Proteção de Gerador
Um gerador está sujeito a estresses elétricos impostos à sua isolação, forças mecânicas atuando em várias partes da máquina e aumento de temperatura. Esses são os principais fatores que tornam a proteção necessária para o gerador ou alternador. Mesmo quando usado corretamente, uma máquina em perfeitas condições de funcionamento não apenas mantém seu desempenho especificado por muitos anos, mas também suporta repetidamente certos excessos de sobrecarga.
Medidas preventivas devem ser tomadas contra sobrecargas e condições anormais da máquina para que ela possa operar com segurança. Mesmo garantindo um projeto, construção, operação e meios preventivos de proteção eficientes – o risco de falha não pode ser completamente eliminado de qualquer máquina. Os dispositivos usados na proteção do gerador, garantem que, quando uma falha ocorre, ela seja eliminada o mais rápido possível.
Um gerador elétrico pode estar sujeito a uma falha interna ou externa ou ambas. Os geradores geralmente estão conectados a um sistema de energia elétrica, portanto, qualquer falha ocorrida no sistema de energia deve ser eliminada do gerador o mais rápido possível, caso contrário, pode causar danos permanentes no gerador.
O número e a variedade de falhas que ocorrem em um gerador são enormes. É por isso que o gerador ou alternador é protegido com vários esquemas de proteção. A proteção do gerador é tanto discriminatória quanto não discriminatória. Grande cuidado deve ser tomado na coordenação dos sistemas utilizados e nas configurações adotadas para garantir que um esquema de proteção do gerador sensível, seletivo e discriminatório seja alcançado.
Tipos de Proteção de Gerador
As várias formas de proteção aplicadas ao gerador podem ser categorizadas de duas maneiras,
Relés de proteção para detectar falhas ocorridas fora do gerador.
Relés de proteção para detectar falhas ocorridas dentro do gerador.
Além dos relés de proteção, associados diretamente ao gerador e ao seu transformador associado, existem para-raios, dispositivos de segurança contra velocidade excessiva, dispositivos de fluxo de óleo e dispositivos de medição de temperatura para rolamentos de eixo, enrolamentos do estator, enrolamentos do transformador e óleo do transformador, etc. Alguns desses arranjos de proteção são do tipo não-tripulante, ou seja, eles apenas geram alarme durante anormalidades.
Mas os outros esquemas de proteção acabam acionando o relé principal de disparo do gerador. Deve-se notar que nenhum relé de proteção pode prevenir falhas, ele apenas indica e minimiza a duração da falha para evitar elevações de temperatura no gerador, caso contrário, pode haver danos permanentes nele.
É desejável evitar quaisquer tensões desnecessárias no gerador, e para isso é prática comum instalar capacitores de surto ou desviadores de surto ou ambos para reduzir os efeitos de descargas atmosféricas e outros surtos de tensão na máquina. Os esquemas de proteção geralmente aplicados ao gerador são discutidos abaixo de forma breve.
Proteção contra Falha de Isolamento
A principal proteção fornecida no enrolamento do estator contra falhas fase a fase ou fase a terra, é a proteção diferencial longitudinal do gerador. O segundo esquema de proteção mais importante para o enrolamento do estator é a proteção contra falhas entre espiras.
Este tipo de proteção era considerado desnecessário nos dias anteriores porque a quebra de isolamento entre pontos no mesmo enrolamento de fase, contidos na mesma ranhura, e entre os quais existe uma diferença de potencial, rapidamente se transforma em uma falha a terra, e então é detectada pela proteção diferencial do estator ou pela proteção contra falha a terra do estator.
Um gerador é projetado para produzir tensão relativamente alta em comparação com sua saída e, portanto, contém um grande número de condutores por ranhura. Com o aumento do tamanho e da tensão do gerador, este tipo de proteção está se tornando essencial para todas as grandes unidades geradoras.
Proteção contra Falha a Terra do Estator
Quando o neutro do estator é aterrado através de um resistor, um transformador de corrente é montado na conexão neutro a terra. Um relé de tempo inverso é usado no secundário do TC quando o gerador está conectado diretamente à barra. No caso de o gerador alimentar energia através de um transformador delta-estrela, um relé instantâneo é usado para o mesmo propósito.
No primeiro caso, o relé de falha a terra precisa ser gradativo com outros relés de falha no sistema. É por isso que o relé de tempo inverso é usado neste caso. Mas no segundo caso, o loop de falha a terra é restrito ao enrolamento do estator e ao enrolamento primário do transformador, portanto, não há necessidade de graduação ou discriminação com outros relés de falha a terra no sistema. Por isso, o Relé Instantâneo é preferível nesse caso.
