Proteção SEP Vol2 - Geraldo Kindermann - 2a ed, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Baixe Proteção SEP Vol2 - Geraldo Kindermann - 2a ed e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! Volume CONTEÚDO Zona de Proteção Proteção ·Diferencial Teleproteção . Proteção de Transformador Nomenclatura ANSI/IEC ISBN 85-900853-6-8 9 788590 085362 ~ -...., :z: <1óIoii E-= =- lóIoii = "-l = ...., -= E- '1óIoii -lóIoii "-l II!!!!! ~ lóIoii E- "-l -"-l lóIoii = = III!!!!! ....,.. lóIoii E-= = =- • == -... ctI e • ....c - G r ld Kindermann VolUllle UFSC (J LabPlan EEL ( r- í r- r r ( ( ( ( ( l L ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( Agradecimentos o autor agradece em especial .:. Ao Professor Rubipiara Cavalcante Fernandes, por ler cuidadosamente e dar importantíssimas contribuições ao texto. .:. Aos engenheiros Everton Pizolatti Medeiros e Giovanni Baptista Fabris da ELETROSUL, pelas discussões e contribuições técnicas . • :. Marcos Fischborn, pela elaboração da capa e Mauricio Sperandio pelo assessoramento de informática . • :. Aos inúmeros alunos, da Graduação e Pós-graduação, que contribuíram com desenhos. Agradecimento em especial ao LABPLAN, principalmente aos professores, técnicos, analistas, mestrandos e doutorandos, que de um modo ou de outro sempre estiveram presentes na motivação, contribuição e assessoramento na elaboração do livro . Apresentação o Laboratório de Planejamento de Sistemas de Energia Elétrica - LabPlan, do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina, tem por objetivos realizar e promover o desenvolvimento de atividades de pesquisa, ensino e extensão na área de Sistemas de Energia Elétrica (SEE) com ênfase nos aspectos de planejamento e análise, nos segmentos de geração, transmissão e distribuição. A atuação dos professores do LabPlan, desde a sua constituição em 1992, têm envolvido uma diversidade de atividades e contribuições à sociedade que eXh'apolam em muito o escopo de atividades regulares nos cursos de graduação e pós-graduação em Engenharia Elétrica. Um aspecto de destaque nesta atuação tem sido a intensa interação com os diversos agentes do setor elétrico brasileiro, realizada por meio de projetos de pesquisa e desenvolvimento, de consultorias especializadas, cursos de aperfeiçoamento e de especialização, e publicação de livros e aI1igos técnicos. O presente livro representa mais uma contribuição do Professor Geraldo Kindermann para a sua extensa obra que inclui livros técnicos envolvendo publicações específicas nas áreas engenharia de segurança, projetos elétricos e proteção de sistemas elétricos de potência. Especificamente, esta obra aborda dois temas de grande relevância, teleproteção e proteção de transformadores, devendo contribuir tanto para fins acadêmicos como para profissionais técnicos e engenheiros. Seguindo a tradição de suas publicações anteriores, o Professor Kindermann apresenta o desenvolvimento dos temas com grande riqueza didática, sustentada por sua extensa experiência acadêmica e prática. Indubitavelmente, contribuíram para esse resultado os inúmeros cursos ministrados em universidades e empresas no Brasil, e em diversos países da América Latina e África, bem como os diversos trabalhos de consultaria técnica prestados à Agência Nacional de Energia Elétrica. Ildemar Cassana Decker Supervisor do LabPlan - UFSC ( ( ( I: I I Prefácio Tendo recebido nos cursos e palestras várias manifestações de apoio e receptividade de alunos, professores, técnicos e engenheiros, no que diz respeito à aceitação dos meus livros, e devido principalmente a carência de bibliografia, foi o que me motivou a escrever esse livro de PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA - Volume 2. Creio ser este livro mais uma contribuição, principalmente para a graduação da Engenharia Elétrica e de técnicos que queiram se aprofundar e conhecer a arte e a filosofia de proteção. O livro foi escrito numa seqüência lógica, em linguagem simples e técnica, de modo a ser uma fonte de consulta acessível aos técnicos da área da Engenharia Elétrica. Todos os capítulos têm abrangência que cobre e atende os requisitos para proporcionar um bom conhecimento na área de proteção. O conteúdo desse volume 2 está focado na Teleproteção e Proteção de Transformadores. Devido à complexidade da proteção de sistemas elétricos de potência, este livro cobre somente uma parte. Portanto, pretende-se dar continuidade do conteúdo no livro de Proteção de Sistemas Elétricos de Potência, 3º volume, nos assuntos referentes a Proteção de Barras, de Reatares, de Capacitores, e de Máquinas Síncronas. o Autor iv 4. 25 Proteçào do Transformador ..... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ... ....... . ... ........ ... ...... . 176 APÊNDICE A NOMENCLATURA DA PROTEÇÃO ....... .. ................ .. .... .. ... ...... .. 178 BIBLIOGRAFIA ... ...... ........... ... .. ...... .. .. ......... ....................... .. .. .... .. ... . 202 1 - ~ -----------------------------------_ .- -- ~ ZONA DE PROTEÇÃO 1.1 Zona de Proteção Confonne apresentado no item 3.33 da referência [46], a proteção de primeira defesa é feita pela proteção principal (primária) e em segunda instância pela proteção secundária, que pode ser local por meio da proteção em réplica ou remotamente por meio da proteção de retaguarda (back-up) . _ Dependendo da importância e do porte do sistema elétrico, pode-se constituir a proteção principal em réplica (redundância), ou seja, classificada em proteção primária e alternativa. Neste caso as proteções são idênticas, ou seja, existem duas proteções desempenhando funções idênticas com hierarquias iguais, trabalhando com teleproteção. Os equipamentos da proteção primária e da alternativa podem ser em réplica do mesmo fabricante ou de fabricantes diferentes. No caso de haver duas proteções, em que não há redundância, ou seja, uma trabalha com teleproteção (proteção primária) e a outra com escalonamento por ( ( ( ( 2 Capítulo I zonas (proteção secundária), por exemplo. Neste caso. a proteção principal e a I" zona da proteção secundária podem ser inclusive concorrentes. Os relés de proteção primária constituem a primeira linha de defesa, caso esta falhar, os relés da proteção alternativa, devem atuar, assim constituindo a segunda linha de defesa do sistema elétrico. Cada proteção principal e alternativa é efetuada cobrindo linhas ou trechos de linhas ou equipamentos do sistema, cuja cobertura é denominada de zona de atuação ou zona de seletividade da proteção. Em relação à proteção principal, deve-se efetuar a proteção considerando: • que haja superposição nas zonas de atuação dos relés da proteção principal; • cada disjuntor esteja coberto (contido) em pelo menos par duas zonas de atuação dos relés da proteção principal; • sempre entre cada elemento ou conjunto de equipamentos deve existir pelo menos um disjuntor. Para exemplificar a figura 1.1.1 mostra a zona de atuação das proteções principais de partes de um sistema elétrico. Note que quando ocorre um defeito dentro de uma determinada zona, os relés que constituem a proteção principal, devem desligar todos os disjuntores dentro de sua receptiva zona de atuação. Deste modo, para um defeito localizado dentro da superposição de duas zonas, todos os disjuntares das duas zonas devem ser desligados. Este esquema funciona adequadamente, mas tem um inconveniente que ocorre quando existir um defeito dentro da superposição de duas zonas, e num local onde a abertura de alguns disjuntares é desnecessária. Por exemplo, se um defeito ocorrer no ponto k do esquema da figura 1.1.1, desligaria os disjuntores 1,2, 3,4 e 5, enquanto que somente o desligamento do disjuntor 1 da barra A seria o suficiente. O inconveniente desse desligamento seria retirar um elemento não defeituoso do sistema elétrico. Entretanto a probabilidade da ocorrência desse defeito e muito pequena dado que a zona de supel-posição é muito pequena e está próxima do disjuntor. Zona de Proteção 3 Proteção do Proteção do Gerador e Gerador Transformador proteçãode~í-~I- : / ~:~~~: Barra I I G I I I I G I I \. I L - J I I L - J I 'l\ I I 1 I :------i-j[-i-----i- k -~----I I I 2 I I I 1 I I I L_ I I: I I I I I 1- I I I I 4 I : 5 I I I I I I _~ _____ -. __ .J_ I --r- -------1- I I I f I I I I I I I I I I I I I I I I: I II I Zonas de I I 'I- II : Atuação I '1"'- I I da I Proteção de II I Proteção I I II / ~ II Linhas de I I Transmissão I :: : ~: I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I _I I I _....1-- Figura 1.1.1 - Zona de Atuação da Proteção Principal Um relé pode ter zona de atuação em que uma parte pertence à proteção principal e a outra parte pertence à proteção de retaguarda. Como exemplo, pode-se citar o caso da proteção convencional (escalonada por zona sem teleproteção) feita com a utilização de relés de distância (21), em que a 23 zona tem 20% da LT na proteção principal e 50% da próxima LT coberta pela proteção de retaguarda da la zona do relé a jusante da próxima barra. 4 Capítulo I Na prática a zona de atuação da proteção principal se inicia no local da instalação do TC ou dos TCs do circuito elétrico. Nos disjuntores pertencentes à superposição os TCs estão entrelaçados, isto é, os TCs estão posicionados de modo que o disjuntor fique no meio, conforme ilustrado na figura 1.1.2. 87 P ro teção Diferenc ial do Ge rador e Transformador 87 Proteção de Proteção Diferencial do Ge rador 87 ) t Linh a d e 7~ ________ ~ _______ T_ra_n_s_m_iS_Sã_O ____ ~ ____________________ ~ Proteção Oife renc ia l d e Barra Figura 1.1 .2 - Localização dos TCs ( ( ~Z~0~n~a~d~e~P~ro~t~e.çã~0~ ________________________________________ ~5~ ( Cada conjunto de TCs alimenta relés de sistemas de proteçào diferentes. Por exemplo, o disjuntor 1 está coberto pelos TCs x e y. O TC y pertence ao esquema diferencial (87) do conjunto (transfonuador e gerador síncrono), o TC x pertence a proteção diferencial (87) da Barra A. Salienta-se que os posicionamentos dos TCs apresentados na figura 1.1.2 seria o ideal em termos de entrelaçamentos de zonas de proteçào, mas na prática é de alto custo e as empresas por motivos econômicos utilizam o esquema apresentado na figura 1.1.5. Algumas vezes, como variante do esquema apresentado na figura 1. 1.2, é também utilizados a instalação dos TCs como mostrado na figura 1.1.3. t Zona A taf! · LT Zona B I Figura 1.1.3 - Cruzamento de TCs sem Abraçar o Disjuntor Neste caso os TCs não cobrem o disjtmtor, isto é, o disjuntor está coberto só pela proteção da zona B. Note que no esquema da figura 1.1.3 está apresentado, também, 2 TCs separados, a que constitui em uma alternativa de alto custo. Na realidade, as empresas utilizam apenas um TC com vários enrolamentos independentes no secundário, assim nesse caso bastaria um enrolamento primário e 2 enrolamentos secundários. Para este propósito, convenciona-se que o símbolo apresentado na figura 1.lA corresponde a um TC com 1 enrolamento primário e 2 enrolamentos ( ( ( ( secundários. ~ I Zona A ~~---- . ~lLf"; Zona B I LT • Figura 1.1A - TC com um Enrolamento Primário e 2 Enrolamentos Secundários 10 Capítulo I o diagrama nmcional de proteção de sobretensão está apresentado na figma 1.2.5. + 591:f A 159T ];O 59T lO 591 59l I B 591 C Figura 1.2.5 - Diagrama Funcional da Proteção de Sobretensão Pelo esquema apresentado na figura 1.2.5, a proteção de sobretensão só provoca o disparo no disjuntor quando: tf> Ocorre uma sobretensão nas 3 fases com a conseqüente operação das 3 unidades instantâneas. Os contatos das unidades instantâneas estão em série, portanto, somente com os fechamentos dos 3 contatos dos relés o disparo do disjuntor é efetuado. Se ocorrer, por exemplo, uma sobretensão em uma só fase , a unidade ' instantânea da fase correspondente fecha o seu contato, porém não ocorre a operação do disjuntor. tf> Ocorre uma sobretensão em 1 ou 2 fases que se mantém por certo tempo provocando a operação da unidade de sobretensão temporizada. Note que os contatos das unidades temporizadas estão em paralelo, portanto qualquer tmidade que atua provoca o disparo do disjuntor. Os TPs podem também serem conectados em /j. para a ligação dos relés entre fases. Apresentou-se aqui a proteção de sobretensão utilizando-~e relés de sobretensão eletromecânicos para possibilitar um melhor entendImento do funcionamento físico do equipamento, mas atualmente utilizam-se relés Zona de Proteção 11 digitais multifunção , em que a função 59 já está incorporada. Geralmente, a função 59 no relé digital é de tempo definido. Num relé de sobretensão eletromecânico é interessante obter a relação de tensão de atuação (pick-up) e a tensão de desoperação (drop-out) , conforme expressão 1.2.2. R 1 . (0/ = tensão de atuação 100 e plck-up 10) _ _ x tensao de desoperaçao drop-out ( l.2 .2) Note que a expressão 1.2.2, deve-se principalmente ao relé eletromecânico, em que o fluxo magnético mínimo gerado pela sobretensão que é suficiente para acionar a alavanca fechando os contatos é bem maior que o fluxo magnético gerado por uma tensão menor que consegue soltar a alavanca do relé, abrindo-se os seus contatos. Pela expressão 1.2.2 este valor é sempre maior que 100%. Note que este problema intrínseco do relé eletromecânico leva a um valor bem superior a 100%. Quando ocorre uma sobretensão temporária que provoca a operação do relé de sobretensão instantâneo, pode muitas vezes permanecer o contato fechado mesmo com o retomo da tensão nominal do sistema. Por isso, deve- se sempre ter o cuidado para que a tensão de desoperação seja maior que a tensão nominal do sistema, assim garante-se o restabelecimento do relé de sobretensão instantâneo. O relé de sobretensão digital não tem este problema, porque a relação de tensão do pick-up e drop-out é praticamente 100%. A sobretensão no sistema elétrico pode provocar os seguintes problemas: @ Arcos elétricos entre condutores de uma linha transmissão; @ Arcos elétricos nos isoladores; @ Aumento da corrente de fuga nos pára-raios; @ Esforços maiores na isolação dos transfonnadores; @ Esforços maiores na isol.ação dos geradores síncronos; @ Aumento dos esforços na isolação elétrica dos equipamentos. 