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DESEMPENHO DE FUNÇÕES DE PROTEÇÃO DE GERADOR MEDIANTE A OCOR-

RÊNCIA DE PERDA DE EXCITAÇÃO E PERDA DE SINCRONISMO USANDO O SIMU-

LADOR DIGITAL EM TEMPO REAL (RTDS).

Bruna Fernanda Pinheiro Luiz Danilo Silva

Orientador: Prof. Dr. Paulo Márcio da Silveira

Co-Orientador: Prof. Dr. Aurélio Luiz Magalhães Coelho Centro de Excelência em Redes Elétricas Inteligentes (CERIn)

Resumo- Uma das partes constituintes da máquina sín-

crona é o sistema de excitação. Esse circuito ao falhar

causa diversas consequências ao gerador e ao sistema

elétrico em que a máquina está inserida. A perda de ex-

citação, pode ocasionar a perda de sincronismo entre a

máquina e o sistema e até a sobrexcitação dos gerado-

res vizinhos. Portanto, essas falhas precisam ser rapi-

damente mitigadas, pois a máquina síncrona é o prin-

cipal componente do sistema de geração de energia elé-

trica. As funções de proteção ANSI 40, 78 e 24 são al-

gumas das responsáveis pelo isolamento do gerador

síncrono nos casos citados e foram tratadas no decorrer

deste trabalho com o uso do Relé SEL-300G e do RTDS

(Real Time Digital Simulator). Com isso, concluiu-se

que a forma de atuação de cada função depende do

grau de severidade da falha e da parametrização dos

ajustes conforme as características do sistema.

Palavras- Chave: Gerador síncrono, perda de excita-

ção, Real Time Digital Simulator.

I-INTRODUÇÃO

A geração de energia elétrica é a primeira etapa no pro-

cesso de entrega de energia aos consumidores. Atual-

mente, o Brasil possui 4574 empreendimentos em opera-

ção nessa área e 147.758.183 kW instalados [1]. Apesar

deste número extraordinário, a frequência de falhas na má-

quina síncrona (principal constituinte do conjunto de gera-

ção) é pequena em relação às outras formas de faltas que

ocorrem no sistema elétrico. No entanto, as consequências

desse fato são gravíssimas, não apenas financeiramente,

mas também afetando a confiabilidade do sistema no aten-

dimento de seus consumidores.

Em casos de falha no circuito de excitação do gerador, con-

sequências como a subexcitação ou sobrexcitação da má-

quina e perda de sincronismo com o sistema elétrico po-

dem ocorrer. Para minimizar os efeitos dessas faltas no ge-

rador e no sistema é necessário isolar a máquina síncrona

rapidamente, o que foi simulado com o uso do relé SEL-

300G da Schweitzer Engineering Laboratories [2].

Esse IED (Intelligent Electronic Device) foi conectado ao

RTDS nesse trabalho para verificar a atuação das prote-

ções ANSI 40, 24 e 78 em casos de subexcitação, sobrex-

citação e perda de sincronismo do gerador síncrono e as

consequências dessas falhas no sistema elétrico e na pró-

pria máquina.

Esse artigo está dividido em Referencial Teórico em II

com definições como: Perda de excitação e perda de sin-

cronismo, funções de proteção contra perda de excitação e

perda de sincronismo; a Metodologia empregada para as

simulações de falhas no sistema de excitação do gerador

síncrono em III; Os Resultados e Discussões em IV das

funções ANSI 40, 78 e 24; As Conclusões desse trabalho

em V e em seguida as Referências.

II – REFERENCIAL TEÓRICO

O gerador síncrono é dividido em rotor e estator. O estator

possui chapas laminadas de alta permeabilidade dotadas de

ranhuras axiais, onde são acoplados os seus enrolamentos.

O rotor também possui chapas laminadas e pode conter

dois tipos de polos diferentes: lisos ou salientes, que pos-

suem alta e baixa rotação, respectivamente.

O rotor é alimentado em suas bobinas por corrente contí-

nua pelo circuito de excitação. Esse circuito tem a função

primária de regular a tensão de saída do gerador, a qual é

chamada tensão de excitação quando a corrente de carga é

igual a zero (gerador à vazio).

O gerador síncrono pode ser representado no RTDS, o qual

é um equipamento usado em estudos de transitórios eletro-

magnéticos em tempo real [3], com a finalidade de simular

seu funcionamento e a eficácia das proteções e dos contro-

les de equipamentos em geral.

TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO

OUTUBRO/2016

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

ENGENHARIA ELÉTRICA

2

II.1- Perda de Excitação

Um dos grandes problemas que podem afetar o gerador

síncrono é a perda de excitação da máquina. Segundo a

Norma IEEE Standard C37.102TM (2006), as principais

causas de perda de excitação são:

Abertura acidental do disjuntor de campo;

Ocorrência de um curto-circuito no circuito do

campo;

Falha no regulador de tensão;

Mau contato nas escovas da excitatriz;

Falha na fonte de alimentação do sistema de ex-

citação.

Com a perda de excitação e consequente diminuição da po-

tência ativa entregue nos terminais do gerador, como mos-

trado na Figura 1, a máquina acelera, já que a potência me-

cânica se mantém constante [4]. Então, ao perder o campo,

o gerador opera como gerador de indução absorvendo cor-

rentes reativas do sistema que podem chegar a uma mag-

nitude 2 vezes maior que a corrente nominal do estator [2],

podendo sobrecarrega-lo [5]. Essa corrente é induzida no

rotor, o que pode acarretar no aquecimento excessivo do

corpo dessa parte da máquina.

