Proteção SEP Vol3 - Geraldo Kindermann - 2a ed

Proteção SEP Vol3 - Geraldo Kindermann - 2a ed

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SBN 978-85-90085-37-9

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GERAL O KINDERMANN PROFESSOR DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARll'IA

PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRlCOS DE POTÊNCIA

Volume 3

Edição do Autor

Florianópolis -se 2008

© by Geraldo Kindermann ]ª edição: 2008

Capa: Marcos Fischbom Revisão: Roberto de Souza Salgado

Editoração: Geraldo Kindermanll

K51p 2008.

Ficha Catalográfica

Kindem1ann, Geraldo, 1949- Proteção de sistemas elétricos de potência / Geraldo

Kindermann. -Florianópolis -Se: Edição do autor,

v.3: iI. Bibliografia. ISBN: 978-85-90085-37-9

1. Sistemas de energia elétrica -Proteção. 2. Energia elétrica -Geração. 3. Relés elétricos. 4. Relés de proteção. L Título. CDU: 621.316.9

É proibida a reprodução total ou parcial deste livro sem a autorização do autor.

Agradecimentos o autor agradece em especial

.:. A minha família: Maria das Dores (esposa) e aos filhos:

Katiuze, Krisley e Lucas, pela ajuda na logística e na digitação do texto .

• :. Ao Professor Roberto de Souza Salgado da UFSC, por ler cuidadosamente o texto e dar importantíssimas contribuições técnicas.

.:. Aos engenheiros Adriano Pauli, Everton Pizolatti Medeiros,

Giovanni Baptista Fabris e Luís Roberto Fernandes da Eletrosul, e Levi Souto Júnior da Tractebel pelas discussões e contribuições técnicas.

.:. Marcos Fischborn, pela elaboração da capa e Mauricio Sperandio pelo assessoramento de infonnática.

.:. Aos inúmeros alunos, da Graduação e Pós-graduação, que contribuíram com desenhos.

Agradecimento em especial ao LABPLAN, principalmente aos professores, técnicos, analistas, mestrandos e doutorandos, que de um modo ou de outro sempre estiveram presentes na motivação, contribuição e assessoramento na elaboração do livro.

Apresentação o Laboratório de Planejamento de Sistemas de Energia Elétrica - LabPlan, do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de

Santa Catarina, tem por objetivos realizar e promover o desenvolvimento de atividades de pesquisa, ensino e extensão na área de Sistemas de Energia Elétrica (SEE) com ênfase nos aspectos de planejamento e análise, nos segmentos de geração, transmissão e distribuição.

A atuação dos professores do LabPlan, desde a sua constituição em 1992, tem envolvido uma diversidade de atividades e contribuições à sociedade que extrapolam em muito o escopo de atividades regulares nos cursos de graduação e pós-graduação em Engenharia EJétrica. Dentre essas atividades destacam-se a publicação de livros e artigos técnicos e a intensa interação com os diversos agentes do setor eJétrico brasileiro, realizada por meio de cursos de aperfeiçoamento e de especialização, consultarias especializadas e projetos de pesquisa e desenvolvimento.

O presente livro representa uma contribuição inédita do Professor

Geraldo Kindermann à sua extensa obra que abrange publicações nas áreas de projetos elétricos, engenharia de segurança e proteção de sistemas elétricos de potência. Especificamente, nesta obra são abordados os temas relacionados à proteção de geradores sincronos, barramentos de subestações, reatares e bancos de capacitores. Os temas são descritos com a riqueza didática que caracteriza as publicações do autor, devendo contribuir tanto para fins acadêmicos quanto aos diversos profissionais técnicos e engenheiros que estiverem envolvidos com os desafios da incorporação, ao sistem.a eléh'ico brasileiro, dos inúmeros projetos de geração de fontes alternativos previstos para os próximos anos.

Seguindo a tradição de publicações anteriores, o desenvolvimento dos temas da presente obra foi fortemente sustentado pela extensa experiência acadêmica e prática do autor; vivenciada nos inúmeros cw-sos ministrados em universidades e empresas no Brasil, e em diversos países da América Latina e África, bem como nos diversos trabalhos de consultoria técnica prestados à Agência Nacional de Energia Elétrica.

