Os sistemas de proteção dos elementos da rede elétrica desempenham um papel de fundamental importância na segurança e confiabilidade dos sistemas de potência. A não atuação ou a atuação incorreta dos relés de proteção durante uma falta localizada em um componente da rede pode transformar-se em um evento sistêmico de grandes proporções (blecaute). Esses eventos trazem riscos e elevados prejuízos econômicos à sociedade. A proteção dos geradores síncronos, apesar do alto custo e complexidade deste tipo de equipamento, não recebe a mesma atenção na literatura que a dedicada à proteção de outros elementos da rede, como, por exemplo, a das linhas de transmissão. Isso decorre do menor número de geradores existentes na rede e também da ideia que as faltas neste tipo de equipamento são menos frequentes. Este trabalho aborda os principais aspectos envolvidos com o projeto de um sistema de proteção para geradores síncronos de grande porte. Incialmente, discutese os principais conceitos associados com os geradores, de interesse para a tarefa de proteção. Particular atenção é dedicada às formas de aterramento e aos critérios adotados para projeto do resistor de aterramento utilizado nesse equipamento. Em seguida, apresentam-se as principais funções de proteção aplicáveis aos geradores, particularmente aquelas voltadas para a detecção de faltas nos enrolamentos do estator. Discute-se também os critérios de ajustes dos parâmetros dessas funções. Descreve-se o uso de uma plataforma laboratorial, baseada em simulador de tempo real (RTDS), para ensaio e análise do sistema de proteção visando validar seu correto desempenho frente às possíveis condições operativas que podem ser encontradas em campo. Finalmente, utilizando os conceitos desenvolvidos ao longo do trabalho, desenvolve-se um estudo de caso, onde é realizado o projeto e implementação do sistema de proteção dos geradores de uma usina hidrelétrica hipotética. Para avaliar e analisar o desempenho do sistema de proteção dessa rede exemplo, parametrizou-se o IED G60 (GE) e realizou-se inúmeras simulações na plataforma de testes proposta. / Protection systems play a critical role in the safety and reliability of electric power systems. The non-operation or wrong operation of protective relays during a fault in a network element can evolve to a systemic event in large scale (blackout). These events bring risks and high economic losses to society. Despite the high cost and complexity, the protection of synchronous generators has not received much attention in the literature devoted to protection of other network elements, such as transmission lines. This stems from the smaller number of generators in the network and also the idea that the faults in this type of equipment are less frequent. This research discusses the main aspects involved in the design of a protection system for large synchronous generators. Initially, it discusses the key concepts of interest to the generation protection. Particular attention is given to grounding techniques and the criteria adopted for the design of grounding resistors used in those equipment. Then the main protection functions applicable to generators are presented, particularly those related to fault detection in the stator windings. The criteria for setting the parameters of these functions are also discussed. After that, the use of a laboratory shelf, based on Real-Time Digital Simulator (RTDS) for testing and analysis of the protection system, is described in order to validate the correct performance in face of possible operating conditions in the field. Finally, a study case is developed using the concepts developed throughout the research. Then, the design and implementation of the protection system of generators of a hypothetical hydroelectric plant are carried out. To evaluate and analyze the performance of this example network protection system, parameterized up IED G60 (GE) and held numerous simulations in the proposed test platform.

