Em função das limitações apresentadas pelos relés eletromecânicos, a proteção térmica de motores foi historicamente tratada como um problema de coordenação de sobrecorrente, sem levar em consideração a dinâmica e o histórico térmico envolvido na operação contínua do motor. Os atuais relés microprocessados para proteção de motores implementam equações diferenciais de primeira ordem, cujos algoritmos, processados em tempo real, possibilitam uma nova abordagem para uma adequada proteção térmica, utilizando modelos matemáticos. Especialmente para os motores industriais de grande porte e de maior importância operacional, somente os recentes relés de proteção microprocessados e seus algoritmos digitais tem sido efetivamente capazes de fornecer proteção adequada, baseados em modelos térmicos que realisticamente estimam, continuamente e em tempo real, o nível térmico atual do motor. A proteção térmica de motores de indução trifásicos tem sido uma das maiores áreas onde a proteção numérica, baseado em microprocessadores, tem proporcionado um aprimoramento do nível básico das funções de proteção de motores. O método da proteção térmica tem sido aperfeiçoado, de forma a implementar modelos que levam em consideração o aquecimento do motor devido às correntes de seqüência positiva e negativa e as características térmicas de um motor de indução. A capacidade do processamento digital de sinais tem possibilitado a implementação de novas soluções para as deficiências de proteção de motores industriais trifásicos apresentadas pelas tecnologias convencionais de proteção, até então fundamentadas em proteção de sobrecorrente. As principais funções de proteção aplicáveis para motores trifásicos industriais, bem como os aspectos do estado da arte de hardware, software e filtros digitais implementados nos atuais relés de proteção microprocessados são discutidos neste trabalho. O equacionamento de um sistema térmico de primeira ordem e os requisitos de modelo para a implementação da proteção térmica de motores são também aqui analisados. São discutidas as dinâmicas de dois modelos térmicos, um baseado em proteção por sobrecorrente e outro baseado em um sistema térmico de primeira ordem. São simulados e comparados os desempenhos destes dois diferentes algoritmos de proteção térmica de motores, quando submetidos às correntes de carga e de sobrecarga, tanto constantes como cíclicas. / On account of the limitations presented for the electromechanical relays, the motor thermal protection was historically treated as an overcurrent coordination issue, without taking into account the dynamics and the thermal historical involved in the process. The modern microprocessor-based relays for motor protection implement discrete time first-order differential equations, whose algorithms, based on the power of the real time signal processing, make possible a new approach for a proper thermal protection, applying mathematical models. Especially for large and critical operational significance industrial motors, only the recent numerical relays for motor protection and its digital algorithms has been efficiently suitable to provide an adequate protection, based in thermal models that realistically take into account, continuously and in real time, the actual motor thermal level. The thermal protection of three-phase induction motors has been one of the biggest areas where the numerical protection, based in microprocessor-based relays, has provide an improvement of the basic level of the motor protection functions. The method of the thermal protection has been improved, in such wise as to implement models that take into account the motor heating due to both positive and negative sequence currents, and the thermal characteristics of an induction motor. The capacity of the digital signal processing has made possible the implementation of new solutions for the deficiencies of three-phase industrial motors protection, established on the conventional protection technologies, till then based on overcurrent protection. The main applicable protection functions for industrial three-phase motors, as well as the aspects of the state of the art of the hardware, software and digital filters implemented in the actual microprocessor-based protection relays are discussed in this work. The derivation of a first-order thermal system and the requirements of model for the implementation of the motor thermal protection also are studied in this work. The dynamics of two thermal models, one based in overcurrent protection and another based on a first-order thermal system are analyzed. The performances of these two different algorithms of motor thermal protection are simulated and compared, when subjected to both constants and cyclic, load and overload currents.

Em função das limitações apresentadas pelos relés eletromecânicos, a proteção térmica de motores foi historicamente tratada como um problema de coordenação de sobrecorrente, sem levar em consideração a dinâmica e o histórico térmico envolvido na operação contínua do motor. Os atuais relés microprocessados para proteção de motores implementam equações diferenciais de primeira ordem, cujos algoritmos, processados em tempo real, possibilitam uma nova abordagem para uma adequada proteção térmica, utilizando modelos matemáticos. Especialmente para os motores industriais de grande porte e de maior importância operacional, somente os recentes relés de proteção microprocessados e seus algoritmos digitais tem sido efetivamente capazes de fornecer proteção adequada, baseados em modelos térmicos que realisticamente estimam, continuamente e em tempo real, o nível térmico atual do motor. A proteção térmica de motores de indução trifásicos tem sido uma das maiores áreas onde a proteção numérica, baseado em microprocessadores, tem proporcionado um aprimoramento do nível básico das funções de proteção de motores. O método da proteção térmica tem sido aperfeiçoado, de forma a implementar modelos que levam em consideração o aquecimento do motor devido às correntes de seqüência positiva e negativa e as características térmicas de um motor de indução. A capacidade do processamento digital de sinais tem possibilitado a implementação de novas soluções para as deficiências de proteção de motores industriais trifásicos apresentadas pelas tecnologias convencionais de proteção, até então fundamentadas em proteção de sobrecorrente. As principais funções de proteção aplicáveis para motores trifásicos industriais, bem como os aspectos do estado da arte de hardware, software e filtros digitais implementados nos atuais relés de proteção microprocessados são discutidos neste trabalho. O equacionamento de um sistema térmico de primeira ordem e os requisitos de modelo para a implementação da proteção térmica de motores são também aqui analisados. São discutidas as dinâmicas de dois modelos térmicos, um baseado em proteção por sobrecorrente e outro baseado em um sistema térmico de primeira ordem. São simulados e comparados os desempenhos destes dois diferentes algoritmos de proteção térmica de motores, quando submetidos às correntes de carga e de sobrecarga, tanto constantes como cíclicas. / On account of the limitations presented for the electromechanical relays, the motor thermal protection was historically treated as an overcurrent coordination issue, without taking into account the dynamics and the thermal historical involved in the process. The modern microprocessor-based relays for motor protection implement discrete time first-order differential equations, whose algorithms, based on the power of the real time signal processing, make possible a new approach for a proper thermal protection, applying mathematical models. Especially for large and critical operational significance industrial motors, only the recent numerical relays for motor protection and its digital algorithms has been efficiently suitable to provide an adequate protection, based in thermal models that realistically take into account, continuously and in real time, the actual motor thermal level. The thermal protection of three-phase induction motors has been one of the biggest areas where the numerical protection, based in microprocessor-based relays, has provide an improvement of the basic level of the motor protection functions. The method of the thermal protection has been improved, in such wise as to implement models that take into account the motor heating due to both positive and negative sequence currents, and the thermal characteristics of an induction motor. The capacity of the digital signal processing has made possible the implementation of new solutions for the deficiencies of three-phase industrial motors protection, established on the conventional protection technologies, till then based on overcurrent protection. The main applicable protection functions for industrial three-phase motors, as well as the aspects of the state of the art of the hardware, software and digital filters implemented in the actual microprocessor-based protection relays are discussed in this work. The derivation of a first-order thermal system and the requirements of model for the implementation of the motor thermal protection also are studied in this work. The dynamics of two thermal models, one based in overcurrent protection and another based on a first-order thermal system are analyzed. The performances of these two different algorithms of motor thermal protection are simulated and compared, when subjected to both constants and cyclic, load and overload currents.

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.