protecção de motores miguel freitas & josé carvalho disciplina de sistemas de protecção 2...

Protecção de Motores

Miguel Freitas & José Carvalho

Disciplina de Sistemas de Protecção

2 Dezembro 2005

SUMÁRIO

Protecção de Motores – Miguel Freitas & José Carvalho

Pontos Essenciais da Apresentação

•Aspectos gerais da protecção de

motores

•Tipos de defeitos

•Tipos e formas de protecção

•Exemplo de um sistema de protecção

completo

ASPECTOS GERAIS


As Ideias base

Motores CC e Motores CA

Conceitos essenciais idênticos Atender às especificidades de cada motor

Dimensão, Custo e Complexidade do Sistema de Protecção dependem:

•Condições de funcionamento do motor

•Defeitos que possam ocorrer

•Qualidade e continuidade de serviço

pretendida

•Potência do motor

ASPECTOS GERAIS


Tipos de Protecção e Dimensão do Motor

Montados juntamente com o sistema de controlo do motor

Dispositivos de Protecção

Sensores térmicos montados no interior do motor

•Normalmente controlados e comutados por

contactores

•Protegidos por fusíveis

Motores de pequena dimensão

Motores de maior dimensão >100kW

•Normalmente protegidos por relés

•Relés actuam sobre disjuntores capazes de interromper

correntes elevadas

TIPOS DE DEFEITOS


A Detectar pelas Protecções

•Sobrecargas

•Defeitos Entre Fases ou Fase Terra

•Troca de Fases da Alimentação

•Redução ou Quebra da Tensão de Alimentação

•Assimetria de Fases

•Temperatura Elevada/Pouca Ventilação

•Perda de Carga, Perda de Sincronismo….

Aquecimento

Aquecimento

Aquecimento

Aquecimento

Aquecimento


Protecção Contra SobrecargasSobrecargas

Garantir que os isolantes mantenham as suas características mecânicas e dieléctricas.

Objectivo

ProblemaDifícil acompanhar a curva de aquecimento de um motor com um único relé.

Utilização de 2 Relés

Relé de Sobreintensidade

Relé térmico de sobrecargae


Relé Térmico de SobrecargaRelé RTSProtecção Contra Sobrecargas Pequenas, e de Média ou Longa

duração. •Realiza uma réplica da temperatura no interior do motor através da leitura da corrente absorvida pela máquina.

•Actua em tempo fixo para uma determinada corrente de

sobrecarga.


Relé de Máximo de IntensidadeRelé RSProtecção Contra Sobrecargas Severas

•Situações de rotor bloqueado

•Actua em milissegundos para correntes muito superiores à

nominal

•Montagem idêntica ao relé anterior


Protecção Completa Contra SobrecargasRST+

RSProtecção Total Contra Sobrecargas•Utilizando os dois relés em simultâneo

•Ou um relé electrónico capaz de realizar as duas funções.

Relés de Protecção Contra Sobrecargas em Quantas Fases?


Protecção Contra SobrecargasSINGLE-PHASINGSobrecarga sob tensões simétricas.

Primário do TransformadorSecundário do Transformador Motor

Sobrecarga sob tensões assimétricas – Single-Phasing

Primário do TransformadorSecundário do Transformador Motor

Circuito Aberto


Protecção Contra Defeitos à TerraDEFEITOS À TERRA

Regime de Neutro do Motor•Normalmente não ligado à terra.

Protecção Assegurada Por...•Transformador de corrente somador que alimenta o relé de

protecção.Relé•De máxima intensidade

•Instantâneo ou temporizado

Atenção•Protecção contra descargas atmosféricas?

•...possíveis problemas de regulação.

•Todavia raros!

Vantagens da Protecção•Económica: apenas um T.I.

•Não é afectada pela corrente de arranque, nem por assimetrias.


Protecção Contra Defeitos Entre FasesDEFEITOS ENTRE FASES

Maior Corrente Absorvida Pelo Motor? Em Funcionamento Normal...

Corrente de Arranque Istart

Corrente de CC entre fases maior que Istart? Na maior parte dos

casos...