Figura 1- Comportamento da tensão terminal (Vt), potência ativa (P) e

reativa (Q) de um gerador após a perda total de excitação [6].

A demora para a identificação e isolação do gerador em

caso de perda de excitação pode causar sérios problemas

no sistema elétrico de potência. Com a perda de campo, se

o sistema não tiver uma fonte suficiente para suprir a de-

manda de potência reativa, pode ocorrer um colapso de

tensão em uma grande área [7]. Além de ocasionar a so-

brexcitação das máquinas vizinhas.

II.2- Perda de Sincronismo

A perda de excitação do gerador síncrono também é uma

causa para a perda de sincronismo com o Sistema Elétrico

de Potência (SEP), mas não a única, pois desligamento de

grandes consumidores de carga indutiva ou até curtos cir-

cuitos podem ser outros agentes precursores.

Para que haja a conexão de unidades geradoras em paralelo

ao SEP deve-se cumprir os seguintes requisitos de sincro-

nismo (verificados pelo sincronoscópio) [8]:

Mesma frequência;

Mesma tensão eficaz;

Mesma sequência de fase;

Mesma forma de onda;

Mesmo ângulo de fase da tensão.

Durante uma condição de perda de sincronismo há uma

grande variação na corrente e na tensão com relação à fre-

quência, sendo essa uma função da taxa de escorregamento

dos polos, da máquina afetada [9]. A amplitude de corrente

e a frequência de operação acima do valor nominal podem

resultar em stress dos enrolamentos e torques pulsantes,

consequentemente provocando vibrações mecânicas que

são prejudiciais ao gerador.

Já as consequências ao SEP estão ligadas com a sua perda

de estabilidade pela perda de sincronismo do gerador com

o Sistema. Isso porque quando o SEP não volta ao seu

ponto de equilíbrio é dito que ele está instável e isso pre-

cisa ser mitigado rapidamente para evitar possíveis faltas

de energia e danos nos equipamentos do sistema.

Com o intuito de isolar o gerador em casos de perda de

excitação e/ou sincronismo, faz-se o uso de relés de prote-

ção para acionar os disjuntores da máquina síncrona.

II.3- Funções de proteção contra eventos de perda de

excitação e perda de sincronismo

A) Função contra perda de excitação (ANSI 40)

A proteção contra Perda de Excitação (PE) deve assegurar

que [10]:

O relé irá atuar rapidamente para a Perda de Ex-

citação evitando danos na máquina e efeitos ad-

versos no sistema. (Disponibilidade)

O relé não irá atuar desnecessariamente perante

oscilações estáveis ou distúrbios transitórios que

não ocasionariam danos à máquina. (Segurança).

A proteção é projetada para disparar o disjuntor principal

do gerador e o de campo, geralmente utilizando um relé de

distância conectado aos terminais da máquina [11], com

base nos princípios desenvolvidos por MASON (1949) e

depois aperfeiçoados por BERDY, como mostrado na Fi-

gura 2.

Figura 2- Zonas de Proteção da Função ANSI 40

O relé atuará, portanto, quando a trajetória da impedância

vista nos terminais do gerador entrar em uma das duas zo-

nas de proteção delimitadas, isso porque, segundo

BERDY, após a perda de excitação, as cargas leves e pe-

sadas ocasionarão em trajetórias da impedância em con-

vergências com circunferências maiores e menores, res-

pectivamente. Como mostrado na Figura 3:

3

Figura 3- Trajetória das impedâncias vistas nos terminais dos gerado-

res após perda de excitação [6].

B) Função contra perda de sincronismo (ANSI 78)

A perda de sincronismo, também conhecida como condi-

ção de out of step, entre gerador e sistema é detectada atra-

vés da função 78. A qual possui dois esquemas: Blinder

Simples e Blinder Duplo.

O esquema detecta a perda de sincronismo rastreando a

trajetória da impedância de sequência positiva (vista nos

terminais do gerador síncrono) que passa pela zona de pro-

teção [2].

Quando ajustada em Blinder Simples, Figura 4, a função

ANSI 78 atuará após a entrada da impedância pelo blinder

78R1 e saída da zona de diâmetro 78Z1 pelo blinder 78R2

(a sequência inversa também caracteriza perda de sincro-

nismo).

Figura 4- Blinder Simples usado no Relé 300G da Schweitzer Enginee-

ring Laboratories [2].

Configurada em blinder duplo, Figura 5, a função ANSI

78 atua pela trajetória da impedância, similar ao blinder

simples, combinada com o tempo de permanência entre os

dois blinders (78R1 e 78R2) por um tempo maior que o

pré-determinado em 78D.

Figura 5- Blinder Duplo usado no Relé 300G da SEL [2].

C) Função contra sobrexcitação- Volts/Hertz (ANSI

24)

A sobrexcitação ocorre, tipicamente, durante a partida e

parada do gerador; em operação com o sistema, essa falta

pode ser ocasionada por uma falha no regulador de tensão;

ou, como descrito em II.1, como consequência do não iso-

lamento de um gerador síncrono que perdeu excitação.