Prof. Ildemar CassaDa Decker Supervisor do LabPlao -UFSC

, Indice Geral

1 . 1 Introd ução1
1.2 Perturbações na Máquina Síncrona
1.3 A Proteção do Gerador Síncrono5
IA Tipos de Proteções do Gerador Síncrono" .... 5
1.5 Geradores Síncronos acoplados ao Sistema Elétrico8
1.6 Curto-Circuito na Bobina da Armadura do Gerador Síncrono12
1.7 Proteção Diferencial do Gerador Síncrono19
1.8 Trecho não Protegido pela Proteçào 872
1.9 Proteção Contra Falhas entre Esp,iras, ................................ 25
l.l O Proteção de Seqüência Negativa do Gerador Síncrono, ........................... 28
1.1 Relé de Sobreexcitação do Gerador Síncrono35
1.12 Proteção por Perda de Exci tação36
1.13 Proteção de Sobretemperatura39
1.14 Relé de Imagem Térmica40
1.15 Proteção de Falha do Disjuntor do Gerador41
1.16 Tipos de Aterramentos dos Geradores Síncronos43
1.1 t: 0ettilo I til-{c:rtll n.}s T L1l) {jtmdt)r SIJlI:J'(Jno ""'"'" .. " .. " .... 5\1
1.19, ................... """"" ........................ '''''''''' ... 5.2
] .20 Isolado" .. " ............................... ""." ....... 5.2
1.21 Sistema Aterrado com Resistência" ......................... 5-1
Alerramento""."" .. "" ... " ....... 71
1.23 TP Único"."."" ... "" .... " .... " .. " ... " ................................ "."."" .... " .............. 76
1.24 AteITamento RessonaJlte" .... " ....... "." ........... " ..... " .......... " ... "" ... " ........... " 79
1.25 Sistema Aterrado com Baixa Impedância80
1.26 Sistema Aterrado" ............................................................... 86
1.27 Proteção de Máquina Síncrona com Aterramento Sólido"." .................... 86

1.2 Sistema Aten'ado com Resistência no Enrolamento ~ do Transformador de

Impedância" .. ............................... .............. ........ .............................. .. 87
1.29 Proleção de Máquina Síncrona pela 3" Harmônica" .... " ............ 8
1.30 Proteção de Defeitos à Terra no Rotor96
1.31 Energização Acidental do Gerador Síncrono" ................................. 98
1.32 Proteção de Retaguarda do Gerador Síncrono100
1.3 Proteção de Mínima Impedância, ................................................. " 101
1.34 Proteção de Sobrecorrente" ............ 1 06
1.35 Proteção ele Perda de Potencial107

1.28 Proteção Diferencial da Máquina Síncrona COIll Aterramento por uma

] .37 Proteção de Sobrecorrente com Restrição de TensãoI
1.38 Proteção contra Motorização, ................................................................... 1 12
1.39 Proteção dos Mancais113
1.40 Proteção Contra Sobrevelocidade115
1.41 Proteção de Vibração] 17
1.42 Grade de Tomada D'água""""'"'''''''''' ............................ 117
1.43 Comporta de Tomada D'água118
1.4 Proteção contra Freqüência Anormal118
1.45 Efeitos da Freqüência na Turbina das Usinas Térmicas118
1.46 Sincronismo" ...................................................................... , ......... 124

Capítulo 2 -Proteção de Barras LI

2.4 2.5

2.6 2.7

Introduçào" 126
Defeito na Barra" ............................................. 12"'1
Proteçào para Defeito na Barra128
Pro teção de Barras129
Proteçào Diferencial de Barras com Relé de Sobrecorrente129
Proteção Diferencial Percentual de Bana138
Proteção de Barra de Alta Impedância141
2.8 Proteção de Bana por Comparação Direcional142
2.9 Proteção de Bana por Acoplador Linear145
2.10 Ananjos de Banas de Subestação152
2.1 1 Bana Simples153
2.12 Barra Simples Seccionada155
2. J Barra em Anel Seccionada161
2.15 Barra Dupla a 4 chaves170
2.16 Barra Dupla a 5 chaves174
2.17 Disjuntor e Meio175
2.18 Arranjo Tipo Barra Dupla e Disjuntor Duplo179
2.19 Arranjo Tipo Disjuntor e um Terço181

2.14 Ananjo Barra Principal e de Transferência "'''''''''''''''''",,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 165

3.1 Reator de Linha183
3.2 Reator de Núcleo de Ar185
3.3 Reator de Núcleo de Magnético com Gaps Imerso em Óleo186
3.4 Proteção do Reator de Núcleo de Ar187
3.5 Proteção do Reator a Óleo189

