Capítulo VI Proteção contra motorização e correntes ... ?· 30 poio Proteção contra motorização…

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    10-Nov-2018

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<ul><li><p>30 Apo</p><p>io</p><p>Proteo contra motorizao e correntes desbalanceadas</p><p> As funes de proteo contra motorizao </p><p>ou potncia reversa (ANSI-32) e de desequilbrio </p><p>de corrente ou sobrecorrente de sequncia </p><p>negativa (ANSI-46) so consideradas protees </p><p>para condies anormais de operao do gerador.</p><p> Se a turbina perder potncia durante a </p><p>operao normal da mquina, o gerador passa </p><p>a consumir potncia ativa do sistema, como se </p><p>Por Geraldo Rocha e Paulo Lima*</p><p>Captulo VI</p><p>Proteo contra motorizao e correntes desbalanceadas, falha de disjuntor e energizao inadvertida</p><p>Prot</p><p>eo</p><p> de </p><p>gera</p><p>dore</p><p>s</p><p>Figura 1 Proteo de potncia reversa (32) e correntes desequilibradas (46).</p><p>fosse um motor. Esta condio denominada </p><p>motorizao.</p><p> J correntes desequilibradas nos enrolamentos </p><p>do estator implicam na existncia de correntes </p><p>de sequncia negativa. A corrente de sequncia </p><p>negativa produz um campo girante no entreferro </p><p>da mquina, que tambm gira na velocidade </p><p>sncrona, mas com direo reversa se comparada </p><p>ao campo normal de sequncia positiva. Este </p><p>campo novo induz correntes no rotor, cuja </p></li><li><p>31Apo</p><p>io</p><p>frequncia o dobro da frequncia sncrona. Essas correntes </p><p>causam sobreaquecimento no rotor e podem eventualmente </p><p>causar danos ao rotor.</p><p>Protees de potncia reversa (Ansi 32)</p><p> O plano complexo de potncia mostrado na Figura 2 serve </p><p>para analisar o fluxo de potncia ativa e reativa entrando e </p><p>saindo do gerador. O diagrama mostra que a mquina opera </p><p>como um motor quando absorve potncia ativa.</p><p> Como j mencionado anteriormente, a motorizao </p><p>ocorre quando h perda de potncia da turbina durante </p><p>operao normal da mquina de um motor. Esta condio </p><p>denominada motorizao.</p><p> Em turbinas a vapor, a motorizao ocorre quando </p><p>cortado o suprimento de vapor. Nas turbinas a gs e diesel, </p><p>a motorizao ocorre quando cortado o suprimento de </p><p>combustvel. Em turbinas hidrulicas, a perda parcial ou total </p><p>da gua vinda pelo conduto forado resulta na reduo da </p><p>potncia mecnica para o gerador.</p><p> A motorizao pode causar danos turbina. Quando o fluxo </p><p>normal de vapor interrompido, a refrigerao natural que ele </p><p>produzia tambm ser perdida, gerando sobreaquecimento nas </p><p>lminas de ferro do estator e no rotor da turbina.</p><p> Nas turbinas a gs, as engrenagens de acoplamento da </p><p>turbina com outros elementos, como o compressor, podem </p><p>sofrer danos quando ocorre a motorizao. J em um motor a </p><p>diesel, se for aplicada alguma potncia proveniente do gerador </p><p>em uma condio de motorizao, o motor pode sofrer srios </p><p>danos no acoplamento mecnico.</p><p> Em turbinas hidrulicas, a motorizao pode produzir Figura 2 Plano complexo de potncia.</p></li><li><p>32 Apo</p><p>io</p><p>Prot</p><p>eo</p><p> de </p><p>gera</p><p>dore</p><p>s cavitaes, que podem causar danos nas lminas. Em alguns casos, a turbina hidrulica pode ser projetada para </p><p>operar como compensador sncrono, sendo insignificantes </p><p>os danos resultantes. Nesses casos, no necessria a </p><p>proteo contra motorizao.