As normas ANSI/IEEE C.50.13.1989 e C.50.12.1982 de-

finem que até 1,05 p.u. (na base do gerador) é aceitável a

não atuação da função ANSI 24.

A proteção para esse tipo de falta atua com base na rela-

ção entre a tensão e a frequência V/Hz (proporcional à

densidade do fluxo) afim de evitar que a sobrexcitação

afete os enrolamentos, conectores, cabos e elementos es-

truturais pelo aumento excessivo da temperatura.

Os limites de tempo para que a proteção atue são caracte-

rizados pelas curvas de tempo inverso, as quais são espe-

cificadas por cada fabricante. As curvas possuem um

tempo mínimo para prever casos de sobrexcitação tempo-

rária, que não necessariamente precisariam isolar o gera-

dor e o sistema (curva de tempo definido), Figura 6.

Figura 6- Característica de sobrexcitação de tempo inverso/definido

[2].

III– METODOLOGIA

III.1- Sistema

A máquina síncrona e o sistema a qual ela está inserida

foram modelados no RTDS por meio do Draft do software

RSCAD. Parte do sistema está representado na Figura 7.

Figura 7- Representação de parte do sistema modelado no RTDS.

O sistema de referência [12], adaptado para esse estudo,

consiste em um sistema equivalente representado por uma

fonte e suas impedâncias por fase, transformador elevador

de 22 kV para 230 kV, os disjuntores por fase, instrumen-

tos de medição e a máquina síncrona de 500 MVA e 22 kV

4

(outros parâmetros do gerador são encontrados na Tabela

1) com seu modelo de sistema de excitação (IEEE Type

ST03).

Tabela 1- Parâmetros do gerador síncrono.

Xa Reatância de dispersão do estator 0,164 p.u.

Xd Reatância síncrona de eixo direto

não saturada 1,86 p.u.

Xd’ Reatância transitória de eixo direto

não saturada 0,282 p.u.

Xd’’ Reatância subtransitória de eixo di-

reto não saturada 0,233 p.u.

Xq Reatância síncrona de eixo em qua-

dratura não saturada 1,81 p.u.

Xq’’ Reatância subtransitória de eixo em

quadratura não saturada 0,233 p.u.

Ra Resistência do estator 0,002 p.u.

O modelo foi compilado no Draft do RSCAD gerando um

arquivo para habilitar a IHM (Interface Homem-Máquina)

do software do RTDS, por intermédio do menu Runtime.

Essa interface permite o controle do sistema simulado pos-

sibilitando a geração de faltas para análise de suas conse-

quências e atuação do relé SEL-300G por meio das medi-

ções feitas pelos TPs (Transformadores de Potencial) e

TCs (Transformadores de Corrente) do sistema.

As medições são enviadas através do cartão GTAO (Giga-

bit Transciever Analogue Output Card) que tem seu sinal

amplificado pelo CMS 156 da OMICRON para serem li-

das pelo Relé. Ao dar trip, um sinal digital é enviado do

relé SEL-300G ao RTDS, o qual recebe o sinal de abertura

do disjuntor pelo cartão GTFPI (Inter-Rack Communica-

tion Card), como mostrado na Figura 8:

Figura 8- Diagrama de conexões do sistema de medição

III.2- Testes

Os casos de perda de excitação e sincronismo do gerador

síncrono, a princípio, foram testados sem a interface de

resposta do Relé para o RTDS. Dessa forma, os disjuntores

não eram abertos e as consequências dessas faltas perma-

neciam no sistema para análise. Em seguida, os testes fo-

ram realizados em hardware in the loop para análise das

funções de proteção: perda de campo (Função 40), volts

por hertz (Função 24) e perda de sincronismo ou out of step

(Função 78), o que habilita a atuação do disjuntor mode-

lado no RSCAD por meio do relé SEL-300G.

Através do software AcSELerator QuickSet, as configura-

ções de cada função foram feitas de acordo com as carac-

terísticas do sistema, conforme a Tabela 2, Tabela 3 e Ta-

bela 4 (o detalhamento dos ajustes é mostrado nos anexos):

Tabela 2- Configuração função 40.

E40 Habilitar a função Y

40Z1P Diâmetro Mho da Zona 1 13,30 Ω

40XD1 Reatância de offset da Zona 1 -1,87 Ω

40Z1D Tempo de atraso de Pickup 0,00 s

40Z2P Diâmetro Mho da Zona 2 24,70 Ω

40XD2 Reatância de offset da Zona 2 -1,87 Ω

40Z2D Tempo de atraso de Pickup 1,00 s

Tabela 3- Configuração da função 78.

E78 Habilitar a função 2B

78FWD Alcance direto da reatância 7,50 Ω

78REV Alcance reverso da reatância 2,00 Ω

78R1 Blinder da direita 5,00 Ω

78R2 Blinder da esquerda 1,00 Ω

78D Atraso do Out of step 0,05 s

78TD Atraso do trip de perda de sin-

cronismo 0,00 s

78TDURD Duração do trip de perda de sin-

cronismo 3,00 s

50ABC Supervisão da corrente de se-

quência positiva 0,25 A

Tabela 4- Configuração da função 24.

