Proteção de Sistemas Elétricos - Apostilas - Engenharia Eletrônica Part1, Notas de estudo de Eletrotécnica

Baixe Proteção de Sistemas Elétricos - Apostilas - Engenharia Eletrônica Part1 e outras Notas de estudo em PDF para Eletrotécnica, somente na Docsity! Apostila de Proteção de Sistemas Elétricos Prof. Marcos A. Dias de Almeida Natal, fevereiro de 2000 G Apresentação: Esta apostila foi confeccionada com base nas notas de aulas da disciplina Proteção de Sistemas Elétricos do curso de graduação em Eng. Elétrica da UFRN, portanto, tem como objetivo principal, servir de roteiro para os alunos que estão cursando a disciplina. É composta de oito capítulos. Os quatro primeiros, que constituem a maior parte do curso, versam sobre a proteção de sistemas aéreos de distribuição. Os quatro últimos, dão uma introdução sobre as filosofias das proteções direcional, distância, diferencial e digital. No apêndice A, está feita uma revisão da teoria de cálculo de curto-circuito em sistemas de distribuição radial. No apêndice B, são dados alguns conceitos básicos de transformador de corrente para serviço de proteção. Em anexo, são dadas as curvas tempo x corrente geralmente usadas durante o curso, no estudo de proteção de sobrecorrente de sistemas aéreos de distribuição. Capítulo 8 INTRODUÇÃO À PROTEÇÃO DIGITAL Pág. 8.1 Generalidades 8-1 8.1.1 Desenvolvimento histórico 8-1 8.1.2 Tecnologia convencional versus digital 8-1 8.1.3 Perfil profissional do engenheiro de proteção 8-2 8.2 Sistemas digitais integrados 8-6 8.3 Filtros de relés de proteção 8-7 8.3.1 Algoritmos de filtros digitais 8-7 8.3.2 Algoritmo de Fourier de um ciclo 8-10 8.4 Proteção digital de linhas de transmissão 8-11 8.4.1 Algoritmo de relé de sobrecorrente 8-11 8.4.2 Algoritmo de relé direcional de sobrecorrente 8-13 8.4.3 Algoritmos de relés de distância 8-14 Apêndice A CURTOS-CIRCUITOS EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO RADIAL A.1 Introdução A-1 A.2 Descrição do problema A-1 A.3 Determinação de correntes de curto-circuito A-3 A.4 Curto-circuito trifásico A-5 A.5 Curto-circuito bifásico A-6 A.6 Curto-circuito bifásico-terra A-6 A.7 Curto-circuito fase-terra A-7 A.8 Curtos-circuitos através de impedância A-8 A.9 Elevação de tensões nas fases sãs devido ao curto-circuito fase-terra A-10 A.10 Comparação entre os módulos das correntes de curtos-circuitos A-11 A.10.1 Curto-circuito trifásico versus fase-terra A-12 A.10.2 Curto-circuito trifásico versus bifásico-terra A-12 A.10.3 Curto-circuito trifásico versus bifásico A-12 A.11 Exercício de aplicação A-13 A.12 Exercício proposto A-16 Apêndice B TRANSFORMADOR DE CORRENTE PARA PROTEÇÃO B.1 Introdução B-1 B.2 Características B-2 B.3 Tipos construtivos B-6 B.4 Fenômeno da saturação B-6 B.5 Ligações delta e estrela B-7 B.6 Comportamento em regime permanente B-8 Anexo : Curvas tempo x corrente ----------------------------------------------- Bibliografia ------------------------------------------------------------------------ 1-1 Capítulo1 ASPECTOS GERAIS DA PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS 1.1 Introdução Este capítulo tem como objetivo apresentar aspectos gerais e as principais propriedades da proteção de sistemas elétricos de potência. A proteção de qualquer sistema elétrico é feita com o objetivo de diminuir ou evitar risco de vida e danos materiais, quando ocorrer situações anormais durante a operação do mesmo. Geralmente, os sistemas elétricos são protegidos contra sobrecorrentes (curtos-circuitos) e sobretensões (internas e descargas atmosféricas). A proteção contra curtos-circuitos, que é o objetivo deste curso, é feita, basicamente, empregando-se fusíveis e relés que acionam disjuntores. O equipamento fundamental para proteção contra sobretensões é o pára-raios 1.2 Funções básicas de um sistema de proteção Dentre as funções de um sistema de proteção as principais são: • Salvaguardar a integridade física de operadores, usuários do sistema e animais; • Evitar ou minimizar danos materiais; • Retirar de serviço um equipamento ou parte do sistema que se apresente defeituoso; • Melhorar a continuidade do serviço; • Diminuir despesas com manutenção corretiva; • Melhorar os índices DEC (duração de interrupção equivalente por consumidor) e FEC (freqüência de interrupção equivalente por consumidor) 1.3 Propriedades básicas de um sistema de proteção As principais são: • Confiabilidade: probabilidade do sistema de proteção funcionar com segurança e corretamente, sob todas as circunstâncias. • Seletividade : o sistema de proteção que possui esta propriedade é capaz de reconhecer e selecionar as condições que deve operar, a fim de evitar operações desnecessárias. • Velocidade : um sistema de proteção deve possibilitar o desligamento do trecho ou equipamento defeituoso no menor tempo possível. • Sensibilidade : um sistema de proteção deve responder às anormalidades com menor margem possível de tolerância entre a operação e não operação dos seus equipamentos. Por exemplo, um relé de 40 A com 1% de tolerância é mais sensível do que outro de 40 A com 2%. 1.4 Níveis de atuação de um sistema de proteção De modo geral, a atuação de um sistema de proteção se dá em três níveis que são conhecidos como principal, de retaguarda (socorro) e auxiliar. a) Proteção principal : Em caso de falta dentro da zona protegida, é quem deverá atuar primeiro. b) Proteção de retaguarda : é aquela que só deverá atuar quando ocorrer falha da proteção principal. 