˜ao conservadora ´e prefer´ıvel a de 1 minuto. Entretanto, a escolha de um resistor que suporta a corrente em regime cont´ınuo n˜ao ´e um fator limitante, tanto no seu tamanho como no seu custo.
7.2.4 Prote¸c˜ao contra curto-circuito entre espiras dos enrolamentos do esta-