UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ

FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA

ERISON VILHENA DAS NEVES

ESTUDO DE CASO DA MODERNIZAÇÃO

DOS RELÉS DE PROTEÇÃO DA USINA

HIDROELÉTRICA DE CURUÁ-UNA

TUCURUÍ / PA

2014

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ

FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA

ERISON VILHENA DAS NEVES

ESTUDO DE CASO DA MODERNIZAÇÃO

DOS RELÉS DE PROTEÇÃO DA USINA

HIDROELÉTRICA DE CURUÁ-UNA

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade do Curso de Engenharia Elétrica do Campus Universitário de Tucuruí da Universidade Federal do Pará como parte dos requisitos para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica. Orientador: Profª. Drª. Luciana Pereira Gonzalez Co-orientador: Nielson Miranda Faria

TUCURUÍ – PA

2014

2

3

“Estamos na situação de uma criancinha que entra em uma imensa biblioteca, repleta de livros

em muitas línguas. A criança sabe que alguém deve ter escrito aqueles livros, mas não sabe

como. Não compreende as línguas em que foram escritos. Tem uma pálida suspeita de que a

disposição dos livros obedece a uma ordem misteriosa, mas não sabe qual ela é”.

(Albert Einstein)

4

Dedicatória

A Deus, por estar comigo em todos os momentos. Nunca me abandonou, e graças a sua infinita misericórdia pude vencer todas as dificuldades que apareceram no meu caminho.

Aos meus pais que sempre me deram todo o apoio de que precisei. O amor de vocês por mim foi incondicional, não mediam esforço para ajudar-me quando precisava.

5

AGRADECIMENTOS

Acima de tudo, meus agradecimentos vão para o Ser mais importante e perfeito que

existe, Deus. Aquele que meu a vida, e sem Ele jamais teria chegado aqui. Este amigo que

sempre esteve ao meu lado, sempre me dando a força necessária para alcançar mais este

objetivo. Obrigado meu Deus pelo dom da sabedoria. “Porque o Senhor dá a sabedoria; da sua

boca vem o conhecimento e o entendimento (Pv. 2.6)”.

Aos meus pais, Edson Neves e Rosângela Neves e minhas irmãs, Rosana Neves e

Cynthia Neves, pelo carinho, paciência, amor e todo apoio dedicado a mim durante este

trabalho. Vocês sempre foram meu porto seguro. Todas às vezes que pensei em desistir, me

encorajavam a nunca ficar cabisbaixo frente à dificuldade, sempre erguer a cabeça e continuar

a jornada. Essa conquista é de vocês também.

Ao meu co-orientador e um grande amigo, Eng.º Nielson Farias pela valiosa

contribuição na construção deste trabalho. Obrigado pelos conhecimentos fornecidos e os

dados necessários para o estudo de caso.

Aos meus amigos Alessandro Pires e William Ribeiro pela força, apoio e amizade.

Vocês foram fundamentais na minha caminhada rumo à graduação. Às minhas amigas

Joseane Pinheiro e Giullia Teixeira, que quando mais eu precisava me davam palavras

animadoras. Agradeço por terem sido como verdadeiras anjas na minha vida. À Maria

Doriana, por ter confiado em mim. Ao Walmir Costa, que me ajudou bastante quando cheguei

ao município desconhecido de meu curso. Seu nome não poderia ser esquecido.

A uma mulher que foi como uma mãe para mim em Tucuruí, Maria Gorete. Todos

seus cuidados e o zelo que sempre teve comigo foram únicos. Nunca pensei em receber tanto

amor, carinho e conselhos de uma pessoa que não conhecia há 4 anos, mas que fez parte da

minha história e esta conquista dedico a você.

A todas outras pessoas que direta ou indiretamente ajudaram-me na construção deste

sonho e sei que sempre torceram pelo meu sucesso.

6

RESUMO

Neste trabalho são apresentadas as principais funções de proteções aplicadas nos

geradores das máquinas 01 e 02 da Usina Hidroelétrica de Curuá-Una.Com o advento da

tecnologia e as vantagens que as inovações tecnológicas estavam trazendo para o sistema

elétrico, achou-se viável a substituição dos obsoletos relés eletromecânicos pelos digitais

microprocessados. Como toda inserção de algo novo, foram verificados impactos positivos

para o sistema de proteção. Assim, um estudo de caso foi realizado de pós-falta, indicando

que o relé digital multifunção mais atuado no decorrer do ano de 2013 foi o do transformador.

Um gráfico foi criado para exemplificação do resultado obtido.

Palavras-Chave: Funções de proteções, Geradores, Relé digital.

7

ABSTRACT

This work presents the main functions protections applied in generators machines 01

and 02, theHydroelectric Plant Curua-Una. With the advent of technology and the advantages

that technological innovations were bringing to the electrical system, it has been found

feasible to replace electromechanical relays obsolete by digital microprocessor.Like every

insertion of something new, positive impacts were observed for the protection system. Thus, a

case study was performed post-fault, indicating that the digital multifunction relay acted more

during the year 2013 was the transformer. A chart was created to exemplify the result.

Keywords: Functions protections, Generators, Digital relay.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1: Usina Hidroelétrica de Curuá-Una. ................................................................... 14

Figura 2.1: Esquema básico de um gerador síncrono. ......................................................... 17

Figura 2.2: Processo de conversão de energia mecânica em elétrica em uma usina

hidroelétrica. ........................................................................................................................ 19

Figura 2.3: Configuração típica de um sistema de excitação. ............................................. 20

Figura 2.4: Diagrama unifilar dos elementos de um dispositivo de proteção. .................... 22

Figura 2.5: Imagem real de TP em uma subestação. ........................................................... 24

Figura 2.6: Imagens reais de TC's. ...................................................................................... 25

Figura 2.7: Esquema básico com as principais proteções de um gerador. .......................... 28

Figura 2.8: Curva característica: de tempo definido (a) e de tempo dependente (b). .......... 29

Figura 2.9: Curvas características de tempo normalmente inversa (NI), muito inversa (MI) e

extremamente inversa (MI). ................................................................................................ 30

Figura 2.10: Esquema básico da proteção de sobrecorrente da saída de um gerador.......... 31

Figura 2.11: Representação em unifilar do relé 87 (diferencial). ........................................ 32

Figura 2.12: Esquema simplificado da proteção diferencial. .............................................. 32

Figura 2.13: Comportamento da tensão terminal (Vt), potência ativa (P) e potência reativa (Q)

após a perda de excitação do gerador. ................................................................................. 34

Figura 2.14: Modelo de proteção proposto por Mason. ...................................................... 35

Figura 2.15: Modelo proposto por Bedy para proteção contra perda de excitação com duas

unidades mho com offset. .................................................................................................... 36

Figura 2.16: Esquema do aterramento de alta impedância. ................................................. 37

Figura 2.17: Esquema da proteção terra-rotor. .................................................................... 39

Figura 2.18: Característica ideal de proteção da função 24. ................................................ 41

Figura 2.19: Relé de distância (21), conectado a um sistema elétrico através de TP e TC. 42

Figura 2.20: Esquema de ligação de um relé de distância de proteção de fase. .................. 43

Figura 2.21: Localização de Z no plano R-X de acordo com o fluxo de potência. ............. 44

Figura 2.22: Zonas de relé de impedância. .......................................................................... 44

Figura 2.23: Esquema do relé de frequência. ...................................................................... 45

Figura 3.1: Foto de um relé eletromecânico. ....................................................................... 48

Figura 3.2: Relé digital. ....................................................................................................... 50

Figura 3.3: Conjunto de funções de proteção executadas pelo relé SEL-300G. ................. 52

Figura 3.4: Imagem representativa do painel traseiro do relé SEL-300G. .......................... 52

9

Figura 3.5: Vista frontal do relé SEL-300G. ....................................................................... 54

Figura 3.6: Configuração da função 59 no software AcSELerator Quickset. ...................... 56

Figura 3.7: Imagem dos elementos componentes de uma UCD.......................................... 58

Figura 3.8: Sistema digital de regulação, supervisão, controle e proteção de Curuá-Una. . 59

Figura 3.9: Gráfico demonstrativo do nº de ocorrências de atuações dos relés respectivos das

duas máquinas. .................................................................................................................... 63

10

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1: Principais funções de proteção aplicadas a geradores síncronos. ..................... 27

Tabela 2.2: Função 27 Proteção de subtensão. .................................................................... 39

Tabela 3.1: Especificações do relé SEL-300G. ................................................................... 53

Tabela 3.2: Atuações dos relés SEL-300G e SEL-387. ....................................................... 62

Tabela 3.3: Funções de proteções do gerador mais atuadas. ............................................... 64

11

SUMÁRIO

RESUMO ................................................................................................................................... 6

ABSTRACT ............................................................................................................................... 7

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO .............................................................................................. 13

1.1 Considerações gerais ....................................................................................................... 13

1.2 Usina Hidroelétrica de Curuá-Una .................................................................................. 14

1.3 Objetivos do Trabalho ..................................................................................................... 15

1.4 Motivação ........................................................................................................................ 15

1.5 Estrutura do Trabalho ...................................................................................................... 16

CAPÍTULO 2 - PROTEÇÃO DO GERADOR ........................................................................ 17

2.1 Considerações Gerais ...................................................................................................... 17

2.2 O gerador síncrono .......................................................................................................... 17