Os sistemas de proteção dos elementos da rede elétrica desempenham um papel de fundamental importância na segurança e confiabilidade dos sistemas de potência. A não atuação ou a atuação incorreta dos relés de proteção durante uma falta localizada em um componente da rede pode transformar-se em um evento sistêmico de grandes proporções (blecaute). Esses eventos trazem riscos e elevados prejuízos econômicos à sociedade. A proteção dos geradores síncronos, apesar do alto custo e complexidade deste tipo de equipamento, não recebe a mesma atenção na literatura que a dedicada à proteção de outros elementos da rede, como, por exemplo, a das linhas de transmissão. Isso decorre do menor número de geradores existentes na rede e também da ideia que as faltas neste tipo de equipamento são menos frequentes. Este trabalho aborda os principais aspectos envolvidos com o projeto de um sistema de proteção para geradores síncronos de grande porte. Incialmente, discutese os principais conceitos associados com os geradores, de interesse para a tarefa de proteção. Particular atenção é dedicada às formas de aterramento e aos critérios adotados para projeto do resistor de aterramento utilizado nesse equipamento. Em seguida, apresentam-se as principais funções de proteção aplicáveis aos geradores, particularmente aquelas voltadas para a detecção de faltas nos enrolamentos do estator. Discute-se também os critérios de ajustes dos parâmetros dessas funções. Descreve-se o uso de uma plataforma laboratorial, baseada em simulador de tempo real (RTDS), para ensaio e análise do sistema de proteção visando validar seu correto desempenho frente às possíveis condições operativas que podem ser encontradas em campo. Finalmente, utilizando os conceitos desenvolvidos ao longo do trabalho, desenvolve-se um estudo de caso, onde é realizado o projeto e implementação do sistema de proteção dos geradores de uma usina hidrelétrica hipotética. Para avaliar e analisar o desempenho do sistema de proteção dessa rede exemplo, parametrizou-se o IED G60 (GE) e realizou-se inúmeras simulações na plataforma de testes proposta. / Protection systems play a critical role in the safety and reliability of electric power systems. The non-operation or wrong operation of protective relays during a fault in a network element can evolve to a systemic event in large scale (blackout). These events bring risks and high economic losses to society. Despite the high cost and complexity, the protection of synchronous generators has not received much attention in the literature devoted to protection of other network elements, such as transmission lines. This stems from the smaller number of generators in the network and also the idea that the faults in this type of equipment are less frequent. This research discusses the main aspects involved in the design of a protection system for large synchronous generators. Initially, it discusses the key concepts of interest to the generation protection. Particular attention is given to grounding techniques and the criteria adopted for the design of grounding resistors used in those equipment. Then the main protection functions applicable to generators are presented, particularly those related to fault detection in the stator windings. The criteria for setting the parameters of these functions are also discussed. After that, the use of a laboratory shelf, based on Real-Time Digital Simulator (RTDS) for testing and analysis of the protection system, is described in order to validate the correct performance in face of possible operating conditions in the field. Finally, a study case is developed using the concepts developed throughout the research. Then, the design and implementation of the protection system of generators of a hypothetical hydroelectric plant are carried out. To evaluate and analyze the performance of this example network protection system, parameterized up IED G60 (GE) and held numerous simulations in the proposed test platform.

This work presents a new Loss-of-Excitation in synchronous generators protection scheme based on the Continuous Apparent Impedance Calculation. This methodology aiming to improve security and dependability to the ANSI 40 function in order to distinguish cases of loss of excitation from other external disturbances such as stable power swings caused by the elimination of short circuits, for instance. Traditional loss of excitation protection methods may operate incorrectly in the occurrence of this kind of disturbance. Since the proposed methodology have settings related to the reactance parameters of the protected generator (Xd e X d), tests have been carried out considering two different machines with distinct parameters of the WSCC 9-bus system. Aiming to test the proposed technique and compare it with other widely used methods Mason, Berdy and Positive Offset, three kinds of events were simulated, namely, total loss of excitation, partial loss of excitation and stable power swing, for different initial generator loading. The computer simulation results demonstrate that the proposed method correctly identifies the occurrence of loss-of-excitation and does not operate in situations of stable power swings, regardless of