Capítulo 3 -Proteção de Reatores

.,-.-l pacno!196
-u Unidades Capacitivas197 Caixas sem Elos Fusíveis ............................................................................ 197
-+.5 Caixas Capacitivas com Elos Fusíveis Externos199
-+.6 Caixas Capacitivas com Elos Fusíveis Internos201
4.7 Ligações dos Bancos de Capacitares203
4.8 Características dos Capacitares204
4.9 Esquema (Instalação) de Grandes Bancos de Capacitares206
4.10 Banco de Capacitores Conectado em Estrela Aterrada208
4.1 Banco de Capacitares Conectado em Estrela Não Aterrada213
4.12 Banco de Capacitares Conectado em Dupla Estrela Não Aterrada215
4.13 Banco de Capacitares -Ligação Tipo H217
4.14 Energização de uma Uuidade Capacitiva218
4.15 Energização de uma Unidade Capacitiva em Paralelo221
4.16 Proteção de Banco de Capacitares Conectado em Estrela Aterrada226
4.17 Proteção de Banco de Capacitores Conectado em Delta235
4.18 Proteção de Banco de Capacitares em Estrela Isolada237
4.19 Proteção de Banco de Capacitares Instalado em Dupla Estrela Isolada242
4.20 Proteção de Banco de Capacitares Instalado em Dupla Estrela Aterrada250
Apêndice A -Nomenclatura da Proteção252
Bibliografia273

1-'

Capítulo 1 Proteção de Geradores Síncronos

1.1 Introdução

A máquina síncrona, operando como gerador, é um equipamento vital ao sistema elétrico. Sua capacidade de geração limita a demanda que pode ser suprida. O sistema elétrico é mantido por poucos geradores, sendo que sua carga está distribuída em milhares de pontos.

Sendo o gerador um equipamento complexo, o qual possui peças girantes, está sujeito a maiores riscos.

O princípio de funcionamento da máquina síncrona, como gerador, está simbolicamente representado na figura 1.1.1.

Capítulo 1 +

Reostato lcampo Bateria Rotor

Excitatriz 'i c

Figura I 1.1 -Máquina Síncrona Operando como Gerador A máquina síncrona é composta, basicamente, dos seguintes componentes:

~ ArmadLlTa: que corresponde ao estator, onde estão alojadas as bobinas das fases. Essas bobinas, construtivamente estão disuibuídas ao longo do estator, tendo uma em relação à outra urna defasagem mecânica de 1200. Deste modo, nas bobinas serão induzidas tensões elétricas defasadas de 120° elétricos.

~ Rotor: é a peça constituída por um núcleo magnético, envolvido por lima bobina. A bobina é alimentada por corrente continua, para criar o campo magnético de excitação, necessário para induzir as tensões nas bobinas do estator.

~ Excitação: é a fonte de tensão contínua, necessária para gerar a con'ente de campo de excitação da bobina do rotor. Existem vários esquemas de excitatriz, com escovas ou sem escovas (brushless).

~ Máquina primária: é a fonte geradora de potência mecânica motriz, necessária para efetuar o giro do rotor da máquina síncrona. A máquina

Plimária é a fonte da energia que será transfOlmada em energia elétrica.

1.2 Perturbações na Máquina Síncrona

A máquina síncrona, acoplada ao sistema elétrico, está sujeita a diversos tipos de pelturbações provenientes do:

Proteçào de Geradores Sin':rono.

· D '.' I AfmaJurn "V ;l pr lpna muqulllà Sll1trOI1::l l ROlOr

-<> Da máqllina primária.

As perturbações no sistema elétrico sào decorrentes da:

• Retü'ada súbita de carga; • Inserção de cargas pesadas:

• Retirada súbita de geração:

• Curtos-circuitos (3<1>, -t, 2, 2<1> -t e 1 -t) :

• Sobrecargas; • Abertura de fase;

• Cargas fortemente desequilibradas;

• Descargas atmosféricas diretas e indiretas.

As perturbações na máquina síncrona são:

@ Na armadura * Falha na isolação entre espiras;

* Falha na isolação entre bobinas e carcaça;

* Movimentação das espiras devido às forças elétricas e magnéticas, provocadas pelas correntes de cUlto-circuito;

* Aquecimento nas bobinas e materiais do estator;

* Não equalização de campos elétricos e magnéticos no material do núcleo da armadura;

* Abertura de espiras.

@ No rotor

.:. Falha na isolação entre espiras; .:. Falha na isolação entre as bobinas e a carcaça;

4 Capítulo 1

.:. Movimentação das espiras, devido às forças elétricas e magnéticas provocadas pelas correntes dos CLlltOS- circuitos;

.:. Movimentação das espiras, devido à forca centrifuga provocada pela sobrevelocidade do rotor;

.:. Aquecimento nas bobinas e material do rotor;

.:. Não equalização de campos elétricos e magnéticos no material do núcleo do rotor;

.:. Abertura de espiras; .:. Perdas de campo (excitação);

.:. Problemas mecânicos e de aquecimento dos mancais do rotor;

.:. Problemas na escova.

