SEL 0354 Proteção de Geradores Síncronos

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1 SEL 0354 Proteção de Geradores Síncronos Aula 6 Docente: Prof. Titular Denis Vinicius Coury Colaborador: Rodrigo Pavanello Bataglioli 29/09/16

2 Conteúdo da aula Introdução Filosofias Simulações Atividade Proposta Agendamento de Visita 29/09/16 2

3 Introdução Importância da energia elétrica; Sistema Elétrico de Potência (SEP); Condições anormais de operação; Proteção dos componentes do SEP; Geradores Síncronos (GS); Guia IEEE Std C Relés digitais de proteção; Relé comercial G30 fabricado pela GE; Geração a vapor, a gás ou hidráulica; Geradores de pequeno e médio porte. 29/09/16 3

4 Introdução A maior parte dos geradores em operação são síncronos; As turbinas de usinas hidrelétricas trabalham em baixa velocidade; Elevado número de polos; Polos salientes. As turbinas de usinas termoelétricas trabalham em alta velocidade; Baixo número de polos; Polos lisos. 29/09/16 4

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7 Proteção contra sobreaquecimento do estator: Falha no sistema de refrigeração; Falha no isolamento: Entre lâminas do núcleo; Entre enrolamentos. Sobrecorrente: Curva de suportabilidade térmica do estator: Sobrecarga; Curto-circuito. Sensores térmicos. 29/09/16 7

8 Sobrecorrente: 29/09/16 8

9 Tempo definido: Tempo inverso: 29/09/16 9

10 Curvas inversas de atuação: IEC (International Electrotechnical Commission ); IAC (General Electric type ); IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). 29/09/16 10

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14 Proteção contra sobreaquecimento do rotor: Enrolamento de campo; Curva de suportabilidade térmica do enrolamento de campo. Estrutura mecânica do rotor: Corrente de sequência negativa; Perda de excitação; Perda de sincronismo. 29/09/16 14

15 Correntes desbalanceadas: Fontes: Linhas não transpostas; Cargas desbalanceadas; Faltas assimétricas; Fase aberta. Curva de suportabilidade: I 2 2 t < K e I 2 < I 2,máx K e I 2,máx dependem do tipo do gerador. Informado pelo fabricante; Valores típicos no Guia IEEE Std C /09/16 15

16 Correntes desbalanceadas: Curva de atuação: I 2 > I 2,máx I 2 2 t > Fator K Deslocamento da curva de suportabilidade. Valor típico de 20%, ou seja, Fator = 0,80. 29/09/16 16

17 Correntes desbalanceadas: Consequência: Torque oscilante em Máquinas Síncronas (MSs): Vibrações mecânicas:» Desgaste mecânico;» Aumento da temperatura;» Redução na vida útil da máquina. Situação crítica: Danos permanentes. 29/09/16 17

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19 Corrente de sequência negativa [pu] Filosofias Correntes desbalanceadas: Curva de atuação da Proteção (46) Curva de suportabilidade de MS com K= Tempo [s] 29/09/16 19

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21 Correntes desbalanceadas: Componentes harmônicas? Cálculo da componente de sequência negativa: I 2 = 1 3 I a + a 2 I b + a I c Quais frequências estão inclusas no cálculo? Frequência única; O relé de proteção digital extrai da DFT apenas a frequência fundamental. 29/09/16 21

22 Correntes desbalanceadas: Fontes: Fornos elétricos a arco; Inversores; Retificadores de n pulsos; h = ±1 + k n, com k = 1, 2,. Equipamentos eletrônicos. Os geradores estão sujeitos a tais condições de operação? Geração distribuída. 29/09/16 22

23 Corrente [A] Filosofias Correntes desbalanceadas: I 2 vista pelo relé para FD V = 1,1% I 2 vista pelo relé para DHT V = 6,6% Limite de I 2 do GSD em RP Tempo [s] Resultados após aplicação de falta FT no barramento 807 com R f = 120 Ω. 29/09/16 23

24 Corrente [pu] Torque elétrico [pu] Filosofias Correntes desbalanceadas: Corrente no campo para FD 1.5 V = 1,1% Corrente no campo para DHT V = 6,6% Torque elétrico para FD V = 1,1% Torque elétrico para DHT V = 6,6% Tempo [s] Tempo [s] Resultados após aplicação de falta FT no barramento 807 com R f = 120 Ω. 29/09/16 24

25 Perda de excitação: Causas: Abertura acidental do disjuntor de campo (circuito de campo aberto); Falha no sistema de excitação. Proteção: Curto-circuito na bobina de campo (tensão de campo nula). Baseia-se no comportamento da impedância aparente. 29/09/16 25