12 Capítulo I 1.3 Relé de Subtensão o relé de subtensão, função de proteção 27, opera quando a tensão diminui abaixo de um valor pré-ajustado. Construtivamente é idêntico ao relé de sobretensão, mas sua operação ocorre somente quando há uma redução da tensão elétrica no circuito no qual está instalado. As características e esquemas de ligação são os mesmos da proteção de sobretensão. A curva de temporização desse relé é mostrada na figura l.3 .l. I-Rel I.' \h: S"hlcn ,s;)., I- .- I'" ;e § .. o ~. !§ 100 & E ~ · H .. .. 70 ... "" -- 10 • o lO 20 30 110 !lO eo N .. eo 100 Porc ento' d o .. ·;,1 0" lln TLl I) niUSlndn Figura 1.3.1 - Curva de Temporização do Relé de Subtensão Os relés de subtensão são idênticos aos relés de sobretensão, mostrado na figura 1.2.1, com bobina magnetizante com vários taps para possibilitar a escolha do percentual (%) da tensão ajustada para a qual o relé u:á atuar. A atuação é por ação da desoperação (drop-out) da alavanca. Na operação normal do sistema, a tensão nominal produz um fluxo magnético Zona de Proteção 13 que mantém atraída a alavanca (armadura) do relé, confonne ilustrado na figura l.3 .2. Taps ~~---4-b--------~ Bobina Magnetizante do Relé 271 -..... -- --"" ~ t, Eixo -+__.._ O.C Mola Alavanca Figura 1.3.2 - Relé de Subtensão Instantâneo (271) nâo Operado A mola neste caso se mantém pennanentemente tracionada. Quando a tensão elétrica do circuito diminui abaixo de um valor ajustado, o fluxo magnético diminui e solta a alavanca. A mola que está tracionada puxa a alavanca de volta fechando o contado do relé, isto é, concretizando a operação propriamente dita do relé de subtensão 27. Ver figura l.3.3 . TP ~Taps '. Bobina Magnetizante do Relé 271 {rn-i:, I _ ____ '_-_~J-~----------~~---------. Eixo Figura 1.3.3 - Relé de Subtensão Instantâneo (271) Operado O relé de subtensão (27) é utilizado em várias situações na proteção do sistema elétrico, muitas vezes combinado com outros relés. Por exemplo, utiliza-se o relé de sobrecorrente com monitoramento (pennissivo) por subtensão. Isto significa que a atuação da proteção é combinada, isto é, o disjuntor só receberá disparo se houver atuação dupla, do relé de ( ( ( 14 Capítulo I sobrecorrente 51 e elo re lé ele subtensão 271. O esquema apresentado na figura 1.3 .4 mostra como se realiza a operação desta proteção. DJ LT BARRA \ .. _~ -- ~ TP \ t-@ Figura 1.3.4 - Diagrama U nifilar e Esquemático em DC da Proteção de Sobrecorrente com Supervisão do Relé de Subtensão (51/27) O esquemático em De está apresentado na figura 1.3.5 . + Figura 1.3.5 - Esquemático em DC da Proteção de Sobrecorrente com Supervisão do Relé de Subtensão (51/27) Na representação numérica da ANSI (apêndice A), o relé de sobrecorrente temporizado com monitoramento de subtensão é denominado por 51/27. Outra variante, muito utilizada é a denominada de proteção por relé de sobrecorrente com restrição de tensão. Neste caso, o torque de atuação no relé de sobre corrente eletromecânico é dependente da tensão, que pode ser por subtensão ou sobretensão. Por exemplo, a figura 1.3.6 mostra o diagrama uni filar desta configuração por restrição de subtensão. Zona de Proteçào 15 BARRA ou 51 F igura 1.3.6 - Relé de Sobrecorrente com Restrição de Subtensão O esquemático em DC está apresentado na figura 1.3.7. + I 5215oou51 BA I 52a Figura 1.3.7 - Esquemático em DC O torque no relé de sobrecorrente eletromecâ.nico, ou sej a, a sua corrente de atuação depende do tap escolhido e varia em função do valor da tensão elétrica aplicada após atuação do relé 27. Isto é, a corrente de ajuste do relé de sobrecorrente varia de acordo com a tensão elétrica aplicada e pode ser dada pela expressão 1.3.1. IOjuste500u51 = Tap 50 ou 51 .f (V27 ) (1.3.1) Para o relé digital ou eletrônico, a corrente de ajuste varia de acordo com a expressão 1.3.2. Iojuste 50 ou 51 = I ajus tado no 50 ou 5J • f (V27 ) (1.3.2) Em que: 20 Capítulo II (2. 1.1 ) o dispositivo de proteção vai atuar do seguinte modo: a) Se i entrdda =: i..ida , a corrente irei'; =: O, e o relé não atua, isto é, o elemento protegido não apresenta defeito. b) Se i.ntrnda - i saida ::; I .juste do relê ' a proteção não atua porque a diferença de corrente é menor que a corrente de ajuste do relé. c) Se i entrada - i saida > I aj uste do re lé ' a proteção atua porque a diferença de corrente é maior que o ajuste no relé. Neste caso há um defeito no elemento protegido. A comparação das correntes elétricas é feita por meio de TCs. A proteção diferencial é largamente empregada na: • Proteção de transformadores de potência • Proteção de cabos subterrâneos • Proteção de máquinas síncronas • Proteção de barras • Proteção de cubículos metálicos • Proteção de linhas de transmissão curta A proteção diferencial é denotada pelo número de função 87. Apresentam-se a seguir várias possibilidades do emprego da proteção utilizando o relé 87. 12.2 Relé Diferencial Comum É uma proteção em que se utiliza um relé de sobrecorrente 50 ou 51, fazendo a função 87. A figura 2 .2. 1 mostra o esquema genérico desta proteção, em que os TCs têm relação 1: 1. Relé Diferencial Íenrrada ( secundário) Elemento Protegido Relé Ísaída (secundário; Figura 2.2.1 - Proteção Diferencial Comum na Operação Normal do Sistema Elétrico 21 No caso da figura 2.2.1 em que o sistema elétrico está operando normalmente, isto é, alimentando uma carga, as con-entes de entrada e saída são iguais é o relé não opera. Note que a proteção diferencial pode ser empregada em sistemas elétricos radiais e em anéis, sendo que sua zona seletiva de atuação é entre os dois TCs. A figura 2.2.2 apresenta o caso de um curto-circuito fora da zona protegida pelos dois TCs. Elemento Protegido Bobina de i 2 =: ii magnetização do ~ relé de sobrecorrente Figura 2.2 .2 - Defeito Fora da Zona Protegida Supondo o sistema em anel, as correntes que suprem o cUlto-circuito vêm dos dois lados como mostra figura 2.2.2, mas como o defeito ocorreu fora da zona protegida pela proteção diferencial, os dois TCs vêm a mesma corrente i I , e o relé não opera. Já a figura 2.2.3 apresenta um curto-circuito interno à ligação diferencial. ( ( ( ( ( ( ( E lemento Protegido Figura 2.2.3 - Defeito Dentro da Zona Protegida Capítulo II Se o sistema for radial a conente 12 = O, e se for em anel a conente 12 será uma conente de curto-circuito. A conente que passa pela bobina magnetizante do relé será ii + i 2 e a proteçâo atuará. É importante observar que o uso das ligações anteriores é freqüente. Apesar das ligações anteriores serem usadas, elas apresentam problemas na oconência de elevado curto-circuito fora da zona seletiva, mas muito próximo ao TC. Isto se dá devido a: • não ser perfeito o casamento dos TCs; • saturação dos TCs; • carregamento -(burden) nos secundários dos TCs, que causam saturação no núcleo; . • outros problemas inerentes ao equipamento protegido. As situações acima produzem enos nos TCs, podendo provocar a atuação indevida do relé de sobreconente que está fazendo a função de proteção 87. Para contornar esses problemas é melhor utilizar o relé diferencial percentual. 12.3 Relé Diferencial Percentual Relé Diferencial 23 Este esquema de proteção utiliza um relé diferencial percentual apresentado na figura 2.3.1 . 11 TC Elemento TC i2 "~ ~ "~ ~ . I Protegido "[ L 11 I i2 N1 BOBINA DE BOBiJ'IADE N2 ki2 OPERAÇÃO RESTRlÇÃO I 12 1- !' ~"C + ! ~ I 1 MOLA EIX O Figura 2.3.1 - Relé Diferencial Percentual Note-se que: Ir--- BATENTE • Se o elemento protegido for um cabo subtenâneo, uma máquina síncrona ou uma linha de transmissão curta, as conentes II e 12 serão iguais. • Se o elemento protegido for um transfonnador, as conentes i I e i 2 serâo determinadas pelas relações de h·ansfonnação do transfonnador e que deverão ser compensadas pelas relações de transfoffilação dos TCs e, se necessário, pelo emprego de TCs auxiliares. O esquema de proteção diferencial percentual apresentado pela figura 2.3 .1 baseia-se na interação de duas bobinas, que são: • Bobina de restrição, que tem uma derivação central. O campo magnético gerado nesta bobina de restrição atua atraindo um êmbolo produzindo um torque negativo, isto é, contrário ao torque de operação. 24 Capítulo II • Bobina de operação, cuj o campo magnético atrai u m êmbolo que produz o tOl·que positivo . O relé 87 irá operar se o torque positivo (rJ for superior ao tOl·que negativo (rJ. O funcionamento básico do relé diferencial percentual da figura 2.3.1 baseia-se nos torques gerados nas bobinas de restrições e de operação. Para analisar melhor o funcionamento, apresentam-se os itens a seguir. a) Operação normal do sistema elétrico ou defeito fora da zona protegida. Este é o caso em que as conentes seClmdárias nos TCs do esquema da figura 2.3.1 são iguais (ii =i 2 ) . Nota-se que a bobina de restlição é composta de duas partes emoladas no mesmo sentido, portanto as conentes i I e i 2 produzem um campo magnético concordante que atrai com bastante força o êmbolo, produzindo um forte tOl·que negativo. Já na bobina de operação, a corrente resultante é ii - i 2 = O, ou seja, o torque será nulo. Assim, o forte torque negativo (restrição) garantirá a não operação do relé 87. b) Defeito interno entre os dois TCs. Quando o defeito (curto-circuito) é interno, ou seja, dentro da zona limitada pelos dois Tes, as correntes ii e i 2 dirigem-se ao ponto do defeito. Neste caso, tem-se a inversão da corrente i 2 como mostra a figura 2.3.2. Para dar ênfase ao funcionamento deste relé, supõe-se que a corrente 12 tenha o mesmo valor em módulo da corrente i I' deste modo, o campo magnético gerado pela corrente i 2 , na meia bobina de restrição, tem sentido oposto ao campo criado pela corrente ii ' assim, o campo magnético de restrição resultante é nulo, conseqüentemente não existe torque de restlição. Já a corrente resultante ii + i 2 = 2i l , passa totalmente pela bobina de operação, produzindo um elevado torque positivo. Note que neste caso, o Relé Diferencial 25 torque de operação é grande e o torque de resu·ição é nulo. ficando desse modo, garantida a operação do relé. BOBINA DE N2 RESTRIÇÃO Elemento Protegido N1 TC BOBINA D E OPERAÇÃO Figura 2.3.2 - Defeito Interno Esta é grande vantagem desse relé, que se traduz em: • Defeitos externos, o relé fortifica a restlição e enfraquece a operação, garantindo a não atuação do relé. • Defeitos internos, o relé enfraquece a restlição e fortifica a operação, garantindo a atuação do relé. O relé diferencial percentual (87) apresentado na figura 2.3 .l é representado pelo esquema da figura 2.3.3, em que aparece a bobina de operação e a bobina de restrição separada em duas partes. Passa-se a obter a expressão analítica de operação do relé diferencial percentual, considerando que as correntes ii e i 2 estão referenciadas de acordo com as figuras 2.3 .1 e 2 .3.3. • Na bobina de resttição, age a COtTente resultante que é dada por ii + i21 I corrente de restrição = --2- ( ( ( 30 Capítulo II 1 (Ampêres retenção) ~tua 18 16 14 12 10 8 6 4 2 1 11 ~ 100 + a 12---~ 100 I 51 .34°= arctg 100+25 100 , , :<- a =10% ,- :<- - Zona Inoperante .alua a =25% - 11=~ 12 100 + a -~~~+-~-+--~--+-~-+-+~~~~~-+--~~~~12 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 (Ampéres retenção) Figura 2.3.5 - Zona de Atuação do Relé Diferencial Percentual em FOlma de Gravata , , , , , , Transformador ou Gerador Síncrono B : e : , , ~----<II(-------- 86 -------~---.! ~ ~---------------;87r---------------~ Figura 2.3.6 - Diagrama Esquemático da Proteção Diferencial A figura 2.3.7 apresenta o diagrama esquemático simplificado em DC da atuação da proteção. Relé Diferencial 31 + -j2A 1r---52---rA 1-----r-1-~, .....,...I-1--r--52B 1""'--52B ~I - - ~ \ó BA Figma 2.3.7 - Esquemático em De da Proteção Diferencial Percentual Em que: VM ~ lâmpada vennelha, indicando disjuntor fechado. VD ~ lâmpada verde, indicando disjuntor abelio . As notações numéricas são identificadas no apêndice A. Note que na proteção de linhas de transmissão com relés 50, 51, 21, 67, 32, utilizam-se TCs com fator de sobrecorrente de 20, com classe de exatidão de 10%. Os TCs utilizados na proteção diferencial, os erros dos mesmos influenciam no ajuste do relé, portanto esses TCs devem ter precisão analisada para cada caso, e podem ser de classe de exatidão de 2,5%, de 5% ou de 10%. Desse modo, em alguns casos, os TCs da proteção diferencial devem ser melhores do que os TCs das outras proteções. 