2.2.1 Conceito .......................................................................................................................... 17

2.2.2 Princípio de funcionamento ............................................................................................ 18

2.2.3 Sistema de excitação ....................................................................................................... 19

2.3 Anormalidades em geradores síncronos.......................................................................... 20

2.4 Fundamentos dos sistemas de proteção do gerador contra faltas .................................... 21

2.4.1 Estrutura de um sistema de proteção ............................................................................... 21

2.4.2 Elementos de um dispositivo de proteção ....................................................................... 21

2.4.2.1Bateria ............................................................................................................................ 22

2.4.2.2Transformadores de instrumentos para proteção ........................................................... 22

a) Transformadores de potencial .............................................................................................. 23

b)Transformadores de corrente ................................................................................................. 24

2.4.2.3Relés de proteção ........................................................................................................... 25

2.4.2.4Disjuntores automáticos ................................................................................................ 26

2.4.3 Funções de proteção ........................................................................................................ 26

2.4.3.1Proteção de Sobrecorrente (ANSI 50/51) ...................................................................... 29

2.4.3.2Proteção diferencial (ANSI 87) ..................................................................................... 32

a) Proteção diferencial do gerador (87G) ................................................................................. 33

b) Proteção diferencial do grupo gerador-transformador (87GT) ............................................ 33

2.4.3.3Proteção de perda de excitação (ANSI 40) .................................................................... 33

2.4.3.4Proteção de sequência negativa (ANSI 46) ................................................................... 36

12

2.4.3.5Proteção de terra de campo (ANSI 64) .......................................................................... 37

a) 64-1 - Proteção contra faltas à terra no estator 100% ........................................................... 38

b) 64-2 – Proteção contra faltas à terra no estator 95% ............................................................ 38

c) 64F – Proteção contra faltas à terra no rotor ........................................................................ 38

2.4.3.6Proteção de subtensão (ANSI 27) .................................................................................. 39

2.4.3.7Proteção de Sobretensão (ANSI 59) .............................................................................. 40

2.4.3.8Proteção de sobreexcitação – Volts por Hertz (ANSI 24) ............................................. 40

2.4.3.9Proteção de distância (ANSI 21) ................................................................................... 42

2.4.3.10Proteção de perda de sincronismo (ANSI 25) ............................................................. 44

2.4.3.11Proteção de frequência (ANSI 81)............................................................................... 45

a) Proteção de sobrefrequência (81O) ...................................................................................... 46

b) Proteção de subfrequência (81U) ......................................................................................... 46

2.4.3.12Proteção falha de fusível (ANSI 60)............................................................................ 46

2.4.3.13Proteção anti-motorização (ANSI 32) ......................................................................... 47

CAPÍTULO 3 - IMPACTOS NA MODERNIZAÇÃO DA PROTEÇÃO DA UGH DA UHE

DE CURUÁ-UNA .................................................................................................................... 48

3.1 Breve caracterização da tecnologia eletromecânica ........................................................... 48

3.2 Arquitetura de um relé digital ............................................................................................. 49

3.3 Relé SEL-300G .................................................................................................................. 51

3.3.1 Características gerais do relé ........................................................................................... 52

3.3.2 Parametrização do relé SEL-300G .................................................................................. 54

3.4 Sistema de Proteção de Curuá-Una .................................................................................... 58

3.5 Vantagens obtidas com a implantação dos relés digitais .................................................... 60

3.6 Estudo de caso: Proteções mais atuadas em Curuá-Una .................................................... 62

CAPÍTULO 4 - CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................... 65

4.1 Conclusão ........................................................................................................................... 65

4.2Trabalhos futuros ................................................................................................................. 66

BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................................... 68

13

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1 Considerações gerais

O principal objetivo de um Sistema Elétrico de Potência (SEP) é fornecer energia, de

forma ininterrupta e de ótima qualidade aos consumidores. Entretanto, a energia até chegar a

seu destino final, percorre um longo caminho, passando por sucessivas transformações, para

então ser consumida e atender a demanda do cliente. Por causa disso, condições intoleráveis

de operação podem surgir, causando diversas consequências negativas. Com o intuito de

minimizar, o máximo possível, os possíveis danos aos equipamentos, que compõem o sistema

elétrico, este deve estar protegido de todas as formas e de maneira eficaz. Para ter um bom

fornecimento de energia, é necessário começar de sua geração.

O gerador é um componente extremamente importante para o sistema elétrico. Por

isso, os requisitos de confiabilidade, rapidez, seletividade, segurança e precisão exigidos de

um sistema de proteção tornam-se ainda mais críticos para proteger de maneira eficiente o

equipamento. Com o avanço da tecnologia, os esquemas de monitoramento, além de

efetuarem análises em tempo real, coletam informações confiáveis do sistema durante

situações adversas. Com isso, abre a possibilidade de estudos pós-falta, compreendendo assim

as causas do evento e detectando os fatores que levaram à ocorrência do distúrbio.

Os geradores estão sujeitos a vários tipos de faltas internas, dentre as quais se

destacam os curtos-circuitos. Alémde faltas externas e condições operacionais adversas, como

rejeição de carga, perda de outra unidade geradora importante etc., podem causar um grande

impacto sobre o gerador e danificá-lo seriamente. Estas situações devem ser detectadas e

interrompidas pelos sistemas de proteção antes de danificarem os equipamentos (LENZ e

ROLIM, 2010).

Este trabalho faz um estudo das principais funções de proteções de geradores

aplicadas na Usina Hidroelétrica de Curuá-Una, eas consequências decorridas da automação

do sistema de proteção das unidades geradoras da usina.

14

1.2 Usina Hidroelétrica de Curuá-Una

A Usina Hidroelétrica de Curuá-Una (Figura 1.1)está localizada no Rio Curuá-Una,

palavra esta que tem origem no Tupi-Guarani (Curuá: rio e Una: escuro), na Cachoeira do

Palhão, a 70 km a Sudeste de Santarém, cerca de 850 km de Belém, no Estado do Pará.

Figura 1.1: Usina Hidroelétrica de Curuá-Uma (Fonte Eletrobras-Eletronorte).

O projeto inicial da UHE de Curuá-Una, na década de 1960, tinha por objetivo

abastecer o município de Santarém e região de Aveiro. O projeto da usina previa uma

capacidade instalada de 40MW, produzida por 4 turbinas que seriam instaladas em etapas, de

acordo com o aumento da demanda. No entanto, ocorreu um crescimento populacional da

região maior de que o esperado, aumentando a demanda por energia elétrica. Este aumento

populacional foi devido à descoberta de metais preciosos na região, fato que atraiu muitas

pessoas em busca de trabalho. Atualmente, a UHE de Curuá-Una possui 3 unidades geradoras

hidráulicas, equipadas com turbinas Kaplan, sendo as UGH’s (Unidades Geradoras

Hidráulicas) 1 e 2 com capacidade de geração de 10MW cada uma e a UGH 3 com

capacidade de geração de 10,3MW, totalizando 30,3MW de potência útil. No momento a

Eletrobrás-Eletronorte está viabilizando estudos para a implementação da quarta Unidade

Geradora. No entanto, houve o crescimento da demanda por energia elétrica. Dessa forma, a

UHE de Curuá-Una não pode ser responsável pelo abastecimento total da região, sendo

necessário suprir a deficiência energética nos momentos de pico de consumo. A demanda

extra de energia é garantida pelo sistema interligado de Tucuruí (tramo Oeste).

15

1.3 Objetivos do Trabalho

Este trabalho tem como objetivo geral abordar os assuntos relacionados às principais

funções de proteções aplicadas para um gerador da UHE de Curuá-Una, bem como os

impactos sofridos com a implantação dos relés digitais, em substituição aos obsoletos

eletromecânicos.

Como objetivo específico este trabalho visa:

• Caracterização das principais funções de proteção do gerador, em como cada

uma funciona;

• Descrição breve do sistema de proteção do gerador automatizado da UHE de

Curuá-Una;

• As vantagens de se usar o sistema digital.

• Um estudo de caso pós-falta, para verificação de qual relé foi mais atuado no ano

de 2013: o relé SEL-300G ou SEL-387.

1.4 Motivação

Falar de proteção de qualquer equipamento é algo complexo, ainda mais se tratando

de uma máquina tão robusta e muito importante para o sistema elétrico que é o gerador. Com

o avanço da tecnologia, a era digital invadiu o mercado, trazendo diversos benefícios. Assim,

surge uma infinidade de opções que podem ser trabalhadas. Entretanto, muitas áreas ainda não

foram exploradas. Diversas bibliografias trazem à tona o assunto a respeito de proteção de

geradores, entretanto de maneira muito simples e geral.

Então, como maneira de mostrar algo mais específico, por que não falar das

proteções aplicadas no gerador de uma usina? O processo de automação vem acontecendo em

todos os setores produtivos. Junto com esse processo inovador vem os impactos. Logo, é

importante ressaltar a justificativa da troca de uma tecnologia eletromecânica pela digital.

Neste trabalho todas as vantagens obtidas com o sistema digital foram

contextualizadas. É importante compreender que o mercado nunca fica estagnado. Então é

preciso mostrar que o advento da tecnologia vem pra ajudar o homem de alguma maneira.

Claro que tudo tem suas consequências. Entretanto, adquirir sempre novas informações é

importante para a produtividade da empresa. Estar cercado de novos desafios contribui para

solução de problemas que dantes atormentavam, mas agora não incomodam mais.

