Os disjuntores de gerador são essencialmente adequados para uma ampla variedade de usinas de geração de energia, incluindo usinas movidas a combustíveis fósseis, nucleares, turbinas a gás, ciclo combinado, hidrelétricas e usinas de armazenamento bombeável. Eles também são ideais para a modernização de usinas existentes que carecem de disjuntores de gerador.
No passado, os disjuntores de gerador eram comumente usados em estações multi-unidade, onde vários geradores relativamente pequenos estavam ligados a um barramento comum. No entanto, com o rápido crescimento no tamanho dos geradores e o aumento nos níveis de corrente de falha do sistema, as capacidades de interrupção deste tipo de equipamento de distribuição foram rapidamente superadas. Posteriormente, o conceito unitário foi adotado, onde cada gerador tinha um sistema auxiliar de fornecimento de vapor independente, diretamente conectado a um transformador de elevação de tensão e a um ou mais disjuntores de alta tensão.
Ao comparar com a conexão unitária, o uso de disjuntores de gerador para comutar geradores em sua tensão terminal oferece numerosas vantagens:
Operações Simplificadas: Simplifica os procedimentos operacionais, reduzindo a complexidade e o potencial de erro humano durante tarefas de comutação relacionadas ao gerador.
Proteção Aumentada: Oferece proteção aprimorada para o gerador, bem como para os transformadores principais e unitários, protegendo esses componentes críticos contra falhas elétricas e sobretensões.
Confiabilidade Aumentada: Aumenta a segurança do sistema de geração de energia e melhora significativamente a disponibilidade geral da usina, minimizando o tempo de inatividade e maximizando a produção de energia.
Ganhos Econômicos: Também traz vantagens econômicas, como custos de manutenção reduzidos e eficiência operacional de longo prazo melhorada.
Os requisitos-chave para o layout elétrico das usinas de energia podem ser resumidos da seguinte forma:
Transferência Eficiente de Energia: Transferir a energia elétrica gerada do gerador para o sistema de transmissão de alta tensão (HV), levando em consideração as necessidades operacionais, bem como fatores relacionados à disponibilidade, confiabilidade e viabilidade econômica.
Fornecimento Confiable de Energia Auxiliar: Garantir o fornecimento de energia elétrica para sistemas auxiliares e de serviço da estação, que é crucial para manter a operação segura e confiável da usina de energia.
A Figura 1 ilustra exemplos de layouts de usinas de energia que utilizam um disjuntor de gerador para conectar o gerador ao transformador principal, demonstrando como esses disjuntores são integrados na configuração elétrica geral da usina de energia.
Os disjuntores de gerador desempenham um papel crucial e multifacetado nos sistemas de energia, cumprindo uma variedade de deveres operacionais essenciais:
Sincronização com o Sistema de HV: São responsáveis por sincronizar o gerador com a tensão do sistema no nível de alta tensão (HV). Isso garante uma conexão sem costuras entre a saída do gerador e a rede, facilitando a transferência eficiente de energia elétrica.
Desconexão do Sistema de HV: Permitem a separação de geradores do sistema de HV, o que é particularmente útil ao desligar geradores não carregados ou levemente carregados. Esta operação ajuda a manter a estabilidade e a segurança da rede de energia.
Interrupção de Corrente de Carga: Esses disjuntores são capazes de interromper correntes de carga, com a capacidade de lidar com até a corrente total de carga dos geradores. Esta funcionalidade é vital para a operação normal e a gestão de carga dentro da usina de energia.
Interrupção de Curto-Circuito Alimentado pelo Sistema: Podem interromper curtos-circuitos alimentados pelo sistema, protegendo o gerador e outros componentes dos efeitos potencialmente danosos do fluxo excessivo de corrente causado por falhas no sistema.
Interrupção de Curto-Circuito Alimentado pelo Gerador: Da mesma forma, são projetados para interromper curtos-circuitos alimentados pelo gerador, protegendo o próprio gerador de falhas internas e garantindo sua operação segura contínua.
Interrupção de Corrente Fora de Fase: Os disjuntores de gerador podem lidar com a interrupção de corrente em condições fora de fase, com a capacidade de gerenciar até um ângulo fora de fase de 180°. Este recurso é crucial para manter a estabilidade do sistema durante condições operacionais anormais.
Sincronização em Usinas de Armazenamento Bombeável (Modo Motor): Em usinas de armazenamento bombeável, quando o gerador-motor é iniciado no modo motor, o disjuntor é usado para sincronizar a máquina com o sistema de HV. Existem diferentes métodos de sincronização disponíveis, como o uso de um conversor de frequência estático (SFC) ou partida em paralelo.
Manuseio de Corrente de Partida em Usinas de Armazenamento Bombeável (Modo Motor): Quando o gerador-motor é iniciado no modo motor com partida assíncrona em usinas de armazenamento bombeável, o disjuntor fecha e interrompe a corrente de partida, garantindo um processo de partida suave e controlado.
Interrupção de Corrente de Curto-Circuito de Baixa Frequência: Em usinas de turbinas a gás, ciclo combinado e armazenamento bombeável, dependendo do suprimento de partida, o disjuntor pode interromper correntes de curto-circuito alimentadas pelo gerador em frequências abaixo de 50/60 Hz, adaptando-se aos requisitos específicos desses sistemas de geração de energia.
Existem múltiplos abordagens de sincronização em usinas de armazenamento bombeável.
Esquema de Partida com Conversor de Frequência Estático (SFC): Este esquema consiste principalmente em um conversor de tiristores conectado a um transformador unitário no lado de alta tensão (HV) e um inversor ligado ao gerador. O inversor inicia a operação do gerador a partir de uma baixa frequência de potência e gradualmente aumenta-a até a frequência nominal de potência. Uma vez que o gerador é excitado para produzir energia, pode haver uma diferença de ângulo de fase entre sua saída e a da rede. No momento em que a diferença de fase entre o gerador e a rede de HV é minimizada, o gerador é sincronizado com a rede de HV usando um disjuntor de gerador ou um disjuntor de HV.
Esquema de Partida em Paralelo: Em uma usina com múltiplos geradores, pode-se empregar um esquema de partida em paralelo. A energia gerada por um gerador operando em condições nominais é utilizada para iniciar um gerador parado até a frequência nominal de potência. Subsequentemente, o gerador é sincronizado com a rede de HV usando um disjuntor de gerador ou um disjuntor de HV.
De acordo com o padrão IEC/IEEE 62271-37-13, o ciclo de trabalho de curto-circuito nominal de um disjuntor de gerador é especificado como consistindo de duas unidades de operação, com um intervalo de 30 minutos entre cada operação. O ciclo de trabalho é representado como "CO – 30 minutos – CO", o que significa duas interrupções completas de curto-circuito, com um intervalo de 30 minutos entre cada evento de fechamento de curto-circuito.Este design é especificamente destinado a proteger usinas de energia e geradores. Realizar duas operações consecutivas de fechamento-abertura durante um curto-circuito completo poderia potencialmente causar danos ao gerador e aos transformadores de elevação de tensão.
Esses tipos de curtos-circuitos são altamente improváveis, e também é muito improvável que um gestor de usina tente fechar o circuito novamente apenas 30 minutos após um evento de curto-circuito completo.
O intervalo de 30 minutos entre duas operações é essencial para restaurar as condições iniciais do disjuntor e evitar o aquecimento excessivo de seus componentes. Deve-se notar que este intervalo de tempo pode variar dependendo do tipo específico de operação e das características do disjuntor de gerador.