31 [~7:~i :t;'. " ,c:' -:, "',~" ,- "~' "'~. ,,' .' 'c ,- - "','" ~ :. ~ - -II '. .~. ~~ _ _ > ___ • __ ~' ~, ~._' _:': _ ' __ TELEPROTEÇÃO 13.1 Teleproteção A proteção que utiliza comunicação entre os relés das barras adjacentes de uma linha de transmissão é denominada de teleproteção. O p~ncíp~o básico da teleproteção é a utilização da proteção diferencial (87) a d~stâncIa, em q,ue a transmissão do sinal de um relé ao outro é feita pelas Vlas de comumcação. Do mesmo modo da proteção diferencial, o trecho supervisionado (selecionado) para a proteção é o compreendido entre os 2 r~lés. A figura 3.1.1 mostra simplificada e esquematicamente a proteção da lmha de transmissão utilizando a teleproteção. Barra A Barra B - - - - - - - - - - - - - - - RB Via de Comunicação Figura 3.1.1 - Teleproteçâo ( _T~e~1_ep~r~0~te~ç~ã~0 __________________________________________ ~3~3 ( A filosofia da teleproteção é a mesma da proteção utilizada no sistema de energia elétrica, com o adicional que a confiabilidade da tecnologia da comunicação é fundamentaL A teleproteção basicamente utiliza 2 processos para a ação de desligamento do trecho em defeito. Os 2 processos são: • comunicação efetiva ou não entre os relés, para o bloqueio do desligamento do disjuntor; • cOlmmicação entre os 2 relés, para o desligamento efetivo dos disj untores. Na teleproteção a necessidade de se utilizar a proteção principal e alternativa é importante, possibilitando a garantia de seletividade de 100% da linha de transmissão. Na teleproteção as vias de comunicação, conhecida como canais piloto, podem ser de vários tipos: • fio piloto; • onda portadora (Carrier); • microondas; • fibras ópticas do tipo: 7- cabo dielétrico de fibra óptica; 7- cabo OPGW. Na teleproteção é imprescindível que o meio de comunicação tenha alta confiabilidade e alta velocidade. Isto porque a teleproteção é um componente incorporado ao sistema de proteção. Desse modo é importante considerar a segurança do meio de comunicação, principalmente quanto à sua exposição fisica. Geralmente em linhas de transmissão, o sistema de comunicação abrange todo o comprimento da linha, ficando exposto a toda sorte de riscos, inclusive o de vandalismo. Os mecanismos das vias de comunicação são resumidan1ente apresentados a seguir. ( ( ( ( ( LI3_.2 __ F_io_P_il_o_to~ ____________________________ ~1 I 34 Capítulo III Fio piloto é um condutor físico utilizado para conduzir (transmitir) o sinal de comunicação entre os sistemas de proteção instalados em cada terminal do elemento protegido. O condutor, meio de propagação, pode dependendo do tipo de proteção, ser: o Fios telefônicos; o Cabos elétricos; o Fios nus. A comunicação por fio piloto é feita por um par de condutores, em que o sinal de transmissão pode ser efetivado (transmitido) por: • Corrente contínua (DC) • Corrente alternada (AC) em 60 Hz; • AC em sinal de áudio. O esquema de proteção utilizando fio piloto é mais indicado quando o elemento protegido for de pequenas dimensões, tais como: ~ Transformador; ~ Gerador síncrono; ~ Cabos elétricos, principalmente os subterrâneos; ~ Linha de h"ansmissão curta. Pode-se utilizar o fio piloto para proteção de linha de transmissão curta de até 30 km, mas na prática não é muito usado. No tipo de proteção por fio piloto, por exemplo, utiliza-se a mesma fIlosofia do relé diferencial (87) adotada no transformador de potência, sendo que neste caso a proteção diferencial é feÜa por 2 equipamentos de proteção instalados em cada terminal da linha de transmissão. A figura 3.2.1 mostra a proteção diferencial (87) de um transformador de potência. SubstihlÍndo o transfOlmador por uma linha de transmissão e utilizando a proteção diferencial com o emprego de 2 relés em cada terminal, tem-se a figura 3.2.2. Note que ao se unirem os 2 relés da extremidade da linha de transmissão, têm-se a constituição do relé diferencial tradicional. Teleproteção • Bobina de Restrição 1 Transformador Bobina de Operação • Bobina de Restrição 2 Figura 3.2.1 - Proteção Diferencial do Transformador Barra A Bobina de Restrição 1 Barra B Linha de Transmissão Bobina de Fio Piloto Restrição 2 Figura 3.2.2 - Proteção com fio Piloto 35 Identicamente à proteção diferencial comum, nos relés da figura 3.2.2 as bobinas de restrições produzem ação para a não operação e as bobinas de operação produzem ação para a operação da proteção provocando o desligamento dos disjuntores. Simbolicamente a teleproteção, com vias de comunicação através do canal piloto com o uso de relés 87 em cada terminal da linha de transmissão, é representada pelo esquema da figura 3.2.3. Barra A Linha de Transmissão ._____ Via de Comunicação _____ ~ Canal Piloto Figura 3.2.3 - Esquema Básico da Teleproteção com Canal Piloto 40 Capítulo III ~ índjce degrau que tem dois índices de refraçào, um para o núcleo e outro para a casca. São fibras grossas com diâmetro de I 00 ~Lm a 850 pm. São empregadas em distâncias cUlias. ~ Índice gradual que apresenta índice de refração variável, a dimensão do núcleo é de 50 pm, 62,5 ~lm e 100 ~m, e da casca de 125 ~m e 140 ~lm. Podem ser usadas em maiores distâncias com atenuações de 1 a 6 dB/km. A fibra óptica multimodo, tem diâmetro do núcleo de 50 11m, 62,5 ~m e 200 ~m, com comprimento de onda da luz emitida na ordem de 650, 820 e 1300 mn. Os transdutores (conversores) fotoelétricos dos relés em cada terminal da linha de transmissão devem ser compatíveis, isto é, devem gerar sinais luminosos com o mesmo comprimento de onda. Os cabos de fibra óptica podem ser simples ou acompanhados de um cabo (guia) de aço. O cabo de fibra óptica com guia de aço possibilita lançar o cabo em maiores vãos entre torres de transmissão e resguarda de tensionamentos mecânicos nas fibras. A perda de sinal na fibra óptica é medida em dB. Deve-se considerar as perdas em dB em todo o sistema de transmissão do sinal de fibra óptica, concernentes às emendas, às conexões e os cabos propriamente dito. Por exemplo, o cabo de fibra óptica de 9,3 ~lm tem perdas de: • 0,4 clB/km para À = 1310 run; • conector, perdas de 2 dB/conector; • emenda, perda de 0,4 dB/emenda. A distância de comunicação direta entre relés fica limitada pela geração de sinal no conversor e pelas atenuações de sinal no sistema de comunicação. Estas limitações restlingem a operação direta entre relés em torno de 50 km. 13.4 Cabo OPGW Teleproteção 41 Cabo OPGW (Optical Ground Wires) é um cabo condutor metálico, onde coaxialmente estào instalados os cabos de fibra óptica. Ver figura 3.4.1. ....... - Fibra Ótica Cabo de Fibra ;~, Ótica / ~ Capa ~ , Alumínio Figura 3.4.1 - Cabo OPGW O cabo OPGW é utilizado como cabo de cobertura (cabo pára-raios ou cabo guarda) de uma linha de transmissão. Ver figura 3.4.2. Figura 3.4.2 - Cabo de Cobertura do tipo OPGW O cabo de cobertura está aterrado na torre de transmissão . Assim, na ocorrência de uma descarga atmosférica, o raio será captado pela parte metálica do cabo de cobeltura, será conduzido até à torre mais próxima, e ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( l 42 Capítulo III será escoado a terra pelo aterramento ( contrapeso) do pé da torre. Esta condução do raio não afeta a transmissão do sinal luminoso dentro do núcleo da fibra óptica. O esquema da teleproteção e da VIa de comunicação é apresentado simbolicamente pela figura 3.4.3. Barra A TC, • • e Receptor de Sinal Linha de Transmissão CaboOPGW Canal de comunicação • TC2 • e Receptor de Sinal Figura 3.4.3 - Teleproteção com Cabo OPGW Barra B Neste tipo de teleproteção a comunicação entre os relés é feita pela transmissão do sinal pelas fibras ópticas contidas no cabo OPGW, possibilitando efetuar vários esquemas de proteção. Apenas para ilustração, por exemplo, o cabo OpGW com 18 pares de fibras ópticas pode trafegar em cada par, 7560 canais, perfazendo no total 136.080 canais de comunicação. A transmissão com OPGW pode cobrir grandes distâncias com a introdução de repetidora de sinal. Desse modo, pode-se utilizar a transmissão de sinal pela fibra óptica, para o uso da: © Proteção; © Comunicação telefônica; © Transmissão de sinal de TV; © Comunicação via Internet; © Comunicação do sistema de supervisão e controle; Teleproteção 43 © Serviços para companhias telefônicas ou de TVs não pertencentes à empresa. Isto é. podem-se comercializar os canais excedentes para empresas particulares . [ 3.5 Onda Portadora A transmissão por onda pOliadora é feita utilizando o meio fisico , isto é, o próprio cabo condutor da linha de transmissão para a propagação do sinal de comunicação. O sinal a ser transferido é modulado na onda portadora, é injetado na extremidade da linha de transmissão e é recebido na outra extremidade onde é demodulado, isto é, o sinal é separado da onda portadora. Este sistema é conhecido por OPLAT - Onda POliadora sobre Linha de Alta Tensão. O esquema da figura 3.5.l mostra os elementos básicos da teleproteção com onda portadora (Sistema Carrier). Barra TC Transmissor e Receptor Carrier Bobina de Bloqueio de Carrier Chave 9 Canal de Comunicação Linha de Transmissão TP t··-·- --- - ---·--··~ L-______ ~:~.~ ,~.~. __ ----_, II .zCôlrg as d05 Equipamcnlos Figura 3.5.1- Teleproteção Onda Portadora (Carrier) O sinal é transmitido por uma onda portadora de alta freqüência na ordem de 20 a 400 kHz, que se superpõe à corrente elétrica (60 Hz) da linha de transmissão . Cada sinal, com sua respectiva freqüência, propaga-se independentemente como se o outro sinal não existisse, apenas seus efeitos são somados. O receptor, no outro extremo da linha de transmissão, que está 44 Capítulo m sintonizado na freqüência Carrier, absorve apenas o sinal da onda portadora, sendo que a correspondente demodulação extrai o sinal da infonnação. Para a finalidade de usar o sistema Carrier por onda portadora na teleproteção, há necessidade de apenas apresentar a figura 3.5 .1 de modo mais simplificado, como mostra o desenho da figura 3.5.2. Bobina de Barra A TC Bloqueio de Canal de Carrier Comunicação TC Barra B ~ ~ r- W'-----r--------.-----'W ,",.-. D-1 I Linha de Transmissão I '-18 8 - 1 Figura 3.5 .2 - Sistema Carrier Em que T representa o transmissor e R o receptor da onda portadora Carrier. Os equipamentos que constituem o sistema de transmissão por onda pOltadora podem utilizar a tecnologia digital, porém a transmissão da onda portadora pela linha de transmissão é feita sempre no modo analógico. O sistema completo da transmissão por onda portadora (Carrier), sucintamente é composto pelos seguintes equipamentos: • Bobina de bloqueio do Carrier; • Divisor Capacitivo de Potencial (DCPs); • Equipamento de sintonia; • Transmissor Carrier; • Receptor Carrier; • Filtro da onda. O capítulo 2 da referencia [5] foi dedicado ao equipamento DCPs contendo o seu funcionamento e utilização. A faixa de freqüência utilizada para a propagação de sinal confinada na linha de transmissão, em comparação com outras freqüências, é mostrada na figura 3.5.3. Teleproteção 16kHz Rádio Navegação .. lo 20kHz 30kHz 400kHz I I I I 200kHz _.------ -- ----- Faixa Carrier - --------- --- ... 4G5kHz Figura 3 .5 .3 - Faixa de Freqüência Carrier 45 535kHz I ------+- Rádio Difusão Preqüências menores que 20 kHz prejudicam o acoplamento com os DCPs , e para freqüências maiores que 400 kHz as perdas de transmissão do sinal são mais acentuadas e também começa a haver interferências com os serviços de rádio. O sistema de proteção que utiliza onda portadora (Carrier) depende muito da integridade dos condutores da linha de h·ansmissão. Sendo prejudicados nos seguintes casos: ® Abertura dos condutores da linha de transmissão; ® Curtos-circuitos; ® Manobras de disjuntores; ® Interferências eletromagnéticas; ® Interferência eletrostática. 