16

O sistema elétrico é dinâmico. Cada vez mais, propostas de melhoria serão criadas. A

era da informação proporciona ao profissional as ferramentas em busca de se obter uma

energia de ótima qualidade, protegendo de maneira confiável e segura os equipamentos

responsáveis pela geração da energia. Toda a máquina está sujeita a falhas. Por isso, a

proteção desta precisa se atualizar constantemente. Evitar perdas de equipamentos não só

favorece o fornecedor como também facilita a vida do consumidor, que sempre poderá

usufruir de todas as vantagens que uso da energia elétrica proporciona.

1.5 Estrutura do Trabalho

No capítulo 2 são abordados os conceitos do gerador, desde seu princípio de

funcionamento até aos fundamentos de proteção. O gerador, como qualquer outro

equipamento, está sujeito a diversas anormalidades, tanto internas como externas. Assim,

precisa ser protegido contra possíveis defeitos, para não prejudicar o sistema elétrico. Logo,

existem elementos que o protegem, sendo o principal deles o relé. Então, as principais funções

de proteção aplicadas a um gerador síncrono são explicadas, e como cada uma se comporta

frente a qualquer falta, de origem desconhecida, que poderia trazer algum dano possível ao

gerador.

No capítulo 3 uma descrição resumida do funcionamento dos relés eletromecânicos é

mostrada. Então é explicado o porquê da troca dos relés eletromecânicos pelos digitais

microprocessados. Todas as vantagens obtidas com a inserção desta nova tecnologia na UHE

de Curuá-Una são explicitadas. O sistema de proteção da usina passou por um processo de

automação, aumentando assim a confiabilidade do sistema. Os relés usados são da

multinacional SEL. O que interessa é o qual protege o gerador, recebendo nomenclatura de

SEL-300G, em que suas características são citadas. Como os relés são multifunções então a

quantidade de equipamentos usados na proteção do gerador foi reduzida drasticamente. Cada

UCD, além do relé do gerador, estão presentes os relés do transformador e os de bloqueio. No

final do capítulo um estudo de caso foi realizado. A UHE de Curuá-Una após o processo de

automação do seu sistema de proteção, um relé do grupo gerador-transformador foi mais

atuado. Após descobrir qual foi, são levantadas as possíveis explicações da causa constante de

sua atuação e um gráfico comparativo é indicado.

Para finalizar, no capítulo 4, são apresentadas as conclusões e as sugestões para

trabalhos futuros a respeito do assunto tratado aqui.

17

CAPÍTULO 2

PROTEÇÃO DO GERADOR

2.1 Considerações Gerais

A característica principal de um gerador elétrico é converter energia mecânica em

elétrica. Sabendo da grande importância que o gerador tem para o sistema elétrico de potência

(SEP). Então, este capítulo apresentará de forma bem sucinta as principais formas de proteção

do gerador, principalmente a atuação dos relés de maneira a protegê-lo contra anormalidades

que o mesmo poderá estar sujeito.

2.2 O gerador síncrono

2.2.1 Conceito

O gerador síncrono tem muita aplicabilidade, principalmente em centrais elétricas,

como as hidroelétricas. O nome síncrono se deve ao fato de sua velocidade de rotação ser

igual à velocidade do campo girante (velocidade de sincronismo) com a frequência da tensão

elétrica alternada aplicada nos terminais da máquina. A Figura 2.1 mostra o esquema básico

de um gerador síncrono.

Figura 2.2: Esquema básico de um gerador síncrono (Fonte Maezono).

18

O gerador síncrono é composto por duas partes: a parte girante é chamada de rotor

(campo) e a parte fixa recebe o nome de estator (armadura). A estrutura de campo pode ter

polos salientes ou não e tem como função gerar um campo magnético constante para excitar a

máquina de forma que seja possível a indução de tensões nos terminais dos enrolamentos do

estator. Assim, é aplicada em seus enrolamentos uma tensão contínua. A armadura é montada

em volta do rotor, pra que este possa girar no seu interior. Pelo estator circula toda a energia

elétrica gerada, sendo que, comumente, seus enrolamentos são alimentados por um sistema de

tensões alternadas trifásicas.

2.2.2 Princípio de funcionamento

Como mostrado na Figura 2.1, o giro do eixo da turbina gera uma energia mecânica,

a qual é fornecida ao gerador, nesse caso se a geração de energia for hidráulica. O gerador,

como está ligado à rede elétrica, a tensão medida em seus terminais é controlada pela

frequência de rotação do rotor e pelo número de polos que este possui: para uma dada

frequência desejada, um gerador de mais polos pode girar a uma velocidade menor.

Para a conversão da energia mecânica em elétrica, o eixo da turbina hidráulica

(considerada uma fonte primária de baixa velocidade) é acoplado mecanicamente ao rotor do

gerador onde estão alojados os polos e exerce sobre eles uma força fazendo-os girar a uma

velocidade uniforme dentro do campo magnético, e este movimento irá variar no tempo a

intensidade do campo magnético que atravessa os enrolamentos do estator. E, de acordo com

a lei de Faraday, a uma velocidade linear, ocorrerá uma indução de tensões aos terminais da

armadura. Esta variação da f.e.m. (força eletromotriz) no condutor em função do tempo é

determinada pela lei da distribuição da indução magnética sob um polo. Assim, para o gerador

síncrono a f.e.m. induzida será senoidal e trifásica. A Figura 2.2 mostra o processo de

conversão da energia mecânica para elétrica em usina hidroelétrica, onde a turbina hidráulica

aciona mecanicamente o gerador.

19

Figura 2.3: Processo de conversão de energia mecânica em elétrica em uma usina hidroelétrica (Fonte

Mussoi).

Em uma usina hidroelétrica a energia elétrica é obtida do aproveitamento hidráulico

de um rio. O empreendimento é construído em rios, para que apresente desníveis no curso da

água. Então a parte mais alta é chamada de montante, em que a água é canalizada e é

direcionada por tubulações presentes na usina. Essa força da água em movimento é chamada

de energia potencial. Ao entrar na tubulação as turbinas serão ativadas, e o giro destas

provocará a conversão de energia potencial em energia mecânica. Estas turbinas estão

conectadas ao gerador, responsável pela transformação da energia mecânica em energia

elétrica.

2.2.3 Sistema de excitação

A função do sistema de excitação é estabelecer a tensão interna do gerador síncrono.

Em consequência, o sistema de excitação é responsável não somente pela tensão de saída da

máquina, mas também pelo fator de potência e pela magnitude da corrente gerada

(KINDERMANN, 2008).

A figura 2.3 mostra o diagrama de blocos com a configuração física de um sistema

de excitação típico.

20

Figura 2.4: Configuração típica de um sistema de excitação (Fonte Morais).

A excitatriz é a fonte DC para o campo e sua saída é controlada pelo regulador de

tensão, tal que a tensão gerada assuma o valor desejado. Para isso, o regulador iniciará uma

ação corretiva através da variação do controle da excitatriz, exercendo um papel importante

na estabilidade do SEP. O bloco “Controles Auxiliares” mostrado na Figura 2.3, inclui

funções como adição de amortecimento ao sistema de controle, compensação de corrente

reativa e estabelecimento de limites de sobre e subexcitação.

2.3 Anormalidades em geradores síncronos

Segundo Maezono (2004), os geradores são afetados por:

• Faltas externas, podendo gerar severas vibrações e sobreaquecimento do rotor.

• Sobrecarga, aumentando assim as perdas e elevando a temperatura no

enrolamento estatórico.

• Carga desbalanceada, provocando correntes induzidas de frequência dupla no

rotor.

• Sobretensão dinâmica, quando ocorre um excesso de tensão causando diversos

desequilíbrios no sistema.

• Sobrexcitação em grupo gerador, em que há a ocorrência de níveis excessivos de

densidade de fluxo magnético, fazendo-os percorrer por caminhos não

projetados.

• Faltas internas no estator, estas podem ser curto-circuito a terra ou entre fases ou

entre espiras.

• Faltas internas no rotor, também podem ser de curto-circuito a terra ou entre

espiras.

21

• Perda de campo e perda de sincronismo, em que ao se perder a excitação leva à

ausência de sincronismo. Assim, o gerador passa a rodar de modo assíncrono,

com velocidade acima da síncrona, absorvendo então potência reativa.

• Energização acidental do gerador, em que a corrente resultante é elevada

resultando num rápido aquecimento.

• Sobre ou subfrequência, podendo estressar mecanicamente a máquina e saturar o

circuito magnético respectivamente.

2.4 Fundamentos dos Sistemas de Proteção do Gerador Contra Faltas

2.4.1 Estrutura de um Sistema de Proteção

Devido um sistema de proteção ter uma grande importância, é necessário que este

possua uma estrutura que evite a falha de qualquer de seus componentes. Assim, é estruturado

de três formas: principal, retaguarda e auxiliar.

• Proteção primária: responsável por remover a falta inicialmente, ou seja, em caso

de falta dentro da zona protegida, é quem deverá atuar por primeiro.

• Proteção secundária: responsável por remover as faltas como segunda alternativa,

ou seja, só deverá atuar quando ocorrer falha da proteção primária.

• Proteção auxiliar: é constituída por funções auxiliares da proteção principal e de

retaguarda, cujos objetivos são sinalização, alarme, temporização,

intertravamento etc. (ALMEIDA, 2000).