1-2 b) Proteção auxiliar : é constituída por funções auxiliares das proteções principal e de retaguarda, cujos os objetivos são sinalização, alarme, temporização, intertravamento, etc. Na Fig. 1.1, pode-se observar os diversos níveis da proteção de um sistema elétrico (geração, transmissão e distribuição). As zonas de proteção (retângulos tracejados) que se interceptam funcionam como proteção principal ou de retaguarda, a depender da localização da falta. 1.5 Correntes simétricas e assimétricas Diz-se que uma corrente é simétrica, quando as envoltórias da onda desta corrente são simétricas em relação ao eixo dos tempos, caso contrário, é considerada assimétrica. Em algumas situações, como nos casos dos curtos-circuitos, as ondas de correntes, inicialmente, são assimétricas, depois se tornam simétricas (Fig. 1.2). i (t) t Componente assimétrica Componente simétrica Envoltórias Componente exponencial Fig. 1.2 – Corrente elétrica, onde podem ser vistas a componente assimétrica, com sua exponencial, e a componente simétrica G Proteção do gerador Proteção das barras de saída do gerador Proteção dos transformadores elevadores Proteção das barras de alta-tensão Proteção das linhas de transmissão Proteção das barras de alta-tensão Proteção do transformador abaixador Proteção das barras de baixa-tensão Proteção de alimentador Fig. 1.1 – Proteção de um sistema de elétrico em alta-tensão 1-5 1,45 1,037 4,50 1,235 19,00 1,590 1,50 1,040 4,60 1,249 20,00 1,600 1,55 1,043 4,70 1,255 22,50 1,610 1,60 1,045 4,80 1,260 25,00 1,615 1,65 1,047 4,90 1,264 27,75 1,625 1,70 1,050 5,00 1,270 30,00 1,630 1,75 1,055 5,20 1,275 35,00 1,636 1,80 1,060 5,40 1,290 40,00 1,648 1,85 1,063 5,60 1,303 45,00 1,653 1,90 1,065 5,80 1,310 50,00 1,659 1,95 1,068 6,00 1,315 55,00 1,660 2,00 1,070 6,20 1,324 60,00 1,680 2,10 1,075 6,40 1,335   2,20 1,080 6,60 1,350   Os valores assimétricos das correntes de curtos-circuitos são empregados para determinação da capacidade de ruptura ou de interrupção dos dispositivos de proteção (chaves-fusíveis, disjuntores; religadores, etc.). Já os valores simétricos , são usados no estudo de seletividade e coordenação de equipamentos de proteção. De momo geral, em um sistema elétrico, as sobrecorrentes são originadas por sobrecargas e curtos- circuitos. Neste último caso, podem atingir valores elevados, causando danos consideráveis ao sistema. Portanto, é fundamental o estudo quantitativo e qualitativo dos diversos tipos de curtos-circuitos para o desenvolvimento de um sistema de proteção adequado. Continuação da Tab. 1.2 Fatores de assimetria 2-1 Capítulo2 CHAVES-FUSÍVEIS PARA PROTEÇÃO DE ALIMENTADORES E TRANSFORMADORES 2.1 Introdução Classicamente, os sistemas de distribuição primários, aéreos, trifásicos e aterrados, constituídos por condutores nus, têm os seus sistemas de proteção de sobrecorrentes constituídos por chaves-fusíveis , religadores , relés em conjunto com disjuntores e seccionalizadores ou chaves seccionadoras automáticas. Por razões didáticas, este Curso será iniciado pelo estudo das chaves-fusíveis e seus respectivos elos. Nos itens que seguem serão vistos o princípio de funcionamento de chave-fusível, as suas características para especificação, o dimensionamento de elos-fusíveis e a filosofia de coordenação entre os mesmos. 2.2 Chaves fusíveis Aqui serão abordados os principais tipos de chaves-fusíveis, suas características para especificação, princípio de funcionamento e critérios de dimensionamento. As chaves-fusíveis são dispositivos eletromecânicos que têm como função básica, interromper o circuito elétrico quando ocorrer a fusão do elo-fusível. Possuem as seguintes características para especificação : • Tensão nominal; • Nível básico de isolamento para impulso (NBI); • Freqüência; • Corrente nominal; • Corrente de interrupção (capacidade de interrupção); • Corrente de curta-duração Sob o ponto de vista de proteção, a característica mais importante é a corrente de interrupção, que deve ser especificada com base no valor assimétrico da corrente do maior curto-circuito no ponto de instalação da chave . De acordo com sua aplicação as chaves-fusíveis são classificadas em dois tipos: distribuição e força. a) Chaves-fusíveis de distribuição São identificadas pelas características inerentes aos sistemas de distribuição: • NBI de sistemas de distribuição (para a classe de tensão 15kV: 95 ou 110kV); • Mecanicamente, são construídas para montagem em cruzetas; • Tensões nominais de sistemas de distribuição. No Brasil, as mais comuns são: 11,4kV, 13,2kV, 13,8kV ( estas são consideradas da classe 15kV) e 34,5kV. b) Chaves-fusíveis de força De modo geral, são empregadas em subestações para proteção de barramentos, transformadores, bancos de capacitores, e "bypass" de disjuntores. Possuem NBI para classes de tensões mais elevadas (69kV, 138kV, por exemplo), cujos os Níveis Básicos de Isolação (NBI) são 350kV e 650kV, respectivamente. Geralmente, as capacidades de interrupção são superiores às das chaves-fusíveis de distribuição. Mecanicamente , são construídas para montagens em estruturas de subestações. De maneira geral, as chaves-fusíveis empregadas até 25kV, são ditas de distribuição. Acima deste valor, são consideradas de força. Entretanto, essa regra não é rígida. 