SEL 0354 Proteção de Geradores Síncronos

SEL 0354

Proteção de Geradores Síncronos

Aula 6

Docente: Prof. Titular Denis Vinicius Coury

Colaborador: Rodrigo Pavanello Bataglioli

Conteúdo da aula

Introdução Filosofias Simulações Atividade

Proposta

Agendamento de Visita

Introdução

 Importância da energia elétrica;

 Sistema Elétrico de Potência (SEP);

 Condições anormais de operação;

 Proteção dos componentes do SEP;

 Geradores Síncronos (GS);

– Guia IEEE Std C37.102.

 Relés digitais de proteção;

– Relé comercial G30 fabricado pela GE;

• Geração a vapor, a gás ou hidráulica; • Geradores de pequeno e médio porte.

Introdução

 A maior parte dos geradores em operação são síncronos;

– As turbinas de usinas hidrelétricas trabalham em baixa velocidade;

• Elevado número de polos; • Polos salientes.

– As turbinas de usinas termoelétricas trabalham em alta velocidade;

• Baixo número de polos; • Polos lisos.

Filosofias

 Proteção contra sobreaquecimento do estator:

– Falha no sistema de refrigeração; – Falha no isolamento:

• Entre lâminas do núcleo; • Entre enrolamentos.

– Sobrecorrente:

• Curva de suportabilidade térmica do estator:

– Sobrecarga; – Curto-circuito.

Filosofias

Filosofias

 Tempo definido:

Filosofias

 Curvas inversas de atuação:

– IEC (International Electrotechnical Commission ); – IAC (General Electric type );

 Proteção contra sobreaquecimento do rotor:

– Enrolamento de campo;

• Curva de suportabilidade térmica do enrolamento de campo.

– Estrutura mecânica do rotor:

• Corrente de sequência negativa; • Perda de excitação;

Filosofias

 Correntes desbalanceadas:

– Fontes:

• Linhas não transpostas; • Cargas desbalanceadas; • Faltas assimétricas; • Fase aberta.

– Curva de suportabilidade:

𝐼

∙ 𝑡 < 𝐾 𝑒 𝐼

< 𝐼

– 𝐾 e 𝐼_2,𝑚á𝑥 dependem do tipo do gerador.

• Informado pelo fabricante;

Filosofias

 Correntes desbalanceadas:

– Curva de atuação:

𝐼

> 𝐼

𝐼

∙ 𝑡 > 𝐹𝑎𝑡𝑜𝑟 ∙ 𝐾

– Deslocamento da curva de suportabilidade.

Filosofias

 Correntes desbalanceadas:

– Consequência:

• Torque oscilante em Máquinas Síncronas (MSs):

– Vibrações mecânicas: » Desgaste mecânico;

» Aumento da temperatura;

» Redução na vida útil da máquina.

• Situação crítica:

Filosofias

 Correntes desbalanceadas:

Curva de atuação da Proteção (46)

Filosofias

 Correntes desbalanceadas:

– Componentes harmônicas?

– Cálculo da componente de sequência negativa:

𝑰

=

𝟏

𝟑

𝑰

+ 𝒂

𝟐

_{∙ 𝑰}

𝒃

+ 𝒂 ∙ 𝑰

– Quais frequências estão inclusas no cálculo?

• Frequência única;

Filosofias

 Correntes desbalanceadas:

– Fontes:

• Fornos elétricos a arco; • Inversores;

• Retificadores de n pulsos;

– h = ±1 + k ∙ n , com k = 1, 2, … .

• Equipamentos eletrônicos.

– Os geradores estão sujeitos a tais condições de operação?

Filosofias

 Correntes desbalanceadas:

Resultados após aplicação de falta FT no barramento 807 com 𝑹_𝒇 = 𝟏𝟐𝟎 Ω.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Tempo [s] C orr e nt e [ A ] I

2 vista pelo relé para FDV = 1,1% I₂ vista pelo relé para DHT_V = 6,6% Limite de I

Filosofias

 Correntes desbalanceadas:

Resultados após aplicação de falta FT no barramento 807 com 𝑹_𝒇 = 𝟏𝟐𝟎 Ω.

0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 Tempo [s] C orr e nt e [ pu ]

Corrente no campo para FD_V = 1,1% Corrente no campo para DHT_V = 6,6%

0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 0.24 0.245 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 Tempo [s] To rqu e e lé tr ic o [pu ]

Torque elétrico para FD_V = 1,1% Torque elétrico para DHT_V = 6,6%

Filosofias

 Perda de excitação:

– Causas:

• Abertura acidental do disjuntor de campo (circuito de campo aberto); • Falha no sistema de excitação.