E24 Habilitar a função Y

24D1P Pickup do Alarme 105 %

24D1D Tempo de atraso do alarme 1,00 s

24CCS Característica de tempo de atraso

do elemento de trip de sobrexcita-

ção

I

I Característica de tempo inverso

simples -

24IP Pickup de tempo inverso 105 %

24IC Curva de tempo inverso 0,5-1-2

24ITD Fator de tempo inverso 0,1 s

24CR Tempo de recomposição 0 s

O software RSCAD gera gráficos por meio do RunTime de

acordo com as condições impostas de teste e a resposta do

sistema. As formas de ondas resultantes foram comparadas

com as oscilografias coletadas pelo software SEL Syn-

chroWAVe Event 2015.

IV– RESULTADOS E DISCUSSÕES

IV.1- Análise da resposta da função ANSI 40

A perda de excitação de um gerador pode ocorrer com di-

versos graus de severidade e diferentes causas. A abertura

acidental do disjuntor de campo da máquina síncrona é

uma delas e acarreta na perda total de excitação. Para isso,

após excitar o gerador e o sistema entrar em regime per-

manente, o primeiro distúrbio foi simulado reduzindo a

zero instantaneamente a tensão do circuito de excitação da

máquina. Observa-se na Figura 9 que o gerador dispara,

isso porque a velocidade da máquina aumenta para com-

pensar a diminuição do fluxo magnético:

𝐸𝑓 = 𝐾∅𝜔 (1) Em que: Ef é a tensão induzida em RMS [V];

5

K é um valor constante;

∅ é o fluxo magnético [Wb];

𝜔 é a velocidade angular [rad/s].

Figura 9- Velocidade da máquina na perda de excitação

Ao disparar, o acoplamento magnético entre o estator e o

rotor do gerador síncrono é perdido, o que, portanto, ori-

gina um escorregamento diferente de zero. Com isso, a má-

quina síncrona passa a operar como um gerador de indução

e começa a absorver correntes reativas do sistema elétrico.

O aumento da corrente da máquina modelada para essa si-

mulação foi de 1,5 kA, como mostrado na Figura 10. Essa

corrente é induzida no rotor, o que pode acarretar no aque-

cimento excessivo do corpo dessa parte do gerador.

Figura 10- - IA (Verde), IB (Vermelho) e IC (Azul) da máquina sín-crona.

A função do sistema de excitação é regular a tensão nos

terminais da máquina síncrona. Portanto, ao diminuir a

tensão de excitação do gerador, a sua tensão de saída tam-

bém decresce, conforme Figura 11.

Como consequência da subexcitação, a máquina pode per-

der o sincronismo com o sistema elétrico, como será des-

crito no item IV.2. Então, as amplitudes de corrente e ten-

são aumentarão ou diminuirão até o limiar da perda de sin-

cronismo. Nesse caso, nota-se que as alterações nas mag-

nitudes das grandezas medidas não foram extremamente

significativas, pois o sistema não consegue suprir as de-

mandas da máquina por muito tempo.

Figura 11- VA (Verde), VB (Vermelho) e VC (Azul) da máquina.

A Figura 12 destaca o aumento em módulo da potência re-

ativa consumida pelo gerador síncrono. Ao absorver cor-

rentes reativas do sistema, a potência reativa fica cada vez

mais negativa, como mostrado na Figura 13. Como conse-

quência, a potência reativa disponível no sistema reduz, di-

minuindo também a amplitude da tensão. Na Figura 12

também é mostrada a diminuição da potência ativa, o que

acontece devido ao escorregando que passa a ser diferente

de zero.

Figura 12- Módulo da potência ativa (Vermelho) e reativa (Azul) da

máquina síncrona.

Figura 13- Valores instantâneos da potência ativa (Vermelho) e reativa

(Azul) da máquina síncrona.

6

As magnitudes de tensão e corrente sofrem diferentes alte-

rações de acordo com o grau de severidade da perda de

excitação. Então, com o afundamento de 20% da tensão de

excitação do gerador, a diminuição da tensão e aumento da

corrente foram menores do que no caso de perda total de

excitação. Como mostrado na Figura 14 e Figura 15 em

malha fechada.

Figura 14- Tensão e Corrente da máquina na perda total de excitação

(VBURSYN é a tensão no sistema).

Figura 15- Tensão e Corrente da máquina no afundamento de 20% da

tensão de excitação do gerador.

Em hardware in the loop, o relé SEL- 300G atua em pri-

meira zona para perda total de excitação, já que esse é con-

siderado o caso mais crítico. Na Figura 16, tem-se um mo-

delo de relé parametrizado [12] no RSCAD para ilustrar a

resposta da máquina frente a esse tipo de falta:

Figura 16- Elemento MHO na perda total de excitação.

A função ANSI 40 é configurada para que os tempos de

atuação em casos de perdas de excitação mais severas se-

jam menores para proteger o sistema das consequências

explicadas no decorrer desse trabalho. Portanto, acrescido

do tempo de abertura do disjuntor, em zona 1 o tempo de

atuação do relé SEL-300G é de até 4 ms [2] (ciclo de pro-

cessamento) após o instante em que o relé reconhece a im-

pedância nos terminais da máquina nessa zona. Enquanto

em zona 2, esse tempo é definido pelo usuário, ou seja, se

a impedância permanece nesta zona, independentemente

do nível de perda de excitação, o relé atuará com o mesmo

tempo.

A Tabela 5 mostra os dois casos analisados em que a fun-

ção 40 atua em zona 1: perda total de excitação e 60% de

afundamento da tensão de excitação.