26 Perda de excitação: 29/09/16 26

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28 Perda de sincronismo: Função não disponível no relé G30. 29/09/16 28

29 Proteção para faltas no circuito do estator: Causas: Falha no isolamento dos enrolamentos. Funções: Diferencial; Sobretensão de neutro; Desbalanço de tensão. Aterramento? 29/09/16 29

30 Formas de aterramento: O método de aterramento determina o tipo de proteção fase-terra que será empregada; Existem inúmeras maneiras de aterrar um gerador: Não aterrado; Solidamente aterrado; Aterramento de alta impedância; Aterramento com transformador; Aterramento de baixa impedância. 29/09/16 30

31 Não aterrado: Uma falta fase-terra desloca o neutro; Corrente de falta fase-terra inferior a 10 A; Não é muito empregado. Aterramento de alta impedância: Limita a corrente de falta fase-terra; O transformador possibilita utilizar resistores mais baratos. Isolação; Resistência. 29/09/16 31

32 Aterramento de baixa impedância: Emprega um resistor ou reator conectado diretamente entre o neutro do gerador e o terra; Corrente de falta fase-terra varia de 100 A ao valor da corrente de falta trifásica. Utilizado quando diversos geradores estão conectados a um transformador elevador comum ou quando conectado diretamente ao sistema de distribuição. Solidamente aterrado: A corrente de falta fase-terra pode ser maior que a falta trifásica. Limitada pela impedância de sequência nula. 29/09/16 32

33 Diferencial: 29/09/16 33

34 Diferencial: Limitações: Saturação de TCs; Aterramento; Alta impedância:» Sobretensão de neutro (sensível a componente fundamental). Detecta faltas que envolvem pequenas porções do enrolamento; 2 a 5%. Não protege 100% do enrolamento; Proteção de subtensão de 3º Harmônico. Não protege contra curto-circuito entre espiras de um enrolamento; Geradores de dois enrolamentos; Desbalanço de tensão. 29/09/16 34

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36 Sobretensão de neutro: 29/09/16 36

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38 Desbalanço de tensão: 29/09/16 38

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40 Proteção para faltas no circuito do rotor: O enrolamento de campo não é aterrado; Caso ocorra uma falha na isolação do enrolamento, o corpo do rotor será energizado com um potencial dependente da localização da falha; Isso não causa nenhum dano. Porém, caso ocorra outra falha de isolação em outra parte do enrolamento, uma porção da bobina de campo será curto-circuitada. Causando desequilíbrio no fluxo no entreferro; O grau de desequilíbrio depende da localização e da extensão do enrolamento curto-circuitado; Causa vibração no conjunto mecânico do rotor; Danos mecânicos; Contato entre o rotor e estator. 29/09/16 40

41 Proteção para faltas no circuito do rotor: Uma fonte de corrente contínua em série com um relé de sobretensão é conectada ao negativo da bobina de campo e o terra; Uma escova faz a conexão do eixo do rotor com o terra; Caso ocorra alguma falha na isolação e a bobina de campo entre em contato com o eixo, o relé atuará. Um atraso na atuação deve ser inserido, devido a possível falha de comutação de um tiristor do circuito da excitatriz. 29/09/16 41

42 Proteção para faltas no circuito do rotor: A tensão sobre o relé será máxima caso a falha ocorra nas extremidades do enrolamento; O meio da bobina é um ponto de equilíbrio, pois não apresentará tensão sobre o relé; Para resolver este problema emprega-se um resistor não-linear que muda o ponto nulo do ramo resistivo de acordo com a tensão (varistor). 29/09/16 42

43 Proteção para faltas no circuito do rotor: Em geradores brushless não é possível ter acesso a tensão de excitação; O curto-circuito entre a bobina de campo e o eixo elimina a capacitância paralela entre o enrolamento e o eixo; O desequilíbrio da ponte faz surgir uma tensão sobre o relé; A proteção é sensibilizada; A adição da escova piloto contradiz as vantagens dos geradores brushless. 29/09/16 43

44 Proteção para faltas no circuito do rotor: Para proteger o campo das máquinas brushless sem o uso da escova piloto, emprega-se o uso de LED e fotodectores; O transmissor é montado junto a ponte de diodos; Um dos terminais é ligado ao negativo da bobina de campo e outro ao terra (eixo); O LED fica aceso para condições normais; O receptor fica estacionário. 29/09/16 44