SIM: Icc >>Istart

Relé de Máximo de Intensidade

(instantâneo)

Id < 1/3 I3f

Id > 1,6 Istart

Regulação do Relé

Corrente de Disparo (Id)

I3f > 4,8 Istart


Protecção Contra Defeitos Entre FasesDEFEITOS ENTRE FASES

Para que I3f > 4,8 Istart

Ptransformador pelo menos 2 x Pmotor

Usar uma protecção diferencial, insensível à corrente de

arranque.

Caso contrário


Protecção Contra Redução ou Quebra de TensãoREDUÇÃO DE TENSÃO

Consequências da Tensão Reduzida

Tensão Reduzida

No arranque

•Impede o motor de atingir a velocidade nominal de arranque.

No funcionamento normal •Perda de Velocidade

Elevação da Corrente -> Fortes Sobrecargas


Protecção Contra Redução ou Quebra de TensãoREDUÇÃO DE TENSÃO

Duas Soluções...

•CONTACTORES

Actuam instantaneamente para: 50 a 70% de Vnominal.

•RELÉS TEMPORIZADOS

Previnem disparos intempestivos: cavas de tensão

momentâneas.

Podem ser ligados a um alarme


Protecção Contra Trocas de Fases da Tensão de AlimentaçãoTROCAS DE

FASES

•Relés de Detecção da Sequência de Correntes

ProblemaMotor arrancar em sentido inverso...problemas para a

cargaDuas Formas de Detecção

Actuam ao detectarem uma sequência de correntes A,C,B

Desvantagem:Necessitam que o motor seja alimentado

Ia

Ic

Ib

•Relés de Detecção da Sequência de Tensões

Verificam a sequência das tensõesVantagem:

Não necessitam que o motor seja alimentadoProtegem o motor no arranque e em

funcionamento

Va

Vc

Vb


Protecção Contra Desequilíbrios entre FasesASSIMETRIASCausas

•Possibilidade de uma das fases do sistema de alimentação ser interrompida

•Zona afectada por distorção harmónica

•Relé Electromecânico

Relés de Assimetria de Correntes

•Comparam as correntes duas as duas: Ia com Ib, e Ib com Ic

Desequilíbrio mínimo detectável depende da construção do relé.Geralmente cerca da 10 a 15%.

•Relé DigitalConsegue-se regular o nível de desequilíbrio

Protecção pode ser assegurada por relés que detectem desequilíbrios de tensões


Protecção Directa Contra AquecimentoAQUECIMENTO

Ventilação Inadequada

Elevada Temperatura Ambientee/ou

Aquecimento

Protecções de medida indirecta de temperatura não protegem o motor...

Sem aumentar a corrente absorvida pelo motor!

Sensores de Temperatura •Montados directamente nos enrolamentos

•Sensíveis às variações de temperatura

•Usados como dispositivos auxiliares aos relés de sobrecarga


Protecção Directa Contra AquecimentoAQUECIMENTOClassificados em 2 Grandes Classes

•RTD

•Termopar

Permitem medir e monitorizar a temperatura

Apenas sensíveis a uma determinada temperatura limite

•Termóstato

•Termístor

RTD [Resistance Temperature Detectors]

•Constituição: Fio de metal enrolado em forma de espiral dentro de um tubo de vidro ou de cerâmica.

•Funcionamento: a resistência eléctrica do fio varia linearmente com a temperatura.

•Fio tipicamente de: níquel, cobre ou platina

Condutores Resistência

Tubo de vidro


Protecção Directa Contra AquecimentoAQUECIMENTORTD [Resistance Temperature Detectors]

•Utilização: Apenas como Medidores da Temperatura do Motor

Medindo R com um ohmímetro ou ponte de resistências.Convertendo R em t através da característica do RTD.

Meio de Operação de um ReléInforma continuamente o relé da temperatura do motor.Se ultrapassar o valor parametrizado, o relé actua.


Protecção Directa Contra AquecimentoAQUECIMENTOTermopar

•Constituição: Dois metais não semelhantes unidos na extremidade.

•Funcionamento: gera uma tensão que está relacionada com a temperatura da junção.