Tabela 5- Tempo de atuação das duas zonas na perda total de excitação

e 60% de afundamento da tensão de excitação.

Perda: 100% Perda: 60%

TIME ELEM. TIME ELEM.

15:33:26.142 40Z2 15:25:01.319 40Z2

15:33:26.842 40Z1T 15:25:02.194 40Z1T

15:33:26.842 TRIP 15:25:02.194 TRIP

Transição: 700 [ms] Transição: 875 [ms]

Nota-se que com o afundamento de 60% de tensão de ex-

citação, a impedância nos terminais da máquina (ZM) tem

um deslocamento no plano R-X mais lento que por perda

total. Então, ZM permanece mais tempo em zona 2 ao di-

minuir a tensão de excitação da máquina em 60% do que

por perda total de excitação, antes de entrarem em zona 1.

A atuação da função 40 também varia de acordo com a

carga do gerador. Cargas mais pesadas consomem mais

potência, de forma que, em casos de perda de excitação, o

deslocamento da impedância vista nos terminais da má-

quina é mais rápido do que em carga leve. Ambas as situ-

ações foram testadas, em que a potência ativa e reativa for-

necida pelo gerador foram fixadas e o tempo de atuação do

relé verificado, conforme Tabela 6:

Tabela 6- Carga leve e pesada.

Carga Leve Carga Pesada

P [MW] Q [MVAr] P [MW] Q [MVAr]

250 200 430 250

TEMPO ELEM. TEMPO ELEM.

15:33:26.142 40Z2 17:26:37.234 40Z2

15:33:26.842 40Z1T 17:26:37.932 40Z1T

15:33:26.842 TRIP 17:26:37.932 TRIP

Transição: 700 [ms] Transição: 698 [ms]

Com a representação de uma parte do sistema significati-

vamente maior que a máquina síncrona por um circuito

equivalente constituído de impedância e fonte (Barra infi-

nita), nota-se que a frequência e tensão permanecem subs-

tancialmente constantes. O que, portanto, justifica a pe-

quena diferença dos tempos em carga leve e pesada.

7

IV.2- Análise da resposta da função ANSI 78

A subexcitação do gerador síncrono é uma das principais

causas para a sua perda de sincronismo com o sistema elé-

trico [2]. Como explicado anteriormente, ao perder exci-

tação, o fluxo magnético diminui e a máquina dispara.

Dado que a equação de rotação da máquina síncrona é:

𝑓 =𝑛 . 𝑝

60 (2)

Em que: f é a frequência [Hz];

n é a rotação síncrona [rpm];

p é o número de par de polos.

Então, se a rotação aumenta, a frequência também au-

menta, como mostrado na Figura 17.

Figura 17- Frequência da máquina na perda de sincronismo.

Com o aumento da frequência, a senoide do gerador fica

defasada da onda do sistema em que a máquina está inse-

rida, portanto, havendo perda de sincronismo entre eles.

Para a identificação desse tipo de falta foi usada a função

ANSI 78 com blinder duplo. Dessa forma, é necessário que

a impedância vista nos terminais da máquina, em situação

de out of step, permaneça entre os dois blinders durante

um tempo mínimo ajustado em 78D, veja Tabela 3, e atra-

vesse por completo a região delimitada por 78Z1 (percurso

que pode ocorrer da direita para a esquerda ou ao contrário,

o que dependerá das características do sistema), então após

meio ciclo [2] (destacado pelos cursores de cor azul) o trip

acontece, conforme Figura 18.

Figura 18- Sequência de atuações para o trip.

Ao perder toda a excitação, o comportamento da tensão e

corrente é o mesmo visto na Figura 14 nos testes da função

40. Mas quando o gerador começa a perder sincronismo

com o sistema elétrico observa-se uma oscilação dessas

grandezas, conforme Figura 19. Isso, porque ao atravessar

a região 78Z1, com a variação de impedância, a corrente e

a tensão oscilam.

Figura 19- Tensão e Corrente na perda de sincronismo com abertura

dos disjuntores da máquina pelo relé.

Em casos de curto circuito, o gerador pode ou não perder

o sincronismo com o sistema, tudo depende da trajetória

da impedância. Ao testar o curto monofásico temporário

de 5 segundos nos terminais do gerador, observou-se que

houve oscilação de potência, mas não perda de sincro-

nismo, o que, portanto, não atuou a função ANSI 78. Além

do curto circuito, outras formas de oscilação de potência

também foram simuladas, como a inserção de uma carga

capacitiva no sistema fechando os disjuntores mostrados

na Figura 20.

Figura 20- Sistema com a inserção de carga capacitiva.

Ao fechar os disjuntores, observa-se pela ferramenta do

AcSELarator Quickset, o Sequential Event Report (SER),

Tabela 7, que o blinder externo atua, em seguida a função

50 de sobrecorrente instantânea (Função ajustada para que

fosse observada a sua atuação pelo aumento da corrente

causada pela inserção da carga capacitiva nos terminais do

gerador), então, a impedância da máquina entra no círculo

de diâmetro 78Z1 e logo sai. Ou seja, a potência varia, cau-

sando a variação de impedância, mas não completa a se-

quência de atuação do trip por out of step explicada em

IV.2, conforme Figura 18.

Tabela 7- SER da inserção da carga capacitiva.