2-2 Baseado na construção, as chaves-fusíveis podem ser do tipo aberta ou fechada: a) Tipo fechada : O cartucho e as garras estão montados dentro de uma caixa protetora de material isolante. b) Tipo aberta : O cartucho e as garras não possuem caixa protetora. Quanto ao modo de operação, podem ser: a) De expulsão; b) Imersas em óleo; c) Limitadora de corrente No Brasil, são fabricadas e largamente empregadas as chaves-fusíveis de expulsão, monofásicas, com cartucho em fibra isolante, abertas, não repetitivas e indicadoras, conhecidas também como "chaves Matheus" . O princípio de funcionamento se baseia na extinção do arco elétrico formado dentro do cartucho ou canela, devido a abertura do circuito após a fusão do elo-fusível. O arco irá queimar o tubinho e/ou paredes do cartucho, produzindo gases desionizantes (CO2 , nitrogênio, etc), que irão extinguí-lo. Além disso, a expansão destes gases no interior do cartucho, dá origem a uma intensa diferença de pressão interna, que irá expulsar os mesmos pela parte inferior. Isto origina um empuxo para cima (princípio da ação e reação) , que desconecta o contato superior do cartucho do contato da chave, fazendo-o girar através de uma junta articulada. Após a operação da chave, o cartucho fica "pendurado", indicando a operação ("canela arriada"). Daí, dizer-se que a chave tem a propriedade indicadora ou sinalizadora visual . Os principais componentes de uma chave-fusível tipo expulsão são : • Elo-fusível (liga de material condutor); • Cartucho ou canela (tubo de fibra isolante); • Isolador (porcelana ou resina epoxi); • Base ou dispositivo de fixação (aço zincado). É importante observar que este tipo de chave-fusível não deve ser empregado para manobra de circuito com carga, pois são do tipo "seca" , isto é, os seus contatos não possuem meios de interrupção de arco (óleo, SF6 , etc.). A abertura de circuito com carga leva a um desgaste prematura dos contatos da chave. Além disso, pode provocar danos físicos e risco de vida à pessoa que está realizando a operação de abertura, principalmente nos dias chuvosos. Isto acontece porque, no momento da abertura, o arco elétrico pode envolver a cruzeta e, estando esta aterrada, vai originar um curto-circuito fase-terra, que, por sua vez, poderá produzir tensões de passo elevadas. Foram desenvolvidos alguns acessórios para essas chaves que, quando instalados, possibilitam, com segurança, a abertura de circuitos com carga. Um desses acessórios, bastante utilizado, é o "gancho" próprio para o "load buster". Existem chaves que sãor equipadas com câmara de extinção de arco. Geralmente, o cartucho e o elo-fusível são intercambiáveis, isto é, podem ser substituídos por outros do mesmo fabricante ou de outros. A instalação da chave na cruzeta, forma um ângulo de aproximadamente 70o , em relação à horizontal para, através da ação da gravidade, facilitar o giro do cartucho após a operação. 2-5 NOMADM I5,1I ×= (2.5) Onde : IADM : Corrente admissível INOM : Corrente nominal Na Tabela 2.2, estão dadas as correntes nominais e admissíveis dos elos K e H mais comuns, com as respectivas chaves. b) De força : • Tipo EF - Elos-fusíveis rápidos; • Tipo ES - Elos-fusíveis lentos Tab. 2.2 Correntes nominais e admissíveis de elos H e K e as respectivas chaves-fusíveis Elo-fusível Chave-fusível : corrente nominal (A) Corrente nominal (A) Corrente admissível (A) Tipo H 1 1 2 2 3 3 5 5 Tipo K 50 6 9 8 12 10 15 12 18 15 22,5 20 30 25 37,5 30 45 40 60 50 75 100 65 97,5 80 120 100 150 200 140 190 200 200 O funcionamento do elo-fusível, se baseia na fusão do elemento fusível (geralmente de liga de estanho ou prata) por efeito Joule, quando a corrente passante está superior a corrente admissível. A maioria 2-6 dos elos atingem o ponto de fusão em uma temperatura próxima de 230o C. Para a corrente admissível, o elo trabalha com temperatura em torno de 100o C . Devido o arco elétrico, em tensões elevadas (classe 15kV, ou superiores, por exemplo), a fusão do elo geralmente não interrompe o circuito. Para interrompe-lo efetivamente, torna-se necessário a extinção do arco. Isso é feito por gases desionizantes produzidos no interior do cartucho, em conseqüência da queima do tubinho e/ou das paredes internas do próprio cartucho. A energia liberada pelo arco vai depender do tempo, da tensão e da corrente. Se o cartucho não for adequado, dependendo da energia, pode ocorrer "inchaço", explosões ou outros danos mecânicos. Os fabricantes de elos-fusíveis fornecem, por bitola, curvas características tempo x corrente de fusão e interrupção, conhecidas como: • Curvas de tempos mínimos de fusão; • Curvas de tempos máximos de fusão; • Curvas de tempos totais de interrupção As curvas de tempos mínimo e máximo de fusão são determinadas em ensaios de fusão de várias amostras, feitos com baixa tensão para não haver formação de arco. As curvas de tempos totais de interrupção, ou tempos máximos de aberturas, são determinadas por ensaios efetuados sob 15kV, havendo, portanto a ocorrência de arco elétrico. A ABNT postula também que as curvas de tempos totais podem ser obtidas das curvas de tempos máximos de fusão mediante a adição de tempos de arco (em torno de 10ms). Para a coordenação ou seletividade de elos-fusíveis são usadas as curvas de mínimos tempos de fusão e de máximos tempos totais de interrupção. 2.5 Dimensionamento de elos-fusíveis Na distribuição aérea primária, a maior aplicação de elo-fusível é na proteção de transformadores e ramais. Para cada caso existem critérios a serem observados, que serão apresentados nos parágrafos seguintes. 