13.6 Microondas Na transmissão por microondas o meio de propagação do sinal é pelo ar. O sinal é transmitido numa freqüência de 900 kHz a 20 MHz. O sinal de alta freqüência da microonda é dirigido por antenas parabólicas de ponta a ponta. Por este motivo as antenas parabólicas devem estar colocadas em torres de comunicação para que sua visada tenha longo alcance. Ver figura 3.6.1. A faixa de freqüência deste sistema de comunicação é: • UHF de 300 MHz a 3 GHz; • Microondas de 3 GHz a 30 GHz. O sistema de comunicação por microondas é muito complexo e caro. As antenas parabólicas devem estar direcionadas umas em relação às outras, de modo que o sinal seja transmitido entre as torres de comunicação ( ( ( ( l \ \. l ( ( ( ( ( ( ( j 50 Capítulo III Este defeito é fora da L T AB. portanto nenhwl1 disjuntor deve ser desligado. A seqüência de atuação da proteção é a que segue: Terminal B • Fecha instantaneamente o contato 21 S; • Ativa-se o transmissor B, que envia um sinal pelo sistema de telecomunicação para o receptor A da barra A. Terminal A • Fecha instantaneamente o contato do relé 21P; • O receptor A recebe o sinal do transmissor B e abre o seu contato RC. Note que o contato RC estando agora aberto, nâo será mais possível efetuar a operação de abertura do disjuntor A, isto é, o disjuntor A está bloqueado; • O relé de tempo fecha o seu contato To no tempo To. Note que o tempo To > tempo da propagação do sinal de comunicação entre as barras; • O disjuntor A permanece fechado, em operação normal. O problema nesJe tipo de sistema de proteção de bloqueio por comparação direcional é que: ® Se houver um defeito no sistema de telecomunicação, de modo que o sinal seja emitido indevidamente, a abertura do disjuntor fica bloqueada, independente da atuação da proteção local. ® Se houver uma falha no sistema de telecomunicação, de modo que o sinal transmitido não chegar no receptor remoto, poderá haver atuação indevida da proteção local para defeito fora da linha de transmissão. Fato este que geralmente ocorre neste tipo de esquema de proteção. Como não se sabe se há defeito no sistema de telecomunicação, há necessidade de uma constante vigilância no sistema para garantir o seu desempenho. O esquema funcional apresentado na figura 3.8.2 é simplificado, na realidade o esquema é mais complexo e, pode-se citar que o receptor não Teleproteçâo 5] promove a abemlra do contato RC. Esta função é feita por um relé 85 auxiliar. O funcionamento baseia-se no esquema mostrado na figura 3.8.3. RC J i 85 i '\' I RC ~ ~ Sistema de Telecomunicação Figura 3.8.3 - Relé 85 Quando o receptor recebe um sinal de comunicação, ativa o relé 85 que promove a abertura do contato RC. O relé 85 tem também outros contatos auxiliares NA e NF, para realizar outras funções. Geralmente, provoca-se um retardo intencional no tempo de rearme do relé 85 , a fim de evitar problemas na proteção de linhas operando em paralelo. No esquema de proteção apresentado, a seletividade é de 100% da linha de h·ansmissão com um tempo de atuação de To. 13.9 Sistema de Desbloqueio por Comparação Direcional Sistema de proteção de desbloqueio por comparação direcional (Unblocldng) será analisado em relação ao diagrama unifilar da figura 3.9.1. Figura 3.9. 1 - Diagrama Unifilar Os relés de proteção de cada barra têm direcionalidade para a linha de transmissão com sobrealcance da linha adjacente. 52 Capítulo m A filosofia do sistema de proteção de desbloqueio por comparação direcional (CDD) é manter um canal de comunicação sempre ativo e mantido numa freqüência chamada de guarda. Portanto, o sinal permanente no canal é indicativo que o canal de transmissão de telecomunicação está funcionando em perfeito estado, isto é importante porque é uma garantia de que quando houver defeito no sistema elétrico o canal de comunicação está pronto para enviar um novo sinal de desbloqueio em uma nova freqüência, diferente da freqüência do canal guarda. O sinal de desbloqueio é sempre no sentido de promover o desligan1ento do disjuntor. Na operação normal do sistema elétrico, no sistema de proteção CDD, é sempre enviado, permanentemente, um sinal de guarda (na freqüência guarda) entre os sistemas de proteção da barra A e B, que mantém aberto o contato que está em série com a bobina de abertura do disjuntor. Havendo defeito no sistema elétrico a proteção troca a freqüência do canal de comunicação para freqüência de desbloqueio, que será enviada para a outra barra, no sentido de permitir o desligamento do disjuntor remoto. Portanto a lógica do CDD é: 7- Freqüência de guarda significa operação nomlal do sistema e os disjuntores devem permanecem fechados; 7- Freqüência de desbloqueio significa defeito no sistema elétrico e os disjuntores devem ser desligados. O esquema funcional do diagrama unifilar apresentado na figura 3.9.1 está mostrado na figura 3.9.2 . + + p RC BA BA P J:--r-----..... ~ :I~~ ~, Sistema de ~ Telecomunicação ~ TR Figura 3.9.2 - Funcional em De do CDD Teleproteção 53 Se o sinal guarda está em funcionamento é porque o sistema de telecol11Lmicação está em funcionamento normal. A seguir apresenta-se a atuação das proteções para os defeitos assinalados no diagrama unifilar da figura 3.9.l. a) Defeito no ponto Fl dentro da LTAB• Os relés operam na seguinte seqüência: Terminal A • Fecha o contato P do relé da barra A; • Ativa-se o transmissor A, que muda a freqüência do sinal de comunicação transmitido. A freqüência do sinal é comutada da freqüência de guarda para a freqüência de desbloqueio; • O receptor A recebe o sinal de comunicação na freqüência de desbloqueio que foi enviada pelo transmissor B. O receptor A fecha o seu contato RC; • Ativa-se a bobina de abertura BA que promove o desligamento do disjtmtor A. TemlÍnal B Seqüência igual a do terminal A. Observa-se que o sinal na freqüência de desbloqueio provoca o desbloqueio (pemussão) de operação de desligamento do disjuntor. b) Defeito no ponto F 2 fora da L T AB. A seqüência de atuação dos relés é: Terminal B A proteção deste terminal não vê o defeito em F2, portanto nada acontece. • O receptor B recebe o sinal do transmissor A na freqüência de desbloqueio e fecha o seu contato RC, mas não há operação do disjuntor B porque o contato P permanece aberto. TenninalA · A proteção deste terminal vê o defeito F2 e: ( ( ( ( ( ( ( ( ( 54 Capítulo III • Fecha o conta to P do relé A; • Ativa-se o transmissor A, que penlluta a freqüência do sinal que é enviado para a barra B. Note que não há operação do disjuntor A, porque o receptor A não recebe sinal na freqüência de desbloqueio. Observação: Este sistema de proteção de desbloqueio por comparação direcional (CDD) é mais simples que o CDB, é mais confiável devido à existência permanente do sinal guarda. Normalmente o tempo de comutação do sinal de comunicação dá-se em 5 ms. 3.10 Sistema de Bloqueio por Comparação Direcional - Variante Este esquema é utilizado na proteção tradicional com re lés de distância que usufi-ui do sistema de comunicação. Para assimilar com mais propliedade estes fundamentos , o diagrama unifilar da figura 3.10.1 mostra as zonas de atuação do sistema de proteção instalado nas barras A e B com sentido direcional para dentro da linha de transmissão, isto é, como indicado pelas setas sobre os TCs. FD Direcional 67A ZR ZR FD Direcional 67B Figura 3.10.1 - Alcance das Zonas dos Relés 21 Neste esquema os relés de distancia 21 têm seus ajustes de zonas de atuação e suas conespondes tempOlizações indicadas no item 5.8 da referencia [46]. Alimentado pelo mesmo TC, há um relé de distância Teleproteção 55 reverso que deverá cobrir todo o circuito da linha de transmissão reversa (anterior). O esquema funcional em De de cada sistema de proteção está apresentado na figura 3.10.2. + Relé de _ Relé de + FD Tempo Tempo FD ---ll-- O-- ~-'~ I-Gz-, -I Z, T?rf I - r-1f---;----i ~f-- : z.., RC To I BA BA ~o RC I z., I f~ f---~ Li "--\ ~-H-l-1-Z:. T3 A B T3 Z, I Linha deTransmissão I I ~~,. + Capacitor l ____ /~----{RC Z, ZR ~ ZR Z, '~ ~-I TR f-1 Figura 3.10.2 - Esquema Funciona em DC do Sistema de Proteção por Bloqueio por Comparação Direcional Em que: Z I -. contatos NA e NF da 1 a zona ( instantânea) do relé de distância 21; Z2 -. contato da 2a zona (temporizada = T2) do relé de distância 21; Z3 -. contato da 3a zona (temporizada = T 3) do relé de distância 21; ZR -. contato da zona reversa de atuação (instantânea) do relé de distância 21R; TR -. Transmissor do sinal Carrier para a barra remota; RC -. Receptor do sinal Carrier proveniente da barra remota. Quando o Receptor RC recebe um sinal Carrier o seu contato RC abre instantaneamente; FD -. contato da unidade direcional 67; To -. é um tempo muito baixo, porém maior que o tempo da propagação do sinal de transmissão Can-ier de uma barra a outra. Ou seja, To > Tempo de propagação do sinal Carrier; T2 = 0,4 a 0,5s -. temporização da 2 a zona do relé de distância 21; 60 Capítulo III Figma 3.11.3 - Reator de Linha Manobrável l, -O- --O z, I Relé de Relé de I -H- - Tempo Tempo TH~D FO Z-, T, -II- ! -lH z, " 'J ~ -IH H r--BA BA RC RC + I ~ + RC r-- L_ .. Sistema de l , .--- Telecomunicação .....---( l, -;r- TRJ - Jf ~ -i TR '---I r-- Figura 3. 12.1 - Funcional do Sistema com Transferência por Disparo Pelmissivo de Subalcance É quase idêntico ao anterior, só que no esquema apresentado na figura 3.12. 1 o disparo do disjuntor só ocorrerá com a pennissão da unidade direcional que tem cantata em série com o contato RC. Assim, o nome permissivo, neste caso, é dado pela ulÚdade direcional, isto é, ° disparo só Teleproteção 61 será possível se a unidade clirecional pelmitiJ. Apesar da introdução deste pequeno detalhe, já se produz mais segurança no esquema de proteção associada à teleproteção. Isto porque, se o sistema de comunicação enviar por falha, engano ou erro humano, um sinal de disparo, o disjuntor não será acionado porque a unidade direcionalnão pemllte. 3.13 Transferência de Disparo Permissivo por Subalcance com Aceleração de Zona o seu esquema funcional está apresentado na figura 3.13.1 , em relação ao diagrama uni filar da figura 3.10.1. Sistema de Telecomunicação Figura 3.13.1 - Funcional em De Este esquema apresenta mais segurança porque a permissividade é feita pela unidade direcional e pela 2a zona. Portanto só haverá disparo do disjuntor, se 3 condições forem satisfeitas: • Recebimento do sinal de comunicação emitido pelo transmissor da barra remota; • Defeito na direção da linha de transmissão protegida; • Defeito dentro da 2a zona. Este esquema é utilizado em linhas de transmissão média e longa distância. ( ( ( \. 62 Capítulo III 1 3.14 Transferência de Disparo Permissivo por Sobrealcance Este tipo de sistema de proteção também é conhecido por POTT - Permissive Overreach Tra1~fer Trip. Para o mesmo sistema elétrico apresentado na figura 3.10.1 , cUJo diagrama funcional pode, por exemplo, ser o da figura 3.14.1. ZI --I + Relé de Tempo BA Sistema de Telecomunicação < Figura 3.14.1-Funcional em De do Esquema de Transferência de Disparo Permissivo de Sobrea1cance . Este esquema é idêntico ao anterior, com a diferença de que o disparo do sinal de comunicação é feito pela unidade distância da 2a zona cujo alcance vai até 50% da linha de transmissão remota. É utilizado em linha de transmissão curta, dada a dificuldade de acionar o sinal de comunicação pela I a zona devido à imprecisão de se fazer o ajuste para 80% da linha. É adequado neste caso ajustar aIa zona para 50% da linha. Observação: Muitas empresas utilizam um sistema de proteção, em que o POTT tem zona de sobrea1cance independente da 2a zona da proteção normal. 13.15 Lógica de Eco T eleproteção 63 Na utilização do sistema de proteção do tipo desbloqueio por comparação direcional (COO), como apresentado no item 3.9 a abertura do disjuntor só ocorre se houver recebimento do sinal de transmissão enviado pela proteção de linha de transmissão da bana remota. Devido a esta ftlosofia do sistema CDO, este esquema de proteçào fica prejudicado quando o disjuntor ou a chave seccionadora estiver aberta em um terminal remoto de uma linha de transmissão de um sistema elétrico conectado em anel. Por exemplo, no esquema do diagrama unifilar da figura 3.15.1 , em que um terminal da linha de transmissão está aberto. PA Seccionadora Barra A Barra B Linha de Transmissão TC2 F PB Figura 3.15 .1- Tem1Ínal B da Linha de Transmissão Aberta Neste caso com o terminal B aberto e se ocorrer um curto-circuito no ponto F, na lógica do cno o disjuntor A só abrirá se receber um sinal de desbloqueio do terminal B. Mas como o telIDÍllal B não vê o defeito, nenhum sinal de desbloqueio será enviado ao terminal A. Ver figura 3.9.2. Por esse motivo, para possibilitar a abertura do disjuntor A, há necessidade de se efetuar a lógica de eco. A lógica de eco já está incorporada no esquema de proteção cnn atuaI. Esta lógica se baseia no princípio do eco, ou seja, o sinal de transmissão enviado pelo canal A ao terminal B deverá retomar instantaneamente ou após certo tempo ao tenninal A. Por exemplo, no esquema de proteção da figura 3. 15.2, utiliza-se um relé de tempo, para enviar o sinal de volta ao terminal A. Em que: S ~ contato auxiliar NF da chave seccionadora; 52 ~ contato auxiliar NF do disjuntor; T o ~ contato do relé de tempo. 