TEMPO ELEM. ESTADO

20:22:21.086 78R1 Ativa

20:22:21.090 50P1T Ativa

20:22:21.095 78Z1 Ativa

20:22:21.103 78Z1 Inativa

20:22:21.145 78R1 Inativa

8

20:22:21.182 50P1T Inativa

20:22:21.404 78R1 Ativa

20:22:21.496 78R1 Inativa

Em caso de perda de excitação da máquina a impedância

vista entra nos blinders e na região MHO 78Z1, porém ao

ocorrer um curto circuito, a impedância permanece na re-

gião, caracterizando uma oscilação de potência, e sai

quando o curto temporário acaba. Como a subexcitação foi

mantida, após o término do curto, a impedância sai no lado

do blinder oposto ao que entrou, atuando a função ANSI

78. Esse fato pode ser verificado pela Figura 21, pois após

a word bit referente à função ANSI 50, que representa a

sobrecorrente causada pelo curto circuito, transitar de um

para zero, a máquina perde sincronismo com o sistema.

Figura 21- Sobrecorrente e sequência de atuações do trip.

Nota-se um atraso de 0,5 ciclo entre a saída do MHO e a

atuação da perda de sincronismo, fato que é justificado

pela lógica utilizada na atuação do relé [2].

IV. 3. Análise da resposta da função ANSI 24

A sobrexcitação do gerador síncrono pode ocasionar o

aquecimento de seus enrolamentos e consequente danifi-

cação do isolamento do gerador. Isso porque, com uma fa-

lha no inversor de frequência, que controla o acionamento

da máquina, a tensão de excitação pode ser grande o sufi-

ciente para que o fluxo magnético tenha altas magnitudes,

resultando, assim, na saturação do núcleo. Como as perdas

por Histerese e Foucault são proporcionais a B (Campo

magnético), suas magnitudes serão elevadas.

Ao contrário do que acontece na subexcitação, ao aumen-

tar o fluxo magnético, a velocidade do gerador diminui

para compensar esse efeito. Como mostrado na Figura 22:

Figura 22- Gráfico da velocidade da máquina na sobrexcitação gerada

pelo RSCAD.

Em seguida, a rotação aumenta em decorrência do regula-

dor de velocidade (IEE TYPE 1) que o faz retornar para a

sua condição nominal.

A função ANSI 24, no relé SEL-300G, possui 3 tipos de

curvas padrão de tempo inverso: 0,5, 1,0 e 2,0, conforme

Figura 23. A atuação do relé dependerá do tipo de curva

selecionada, pois para o mesmo nível de sobrexcitação, a

função Volts/Hertz atua em diferentes tempos.

Figura 23- Curvas 0.5, 1.0 e 2.0 de tempo inverso plotadas no Excel.

Figura 24- Tensão média nos terminais do gerador síncrono medida no

secundário do TP.

9

A Figura 24 mostra a tensão (secundário do TP) nos termi-

nais da máquina antes da atuação do trip pela função

Volts/Hertz com 24IC igual a 0,5 e tensão de excitação

(EF) de 4 p.u. A tensão média durante o período em que a

relação V/Hz é superior a 1,05 p.u. é de 122,3 V, conforme

destacado.

As três curvas de tempo inverso são descritas pela equação

(3), conforme manual do SEL-300G [2]:

𝑡𝑝 =24𝐼𝑇𝐷

(

𝑉𝑝𝑝

𝑓𝑟𝑒𝑞.𝐹𝑁𝑂𝑀𝑉𝑁𝑂𝑀

24𝐼𝑃100%

− 1)

24𝐼𝐶 (3)

Em que: FNOM é a frequência nominal do gerador sín-

crono em [Hz];

VNOM é a tensão nominal (secundário do TP) da máquina

síncrona [V].

Então, para uma tensão de 122,3 V o tempo mínimo de

permanência nesse nível de sobrexcitação é de 0,86 s, con-

forme curva plotada no Excel (Figura 25).

Figura 25- Curva 0.5 de tempo inverso para EF=4.

O sequencial de eventos registrados pelo SER, Tabela 8,

mostra que o tempo de atuação do trip pela função 24 é de

0,845 [s], valor aproximado do encontrado na curva de

tempo inverso padrão do SEL-300G [2].

Tabela 8- SER da Função ANSI 24, com 24IC em 0.5 e tensão de excita-

ção em 400%.

TEMPO ELEM. ESTADO

18:46:03.193 24C2 Ativo

18:46:03.193 24D1 Ativo

18:46:04.038 24C2T Ativo

18:46:04.038 TRIP Ativo

18:46:04.196 24D1T Ativo

Dois níveis de sobrexcitação são mostrados na Tabela 9

por tipo de curva: 400% e 700% da tensão nominal de ex-

citação. Quanto mais sobrexcitado (Coluna V/Hz), maior

será a relação V/f. Como consequência, o núcleo da arma-

dura do gerador síncrono entra em região de saturação,

com isso, uma pequena alteração na tensão de armadura,

ocasionará em uma grande variação da corrente de excita-

ção e mais rápida será a atuação do relé.

Tabela 9- Tempo de atuação do relé para diferentes sobrexcitações nas três curvas padrão de tempo inverso.

