Proteção Diferencial de um Gerador

Proteção Diferencial do Gerador

A proteção diferencial para um gerador protege principalmente as bobinas do estator contra falhas de terra e entre fases. As falhas nas bobinas do estator representam uma ameaça significativa, capazes de causar danos severos ao gerador. Para proteger as bobinas do estator, utiliza-se um sistema de proteção diferencial para eliminar as falhas no menor tempo possível, minimizando assim o dano.

Sistema de Corrente Circulante Merz-Prize

Neste esquema de proteção, as correntes nos dois extremos da seção protegida são comparadas. Durante a operação normal, as magnitudes das correntes nas bobinas secundárias dos transformadores de corrente são iguais. No entanto, quando ocorre uma falha, uma corrente de curto-circuito flui pelo sistema, fazendo com que as magnitudes das correntes diverjam. Essa diferença de corrente sob condições de falha é canalizada pela bobina de operação do relé.

Uma vez que a corrente excede o limite pré-definido, o relé fecha seus contatos, acionando o disjuntor para abrir. Esta ação isola a seção defeituosa do restante do sistema. Tal mecanismo de proteção é conhecido como o sistema de corrente circulante Merz-Prize, que se mostra altamente eficaz na detecção e resposta a falhas de terra e entre fases.

Conexão do Sistema de Proteção Diferencial

O sistema de proteção diferencial requer dois transformadores de corrente idênticos, instalados de cada lado da zona protegida. Os terminais secundários desses transformadores de corrente são conectados em configuração estrela, e seus terminais finais são ligados por meio de cabos piloto. Enquanto isso, as bobinas do relé são conectadas em configuração delta. Os pontos neutros dos transformadores de corrente e do relé são então conectados a um terminal comum. Este arranjo específico de fiação garante a detecção precisa de desequilíbrios de corrente e permite a rápida isolamento de falhas.

O relé é conectado entre os pontos de potencial igual dos três cabos piloto para garantir que cada transformador de corrente suporte uma carga igual. Como o ponto médio de cada cabo piloto representa seu ponto de potencial igual, o relé é estrategicamente posicionado no meio desses cabos.

Para que o sistema de proteção diferencial funcione de forma ótima, é crucial colocar as bobinas do relé perto dos transformadores de corrente próximos ao circuito principal. Isso pode ser alcançado inserindo resistores de equilíbrio em série com os cabos piloto, efetivamente deslocando os pontos de potencial igual mais perto do disjuntor principal.

Princípio de Funcionamento do Sistema de Proteção Diferencial

Suponha que ocorra uma ruptura de isolamento na fase R da rede, desencadeando uma falha. Como resultado, as correntes nas segundas de transformadores de corrente tornam-se desequilibradas. Este desequilíbrio gera correntes diferenciais que fluem pela bobina do relé. Consequentemente, o relé ativa e emite um comando de abertura para o disjuntor, isolando a seção defeituosa do restante do sistema.

No entanto, este sistema de proteção tem uma limitação significativa: é altamente sensível à corrente de inrush de magnetização do transformador. A corrente de inrush pode causar o mal funcionamento do relé. Para resolver esse problema, emprega-se um relé diferencial polarizado. Este tipo de relé permite que uma certa quantidade de corrente desequilibrada passe por sua bobina sem acionar operações desnecessárias.

Para mitigar ainda mais o impacto da corrente de inrush de magnetização, incorpora-se uma bobina de retenção no design. A bobina de retenção reduz efetivamente a influência da corrente de inrush, tornando o relé imune a falsos disparos causados pela corrente de inrush de magnetização. Relés equipados com tal configuração são conhecidos como relés diferenciais polarizados.

Cenário de Falha e Operação do Relé

Quando ocorre uma falha entre quaisquer duas fases, por exemplo, entre as fases Y e B, uma corrente de curto-circuito flui através dessas duas fases. Esta falha perturba o equilíbrio das correntes que fluem pelos transformadores de corrente (TCs). Consequentemente, uma corrente diferencial passa pela bobina de operação do relé, fazendo com que o relé acione e abra seus contatos, isolando a seção defeituosa do sistema elétrico.

Problemas com o Sistema de Proteção Diferencial

Em um sistema de proteção diferencial, geralmente usa-se um fio de resistência neutro para mitigar os efeitos adversos das correntes de falha de terra. No entanto, quando uma falha de terra ocorre perto do ponto neutro, uma pequena força eletromotriz (fem) gera uma corrente de curto-circuito relativamente pequena que flui pelo neutro. A resistência do aterramento do neutro reduz ainda mais essa corrente. Como resultado, apenas uma corrente mínima chega ao relé. Como essa corrente pequena é insuficiente para ativar a bobina do relé, a falha pode passar despercebida, potencialmente levando a danos ao gerador.

Esquema Modificado do Sistema de Proteção Diferencial

Para resolver o problema mencionado acima, desenvolveu-se um esquema aprimorado de sistema de proteção diferencial. Este esquema modificado incorpora dois elementos distintos: um projetado para proteger contra falhas de fase e outro para proteger contra falhas de terra.

Os elementos de proteção contra falhas de fase são conectados em configuração estrela junto com um resistor. Enquanto isso, o relé de falha de terra é posicionado entre os elementos de fase em estrela e o ponto neutro. Especificamente, dois elementos de falha de fase, juntamente com um resistor de equilíbrio, são conectados em padrão estrela, e o relé de falha de terra é então conectado entre a conexão estrela e o fio piloto neutro. Esta configuração melhora a capacidade do sistema de detectar e responder com precisão tanto a falhas de fase quanto de terra, aumentando a confiabilidade geral do sistema de proteção diferencial.

O circuito conectado em estrela exibe simetria, garantindo que qualquer corrente de sobrecarga balanceada originada do ponto de circulação de corrente não passe pelo relé de falha de terra. Como resultado, dentro deste sistema, o relé de falha de terra sensível pode operar com um alto nível de estabilidade, detectando falhas de terra de maneira confiável, sem ser acionado por flutuações normais de corrente balanceada.