2.4.2 Elementos de um dispositivo de proteção

Os elementos que compõem um dispositivo de proteção permitem que uma falta seja

detectada, analisada e removida. Dentre os principais estão a bateria, os transformadores de

instrumentos, o relé e o disjuntor automático. A Figura 2.4 mostra um diagrama unifilar

simplificado do posicionamento destes elementos no sistema de proteção.

22

Figura 2.5: Diagrama unifilar dos elementos de um dispositivo de proteção (Fonte Sato).

2.4.2.1 Bateria

Bateria é o dispositivo eletroquímico que armazena energia. Por isso, é o elemento

que garante a continuidade do fornecimento de energia necessária para operar o dispositivo de

proteção, em caso de falha na alimentação principal. Assim, o dispositivo de proteção não

pode ser energizado diretamente da linha.

Portanto, um dispositivo de proteção tem que contar com sua própria fonte de

potência que permita sua operação isolada, sem depender, por um tempo suficiente, de fontes

externas. Em geral, a bateria DC está permanentemente conectada através de um carregador

na corrente alternada dos serviços auxiliares da subestação e, se o circuito AC falhar, tem um

período de funcionamento de 10-12 horas (ALVARADO et. al, 2011).

2.4.2.2 Transformadores de Instrumentos para Proteção

O dado de entrada no relé de proteção deve refletir o estado do sistema de potência.

Embora existam várias exceções, os dados, geralmente usados, são as magnitudes de corrente

e de tensão. Logicamente, devido a seus altos valores, as tensões e correntes atuais na rede

não podem ser usadas diretamente como sinais de entrada dos relés e devem usar elementos

que reduzam esses valores para um nível mais adequado. Esses elementos são os

transformadores de instrumentos para proteção (ALVARADO et. al, 2011).

Segundo Sato (2005), a principal função desses equipamentos é transformar as altas

correntes e tensões do SEP para valores baixos. Os valores nominais dos enrolamentos

secundários desses transformadores são padronizados para que relés e instrumentos de

medidas possam ser conectados.

Os transformadores de instrumentação podem ser: transformadores de potencial

(TP) e transformadores de corrente (TC).

23

a) Transformadores de potencial

São transformadores desenvolvidos para operar com os terminais do secundário com

cargas de elevadas impedâncias, como é o caso da bobina de voltímetros, bobinas

voltimétricas dos relés etc. (SIMONE, 1998). Isso quer dizer que um TP, mostrado na Figura

2.5, é capaz de reduzir a tensão do circuito primário (entrada) para níveis compatíveis

suportáveis pelos instrumentos de medição em seu secundário (saída). A tensão reduzida

obtida no secundário do TP é diretamente proporcional a do primário como mostrado na

equação 2.1:

��� = ���� = ��� (2.1)

Onde:

RTP = Relação de transformação de potencial

E1= Tensão no enrolamento primário do TP

E2 = Tensão no enrolamento secundário do TP

N1 = Número de espiras do primário do TP

N2= Número de espiras do secundário do TP

Segundo a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), para altas tensões em

redes trifásicas a tensão no enrolamento secundário dos transformadores de potencial é

padronizada em 115 V (tensão de linha) ou 66,39 V (tensão de fase). Os TP’s devem suportar

sobretensões dinâmicas do sistema da ordem de 20% acima do valor nominal.

24

Figura 2.6: Imagem real de TP em uma subestação.

b) Transformadores de corrente

São transformadores destinados a operar com seus secundários sobre cargas com

impedância reduzida, como bobinas de amperímetros, bobinas de corrente de relés etc.

(SIMONE, 1998). Seguindo a mesma lógica do TP, o TC, mostrado na Figura 2.6, é capaz de

reduzir suficientemente, no seu secundário, a alta corrente que circula em seu enrolamento

primário a fim de possibilitar o seu uso por equipamentos de medição. A equação referente a

esta redução de corrente é mostrada na equação 2.2:

��� = �� =���� (2.2)

Onde:

RTC = Relação de transformação de corrente

I1 = Corrente que circula no enrolamento primário do TC

I2 = Corrente que circula no enrolamento secundário do TC

Na maioria dos países os enrolamentos secundários dos TC’s são padronizados em 5

A, enquanto que na Europa é difundido o de 1 A. Então, os TC’s são projetados para suportar,

por poucos segundos, correntes elevadas de curtos-circuitos, que podem alcançar 50 vezes o

valor da carga.

25

Figura 2.7: Imagens reais de TC's.

2.4.2.3 Relés de Proteção

Os relés de proteção são os elementos mais importantes do sistema de proteção.

Entende-se que estes funcionam como se fossem o cérebro do processo, já que recebem a

informação, processam-na, tomam as decisões que lhe foram configuradas e ordenam as

medidas a serem tomadas.

Segundo Miñambres et. al (2011), um relé de proteção internamente possui três

estágios:

a) Processamento do sinal.

b) Aplicação da função de proteção.

c) Lógica de acionamento.

O funcionamento dos relés depende dos dados que estes recebem. Entretanto,esses

códigos não podem ser recebidos diretamente dos transformadores de instrumentos. Então o

primeiro estágio citado pelo autor que é de processamento, irá ajustar os sinais de entrada ao

formato utilizado pelo relé.

Após os relés de proteção já possuírem os dados de que precisam, procede aplicar os

critérios de decisão que foram configurados. Esses critérios são estabelecidos usando as

funções de proteção básica que serão discutidas mais adiante. O elemento em cada função

básica é desempenhado e chamado de unidade de medição. Devido à complexidade, é

essencial que várias dessas funções sejam implementadas em um só relé, para que este opere

corretamente.

O terceiro estágio do relé está definido em sua lógica de acionamento, em que após

os resultados fornecidos pelas diferentes funções de proteção, passarão a ser analisados em

26

conjunto, e decidir como o relé deve atuar. Esse processo é configurado utilizando um circuito

de controle auxiliar associado aos disjuntores de operação do relé. O comando se dá através

de contatos que ativam os circuitos de acionamento dos disjuntores.

2.4.2.4 Disjuntores Automáticos

O disjuntor automático é o elemento do SEP que permite a circulação da corrente ou

a aberturado circuito energizado impedindo o fluxo. Sua operação é ordenada pelo comando

do relé de proteção, em que vários disjuntores são coordenados com a finalidade de isolar a

falta.

Quando o relé é sensibilizado por alguma falta, este irá mandar o comando para o

disjuntor abrir o circuito, impedindo a circulação da corrente de falta, e assim permanecerá

por um tempo pré-determinado. Após esse período, o relé manda a informação de religamento

do circuito. Caso a corrente de falta não tenha sido eliminada, novamente ocorre a abertura do

sistema e depois seu fechamento. Se persistir a falta, o relé abrirá novamente o disjuntor,

entretanto, essa terceira abertura permanecerá fixa, só podendo ser desfeita com a intervenção

de um operador.

Segundo Miñambres (2011), o acionamento do disjuntor se dá pelo circuito de

controle (o qual é comandado pelo respectivo relé de proteção), contatos principais (ao

trocarem de posição poderão abrir ou fechar o disjuntor) e contatos auxiliares (em que emitem

informações ao relé indicando se o disjuntor está aberto ou fechado).

2.4.3 Funções de Proteção

Os geradores constituem as peças mais caras no equipamento de um sistema de

potência, e são sujeitos a mais tipos de defeitos que qualquer outro equipamento. Assim, o

desejo de protegê-los contra essas possíveis condições anormais, ao mesmo tempo mantendo

a proteção simples e confiável, pode resultar em consideráveis divergências de opinião. Isto

porque uma operação intempestiva pode ser, às vezes, tão grave quanto uma falha ou demora

de atuação da proteção (CAMINHA, 1977).

Assim, visando cobrir as faltas e demais anormalidades que o gerador síncrono está

sujeito, aplicam-se diversas funções (relés) de proteção. A Tabela 2.1 lista as principais

proteções aplicadas a um gerador.

27

Tabela 2.1: Principais funções de proteção aplicadas a geradores síncronos (Fonte do Autor).

FUNÇÃO

ANSI/IEEE

DESCRIÇÃO

50/51 Proteção de Sobrecorrente (Instantâneo/Temporizado)

87 Proteção Diferencial

40 Proteção de Perda de Excitação

46 Proteção de Sequência Negativa

64 Proteção de Terra de Campo

27 Proteção de Subtensão

59 Proteção de Sobretensão

24 Proteção de Sobreexcitação

21 Proteção de Distância

25 Proteção de Perda de Sincronismo

81 Proteção de Frequência

60 Proteção Falha de Fusível

32 Proteção Anti-motorização

28

A Figura 2.7 mostra o esquema com as principais proteções do gerador.

Figura 2.8: Esquema básico com as principais proteções de um gerador (Fonte Maezono).

29

2.4.3.1 Proteção de Sobrecorrente (ANSI 50/51)

A proteção de sobrecorrente detecta níveis altos de corrente causados por curtos-

circuitos entre duas ou mais fases ou entre uma ou mais fases e a terra. Existem dois tipos de

proteção de sobrecorrente, a proteção de sobrecorrente direcional e a não- direcional. A

diferença entre essas proteções é que a proteção de sobrecorrente direcional considera a

amplitude e o ângulo da corrente medida para definir sua atuação, enquanto a não-direcional

considera apenas a amplitude (SILVA, 2008). Neste tópico será tratada apenas esta última.

