O que é corrente de sequência negativa e como isso afeta o trabalho de um gerador
Você sabe o que é corrente de sequência negativa? Sabe como ela age em uma máquina síncrona? Neste artigo você encontrará diversas informações relacionadas a essas correntes, bem como os efeitos causados em geradores.
Exposição a correntes desequilibradas
Como você sabe, geradores e motores devem operar com carga trifásica balanceada, mas a exposição a correntes desbalanceadas é inevitável. Desequilíbrios podem surgir de muitas fontes diferentes como cargas desequilibradas, construção de linhas de transmissão sem transposição, falhas e fases abertas, etc.
Esses desequilíbrios aparecem como corrente de sequência negativa nos cabos do gerador. Por definição, correntes de sequência negativa têm uma rotação oposta à do sistema de potência. Essa corrente do estator rotativo invertido induz correntes de frequência duplas nas estruturas do rotor. O aquecimento resultante pode danificar o rotor muito rapidamente.
Durante décadas, os relés de sobrecorrente eletromecânicos de sequência negativa foram fornecidos como proteção de corrente desbalanceada padrão para geradores de médio e grande porte. A tecnologia eletromecânica limitou severamente a sensibilidade desses relés. Como resultado, eles poderiam fornecer apenas proteção de backup para falhas de fase a fase e de terra não resolvidas. Condições de baixa corrente potencialmente prejudiciais, como uma fase aberta ou falha restrita, eram indetectáveis.
Com o advento da tecnologia de estado sólido e microprocessadores, o relé agora está disponível para fornecer proteção ao gerador em uma ampla gama de condições de desequilíbrio.
Então, o que é corrente de sequência negativa?
O conceito de corrente de sequência negativa está enraizado na metodologia de componentes simétricas. A teoria básica dos componentes simétricos é que correntes e tensões de fase em um sistema de energia trifásico podem ser representados por três componentes monofásicos.
Estes são componentes de sequência positiva, negativa e zero. A componentes de sequência positiva de corrente ou tensão tem a mesma rotação que o sistema de energia. Esta componente representa carga balanceada.
Se as correntes da fase do gerador forem iguais e deslocadas exatamente a 120º, somente a corrente de sequência positiva existirá. Um desequilíbrio de corrente ou tensão entra as fases em magnitude ou ângulo de fase dá origem a componentes negativos e de sequência zero.
A componente de sequência negativa tem uma rotação oposta à do sistema de energia. A componente de sequência zero representa um desequilíbrio que causa fluxo de corrente no neutro.
A componente de sequência negativa é semelhante ao sistema de sequência positiva, exceto que o campo de reação resultante gira na direção oposta ao sistema de campo DC. Portanto, é produzido um fluxo que corta o rotor com o dobro da velocidade de rotação, induzindo assim correntes de dupla frequência no sistema de campo e no corpo do rotor. As correntes de Foucault resultantes são muito grandes e causam aquecimento severo no rotor.
Esse efeito é tão severo que uma carga monofásica igual à corrente nominal trifásica normal pode aquecer rapidamente o rotor até o ponto de amolecimento.
Classificação de sequência negativa
Um gerador recebe uma classificação de sequência negativa contínua.
Para turbo-geradores, essa classificação é baixa – valores padrão de 10% e 15% da classificação contínua do gerador são adotados. A classificação mais baixa se aplica quando as técnicas de resfriamento mais intensivas são aplicadas, por exemplo, resfriamento por hidrogênio com dutos de gás no rotor para facilitar o resfriamento direto do enrolamento.
O aquecimento em curto espaço de tempo é interessante durante as condições de falha do sistema e é usual determinar a capacidade de suportar a sequência negativa do gerador para assumir que a dissipação de calor durante esses períodos é insignificante.
Usando esta aproximação, é possível expressar o aquecimento pela lei:
Onde:
- I2 : Componente de sequência negativa (por unidade de classificação contínua máxima);
- t: tempo em segundos;
- K: Constante proporcional à capacidade térmica do rotor do gerador.
Para aquecer por um período superior a alguns segundos, é necessário permitir que o calor seja dissipado. A partir de uma combinação das classificações contínua e de tempo curto, a característica geral do aquecimento pode ser deduzida como sendo:
Em que I2r é a classificação contínua da sequência de fase negativa por unidade de classificação contínua máxima (MCR).
Para ilustrar a derivação dessas componentes, consulte a carga no gerador do sistema mostrado na figura abaixo.
A carga do gerador é desequilibrada e, portanto, a corrente de sequência negativa e/ ou zero está presente além da corrente de sequência positiva. As correntes de sequência podem ser resolvidas a partir das correntes de fase quando a magnitude e o ângulo de fase são conhecidos.