24IC EF t medido [s] V/Hz [%] V final [V]

2.0 4 p.u. 26,28 111,5 128,23

7 p.u. 5,17 119,6 137,54

1.0 4 p.u. 2,74 108,8 125,12

7 p.u. 1,38 112,6 129,49

0.5 4 p.u. 0,84 106,4 122,36

7 p.u. 0,57 108,3 124,55

A curva 2.0 tem o maior tempo de atuação dos três casos

para o mesmo nível de sobrexcitação. Isso é utilizado nos

estudos de seletividade e coordenação. Dessa forma,

ajusta-se o relé de retaguarda com uma curva de atuação

mais lenta que o relé principal, pois caso o relé com a curva

de atuação mais rápida falhar, o relé de back-up atuará.

V- CONCLUSÃO

Ao perder excitação, o gerador síncrono consome corren-

tes reativas do sistema elétrico, acarretando no sobreaque-

cimento de seus enrolamentos, podendo, inclusive, perder

sincronismo com o sistema e gerar sobrexcitação nas má-

quinas vizinhas. As funções de proteção ANSI 40, 78 e 24

atuam na mitigação dos efeitos dessas falhas, conforme

abordadas no decorrer desse trabalho.

A função ANSI 40 atua em regiões diferentes para os dife-

rentes níveis de subexcitação. Para perdas severas, como

as perdas totais, a função atua em zona 1. Os níveis de cor-

rentes e potência reativa consumidas pela máquina sín-

crona, nesse caso, são maiores do que em subexcitações

parciais, como testadas em 20% e 60% de perda de excita-

ção. Nestes casos, a máquina foi isolada pela atuação da

proteção em zona 2.

A função ANSI 78 atua na perda de sincronismo do gera-

dor com o sistema. Pois verificou-se, as correntes e tensões

oscilam, ocasionando na variação de torque, o que pode

gerar vibrações (mais frequente em máquinas de menor

porte) que são danosas à máquina síncrona. Além disso,

essa função consegue distinguir perda de sincronismo e os-

cilação de potência, pois nos casos de curto circuito não

houve trip, o que é possível pela trajetória da impedância

vista nos terminais do gerador e pelo seu tempo de perma-

nência entre os blinders.

A função ANSI 24 pode atuar em diferentes tempos de

acordo com as curvas de tempo inverso. Como visto, ao

selecionar a curva 0.5 o relé atua mais rápido do que na

2.0. E a diferença de tempo de atuação também está pre-

sente nos diferentes níveis de sobrexcitação, pois quanto

mais excitados, mais rápido é o trip, isso porque mais pre-

judiciais são à máquina e ao sistema.

REFERÊNCIAS

10

[1] ANEEL. Banco de Informações de Geração. Dispo-

nível em: <http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/capacida-

debrasil/capacidadebrasil.cmf>. Acesso em: Setembro de

2016.

[2] SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES-

SEL. SEL-300G Feeder Protection Relay Instruction

Manual. 2015. Pullman, Washington USA, 2015. 740 p.

[3] RTDS TECHNOLOGIES. Real Time Digital Simula-

tion for the Power Industry Manual Set. 2015. 525 p.

[4] Anderson, P.M., 1998, Power System Protection. Ed.

IEEE Press - McGraw-Hill.

[5] COELHO, Aurélio Luiz M. Um sistema de testes in-

tegrado de funções de proteção de geradores síncronos

associadas com os limites de excitação de um novo mo-

delo de sistema de excitação implementado para um

ambiente de simulação digital em tempo real. Tese de

Doutorado. Universidade Federal de Itajubá. 104 p. 2016.

No prelo.

[6] GAZEN, Yuri N. et al. Proteção contra perda de ex-

citação em geradores síncronos através do cálculo con-

tínuo da impedância aparente. XVIII Congresso Brasi-

leiro de Automática - CBA, Santa Maria, 6 p. 2010. Pro-

grama de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Univer-

sidade Federal de Santa Maria.

[7] ROCHA, Geraldo; LIMA, Paulo. MARDEGAN, Cláu-

dio. Proteção de Perda de Campo. O Setor Elétrico. 4 p.

Disponível em: < http://www.osetorele-

trico.com.br/web/contato.html>. Acesso em: abril de

2016.

[8] BERNARDES, Renan. Sincronização Automática de

Geradores. Campinas, 2013.

[9] LEAL, Mariana Garcia. Proteção contra perda de

sincronismo utilizando sincrofasores– Aplicação no sis-

tema Acre-Rondônia. 2013. Tese de Doutorado. Univer-

sidade Federal do Rio de Janeiro.

[10] Dias, M.F. and Elkateb, M.M. (1992). Case Study

Into Loss-Of-Excitation Relays During Simultaneous

Faults – Part II. Proc. AFRICON’92, 3rd Conf., pp. 430-

433.

[11] MORAIS, A. P. Avaliação do desempenho dos mé-

todos de proteção contra a perda de excitação em gera-

dores síncronos: uma contribuição utilizando a teoria

dos conjuntos nebulosos. 2008. Tese de Doutorado. Dis-

sertação de Mestrado, PPGEE/UFSM.

[12] DEHKORDI, Ali. Testing a SEL-300G Generator

Protection Relay Using RTDSTM. 2010. RTDS Technolo-

gies Inc.