•Utilização: Semelhante à de uma RTD, mas a temperatura é convertida pela medição de uma tensão.

junção V

Metal A

Metal B


Protecção Directa Contra AquecimentoAQUECIMENTOTermóstato

•Disco de acção de mola bimetálico •Opera um conjunto de contactos quando se atinge uma

determinada temperatura.

•Vantagens: •Pode ser directamente ligado a um alarme sem utilizar nenhum relé.•A reposição de serviço pode ser automática se a temperatura baixar.

•Desvantagens: •A temperatura de funcionamento é fixada na fábrica e não pode ser ajustada.• Não permite monitorizar a temperatura.


Protecção Directa Contra AquecimentoAQUECIMENTOTermístor

•Constituição: dispositivo semi-condutor que altera a sua resistência abruptamente a uma determinada temperatura.

•Utilização: mudança de resistência usada para activar um alarme ou desligar o motor.

•Vantagens: •Actuação mais rápida que os dispositivos anteriores.•Não sofrem desgaste mecânico.

•Desvantagem: •Temperatura de mudança não ajustável.


PROTECÇÕES ADICIONAISProtecção Contra Encravamento

•Redunda normalmente na protecção contra sobrecargas•Situação de rotor travado...

•Protecção adicional pode ser implementada por relés digitais•Protecção de backup: correntes elevadas durante mais de 1 segundo

•Exemplo: •Motor Carregado: I > 20% Inominal durante pelo menos 2*Tstart•Perda de Carga: 10% Inominal < I < 20% Inominal durante pelo menos 1 segundo

•Motor deve ser retirado imediatamente de serviço

Protecção Contra Perda de Carga

•Protecção assegurada por relés digitais:•Medem o valor da corrente durante intervalos de tempo especificados


PROTECÇÕES ADICIONAISProtecção Contra Perda de Sincronismo (motores síncronos)

•Protecção deriva da dos geradores síncronos

•Causas:

•Carga excessiva

•Tensão de alimentação baixa

•Problemas no circuito de excitação

Protecção Contra Falha no Circuito de Excitação (motores síncronos)•Assegurada por um relé de mínimo de corrente

•Ligado ao circuito de excitação


ESQUEMA DE PROTECÇÃO COMPLETO


Relé Digital•Um único relé pode proteger contra:

•Temperatura Excessiva

•Rotor Travado

•Assimetria de Correntes

•Perda de Carga

•Sobrecargas

•Defeito à Terra

•Tentativas de arranque

DISPLAY

Botões de Controlo


Obrigado pela vossa atenção!

Dúvidas?

Perguntas?

Protecção de Reactâncias

José Carvalho & Miguel Freitas

Disciplina de Sistemas de Protecção

2 Dezembro 2005

Protecção de Reactâncias – José Carvalho & Miguel Freitas

Pontos Essenciais da Apresentação

•Conceitos básicos sobre reactâncias;

•Exemplos ilustrativos de aplicação;

•Noções gerais sobre protecção de

reactâncias;

•Tipos e formas de protecção;

•Exemplo de um sistema de protecção

completo.

SUMÁRIO


Conceito de ReactânciaCONCEITOS BÁSICOS

Z = R + jX

REACTÂNCIA

Consoante o tipo de ligação

REACTÂNCIAS SÉRIE REACTÂNCIAS SHUNT

Indutâncias


REACTÂNCIAS SÉRIE

VANTAGENS• Diminuição da intensidade da corrente de defeito quando

colocadas num ponto específico da rede;

• Poupança no investimento visto não ser necessário recorrer à utilização de outras protecções mais complexas e mais caras que suportem correntes de curto-circuito elevadas.

DESVANTAGENS• Preocupações acrescidas na alimentação de cargas com baixos

factores de potência;

Utilização de reguladores de tensão

CONCEITOS BÁSICOS


CONCEITOS BÁSICOS

REACTÂNCIAS SHUNT

VANTAGENS• Desempenham um papel importantíssimo na compensação das

grandes correntes capacitivas que tendem a estar presentes em linhas de transmissão de elevado comprimento.

