Proteção de Geradores – Tipos de Falhas e Dispositivos de Proteção

Falhas Comuns de Geradores e Sistemas de Proteção
Classificação de Falhas de Geradores

As falhas dos geradores são principalmente categorizadas em tipos internos e externos:

• Falhas Internas: Origina-se de problemas nos componentes do gerador.

• Falhas Externas: Resultam de condições anormais de operação ou problemas na rede externa.

As falhas nos motores principais (por exemplo, motores diesel, turbinas) são de natureza mecânica e definidas durante o projeto do equipamento, embora devam integrar as proteções do gerador para fins de desligamento.

Tipos de Falhas Internas
1. Falhas no Estator

• Sobreaquecimento das Bobinas: Causado por sobrecargas permanentes ou quebra de isolamento.

• Falha Fase-a-Fase: Ocorre devido à falha de isolamento entre fases.

• Falha Fase-Terra: Vazamento de corrente das bobinas de fase para o estator.

• Falha Inter-Voltas: Curto-circuito entre voltas adjacentes na mesma bobina.

2. Falhas no Rotor

• Falha Terra: Vazamento de corrente das bobinas do rotor para o eixo do rotor.

• Curto-Circuito nas Bobinas: Reduz a tensão de excitação e aumenta a corrente nos rotores enrolados.

• Sobreaquecimento: Causado por correntes desequilibradas no estator (por exemplo, disparo de um polo, sequência negativa de fase).

3. Perda de Campo/Excitação

• O fluxo de potência reativa entra no gerador, fazendo com que ele funcione como um gerador de indução e perca a sincronização.

4. Operação Fora de Passo

• Tensões mecânicas no eixo e oscilações de tensão devido à perda de sincronização com a rede.

5. Operação como Motor

• O gerador retira energia da rede quando a alimentação do motor principal falha (por exemplo, perda de vapor/água), arriscando sobreaquecimento ou cavitação em turbinas.

6. Falhas Mecânicas

• Sobreaquecimento de rolamentos, perda de pressão do óleo lubrificante e vibração excessiva.

Mecanismo de Sobreaquecimento do Rotor

Correntes desequilibradas no estator (por exemplo, sequência negativa de fase) induzem correntes parasitas no rotor a duas vezes a frequência do sistema (100/120 Hz), causando sobreaquecimento localizado. Isso enfraquece as abas e anéis de retenção do rotor.

Tipos de Falhas Externas
Anomalias do Sistema de Energia

• Curto-Circuitos Externos: Falhas na rede afetando a operação do gerador.

• Conexão Não-Sincronizada: Danos devido a paralelização inadequada do gerador.

• Sobrecargas/Sobrevelocidade: Causadas por desligamento súbito de carga ou falha no controle do motor principal.

• Desequilíbrio de Fase/Sequência Negativa: Induz correntes parasitas no rotor e sobreaquecimento.

• Desvios de Frequência/Tensão: Tensões sub ou superiores a frequências que estressam os componentes do gerador.

Dispositivos de Proteção de Geradores
Principais Esquemas de Proteção
1. Proteção contra Falhas no Estator

• Relé Diferencial: Detecta falhas fase-a-fase e fase-terra comparando as correntes de entrada e saída.

• Proteção contra Falhas Terra: Utiliza relés de sobrecorrente (para aterramento resistivo) ou relés de tensão (para aterramento por transformador) para detectar falhas terra no estator.

2. Proteção contra Falhas no Rotor

• Relés de falha terra monitoram a quebra de isolamento entre as bobinas do rotor e o eixo.

3. Proteção contra Carga Desbalanceada

• Monitora as correntes de sequência negativa e a perda de excitação, que causam problemas de fluxo de potência reativa.

4. Proteção contra Sobreaquecimento

• Relés térmicos ou sensores de temperatura detectam sobreaquecimento nas bobinas do estator e nos rolamentos; relés de sequência negativa abordam o aquecimento do rotor.

5. Proteção Mecânica

• Relés de sobrevelocidade, sensores de vibração e interruptores de baixa pressão/vácuo protegem contra falhas no motor principal e nas turbinas.

6. Proteção de Backup e Suplementar

• Relés de potência reversa impedem a operação como motor, enquanto relés diferenciais para falhas terra no estator fornecem detecção primária de falhas (ver Figura 1 para conexões típicas).

• Relés Diferenciais: Comparam as correntes em ambas as extremidades das bobinas do estator para detectar falhas internas.

Princípios de Proteção

• Detecta falhas inter-voltas monitorando desequilíbrios de tensão através de transformadores de tensão (VT).

• Adaptação do Sistema de Aterramento: Os esquemas de proteção variam com base nos métodos de aterramento do estator (resistivo ou por transformador), utilizando TCs ou VTs para detectar correntes e tensões de falha.

Mecanismos de Proteção contra Falhas nas Bobinas do Rotor

As falhas de curto-circuito nas bobinas do rotor enrolado são protegidas por relés de sobrecorrente, que disparam o gerador ao detectar surtos de corrente anormal. As falhas terra representam outro risco para as bobinas do rotor, embora sua proteção exija abordagens especializadas.

Em grandes geradores térmicos, as bobinas do rotor ou do campo geralmente não são aterradas, o que significa que uma única falha terra não produz corrente de falha. No entanto, tal falha eleva o potencial de todo o sistema de campo e excitador. Tensões extras induzidas pela abertura do campo ou do disjuntor do gerador principal—especialmente durante condições de falha—podem estressar o isolamento da bobina do campo, potencialmente causando uma segunda falha terra. Uma segunda falha pode levar ao aquecimento localizado do ferro, distorção do rotor e desequilíbrio mecânico perigoso.