– Curto-circuito na bobina de campo (tensão de campo nula).

– Proteção:

Filosofias

Filosofias

 Perda de sincronismo:

Filosofias

 Proteção para faltas no circuito do estator:

– Causas:

• Falha no isolamento dos enrolamentos.

– Funções:

• Diferencial;

• Sobretensão de neutro; • Desbalanço de tensão.

Filosofias

 Formas de aterramento:

– O método de aterramento determina o tipo de proteção fase-terra que será empregada;

– Existem inúmeras maneiras de aterrar um gerador:

• Não aterrado;

• Solidamente aterrado;

• Aterramento de alta impedância;

– Aterramento com transformador;

Filosofias

 Não aterrado:

– Uma falta fase-terra desloca o neutro;

– Corrente de falta fase-terra inferior a 10 A; – Não é muito empregado.

 Aterramento de alta impedância:

– Limita a corrente de falta fase-terra;

– O transformador possibilita utilizar resistores mais baratos.

• Isolação; • Resistência.

Filosofias

 Aterramento de baixa impedância:

– Emprega um resistor ou reator conectado diretamente entre o neutro do gerador e o terra;

– Corrente de falta fase-terra varia de 100 A ao valor da corrente de falta trifásica.

– Utilizado quando diversos geradores estão conectados a um transformador elevador comum ou quando conectado diretamente ao sistema de distribuição.

 Solidamente aterrado:

– A corrente de falta fase-terra pode ser maior que a falta trifásica. – Limitada pela impedância de sequência nula.

Filosofias

Filosofias

 Diferencial:

» Sobretensão de neutro (sensível a componente fundamental).

• Detecta faltas que envolvem pequenas porções do enrolamento; • 2 a 5%.

• Não protege 100% do enrolamento;

– Proteção de subtensão de 3º Harmônico.

• Não protege contra curto-circuito entre espiras de um enrolamento;

– Geradores de dois enrolamentos; – Desbalanço de tensão.

Filosofias

Filosofias

Filosofias

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 Proteção para faltas no circuito do rotor:

– O enrolamento de campo não é aterrado;

– Caso ocorra uma falha na isolação do enrolamento, o corpo do rotor será energizado com um potencial dependente da localização da falha;

• Isso não causa nenhum dano.

– Porém, caso ocorra outra falha de isolação em outra parte do enrolamento, uma porção da bobina de campo será curto-circuitada.

• Causando desequilíbrio no fluxo no entreferro;

• O grau de desequilíbrio depende da localização e da extensão do enrolamento curto-circuitado;

• Causa vibração no conjunto mecânico do rotor;

– Danos mecânicos;

Filosofias

 Proteção para faltas no circuito do rotor:

– Uma fonte de corrente contínua em série com um relé de sobretensão é conectada ao negativo da bobina de campo e o terra;

– Uma escova faz a conexão do eixo do rotor com o terra;

– Caso ocorra alguma falha na isolação e a bobina de campo entre em contato com o eixo, o relé atuará.

– Um atraso na atuação deve ser inserido, devido a possível falha de comutação de um tiristor do circuito da excitatriz.

Filosofias

 Proteção para faltas no circuito do rotor:

– A tensão sobre o relé será máxima caso a falha ocorra nas extremidades do enrolamento;

– O meio da bobina é um ponto de equilíbrio, pois não apresentará tensão sobre o relé;

– Para resolver este problema emprega-se um resistor não-linear que muda o ponto nulo do ramo resistivo de acordo com a tensão (varistor).

Filosofias

 Proteção para faltas no circuito do rotor:

– Em geradores brushless não é possível ter acesso a tensão de excitação;

– O curto-circuito entre a bobina de campo e o eixo elimina a capacitância paralela entre o enrolamento e o eixo;

– O desequilíbrio da ponte faz surgir uma tensão sobre o relé; – A proteção é sensibilizada;

Filosofias

 Proteção para faltas no circuito do rotor:

– Para proteger o campo das máquinas brushless sem o uso da escova piloto, emprega-se o uso de LED e fotodectores;

– O transmissor é montado junto a ponte de diodos;

– Um dos terminais é ligado ao negativo da bobina de campo e outro ao terra (eixo);

– O LED fica aceso para condições normais; – O receptor fica estacionário.

