O gerador é o ativo central de uma usina e demanda um conjunto dedicado de proteções, dada a diversidade de modos de falha a que está sujeito. Diferente de uma linha ou de um transformador, a máquina síncrona pode ser danificada não só por curtos-circuitos, mas também por condições anormais de operação que, à primeira vista, nem parecem defeitos.

Faltas internas no estator

Diferencial do gerador (87G). É a proteção principal contra faltas entre fases no enrolamento do estator. Compara as correntes dos TCs do lado do neutro e do lado dos terminais da máquina e atua sem temporização intencional. Por ser uma proteção unitária, é seletiva por natureza.

Falta à terra no estator. Como os geradores de grande porte costumam ser aterrados por alta impedância (para limitar a corrente de falta à terra a poucos ampères), o 87G não é sensível a esse tipo de defeito. Usa-se então a proteção de sobretensão de neutro (59N), que cobre cerca de 90% a 95% do enrolamento a partir dos terminais. Os 5% a 10% próximos ao neutro ficam descobertos, e para eles se aplica a proteção baseada na terceira harmônica (27TN) ou um esquema de injeção de sinal, compondo a chamada proteção de 100% do estator.

Condições anormais de operação

Perda de excitação (40). Quando o campo é perdido, por abertura do disjuntor de campo, falha no regulador de tensão ou defeito no circuito do rotor, a máquina passa a absorver potência reativa do sistema e pode perder o sincronismo. A função clássica usa uma característica de impedância no plano R-X, deslocada no eixo -X de metade da reatância transitória de eixo direto (X'd/2).

Sequência negativa (46). Desequilíbrios de carga ou faltas assimétricas não eliminadas induzem correntes de dupla frequência no rotor, com aquecimento rápido. A proteção tem característica de tempo inverso baseada na constante I2²·t da máquina.

Potência reversa (32). Detecta a motorização do gerador, quando a máquina primária perde potência e o gerador passa a consumir energia da rede. Em turbinas a vapor e hidráulicas, a motorização prolongada traz riscos à turbina, e não ao gerador em si.

Sobre e subtensão (59/27) e sobre e subfrequência (81). Protegem a isolação e a máquina primária contra operação fora das faixas admissíveis, e precisam ser coordenadas com os requisitos de suportabilidade a variações de frequência e tensão estabelecidos pelo ONS para a conexão da usina.

Sobre-excitação (24, V/Hz). Protege gerador e transformador elevador contra densidade de fluxo excessiva, que pode ocorrer, por exemplo, em partidas e paradas com o regulador de tensão em operação a frequência reduzida.

Perda de sincronismo (78). Detecta o escorregamento de polos, quando o ângulo do rotor ultrapassa o limite de estabilidade e a máquina passa a oscilar em relação ao sistema.

Energização inadvertida (50/27). Protege a máquina parada contra o fechamento acidental do disjuntor, situação em que ela se comporta como um motor de indução partindo diretamente da rede.

Retaguarda e coordenação com o transformador elevador

O gerador também precisa de proteção de retaguarda para faltas externas não eliminadas, normalmente uma função de distância (21) ou de sobrecorrente com restrição ou controle por tensão (51V). Essa retaguarda deve ser coordenada com as proteções do transformador elevador e da linha de conexão. Em muitos arranjos, adota-se ainda uma diferencial geral, cobrindo o conjunto gerador e transformador elevador.

Faltas no rotor

A primeira falta à terra no circuito de campo não causa dano imediato, já que o circuito é isolado. Uma segunda falta, porém, cria um caminho de curto-circuito no enrolamento do rotor, com desequilíbrio magnético e vibração. Por isso a proteção de terra do rotor (64R) é usada para alarmar e, conforme a filosofia da usina, desligar a máquina na primeira ocorrência.

Integração e ensaios

Cada função monitora uma condição específica de operação da máquina em sincronismo com o sistema, e muitas dependem dos dados de placa e das curvas de capabilidade do gerador. Por isso, o ajuste exige informações do fabricante (reatâncias, constante I2²·t, limites V/Hz) e um estudo de coordenação com o sistema. Nos ensaios, a injeção secundária por função precisa ser complementada por testes de lógica de disparo (desligamento do disjuntor de máquina, do campo e parada da turbina, conforme o tipo de atuação) e, sempre que possível, por verificações com a máquina em operação.

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