A proteção contra falhas terra do rotor frequentemente emprega um relé que monitora o isolamento aplicando uma tensão AC auxiliar ao rotor. Alternativamente, é usado um relé de tensão em série com uma rede de alta resistência (geralmente uma combinação de resistores lineares e não-lineares) através do circuito do rotor. O ponto central desta rede se conecta ao solo através de uma bobina sensível de relé (código ANSI/IEEE/IEC 64). Os esquemas de proteção modernos favorecem cada vez mais combinações de resistores lineares e não-lineares para melhor detecção de falhas e monitoramento de isolamento.

Mecanismos de Proteção contra Perda de Campo e Sobrexitação

A proteção contra perda de campo utiliza um relé para detectar mudanças no fluxo de potência reativa. Um esquema típico usa um relé Offset Mho (impedância)—um dispositivo monofásico alimentado por transformadores de corrente (TCs) e transformadores de tensão (VTs)—para medir a impedância da carga. O relé ativa quando a impedância cai dentro de sua característica operacional. Um relé de temporização inicia o disparo do gerador se a potência reativa capacitiva persistir por 1 segundo (tempo padrão).

Proteção contra Sobrexitação

Para evitar a saturação do núcleo durante a partida e a parada, a proteção contra sobrexitação (código ANSI/IEEE/IEC 59) é implementada, com base na relação:B = V/f
onde:

• B = densidade de fluxo magnético (tesla, T)

• V = tensão aplicada (volts, V)

• f = frequência (hertz, Hz)

O fluxo magnético do núcleo deve permanecer abaixo do ponto de saturação, significando que a tensão só pode aumentar proporcionalmente à frequência (velocidade). Aumentos rápidos de excitação aumentam o risco de sobrexitação, detectada por relés Volts por Hertz. Esses relés apresentam características lineares e disparam quando V/f excede limites pré-definidos.

Proteção contra Sobreaquecimento do Estator e do Rotor

• Bobinas do Estator e Rolamentos: Monitoramento de temperatura por meio de detectores de temperatura por resistência (RTDs) e termistores.

• Desequilíbrio de Fase do Estator: Relés de sobrecorrente inversos ao tempo ajustados à tolerância máxima de calor do rotor.

• Proteção de Sequência Negativa: Protege a máquina do sobreaquecimento do rotor causado por correntes desequilibradas no estator, que induzem correntes parasitas prejudiciais no rotor.

Sistemas de proteção confiáveis são cruciais para minimizar danos e o tempo de reparo, pois os geradores são entre os componentes mais caros do sistema de energia.

Esta proteção utiliza um relé que compara as correntes em duas fases por meio de transformadores de corrente (TCs), conforme ilustrado na Figura 2. As configurações de proteção são determinadas pelo tempo máximo que o rotor pode suportar sobreaquecimento, definido pela equação K = I²t (derivada da lei de Joule), onde I é a corrente de sequência negativa e t é a duração.

As curvas típicas de tempo-corrente especificadas pelos fabricantes para esta condição variam com base no tipo de motor principal, conforme mostrado no diagrama referenciado.

Sistemas de Proteção contra Potência Reversa, Fora de Passo e Frequência/Tensão
Proteção contra Potência Reversa (Código ANSI/IEEE/IEC 32)

Esta proteção utiliza um relé direcional de potência para monitorar a carga do gerador, alimentado por TCs e VTs (ver Figura 3). O relé ativa ao detectar fluxo de potência negativo—indicando que o gerador está retirando energia da rede (operação como motor)—e dispara o disparo para prevenir danos à turbina.

Proteção Fora de Passo

Projeto para detectar perturbações no sistema de energia (não falhas do gerador), esta proteção identifica escorregamento de polos quando o gerador perde a sincronização. Ela dispara os disjuntores do gerador mantendo a turbina em funcionamento, permitindo a resincronização após a perturbação ser eliminada.

• Princípio de Operação: Três relés de impedância medem a impedância da carga. O disparo ocorre se os relés ativarem em uma sequência específica durante oscilações de potência, distinguindo-o da perda de excitação (que ocorre com campo zero) e operando com o gerador em campo total.

Proteção de Frequência e Tensão
Proteção contra Sub/Superfrequência (Código ANSI/IEEE/IEC 81)

• Superfrequência: Causada por descargas de carga súbitas, arriscando sobretensão se não for gerenciada. Os controles do gerador devem ajustar a saída para corresponder à demanda.

• Subfrequência: Resulta de geração insuficiente para as cargas conectadas, levando a quedas de tensão, aumento de excitação e sobreaquecimento do rotor e do estator. A descarga de carga é crucial para evitar o colapso do sistema.

Relés de Sub/Sobretensão (Códigos 27/59)

Monitoram e controlam desvios de tensão para proteger o equipamento de estresse ou danos.

Proteção Suplementar de Inicialização de Fase

Previne a inicialização do gerador em uma condição de falha ou sobrecarga. Relés de sobrecorrente de baixa configuração engajam apenas quando a frequência está abaixo de 52 Hz (para sistemas de 60 Hz) ou 42 Hz (para sistemas de 50 Hz), garantindo proteção durante transientes de inicialização.

Proteção contra Curto-Circuito Externo

Relés de sobrecorrente (50, 50N, 51, 51N) detectam e limpam falhas na rede externa, protegendo o gerador de correntes de falha excessivas.

Esses esquemas de proteção coletivamente abordam anomalias operacionais—from reversões de fluxo de potência a perturbações em todo o sistema—garantindo a integridade do gerador e a estabilidade da rede.