Geradores

O funcionamento de um alternador pode ser alterado tanto devido a defeitos próprios à máquina como por perturbações de origem exterior, que se produzem na rede à qual ele se encontra ligado.

A protecção de um alternador deverá portanto ser concebida de modo a reagir eficazmente tanto num caso como no outro.

É no entanto evidente, que o número e tipo de relés de protecção instalados, será função não apenas das características da máquina:

• potência
• tipo de força motriz
• corrente de curto-circuito em regime permanente
• regime de neutro
• localização da ligação à terra
• funcionamento isolado ou em paralelo

mas também de factores económicos tais como o custo da protecção em relação ao custo da máquina e dos eventuais prejuízos resultantes dos períodos de inactividade.

Por esta razão, o presente guia analisa por um lado, as diferentes anomalias que possam perturbar o funcionamento de um alternador e o tipo de relés a utilizar em cada um destes casos (fazendo a distinção em função da potência da máquina sempre que tal se impunha), e por outro lado, os esquemas representativos de dois casos específicos de máquinas de utilização corrente em complexos industriais:  

• um grupo diesel-alternador de algumas centenas de kVA  
• um grupo turbo-alternador de algumas dezenas de MVA.

I - PROTECÇÃO CONTRA OS DEFEITOS EXTERIORES

Quando se dá um curto-circuito aos bornes de um alternador de pólos lisos, produzem-se os fenómenos que a seguir se descrevem de modo aproximado:

• nos primeiros instantes, as correntes estatóricas são apenas limitadas pela impedância subtransitória X"d , isto durante uma duração definida pela constante de tempo T"d (determinada principalmente pelos circuitos amortecedores).

• alguns ciclos depois do início do curto-circuito, estando o regime nos circuitos amortecedores estabelecido, as correntes são limitadas pela impedância transitória X'd e decresce ao ritmo fixado pela constante de tempo transitória T'd , para se estabelecer a uma amplitude permanente determinada pelo valor da força electromotriz interna E e pela impedância síncrona de eixo directo Xd.

Assim, inicialmente igual a cerca de uma dezena de vezes a intensidade nominal In , a amplitude das correntes de curto-circuito decresce para se estabilizar a um valor geralmente inferior a In, devido ao elevado valor da impedância síncrona Xd. A intervenção dos reguladores de tensão permite algumas vezes manter a corrente permanente de defeito em valores superiores à corrente nominal.

Este tipo de defeito pode ser detectado por um relé de impedância ou, de preferência, por um relé de máximo de intensidade dum tipo particular, capaz de actuar apesar do decrescimento da corrente de defeito, continuando a apresentar durante o funcionamento normal da máquina um nível de disparo e uma temporização compatíveis com a selectividade imposta pelas protecções a jusante.

Os relés da série ITV 7000 satisfazem estas exigências, possuindo duas unidades de máximo de intensidade cujos níveis de disparo diminuem automaticamente no caso de um abaixamento da tensão aos terminais da máquina (ver publicação 1796).

O tem uma característica de tempo independente, enquanto que os , e têm respectivamente características de tempo inverso, muito inverso e extremamente inverso). No intuito de realizar uma protecção de socorro em caso de um curto-circuito aos terminais de um gerador com excitação manual ou excitação shunt, os relés ITV 7x66 possuem ainda uma unidade de mínimo de tensão temporizada inicializada com o aparecimento do curto-circuito.

Nos casos particulares onde a corrente permanente de curto-circuito do alternador se mantém a um valor nitidamente superior a In, poderá ser utilizado um relé de máximo de intensidade clássico do tipo (tempo independente) ou, se a selectividade com as protecções a jusante o justificar, um relé de tempo dependente :

• Inverso
• Muito inverso
• Extremamente inverso
• Pouco inverso

II - PROTECÇÃO CONTRA AS SOBRECARGAS

As sobrecargas provocam um aquecimento anormal dos circuitos estatóricos, devendo ser eliminadas antes se produzam temperaturas perigosas para a máquina.

Em função da potência do alternador, a protecção contra sobrecargas poderá ser assegurada por um relé de máximo de intensidade, um relé de imagem térmica ou por sondas de temperatura.