 Proteção para faltas no circuito do rotor:

– Técnica baseada na injeção de uma onda quadrada de baixa frequência;

– A forma de onda do sinal de retorno é medida e a resistência de isolação é estimada;

– A frequência é ajustada de acordo com a capacitância do enrolamento de campo (0,1 – 1,0 Hz);

– Valores típicos: 20 kΩ (alarme) e 5 kΩ (trip); – A deterioração da isolação pode ser monitorada.

Filosofias

 Proteção para condições anormais de operação:

– Motorização; – Sobre-excitação; – Sobretensão; – Subtensão;

Filosofias

 Motorização:

– Caso o gerador perca sua fonte motriz, ele se comportará como:

• Motor síncrono:

– Se a alimentação de campo for mantida;

– Movimentando todo o arranjo mecânico na velocidade síncrona; – Danificando as turbinas e/ou o eixo.

• Motor de indução:

– Se a alimentação de campo for retirada.

• O gerador funcionará como motor pois está acoplado ao sistema que o alimentará.

Filosofias

 Motorização:

– O conjunto mecânico será danificado, e não o gerador; – A proteção elétrica é feita pelo relé direcional de potência;

• Esse relé detecta a inversão do fluxo de potência nos terminais do gerador.

– Para evitar atuações indevidas por inversão temporária de potência ativa, como na sincronização da máquina com o SEP, a proteção é temporizada.

Filosofias

 Sobre-excitação:

– Os geradores necessitam de um campo magnético interno para operar;

– O circuito de campo é projetado para fornecer o fluxo magnético necessário para dada potência;

– A sobre-excitação ocorre quando o gerador opera com fluxo magnético maior que o valor previsto em projeto.

Filosofias

 Sobre-excitação:

– É difícil medir a magnitude do fluxo no estator, mas pode ser quantificada em termos de Volts/Hertz;

– A tensão de saída do gerador é função da taxa de variação do fluxo e do número de espiras do enrolamento.

– Exemplo: Tensão nominal (1 pu) e 95% da frequência nominal:

• 1,0/0,95 = 1,05 pu.

Filosofias

 Sobre-excitação:

– Causas:

• Durante a partida e parada do gerador a frequência é menor que a nominal, caso a tensão não seja reduzida durante estes eventos, observa-se a sobre-excitação;

– Ex.: regulador automático de tensão ligado no momento da partida da máquina.

Filosofias

 Sobre-excitação:

– Possíveis danos:

• As correntes de fuga variam:

– Linearmente com o fluxo;

– Quadraticamente com a frequência.

• As correntes induzidas na laminação do estator criam um gradiente de tensão entre as lâminas, suficiente para a ruptura da isolação entre as mesmas.

Filosofias

 Sobre-excitação:

– Outras consequências:

• Saturação do núcleo;

– Distorção da forma de onda de tensão;

Filosofias

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 Sobretensão e subtensão:

– A sobretensão pode ocorrer sem que necessariamente o limite V/Hz da máquina seja excedido;

• Rejeição de carga: sobretensão e sobre-velocidade do rotor.

– Por outro lado, a operação de geradores com tensão terminal abaixo da tensão mínima (0,95 pu) pode provocar efeitos indesejáveis:

• Consumo excessivo de potência reativa da rede; • Redução do limite de estabilidade.

– Ajustes típicos:

• Sobretensão:

– 5 s para 1,1 pu e 0,5 s para 1,3 pu.

• Subtensão:

Filosofias

 Alteração da frequência:

– A operação em frequências diferentes de 60 Hz, são geralmente consequência de eventos no sistema elétrico:

• Sobre-frequência:

– Resultado do excesso de geração;

– Não traz grandes problemas, pois é facilmente corrigida pela diminuição da potência de saída.

• Sub-frequência:

– Resultado do déficit de geração; – Não pode ser corrigido localmente.

 Esquema de Simulação:

 RTDS:

– Passo de integração: 50 µs

– Saídas analógicas: sinais elétricos de ±10V

 Relé digital:

– Entradas: ± 115 V e ± 5 A

 RSCAD:

 Demais ambientes do RSCAD:

– Cbuilder; – Cable; – Multiplot; – Tline.

Simulações

Simulações

Simulações

 Proteções parametrizadas:

– Dependência:

Tipo de máquina; Potência nominal.

Simulações

 Perda de excitação (40):

– Falta aplicada:

Curto-circuito no sistema de excitação: Tensão de campo nula.

