Diferente de transformadores e linhas, que são ativos estáticos, o gerador síncrono é uma máquina dinâmica complexa. Aqui, o relé de proteção não cuida apenas do aspecto elétrico; ele é o guardião dos limites térmicos e mecânicos da turbina e do eixo.
Um erro de ajuste em um alimentador usualmente queima um fusível; um erro de ajuste em um gerador pode destruir um eixo de aço maciço ou fundir o núcleo do estator. Vamos analisar as funções que vão além do curto-circuito.
O Perigo Silencioso: Perda de Excitação (ANSI 40)
A perda de campo magnético no rotor (seja por falha no regulador de tensão ou rompimento de cabos) é catastrófica. Sem excitação, o gerador síncrono perde o acoplamento magnético entre rotor e estator e começa a operar como um gerador de indução, importando reativos da rede para magnetizar-se.
O Risco: Isso tende a causar aquecimento severo nas extremidades do núcleo do estator e induz correntes parasitas no corpo do rotor. Além disso, afunda a tensão do sistema, ameaçando a estabilidade do sistema que o circunvizinha.
A Proteção: Utilizamos relés de distância (impedância) com característica Mho deslocada (Offset Mho) para detectar a queda de impedância e a inversão do fluxo de reativos antes que os danos mencionados ocorram.
Motorização e Potência Inversa (ANSI 32) Quando a turbina perde sua força motriz (corte de vapor ou fechamento de comportas), mas o disjuntor permanece fechado, o gerador se comporta como um motor síncrono gigantesco, tendo como sua carga a turbina acoplada.
O Dano: Em turbinas a vapor, isso tende a causar superaquecimento das palhetas por atrito aerodinâmico. Em turbinas hidráulicas, pode-se causar cavitação nas pás.
A Lógica: A função 32 monitora o fluxo de potência ativa (Watts). Se o fluxo inverter (da rede para a máquina), o relé deve comandar o trip do disjuntor, parando a máquina.
O Inimigo Térmico: Sequência Negativa (ANSI 46) Cargas desequilibradas ou faltas não eliminadas na rede geram a circulação de correntes de sequência negativa ($I_2$) através dos enrolamentos do estator. Essas correntes rotacionam no estator em sentido contrário ao rotor, induzindo correntes parasitas de frequência dupla (120 Hz, no caso de um sistema 60 Hz) na superfície do rotor.
O efeito pelicular (skin effect) faz com que essas correntes aqueçam o rotor de forma extremamente rápida. A proteção 46 deve ser ajustada estritamente conforme a curva de suportabilidade $I_2^2t$ fornecida pelo fabricante da máquina.
Proteger um gerador demanda a compreensão de aspectos de termodinâmica, mecânicos e elétricos. Ignorar as constantes de tempo térmicas do rotor ou a curva de capacidade da turbina durante o estudo de proteção é negligência profissional.