the parameters of generators and their operating condition. Its alarm function allows taking the underexcited machine out faster by using manual intervention, which is especially useful when the initial loading is light or when it‟s a partial loss of excitation case. Another highlight is the ease adjustment of the method, which is related only with the generator‟s reactances data. / Este trabalho apresenta um novo método de proteção contra perda de excitação de geradores síncronos fundamentado no Cálculo Contínuo da Impedância Aparente. Este novo conceito visa garantir segurança e disponibilidade para a função de proteção ANSI 40 através da distinção de casos de perda de excitação e outros distúrbios externos ao gerador, tais quais as oscilações estáveis de potência ocorridas após a eliminação de curto-circuitos. As técnicas tradicionais de proteção contra perda de excitação podem apresentar operações indevidas quando da ocorrência de tais distúrbios. Considerando que a metodologia desenvolvida possui ajustes em função dos parâmetros das reatâncias do gerador protegido (Xd e X d), são feitos testes com duas máquinas de parâmetros distintos do sistema WSCC 9-barras. Visando testar a técnica proposta e compará-la com métodos amplamente utilizados Mason, Berdy e Offset Positivo, foram simulados três tipos de eventos, ou seja, perda de excitação total, perda de excitação parcial e oscilação estável de potência, para diferentes pontos operacionais do gerador. Os resultados das simulações computacionais demonstraram que o método proposto identifica corretamente a ocorrência de perda de excitação e não opera em situações de oscilação estável de potência, independentemente dos parâmetros do gerador e de sua condição de operação. A função de alarme permite desligar a máquina subexcitada mais rapidamente através de intervenção manual, o que é especialmente útil quando o carregamento inicial é baixo ou a perda de excitação é parcial. Destaca-se ainda a facilidade de ajuste do método, o qual depende apenas dos dados das reatâncias do gerador.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work aims to evaluate the performance of the loss of field protection methods in synchronous generators. The methods are introduced to make available in a single text the various ways to protect the synchronous generator against the loss of field. The conventional methods have some problems, and the main of them is the improper operation caused by the power stable oscillations. In order to solve or minimize the relay algorithm malfunction, two new methods of loss of field protection are proposed. The first is designed to increase the operational area of the generator on steady state conditions, bounded by the conventional loss of field protection. It was accomplished by modifying the operational characteristic of the mho relay, which is better coordinated with the generator capability curve. The second makes use of loss of field conception in a fuzzy set theory. With the objective to identify the performance of each one, the methods were evaluated through computational simulations of loss of field and stable power oscillation. The methods were set and evaluated according to the generator parameters (Xd and X'd). Since, tests in three machines with different parameters were carried out. So it was possible to conclude that the methods do not behave the same way for different generators parameters. On the other hand, the proposed technique, which is based on the fuzzy set theory was more efficient and not have been affected by the generator parameters and system considered. / Este trabalho visa avaliar o desempenho dos métodos de proteção contra a perda de excitação em geradores síncronos. Os métodos são apresentados de forma a tornar disponível em um único texto as diversas maneiras de se proteger o gerador síncrono contra a perda do seu sistema de excitação. Os métodos convencionais abordados apresentam alguns problemas, sendo o principal, a operação indevida causada por oscilações estáveis de potência. Visando solucionar ou minimizar estes problemas, dois novos métodos de proteção contra a perda de excitação são propostos. O primeiro, objetivando aumentar a área operacional do gerador em regime permanente, restringida pela proteção contra a perda de excitação convencional, por meio de uma característica operacional modificada, melhor coordenada com a curva de capacidade do gerador. O segundo introduz os fundamentos clássicos da proteção contra a perda de excitação na teoria dos conjuntos nebulosos. Com o objetivo de se identificar o desempenho de cada um, os métodos existentes e os propostos foram avaliados por meio de simulações computacionais de perda de excitação e oscilação estável de potência. Como os métodos possuem ajustes em função dos parâmetros do gerador protegido (Xd e X d), realizaram-se testes com três máquinas de parâmetros distintos. Deste modo, foi possível concluir que os métodos não se comportam da mesma maneira para geradores de diferente porte. Por outro lado, a técnica proposta, que tem como base a teoria dos conjuntos nebulosos se mostrou eficiente e não teve seu desempenho afetado pelos parâmetros do gerador e do sistema considerado.