64 s To --t Sistema de Telecomunicação Capítulo m s Figura 3.15.2 - Esquema Funcional do CDD com Lógica do Eco Em relação ao esquema de proteção da figura 3.15.2, na ocorrência de um curto-circuito em F, a seqüência de atuação da proteção é: ~ Fecha o contato P do terminal A; ~ Ativa-se o transmissor A que envia um sinal de desbloqueio para o receptor B; ~ O receptor B recebe o sinal transmitido pelo transmissor A. O receptor B fecha o seus contatos RCs que ativa o relé de tempo do. tenninal B; ~ Transcorrido o tempo o relé de tempo fecha o seu contato To; ~ Com o fechamento do contato To ativa-se o translnissor B que envia um sinal de desbloqueio ao terminal A. Este sinal enviado é o eco; ~ O receptor A recebe o sinal transmitido por B e fecha o seu contato RC; ~ Com o fechamento do contato RC, ativa-se a BA que promove a abertura do disjuntor A. Nota-se que o tempo To ajustado no relé de tempo é maior que os tempos de operação das proteções normais com o disjuntor ou seccionadora local fechadas. Este tempo To atrasa a abeltura do disjuntor, sendo o principal problema da lógica de eco deste tipo de esquema da figura 3.1 5.2. Para contornar o problema apresentado e acelerar a abertura do disjuntor, na lógica de eco, utilizam-se os contatos auxiliares do disjuntor e Teleproteção 65 das chaves seccionado.ras que ativam diretarnente o transmisso.r para enviar o sinal de retorno para a barra remota. A lógica de eco só será ativada se o disj untor ou a chave seccio.nado.ra estiver aberto, o. diagrama tmifilar de proteção da fi gura 3. 15.3 apresenta esta condição . S ~RC _ ~~:- 1 p ~~ S - RC:O-i I " ~~ ~~ t- Sistema de Telecomunicação Figma 3.15.3 - Lógica de Eco Ativada pelos Contatos ALlxiliares da Chave Seccio.nadora ou do Disjuntor Neste caso., não há necessidade de se utilizar o. relé de tempo, e para um curto-circuito em F, a seqüência da atuação da proteção é: • O relé do telminal A vê o defeito. e fecha o seu contato P; • Ativa-se o transmissor A que envia um sinal de desbloqueio ao terminal B; • O receptor B recebe o sinal enviado pelo transmissor A. O recepto.r B fecha o seu contato. RC; • Com o fechamento do contato RC do terminal B, ativa-se o translnissor B que envia um sinal de volta ao terminal A (lógica de eco); • O receptor A recebe o sinal enviado pelo terminal B e fecha o seu contato RC; • Ativa-se a BA com a conseqüente abertura do disjuntor A. A lógica de eco, apresentada na figura 3.15.3 é melhor que a da figura 3.15.2, porque atua muito rápido e só é ativada quando. o. disjunto.r ou a chave seccionadora remota estiver aberto.. Existem também outras lógicas de ecos utilizadas nos esquemas de proteção CDD. ( ( ( ( ( 70 Capítulo fi • Com o fechamento do contato RC, a bobina de abertura BA é ativada provocando o desligamento do disjuntor A. Sistema de Telecomunicação Figura 3.17.2 - Esquema DC para a Proteção de Terminal Fraco Terminal B: • O relé 21 não vê o defeito em F; • O receptor B recebe o sinal de comunicação enviado pelo transmissor A e fecham os seus conta tos RCs; • Ocorre o afundamento da tensão elétrica e o relé de subtensão é operado fechando o seu contato 27; • Com o fechamento dos contatos RC e 27 ativa-se: • a bobina de abertura BA e o disjuntor B é desligado; • o transmissor B que envia um sinal de comunicação ao receptor A. Salienta-se que atualmente com os recUTSOS modernos das tecnologias dos relés digitais, que está integrada ao sistema de supervisão e controle do sistema elétrico, é possível com programação adequada efetivar automaticamente a mudança do ajuste de alcance do relé 21 do terminal weak infeed, quando da ocorrência de determinada contingência. Deste modo, a proteção de weak infeed com o relé de subtensão apresentada no esquema da figura 3.17.3 não é necessária. 13.18 Proteção por Seqüência Negativa T eleproteção 71 Quando o sistema opera fora da normalidade a componente de seqüência negativa está sempre presente. O estudos e as análises envolvendo a seqüência positiva, negativa e zero estão apresentados na referência [5]. A componente de seqüência negativa é dada pela expressão 3.1 8.1. (3.18.1) Desenvolvendo a expressão 3. 18. 1 como indicado a seguir, chega-se na expressão 3.18.2. i a2 =l(Ía +à2ib +àic +ic -ic) ia2 = l(ia -ic + à2ib +àic +() i a2 =l[ia -ic +à2i b + (1 + á)iJ ia2 =~[ia -ic -ibL 60° +icL60o] 3ia2 =Ía -ic +(ic -ib )L 60o (3.18 .2) Deve-se utilizar conexões com TCs e TCs auxiliares, para se conseguir obter fisicamente a expressão 3.18.2, para que o relé eletromecânico (46) seja sensibilizado pela seqüência negativa. Assim, por exemplo, um desses esquemas é o apresentado na figura 3.18.l. Neste esquema para que o relé de sobretensão 59 opere fazendo a função 46, é necessário que seja sensibilizado pela componente de seqüência negativa. Assim, a impedância Z = R' + j X deve ter módulo igual a R e ângulo de 60°, e tem-se Z = R' + jX = ZL600 = RL600 R' = R 2 x=-J3. R 2 72 Capítulo III A B C I • I • F~~~4C=::~~"""~~I-' (l TdC a uxiliar com . • 1 ais primários la - lo jX R' R '--- ------j 59 }------___ ---.J Função 46 Figura 3.18.1- Esquema para o Relé Eletromecânico de Seqüência Negativa Pelo esquema da figura 3.18.1, o relé 46 vê Re lé46 = R(í. - íJ + (ic - íb )RL60° Re lé 46 = Rl(ía - ic)+ (ic - i b )L60 0 J Considerando a expressão 3. 18 .2, tem-se: III Re lé46~3Ri'2 III (3.18.3) Portanto, de acordo com a expressão 3.1 8.3 o relé 46 é sensibilizado pela componente de seqüência negativa. Teleproteção 73 Nos relés eletromecánicos, a fLillção 46 não é utilizada dev ido a necessidade de se construir um relé próprio para es ta função. inclusive com filtros adequados para se obter somente a componente de seqüência negativa do sistema eléhico sob defeito. Para os atuais relés digitais multifunção, a incorporação da fLmção 46, isto é, da seqüência negativa é facilitada e disponibilizada. O algoritmo interno do relé digital processa o módulo da expressão 3.1 8.1 , obtendo-se a expressão 3.18.4. (3.18.4) O valor da Irelé 46 é somente seqüência negativa e se for maior que o valor ajustado, o relé 46 digital atua. Esta proteçâo é própria para defeito do tipo alta impedância, inclusive para auxiliar ou funcionar como redundância para defeito à terra de alta impedância. De todos os danos que a presença da seqüência negativa provoca no sistema eléhico, por exemplo, os mais críticos são os nos equipamentos que utilizam núcleo de material ferromagnético no seu interior, tais como motores de indução e máquinas síncronas. A corrente de seqüência negativa cria um fluxo magnético que gira ao contrário do fluxo magnético original de seqüência positiva, atuando como freio magnético, provocando corrente induzida na freqüência de 120 Hz, aquecendo os enrolamentos e o material do núcleo magnético do equipamento. Assim, a corrente de seqüência negativa na armadura da máquina síncrona irá dar origem a um campo girante, com a mesma velocidade, porém contrário ao campo criado pelo rotor, induzindo correntes parasitas de freqüência dupla na massa metálica do rotor. Da mesma forma, uma componente de seqüência zero na armadura irá induzir uma corrente na freqüência fundamental no rotor. Posto que estas correntes vão circular pelos anéis de retenção em ambas as extremidades, estabelecendo um caminho de baixa resistência, toda a superficie do rotor e seus componentes estarão sujeitos a uma forte elevação de temperatura. As correntes de seqüência negativa produzirão vibrações no rotor que é pernicioso aos manCais. O enrolamento do rotor da máquina síncrona é extremamente sensível às componentes de seqüência negativa e zero, oriundas da operação desequilibrada ou de defeitos à terra. ( ( ( ( I L 74 Capítulo III 13.19 Falha de Disjuntor Sempre se apresentou que a atuação do esquema de proteção finaliza com a abertura do disjuntor, deste modo, diz-se que a proteção atuou com sucesso. Porém, muitas vezes toda a proteção atua adequadamente, mas por algwn motivo a corrente de curto-circuito não é extinta, diz-se então que houve falha do disjuntor (Breaker Failure). A falha do disjtilltor pode ocorrer de dois modos: a) Falha mecânica: ocorre quando os cantatas mecânicos do disjuntor não foram abertos e a corrente de curto-circuito continua alimentando o defeito. Vários motivos causam falbas mecânicas, tais como: ® Soldaduras dos contatos; ® Defeito no dispositivo de liberação dos mecanismos de abertura dos cantatas móveis do disjuntor; ® Falba na pressão do ar comprimido em disjuntores pneumáticos, ou perda de óleo nos disjuntares hidráulicos ou problema na mola do disjuntor; ® Problema na bobina de abertura do disjuntor. b) Falha elétrica: As falhas de origem elétricas podem ser: ® Falba na bobiria de abertura do disjuntor; ® Falha no meio fisico, isto é, na rigidez dielétrica entre os cantatas principais do disjuntor. Embora os cantatas mecânicos do disjuntor estejam abertos, há condução da corrente do curto- circuito pelo arco elétrico entre os cantatas. Isto ocorre devido a um defeito na câmara de extinção do arco elétrico. Portanto, deve-se prever no esquema de proteção, uma proteção adicional para falha do disjuntor, que deverá acionar a abertura de todos os disjuntores mais próximos de modo a isolar o trecho sob curto-circuito do sistema elétrico. Os disjuntores mais próximos são geralmente os da barra na qual houve a falba do disjuntor. Por exemplo, a figura 3.19.1, mostra mn diagrama unifilar de um sistema elétrico que pertence a um sistema em anel. Teleproteção 75 3 Barra B 6 F 50/62BF Figura 3.19 .1 - Falha do Disjuntor Na figura 3.19.1 a proteção para a falha do disjuntor é denominada de 50/62BF (ver apêndice A), que é executada pelo relé de sobrecorrente 50 associado com o relé de tempo 62. Na ocorrência de um curto-circuito em F, com a atuação normal da proteção os dois disjuntares I e 2 deverão ser abertos de modo a retirar de operação a linha de transmissão. Se o disjuntor 2 atuar e o disjuntor 1 falhar, a proteção contra falha de disjuntor deve atuar e enviar um sinal de abertura (trip) para os disjuntares 3, 4 e 5, ou seja, a barra A deverá ser desconectada do sistema elétrico. Isto ocorrendo, perde-se a seletividade da proteção e vários elementos serão desligados, inclusive bloqueando-se os respectivos religamentos. Se, entretanto, o disjuntor I abrir e ocorrer a falba do disjtilltor 2, a proteção de falha do disjuntor 2 deverá desligar os disjuntores 6 e 7, ou seja, a barra B será desconectada. Apresenta-se na figura 3.19.2 um esquema simplificado da proteção de falha do disjuntor. + 62BF Figura 3.19.2 - Proteção de Falha do Disj untar para Linha de Transmissão 80 Capítulo III Rcontato l ;: J aparece devido ao infeed, isto é, da alimentação do curto- circuito pela barra remota B, isto provoca um subalcance no relé, diminuindo a real zona de atuação do mesmo. Portanto, devido à resistência de cantata e do infeed, não se tem celteza da real zona de atuação do relé. Resumindo pode-se concluir que a zona de atuação do relé é influenciada pelos seguintes erros devido a: ® Infeed de corrente das barras remotas adjacentes do sistema elétrico; ® Erros dos TCs; ® Erros dos TPs; ® Erros intrínsecos do próprio relé; ® Erros devido às correntes e às tensões transitórias no momento do defeito; ® Presença da componente DC no momento do curto-circuito; ® No caso de DCPs, erros devido aos efeitos transitólios gerados por esses equipamentos. O problema de subalcance, produzido pelo infeed, ocorre também na zona de retaguarda dos relés de distância no sistema em anel, como mostra a figura 3.20.3. A B ...... _D I--x Curto- circuito Figura 3.20.3 - Alimentação Intermediária c Teleproteção Neste caso a impedância vista pelo relé A é: . VA ZABil +xZBdíl +i1) Zrelé A = -. - = ----'-~~--;-.~=--'---~--=-'-- II 11 O relé D vê . . . . í? Zrelé A = ZAB +xZBC + X ZBe--:-=-- I I 81 Desse modo as 2a e 3a zonas dos relés de distâncias, terão seus alcances prejudicados pela alimentação dos curtos-circuitos pelas fontes intermediárias (infeecl). Exemplo: Dado o diagrama unifllar da figura 3.20.4 cujo defeito ocorre no ponto F sem resistência de cantata. A B . o ZBc= 9L70 n i, = 2000 A F [2 = 3000A _ ..... _ D Figura 3.20.4 - Diagrama Unifilar do Exemplo Os relés das Barras A e D têm os ajustes de 2a zona em: c i J =3000A • Z - 12 5 n (aiuste ate' 500 /0 da linha de transmissão 2 zona A - ,lo.!. ~ / ( remota L T BC) ( ( ( ( ( ( l l . ;. 82 Capítulo m • Z1 zona O = 14,5Q (ajuste até 50% da linha de transmissão remota LTBc) Para o cUlto-circuito em F, os relés 21 das barras A e D, verão na 2a zona as seguintes impedâncias: .... (3000) Z yíSla A = 8+ 3+.:l - - = 8 + 3 + 4,5 =IS,5 Q 2000 ( 2000) Z vista D = 10 + 3 + 3 -- = 10 + 3 + 2 = 15 Q 3000 Assim, as impedâncias vistas são maiores que os aj ustes da 2" zona nos relés 21, ou seja, o defeito que ocorreu dentro do alcance da linha de transmissão BC, não foi vista, este fato foi devido às alimentações intermediárias provenientes das barras A e D. As contribuições das fontes intermediárias vão depender da configuração do sistema elétrico e do local do defeito. Esse efeito só oCOlTerá se a proteção da I a zona da linha adjacente falhar, assim as proteções das 2" e 33 zonas dos relés remotos serão afetadas pelas alimentações (fontes) intermediárias (infeeds). 