45 Proteção para faltas no circuito do rotor: Técnica baseada na injeção de uma onda quadrada de baixa frequência; A forma de onda do sinal de retorno é medida e a resistência de isolação é estimada; A frequência é ajustada de acordo com a capacitância do enrolamento de campo (0,1 1,0 Hz); Valores típicos: 20 kω (alarme) e 5 kω (trip); A deterioração da isolação pode ser monitorada. 29/09/16 45

46 Proteção para condições anormais de operação: Motorização; Sobre-excitação; Sobretensão; Subtensão; Alteração da frequência. 29/09/16 46

47 Motorização: Caso o gerador perca sua fonte motriz, ele se comportará como: Motor síncrono: Se a alimentação de campo for mantida; Movimentando todo o arranjo mecânico na velocidade síncrona; Danificando as turbinas e/ou o eixo. Motor de indução: Se a alimentação de campo for retirada. O gerador funcionará como motor pois está acoplado ao sistema que o alimentará. 29/09/16 47

48 Motorização: O conjunto mecânico será danificado, e não o gerador; A proteção elétrica é feita pelo relé direcional de potência; Esse relé detecta a inversão do fluxo de potência nos terminais do gerador. Para evitar atuações indevidas por inversão temporária de potência ativa, como na sincronização da máquina com o SEP, a proteção é temporizada. 29/09/16 48

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50 Sobre-excitação: Os geradores necessitam de um campo magnético interno para operar; O circuito de campo é projetado para fornecer o fluxo magnético necessário para dada potência; A sobre-excitação ocorre quando o gerador opera com fluxo magnético maior que o valor previsto em projeto. Como medir? 29/09/16 50

51 Sobre-excitação: É difícil medir a magnitude do fluxo no estator, mas pode ser quantificada em termos de Volts/Hertz; A tensão de saída do gerador é função da taxa de variação do fluxo e do número de espiras do enrolamento. Exemplo: Tensão nominal (1 pu) e 95% da frequência nominal: 1,0/0,95 = 1,05 pu. Ajuste entre 5 a 20% da relação Volts/Hz nominal. 29/09/16 51

52 Sobre-excitação: Causas: Durante a partida e parada do gerador a frequência é menor que a nominal, caso a tensão não seja reduzida durante estes eventos, observa-se a sobre-excitação; Ex.: regulador automático de tensão ligado no momento da partida da máquina. Perda da tensão de saída do gerador para o regulador de tensão. 29/09/16 52

53 Sobre-excitação: Possíveis danos: As correntes de fuga variam: Linearmente com o fluxo; Quadraticamente com a frequência. As correntes induzidas na laminação do estator criam um gradiente de tensão entre as lâminas, suficiente para a ruptura da isolação entre as mesmas. O efeito pode se agravar e levar à danificação do estator. 29/09/16 53

54 Sobre-excitação: Outras consequências: Saturação do núcleo; Distorção da forma de onda de tensão; Aumento das perdas e aquecimento do estator. 29/09/16 54

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56 Sobretensão e subtensão: A sobretensão pode ocorrer sem que necessariamente o limite V/Hz da máquina seja excedido; Rejeição de carga: sobretensão e sobre-velocidade do rotor. Por outro lado, a operação de geradores com tensão terminal abaixo da tensão mínima (0,95 pu) pode provocar efeitos indesejáveis: Consumo excessivo de potência reativa da rede; Redução do limite de estabilidade. Ajustes típicos: Sobretensão: 5 s para 1,1 pu e 0,5 s para 1,3 pu. Subtensão: 5 s para 0,9 pu e 0,5 s para 0,75 pu. 29/09/16 56

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59 Alteração da frequência: A operação em frequências diferentes de 60 Hz, são geralmente consequência de eventos no sistema elétrico: Sobre-frequência: Resultado do excesso de geração; Não traz grandes problemas, pois é facilmente corrigida pela diminuição da potência de saída. Sub-frequência: Resultado do déficit de geração; Não pode ser corrigido localmente.» Rejeição de carga. 29/09/16 59

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61 Simulações Esquema de Simulação: RTDS: Passo de integração: 50 µs Saídas analógicas: sinais elétricos de ±10V Relé digital: Entradas: ± 115 V e ± 5 A 29/09/16 61