Para os grupos de algumas centenas de kVA, o ITV 7x66 (ou ITG 7x66) assegurará simultaneamente a protecção contra sobrecargas através do seu nível baixo - regulado por exemplo a 1,15 In e temporizado a alguns segundos (para deixar passar os picos de corrente que se possam produzir em exploração normal) - e a protecção contra os defeitos entre fases exteriores à máquina ou as fortes sobrecargas através do seu nível alto regulado a cerca de 2 In e temporizado a algumas centenas de milisegundos.

Nos turbo-alternadores de potências mais elevadas, torna-se preferível a utilização de um relé de imagem térmica do tipo . Este relé multifunções possui ainda uma protecção simples contra o funcionamento em regime desequilibrado.

Nos grupos de potência superior a 2 MVA, a protecção de sobrecargas realizada pelo será duplicada por uma medida directa da temperatura através de sondas de temperatura embebidas nos enrolamentos estatóricos e ligadas a um relé . O relé assegura o controle permanente de seis pontos de temperatura (ou um nível de alarme e um nível de disparo, quando ligado a três sondas).

Quando a máquina é igualmente equipada com sondas de temperatura ao nível dos rolamentos, o controle será efectuado por um relé suplementar, do tipo (ver notícia 1732).

III - PROTECÇÃO CONTRA OS DESEQUILÍBRIOS

Os alternadores concebidos para alimentar cargas equilibradas apenas suportam em permanência uma pequena taxa de desequilíbrio, devendo ser isolados da rede se essa taxa atingir um valor demasiado elevado.

A protecção de máximo de corrente inversa pode ser assegurada, no caso dos alternadores de fraca potência, pelo relé , que além da sua unidade de imagem térmica alimentada por uma combinação das correntes directa e inversa, possui uma unidade de corrente inversa de característica de tempo inverso.

Para os alternadores de forte potência nominal, torna-se necessária a utilização de um relé de máximo de corrente inversa do tipo , cuja característica tempo-corrente tem aproximadamente a forma:

Ii² t = K (constante)

A regulação do nível de disparo (a partir de 8% de In) assim como o tipo de característica permite adaptar da melhor maneira a protecção à capacidade dos alternadores em suportar os desequilíbrios de corrente, tal como definido nas normas em vigor.

O possui ainda uma unidade de alarme regulável entre 50% e 100% do valor regulado na unidade de tempo inverso.

IV - PROTECÇÃO CONTRA O RETORNO DE POTÊNCIA

Em princípio, quando um alternador funciona em paralelo com outras fontes deve, segundo as condições dadas pelo construtor, ser protegido contra uma eventual marcha como motor através de um relé de retorno de potência activa.

A potência necessária para que um alternador funcione como motor, pode variar desde valores da ordem de 1 a 3% da potência nominal no caso dos grupos accionados por turbinas a vapor, até cerca de 25% para o caso de grupos Diesel. Por esta razão, é utilizado um relé do tipo .

O funcionamento destes relés é normalmente temporizado de alguns segundos de modo a evitar eventuais disparos intempestivos devidos a fenómenos transitórios durante a sincronização, ou após a eliminação de um defeito na instalação.

V - PROTECÇÃO CONTRA AS VARIAÇÕES DE FREQUÊNCIA

Particularmente no caso dos alternadores de elevada potência, é necessário detectar um aumento da velocidade da máquina devido ao seu desacoplamento da rede ou a um deslastre, o qual poderá ser perigoso devido às solicitações mecânicas a que fica sujeito o rotor.

Esta função pode ser realizada por um relé de máximo de frequência do tipo , o qual possui ainda uma unidade de mínimo de frequência, que pode ser utilizada, por exemplo, para comandar um deslastre.

VI - PROTECÇÃO CONTRA AS PERTURBAÇÕES DE TENSÃO

Quando a protecção de máximo de intensidade é realizada por relés clássicos, cujo nível de disparo não é reduzido em função da tensão, e quando existirem motores de indução directamente ligados aos terminais da máquina (bombas de circulação,…), deverá ser utilizado um relé de mínimo de tensão (bifásico) ou (trifásico).

Em caso de separação de toda ou de parte da carga, a tensão aos terminais do alternador aumenta bruscamente para se aproximar do valor da f.e.m. interna.

O regulador de tensão actua normalmente sobre a excitação para anular esta elevação da tensão. É no entanto necessário dispor de um relé de máximo de tensão ligeiramente temporizado, podendo neste caso ser utilizado um .