® Nos serviços aUluliares

Problemas nos equipamentos que compõem os serviços auxiliares, próprios para a operação e regulação da máquina, afetam as condições de operação do gerador sincrono.

® Máquina primária

Problemas em qualquer componente vital, principalmente nas turbinas, comprometem a operação do conjunto da geração. Os problemas principais são os decorrentes da vibração ou movimento anômalo das palhetas nas turbinas térmicas, e outros no distribui dor.

Apresenta-se, na tabela 1.2.1, levantamento estatístico das taxas de falhas dos equipamentos de uma usina bidrelétrica.

Usina Hidrelétrica

Equipamento Percentual de

Gerador 28,73% de Velocidade 21,28% I Turbina Hidráulica I 12,23% I

Proteçào de Geradores Síncronos

Mancai 13,30%

Serviço AlL'{iliar Quadro de Comanrlo I fif)OJ

Tabela 1.2.1 -Falhas dos equipamentos de wna Usina llidrelétrica [74]

1.3 A Proteção do Gerador Síncrono

A proteção utilizada no gerador síncrono é, principalmente, devido a: a) Curto-circuito

~ Entre espiras;

~ Entre fases;

~ Fase e carcaça;

~ Tlifásico. b) Falha de flillcionamento [29 Perda de excitação;

[29 Carga desequilibrada;

[29 Sobrevelocidade;

[29 Vibração;

[29 Sobrecarga;

[29 Sobretensão.

1.4 Tipos de Proteções do Gerador Síncrono

Visando cobrir todos os defeitos e demais anoffi1alidades as proteções mais utilizadas em geradores síncronos são as seguintes:

• Proteção de sobrecorrente (50,51);

• Proteção diferencial (87);

6 Capítulo 1

• Proteçào de subteosão (27); • Proteção de sobretensão (59);

• Proteção de seqüência negativa (46): • Proteçào de imagem télmica (49);

• Proteção de perda de excitação (40);

• Proteção de sobreexcitação (24);

• Proteção de distância (21);

• Proteção direcional de potência (32);

• Proteção de freqüência (81); • Proteção de perda de sincronismo (78);

• Proteção de balanço de tensão (60);

• Proteção de tem (grollnd) (64);

• Proteção de balanço de corrente (61);

• Proteção de mancaI (38);

• Proteção contra vibrações (39).

hidrelétrica

Apresenta-se, na figura 1.4.1, o diagrama unifilar de proteção de uma unidade, gerador síncrono e transformador elevador, de grande porte, de uma usina

A figura 1.4.2 mostra o diagrama unifi1ar de uma unidade geradora que sofre um curto-circui-to no ponto F.

i TCrot-! ~~13~==== Curto- circuito

Figura 1.4.2 -Curto-circuito em F

As correntes de curto-circuito ia e is, que alimentam o defeito em F, são provenientes dos 2 lados, isto é, do gerador síncrono e do sistema elétrico conectado à barra.

Proteçào de Geradores Síncronos

87T o y

E o "0: ';;;(Y!Yli I t:,. I I i w(63\ í:::\ í:::\. í.::\ I-.~~.~~~

Figura 1.4.1 -Proteçào de um Gerador Síncrono e Transformador Elevador de uma Usina Hidrelétrica

8 Capítulo 1 o sistema de proteção existente abre primeiro o disjuntor 52 e. portanto, momentanem11ente a configuração da figura 1.4.2 passa a ser a da figura lA.3.

G iG F E9-~

Curtocircuito

Figura 1.4.3 -Curto-circuito em F, com o Disjuntor 52 Aberto

Na figura lA.3 o estado aberto do disjuntor 52 está assínalado em negrito, sendo que a partir do instante de sua abertura o sistema elétrico não contribuí mais com conente de curto-circuito. Porém, como o gerador síncrono está excitado e girando, o curto-circuito continua a ser alimentado pela máquina síncTona. Portanto, imediatamente após a abertura do disjuntor 52, dá-se à abertura do disjuntor 41, desligando o circuito de excitação do gerador síncrono. Deste instante em diante, a conente de curto-circuito proveniente da máquina se extingue gradualmente (lentamente) devido à existência no rotor de magnetismo remanente. Dependendo do porte da máquina síncrona, a conente se extingue na faixa de 5s a lOs. A figuTa 1.4.4 mostra as cOlTentes de curto-circuito, com a seqüência dos eventos das aberturas dos disjuntores.