62 Simulações RSCAD: Demais ambientes do RSCAD: Cbuilder; Cable; Multiplot; Tline. 29/09/16 62

63 Simulações Modelar SEP no RSCAD: 29/09/16 63

64 Simulações Criação das contingências: 29/09/16 64

65 Simulações Proteções parametrizadas: Dependência: Tipo de máquina; Potência nominal. 29/09/16 65

66 Simulações Perda de excitação (40): Falta aplicada: Curto-circuito no sistema de excitação: Tensão de campo nula. Ajuste zona instantânea: Diâmetro = Z B sec = 18,81 Ω Offset = X d sec 2 = - 2,44 Ajuste zona temporizada (0,5 s): Diâmetro = X d sec = 39,87 Ω Offset = X d sec 2 = - 2,44 29/09/16 66

67 Simulações Diferencial (87): Falta aplicada: Curto-circuito interno fase-terra: Posição = 95 % R aterramento = 1 Ω R falta = 1 Ω Incidência = 0º Ajustes: Pickup = 0,20 pu Slope 1 = 15 % Break 1 = 1,15 pu Break 2 = 8 pu Slope 2 = 50 % 29/09/16 67

68 Simulações Diferencial (87): Falta aplicada: Curto-circuito interno fase-terra: Posição = 5 % R aterramento = 1 Ω R falta = 1 Ω Incidência = 45º Ajustes: Pickup = 0,20 pu Slope 1 = 15 % Break 1 = 1,15 pu Break 2 = 8 pu Slope 2 = 50 % 29/09/16 68

69 Sobretensão de neutro (59G): Simulações Falta aplicada: Curto-circuito interno fase-terra: Posição = 5 % R aterramento = 1 Ω R falta = 1 Ω Incidência = 45º Ajustes: Pickup = 0,02 pu Delay = 0,5 s 29/09/16 69

70 Motorização (32): Falha na fonte motriz: Torque nulo. Ajuste: Pickup = -0,05 pu Delay = 0,25 s Simulações 29/09/16 70

71 Atividade Proposta Desenvolver um algoritmo de proteção contra perda de excitação. Adicionalmente, apresentar o cálculo do respectivo ajuste para um gerador com potência nominal de 234 MVA, tensão nominal de 18 kv, reatância síncrona de eixo direto X d = 2,12 pu e reatância transitória de eixo direto X d = 0,26 pu. As relações de transformação dos transformadores de tensão (TPs) e corrente (TCs) do sistema de medição são iguais a 12700:115 e 1500, respectivamente. Os valores dos ajustes devem ser apresentados em Ω refletido ao secundário do sistema de medição. 29/09/16 71

72 Agendamento de Visita Objetivos: Conhecer a estrutura do LSEE; Ter contato com o equipamento RTDS; Familiarizar-se com o software RSCAD. 29/09/16 72

73 Bibliografia 1) BATAGLIOLI, R. P. Relé Universal baseado na Plataforma PC104 Aplicado na Proteção de Geradores Síncronos. Dissertação (Trabalho de Conclusão de Curso) Escola de Engenharia de São Carlos EESC/USP, ) BLACKBURN, J. L.; DOMIN, T. J. Protective Relaying - Principles and Applications. Third edition. Boca Raton: Taylor & Francis Group, ) CAMINHA, A. C. Introdução à Proteção dos Sistemas Elétricos. São Paulo - SP - Brasil: Planimpress Gráfca e Editora, ) COMMITTEE, P. S. R. IEEE Guide for AC Generator Protection - Redline. IEEE Std C (Revision of IEEE Std C ) - Redline, p , ).IEEE Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants. IEEE Std C (Revision of ANSI/IEEE C ), p. 1 34, ).IEEE Guide for Generator Ground Protection - Redline. IEEE Std C (Revision of IEEE Std C /Incorporates IEEE Std C /Cor1:2007) - Redline, p. 1 91, Nov ) KINDERMAN, G., Proteção de sistemas elétricos de potência. 1ª Edição, vol.3, ) MONARO, R. M. Lógica Fuzzy Aplicada na Melhoria da Proteção Digital de Geradores Síncronos. Tese (Doutorado) Escola de Engenharia de São Carlos - USP, ) MOTTER, D. Modelagem Computacional de Funções de Proteção Baseadas em Medidas de Frequência para Detecção de Ilhamento de Geração Distribuída. 167 p. Dissertação (Mestrado) Universidade de São Paulo, ) MOURINHO, F. A. ; FERNANDES, R. A. S. ; OLESKOVICZ, M. ; VIEIRA JUNIOR, J. C. M., Análise de geradores síncronos distribuídos conectados a sistemas com distorções harmônicas de sequência negativa. In: 11th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications (INDUSCON). Juiz de Fora, ) REIMERT, D. Protective Relaying for Power Generation System. Boca Raton - Florida - USA: CRC Press, /09/16 73

74 Obrigado! 29/09/16