2.5.1 Elos-fusíveis para proteção de transformador Os elos-fusíveis de proteção de transformador, devem satisfazer aos seguintes requisitos: a) Operar para curtos-circuitos no transformador ou na rede secundária; b) Suportar continuamente, sem fundir, a sobrecarga permissível ao transformador. Para transformador de distribuição, admite-se uma sobrecarga de duas vezes a sua carga nominal. c) De acordo com a curva de tempos máximos admissíveis para sobrecorrentes em transformador, deverá fundir num tempo inferior a 17s , com correntes de 2,5 a 3 vezes a corrente nominal do transformador; d) Não deverá fundir para a corrente transitória de energização do transformador, estimada em 8 a 12 vezes a sua corrente nominal (para transformador com potência até 2MVA). Considera-se este transitório com duração em torno de 0,1s. e) Deve coordenar com as proteções à montante e a jusante do transformador; f) Deve coordenar com a curva térmica do transformador. Para facilidade de aplicação, os catálogos de fabricantes fornecem tabelas com os elos-fusíveis apropriados para proteção de transformadores de distribuição (Tabela 2.3). 2-7 Tab. 2.3 Elos-fusíveis para proteção de transformadores trifásicos de distribuição Potência do Transformador trifásico Transformador 6,6 kV 13,8 kV 22 kV (kVA) Corrente (A) Fusível Corrente (A) Fusível Corrente (A) Fusível 15 1,31 1H 0,63 1H 0,39 - 30 2,62 3H 1,26 2H 0,79 - 45 3,94 5H 1,88 3H 1,18 1H 75 6,56 8K 3,14 5H 1,97 2H 112,5 9,84 10K 4,71 6K 2,95 5H 150 13,12 15K 6,28 8K 3,94 5H 225 19,68 20K 9,41 10K 5,90 6K 300 26,24 30K 12,55 15K 7,87 10K 2.5.2 Elos-fusíveis para proteção de circuitos primários O dimensionamento de elos-fusíveis para proteção de circuitos primárias, leva em conta os critérios de corrente e seletividade. a - A corrente nominal do 1o elo-fusível de um ramal, no sentido da carga para a fonte, deverá ser igual ou maior do que 1,5 vezes o valor máximo da corrente de carga medida ou convenientemente avaliada no ponto considerado . MAX , CARGAELO ,NOM I5,1I ×≥ (2.6) b- Os demais elos-fusíveis instalados à montante do anterior, deverão obedecer aos critérios a seguir: b.1- A capacidade nominal do elo-fusível deverá ser igual ou maior do que 1,5 vezes o valor máximo da corrente de carga medida ou convenientemente avaliada no ponto de instalação; b.2 - A capacidade nominal do elo-fusível protetor deverá ser, no máximo, um quarto (1/4) da corrente de curto-circuito fase terra mínimo no fim do trecho protegido por ele; b.3 - O elo protegido, deverá coordenar com o elo protetor, pelo menos, para o valor da corrente de curto-circuito fase-terra mínimo no ponto de instalação do elo protetor. c - Quando existir três ou mais elos-fusíveis em cascata, poderá se tornar impraticável a obediência aos critérios anteriores. Portanto, deverá ser sacrificada a perfeição da coordenação, mantendo-se, porém, a seletividade. d - Para maior facilidade de coordenação de elos-fusíveis, deverá ser evitado o uso de elos tipo H como proteção de circuitos, ficando restrito à proteção de transformadores de distribuição. Para proteção de circuitos deverão ser empregados apenas elos tipo K ou T. e - Para ampliar a faixa de coordenação e reduzir o número de elos utilizados, recomenda-se optar, sempre que possível, pela utilização de elos-fusíveis preferenciais . f - Para a coordenação de elos, deve-se utilizar as Tabelas de Coordenação (2.4 , 2.5 , 2.6 e 2.7) fornecidas pelos fabricantes. Na falta destas, podem-se determinar os valores limites de coordenação pelas curvas tempo x corrente. Para isso, a coordenação é considerada satisfatória quando: 2-10 Para o sistema de distribuição dado na Fig. 2.2, pede-se fazer o dimensionamento dos elos-fusíveis e das respectivas chaves. Para o caso dos elos, observar a coordenação entre eles. Resolução: a) Dimensionamento dos elos-fusíveis dos transformadores No dimensionamento dos elos foi utilizada a Tabela 2.3 . b) Dimensionamento dos elos-fusíveis dos ramais Para isso, é necessário se conhecer as correntes de carga e de curtos-circuitos, conforme estão dadas na Fig. 2. 3. ♦ Critério de corrente • INOM, ELO 4 ≥ 1,5 x 6,3 ⇒ INOM, ELO 4 ≥ 9,45 A ⇒ 10K , 12K , 15K … • INOM, ELO 4 ≤ 1/4 x 125 ⇒ INOM, ELO 4 ≤ 31,25 ⇒ 10K, 12K, 15K, 20K, 15K, 30K ♦ Critério de coordenação • Pela tabela de coordenação de elos K e H (Tabela 2.4), verifica-se que no ponto 4 deve ser instalado o elo 12K , pois coordena com o 5H (ponto 1) para a corrente limite de 220A , satisfazendo aos critérios de corrente e coordenação. Como o 12K coordena com o 5H, então, automaticamente, coordenará com os elos 2H e 3H. • No ponto 5, será colocado o elo 20K, pois satisfaz ao critério de corrente e coordena com o 12K até o limite de corrente de 320A (vê Tabela 2.6). c) Dimensionamento das chaves-fusíveis De acordo com os critérios dados nas Equações 2.3 e 2.4 e as Tabelas 2.1 e 2.2, a chave com a especificação a seguir satisfaz a todos os pontos. • Corrente nominal = 50 A; S/E Fig. 2.2 – Exercício de aplicação de elo e chave -fusível S S S S S 500kVA 150kVA 75kVA 30kVA 45kVA 33,5 A 6,3 A 12,6 A 6,3 A 2 1 3 5 4 Transformador de distribuição 13,8 kV 2-11 • Capacidade de interrupção = 1,2 kA; • Tensão nominal = 13,8 kV; • Classe de tensão 15 kV; • NBI = 95 kV; Na Fig. 2.3, tem-se o resumo do exercício resolvido. É importante que após o dimensionamento dos elos-fusíveis, eles sejam alocados no diagrama unifilar do sistema, conforme foi feito. 