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Proteção Contra Motorização (ANSI 32)

O propósito desta série de fascículos é o de apresentar as melhorias e inovações desenvolvidas recentemente nos relés digitais para proteção de geradores. Serão mostradas funções tradicionalmente aplicadas em proteção de geradores, porém com novos princípios de funcionamento e melhorias na segurança e confiabilidade, a saber: proteção contra motorização, perda de campo, falta a terra no estator e detecção de faltas entre espiras no estator e no rotor.

A figura 1 ilustra as típicas funções de proteção de geradores de grande porte.

Figura 1: Gerador e suas tradicionais funções de proteção

Os relés de proteção de geradores possuem, basicamente, três objetivos principais:

a) Proteger o gerador para faltas internas, seja entre fases, espiras de mesma fase ou faltas fase-terra; b) Proteger o gerador contra faltas que acontecem no sistema elétrico, sendo, portanto, faltas externas ao gerador; c) Proteger o sistema elétrico contra determinadas faltas no gerador.

Nas últimas décadas, poucas inovações aconteceram em relação a proteção de geradores. Mesmo com o surgimento de novas tecnologias e melhor performance dos componentes eletrônicos utilizadas nos modernos IEDs de proteção e controle, não são percebidas funções de proteção com grandes inovações. Muitas limitações que as tradicionais funções de proteção de geradores possuem continuaram sendo um desafio para os engenheiros de proteção e a filosofia das funções ainda esteve muito próxima às implementações dos antigos relés eletromecânicos. 

Há um espaço considerável para o desenvolvimento de novos algoritmos que permitem o fornecimento de uma proteção mais confiável e segura durante diferentes modos de operação do sistema ou de equipamentos. 

Uma característica cada vez mais comum nos modernos relés digitais é a implementação de algoritmos dinâmicos, ou seja, variar de acordo com as condições operativas do sistema ou do elemento principal sendo protegido. Tal característica combina segurança contra falsas atuações e confiabilidade para disparos em situações críticas, além do atendimento em determinadas situações de monitoramento. 

Proteção contra motorização de geradores (ANSI 32)

Esta função tem o objetivo de proteger a turbina e não o gerador em si, e deve operar em caso de perda da força motriz principal, ou perda de turbina, situação na qual o gerador passa a absorver potência ativa do sistema elétrico, ao invés de fornecê-la e, portanto, passando a operar como motor síncrono. Em turbinas a vapor, a motorização ocorre quando é cortado o suprimento de vapor, causando sobreaquecimento. Nas turbinas a gás e diesel, a motorização ocorre quando o suprimento de combustível é retirado e pode provocar incêndio no óleo não queimado. Já em turbinas hidráulicas, a perda parcial ou total da água vinda pelo conduto forçado resulta na redução da potência mecânica para o gerador, causando cavitação nas pás da turbina.

A potência ativa absorvida do sistema para manter a máquina operando em velocidade síncrona na condição de motorização depende também do tipo de turbina. Normalmente são representados como um percentual da potência ativa nominal da máquina e os valores típicos são: nas turbinas a vapor entre 1 a 3%, nas turbinas hidráulicas entre 0,2 a 2%, nas turbinas a diesel entre 5 e 25% e nas turbinas a gás mais de 50%. Para detectar esta condição anormal de operação um elemento direcional de potência (ANSI 32) é aplicado olhando no sentido do gerador e o valor de pick-up é determinado de acordo com a turbina, conforme explicado acima. Em relação às temporizações, deve­se consultar o manual das turbinas para cada caso, observando qual o tempo máximo suportado nesta condição. É preciso também garantir que este tempo seja suficiente para que a função não atue durante uma oscilação de potência estável no sistema. 

A limitação das funções tradicionais 

Quando tanto a potência ativa quanto a potência reativa possuem valores baixos, ao ocorrer a perda da força motriz e motorização do gerador, a função 32 tem pouca dificuldade em medir a potência ativa reversa e, assim, opera de forma confiável. Esta é uma condição normalmente encontrada durante a parada sequencial da máquina, onde a função 32 é utilizada para garantir que toda força motriz foi retirada, permitindo o desligamento do campo e disjuntor principal do gerador sem risco de provocar sobrevelocidade.  Por outro lado, pode ocorrer a motorização inadvertidamente, quando o gerador está fornecendo uma grande quantidade de potência reativa para o sistema. Nestes casos, existe uma grande dificuldade em medir a pequena potência ativa absorvida pela máquina quando ela continua fornecendo uma grande potência reativa. Qualquer erro angular associado aos transformadores de instrumentos (TPs e TCs) pode levar a perda de confiabilidade da função 32. Em grandes máquinas de usinas térmicas, por exemplo, essa potência de motorização representa um valor muito pequeno quando comparado com a sua potência nominal e, assim, dependendo das condições operativas, pode-se encontrar problemas de sensibilidade. 

A solução- um novo algoritmo adaptativo 

O novo algoritmo introduz uma compensação que modifica a característica de disparo da tradicional função de potência reversa que, ao invés de ser um nível de potência ativa reversa fixo de 90 graus no plano PQ, passa a incluir uma pequena inclinação, conforme ilustra a figura 2. Quanto menor a potência reativa gerada pela máquina, mais o ajuste se aproxima do valor de pick-up fixo. Para altos valores de potência reativa, o pick-up se aproxima de zero, dando maior sensibilidade para a função. Desta forma, aumenta-se a confiabilidade da função, mesmo quando a máquina estiver exportando alta potência reativa.  Durante o processo de sincronização da máquina no sistema, o gerador pode ser conectado com alguma diferença entre a tensão terminal do gerador e a tensão do sistema, provocando assim um salto rápido no fluxo de potência reativa. Para evitar problemas de segurança nesta condição, o elemento 32 parte do ajuste tradicional fixo e, então, chaveia para a característica compensada após um intervalo de tempo. 

Figura 2: Característica do novo elemento 32 

Quando a corrente é maior do que 5% da corrente nominal do gerador por aproximadamente 60 segundos, o relé chaveia para a nova característica compensada. Em casos de baixa magnitude de corrente não há necessidade de se aplicar a característica com pensada.  Esta nova característica torna o elemento 32 mais seguro na partida da máquina, evitando algum falso disparo e, ao mesmo tempo, mais confiável quando em processo de desligamento, garantindo atuação quando necessário.

Para mais informações, contate suporte@selinc.com