Matematicamente, as correntes de sequência positiva (I1), negativa (I2) e zero (I0) em um sistema com rotação ABC são definidas como:
Substituindo correntes e ângulos de fase da figura 1 na equação (1), as correntes de sequência são:
A corrente nominal para o sistema de amostragem é 4370 A. A corrente de sequência positiva é então 4108 A / 4370 A = 0,94 p.u e a corrente de sequência negativa é 175 A/ 4370 A = 0,04 p.u.
O gerador do sistema de exemplo é conectado ao enrolamento delta de um transformador elevador do gerador (GSU). Sem caminho de retorno neutro, a corrente de sequência zero não pode existir. A corrente de sequência zero calculada é resultado de erros de medição e deve ser considerada zero.
EFEITOS DA CORRENTE DE SEQUÊNCIA NEGATIVA
-Aquecimento do rotor
Como o rotor e o campo magnético induzido por sequência positiva se movem na mesma velocidade e direção, o campo magnético mantém uma posição fixa em relação ao rotor e nenhuma corrente é induzida no rotor.
A corrente desequilibrada produz corrente de sequência negativa, que por sua vez produz um campo de rotação reversa no gap de ar. Esse campo magnético gira em velocidade síncrona, mas em uma direção inversa ao rotor.
Da perspectiva de um ponto na superfície do rotor, esse campo parece girar na velocidade síncrona duas vezes. À medida que esse campo varre o rotor, ele induz correntes de dupla frequência no corpo do rotor de uma máquina de rotor cilíndrica e na face do polo de uma máquina de polo saliente.
Partes do caminho de corrente induzido resultante apresentam alta resistência elétrica à corrente induzida. O resultado é um aquecimento rápido.
Danos devido à perda de integridade mecânica ou falha de isolamento podem ocorrer em segundos.
Geradores de rotores cilíndricos
Um rotor cilíndrico é construído a partir de um forjamento de aço sólido com ranhuras cortadas ao longo de seu comprimento. Cada bobina de campo requer dois slots, um para cada lado do enrolamento da bobina. Um slot pode conter um ou mais enrolamentos de bobina. Os sulcos entre os slots são chamados de dentes.4
O rotor é usinados nas laterais de cada dente para permitir que as cunhas sejam forçadas ao longo de todo o comprimento do slot. As cunhas mantêm os enrolamentos de campo nos slots. Em algumas máquinas, tiras condutoras são instaladas nos slots entre a cunha e a bobina de campo
Essas tiras são conectadas nos anéis de retenção para fornecer um caminho de baixa resistência para as correntes induzidas. Os loops formados por essas tiras são conhecidos como enrolamentos de amortecedores.
As configurações de ranhura da cunha, bobina de campo e enrolamento opcional do amortecedor são mostradas na figura abaixo.
Nas extremidades do corpo do rotor, os anéis de retenção mantêm as extremidades dos enrolamentos de campo no lugar contra força centrífuga. Os anéis de retenção geralmente são ajustados por contração ao corpo do rotor, mas em máquinas mais antigas eles podem flutuar livremente com contato aleatório com o corpo do rotor.
Os anéis e as cunhas são projetados para resistência mecânica, porque devem restringir os grandes enrolamentos de campo à velocidade do gerador de taxa. Os anéis de tensão são o componente de maior tensão do rotor.
As correntes induzidas de 120 Hz fluem em circuitos ao longo do corpo de um rotor cilíndrico, como mostra a figura abaixo. Existem tantos circuitos de corrente no rotor quanto polos no estator.
Quando a corrente alternada passa através de um condutor, neste caso o corpo do rotor, as densidades da corrente não são uniformes.
O “efeito de pelo” faz com que a corrente alternada migre para a superfície externa do condutor. Essa tendência aumenta com a frequência.
Em um rotor cilíndrico, a corrente induzida de 120 Hz ocupa uma seção transversal que se estende da superfície a uma profundidade não superior a 0,1 a 0,4 polegadas. Isso força a corrente induzida nos dentes e nas cunhas na superfície do rotor. A alta densidade de corrente resultante aumenta significativamente a resistência do rotor para a corrente de 120 Hz em relação a corrente DC ou 60 Hz.
Maior resistência produz perdas maiores e mais calor por ampere para a corrente de 120 Hz do que para a corrente de frequência mais baixa.
As correntes induzidas produzem aquecimento máximo nas extremidades do corpo do rotor. Um calor significativo é gerado pela resistência de contato à medida que as correntes são transferidas das cunhas para os dentes, a fim de entrar no anel de retenção e do anel para os dentes e depois para as cunhas no loop de retorno. O aumento do aquecimento também é causado por altas densidades de corrente nesses locais, à medida que a corrente entra nos dentes para entrar e sair dos anéis de retenção no final do rotor.