Corrente

$' Abertura "\ Abertura do do disjuntor 52 disjuntor 41

Tempo

Figura 1.4.4 -Seqüência dos eventos das operações dos disjuntares

1.5 Geradores Síncronos acoplados ao Sistema Elétrico

Os geradores síncronos têm sua tensão terminal detenninada pelas limitações construtivas e qualidade dos materiais isolantes utilizados na confecção

Proteção de Geradores Síncronos 9 ela maquina. Portanto. para se conectar ao sistema elétrico e l1ecessario se adequar à tensão de transmissão. Deste modo. dependendo das características do sistema elétrico. é possível utilizar os seguintes tipos de conexâo:

a) Gerador síncrono diretamente acoplado ao sistema o gerador síncrono é diretamel1te acoplado ao sistema elétrico, quando a tensão gerada é igual a do sistema. Deste modo a conexão é feita simplesmente pelo fechamento do disjuntor. A tlgura 1.5.1 mostra este tipo de conexão.

) LT 2

~ -:s:seccionadora

t I t s"" Disjuntor \

À Gerador ~s

Figura 1.5.1 -Gerador Síncrono Acoplado Diretamente ao Sistema Elétrico Esta ligação é utilizada em sistemas elétricos de pequeno porte.

b) Gerador síncrono e transformador acoplado ao sistema elétrico

Geralmente cada gerador síncrono está acoplado a um transformador elevador com a conexão ao sistema elétrico feita por meio de um disjuntor, como mostra a figura 1.5.2.

O ajuste de tensão entre o gerador e o sistema de potência conectado à bana é feito pelo transformador. Esta conexão é a mais usual, sendo empregada quando o sistema de geração é de grande porte, com o gerador associado a um transforrnador;forrnando uma unidade.

1 1 Barra L ~cionadora \ o",,,toe

~ Transformador 'X' Gerador ~ Síncrono

Capítulo I

Figura 1.5.2 -Unidade Geradora e Transformador Acoplado ao Sistema Elétrico c) Gerador síncrono acoplado ao sistema elétrico através de um transformador

Neste esquema a unidade geradora está acoplada ao sistema elétrico através de um transformador, como mostra a figura l.5.3. A diferença desta situação em relação a anterior, é que o gerador pode ser desconectado do transformador.

Esta conexão é usada em geradores de médio e pequeno porte.

d) Geradores Síncronos acoplados a um transformador

Nesta situação vários geradores síncronos são conectados ao sistema elétrico através de um transformador. A figura 1.5.4 mostra este tipo de conexão.

Proteçào de Geradores Síncronos I

~ X I Barra T Transformador ~ -s;-~,,~""

~ Disjuntor

Figura 1.5.3 -Gerador Síncrono Acoplado ao Transformador

I f A A A Gerador ~ ~ ~ Síncrono

Barra

Figura 1.5.4 -Geradores Sincronos Acoplados ao Transfolluador

J'1 Capítulo I

Esta conexão é usada em geradores de pequeno porte. e) Geradores síncronos acoplados a um transformador de 3 enrolamentos

Neste tipo de esquema dois geradores fazem a sua conexão ao sistema elétrico, através de um transformador de 3 enrolamentos. A figura 1..5.5 mostra um diagrama unifilar deste tipo de conexão.

Transformador

Transformador auxiliar

Figura l.5.5 -Geradores Sín'cronos Acoplados ao Transformador de 3 Enrolamentos

Observa-se, na figura 1.5.5, o transformador de serviço auxiliar conectado no lado de baixa tensão do transformador de 3 enrolamentos.

1.6 Curto-Circuito na Bobina da Armadura do Gerador Síncrono

Casos de curto-circuito no sistema elétrico, nos quais o gerador síncrono faz palie, foram analisados na referência [5]. Aqui se analisam os tipos de cnrtoscircuitos que podem ocorrer em qualquer ponto da bobina da armadura da máquina síncrona. Na bobina (enrolamento) da armadura são illduzidas as tensões elétricas, sendo que defeitos em algum ponto das espiras provocarão correntes de curtocircuito. A figura 1.6.1 representa um gerador síncrono operando à vazio, com as

Proteção de Geradores Síncronos 13 bobinas da a1l11adura conectadas em ''1'. e aLeITado no neutro {30r uma impedância Zj\ .

Bobinas da Armadura

Figura 1.6. J -Gerador Síncrono Ligado em Y, Aterrado por uma Impedância Z N

Neste gerador síncrono o defeito pode ocorrer a p% do enrolamento da bobina do estator.

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