VII - PROTECÇÃO CONTRA OS DEFEITOS INTERNOS ENTRE FASES

Alimentados pelos transformadores de intensidade localizados no lado do neutro de cada enrolamento, os relés de máximo de intensidade de dois níveis ITV 7x66 ou ITG 7x66 , protegem o alternador contra os defeitos que possam aparecer na zona do enrolamento mais próxima da rede, defeitos esses que provocam correntes da ordem de grandeza das correntes de defeito exterior.

Os relés da série ITV, cujos níveis de disparo são reduzidos em função do abaixamento da tensão, vigiam uma parte mais ampla dos enrolamentos que os ITG.

A fim de dispor de uma protecção mais rápida e de assegurar a vigilância da quase totalidade dos enrolamentos, torna-se necessário dispor de uma protecção diferencial. Efectivamente, esta detecta de um modo instantâneo os defeitos entre fases que se produzam nos enrolamentos da máquina, os quais poderão provocar correntes de baixa amplitude, não detectáveis pelas outras protecções.

As possibilidades de implantação de T.I. conduzem à escolha de uma das soluções seguintes:

1. Um relé diferencial de percentagem variável do tipo DMS 7001 alimentado por dois grupos de 3 T.I. instalados em ambos os lados dos enrolamentos do alternador
2. Um relé diferencial de alta impedância do tipo alimentado também por dois grupos de 3 T.I.s
3. Três relés de máximo de intensidade instantâneos do tipo ITG 7116 alimentados cada um por um toro atravessado pelo cabo de potência monofásico e pelo cabo do lado do ponto neutro da mesma fase da máquina, sendo assim o relé alimentado pela corrente diferencial obtida directamente no secundário do transformador toroidal.
   
   

Nota: Se não for necessária uma identificação da fase em defeito, poderá ser utilizado apenas um relé .

Este tipo de protecção permite obter uma grande sensibilidade, e ao mesmo tempo uma boa estabilidade para os defeitos externos, na condição de cada toro estar fora da zona de influência das outras fases. Esta interferência pode ser evitada colocando-os a uma distância suficiente uns dos outros.

4. No caso dos blocos gerador-transformador, é aconselhável a utilização de um relé diferencial do tipo DMS 7002, em substituição ou em complemento dos tipos de protecção mencionados. Este relé será alimentado a partir dos T.I. do lado do neutro do gerador e dos T.I. do lado da alta tensão do transformador .

VIII - PROTECÇÃO CONTRA OS DEFEITOS DO ESTATOR À TERRA

Quando o alternador se encontra isolado galvânicamente da rede que alimenta através de um transformador triângulo-estrela, todas as hipóteses são deixadas para adaptar ao melhor a localização e natureza da ligação do neutro à terra às exigências de protecção da máquina.

O esquema C3/figura 1 apresenta as duas soluções correntemente utilizadas:

• neutro isolado, com utilização de um relé de tensão homopolar dessensibilizado à 3ª harmónica do tipo alimentado por um transformador de tensão ligado entre o ponto neutro do gerador e a terra

• neutro fortemente resistente, com utilização de um relé de máximo de intensidade homopolar alimentado a partir de um toro localizado na ligação do neutro à terra. O relé regulado a 1 Ampere permite cobrir 90% dos enrolamentos no caso de uma ligação à terra com limitação de corrente a 10 A

Quando o alternador debita directamente sobre a rede, a localização e natureza da ligação à terra são-lhe por vezes impostas pelas características da própria rede.

O esquema C3/figura 2 representa o caso de uma rede de neutro isolado. Se o alternador for a única fonte de alimentação da rede, será apenas utilizado um relé de tensão homopolar .

 Se, pelo contrário, existirem várias fontes em paralelo e se a rede é suficientemente extensa, poder-se-á obter uma protecção selectiva através do emprego de relés de máximo de intensidade homopolar sensíveis . A protecção de máximo de tensão homopolar ou será então alimentada a partir de T.T. instalados no barramento.

No caso usual de uma ligação do neutro à terra, é recomendável do ponto de vista da protecção, que esta seja realizada ao nível do barramento e não ao nível da própria máquina. Esta disposição (esquema C3/figura 3b) permite uma eliminação rápida de um defeito interno através dum simples relé de máximo de intensidade (ITG 7116), esteja-se ou não em presença de várias fontes em paralelo.