13.21 Relé de Freqüência . Relé de freqüência (81) é um equipamento com sensibilidade na grandeza freqüência da rede elétrica, e que opera quando a freqüência ultrapassar o valor ajustado. O relé de freqüência pode ser de 2 tipos: ~ Relé de subfreqüência, denominado de 81u (under frequen- cy); ,p Relé de sobrefreqüência, denominado de 810 (over frequen- cy). O relé de freqüência é conectado ao sistema eléuico via TP, como mostra a figura 3.21.1. Teleproteção 83 de: T TP ~ Figura 3.21.1 - Relé de Freqüência Quanto ao princípio de funcionamento o relé de freqüência pode ser • freqüência absoluta. O relé opera quando a freqüência do sistema elétlico fica aquém (relé de subfreqüência) ou além (relé de sobrefreqüência) de um valor ajustado; • taxa de variação da freqüência. O relé opera quando a taxa de variação da freqüência medida no relé u1trapassar um valor pré-ajustado. Na realidade o relé só fica habilitado para medir a variação da freqüência, quando a freqüência absoluta ultrapassar um valor determinado (ajustado). No relé digital a ar variação da freqüência é obtida utilizando-se a lóCTica b" õt ' medida após a freqüência ultrapassar um valor ajustado. • Híbrido, quando o relé atua utilizando os 2 parâmetros anteriores . A característica do relé de freqüência, que utiliza a taxa de variação da freqüência para sua operação, é mostrada na figura 3.21.2 . T Figura 3.21.2 - Característica de Atuação do Relé de Freqüência por Taxa de Variação da Freqüência 84 Capítulo III Em que : f i -+ freqüência ajustada no relé de freqüência, que se for ultrapassada passa-se a medir a taxa da variação da freqüência; T -+ tempo ajustado no relé de tempo; M f , -fi . d d . - d ~ .. ~ . a ajustado = - = ---- -+ ajuste a taxa e vanaçao a trequencla; L'l.t T f2 -+ freqüência ajustada no relé de freqüência, correspondente ao ((.ajustado no tempo T a partir de f2. O diagrama esquemático em DC da figura 3.2l.3, mostra a lógica de atuação do relé de freqüência por taxa de va.J.iação da freqüência. Rele de Tempo fz I T Figura 3 .21.3 - Esquemático em DC A seguir descreve a atuação da proteção, considerando-se: a) defeito com ((.sis tem" > (Xajustado Considerando-se as figuras 3 .2l.l, 3.21.2 e 3 .2l.3, e nesse caso, como a freqüência no sistema eléhico cresce com uma taxa maior que o valor ajustado no relé de freqüência, a seqüência de atuação da proteção é: 'i> Quando a freqüência alcançar o valor f i o relé de freqüência fecha o seu o contado fi; 'i> Ativa-se o relé de tempo; 'i> Quando a freqüência alcançar o valor f2 o relé de freqüência fecha o seu o contado f2 . Note-se que o contato f2 fecha antes da atuação do relé de tempo; 'i> Ativa-se o relé de bloqueio 86, que efeti vará as suas ações programadas. T eleproteção 85 b) defeito COln a SI,tema < a ajustado Nesse caso a freqüência cresce com uma taxa menor que a aj ustada no relé de freqüência e a atuação da proteção é : rlI' Quando a freqüência alcançar o va lor fi o relé de freqüência fecha o seu o contado fi; rlI' Ativa-se o relé de tempo; rlI' Transcorrido o tempo T ajustado no relé de tempo , abre-se o cantata T, que a partir desse instante impossibilita a operação do relé 86 , Note-se que, até esse momento, a freqüência ainda não alcançou a freqüência f2 . Portanto, a partir desse ponto mesmo que a freqüência venha a ultrapassar f2 o relé 86 estará desativado. Mostrou-se, no exemplo anterior, só a operação do relé de freqüência com atuação por taxa de variação da freqüência. Na realidade na proteção do sistema elétrico, utiliza-se mais um ajuste de freqüência absoluta f3 > f2 . Assim, se no item b, a freqüência crescer além do valor f3 o relé 86 será ativado. Geralmente as empresas do setor eléh'ico, utilizam os seguintes valores para os ajustes: f i = 62 Hz e f2 = 62,5 Hz T = 0,5s e f3 = 65 Hz Hz ((.ajus tado = I- s O relé de freqüência é utilizado nos Esquemas Especiais de Proteção (descrito no item seguinte). I 3.22 Sistemas Especiais de Proteção Os Sistemas Especiais de Proteção (SEPs), são sistemas automáticos de controle implantados na geração, transmissão e dishibuição de energia elétrica que, devido a uma ocorrência de uma ação forçada ou não, agem com o objetivo de : ( ( ( ( ( ( ( ( 90 Capítulo III Supor, por exemplo, que uma perda de geração faz o sistema operar na freqüéncia entre f2 e f3. Assim, pelo esquema apresentado na figura 3.23 .2, atua o relé de freqüência no I e n estágios, isto é os contatos fi e f2 serão fechados, ativando-se os relés de tempo T I e T 2. Após transcorrido o tempo ajustado, os relés de tempo fecham os seus contados TI e T2, desligando os disjuntores 1 e 2. Este corte diminui a carga no sistema elétrico, de modo que a geração remanescente possa suprir a carga ativa na freqüência de 60 Hertz ou próxima dela. Muitas empresas adotam os ajustes apresentado na tabela 3.23.1 , na lógica do ERAC, com 5° estágios de rejeição de cargas. ERAC Estágio Freqüência Temporização Corte de carga em % Ajustada da carga total l° 58,5Hz 0,35s 7,5 2° 58,2Hz 0,35s 7,5 3° 57,9Hz 0,35s 10 4° 57,6Hz 0,35s 15 5° 57,3Hz 0,35s 15 Tabela 3.23.1 - Ajustes do ERAC . Além da lógica de ajustes apresentada na tabela 3.23.1, pode-se adicionalmente utilizar a taxa de variação da freqüência. Para maiores detalhes, consultar a referência [47]. Restabelecido o equilíbrio de carga e geração, isto é, a normalidade do sistema elétrico, as recomposições das cargas podem serem feitas, manualmente ou por processo automatizado. Se o sistema elétrico normalizou e voltou a operar em uma freqüência dentro de uma estreita faixa estabelecida em tomo da freqüência nominal, pode-se restabelecer as cargas, por meio de um Esquema Automático de Restauração de Cargas (ERRC) , como, por exemplo, o apresentado no diagrama lmifilar da figura 3.23 .3, cujo esquemático em DC é mostrado na figura 3.23.4. Teleproteção _1 --I 2 TP VJ ~~~::~3 ____________________________ ~ -4 Figura 3.23.3 - ERRC das Cargas 1,2 e 3 +81f 1 T1 1 Relé de Tempo Bobina de Fechamento Figura 3.23.4 - ERRC de Recomposição de Cargas 1,2 e 3 91 Nesse caso, quando a freqüência volta para o valor normal, o relé de freqüência do ERRC opera, fechando o contato 81f, ativando o relé de tempo. O relé de tempo é constihÚdo de, por exemplo, 3° estágios, que fecha sucessivamente os seus contatos de acordo com o ajuste de tempOlização (TI, T2 e T3). Cada estágio promove o fechamento do disjuntor, religando a respectiva carga. Quando ocorre uma perturbação do tipo perda de grande bloco de carga, o excesso de geração provoca aumento da freqüência e elevação da tensão no sistema elétrico, neste caso, há necessidade de uma estratégia de corte de geração, conhecida por Sistema de Alívio de Geração (SAGE). 13.24 Esquema de Controle de Emergência (ECE) O Esquema de Controle de Emergência (ECE) é um Sistema Especial de Proteção (SEP), com uma estratégica de ação de recuperação das condições operativas de um equipamento ou do sistema elétrico, decorrente de uma contingência ou perturbação. O ERAC é um esquema aplicado, essencialmente, com perturbação do tipo perda de geração, j á o ECE é um esquema estratégico aplicado a 92 Capítulo III qualquer tipo de perturbação, podendo ser, inclusive até a provocada por perda de geração. o ECE é geralmente aplicado com as seguintes estratégias: -7 COIte de cargas seqüenciais, com o objetivo de aliviar o sobrecanegamento de um equipamento, que pode ser, por exemplo, uma linha de transmissão ou um transformador. Nesse caso, o monitoramento pode ser feito por um relé de sobreconente (50, 51) ou pelo monitoramento da potência ativa. -7 Corte de cargas seqüenciais ou ligações de capacitores (ou compensadores síncronos), com o objetivo de eliminar ou aliviar o afundamento da tensão na região. Nesse caso, o monitoramento pode ser feito por um relé de subtensão (27). -7 Corte de capacitores, compensadores síncronos capacitivos ou de outras ações, com o objetivo de eliminar ou aliviar a sobretensão na região . Nesse caso, o monitoramento pode ser feito por um relé de sobretensão (59). Note que a sobretensão no sistema, é prejudicial as: cargas, capacitores, pára-raios, transformadores e a isolação em geral. -7 Retirada de transformadores, linhas de transmissão ou outros equipamentos que venham, em deconência de uma contingência ou ação, a operarem a vazio. O monitoramento pelo ECE pode ser feito utilizando os conta tos auxiliares dos disjuntores, seccionadoras ou por meio da programação de CLPs. -7 Mudança na operação do compensador síncrono para gerador síncrono, com o objetivo de eliminar ou aliviar o déficit de geração na região. A ação do ECE pode ser feito pelo relé de freqüência. -7 Outras .... Para exemplificar, apresenta-se um ECE aplicado na configuração do diagrama unifi lar da figura 3.24.1 , programado para efetuar, pelo relé de subtensão (27), o corte de carga 1, 2 e 3, decorrente do afundamento da tensão no local. T eleproteção 93 2 3 4 Figura 3.24.1 -Diagrama Un.ifilar O esquemático em DC, da atuação do relé 27 do ECE está apresentado na figura 2.24.2 . +--2-7:r:~---T-1-:r:~----~----~-- Relé de Tempo Abertura Figura 3.24.2 - Esquemático do ECE por Meio do Relé de Subtensão (27) Em decorrência de urna contingência, a atuação do relé de subtensão (27) ativa um relé de tempo, que de acordo com os seus ajustes de tempo e fechamentos de seus contatos, vai sucessivamente desligando os disjuntores correspondentes. ( ( 94 ~:.:~;':---'.-'- . .' - . --'. ,. . . . .- --, . '.' '~' i ~ :: .-..;.. ,_. i.. ~ .4"'. , ' • . ' -.: < - I ~~~~_~ ______ ~ ___ - ___ ,_-'--_' _ ,_ - _-__ ~_-____ , ___ • _ -I PROTEÇÃO DE TRANSFORMADOR 4.1 Introdução _ Em geral os transformadores têm baixos índices de falhas, porém, quando estas ocorrem, inevitavelmente levam a desligamentos, forçados ou não, implicando em substituições, parabsações, manobras, riscos e manutenções corretivas demoradas. Para este equipamento tão importante que possibilita acoplar sistemas elétricos com tensões diferentes, empregam-se proteções específicas, também conhecidas como proteções intrínsecas do transformador. A proteção é mais complexa quando o transformador de potência for de maior porte. As proteções utilizadas no transformador de potência podem ser do tipo: Proteção de Transformador 95 • Proteção diferencial (87) • Proteçào de terra restringida • Proteção de gás (63) (por exemplo, o relé Buchholz ) • Válvula de alívio de pressào (20) • Proteção térmica (26 , 49) • Proteção de baixo nível de óleo (71) • Proteção de sobrecorrente (50, 51 ) • Proteção de sobreexcitação (24) • Outras .. . _ 4.2 Transformador Monofásico A figura 4.2.1 mostra um transformador monofásico alimentando uma carga. • • + Núcleo Figura 4.2.1 - Transformador Monofásico As marcas de polaridade identificam como as bobinas primárias e secundárias estão acoptadas magneticamente. Pode-se também, adotar outras convenções, para a marca de polaridade, como por exemplo, as letras: H" para a bobina primária, onde H, representa o início da bobina na mesma posição da marca da polaridade e H2 é o seu final. - '. 100 Capítulo IV Nesse caso, a corrente nominal do primário do TC 1 é um dado infonnado na fi gura 4.3.2 , isto é, 1prímáríoJoTCI = 100 A . Assim R TC, = 1prímãrío do TC = 1000 - 5 5 d) A corrente no secundário do TC,. II 60" 151 = Isec undãrío do TCI = RTC = 100 =.J A I 5 e) A corrente no secundário do TC2• I , 600 Is2 = Isec undáriodoTC2 = RTC 2 = 1000 =3 A 5 f) A corrente que passa na bobina de operação do relé 87. I operação do relé 87 = ISI - 152 = O Como a Ioperaçãodorelé 87 = O o relé não opera. g) O que acontece com um relé 87 que tem ajuste de 2A e declividade de iS%, na ocorrência de um defeito interno de 200A no transformador operando a vazio. Neste caso, os cálculos são os apresentados a seguir II =200A e 200 I SI = 100 = lOA 5 e Ioperaçõo = ISI - 152 = 10 - 0= 10 A 10+0 lrestrição = -- = 5 A 2 Proteção de Transformador 'r a = 25% = ~ = O 25 100 ' a = arctg a = arctg 0,25 = 14,03° II + I, 1 1 -I , =a· - --- - 2 II -12 adefeito = I + I I 2 = 10-0 =.!..Q.=2=200% 10+0 5 2 2 a defeito = arctg 2 = 63,4 o Sendo que: { Ioperação > I ajuste do relé 1 adefeito > 25% ~ Udefeito > 14,03° o relé atua 101 A figura 4.3 .3 mostra graficamente as correntes e suas inclinações (slope). loperação 200% 10A +-- ---; 2A ......... -...- ' I:---f---...!...---'------..- lrestrição 5A Figura 4.3.3 - Correntes e suas Inclinações A figura 4.3.4 apresenta a situação final do item g. ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( 102 Capítulo ]V i i = 200 A ----+: ------'I-----4-'!