2.7 Exercício proposto Dimensionar e especificar os elos-fusíveis e as respectivas chaves do sistema de distribuição dado abaixo. ICC, φ ICC,2φ ICC,3φ S/E Fig. 2.3 – Exercício de aplicação de elo e chave -fusível S S S S S 75kVA 30kVA 45kVA 2H 3H 5H 12K 20K 33,5 A 6,3 A 12,6 A 6,3 A 810 778 565 275 245 170 210 185 125 230 206 130 335 310 225 2 1 3 5 4 Legenda Curto trifásico Curto bifásico Curto fase-terra S/E S S S S 75kVA 125kVA 155 A 25 A 450 390 300 300 260 200 380 329 230 60 52 50 carga carga 3-1 Capítulo 3 APLICAÇÃO DE RELÉS DE SOBRECORRENTE NA PROTEÇÃO DE ALIMENTADORES 3.1 Introdução O relé é definido como sendo um dispositivo sensor que comanda a abertura do disjuntor quando surgem, no sistema elétrico protegido, condições anormais de funcionamento. O modo geral de atuação de um relé pode ser sintetizado em quatro etapas: • O relé encontra-se permanentemente recebendo informações da situação elétrica do sistema protegido sob a forma de corrente, tensão, freqüência ou uma combinação dessas grandezas (potência, impedância, ângulo de fase, etc.); • Se, em um dado momento, surgirem condições anormais de funcionamento do sistema protegido tais que venham a sensibilizar o relé, este deverá atuar de acordo com a maneira que lhe for própria. • A atuação do relé é caracterizada pelo envio de um sinal que resultará em uma ação de sinalização (alarme), bloqueio ou abertura de um disjuntor (ou nas três ao mesmo tempo). • A abertura ou disparo do disjuntor, comandada pelo relé , irá isolar a parte defeituosa do sistema. Neste capítulo será visto, inicialmente, informações sobre relés de sobrecorrente, e depois, a aplicação destes para proteção de sistemas primários de distribuição. 3.2 Relés de sobrecorrente Conforme o próprio nome sugere, têm como grandeza de atuação a corrente elétrica do sistema. Isto ocorrerá quando esta atingir um valor igual ou superior ao ajuste previamente estabelecido (corrente mínima de atuação). No caso de serem usados para proteção de circuitos primários (classe 15kV, por exemplo), são ligados de forma indireta através de transformadores de corrente. 3.2.1 Curvas características Quanto ao tempo de atuação, possuem curvas características de dois tipos: de tempo definido e de tempo dependente a) De tempo definido Uma vez ajustados o tempo de atuação (ta) e a corrente mínima de atuação (IMIN,AT), o relé irá atuar neste tempo para qualquer valor de corrente igual ou maior do que o mínimo ajustado (Fig.3.1). I(A) t(s) IMIN,AT ta Fig. 3.1 – Curva característica de tempo definido 3-4 As unidades temporizadas ou de tempo dependente permitem dois tipos de ajustes: corrente mínima de atuação e curva de atuação. As unidades instantâneas trabalham com dois ajustes: corrente mínima de atuação e tempo de atuação (tempo previamente definido). Antigamente, estas unidades (eletromecânicas) não permitiam o controle de tempo, isto é, atuavam num temp o muito pequeno (da ordem de milisegundos), sem nenhum ajuste. Hoje, os relés digitais possibilitam ajustes de tempo de atuação destas unidades. 3.2.3 Esquema básico de ligação O esquema básico tradicional de proteção de um alimentador radial, trifásico e aterrado, na saída de subestação, utiliza três relés de fase e um de neutro ou terra, ligados através de três transformadores de corrente, comandando um disjuntor (52), conforme está mostrado na Fig.3.5. Os relés de fase irão proporcionar proteção ao alimentador contra os curtos-circuitos que envolvam, principalmente, as fases (trifásico e bifásico). O relé de neutro ou terra dará proteção contra os curtos para a terra (fase-terra e bifásico-terra). A vantagem desse esquema é que, para qualquer tipo de curto-circuito, haverá, no mínimo, dois relés sendo percorrido pela corrente de curto. Atualmente, com o emprego de relés digitais, os quatro relés do esquema da Fig. 3.5 são substituídos por um único que realiza as funções 50 e 51 de fase e terra. Além disso, desempenham outras funções tais como: medição de corrente, registros de dados, de perturbações, etc. São conhecidos como relés de multifunções. Para a carga 52 Relés de fases 13,8kV SUBESTAÇÃO Fig. 3.5 – Esquema básico da proteção de sobrecorrente da saída de um alimentador primário radial 69kV 50 51 50 51 50 51 Relé de Neutro TCs 50 51 3-5 Geralmente os esquemas de proteção são apresentados em um diagrama unifilar, onde os equipamentos envolvidos recebem uma numeração padronizada. Na Fig. 3.6, está mostrado o diagrama unifilar do esquema de proteção da Fig. 3.5. 3.3 Determinação de relação de TC Para se fazer o ajuste da corrente de atuação de um relé de sobrecorrente indireto, é necessário, em primeiro lugar, a definição da relação do TC que irá alimenta-lo. A relação do TC (RTC) que alimenta um relé deve atender aos seguintes requisitos: • A corrente nominal primária do TC deve ser maior do que a razão entre o curto-circuito máximo (no ponto da instalação) e o fator de sobrecorrente do TC (FS). Geralmente, FS=20 . FS I I MAX,CCP , N ≥ (3.3) • A corrente nominal primária do TC deve ser maior do que a máxima corrente de carga a ser considerada: MAX , CARGAP , N IkI ×≥ (3.4) A máxima corrente de carga a ser considerada deverá levar em conta duas situações: • Se a subestação não possuir circuito de transferência, a máxima corrente de carga a ser considerada deverá ser : o somatório da corrente nominal do circuito em estudo com a carga de outro circuito que eventualmente venha a ser interligado na mesma subestação. • Se a subestação possuir circuito de transferência, a máxima corrente de carga a ser considerada deverá ser: o somatório da corrente nominal do circuito em estudo com a carga de outro circuito considerado contingência usual, com interligação na rede de distribuição. 