</p><p> A Figura 3 mostra uma comparao dos valores tpicos </p><p>de potncia reversa necessrios para girar um gerador com </p><p>a velocidade sncrona. Esses valores so tpicos e os valores </p><p>reais devem ser fornecidos pelos fabricantes, sendo de grande </p><p>importncia na escolha do tipo de esquema de proteo e dos </p><p>ajustes necessrios para minimizar os danos na mquina.</p><p> Nota-se que algumas turbinas precisam de 0,2% a 2% da </p><p>potncia nominal para girar a mquina velocidade sncrona. </p><p>Para detectar essa condio, um rel tem de ser muito sensvel. </p><p>Esses valores so conhecidos como potncias de motorizao.</p><p> O elemento 32P1 detecta a potncia reversa. Ajuste o </p><p>limite do elemento em 50% da potncia de motorizao, </p><p>com temporizao entre 15 e 30 segundos, para evitar </p><p>operao durante oscilaes transitrias de potncia. Esses </p><p>valores podem variar dependendo das recomendaes do </p><p>fabricante da turbina.</p><p> O segundo elemento usado para proteger as turbinas </p><p>a vapor de danos que podem ocorrer nos casos de baixos </p><p>valores de gerao. O tipo de turbina a vapor usada vai </p><p>determinar os ajustes do limite e a temporizao do segundo </p><p>elemento (32P2).</p><p> Na ocorrncia de eventos de potncia reversa, devero </p><p>ser desligados os disjuntores principais do gerador, o </p><p>disjuntor de campo e a turbina.</p><p>Protees de correntes desequilibradas (Ansi 46)</p><p> Correntes desequilibradas nos enrolamentos do estator </p><p>implicam na existncia de correntes de sequncia negativa. </p><p>A corrente de sequncia-negativa produz um campo girante </p><p>no entreferro da mquina, que gira na velocidade sncrona, </p><p>mas com direo reversa se comparada ao campo normal </p><p>de sequncia positiva.</p><p> Este campo induz correntes no rotor, cuja frequncia </p><p> o dobro da frequncia sncrona. Essas correntes de </p><p>frequncia dupla causam sobreaquecimento no rotor e </p><p>podem eventualmente causar danos ao rotor.</p><p> A temperatura das bordas, dos anis e do ncleo de </p><p>ferro pode atingir valores intolerveis. Os danos resultantes </p><p>podem causar paradas prolongadas para reparo do gerador.</p><p> Curtos-circuitos desequilibrados no so a nica </p><p>causa de desbalanos nos enrolamentos do gerador. </p><p>Faltas srie, como condutores abertos, um ou dois, podem </p><p>tambm produzir uma quantidade relativamente grande de </p><p>sequncia negativa. Condies diferentes, tais como cargas </p><p>desbalanceadas e assimetria das linhas de transmisso, </p><p>tambm podem causar desequilbrios nos enrolamentos do </p><p>estator. </p><p> prtica comum equipar o gerador com proteo contra </p><p>condies externas de desbalano que podem causar </p><p>danos mquina. Os rels microprocessados modernos </p><p>so capazes de detectar correntes de sequncia negativa </p><p>de valores to baixos quanto a capabilidade contnua do </p><p>gerador.</p><p> A Figura 5 mostra as caractersticas tpicas dessa </p><p>proteo. O valor mnimo de partida (pickup) pode ser </p><p>ajustado em 2% da corrente nominal do gerador.</p><p> Um rel de potncia reversa ou direcional de potncia </p><p>mede a potncia ativa:</p><p> O rel pode ter uma curva de tempo-definido ou tempo-</p><p>inverso, dependendo do projeto do rel. A Figura 4 mostra </p><p>a caracterstica da proteo de potncia reversa no plano </p><p>complexo de potncia. Esta proteo em particular </p><p>composta de dois elementos, 32P1 e 32P2. Ambos so de </p><p>tempo definido.