Proteção contra Falha a Terra do Rotor
Uma única falha a terra não cria problema significativo no gerador, mas se uma segunda falha a terra ocorrer, parte do enrolamento de campo ficará curto-circuitada, resultando em um campo magnético desequilibrado no sistema, podendo causar danos mecânicos significativos aos rolamentos do gerador. Existem três métodos disponíveis para detectar esse tipo de falha no rotor. Os métodos são:
Método do potenciômetro
Método de injeção AC
Método de injeção DC
Proteção contra Carga Desbalanceada do Estator
O desequilíbrio na carga produz correntes de sequência negativa no circuito do estator. Esta corrente de sequência negativa produz um campo reativo girando a duas vezes a velocidade síncrona em relação ao rotor, induzindo, assim, corrente de frequência dupla no rotor. Esta corrente é bastante grande e causa superaquecimento no circuito do rotor, especialmente no alternador.
Se algum desequilíbrio ocorrer devido a uma falha no próprio enrolamento do estator, isso será limpo instantaneamente pela proteção diferencial fornecida no gerador. Se o desequilíbrio ocorrer devido a alguma falha externa ou carga desbalanceada no sistema, pode permanecer não detectado ou persistir por um período significativo de tempo, dependendo da coordenação de proteção do sistema. Essas falhas, então, serão limpas pela instalação de um relé de sequência de fase negativa com características para combinar com a curva de resistência da máquina.
Proteção contra Superaquecimento do Estator
A sobrecarga pode causar superaquecimento no enrolamento do estator do gerador. Não apenas a sobrecarga, a falha dos sistemas de resfriamento e a falha de isolamento das lâminas do estator também causam superaquecimento do enrolamento do estator.
O superaquecimento é detectado por detectores de temperatura embutidos em vários pontos do enrolamento do estator. As bobinas de detecção de temperatura normalmente são elementos de resistência que formam um braço do circuito de ponte de Wheatstone. No caso de geradores menores, normalmente abaixo de 30 MW, os geradores não são equipados com bobina de temperatura embutida, mas geralmente são equipados com relé térmico e são configurados para medir a corrente fluindo no enrolamento do estator.
Esta configuração detecta apenas o superaquecimento causado por sobrecarga e não fornece proteção contra superaquecimento devido a falha dos sistemas de resfriamento ou laminados de estator curto-circuitados. Embora relés de sobrecorrente, relés de sequência de fase negativa e dispositivos para monitoramento de fluxo constante também sejam usados para fornecer um certo grau de proteção térmica contra sobrecarga.
Proteção contra Baixo Vácuo
Esta proteção, geralmente, é na forma de um regulador que compara o vácuo com a pressão atmosférica, sendo normalmente instalado em conjuntos geradores acima de 30 MW. A prática moderna é que o regulador descarregue o conjunto via o governador secundário até que as condições normais de vácuo sejam restauradas. Se as condições de vácuo não melhorarem abaixo de 21 polegadas, as válvulas de parada são fechadas e o disjuntor principal é acionado.
Proteção contra Falha de Óleo de Lubrificação
Esta proteção não é considerada essencial, pois o óleo de lubrificação normalmente é obtido da mesma bomba que o óleo do governador, e uma falha no óleo do governador fará automaticamente as válvulas de parada fecharem.
Proteção contra Perda de Combustão na Caldeira
Dois métodos estão disponíveis para detectar a perda de combustão na caldeira. No primeiro método, contatos normalmente abertos (NA) são fornecidos com os motores de ventilador, que podem acionar o gerador se mais de dois motores falharem. O segundo método usa contatos de pressão da caldeira, que descarregam o gerador se a pressão da caldeira cair abaixo de aproximadamente 90%.
Proteção contra Falha do Motor Principal
Se o motor principal falhar em fornecer energia mecânica ao gerador, o gerador continuará a girar no modo de motriz, ou seja, ele toma energia elétrica do sistema em vez de fornecê-la ao sistema.
Em uma turbina a vapor, o vapor atua como refrigerante, mantendo as pás da turbina em uma temperatura constante. A falha do suprimento, portanto, resultará em superaquecimento devido ao atrito, com distorção subsequente das pás da turbina.
A falha do suprimento de vapor pode causar danos mecânicos graves, além de impor uma carga motriz pesada no gerador. O relé de potência reversa é usado para este propósito. Assim que o gerador começar a girar no modo de motriz, o relé de potência reversa acionará o conjunto do gerador.
Proteção contra Velocidade Excessiva
Embora seja prática geral forn