Referente ao tempo de atuação do relé, este possui curvas características de dois

tipos: de tempo definido (irá atuar para qualquer valor de corrente igual ou superior à mínima

ajustada) e de tempo dependente(irá atuar em tempos decrescentes para valores de corrente

igual ou superior à mínima de atuação).

Figura 2.9: Curva característica: de tempo definido (a) e de tempo dependente (b) (Fonte Almeida).

A Figura 2.8 ta é o tempo de atuação e IMIN,AT é a corrente mínima de atuação. Estes

são os parâmetros de ajustes para que se obtenham os gráficos da Figura 2.8 (tempo x

corrente) referente ao tipo de característica do relé.

Em relação à curva de tempo dependente, esta pode ser classificada em três grupos:

Normalmente Inversa (NI), Muito Inversa (MI) e Extremamente Inversa (EI).

30

Figura 2.10: Curvas características de tempo normalmente inversa (NI), muito inversa (MI) e

extremamente inversa (MI) (Fonte Almeida).

Essas curvas são definidas, por norma segundo Almeida, a partir de equações

exponenciais do tipo a (2.3):

�� = � ���(�)∝ − 1 (2.3)

Onde:

ta =tempo de atuação do relé.

k e α = constantes que, dependendo do valor recebido, irão definir os grupos (NI, MI

ou EI).

M = múltiplo de corrente.

TMS = valores diferencias de tempo, em que seus valores deslocam as curvas ao

longo do eixo do tempo.

Os relés de sobrecorrente são compostos por duas unidades: instantâneas e

temporizadas, nos equipamentos elétricos estas recebem os números 50 e 51, respectivamente.

A unidade 50 atua instantaneamente ou segundo um tempo previamente definida. As unidades

instantâneas trabalham com dois ajustes: corrente mínima de atuação e tempo de atuação. A

unidade 51 pode atuar com curvas de tempo dependentes ou de tempo definido. As unidades

de tempo dependentes permitem dois tipos de ajustes: corrente mínima de atuação e curva de

atuação (VIANA, 2010). A Figura 2.10 mostra o esquema básico da disposição da proteção de

sobrecorrente na saída do gerador.

31

Figura 2.11: Esquema básico da proteção de sobrecorrente da saída de um gerador (Fonte Almeida).

Dependendo das funções exercidas pelos relés 50/51, estes recebem nomenclaturas

que simplesmente são uma complementação da tabela ANSI.

• 50N/51N: proteção de sobrecorrente instantâneo de neutro/ proteção de

sobrecorrente temporizado de neutro (tempo definido ou curvas inversas).

• 50G/51G: proteção de sobrecorrente instantâneo de terra/ proteção de

sobrecorrente temporizado de terra (tempo definido ou curvas inversas). Esta irá

detectar falhas na terra em redes aterradas de baixa impedância.

• 50P/51P: proteção de sobrecorrente instantâneo de fase/ proteção de

sobrecorrente temporizado de fase. Usada em condição de sobrecarga.

• 50BF: proteção contra falha de disjuntor. Esta irá atuar disparando qualquer

disjuntor acima no circuito. Caso, a falha não desaparecer com o disparo inicial

do disjuntor 52.

• 51V: proteção de sobrecorrente com restrição de tensão. Irá operar para falhas a

jusante que não tenham sido eliminadas por outros relés. A dependência da

tensão proporciona segurança contra operação indevida durante condições de

sobrecarga, mas permite melhorar sensibilidade requerida pela capacidade

limitada do gerador de fornecer uma corrente confirmada de curto-circuito.

32

2.4.3.2 Proteção Diferencial (ANSI 87)

Esse tipo de proteção compara magnitudes elétricas de entrada e saída do

equipamento protegido, e atua quando o vetor diferença de duas ou mais magnitudes similares

excede o valor preestabelecido ou ajustado. A Figura 2.11 representa o esquema unifilar do

relé 87.

Figura 2.12: Representação em unifilar do relé 87 (Fonte Mardegan).

Na proteção de sistemas elétricos de potência, é uma das funções mais utilizadas,

tanto que até mesmo outros relés realizam o seu papel, como é o caso dos relés de

sobrecorrente. Segundo Kindermann (2005), a proteção diferencial é largamente empregada

na proteção de transformadores de potência, cabos e linhas de transmissão, máquinas rotativas

dos curtos-circuitos, o qual produz elevadas correntes de curto-circuito.

A Figura 2.12 mostra um esquema simplificado da proteção diferencial de um

gerador.

Figura 2.13: Esquema simplificado da proteção diferencial (Fonte Kindermann).

33

O relé diferencial pode ser comum (só atuará para faltas internas - dentro da zona

delimitada pelos TC’s, ou seja, só entrará em operação quando ocorrer a diferença vetorial das

correntes de entrada e saída) e percentual (este possui operação normal no defeito fora da

zona protegida).

O relé diferencial 87, assim como outros, também recebe complementações da norma

ANSI. Os principais aqui citados são:

a) Proteção diferencial do gerador (87G)

A ocorrência de faltas internas no gerador, como faltas à terra, fase a fase e de espira

a espira, requer uma proteção especial, neste caso, os relés diferenciais. Estes devem ter

atuação rápida para curto-circuito interno, e bastante sensível, para que possam detectar falhas

de baixa corrente.

b) Proteção diferencial do grupo gerador-transformador (87GT)

Esta proteção é bastante importante, porque ela trabalha o conjunto gerador e o

respectivo transformador elevador. Isto porque, além de oferecer proteção contra qualquer

falha no transformador, também atua como retaguarda para a proteção diferencial do gerador.

2.4.3.3 Proteção de Perda de Excitação (ANSI 40)

Segundo a Norma IEE Std C37.102TM (2006), a excitação em máquinas síncronas

pode ser completa ou parcialmente perdida por meio de:

• Abertura acidental do disjuntor de campo;

• Ocorrência de um curto-circuito no circuito de campo;

• Falha no regulador de tensão;

• Mal contato nas escovas de excitatriz;

• Falha na fonte de alimentação do sistema de excitação.

Quando um gerador síncrono pede a excitação, ele acelera ligeiramente e opera como

um gerador de indução; ou seja, puxa corrente reativa da rede, ao invés de fornecer

34

(CAMINHA, 1977). Assim, o campo do rotor perde repentinamente sua força magnetomotriz

– fmm, e começa a girar com uma velocidade diferente da nominal, perdendo o seu

acoplamento magnético com o estator, e ocasionando uma redução do ângulo da potência

ativa de saída da máquina. Logo, há uma injeção de correntes reativas induzidas pelo sistema

no corpo do rotor, enrolamentos amortecedores e enrolamentos de campo gerando então

aquecimento excessivo. A Figura 2.13 mostra o comportamento do gerador após perder sua

excitação.

Figura 2.14: Comportamento da tensão terminal (Vt), potência ativa (P) e potência reativa (Q) após a

perda de excitação do gerador (Fonte Morais).

De acordo coma Figura 2.13, a absorção de potência reativa do sistema pelo gerador

desencadeia uma queda na tensão terminal do mesmo, causando problemas de instabilidade

angular, perdas de carga etc.

Este desequilíbrio ocorre em um curto espaço de tempo, e por isso um equipamento

de proteção rápido e automático deve atuar. Assim, é usado um tipo de relé direcional de

distância (mho ou admitância) alimentada pela tensão e corrente alternada do gerador

principal.

O principal objetivo da proteção da função 40 (que no fundo é um relé de distância)

consiste em assegurar que quando o gerador entrar na região de subexcitação, não ocorra a

perda de campo, com provável consequência a retirada do gerador do sistema.

O primeiro modelo de proteção consiste no qual foi proposto por Mason, em 1949.

Um relé de distância mho offset, polarizado para monitorar a impedância vista dos terminais

do gerador (ANSI 40). Os ajustes para o cumprimento do modelo são o afastamento da

origem no plano R-X (offset), cuja configuração recomendada é igual a metade da reatância

35

transitória de eixo direto da máquina (X’d/2), e o diâmetro da característica de operação, igual

ao valor da reatância síncrona de eixo direto (Xd).

Figura 2.15: Modelo de proteção proposto por Mason (Fonte Morais).

De acordo com Kindermann, o relé de Admitância é definido pela equação 2.4:

�′ = ���� cos(# − $) (2.4)

Onde:

Z’: impedância de admitância

Kd: constante relacionada ao torque de operação.

Kv: constante relacionada ao torque de restrição.

r: ângulo de máximo torque.

θ: ângulo de defasagem entre tensão e corrente.

Quando a máquina perde o campo, a tensão deste começa a decair exponencialmente.

O que inicialmente o ângulo entre as tensões do gerador estava no 1º quadrante, após a perda

de excitação, a tensão terminal da unidade geradora decresce, fazendo o ângulo cair para o 4º

quadrante. Como a tensão do sistema é constante, quem vai realizar a trajetória de decaimento

é a impedância até entrar na característica do elemento de perda de campo, representado na

Figura 2.14 pelo diâmetro traçado por Mason, e então o relé dispararia.

Para maximizar a área de operação da curva de capacidade da máquina síncrona

delimitada pela limitação por excitação mínima, e a necessidade de se adotar um esquema de

proteção de maior seletividade, em que a proteção não atue de forma incorreta devido a outras

36

condições anormais de operação, duas zonas de proteção para o relé mho são utilizadas. Este

modelo segue o qual foi proposto por Bedy, em 1975. A Figura 2.15 mostra o esquema de

proteção.