</p><p>Figura 3 Valores tpicos de potncia reversa necessrios para girar um gerador com velocidade sncrona.</p><p>Figura 4 Elemento direcional de potncia.</p><p>P = 3 . V . I . cos </p></li><li><p>34 Apo</p><p>io</p><p>Prot</p><p>eo</p><p> de </p><p>gera</p><p>dore</p><p>s O excesso de corrente desequilibrada vai provocar falha nos equipamentos e deve ser considerado como um </p><p>problema eltrico grave. Os disjuntores principais do gerador </p><p>devem ser desligados em caso de correntes excessivamente </p><p>desbalanceadas.</p><p>Falha de disjuntor e energizao inadvertida</p><p> Se o disjuntor do gerador ou do grupo gerador </p><p>transformador falhar quando receber uma ordem de trip de </p><p>um dos rels de proteo do gerador, os disjuntores locais </p><p>de retaguarda devem ser abertos automaticamente para </p><p>eliminar o defeito que causou originalmente a atuao dos </p><p>dispositivos de proteo. A proteo de falha de disjuntor </p><p>propicia essa abertura automtica dos disjuntores para </p><p>eliminar a falta.</p><p> Basicamente, o rel de falha de disjuntor (50BF) um </p><p>dispositivo de sobrecorrente de tempo definido cuja operao </p><p> iniciada pela proteo principal (a mesma que d trip no </p><p>disjuntor principal). Se a ordem de trip e a sobrecorrente </p><p>persistirem alm de um certo tempo (por exemplo, 0.2 s), </p><p>o disjuntor principal considerado como tendo falhado na </p><p>abertura e o 50BF emite um comando de trip para todos os </p><p>disjuntores de retaguarda locais.</p><p> A proteo de falha de disjuntor deve considerar o arranjo </p><p>de barras da SE.</p><p>Barra simples</p><p> Em um arranjo tipo barra simples, se o disjuntor 1 </p><p>receber uma ordem de trip e no abrir, o esquema de falha </p><p>de disjuntor dever abrir os disjuntores 2, 3 e 4 conforme </p><p>mostra a Figura 7.</p><p>Figura 7 Arranjo de barra simples.</p><p>Barra em anel</p><p> Conforme a Figura 8, para um barramento em anel, </p><p>somente um disjuntor adicional na subestao necessita </p><p>Figura 5 Sobrecorrente de sequncia negativa.</p><p>Figura 6 Proteo de sobrecorrente de sequncia negativa.</p><p> O diagrama da Figura 6 mostra uma proteo de gerador </p><p>com capabilidade de sequncia negativa contnua de 8% e </p><p>tempo curto de 10 segundos.</p><p> O rel de proteo deve ser ajustado imediatamente </p><p>abaixo desses limites para fornecer a melhor proteo para </p><p>correntes desbalanceadas. Um alarme de tempo definido </p><p>com nvel bem baixo, ajustado com partida em torno de </p><p>3% e temporizao de 60 segundos, vai avisar o operador </p><p>da existncia de correntes desequilibradas causadas por um </p><p>condutor aberto.</p></li><li><p>35Apo</p><p>io</p><p>ser desligado. Com este esquema, se ocorrer um defeito no </p><p>gerador da esquerda, a proteo envia um sinal de trip para </p><p>os disjuntores 1 e 2.</p><p> Se o disjuntor 1 falhar na abertura, o esquema de falha </p><p>de disjuntor associado dever enviar um sinal de trip para os </p><p>disjuntores 2 e 3.</p><p> Adicionalmente, o esquema de falha de disjuntor dever </p><p>tambm enviar um sinal de transferncia direta de trip </p><p>para o terminal remoto da linha que sai do ponto entre os </p><p>disjuntores 1 e 3.</p><p>Figura 8 Arranjo de barra em anel. Figura 9 Arranjo disjuntor e meio.