~~, .......... L. . +.; ---+---_+ ___ _ · · + · · · iSI = 10 A · · i , ...... .... ................... . : . : t L --------------... -------- -----------e Figura 4.3.4 - Defeito Interno no Transformador Monofásico A figura 4.3.5 apresenta o esquema simplificado em DC da atuação da proteção. + 87 1 1,,1 ,, 1 86 69 52 Figura 4 .3.5 - Esquemático em DC da Proteção Diferencial Em que: VM ..... lâmpada vermelha, indicando disjuntor fechado VD ..... lâmpada verde indicando disjuntor aberto Para outras notações numéricas ver apêndice A. Proteção de Transformador 103 É impOltante observar que na proteção de l inhas de transmissão com relés 50, 51 , 21 , 67, 32. util izam-se TCs com fator de sobrecorrente de 20, com classe de exatidão de 10%. Já os TCs para a proteçào diferencial, os erros dos mesmos influenciam no ajuste do relé. Assim, os TCs mais adequados deveriam ser o de classe de exatidão de 2,5%. Ou seja, os TCs da proteção diferencial deveriam ter classe de exatidão melhor do que os TCs das outras proteções. Mesmo assim, os TCs de classe de exatidão de 10% são utilizados na proteção diferencial, nesse caso, se a corrente elétrica do defeito for pequena, o erro dos TCs será pequeno, mas para um curto- circuito de grande intensidade o erro poderá ficar em 10% para cada TC. Assim, um TC pode ter erro de + 1 0% e o outro de - 1 0%, o que acarreta para o relé 87, uma corrente diferencial com erro de até 20%. 4.4 Transformador Trifásico O transfomlador trifásico opera como se fosse 3 transformadores monofásicos, podendo ser constituído por: • Banco de transformadores monofásicos; • Transformador trifás ico, montado sobre um mesmo núcleo magnético, que pode ser: • Núcleo envolvido; • Núcleo envolvente. A forma de ligação do transformador trifásico, em cada lado do emolamento, pode ser: • Em estrela (Y); • Em delta (.6.); • Em zig-zag. Destas ligações resultam as maiS diversas combinações que dependem do sistema elétrico adotado . Em relação ao número de emolamentos podem ser de: , I 104 Capítulo IV • Dois enrolamentos, chamados de primário e secundário ou de alta e baixa tensão. • Três enrolamentos, chamados de primário. secundário e terciário, ou de alta, média e baixa tensão. • Ou de mais emolamentos. 4.5 Proteção Diferencial do Transformador Trifásico ~ - y A proteção diferencial 87 no transformador trifásico efetua-se fase a fase do mesmo modo como está apresentado no item 4.3. Pode-se adotar qualquer ligação D,. ou Y nos secundários dos TCs da proteção diferencial. Entretanto, o mais utilizado é a ligação em Y quando os transformadores de potência nâo produzem rotação angular nas suas correntes de entrada e saída. Cuidado em especial deve-se ter no transformador trifás ico conectado em D,. - Y, porque às correntes de linha no lado D,. estão adiantadas ou atrasadas de 30°, 60°, 120°, 150° e 1800 em relação as correntes de linhas no lado Y. As correntes estão adiantadas ou atrasadas dependendo da forma de ligação dos enrolamentos do lado D,. do h'ansformador de potência. O deslocamento angular produz dois problemas: • Diferenças nas correntes no relé diferencial 87, que dependendo do seu ajuste pode operar para as condições de carga do transformador. • Defasamento nas correntes das bobinas de restrição do relé 87, prejudicando a sua característica de desempenho. Na operação nOffilal do sistema elétrico, as correntes nas bobinas de restrição do relé diferencial devem estar em fase, com mesmo módulo e ângulo, desse modo os TCs devem compensar a: • Relação de h'ansformação do h'ansformador. • Rotação angular provocada pelo transformador D,. - Y. Proteção de Transformador lOS Nos enrolamentos do Jado primário ou secundário dos transfor- madores de potência ou dos TCs, ligados em .6., as correntes na linha estão defasadas de ± 30° e tem módulo 13 vezes maior que as correntes na fase do D,.. A figura 4.5.1, ilustra esse caso. . r;; o' I ll Linha =;J3·L±30 I~Fase Figura 4.5.1 - Correntes de Linha e de Fase no Enrolamento em D,. No caso da figura 4.5.1, sempre na operação balanceada as correntes de linha e de fase são dada pela expressão 4.5.1. ( 4.5. 1) As ligações dos TCs devem seguir a mesma regra do item 4.3, o importante é que as correntes que fluem pelas bobinas de restrições do relé 87 sejam as mesmas. A regra fundamental para o funcionamento do relé 87 é que na condição normal de operação ou de curtos-circuitos trifásicos, fora da zona de proteção, seja atendida a expressão 4.5 .2. I ÍBobinadeRestrição l = ÍBobinade Restrição 2 \ ( 4.5 .2) Se a condição da expressão 4.5 .2, não for satisfeita o sistema de proteção diferencial tem erro, isto é, existe corrente passando na bobina de operação do relé 87, que deve ser compensada pelo ajuste da sensibilidade do relé. ( ( ( ( ( l 110 Capítulo IV Os TCs deverão ser dimensionados e conectados de modo que suas ligações no secundário compensem as relações de transformações diferentes e os deslocamentos angulares, de modo que nas bobinas de restrições do relé 87 cheguem correntes elétricas em fase. Para atender estas condições, segue-se a regra: a) Os secundários dos TCs deverão estar conectados em Y no lado 6. do transformador de potência. b) Os secundários dos TCs deverão estar conectados em 6. no lado Y do transformador de potência. Os secundários dos TCs em 6. deverão estar conectados do mesmo modo que o 6. do transformador de potência, isto é, as ligações nas marcas de polaridade serão as mesmas. Na figura 4.8 .1, apresenta-se o diagrama unifilar da proteção diferencial do transformador de potência 6. - Y. y /'; ~: :----rl-. ~. II ~J---::. ~: =--- • • • • L-----0----- J + ~------------~ 87 ~------------~ Figura ' 4.8.1 - Diagrama Unifilar da Proteção Diferencial do Transformador 6.-Y Assim continuando os passos do item 4.6, tem-se o 5° Passo. 5° Passo: Fazer a conexão do transformador de potência, sendo um lado em 6. e o outro em Y. Ver figura 4.8.2. A figura 4 .8.2 foi construída a partir da figura 4.6.4 seguindo a regra deste item, os TCs do lado 6. do transformador deverão ser conectados em Y, exatamente como está apresentado na figura 4 .8.3. Proteção de Transformador Transformador _r===i0::fT..:.C-\:·S =----r~..;:.O--"Dm~y -:; - - -: - -I D lO I _________ J 87 87 87 Figura 4.8.2 - TransfoTI11aclor 6. - Y Transfonnador 87 87 o a a Figura 4.8.3 - Ligações dos TCs no Transformador 6. - Y 111 11 2 Capítulo IV Na figura 4.8.3 apresentam-se também as conexões dos secundários dos TCs no lado Y do transfonnador, que deverão estar conectados em L. seguindo a mesma seqüência das suas marcas de polaridade. Assim, as bobinas secundárias dos TCs devem ser uma réplica dos enrolamentos do lado L. do transformador. Observa-se que em todos os esquemas das fi guras 4.7.1 e 4.8.2, as bobinas de operação dos relés 87 estão conectadas em Y. Outra maneira de efetuar as conexões dos TCs no transformador L. - Y é seguir os sentidos das conentes de acordo com suas marcas de polaridade, tendo como objetivo de atender a expressão 4.5.2, ou seja, as conentes nas bobinas de restrições devem ser iguais em fase e em módulo. O procedimento apresentado a seguir é geral, aplicado a qualquer tipo de conexão do transformador L. - Y. No procedimento apresentado na figura 4.8.4, leva-se em conta somente as ligações dos TCs e os sentidos das conentes, sem levar em consideração a relação de transformação do h·ansfonnador. As conentes no primário e secundário de qualquer transformador de potência ou nos TCs estão sempre de acordo com as apresentadas nas figuras 4 .2.1, 4.2.2 e 4.3 .1, isto é, quando em um emolamento a conente elétrica entra na marca de polaridade no outro enrolamento a conente saí pela marca de polaridade; de acordo com a figura 4.8.4. Transformador r-------"7"- o o la I ----~·~------~I ~ ~---.-.·~I----------- ____ I_b~.----------~I-c~~ ~~c __ l b~.~I----------__ I i I ____ I_c~.~--------_rl-*-~ ~~* __ c-'.~I------------_ I _________ J Figura 4.8.4 - Sentido das Conentes no Primário e Secundário no Transformador Os enrolamentos do transformador de potência podem ser conectados de qualquer modo, como o exemplificado na figura 4.8.5, que Proteção de Transformador 113 mostra a mesma ligação feita na figura 4.8.2, com os seus respectivos sentidos das conentes de cada lado. Transformador r--------- ----..;.:-+:------'j:.-:-::r :;. I I _________ J is=ib-Ic ic = ic - ia Figura 4.8.5 - Conexão do transformador L. - Y No lado L., aplicando-se a 1 a Lei de Kirchhoff, tem-se as conentes: ia = i A + ib ib=ÍS+Íc ( = Íe + ia iA=Ía- ib is= ib-( ic =Íc- ia Os TCs na figura 4.8.5 podem ser colocados de qualquer modo, apenas os conjuntos de cada lado devem ser iguais e coerentes, por exemplo, os TCs foram colocados no mesmo sentido do da figura 4.6.3, na qual se repete aqui na figura 4.8.6, indicando os respectivos sentidos das conentes. Note que as correntes nos secundários dos TCs nos lado de alta e de baixa do transformador não são iguais, pode-se adequar as corTentes de 2 modos: a) Ligando os TCs em L. no lado Y do transformador. b) Utilizando outro conjunto de TCs auxiliares intermediários em qualquer lado no sentido de adequar as conentes nas bobinas de restrições dos relés 87. Primeiramente, em atenção a regra, deve-se conectar os secundários dos TCs em Y no lado L. do transfonnador e conectar sua saídas nas respectivas bobinas de reshições dos relés 87, conforme ilustra a figura 4.8.7. ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( 114 Capítulo IV Transfonnador r--------- ""-:::::;;I===::f-!--t:::---+o::....-"1!'GIlf\.""':'Y!; ° ia I la TCs o Ib ia o a Ic ia - ib TCs o ib -( o ie ib a • ie -Ía a • • l c I _________ J Figura 4.8.6 - TCs Colocados nas Linhas do Transfonnador 6. - Y Transformador r--------- o~ y!; aia 1 -+--=~~f-!-l::::--__jlr=--.ra' U~UVU"';' • uvw I I t:J I r IJ ib. I ~_=~~~~~I~~' w~~~ 'uuw ...,~~=~...:..t:=_-_t..:.-~~!J'-...J I r-"""""---.-:i",. ... I I 'uOOO '-- 'WW I I _________ J 87 ...... 87 87 ia -ib --'- ib - ie ie - ia -~ TCs rv"I o o y Figura 4.8.7 - TCs em Y no Lado 6. do Transformador de Potência Proteção de Transformador 115 As correntes nas bobinas de restlições dos relés 87 devem ser iguais, deste modo a figura 4.8.7 mostra estas correntes. Deve-se conectar os secundários dos TCs do lado Y do transfonnador de potência de modo a se obter as mesmas correntes nas bobinas de restrições. Fazendo deste modo, obtém-se o diagrama da flgura 4.8.8 . Transformador r --------- y t:, i I i a TC's I TCs ..:... o .-r. O ~ O ' o. f"V"'Io · a...- I '0000- : o ib a rv'"'I-1 I D I L 0000 D ib,. ib - ie fV\ a ie a ...... I uwv ie - ia t-' .........-- ib~ • f"Y"I • I~ * ie I (V', • ~ · '-' 'OO1IV- I . \ I _________ J y t:, I, -é- ie - ia 87 ie - ia ib - ie 87 ib - ie -- ia -ib 87 ia - ib Figura 4.8.8 - Conexões dos TCs no Lado Y do Transformador de Potência Como apresentado neste item e no item 4.4, os transformadores trifásicos podem ser conectados de modo que suas bobinas primária e secundária tenham diversas combinações que produzam deslocamentos angulares nas correntes de linha no lado primário e secundário. Nos relés diferenciais convencionais as ligações dos TCs devem compensar a rotação angular produzida, podendo-se até utilizar TCs auxiliares para compensar as discrepâncias de relação de transformação e compensação adicional de rotação angular. Já no caso de relé digital multifunção, a única conexão dos TCs é utilizada para suprir as diversas função do relé, e neste caso não há necessidade de se fazer as ligações fisicas da mesma conexão do i' 120 Capítulo IV Ddl0 DzI0 fin' [[ID' -600 • D • m ~ ~ . --' r- ~ ! ~ · Il • Dyll Ydl1 Yz11 fin' W' W' -300 ~. ! Il • m ~ m, -' r-~ ~ ~ • D • Tabela 4.8.1 - Conexões e Deslocamento Angular das Correntes de Linha no lado Primálio em Relação às Correntes de Linha no lado Secundário de Transformadores Trifásicos. Os desenhos da tabela 4.8.1 estão associados ao modelo da figma 4.8 .9. Na tabela 4.8.1, as duas letras associadas a um número, têm a seguinte convenção: ../ Primeira letra, maiúscula, representa o primálio do transfollllador, que pode ser: • D'" primário em Delta (Ll) Proteção de Transformador 121 • Y -+ primáIio em es trela (Y) • Z -+ primário em zig-zag ../ Segunda letra minúscula, representa o secundário do transfomlador. que pode ser: 7- d -+ secundário em !1 "7 y -+ secundário em Y 7- z secundário em zig-zag ../ Número, variando de zero até 11 , que representa o deslocamento angular das correntes de linha no lado primário em relação às do lado secundário, cujo valor é dado pela expressão: 30° · Número Por exemplo, um transfollnador trifásico tem uma conexão de suas bobinas primárias e secundárias com a denominação de Dy5. Isto significa que o primálio do transformador está ligado em !1 e o secundário em Y, e as correntes de linha no lado !1 estão adiantadas de 300 x 5 = 1500 em relação às correntes de linha no lado Y. 4.9 Ajuste do Relé Diferencial Percentual na Proteção do Transformador No esquema de proteção diferencial do transformador de potência as correntes secundárias dos TCs devem alimentar o relé 87 de modo que as correntes nas bobinas de restrições sejam iguais. Na realidade, as correntes que chegam ao relé 87, estão associadas a erros causados por: a) Discrepância no casamento dos TCs do lado de alta e baixa do transformador. Como os TCs estão vinculados aos que são disponibilizados pelos fabricantes, deve-se escolher aqueles que mais se ajustam de acordo com as relações de transformação dos transformadores de potência. ( ( ( ( 122 I Capítulo N b) Erro dos TCs dado pela sua classe de exatidão de 2,5%, 5% ou 10% principalmente no momento de correntes de curto-circuito elevadas de acordo com o seu fatar de sobrecorrente (FS = 20). Este erro é devido à saturação do núcleo magnético do TC. Como o erro do TC é de ± 2,5%, ± 5,0% ou ± 10,0% , se os dois TCs da mesma linha da proteçào diferencial operarem na pior condição, isto é, um TC está com erro de + 2,5%, + 5,0% ou + 10,0% e o outro com erro de - 2,5%, - 5,0% ou - 10,0%, tem-se no relé 87 um erro total de 5%,10% ou 20%. c) Erros associados com a comutação dos taps dos transformadores de potência, efetuados sem carga ou com carga, de modo manual ou, com controle pela supervisão local ou remota ou, regulação automática pelo relé 90. Para o relé 87, o ajuste deve ser feito na condição de operação normal do transformador de potência, ou seja, com o tap do comutador na posição central. Qualquer mudança de tap produz erro nas correntes diferenciais injetadas no relé 87. O máximo erro será quando o comutador está com o seu tap na posição limite de máximo ou mínimo. Geralmente, os taps da comutação têm variações de ± 10,0% em relação à tensão nominal do transformador de potência. Assim, o ajuste da sensibilidade ou da declividade do relé 87 deve ser além do erro introduzido pela comutação no seu maior limite. d) ' Discrepância dos taps nas bobinas de restrições do relé 87. Este erro, devido às diferenças nas correntes que chegam às bobinas de restrições, pode ser minimizado de dois modos: d.1) Uso de TC auxiliar intermediário. Este TC ajusta a corrente antes de entrar na bobina de restrição do relé 87. d.2) Uso de taps no próprio relé 87. No caso do item d.2, deve-se escolher os taps nas bobinas de restrições os mais próximos das condições de operações do transfonnador de potência. Os taps disponíveis são detenninados Proteção de Transformador 123 pelo fabricante. A figura 4.9.1 mostra os laps na bobina de restrição do relé 87. -----.,....