Se esta solução não for adoptada, e se a ligação à terra for efectuada ao nível do neutro do alternador, poderá também neste caso ser utilizado um relé ou ITG 7116 alimentado por um toro montado na ligação do neutro à terra (esquema C3/figura 3a), na condição que esta ligação à terra seja única na rede e que a corrente de defeito à terra seja limitada um valor suficientemente baixo para poder ser suportada pela máquina durante a temporização do relé (temporização necessária à eliminação selectiva de um defeito na rede). Na prática, a aplicação desta solução é limitada às redes de muito pequena extensão.

No caso de se ter várias máquinas a funcionar em paralelo ou quando a rede possui vários dispositivos de ligação à terra, a ligação à terra ao nível da máquina leva a que se utilize um dispositivo de comutação automática destes pontos neutros de maneira a que em cada instante apenas um esteja efectivamente em serviço, ou então que se utilizem relés direccionais sensíveis do tipo . Estes relés são geralmente alimentados por um toro, de modo a obter uma sensibilidade máxima (esquema C3/figura 3c).

Por outro lado, sempre que a corrente máxima de defeito à terra não tenha sido limitada a um valor inferior à corrente nominal da máquina, deverá recorrer-se a uma protecção muito rápida do tipo diferencial, de modo a que quando ocorrer um defeito interno, esta protecção provoque o desacoplamento do alternador e do órgão de ligação à terra, assim como a desexcitação rápida da máquina. Esta função pode ser realizada por um relé diferencial trifásico do tipo , ou por um relé diferencial homopolar (esquema C3/figura 4 - rede de neutro de fraca impedância).

No que diz respeito ao relé de ponto neutro, indispensável apesar da presença do relé diferencial, poderá ser escolhido um relé do tipo ITG 7116 alimentado por um TI ou de preferência, um relé do tipo com dessensibilização às harmónicas, particularmente a de 3ª ordem.

IX - PROTECÇÃO CONTRA A PERDA DE EXCITAÇÃO

Esta protecção é assegurada por um relé de impedância do tipo , com uma característica circular decalada sobre um diagrama R, X.

• O centro do círculo está situado sobre o eixo negativo das reactâncias,
• O diâmetro do círculo é regulado a um valor igual à impedância síncrona de eixo directo Xd,
• A decalagem em relação à origem regulada a metade da impedância transitória de eixo directo X'd .

Assim regulado, e graças à sua temporização, o relé fica insensível às oscilações de potência (e portanto de impedância aparente) devidas, em particular, à eliminação de um defeito violento sobre a rede alimentada pela máquina, continuando a detectar a absorção de potência reactiva e o funcionamento assíncrono desta após a perda de excitação.

Quando se tiver acesso a uma medida directa da corrente de excitação graças a um "shunt", poderá ser utilizado um relé de máximo e mínimo de excitação do tipo alimentado por esse "shunt", ao qual será associado um temporizador exterior do tipo .

X - CONTROLE DO ISOLAMENTO DO CIRCUITO ROTÓRICO

O controle permanente do isolamento é efectuado pelo relé do tipo , o qual aplica uma tensão alternada de baixa frequência entre o circuito de excitação e a massa, detectando assim qualquer defeito de isolamento, independentemente da sua localização. O relé , que aplica uma tensão contínua entre o circuito de excitação e a massa, pode igualmente ser utilizado.

XI - CONTROLE DE SINCRONISMO

Afim de controlar o bom funcionamento dos dispositivos de sincronização automática, ou autorizar o acoplamento manual, pode ser utilizado o relé de controle de sincronismo .

Quando o gerador for a fonte de alimentação principal, torna-se necessária a utilização de um relé do tipo , que assegurará, em complemento do , a função de "rede morta" (dead-bus).

XII - CONTROLE DE FUSÍVEIS

Quando são utilizados relés de máximo de intensidade com controle de tensão do tipo ITV 7x66, uma fusão dos fusíveis de protecção dos transformadores de tensão pode levar os níveis de funcionamento destes relés a valores muito baixos, provocando disparos intempestivos. O relé pode comparar as tensões secundárias de dois grupos de T.T. (por exemplo os T.T. de protecção e os T.T. de medida), actuando um alarme em caso da fusão de um fusível.