Figura 2.16: Modelo proposto por Bedy para proteção contra perda de excitação com duas unidades mho

com offset(Fonte Morais).

O elemento 40 consiste de duas zonas mho impedância de sequência positiva. Zona 1

(Z1) será sempre aplicada como zona interna. Considerada região crítica, é ajustada com

retardo de tempo muito curto, para que uma possível perda de campo, o deslocamento da

impedância aparente ao chegar na Z1, o relé quase que instantaneamente atuará, impedindo

assim a perda total de excitação da máquina. A zona 2 (Z2) possui um retardo de tempo maior,

a qual representa condições leves de perda campo.

2.4.3.4 Proteção de Sequência Negativa (ANSI 46)

A função de sequência negativa detecta desbalanços de corrente, com ou sem terra.

Este desequilíbrio em um sistema trifásico fará com que apareçam as componentes simétricas

de sequência negativa.

Segundo Mardegan publicou na revista “O setor elétrico” o surgimento de sequência

negativa (I2) pode se dar das seguintes formas:

• Uma ou duas fases abertas;

• Carga desequilibrada (Circuitos primários de distribuição);

• Curto-circuito fase-fase, bifásico ou bifásico-terra.

37

O desbalanço produz campo girante no sentido reverso e induz correntes de

frequência dupla no rotor, podendo haver aquecimento severo tanto no rotor quanto nos

enrolamentos amortecedores.

Assim, são usados elementos instantâneos de sobrecorrente que sensibilizam com

corrente de sequência negativa. Estes são providos de uma função de alarme separada para

alertar o operador da condição existente de desequilíbrio. A temporização para o alarme é de

um tempo definido, suficiente para eliminar a falha. Caso contrário, será ordenada a abertura

automática do disjuntor principal do gerador, retirando assim a máquina do sistema.

2.4.3.5 Proteção de Terra de Campo (ANSI 64)

Em usinas hidroelétricas, a topologia de aterramento mais utilizada nos geradores

síncronos é o aterramento de alta impedância. Para esta realização, é utilizado um

transformador de distribuição, em que o neutro do enrolamento da máquina geradora é

conectado à terra através do primário do transformador. No lado secundário deste um resistor

é conectado, com um valor de resistência não muito alto para limitar as corrente de falta

monofásicas à terra, já que devido à relação de transformação, esta resistência é vista pelo

gerador como um valor elevado. A Figura 2.16 mostra o esquema do aterramento de alta

impedância.

Figura 2.17: Esquema do aterramento de alta impedância (Fonte Manual de instruções da SEL).

Relés diferencias e de sobretensão participam da proteção contra faltas à terra.

Entretanto, para topologia de aterramento com alta impedância as correntes de falta a terra

podem ser muito pequenas,dificultando assim a detecção da falta pela proteção diferencial.

Assim, a função de proteção mais utilizada em usinas hidroelétricas é a de sobretensão. O relé

respectivo é conectado em paralelo com o resistor mostrado na figura 2.16. Usando esse

38

método, a sensibilidade para a detecção de faltas para terra é maior, isso devido à relação de

transformação do transformador de distribuição.

Então, este tipo especial de proteção de sobretensão denominado de 59GN, pela

norma ANSI, também recebe a nomenclatura de 64. O relé de sobrecorrente também é usado

para a proteção de terra de campo. Serve como retaguarda em caso de falha do relé de

sobretensão.

No entanto, em casos de uma falta muito próximos ao neutro da máquina, a tensão do

neutro causada pela falta cai abaixo da sensibilidade mínima do elemento de sobretensão.

Fazendo o relé não atuar, ou até mesmo operar indevidamente. Por isso, os parâmetros dessa

função são projetados para proteger 95% a 100% dos enrolamentos do gerador.

a) 64-1 - Proteção contra faltas à terra no estator 100%

Falta à terra em pontos próximos ao neutro ou no próprio fechamento do neutro

precisam ser detectados, uma vez que, no caso de um segundo curto-circuito fase-terra num

outro ponto da máquina, a falta será plena, sem a limitação introduzida pelo aterramento da

alta impedância (MAEZONO, 2004).

Assim sendo, por ser de grande perigo para o sistema elétrico, se utiliza uma

proteção para detectar curtos-circuitos a terra em 100% do enrolamento estatórico.

b) 64-2 – Proteção contra faltas à terra no estator 95%

Esta proteção detecta eventuais contatos do enrolamento do estator à terra. A

instalação deste relé será sensível a faltas à terra de 0 a 95% do enrolamento, sendo que outros

5% perto do neutro ficarão desprotegidos

.

c) 64F – Proteção contra faltas à terra no rotor

O circuito de campo de geradores síncronos é um sistema DC não aterrado. Um

defeito na isolação do rotor ou uma simples falta à terra em qualquer ponto do circuito de

campo, não afetará a operação do gerador, nem produzirá qualquer efeito ou dano na

máquina. Entretanto, em caso de ocorrência de um curto-circuito num segundo ponto,

implicará na perda de várias espiras do enrolamento do rotor, produzindo fluxos

desbalanceados nos entreferros da máquina. Assim, a proteção terra-rotor tem a função de

39

detectar a primeira falta para a terra e nesta situação acionar um alarme ou retirar a máquina

de operação.

Figura 2.18: Esquema da proteção terra-rotor (Fonte Sato).

2.4.3.6 Proteção de subtensão (ANSI 27)

As faltas próximas, ou a perda de um gerador, ou um aumento na demanda do

sistema reduzem a tensão de saída gerada. A excitatriz aumenta o campo para compensar esta

redução de tensão, causando um sobreaquecimento do estator e do rotor do gerador.

O relé 27 opera quando a tensão elétrica atingir níveis de tensão abaixo de valores

requeridos. Este mede as três tensões linha a linha e, sempre que a menor delas cair abaixo da

configuração de acionamento feita pelo usuário para um estágio específico, esse estágio será

acionado e um sinal de partida será emitido. Se a situação de falha permanecer por mais

tempo que a configuração de atraso do tempo de operação estabelecida pelo usuário, um sinal

de desarme será emitido.

A Tabela 2.2é um exemplo indicando as configurações, que normalmente são feitas

para a utilização do relé, valores estes extraídos do manual de instruções da ABB.

Tabela 2.2: Função 27 Proteção de subtensão.

Parâmetro 27 Faixa Incremento

Ajuste de partida 20 a 200 volts 1 volt

Retardo 0 a 60.0 segundos 1 segundo

40

2.4.3.7 Proteção de Sobretensão (ANSI 59)

A função 59 é utilizada para proteger equipamentos, neste caso o gerador, contra

estresse na isolação provocada por excesso de tensão.

Pode-se aplicar função de sobretensão sob as seguintes condições:

• O ajuste deve ser tal ponto para que não ocorra uma tensão acima de 10% da

tensão de fornecimento. Isto fará que somente uma entrada de tensão de fase

deva ser excedida para uma condição de partida.

• A função deve ser temporizada, com característica de tempo definido ou de

tempo inverso, para dar tempo de atuação do regulador de velocidade em casos

de variação momentânea. Este retardo definido oferece uma temporização para

permitir condições transitórias no sistema.

• Uma função instantânea pode ser ajustada para sobretensão severa.

Assim como os relés de sobrecorrente, os de sobretensão são apresentados em duas

versões, de acordo com suas características:

a) Relés de sobretensão instantâneos (59I).

b) Relés de sobretensão temporizados (59T).

2.4.3.8 Proteção de Sobreexcitação – Volts por Hertz (ANSI 24)

A sobreexcitação é caracterizada pela relação tensão/frequência (V/Hz), em que os

níveis de densidade de fluxo estão acima do normal. E, como consequência deste tipo de

operação pode ocorrer saturação no núcleo magnético, fluxo em componentes não laminados,

gerando assim correntes excessivas no campo, desencadeando um severo aquecimento das

estruturas do núcleo e o isolamento, provocando falhas no gerador.

Os danos por sobreexcitação, tipicamente acontecem durante os períodos de

operação fora da frequência da máquina; ou seja, partida e parada do gerador, como o sistema

de excitação é ajustado de maneira a manter a saída com a tensão nominal. Então durante

períodos em que o gerador é conectado ao sistema, uma falha do regulador de tensão poderá

causar sobreexcitação.

Assim, a função 24 (V/Hz) é utilizada para proteger geradores e transformadores

contra níveis excessivos de densidade de fluxo magnético. Por isso, as limitações dos

41

equipamentos são importantes para se determinar os ajustes dessa função, cobrindo assim

todos os limites.

Para o relé, os esquemas de proteção contra sobreexcitação são:

• Relé V/Hz tempo definido

Atua quando a sobreexcitação tem estado presente por um intervalo de tempo

previamente definido e é ajustado para uma determinada relação V/Hz. O ajuste de operação

rápida para grandes variações, fica entre 1,15 e 1,20 pu e com temporização entre 1 e 5 s, e

um ajuste lento com variações menos severas, geralmente acima de 1,10 pu e tempo de

atuação de entre 40 e 60 s (CARRASCO, 2009).

• Relé V/Hz de tempo inverso

Este esquema baseia a operação em uma curva de tipo inverso, ou seja, que atua mais

rápido para valores V/Hz maiores (CARRASCO, 2009).