CorrentesCapacitiva

s

Excesso Energia Reactiv

a

• Baixos factores de potência;

• Excesso de kVARs nas linhas;

Reactâncias shunt

Correntes em atraso que compensam excesso de Q

• Optimização do cosφ;

• Desocupação das linhas;


APLICAÇÕES

Reactâncias Série Limitadoras de Corrente

• Formada por bobinas trifásicas, colocadas umas sobre as outras utilizando isoladores de suporte entre elas;

• Distância entre isoladores garante que a indutância mútua seja inferior à indutância principal;

• Limitar as correntes de curto-circuito evitando que atinjam valores passíveis de danificar os equipamentos a que estão ligados;

• Permitem utilizar disjuntores e condutores standard evitando a utilização de aparelhos mais complexos e onerosos;

Alguns exemplos ilustrativos


APLICAÇÕES

Reactâncias de Choque para Baterias de Condensadores

• Limitar as perturbações transitórias e as sobrecorrentes provocadas por baterias de condensadores em paralelo mediante a colocação em série de damping reactors de choque com essas mesmas baterias;

• Muito similares às reactâncias série mas com uma impedância um pouco mais baixa ainda que sejam, geralmente, submetidas a esforços de tensões mais elevados;



APLICAÇÕES

Reactâncias de Neutro à Terra

• Inserida entre o neutro de um sistema trifásico e a terra;

• Limitar a corrente entre uma linha de transmissão directamente ligada à terra, ou reduzir a corrente entre a linha e a terra numa rede de neutro isolado até um valor seguro que garanta a sua protecção.



APLICAÇÕES

Reactâncias Shunt

• Utilizadas para compensar a potência reactiva capacitiva gerada por linhas de transmissão muito compridas sujeitas a um baixo regime de carga.

• Colocadas ou retiradas de serviço mediante a utilização de disjuntores próprios e estão normalmente conectadas ao enrolamento terciário do transformador principal, ou, em alguns casos, directamente ao circuito de transmissão.



APLICAÇÕES

Reactâncias Controladas por Tirístores

• Também denominadas por TCR (Thyristor controlled reactors), utilizam-se nos compensadores estáticos de energia reactiva.

• São muito semelhantes às reactâncias shunt, mas o controlo da corrente é feito de uma forma contínua através das válvulas dos tirístores.

• A reactância trifásica liga-se em triângulo. Cada fase da reactância divide-se em duas bobinas e os tirístores são colocados entre as referidas bobinas.



APLICAÇÕES

Reactâncias Filtro

• Estas reactâncias assumem duas funções:

1. Produzem potência reactiva capacitiva à frequência básica.

2. Filtram harmónicos.

• Normalmente cada frequência harmónica necessita de um filtro independente. Para as frequências harmónicas mais elevadas utilizam-se filtros de banda larga.

• Algumas destas reactâncias filtro possuem tomadas que permitem ajustar a frequência que se pretende filtrar.

• Um filtro harmónico é desenhado para ter uma baixa impedância entre fase terra, ou entre fases à frequência harmónica pretendida. Consequentemente, a corrente harmónica fluirá no sentido do filtro e não no sentido da rede eléctrica.



Protecção Noções Gerais Sobre Protecção de Reactâncias

Em termos construtivos:

Reactância ≈ Transformador

Sistemas de Protecção Semelhantes

A resposta é SIM, mas no caso das reactâncias a questão é mais simples. Porquê?

Duas razões fundamentais:

1. Existência de um único enrolamento;

2. Ausência de correntes transitórias de magnetização do núcleo aquando da sua colocação em serviço.

Pode ainda dar-se o caso da reactância estar numa zona já protegida e não ser necessária nenhuma protecção adicional. Por exemplo, reactâncias ligadas a barramentos já protegidos e reactâncias em série com cargas já protegidas.


Protecção Tipos de Defeitos Mais Comuns

No que respeita às reactâncias, os tipos de defeitos mais usuais são:

• Defeitos fase-terra;

• Curto-circuitos entre fases no caso de um banco de reactâncias;

• Curto-circuitos entre espiras das bobinas;

• Sobreaquecimento dos enrolamentos devido a sobrecargas ou falhas nos sistemas de refrigeração.