A tolerância de sequência negativa de um gerador depende da manutenção do contato elétrico entre as estruturas do rotor. A baixa resistência minimiza o aquecimento e evita arcos nos pontos de contato. Os designers incluem muitos recursos para melhorar a condutividade.
Isso inclui a adição de enrolamentos de amortecedor nas ranhuras do rotor para formar caminhos de baixa resistência através da superfície do rotor. As extremidades dos enrolamentos do amortecedor são conectadas aos anéis de retenção para fornecer uma ponte de baixa resistência do slot ao anel.
Cunhas de slot de alumínio também podem ser usadas para reduzir a resistência neste caminho atual.
Os dedos de alumínio banhados a prata podem fornecer um caminho de corrente de baixa resistência, desde as cunhas até os anéis de retenção. A superfície do rotor no local do ajuste de contração do anel de retenção geralmente é revestida de prata para minimizar a resistência e o aquecimento na junção.
Dois tipos de falhas do rotor estão associados à corrente desbalanceada.
O superaquecimento das cunhas das fendas causará recozimento e uma falha de cisalhamento contra a força do material nas fendas. A segunda falha seria o anel de retenção. O aquecimento excessivo pode fazer com que um anel retentor de ajuste por contração se solte do corpo do rotor. Isso traria dois outros problemas. O anel de retenção pode não realinhar após esfriar, recolocando-se em uma posição inclinada no corpo o rotor, resultando em vibrações.
Além disso, a perda de um bom contato elétrico durante a flutuação resultaria em corrosão e queima em pontos de contato intermitente ou ruim. Os anéis de retenção projetados para flutuar também sofrerão danos no arco em pontos de contato intermitente ou de baixa condutividade.
As altas temperaturas resultantes podem envolver áreas quebradiças do anel e causar rachaduras sob o estresse variado de repetidas partidas e paradas da unidade.
As características de aquecimento de vários projetos de gerador são mostrados na figura abaixo.
Geradores de polo saliente
Geradores de polos salientes normalmente tem enrolamento de amortecedor na forma de barras condutoras espaçadas na face de cada polo do rotor. As extremidades são soldadas para formar um caminho de baixa resistência em sua face.
Existem dois tipos básicos de amortecedores: Enrolamentos de amortecedores não conectados são isolados em cada face do polo. Os amortecedores conectados têm barras condutoras que se interligam entre os polos para interconectar as extremidades de todos os grupos de amortecedores em cada polo.
Grande parte da corrente induzida no rotor de uma máquina de polos salientes flui no polo diante de amortecedores. Como as conexões são soldadas, esse caminho não possui os pontos quentes de resistência de contato inerentes à máquina de rotor cilíndrico.
No entanto, a corrente dos amortecedores tende a fluir nas barras externas e a corrente induzida pode causar danos ou estresse devido à expansão desigual das barras.
Se os amortecedores não estiverem conectados entre os polos – Uma grande parte da corrente induzida nesses enrolamentos flui pelo corpo do polo para a cauda de andorinha que prende o polo ao rotor e depois de volta ao polo adjacente. A junção na cauda de andorinha proporcionará resistência, produzindo calor que pode danificar o isolamento e a estrutura do rotor.
Se os amortecedores estiverem conectados entre os polos – A corrente de cauda de andorinha é bastante reduzida, mas corrente alta fluirá na conexão entre os polos.
A conexão dos amortecedores também tem um efeito de balanceamento atual na face das barras.
Máquinas de polo saliente com amortecedores conectados terão uma capacidade de corrente de sequência negativa mais alta dos que aquelas sem. Os componentes limitadores nas máquinas conectadas geralmente são as barras que atravessam os polos.
A grande corrente que flui nessas barras pode causar calor suficiente para recozer a barra, resultando em falha mecânica sob força centrífuga.
Torque Pulsante
A corrente de sequência negativa produz um campo magnético de rotação reversa no gap de ar. Este campo produz uma pulsação de torque do eixo na frequência de linhas duas vezes. A magnitude do torque é proporcional à corrente de sequência negativa por unidade no estator. As pulsações são transmitidas ao estator.
Se o estator for montado por mola, a pulsação será absorvida. Sem montagens de mola, a pulsação será transmitida para a fundação do estator, onde elas podem ser um fator de design.
Em geral os problemas associados à pulsação de torque são secundários às preocupações de aquecimento do rotor.
Fonte: EA – Engenheiros Associados
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