A figura 2.18 mostra características possíveis de proteção, cobrindo os limites.

Figura 2.19: Característica ideal de proteção da função 24 (Fonte Morais).

De acordo com a Figura 2.18, o limite do gerador é representado pela curva em

preto. Já a curva azul é composta por pares de valores de característica térmica que modela o

aquecimento que a sobreexcitação provoca sobre o equipamento protegido. O gráfico da

direita mostra um esquema que incorpora dois elementos de tempo definido com ajustes

diferentes.

42

2.4.3.9 Proteção de distância (ANSI 21)

A proteção de distância compara duas grandezas: a corrente (I) no local de instalação

do relé, com a tensão (V) também no local correspondente, amostradas por TP’s e TC’s

conectados ao sistema elétrico, como na mostrado na Figura 2.19. Da comparação entre V e I

resulta Z = V/I, ou seja, a impedância “vista” ou “medida” pelo relé.

Figura 2.20: Relé de distância (21), conectado a um sistema elétrico através de TP e TC (Fonte Almeida).

Quando ocorrer uma falta, a impedância vista será a razão da tensão e corrente do

ponto de instalação do relé. Então, este irá medir a distância d (km), do seu ponto de inserção

até a falta. Daí o nome relé de distância. Normalmente é classificado em três tipos básicos:

impedância, mho ou admitância (seção 2.4.3.3) e reatância (que para efeito simplificado, é

um relé direcional seletivo que pode distinguir distância baseando-se apenas na componente

reativa da impedância).

O elemento 21 é utilizado como proteção principal em linhas de transmissão, mas

serve de retaguarda para outros componentes do SEP, como o gerador. A Figura 2.20 mostra

um exemplo de uma ligação do relé de distância a um transformador triângulo-estrela, em que

as tensões e correntes equivalentes devem ser usadas segundo a relação de transformação para

que o relé possa calcular a impedância correta da ocorrência de alguma possível falta.

43

Figura 2.21: Esquema de ligação de um relé de distância de proteção de fase (Fonte Almeida).

Como os relés de distância são indiretos, como pode ser observado na Figura 2.20,

medem, portanto impedâncias secundárias (ALMEIDA, 2000). Assim, os valores respectivos

do lado primário devem ser refletidos no lado secundário dos TP’s e TC’s, vide equação 2.5.

�& = '&�& =()

*+,-)

*+.= '/�/

������ = �/

������ (2.5)

Onde:

Zs: impedância secundária medida pelo relé;

Zp: impedância primária;

Vs: tensão secundária dos TPs;

Is: corrente secundária dos TCs;

Ip: corrente primária dos TCs;

Vp: tensão primária dos TPs;

Uma vez que os relés de distância medem impedâncias, é importante que suas

características de operação sejam traçadas no plano R-X (plano de impedância). Essa

providência facilita bastante a aplicação desses relés. Os ângulos das impedâncias medidas

por esses relés dependem dos sentidos (sinais) dos fluxos de potências ativas e reativas no

elemento protegido. As impedâncias medidas se apresentarão em um dos quadrantes do plano

R-X conforme mostra a Figura 2.21.

44

Figura 2.22: Localização de Z no plano R-X de acordo com o fluxo de potência (Fonte Almeida).

O elemento 21 opera como se fossem três relés em um só. As características de

atuação da 1ª, 2ª e 3ª zonas são mostradas na Figura 2.22.

Figura 2.23: Zonas de relé de impedância (Fonte Sato).

Segundo mostra a Figura 2.22 a zona 1a é onde o relé praticamente atua de forma

instantânea, opera com cerca de 70% da impedância de carga nominal da máquina.

Entretanto, como o sistema é redundante para evitar possíveis falhas do relé primário, as

zonas 1 e 2 servem como proteções de retaguarda, em casos da 1ª zona não eliminar a falha.

2.4.3.10 Proteção de Perda de Sincronismo (ANSI 25)

A perda de sincronismo dos geradores síncronos pode ser devido a um defeito de

excitação (abertura involuntária do disjuntor de campo; rompimento de um condutor; ou por

defeito no sistema de regulação) ou a uma causa exterior (curto-circuito na rede; desligamento

de um importante consumidor de carga indutiva; ou conexão a uma longa linha em vazio)

(CAMINHA, 1977).

45

Como consequência da perda, podem ser induzidas elevadas correntes e oscilações

no conjugado que podem causar estresse mecânico no eixo do rotor e na turbina.

O operador pode atribuir um contato de saída físico para a função lógica 25. As

condições para emitir essa saída, segundo os especialistas, são a diferença de ângulo de fase, a

diferença de tensão e a frequência de escorregamento estejam dentro dos limites ajustados.

A perda de sincronismo tem acarretado diminuição da impedância vista desde os

terminais da máquina, logo esquemas de proteção de impedância têm sido usados para

detectar essa condição (CARRASCO, 2009). Assim sendo, na prática não é usual o emprego

dessa proteção, visto que ela já é protegida pelas faltas que resultariam na perda de

sincronismo, como proteção contra perda de excitação.

2.4.3.11 Proteção de Frequência (ANSI 81)

A função de sobre/subfrequência atua quando a frequência do sistema sai do valor

nominal, ou seja, 60 Hz, e, assim, se mantém por um determinado período, abaixo ou acima

do valor pré-estabelecido. A Figura 2.23 mostra um esquema de um gerador equipado com

um relé baseado em medida de frequência.

Figura 2.24: Esquema do relé de frequência (Fonte Revista Controle e Automação).

A Figura 2.23 mostra o gerador síncrono (GS) alimentando uma carga (L). A

diferença da potência fornecida pelo gerador (PGS) e a potência consumida pela carga (PL) é

fornecida, como na figura, pela rede elétrica ou sistema de distribuição (PSIS). Logo, a

frequência do sistema é constante. Entretanto, se o disjuntor (DJ) abrir por algum motivo,

como por exemplo, a falta em algum ponto da rede, o subsistema composto pelo gerador e a

carga torna-se ilhado. Nesse momento, a frequência começa a oscilar, devendo a função do

elemento 81 detectar a anomalia e corrigir o problema.Segundo Freitas publicou na Revista

46

Controle e Automação a equação 2.6 mostra o cálculo realizado para a detecção da variação

da frequência.

∆2 = � 23 ∆�2 4 , 6789# :; 4< (2.6)

Onde:

t: máximo tempo requerido para a detecção do ilhamento.

H: constante de inércia da máquina.

∆P: fluxo de potência do sistema, em pu.

f0: frequência da rede.

Esta proteção também recebe complementações, que são referentes às características

particulares:

a) Proteção de sobrefrequência (81O)

A operação com sobrefrequência pode indicar uma sobrevelocidade, sendo

extremamente nociva às partes rotativas do grupo gerador, pela força atuante, e aos mancais

(LIMA, 2002). Pode ocorrer ainda desligamento de disjuntores por faltas no lado da carga.

b) Proteção de subfrequência (81U)

A subfrequência pode indicar uma sobrecarga, ou seja, alta corrente de estator. Há

redução de ventilação, portanto, ocasionando uma redução na potência aparente da máquina,

podendo até mesmo haver perda de unidades geradoras.

Assim, dada essas complementações do elemento 81, o relé é capaz de detectar as

variações de valores de frequência, permitindo atuar com diferentes ajustes temporizados.

2.4.3.12 Proteção Falha de Fusível (ANSI 60)

O elemento 60 também chamado de relé de balanço de tensão pode ser usado para

bloquear outros relés ou demais funções que operariam incorretamente quando a tensão da

47

rede destruir o fusível. Este último tem o importante papel de proteger o enrolamento primário

do transformador.

Assim, quando uma súbita perda de potencial acontecer na ausência de corrente de

falha, é assumida a condição de fusível queimado, e os elementos de proteção dependentes da

tensão são bloqueados e a lógica de fusível queimado é estabelecida.

2.4.3.13 Proteção Anti-motorização (ANSI 32)

No gerador, esta função tem por objetivo visualizar uma motorização, ou seja, se há

uma inversão do fluxo de potência ativa. Na eventualidade da perda de potência mecânica de

entrada ao gerador, este passa a absorver potência ativa ao invés de entrega-la, passando a

operar como motor.

A função 32 na direção reversa (32R) detecta este retorno de energia permitindo que

a máquina seja retirada de serviço para protegê-la contra danos mecânicos e outros perigos.

Segundo Mardegan publicou na revista “O setor elétrico”, a sensibilidade e o ajuste

do relé dependem do tipo de máquina primária envolvida, visto que a potência necessária para

motorizar é função da carga e das perdas nas engrenagens da máquina primária. A proteção

contra motorização visa a turbina. E, dependendo de seu tipo, deve ter uma grande

sensibilidade no sentido inverso (da ordem de 1,0 % da potência nominal do gerador).

Existem as funções 32O e 32U (Proteção de sobre e subpotência), que de uma

maneira geral são usadas para disparar ou dar um alarme se um nível de potência gerado

estiver fora dos limites ajustados.

48

CAPÍTULO 3

IMPACTOS NA MODERNIZAÇÃO DA PROTEÇÃO DA UGH DA UHE

DE CURUÁ-UNA

A intensificação da automação de processos vem implicando em profundos impactos

nos processos produtivos em diversos segmentos industriais e em toda a sua cadeia produtiva

(FONSECA, 2007). Na Usina Hidroelétrica de Curuá-Una que alimenta um desses processos

produtivos não é diferente, em que os dispositivos de proteção do gerador, principalmente os

relés eletromecânicos, obsoletos estão sendo substituídos por equipamentos mais modernos e

microprocessados.