Está testado que este tipo de defeitos rapidamente se escoam pela terra e são detectados pelas protecções de defeitos à terra.


Protecção Reactâncias Série

O sistema funciona através da comparação das correntes que circulam em direcção à reactância com as correntes que dela saem – teoria da circulação de correntes Merz-Price.

Protecção Diferencial



Se a diferença entre as correntes que percorrem o relé for superior a um valor predefinido este deverá actuar fazendo disparar um disjuntor que corte o defeito.


Situação de um defeito fase-terra interno



As correntes no secundário irão circular com sentidos tais que fazem com que a corrente que circula no relé diferencial seja residual e este não veja o defeito.


Situação de um defeito fase-terra externo



Para se prevenir o caso da falha da protecção diferencial adicionamos uma backup-feature que irá actuar caso isso aconteça. A protecção de backup consiste num relé i.m.d.t. (Inverse Definite Minimum Time) de sobre-intensidades em derivação de um dos grupos de transformadores de corrente.

Protecção Diferencialbackup contra sobre-intensidades



O relé central passa a detectar a corrente de neutro (soma da corrente das três fases) e assim a funcionar como protecção contra defeitos monofásicos (defeito fase-terra). Os dois relés que não sofrem alteração na sua ligação desempenham a função de protecção contra defeitos trifásicos e/ou bifásicos.

Protecção Diferencialbackup contra sobre-intensidades + defeitos fase-terra

Consiste em conectar residualmente o elemento central do relé de sobre-intensidade e aplicar-lhe uma parametrização mais baixa para defeitos fase-terra.

Em condições normais, a corrente no ponto central de ligação dos relés é residual devido ao equilíbrio das fases e ao cancelamento dos vectores das correntes.



Protecção BuchholzRate-of-Rise-of-Pressure Protection

Um banco de reactâncias imersas em óleo não está devidamente protegido se não for munido de um relé de protecção que seja actuado por fenómenos relacionados com o nível de óleo e o gás libertado.

Um defeito muito pequeno que se desenvolva lentamente no núcleo da reactância, ou um defeito não visível no tanque das mesmas, não será detectado por outras formas de protecção.




Uma falha que se desenvolva no interior das reactâncias é acompanhada pela libertação de gases provenientes do aquecimento do óleo. Estes gases, libertados em forma de bolhas no recipiente da protecção afectam a posição de flutuadores existentes no seu interior.

Consoante a gravidade do defeito, estas bolhas provocarão o movimento dos flutuadores e o resultante actuar de um alarme (no caso de bolhas pequenas) ou provocar o disparo de um disjuntor (no caso de bolhas de maior volume).



Protecção Térmica dos Enrolamentos

O sobreaquecimento derivado de uma sobrecarga prolongada ou uma falha no sistema de refrigeração, irá resultar, se for permitido por não actuação de protecções, numa deterioração prematura do isolamento e numa consequente drástica redução do tempo de vida útil da máquina.

Para se aplicar uma protecção contra o sobreaquecimento do enrolamento, utiliza-se um termómetro como o esquematizado na figura ao lado.

Este mecanismo faz uma medição da temperatura do óleo do tanque que por sua vez é condicionada por uma resistência de aquecimento colocada junto ao termómetro e alimentada por um transformador de corrente localizado nos enrolamentos da reactância.

A constante de tempo do termómetro é ajustada de maneira a tirar o máximo partido do tempo que os enrolamentos podem estar sujeitos a sobrecarga sem haver danificação dos isolamentos.

Para além de assinalar a temperatura dos enrolamentos este mecanismo inclui dois interruptores de mercúrio. Um que inicia um processo de alarme se a temperatura atingir um valor predeterminado (100ºC valor típico) e outro que completa o accionamento do circuito de tripping quando se verifica o atingir de outra temperatura de referência, digamos 120ºC.

De realçar que actualmente já se aplica a protecção térmica dos enrolamentos às reactâncias com isolamento seco.

O processo consiste na introdução de uma sonda no seio dos enrolamentos da bobina. Essa sonda é conectada a um sistema medidor de temperatura que, dependendo dos níveis que registar, emite alarmes ou emite uma ordem de actuação às protecções.