3.4 Critérios para ajustes de corrente mínima de atuação Na medida do possível, os ajustes de corrente mínima de atuação de relés de sobrecorrente devem observar os critérios dados a seguir. I) Unidade 51 de fase a) Quando o relé for instalado no circuito alimentador da subestação, a qual não possui equipamento de proteção para transferência, sua corrente mínima de atuação deverá ser maior que a somatória da máxima 50 51 50 51 13,8kV Fig. 3.6 – Diagrama unifilar do esquema de proteção da saída de um alimentador radial Para a carga Relés de fases Relés de neutro 52 3-6 corrente de carga do circuito em estudo com a máxima corrente de carga do circuito que eventualmente venha a ser transferido, multiplicada pelo fator de crescimento de carga (k) e dividida pela respectiva RTC. RTC Ik I MAX ,CARGA AT,MIN ∑×≥ (3.5) b) Quando o relé for instalado no circuito alimentador da subestação, a qual possui equipamento de proteção para transferência, sua corrente mínima de atuação deverá ser maior que a corrente de carga máxima multiplicada pelo fator de crescimento de carga (k)e dividida pela respectiva RTC. RTC Ik I MAX ,CARGA AT,MIN × ≥ (3.6) O fator de crescimento de carga k , é dado pela expressão: n 100 a% 1k       += Onde, a% é a taxa anual prevista para o crescimento e n o número de anos para o qual o estudo está sendo planejado. c) A corrente mínima de atuação deverá ser ajustada num valor menor do que a corrente de curto-circuito bifásico dentro da sua zona de proteção, incluindo sempre que possível os trechos a serem adicionados quando em condição de manobras consideradas usuais. RTC I I TRECHO) DO FINAL (NO 2,CC AT,MIN Φ≤ (3.7) II) Unidade 51 de neutro a) Quando o sistema for ligado em estrela aterrado, ou delta aterrado através de um transformador de aterramento, e não possuir cargas ligadas entre fase e terra ou neutro, o relé de neutro deverá ter a sua corrente mínima de atuação ajustada para um valor menor que a corrente de curto-circuito fase-terra mínimo dentro da sua zona de proteção. E deverá ser maior do que 10% da corrente de carga do circuito devido erros admissíveis nos transformadores de corrente. RTC I I RTC I1,0 TRECHO) DO FINAL (NO MIN T, ,CC AT,MIN MAX ,CARGA Φ≤≤ × (3.8) b) Quando o sistema for ligado em estrela aterrado, ou delta aterrado através de um transformador de aterramento, e possuir cargas ligadas entre fase e terra ou neutro, o relé de neutro deverá ter a sua corrente mínima de atuação ajustada para um valor menor que a corrente de curto-circuito fase-terra mínimo dentro da sua zona de proteção. E deverá ser maior do que 10% a 30% da corrente de carga do circuito devido aos desequilíbrios admissíveis do sistema. RTC I I RTC I0,3) a 1,0( TRECHO) DO FINAL (NO MIN T, ,CC AT,MIN MAX ,CARGA Φ≤≤ × (3.9) 3-9 3.6 Seletividade relé x relé Geralmente esta situação ocorre em subestações, onde um conjunto de relés funciona como proteção principal e outro como proteção de retaguarda (Fig. 3.8). Para se obter seletividade entre esses dois conjuntos de relés, as curvas de tempo dos relés principais (fase e neutro) deverão estar acima das curvas dos relés de retaguarda (fase e neutro), respectivamente, no mínimo 0,4 s , no ponto mais crítico, em todo o trecho protegido pelos relés principais, para as correntes de curtos-circuitos de fase e terra. s4,0tt PRINC. RELÉRETAG. DE RELÉ +≥ (3.14) 3.7 Seletividade relé x elo-fusível A seletividade estará garantida, para o todo o trecho protegido pelo elo-fusível, quando as curvas de tempo dos relés de fase e neutro estiverem, no ponto mais crítico, no mínimo 0,2s, acima da curva de tempo total de interrupção do elo, para as correntes de curtos-circuitos de fase e terra. s2,0tt ELO .INTRELÉ +≥ (3.15) t(s) Fig. 3.10 – Coordenograma de NEUTRO: relé x relé e relé x elo-fusível I (A) Relé de neutro da retag. Relé de neutro da princ. ICC ,TERRA Elo-fusível Curva de recozimento dos condutores tF tI tOP tOR Curva de fusão Curva de interrupção 3-10 3.8 Excercício de aplicação Fazer o estudo de seletividade da proteção do trecho de sistema da distribuição primária, trifásica e aterrada na subestação dado na Fig. 3.11. Observações : • Fora das subestações, os curtos-circuitos fornecidos são os trifásicos, bifásicos e fase-terra mínimos; • Os valores das correntes de curtos-circuitos no ponto de entrega da concessionária (barra de alta tensão da subestação do consumidor) devem ser fornecidos pela mesma; • Para calcular os curtos-circuitos na barra de baixa tensão do consumidor, considere a resistência de terra da malha igual a 10Ω . Resolução: 1) Fator de crescimento de carga (k) • Taxa de crescimento : a= 10% ao ano ; • Horizonte de estudo : 5 anos K=(1+0,1)5 = 1,61 2) Dimensionamento das relações dos TCs (RTC) a) Concessionária • I N, P ≥ 1,61 x 245 ⇒ I N, P ≥ 394 A 51F 52 S 245A 22 A 52 13,8kV 380/220V ∆/YT 13.800/380-220V 2MVA z=5% 51N Consumidor Concessionária 50 51 F 50 51 N 2200 1905 1630 220 2900 2511 600 6500 5629 7960 1328 Legenda : Icc,3φ Icc,2φ Icc, φ-T Icc, φTM Fig. 3.11- Sistema de distribuição para estudo de proteção 1840 1593 303 3-11 • I N, P ≥ 7960 / 20 ⇒ I N, P ≥ 398 A O TC com corrente nominal primária de 400 A, satisfaz as duas condições : 400 / 5 ou 80:1 b) Consumidor Para dimensionar a RTC do consumidor, é necessário calcular a corrente de carga. Para isso, será usado a carga nominal do transformador: I C ,CONS. = 2000 / (13,8 x 1,732) = 84 A Aplicando um fator de crescimento de 1,4 (k=1,4) e os mesmos critérios anteriores, obtêm-se: 150/5 ou 30:1 3) Dimensionamento do elo e da chave-fusível a) Elo-fusível I N , ELO ≥ 1,61 x 22 ⇒ I N, ELO ≥ 35,4 A Elo-fusível escolhido : 40K b) Chave-fusível Será considerado um fator de assimetria (f ASSIM. ) igual a 1,4 . • I N, CHAVE ≥ 1,61 x I N, ELO ⇒ I N , CHAVE ≥ 1,61 x 40 ⇒ I N, CHAVE ≥ 64,4 A • I INTERRUPÇÃO, CHAVE ≥ f ASSIM. x I CC MAX , PTO. DE INSTAL. ⇒ I INTERRUPÇÃO, CHAVE ≥ 1,4 x 2900 ⇒ I NINTERRUPÇÃO, CHAVE ≥ 4060 A Para atender aos critérios e à classe de tensão do circuito (15kV), a chave deverá ter a seguinte especificação básica: corrente nominal = 100 A; capacidade de interrupção = 5kA; tensão nominal = 14,5kV; NBI = 95kV. 4) Ajustes das correntes de atuação dos relés da concessionária a) Unidades 51 de fases • (1,61 x 245) / 80 ≤ I MIN, AT ≤ 1593 / 80 ⇒ 4,9 ≤ I MIN, AT ≤ 19,9 ⇒ I MIN, AT = 5 A Corrente de partida que as unidades deverão ser ajustadas : 5 A b) Unidades 50 de fases • I AT , INST ≥ (8 x 245) / 80 ⇒ I A , INST ≥ 24,5 A • I AT , INST ≥ 1,4 x 2900 / 80 ⇒ I A , INST ≥ 36,3 A Para satisfazer aos critérios, ajustam-se as unidades 50 de fase para 38 A c) Unidade 51 de neutro • (0,1 x 1,61 x 245) / 80 ≤ I MIN, AT ≤ 220 / 80 ⇒ 0,49 ≤ I MIN, AT ≤ 2,75 ⇒ I MIN, AT = 0,5 A Corrente de partida que a unidade deverá ser ajustada : 0,5 A 3-14 b) Curvas da unidade 51 de neutro Neste caso, deverão ser empregadas as correntes de curtos-circuitos envolvendo a terra ou o neutro. Para o tipo de sistema em estudo (trifásico a três fios, aterrado na subestação), serão usados somente os curtos- circuitos fase-terra mínimos, cujos valores limites no trecho protegido pelo 40K , são 600 A e 303 A. Para estas correntes, os tempos de interrupções do elo estão dados na Fig. 3.12. • t INT. 40K PARA A CORRENTE DE 303 A = 1,80s • t INT. 40K PARA A CORRENTE DE 600 A = 0,12s Pelos critérios de seletividade relé x elo , tem-se: • t RELÉ ≥ 1,80 + 0,2 ⇒ t RELÉ ≥ 2,00 s , para a corrente de 303 A • t RELÉ ≥ 0,12 + 0,2 ⇒ t RELÉ ≥ 0,32 s , para a corrente de 600 A Os múltiplos são : • m3 = 303 / (80 x 0,5) = 7,6 • m4 = 600 / (80 x 0,5) = 15 Levando-se em conta as mesmas considerações que foram feitas na determinação da curva da 51 de fase, e observando-se a Fig. 3.13 , escolhe-se, a princípio, a curva 0,9 (DT=0,9) para a 51 de neutro. 6) Ajustes das correntes de atuação dos relés do consumidor a) Unidades 51 de fases A corrente de atuação das unidades de fases deverá ser igual ou maior do que a corrente de carga máxima do consumidor multiplicada pelo fator de crescimento. A corrente de carga máxima será tomada igual a corrente nominal do transformador (I C ,CONS. = 84 A). Será usado o fator de segurança k=1,4 . • I MIN , AT ≥ (1,4 x 84) / 30 ⇒ I MIN , AT ≥ 3,9 A Essas unidades deverão ser ajustadas na corrente de partida 4 A . b) Unidade 51 de neutro Considerando o fator de desequilíbrio igual a 10% , resulta : • I MIN , AT ≥ (0,1 x 1,4 x 84) / 30 ⇒ I MIN , AT ≥ 0,39 A Essa unidade deverá ser ajustada na corrente de partida 0,4 A 7) Determinação das curvas dos relés do consumidor Para se fazer este estudo, será empregado o critério de seletividade relé x relé. Para isso, swrá considerarado que os relés de fases e neutro do consumidor têm as curvas MI apresentadas na Fig. 3.14. a) Curvas das unidades 51 de fases Inicialmente, calculam-se os múltiplos das correntes que limitam a faixa de coordenação dos relés de fases da concessionária e do consumidor (1905 A e 2200 A). 3-15 • Múltiplos dos relés de fases da concessionária: m1= 1905 / (80 x 5)=4,8 ; m2 = 2200 / (80 x 5)=5,5 ; • Múltiplos dos relés de fases do consumidor : m3= 1905 / (30 x 4)=15,8; m4 = 2200 / (30 x 4)=18,3 Entrando com o valor de m1 (4,8) , na curva 0,2 da 51 de fase da concessionária (Fig. 3.13) , obtêm-se o tempo de atuação em torno de 0,30s . Com m2 (5,5) , obtêm-se o tempo de atuação de aproximadamente 0,25s . Isto é: m1= 4,8 e DT = 0,2 ⇒ t RELÉ , CONCES. = 0,30s (Fig. 3.13) ; m2= 5,5 e DT = 0,2 ⇒ t RELÉ , CONCES. = 0,25s (Fig. 3.13) . Pelo critério de seletividade relé x relé, deve-se escolher uma curva tal que: t RELE , CONCES. ≥ t RElÉ , CONS. + 0,4 s , então : Ou seja, para se garantir seletividade entre as unidades de fases dos relés da concessionária e do consumidor, as respectivas curvas devem estar afastadas, no mínimo, 0,4s , no ponto mais crítico. Isto só será possível se a 51 de fase da concessionária estiver ajustada na curva 0,5 (DT= 0,5) ou superior, e a 51 de fase do consumidor estiver na curva 1/2 (DT=1/2). Nestas condições, tem-se : m1= 4,8 e DT = 0,5 ⇒ t RELÉ , CONCES. = 0,9s (Fig. 3.13) ; m2= 5,5 e DT = 0,5 ⇒ t RELÉ , CONCES. = 0,8s (Fig. 3.13) ; m3= 15,8 e DT = 1/2 ⇒ t RELÉ , CONS. = 0,03s (Fig. 3.14) ; m4= 18,3 e DT = 1/2 ⇒ t RELÉ , CONS. = 0,02s (Fig. 3.14) Portanto, o critério está sendo atendido. b) Curvas das unidades 51 de neutro Para a determinação da curva do relé de neutro do consumidor será usada a corrente de curto-circuito fase- terra mínimo (220 A), uma vez que para o sistema em estudo, o fase-terra franco (1630 A), praticamente, é impossivel de acontecer. • Múltiplos dos relé de neutro da concessionária: m1= 220 / (80 x 0,5)=5,5 ; • Múltiplos dos relé de neutro do consumidor : m2= 220 / (30 x 0,4)=18,3 Escolhendo-se a curva 1 (DT=3) para a 51 de neutro do consumidor, o critério de seletividade está atendido com folga, pois : m1= 5,5 e DT = 0,9 ⇒ t RELÉ , CONCES. = 2,50s (Fig. 3.13) ; m2= 18,3 e DT = 3 ⇒ t RELÉ , CONS. = 1,40s (Fig. 3.14) . (t RELÉ , CONCES. - t RELÉ , CONS.) = (2,50 – 1,40) = 1,10 ≥ 0,4 A seguir, as Figuras 3.15 e 3.16 mostram os coordenogramas elo x relé e relé x relé. É importante observar que os gráficos não estão em escala aproximada. 