</p><p>Disjuntor e meio</p><p> No caso de um arranjo do tipo disjuntor e meio, o esquema </p><p>de falha de disjuntor depende do disjuntor envolvido. No </p><p>esquema da Figura 9, se ocorrer um defeito no gerador, a </p><p>proteo dar trip nos disjuntores 1 e 2.</p><p> Se o disjuntor 1 falhar na abertura, o esquema de falha de </p><p>disjuntor dever dar trip nos disjuntores 2 e 4 e em qualquer </p><p>outro disjuntor que esteja conectado barra esquerda. Se o </p><p>disjuntor 2 falhar na abertura, o esquema de falha de disjuntor </p><p>dever dar trip nos disjuntores 1 e 3.</p><p> O esquema dever tambm enviar um sinal de transferncia </p><p>de trip direto para o terminal remoto da linha que sai do ponto </p><p>entre os disjuntores 2 e 3.</p></li><li><p>36 Apo</p><p>io</p><p>Prot</p><p>eo</p><p> de </p><p>gera</p><p>dore</p><p>s Esquema de proteo bsico O diagrama lgico mostrado na Figura 10 exemplifica </p><p>um esquema bsico de falha de disjuntor. Esse esquema </p><p>bsico para um arranjo de barra simples com disjuntor </p><p>simples. Durante uma falta, o elemento 50 e o rel de </p><p>proteo da linha so habilitados. A sada da porta AND </p><p>ativada e parte o temporizador 62. Se as entradas do trip e </p><p>do elemento 50 permanecerem ativadas at esgotar o tempo </p><p>do 62, declarada uma condio de falha do disjuntor.</p><p>Figura 10 Esquema de proteo bsico.</p><p> O esquema resetado quando ocorrer o dropout de </p><p>qualquer um dos elementos. </p><p> Esquema de proteo multidisjuntores</p><p> Este esquema recomendado para os arranjos de disjuntor </p><p>simples, disjuntor e meio e barra em anel. Em um arranjo </p><p>complexo de barramento, cada disjuntor deve ter seu prprio </p><p>temporizador ou temporizadores.</p><p> Em aplicaes de disjuntor e meio ou barra em anel, o elemento </p><p>50 de um disjuntor pode no ser ativado at a abertura do disjuntor </p><p>associado. Nestas circunstncias, este esquema reduzir o tempo </p><p>total de eliminao do defeito do disjuntor.</p><p>Proteo contra energizao inadvertida</p><p> Geradores conectados em uma configurao disjuntor e meio </p><p>ou barra em anel possuem grande flexibilidade. Contudo, essas </p><p>configuraes tambm aumentam a possibilidade de um erro </p><p>operacional que resulte em energizao acidental do gerador, </p><p>conforme mostra a Figura 12.</p><p> A flexibilidade operacional da configurao disjuntor e meio ou </p><p>barra em anel permite que um disjuntor seja retirado de operao </p><p>para manuteno enquanto o gerador permanece operando. </p><p>Quando o gerador retirado de operao, os disjuntores geralmente </p><p>retornam operao para completar um vo ou o anel. Nesses casos, </p><p>uma chave seccionadora isola o gerador. Os esquemas de controle </p><p>devem ser cuidadosamente projetados para evitar o fechamento da </p><p>seccionadora em ocasies no apropriadas. </p><p> Para completar o problema, quando o gerador retirado </p><p>de operao, algumas protees tambm podem ser retiradas </p><p>de servio para manuteno. Embora no esteja representado </p><p>na figura, um gerador tambm pode ser energizado </p><p>acidentalmente pelo servio auxiliar. </p><p> Outra possibilidade de ocorrncia de energizao inadvertida </p><p>em geradores o flashover em disjuntores. Os disjuntores de alta </p><p>velocidade, com espaamento pequeno entre os contatos, podem </p><p>sofrer stress dieltrico severo. A probabilidade de descargas </p><p>(flashover) muito maior imediatamente antes da sincronizao </p><p>ou imediatamente aps a abertura do disjuntor.