– Ajuste zona instantânea:

Diâmetro = 𝑍_{𝐵−𝑠𝑒𝑐} = 18,81 Ω Offset = −𝑋′𝑑−𝑠𝑒𝑐

2 = - 2,44

– Ajuste zona temporizada (0,5 s):

Diâmetro = 𝑋𝑑−𝑠𝑒𝑐 = 39,87 Ω

Offset = −𝑋′𝑑−𝑠𝑒𝑐

Simulações

 Diferencial (87):

– Falta aplicada:

Curto-circuito interno fase-terra: Posição = 95 % Raterramento = 1 Ω Rfalta = 1 Ω Incidência = 0º – Ajustes: Pickup = 0,20 pu Slope 1 = 15 % Break 1 = 1,15 pu Break 2 = 8 pu Slope 2 = 50 %

Simulações

 Diferencial (87):

– Falta aplicada:

Curto-circuito interno fase-terra: Posição = 5 % Raterramento = 1 Ω Rfalta = 1 Ω Incidência = 45º – Ajustes: Pickup = 0,20 pu Slope 1 = 15 % Break 1 = 1,15 pu Break 2 = 8 pu Slope 2 = 50 %

Simulações

 Sobretensão de neutro (59G):

– Falta aplicada:

Curto-circuito interno fase-terra: Posição = 5 % Raterramento = 1 Ω Rfalta = 1 Ω Incidência = 45º – Ajustes: Pickup = 0,02 pu Delay = 0,5 s

Simulações

 Motorização (32):

– Falha na fonte motriz:

• Torque nulo.

– Ajuste:

• Pickup = -0,05 pu • Delay = 0,25 s

Atividade Proposta

 Desenvolver um algoritmo de proteção contra perda de excitação. Adicionalmente, apresentar o cálculo do respectivo ajuste para um gerador com potência nominal de 234 MVA, tensão nominal de 18 kV, reatância síncrona de eixo direto 𝑋𝑑 = 2,12 pu e reatância transitória de eixo direto 𝑋′𝑑 = 0,26 pu. As relações de transformação dos transformadores de tensão (TPs) e corrente (TCs) do sistema de medição são iguais a 12700:115 e 1500, respectivamente. Os valores dos ajustes devem ser apresentados em Ω refletido ao secundário do sistema de medição.

Agendamento de Visita

 Objetivos:

– Conhecer a estrutura do LSEE;

– Ter contato com o equipamento RTDS; – Familiarizar-se com o software RSCAD.

Bibliografia

1) BATAGLIOLI, R. P. Relé Universal baseado na Plataforma PC104 Aplicado na Proteção de Geradores Síncronos. Dissertação (Trabalho de Conclusão de Curso) — Escola de Engenharia de São Carlos – EESC/USP, 2015.

2) BLACKBURN, J. L.; DOMIN, T. J. Protective Relaying - Principles and Applications. Third edition. Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2006.

3) CAMINHA, A. C. Introdução à Proteção dos Sistemas Elétricos. São Paulo - SP - Brasil: Planimpress Gráfca e Editora, 1977. 4) COMMITTEE, P. S. R. IEEE Guide for AC Generator Protection - Redline. IEEE Std C37.102 -2006 (Revision of IEEE Std

C37.102-1995) - Redline, 2007. p. 1–190, 2007.

5) ____.IEEE Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants. IEEE Std C37.106-2003 (Revision of

ANSI/IEEE C37.106-1987), 2004. p. 1–34, 2004.

6) ____.IEEE Guide for Generator Ground Protection - Redline. IEEE Std C37.101 -2006 (Revision of IEEE Std

C37.101-1993/Incorporates IEEE Std C37.101-2006/Cor1:2007) - Redline, 2007. p. 1–91, Nov 2007.

7) KINDERMAN, G. , Proteção de sistemas elétricos de potência. 1ª Edição, vol.3, 2008.

8) MONARO, R. M. Lógica Fuzzy Aplicada na Melhoria da Proteção Digital de Geradores Síncronos. Tese (Doutorado) — Escola de Engenharia de São Carlos - USP, 2013.

9) MOTTER, D. Modelagem Computacional de Funções de Proteção Baseadas em Medidas de Frequência para Detecção de

Ilhamento de Geração Distribuída. 167 p. Dissertação (Mestrado) — Universidade de São Paulo, 2014.

10) MOURINHO, F. A. ; FERNANDES, R. A. S. ; OLESKOVICZ, M. ; VIEIRA JUNIOR, J. C. M. , Análise de geradores síncronos

distribuídos conectados a sistemas com distorções harmônicas de sequência negativa. In: 11th IEEE/IAS International Conference

on Industry Applications (INDUSCON). Juiz de Fora, 2014.

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