3.1 Breve Caracterização da Tecnologia Eletromecânica

A tecnologia eletromecânica estava bem estabelecida e sempre teve uma vida útil

longa (acima de 30 anos). Seus hardwares não avançavam com rapidez, o que demorava a

tornar-se obsoleto e também não sofriam interferências eletromagnéticas.

O funcionamento do relé eletromecânico se dá quando a bobina é percorrida por uma

corrente elétrica, criando assim um campo magnético que atua sobre uma armadura móvel,

instalada nas proximidades do eletroímã, atraindo-a. Nesta atração ocorre um movimento que

ativa os contatos, os quais podem ser abertos, fechados ou comutados, dependendo da posição

que estes se encontram.

Figura 3.25: Foto de um relé eletromecânico (Fonte Comat Releco do Brasil).

49

O uso dos relés eletromecânicos na proteção das unidades geradoras da UHE de

Curuá-Una era individualmente para cada função de proteção específica, não havendo assim

redundância de proteção no circuito. A velocidade de operação era lenta, muitos ruídos e

arcos eram produzidos ao se acionar os contatos. Com o advento da tecnologia a aplicação

dos sistemas digitais haveria uma maior flexibilidade operativa, uma integração e

processamento das funções de proteção e controle e a exploração de um novo nicho pelos

fabricantes desses sistemas.

3.2 Arquitetura de um relé digital

Relés digitais são dispositivos eletrônicos gerenciados por microprocessadores

específicos. A utilização desses tipos de relés tem trazido grandes vantagens, principalmente

porque ao invés de se ter um elemento para cada função de proteção, os relés digitais

concentram várias funções de proteção no mesmo dispositivo, sendo chamados de relés

multifunção. Assim, é possível ter uma redundância no sistema. Além disso, o operador tem

sua vida facilitada, já que são programáveis. Basta conectar um computador e fazer as

configurações devidas, podendo alterar tempos de disparo e diversas outras finalidades.

Funcionando como “cérebro” de todo processo, pois recebem os dados, analisa-os e os

executa conforme os ajustes implementados.

Segundo Kindermann (2005), o relé digital, de um modo geral, funciona

internamente associando várias lógicas de blocos, como mostra a Figura 3.2.

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Figura 3.1: Relé digital (Fonte Kindermann).

Onde:

Sinais de tensão e corrente: por onde entram os sinais analógicas das correntes e

tensões via TC e TP, respectivamente.

Redutor de sinal: produz a adaptação dos sinais de entrada ao circuito do relé digital.

Neste bloco, ocorre o desacoplamento físico entre os circuitos de entrada e de saída, realizado

pelos transformadores auxiliares.

Filtro Analógico: produz, conforme a necessidade da função requerida, uma

filtragem de sinais indesejáveis.

Multiplexador: faz a multiplexação dos sinais de entrada.

Amostragem/Sustentador: faz a preparação dos sinais analógicos em sinais de

amostragem por ciclo para a possível conversão em digitais.

Conversor A/D: transforma os sinais amostrados em sinais digitais.

Filtro digital: faz a estabilização dos sinais digitais.

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Lógica do relé digital: traz a lógica de operação do relé, a qual depende do algoritmo

aplicado e da função de proteção desejada. Este bloco pode conter entradas digitais capazes de

alterar a lógica de proteção do relé informando, por exemplo, o estado de disjuntores e chaves

seccionadoras.

Saídas digitais e analógicas: são destinadas a cumprir as funções do relé, podendo

estar associadas a alarmes, controles, dados para supervisão, comando para outros relés e

principalmente comando de abertura para disjuntores.

Dados para armazenamento: armazena dados necessários para efetuar análise do

desempenho da atuação da proteção e das condições do sistema durante a ocorrência da falta.

Interface Homem-Máquina (IHM): como o próprio nome diz é o espaço que há a

interação do homem com a máquina diretamente do relé. O objetivo desta interação é a

operação e controle efetivos da máquina no lado do usuário, o que auxilia o operador na

tomada de decisões operacionais.

Fonte: alimentação necessária para o funcionamento do relé.

Os relés digitais utilizados no sistema de proteção da UHE de Curuá-Una são da

SEL, uma multinacional americana. Como o foco é a geração, o relé de proteção do gerador

usado é o da SEL-300G.

3.3 Relé SEL-300G

O relé SEL-300G é projetado para oferecer um conjunto completo de funções de

proteção para todos os tamanhos de geradores síncronos, de 1MW ou maior. A Figura 3.3

mostra um esquema geral das funções de proteções que o relé da SEL-300G abrange.

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Figura 2.3: Conjunto de funções de proteção executadas pelo relé SEL-300G (Fonte Manual de instruções

da SEL).

3.3.1 Características gerais do relé

O relé da UHE de Curuá-Una contempla todas as funções de proteções apresentadas

na Figura 3.3, inclusive a função diferencial por fase (87) e o verificador de sincronismo (25),

que são opcionais, mas são importantes para detecção de falta do enrolamento primário nas

máquinas geradoras e o relatório que resume as condições do sistema durante a operação de

sincronismo respectivamente. A Figura 3.4 mostra uma imagem representativa do painel

traseiro do relé SEL-300G.

Figura 3.3: Imagem representativa do painel traseiro do relé SEL-300G (Fonte Manual de instruções da

SEL).

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A tabela 3.1 mostra as especificações de cada numeração. Essas caracterizações

foram extraídas do manual de instruções da SEL-300G.

Tabela 3.3: Especificações do relé SEL-300G.

Número Especificação

1 8 saídas digitais, sendo que 7 são programáveis pelo operador (OUT101-

107) e 1 é o auto monitoramento do relé (ALARM).

2 6 entradas digitais (IN101-106).

3 1 porta serial no padrão EIA-432 (estabelece somente as características

elétricas para comunicação entre equipamentos, utilizando um barramento

multiponto).

4 2 portas seriais no padrão EIA-232 (comumente usado nas portas seriais dos

PCs).

5 12 saídas digitais programáveis pelo operador (OUT201-2012), sendo que

estes contatos possuem uma grande capacidade de interrupção de corrente.

6 8 entradas digitais (IN201-208)

7 4 entradas de corrente (IA, IB, IC e IN)

8 Entradas de tensão

9 Entrada de tensão para sincronismo opcional (VS, NS).

10 3 entradas de correntes opcionais (IA87, IB87, IC87).

11 Fonte de alimentação

O relé em estudo possui 11 entradas analógicas com relatórios de eventos completos

e Registros Sequenciais de Eventos (SER). Este pode se comunicar com os demais

equipamentos de proteção ou a um PC via protocolos ACSII, Binários e Modbus através das

portas EIA-232 e/ou EIA-485. O dispositivo ainda possui terminais para sincronismo de

tempo via IRIG-B. A figura 3.5 mostra uma visão frontal do relé SEL-300G.

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Figura 3.4: Vista frontal do relé SEL-300G (Fonte Manual de instruções da SEL).

Além das funções de proteção, este relé é capaz de executar funções de lógica e

monitoramento que incluem:

• Monitor de disjuntor e monitor de baterias e medição com alta precisão;

• Painel frontal configurável, em que é possível verificar o estado da máquina

protegida e consultar suas grandezas medidas sem pressionar os botões do painel;

• As equações de controle SELOGIC permitem que o operador especifique as

entradas do relé para que as saídas do relé sejam especificadas. Essa combinação

de elementos só é possível através dos operadores lógicos (OR, AND, Inversor

etc.).

3.3.2 Parametrização do Relé SEL-300G

No processo de automação do sistema de proteção do gerador da UHE de Curuá-

Una, o relé SEL-300G precisou ser configurado para atender as funções de proteções, bem

como em diversos parâmetros de funcionamento.

O termo parametrização está relacionado com os ajustes das proteções em um único

relé, já que este é multifunção, então várias funções puderam ser implementadas, todas com

redundância. Assim, são inseridos no dispositivo dados do sistema de potência (frequência,

classe de tensão etc.), os ajustes do sistema de teleproteção e sincronismo utilizado, as

relações de transformação da cada TC e TP conectado ao relé, valores de sensibilização das

proteções (pick-up), tempos de atuação, seleção da frequência fundamental do sistema, bem

como são definidos os parâmetros de ajustes das funções de proteção.

Em Curuá-Una, as funções de proteções citadas no capítulo 2, estão todas ativadas,

exceto as funções 60 e 81. A proteção de frequência não está configurada pelo fato do sistema

todo está fixo em 60 Hz, e as poucas variações no valor não chegam a ameaçar o

funcionamento da usina. Entretanto, se por algum motivo ocorrer um desequilíbrio muito

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grande na frequência (em valores absolutos de Hz), toda a usina poderá entrar em blecaute,

não só ela, mas até mesmo a UHE de Tucuruí por estarem interligadas pelo tramo Oeste.

Nesse caso raro, a UHE de Curuá-Una possui um sistema de emergência que atuará para

resolver esse problema, desligando as máquinas e corrigindo esse desequilíbrio.

A função 50 está ativada em associação com a função 87, já que usa dos mesmos

elementos receptores da proteção diferenci