</p><p> Nessas ocasies, podem surgir tenses de at 2.0 p.u. entre os </p><p>contatos do disjuntor devido ao escorregamento do gerador em </p><p>comparao ao sistema. Quando ocorre uma descarga, geralmente </p><p>so envolvidos um ou dois plos, resultando em um fluxo </p><p>significativo de correntes desequilibradas. Este um tipo de falta no </p><p>disjuntor que deve ser detectada e isolada o mais rpido possvel.</p><p> Quando um gerador retirado de operao, a frequncia </p><p>cai e a sada do rel de subfrequncia habilitada. Esta sada </p><p>permanece habilitada at que o gerador volte a operar com </p><p>a frequncia do sistema. O contato de sada de um rel de </p><p>sobrecorrente com ajuste sensvel pode ser colocado em srie </p><p>com a sada do rel de subfrequncia. Durante uma condio </p><p>de energizao indevida, a operao do rel de sobrecorrente </p><p>pode ser usada para isolar o gerador.</p><p> Igualmente, os rels de subtenso tambm podem ser usados </p><p>Figura 11 Esquema de proteo multidisjuntores.</p><p> Quando a entrada do trip habilitada, ocorre a partida do </p><p>temporizador 62. Se o elemento 50 estiver habilitado quando </p><p>se esgotar o tempo do 62, o esquema declara uma condio de </p><p>falha de disjuntor. Se a entrada do trip for desativada antes de </p><p>expirar o tempo do 62, o temporizador reseta. Neste esquema, a </p><p>temporizao iniciada pelo comando de trip. No esquema bsico, </p><p>a temporizao no comeava at que o elemento 50 tambm fosse </p><p>ativado.</p></li><li><p>37Apo</p><p>io</p><p>FIMAcesse todos os captulos desta srie em www.osetoreletrico.</p><p>com.br. Dvidas e sugestes podem ser enviadas para redacao@atitudeeditorial.com.br </p><p>*GeRaLdo Rocha engenheiro eletricista e especialista </p><p>em Proteo de Sistemas eltricas pela Universidade </p><p>Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). atualmente gerente </p><p>de Marketing e engenharia de aplicao na Schweitzer </p><p>engineering Laboratories e professor titular do curso P4 </p><p>- Filosofias de Proteo de Geradores da Universidade SEL. </p><p>PaULo LIMa graduado em engenharia eltrica pela </p><p>Universidade Federal de Itajub, com nfase em Sistemas </p><p>eltricos. atua na SeL como engenheiro de aplicao e </p><p>suporte tcnico para clientes nos servios e solues </p><p>para controle, automao e proteo nas reas de gerao, </p><p>transmisso, distribuio.</p><p>para supervisionar um rel de sobrecorrente com ajuste sensvel.</p><p> Um rel de sobrecorrente direcional tambm pode </p><p>ser usado. Porm, as caractersticas direcionais devem ser </p><p>escolhidas cuidadosamente de forma que no comprometam a </p><p>capacidade do gerador em condies subexcitao.</p><p> Os elementos de sobrecorrente devem ser verificados </p><p>para garantir que os limites trmicos do gerador no sejam </p><p>excedidos durante perodos de gerao mxima. Um rel de </p><p>Figura 12 Arranjo disjuntor e meio.</p><p>impedncia pode ser instalado olhando para dentro do gerador </p><p>e proporcionando proteo contra energizao indevida. Deve </p><p>ser realizado um estudo de estabilidade para garantir que o rel </p><p>no atue durante oscilaes de potncia estveis.</p><p> Como essas solues requerem uma fonte de tenso, </p><p>as prticas de operao devem ser analisadas. Talvez seja </p><p>necessrio usar uma fonte de tenso separada para a proteo </p><p>de energizao inadvertida.</p></li></ul>