Solução Completa de Proteção Baseada em Microprocessador para Grandes Geradores

1. Visão Geral

Com os sistemas de energia a evoluir para parâmetros mais elevados, maiores capacidades e estruturas de rede mais complexas, a operação segura e estável das unidades de geração é crucial para a fiabilidade geral da rede. Os dispositivos de proteção relé tradicionais enfrentam desafios como zonas cegas e insuficiente sensibilidade ao lidar com falhas internas complexas dos geradores. Esta solução aproveita a tecnologia avançada de proteção baseada em microprocessador, integrando informações de múltiplas fontes e algoritmos inteligentes para fornecer um sistema de proteção rápido, confiável e abrangente para grandes geradores (por exemplo, unidades térmicas, nucleares e hidroelétricas). Visa eliminar completamente as zonas cegas de proteção e garantir a segurança dos ativos de geração de energia.

2. Desafios Principais

Os grandes geradores enfrentam múltiplas ameaças de falhas internas durante a operação, incluindo:

• ​Falhas na Bobina do Estator: curtos-circuitos entre fases, curtos-circuitos entre espiras e falhas a terra. Especificamente, os curtos-circuitos entre espiras apresentam correntes de falha iniciais baixas, tornando-os difíceis de detectar com a proteção diferencial transversal tradicional devido às zonas cegas inerentes.
• ​Falhas no Circuito do Rotor: falhas a terra em um ponto, falhas a terra em dois pontos e circuitos abertos ou curtos no circuito de excitação. Embora uma falha a terra em um ponto possa permitir a continuação da operação, a sua progressão para uma falha a terra em dois pontos pode causar assimetria magnética e vibrações severas da unidade.
• ​Condições Operacionais Anormais: potência reversa, perda de excitação, sobre-excitação, sobretensão e anomalias de frequência. Embora não sejam falhas instantâneas, essas condições podem danificar severamente o gerador ou ameaçar a estabilidade da rede.

3. Solução Detalhada

A nossa solução de proteção baseada em microprocessador adota uma arquitetura hierárquica distribuída. O relé de proteção central integra uma plataforma de processamento de hardware robusta com algoritmos de proteção maduros, conforme detalhado abaixo:

3.1 Para Curtos-Circuitos Entre Espiras do Estator: Proteção Composta Multi-Critério

Para abordar a insensibilidade da proteção diferencial transversal tradicional aos curtos-circuitos entre espiras na mesma fase, esta solução utiliza um algoritmo de decisão de fusão multi-critério, melhorando significativamente a detecção de confiabilidade e sensibilidade.

• ​Princípios Técnicos:
• Critério de Direção de Potência de Sequência Negativa: Monitoriza a corrente e tensão de sequência negativa nos terminais do gerador para calcular a direção da potência de sequência negativa. As falhas internas assimétricas (por exemplo, curtos-circuitos entre espiras) geram uma fonte de sequência negativa, com a direção da potência fluindo do gerador para o sistema, permitindo a detecção precisa de falhas internas.
• Critério de Variação de Tensão Harmônica de Terceira Ordem: Acompanha a razão de amplitude e a diferença de fase entre as tensões harmônicas de terceira ordem neutra e terminal. Os curtos-circuitos entre espiras perturbam o padrão inerente de distribuição de tensões harmônicas de terceira ordem, ao qual este critério é altamente sensível.
• Critério de Tensão de Deslocamento do Ponto Neutro: Serve como um reforço auxiliar para melhorar a confiabilidade.
• ​Vantagens de Desempenho:
• Alta Sensibilidade: Capaz de detectar curtos-circuitos entre espiras tão baixos quanto 0,5%.
• Operação Rápida: Tempo total de operação inferior a 20 ms, limitando significativamente o dano da falha.
• Alta Confiabilidade: Vários critérios interligados ou operando em paralelo para prevenir mal funcionamento e evitar falhas de operação.
• ​Estudo de Caso: Após a implementação num gerador a carvão de 500MW, a solução alcançou 98% de sensibilidade na detecção de curtos-circuitos entre espiras, prevenindo com sucesso acidentes graves de queima causados por defeitos menores de isolamento.

3.2 Para Proteção 100% Contra Falhas a Terra no Estator: Posicionamento de Fusão de Duas Tecnologias

A proteção de tensão zero-sequence fundamental tradicional exibe zonas cegas próximas ao ponto neutro. Esta solução combina duas tecnologias maduras para alcançar 100% de cobertura de proteção desde os terminais até o ponto neutro.

• ​Princípios Técnicos:
• Zona Convencional (85–95%): Utiliza o método de razão de tensão harmônica de terceira ordem para proteger a maioria da bobina do estator do ponto neutro em direção aos terminais.
• Compensação de Zona Cega (Próximo ao Ponto Neutro, 5–15%): Emprega proteção contra falhas a terra no estator baseada em injeção. Um sinal de tensão de baixa frequência (20Hz ou 12,5Hz) é injetado no circuito do rotor, e as alterações na corrente de injeção são monitoradas para calcular com precisão a resistência de isolamento e a localização da falha, eliminando completamente as zonas cegas próximas ao ponto neutro.
• ​Vantagens de Desempenho:
• 100% de Cobertura: Sem zonas cegas, garantindo proteção completa da bobina do estator.
• Localização Precisa: Localiza com precisão as falhas a terra para manutenção direcionada.
• ​Estudo de Caso: Em uma usina nuclear, a solução localizou com sucesso uma falha a terra a apenas 3% do ponto neutro, com menos de 1% de erro, permitindo manutenção planejada e evitando interrupções não programadas.

3.3 Para Saúde do Circuito do Rotor: Monitoramento Dinâmico e Alerta Precoce

As falhas no circuito do rotor, especialmente diodos rotativos abertos, são perigos ocultos comuns. Esta solução muda de "proteção pós-falha" para "alerta pré-falha" através do monitoramento em tempo real.

• ​Princípios Técnicos:
• Transformadores de corrente (TCs) de alta frequência ou módulos de monitoramento dedicados instalados nas escovas coletoras recolhem ondas de corrente de excitação em tempo real.
• Algoritmos embutidos realizam análise harmônica FFT (Transformada Rápida de Fourier) na corrente.
• Diodos rotativos abertos causam distorção severa da onda de corrente de excitação, aumentando significativamente as harmônicas características (por exemplo, a quinta harmônica).
• ​Vantagens de Desempenho:
• Alerta Precoce: Emissões de alertas com base no conteúdo harmônico excedendo limiares (por exemplo, a quinta harmônica excedendo 8%), promovendo verificações de manutenção na ponte retificadora rotativa antes que as falhas ocorram.
• Prevenção de Escalada: Alertas oportunos prevenem acidentes graves, como danos de isolamento devido à perda de corrente de excitação e superaquecimento do rotor.
• Manutenção Baseada em Condição: Fornece dados críticos para manutenção preditiva.

4. Resumo e Valor

Esta solução de proteção baseada em microprocessador integra tecnologia avançada de sensores, algoritmos de processamento de sinais e tomada de decisão inteligente multi-critério para abordar os pontos de dor tradicionais na proteção de geradores:

• Elimina as zonas cegas de proteção, alcançando 100% de cobertura para curtos-circuitos entre espiras e falhas a terra no estator.
• Transforma a proteção pós-falha em alerta pré-falha, prevenindo efetivamente falhas através do monitoramento dinâmico do rotor.
• Validada por casos reais, a solução oferece alta sensibilidade, velocidade e confiabilidade, atendendo aos requisitos de segurança de grandes e mega geradores (500MW e acima).