3-16 Fig. 3.14 – Curvas MI de unidades 51 de fase e neutro do consumidor 1/2 1,5 20 m 9 1 3 4 5 6 7 8 t(s) 2 10 18,3 • 1,40 • 0,02 Fig. 3.15 – Coordenograma relé da concessionária x elo I (A) 1593 2900 40 K 600 303 t(s) 0,01 0,03 1,80 0,12 60 51 de fase da concessionária 51 de neutro da concessionária DT=0,5 DT=0,9 • • • • 4-2 4.2 Religador Basicamente, um religador é constituído por um mecanismo automático projetado para abrir e fechar circuitos em carga ou em curto-circuito, comandado por relés de sobrecorrente de ação indireta (alimentados por TCs, geralmente de bucha), que realizam as funções 50 e 51, e por um relé de religamento (função 79). Atualmente, os dispositivos sensores e de controle de um religador são microprocessadores dedicados que realizam as funções 50, 51 e 79 e muito mais. São os chamados religadores microprocessados ou numéricos de multifunção. Para extinguir os arcos elétricos inerentes às operações de chaveamento de circuitos em carga ou curto-circuito, os reliagadores usam mecanismos e meios de interrupção similares aos disjuntores. Os meios de interrupção mais comuns são: óleo isolante; câmara de vácuo; gás (SF6). Na atualidade, este último é o mais empregado. O religador ao sentir uma condição de sobrecorrente, interrompe o circuito, religando-o automaticamnete, após um tempo predeterminado. Se perceber, no momento do religamento, que o defeito ainda persiste, repete a seqüência “disparo x religamento” , até três vezes consecutivas. Após o quarto disparo, o mecanismo de religamento é travado, deixando aberto o circuito. A repetição da seqüência “disparo x religamento”, permite que o religador teste repetidamente se o defeito desapareceu, possibilitando diferenciar um defeito transitório de um permanente. Geralmente, um regador é projetado para realizar, no máximo, 3 religamentos seguidos por 4 disparos, entretanto, permite ajuste para trabalhar com 1, 2 ou 3, sendo que, após o último previamente ajustado, permanece aberto, até que seja fechado pela ação do operador. Os disparos podem ser rápidos (ou instantâneos) e lentos (ou temporizados). Para melhor entendimento da operação, considere-se um religador instalado na saída de num alimentador (Fig. 4.1) e ajustado para desenvolver quatro disparos, dois rápidos (ou instantâneos), seguidos por dois lentos (ou temporizados), conforme a seqüência representada na Fig. 4.2. R X F IF Fig. 4.1 – Religador instalado na saída do alimentador na S/E t (s) I (A) I CARGA IFALTA Fig. 4.2 – Seqüência de operação do religador Neste instante o religador trava, deixando o circuito aberto (bloqueio) 4-3 Se a falta for permanente, o religador desenvolverá a seqüência completa, isto é, realizará 3 religamentos e 4 disparos. Após o quarto disparo, permanecerá aberto até receber o comando de fechamento, local ou remotamente. Se a falta desaparecer antes do último desligamento, o religador não bloqueará o circuito e, dentro de um certo intervalo de tempo (tempo de rearme ou de ressete ou de restabelecimento), da ordem de segundos, rearmará ou restabelecerá, ficando preparado para realizar novamente a seqüência que está ajustado. Na maioria dos religadores. Este tempo é ajustado previamente. 4.2.1 Aplicação e especificação A aplicação básica de religadores é na proteção de alimentadores primários de distribuição. São instalados geralmente na saída de alimentador da subestação; em ponto do tronco que, por razões técnicas, se faz necessário diminuir a zona de proteção do equipamento a montante; em derivações longas e carregadas; em circuitos que passam por áreas muito arborizadas e/ou sujeitas a grande intensidade de descargas atmosféricas (índice ceraúnico elevado). Para se especificar corretamente um religador, os seguintes pontos devem ser observados: • Tensão nominal: Igual ou superior a tensão máxima entre fases (tensão composta ou de linha) do circuito no qual vai ser ligado; • Corrente nominal: Deverá ser maior do que a corrente de carga máxima do circuito multiplicada pelo fator de crescimento ou de transferência de carga (corrente de operação do sistema); • Capacidade de interrupção: Igual ou maior do que a corrente de curto-circuito máxima, valor assimétrico, no ponto de instalação; • NBI: Compatível com a classe de tensão do circuito que vai ser ligado. • Correntes e curvas de atuação ajustáveis (ajustes): Devem permitir coordenação e/ou seletividade com outros equipamentos de proteção a montante e a jusante. 4.2.2 Seqüências e curvas de operação Os religadores possuem um sistema de controle que permite que sejam operados com temporização dupla, ou seja, pode-se escolher uma seqüência de operação tal que efetuem disparos rápidos e lentos, conforme os ajustes previamente definidos. De acordo com a operação mais conveniente do sistema elétrico, escolhe-se esta seqüência, podendo ser todos os disparos rápidos, ou todos lentos ou uma combinação. O mais comum é ajusta-la para disparos rápidos seguidos por lentos. Os disparos rápidos são desenvolvidos por unidades instantâneas (50) ou por unidades de tempo dependente (51), com curvas características rápidas (curvas baixas) dos tipos inversas ou definidas. Já os disparos lentos são conseguidos através de unidades de tempo dependente (51), com curvas características lentas (curvas altas), também inversas ou definidas. Para melhor entendimento, considere-se o religador da Fig. 1, ajustado para operar de acordo com a curvas INST. 1 e RET. 2 (Fig. 4.4) e com a seqüência: 2 disparos rápidos (instantâneos) seguidos por 1 lento (temporizado) , conforme a Fig. 4.3 , onde: tR1 e tR2 , são os intervalos de religamentos previamente ajustados (tempos de religamentos) e tI1 e t2T , são os tempos de disparos (tempos de desligamentos). Os tempos tI1 e t2T são obtidos das curvas INST. 1 e RET. 2 (Fig. 4.4), para a corrente de curto-circuito (IFALTA). 4-4 A maioria dos religadores permitem ajustes de disparos segundo curvas de tempos dependentes e/ou de tempos definidos (Fig. 4.5). t(s) Fig. 4.4 – Curvas características de religador: tempos dependentes INST. 1 INST. 2 IFALTA I(A RET. 1 RET. 2 • • t1I t2T t (s) I (A) I CARGA IFALTA Fig. 4.3 – Seqüência de operação: 2 rápidas + 1 retardada Bloqueio t I1 t I1 t2T tR1 tR2 t(s) Fig. 4.5 – Curvas características de religador: tempos dependentes e definidos INST. 1 INST. 2 IFALTA I(A) RET. 1 RET. 2 • • t1I t2T