Protecção Reactâncias Shunt

Se os seis terminais da reactância trifásica estiverem acessíveis é possível aplicar um sistema de protecção diferencial similar ao que se apresentou anteriormente.




Como protecção de backup à protecção diferencial podemos ter um relé de tensão homopolar para detecção de defeitos fase-terra.

Protecção Diferencialbackup contra defeitos à terra



No caso das reactâncias shunt não é necessário que os seis terminais dos enrolamentos fiquem acessíveis, e, por motivos económicos, é usual efectuar uma ligação estrela no interior da reactância trifásica ficando só acessíveis quatro terminais.


Desta forma, torna-se impossível aplicar um sistema de protecção diferencial como aqueles referidos anteriormente pelo que se recorre a um sistema composto por apenas quatro transformadores de corrente aplicando um a cada uma das fases e o outro ao neutro.

Este sistema protege as reactâncias somente contra defeitos fase-terra. Como aproximadamente 75% dos defeitos verificados são defeitos à terra, ou pelo menos começam por o ser, esta protecção não se revela tão desvantajosa como parece e a protecção contra defeitos fase-fase pode ser sempre feita recorrendo a um relé independente.

Assim, a protecção para esses defeitos pode ser feita através da utilização de um relé i.m.d.t. (Inverse Definite Minimum Time) de sobre-intensidades tripolar. Este relé tem um funcionamento relativamente lento pelo que tem de ser ajustado de maneira a ser selectivo com outros equipamentos de protecção.


Protecção


A protecção térmica dos enrolamentos deve também ser implementada e é em tudo idêntica à apresentada para as reactâncias série.

Protecção Térmica dos Enrolamentos

Reactâncias shunt imersas em óleo são passíveis de serem protegidas por um relé Buchholz idêntico ao que foi descrito para as reactâncias série.

Reactâncias Shunt


Protecção

Intertripping

to trip = to actuate a mechanism; to become operative.

Como o próprio termo indica, intertripping é um meio utilizado para efectuar o tripping de um disjuntor que esteja localizado num ponto remoto em relação ao qual ocorreu o defeito.

A transmissão deste tipo de informação faz-se através de fios piloto, através de ondas portadoras enviadas directamente no condutor de potência ou através de dispositivos de emissão e recepção de sinais rádio.

Reactâncias Shunt


ProtecçãoEsquema Integral

Reactâncias Shunt


FimBibliografia

•The Electricty Council; Power System Protection – Vol. 1: Introduction; ; 1969 - Macdonald & Co. London.

•Capítulo 14 - Power System Protection . Vol. 2: Application; The Electricty Training Association; 1995 - Elecricity Association Services Limited.

•Caminha, Amadeu – Introdução à Protecção dos Sistemas Eléctricos; 1977 – Editora Edgard Blücher Ltda..

•Protective Relaying Theory & Applications; Edited by Elmore, A. Walter; 2003 ABB.

•Holland, Arthur “Power Factor” (Online); 2002 – Process Heating.

•Stebbins, Wayne “Power Distribution Systems and Power Factor Correction” (Online); 2000 – Energy and Power Management.

•Nokian Capacitors Ltd. – “Reactors Brochure” (Online); 2004.

•Ferreira, José Rui da Rocha Pinto; Acetatos de apoio às aulas de Sistemas de Protecção do 5º ano da LEEC (Online).

Muito obrigado pela vossa atenção!

http://www.process-heating.com/CDA/ArticleInformation/Heating_Highlights_Item/0,3276,77225,00.html

http://www.energyusernews.com/CDA/Article_Information/Fundamentals_Item/0,2637,8216,00.html

http://www.nokiancapacitors.com./documents/03%20-%20products/reactors/EN-RE01-11_2004-air_core_reactors.pdf

http://paginas.fe.up.pt/~jrf/disciplinas/sistemas%20de%20proteccao/textos%20de%20apoio/sistemas%20proteccao%201.pdf

protecção de motores miguel freitas & josé carvalho disciplina de sistemas de protecção 2...

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