BIOGRAFIA

Bruna Fernanda Pinheiro

Nasceu em São José dos Cam-

pos (SP), em 1993. Estudou em

São José dos Campos, onde re-

cebeu o título de Técnica em

Eletrônica na ETEP. Ingressou

na UNIFEI em 2012, depois de

estagiar na Rockwell Collins do

Brasil Ltda. Participou de pro-

gramas como Jovens Talentos,

PET- Elétrica, Embaixadores

SEL e do projeto Cheetah E-Racing. Fundou o canal Vídeo

Aulas Unifei e o Curso EAD de pesquisa científica, tecno-

logia e inovação. Atualmente faz estágio na Embraer S.A.

Luiz Danilo Silva

Nasceu em Cristina (MG), em

1992. Ingressou na UNIFEI

em 2012, depois de trabalhar

na TGD Indústria e Comércio

de EPI LTda. Participou de

programas como Jovens Ta-

lentos, PET- Elétrica e Embai-

xadores SEL. Atualmente faz

estágio na Scwheitzer Engine-

ering Laboratories.

APÊNDICES

APÊNDICE A - Configurações gerais do relé SEL-

300G

CTR 2624

CTRD 2624

CTRN 2624

PTR 191.3

PTRN 191.3

PTRS 191.3

𝑍𝐵𝐴𝑆𝐸 =𝑉2

𝑆=

(22 ∗ 103)2

500 ∗ 106= 0,968 Ω (4)

APÊNDICE B - Parametrização da função ANSI 40

40Z1P - diâmetro da impedância do elemento de

Zona 1;

40𝑍1𝑃 =𝑉𝑁𝑂𝑀

1,73 ∗ 𝐼𝑁𝑂𝑀=

115

1,73 ∗ 5= 13,3 Ω (5)

40XD1 - offset da reatância do elemento de Zona 1;

40𝑋𝐷1 = −𝑋′𝑑

2∗

𝑅𝑇𝐶

𝑅𝑇𝑃∗ 𝑍𝐵𝐴𝑆𝐸 (6)

40𝑋𝐷1 = −0,282

2∗

2624

191,3∗ 0,968 = −1,87 Ω (7)

40Z1D - tempo de retardo do elemento de Zona 1;

40𝑍1𝐷 = 0,0 𝑠 (8)

40Z2P - diâmetro da impedância do elemento de

Zona 2;

11

40𝑍2𝑃 = 𝑋𝑑 ∗𝑅𝑇𝐶

𝑅𝑇𝑃∗ 𝑍𝐵𝐴𝑆𝐸 (9)

40𝑍2𝑃 = 1,86 ∗2624

191,3∗ 0,968 = 24,7 Ω (10)

40XD2 - offset da reatância do elemento de Zona 2;

40𝑋𝐷2 = −𝑋′𝑑

2∗

𝑅𝑇𝐶

𝑅𝑇𝑃∗ 𝑍𝐵𝐴𝑆𝐸 (11)

40𝑋𝐷2 = −0,282

2∗

2624

191,3∗ 0,968 = −1,87 Ω (12)

40Z2D - tempo de retardo do elemento de Zona 2;

40𝑍2𝐷 = 1,0 𝑠 (13)

APÊNDICE C - Parametrização da função ANSI 78

78FWD – alcance do elemento de distância tipo mho

de sentido direto;

78𝐹𝑊𝐷 = 2 ∗ 𝑋′𝑑 ∗𝑅𝑇𝐶

𝑅𝑇𝑃∗ 𝑍𝐵𝐴𝑆𝐸 (14)

78𝐹𝑊𝐷 = 2 ∗ 0,282 ∗2624

191,3∗ 0.968 = 7,5 Ω (15)

78REV - alcance do elemento de distância tipo mho

de sentido reverso;

78𝑅𝐸𝑉 = 1,5 ∗ 𝑋𝑡 ∗𝑅𝑇𝐶

𝑅𝑇𝑃∗ 𝑍𝐵𝐴𝑆𝐸 (16)

78𝑅𝐸𝑉 = 1,5 ∗ 0,1 ∗2624

191,3∗ 0,968 = 2,0 Ω (17)

78R1 - blinder direito da proteção de perda de sincro-

nismo;

78𝑅1 ≥78𝐹𝑊𝐷 + 78𝑅𝐸𝑉

2 (18)

78𝑅1 ≥7,5 + 2,0

2= 4,25 (19)

78𝑅1 = 5,0 Ω (20)

78R2 - blinder esquerdo da proteção de perda de sin-

cronismo;

78𝑅2 ≥ 0,05 ∗ 78𝐹𝑊𝐷 (21)

78𝑅2 ≥ 0,05 ∗ 7,5 = 0,38 (22)

78𝑅2 = 1,0 Ω (23)

78D - tempo de retardo da lógica de perda de sincro-

nismo;

78𝐷 = 0,05 𝑠 (24)

78TD - tempo de retardo da função de trip da proteção

de perda de sincronismo;

78𝑇𝐷 = 0,0 𝑠 (25)

APÊNDICE D - Parametrização da função ANSI 24

24D1P - pickup do elemento de Volts/Hertz de nível

1;

24𝐷1𝑃 = 105 % (26)

24D1D - tempo de retardo do elemento de Volts/Hertz

de nível 1;

24𝐷1𝐷 = 1,0 𝑠 (27)

24IP - pickup da parcela de tempo-inverso da curva

de tempo, do elemento de nível 2;

24𝐼𝑃 = 110 % (28)

24ITD - tempo de operação do elemento inverso de

nível 2;

24𝐼𝑇𝐷 = 0,1 𝑠 (29)