-' ~ Tap's Tap's Figura 4 .9.1 - Taps do Relé 87 Os taps são no minados em Amperes que produzem a mesma força magnetomotriz e o mesmo fluxo magnético de restrição. Par exemplo, um relé tem os taps disponíveis nas bobinas de restrição de: 2,9 - 3,2 - 3,5 - 3,8 - 4,2 - 4,6 - 5,0 - 8,7 A, escolhendo-se os taps de 5 A e 3,5 A, tem-se o torque de restrição nonimal do relé 87 e se as correntes forem opostas o torque de restrição será nulo. Essa situação está apresentada na figura 4.9.2. SA 3,5A Tap=5A Tap=3,5A Figura 4.9.2 - Taps na Bobina de Restrição do Relé 87 Se as correntes que fluem pelo sistema elétrico forem maiores que os laps, por exemplo, como mostradas na figura 4.9.3. O múltiplo do tap na bobina de restrição é dado pela expressão 4.9.l. I Bobina de restrição M Re strição = --=-~T-a-p~-'--- ( 4.9.1) 124 Capítulo IV 5,5A 4A M=l,l Tap=5A Tap=3,5A M= 1,143 Figura 4.9.3 - Conentes maiores que os tc/ps Assim, para o caso apresentado na figura 4.9.3, tem-se os seguintes múltiplos para as bobinas de restrições: MRe striçãO! = 5~5 == 1,10 4 MRestrição2 = 35 == ],143 , o múltiplo médio será: M .. =1,10+1,143=11715 Med ia 2 ' - Isso significa que a restrição é 12,15% maior que a sua restrição nominal. . e) Margem de segurança. Feitas as considerações (cálculos) dos erros, deve-se, ainda, deixar uma margem de segurança para garantir a seletividade da atuação do relé diferencial dentro da sua zona de proteção. A margem de segurança é geralmente de 5%. Assim o ena total (mismatch) é dado pela expressão 4.9.2. Cerro total = lOTes + cClasse exatidão + C Comutação + cTaps do relé 87 + cSegura[]ça ( 4.9.2) Em que: Proteção de Transformador 125 CTCs" Erro devido à discrepância das relações de transfOImação dos dois TCs adjacentes da mesma fase do lado de alta e de baix.a do tTansformador. ê OlSse ex •• idào .. Erro devido à classe de exatidão dos Tes. êComu •• ção" Erro introduzido pela comutação máxima do transfolmador. cT .. Eno devido à discrepância dos taps no relé. aps ê .. Erro introduzido como margem de seguranca. Segurança .) No final verifica-se na operação nonlinal do transfolmador de potência, com o objetivo de preservar as condições ténnicas das bobinas de restrições e operações do relé 87, as seguintes condições: • A conente na bobina de operação do relé 87 não deve ultrapassar de 5 A. • A COITente na bobina de restrição do relé 87 não deve ultrapassar de 10 ou 12 A, dependendo do fabricante. Exemplo 4.9.1: Apresenta-se o diagrama unifilar da figura 4.9.4. 10MVA 66kV 22kV t ~y 1~_ ..... ~ ............ _ Figura 4.9.4 - Diagrama Unifi1ar Dados: ( r ( ( 130 Capítulo IV MI = I Restrição I = 3,645 = 1139 Tap 1 3,2 ' M, = IReslTição2 = 5,68 = 1136 - Tap 2 5,0 ' Portanto, M I> M2 M]-M2 ETaps do re lé = x 100 M2 1,139 - 1,136 ETaps do relé = x I 00 = 0,26% 1,136 iA) Erro total das correntes diferenciais no relé 87. E erro total = E Classe exatidão + E Comutação + E Taps do relé 87 + E Segurança é erro lO1a1 = 5% + 10% + 0,26% + 5% é erro lolal = 20,26% j) Ajuste do relé 87. O ajuste da sensibilidade percentual do relé 87 deve ser maior que o erro total das correntes diferenciais, isto é: Sensibilidade > 20,26% Escolher o ajuste de sensibilidade disponível pelo fabricante do relé. Geralmente os ajustes de sensibilidade são de: 25%, 30% e 45%. Portanto o ajuste de p = 25% no relé 87 está adequado, caso o relé venha a atuar indevidamente pode-se passar o ajuste para 30%. Se o relé for digital, o ajuste de "p", dependendo do fabricante, pode, por exemplo, ser escolhido em uma faixa de 15 a 80% em degraus de 0,1%. Proteção de Transformador l3 l k) Relé sem Taps disponíveis. Se o relé 87 não tem Taps disponíveis, deve-se aj ustar as correntes nas bobinas de restrição pelo uso de TCs auxiliares intermediários. Pode-se posicionar os TCs auxiliares em qualquer lado. Geralmente os TCs auxiliares são autotransformadores de corrente. Neste item, por exemplo, emprega-se TCs auxiliares do tipo autotransforrnador ligados em Y, como mostra a figura 4.9.7. . . : TCs auxiliares 1 ....... ___ _ Transformador IJ. y N ~~.-,--~~~---+~~~+- 86A .8GA .86A Figura 4.9.7 - TCs Auxiliares do Tipo Autotransformadores Deve-se ajustar os TCs auxiliares para adaptar as correntes exatas nas bobinas de restrições dos relés 87. Geralmente os TCs tipo autotransforrnadores tem 100 espiras, como mostra a figura 4.9.8. Y;6A Figura 4.9.8 - TC Auxiliar Tipo Autotransformador ,- 132 Capítulo IV Assim, no TC tipo autotransfonnador, tem-se: 5,68 100 3,645 n n =64,17% . Desse modo, deve-se posicionar o cursor no secundário do TC tipo aut~tlansformador. em 64,17% do total de espiras, deste modo o erro do relé 87 e zero. Na realIdade o secundário do auto transformador é constituído de tuna, série de tafs, portanto e~colhe-se o tap disponível maIS próximo passIveI de 64,17 Yo, a pequena diferença será o erro no relé. 4.10 Energização de Transformador Na energização ou magnetização de um transformador de potência (figura 4.10.1) a corrente transitória de magnetização máxima pode atingir valores de 8 a 12 vezes a corrente nominal. TransfOlmador F~i iinru~h ~IIH t=O Figura 4.10.1 - Energização do Transformador _ A cO~Tente d~ magnetização (inrush) vai depender da posição da tensao .sen~Idal no lllstante do fechamento do disjuntor. A corrente de magnehzaçao ou de inrush tem um alto conteúdo de haIIDônicas, distribuídas conforme a Tabela 4.10.1. Corrente de Inrush Harmônicas % em relação a fundamental 2° harmônica 63% Proteção de Transformador 133 3° harmónica 26,8% 4° harmônica 5, 1% 5° harmónica 4,1% 6° harmónica 3,7% 7° hannonica 2,4% Tabela 4.10.1 - Corrente de Inrush Nota-se na energização a predominância da 2° hannônica. O primeiro pico máximo de corrente de inrush pode atingir de 8 a 12 vezes o valor da corrente nominal do transformador, sendo que os picos sucessivos caem rapidamente num tempo efetivo de O, I segtmdos = 6 ciclos elétricos . Interessante é fazer uma comparação, para distinguir, a corrente de curto-circuito da con"ente de magnetização do transformador. As características dessas duas correntes de curto-circuito e a de magnetização do h·ansformador são apresentadas a seguir: a) COlTente de curto-circuito, aCOITe numa freqüência industrial de 60 Hz com algum conteúdo de harrnônicas não proeminentes. A figura 4.10 .2 mostra uma corrente senoidal em 60 Hz. r- 8,33ms-1 I I I I I I I I I __ ~ ______ ~~ __ ~ __ -4 ________ ~ __ t Figura 4.10.2 - Corrente Elétrica Senoidal Na realidade, a corrente de curto-circuito é senoidal, cujos pICOS (valores máximos) vão decrescendo na forma exponencial [5], mas a distância entre dois picos consecutivos se mantém em 8,33 ms, como mostra a figura 4.10.2. ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( 134 Capítulo IV Outra característica fundamental é que as correntes de curtos- circuitos só aparecem nas fases envolvidas no defeito. b) a COlTente de inrush ou de magnetização do transformador possui forte conteúdo de harmônicas, conforme apresentado na tabela 4.1 0. 1. com predomínio da 2° harmônica e o aspecto dessa corrente é variado m~s em geral é o mostrado na figura 4.10.3 . ' t Figura 4.10.3 - Corrente de Inrush Esta corrente nos primeiros 6 ciclos (O, 1 segundos) apresenta-se bem distorcida em decorrência do alto conteúdo de harmônicas, com predominância de 63% da 2° harmônica. No primeiro ciclo o pico inicial pode atingir valores elevados variando de 8 a 12 vezes da corrente nominal de transformador. Este valo; inicial depende doCa): • Porte do transformador; • P.orte do sistema elétrico; • Impedância equivalente até o ponto da instalação do transformador; • Tipo de material ferromagnético do núcleo do transformador· , • Fluxo magnético remanente no núcleo do transformador no instante de energização; • Valor da tensão elétrica no instante de energização. As correntes de inrush Ocorrem nas 3 fases do lado da fonte de alimentação do transformador, portanto na proteção diferencial, os TCs do Proteção de Transformador 135 lado fonte são submeüdos a estas correntes, podendo fazer a proteção diferencial atuar. Para evi tar que a proreção diferenc ial atue no instante de energização do h·ansformador, pode-se: a) Bloquear a operação do relé diferencial por 0, I segundo durante a energização do transformador; b) Usar atenuadores de transitórios; c) Utilizar relés diferenciais com retenção de harmônicas; d) Utilizar relés digitais com lógicas de detenção de harmônicas. É importante observar que no caso de transformadores elevadores, acoplados a geradores síncronos, a corrente de inrush não é considerada, isto porque a energização do transformador é feita de modo gradual. 4.10.1 Bloqueio da Proteção Diferencial Para o caso de energização de transformador de pequeno porte ou de transformadores distantes dos geradores síncronos, pode-se simplesmente utilizar relé diferencial temporizados. Se em transformadores de grande porte ou localizados próximos à geração, as proteções diferenciais utilizadas são instantâneas e temporizadas. Nesse caso, durante a energização pode ocorrer a atuação da proteção instantânea. Pode-se, então, bloquear a proteção instantânea durante a energização. Note-se que o recurso de bloquear a atuação diferencial instantânea é um problema, no caso, da energização ocorrer em um transformador que tenha defeito interno do tipo curto-circuito. Porque, neste caso, a energização ocorrerá simultaneamente com o curto-circuito, e o tempo de bloqueio da proteção instantânea, apesar de ser pequeno, já é o suficiente para produzir danos no transfonnador. Então para contornar o problema apresentado, pode-se adotar a proteção diferencial propostas a seguu. 4.10.2 Proteção Diferencial com Atenuadores de Transitórios 140 Unidade Instantânea da fase B Unidade instantânea da fase C Unidade instantânea da fase A TC intermediario Capítulo IV Figura 4.10.7 - Unidade de Bloqueio por 2a Hannônica Acoplado ao Relé Diferencial (87) O esquema em DC está apresentado na figura 4.10.8. + instantânea :::L Relé 87 URH Figura 4.10.8 - Esquema Funcional em DC do Esquema de Protecão da Figura 4.10.7 ' A unidade de restrição por 2a hannônica funciona do seguinte modo: • Quando sem conente ou em operação mantém o seu contato (URH) fechado. A operação ocorre quando a corrente de 120 Hz na bobina de restrição for ~ 15% da conente fundamental desse circuito. Proteção de Transformador 141 • Quando a corrente de inrush no secundário do TC intermediário. t iver um conteúdo de 2a h3.1mônica > J 5% da fundamental. a restrição desoperarào, abrindo o comato (URR), bloqueando a atuação do relé 87, pOlianto o transformador de potência não será desligado durante a sua energização. A unidade instantânea mostrada no esquema de proteção da figura 4.10.7 é um re lé de sobrecorrente (50) que opera quando ocorre fa lta de grandes proporções no transformador, seu ajuste é 10 a 12 vezes o Tap do relé 87. 4.10.5 Relé Diferencial Digital para Transformador Os re lés digitais para transfonnador podem funcionar por meio de algoritmos que processam as informações das con-entes na entrada e na saída do transformador. Observar as diferenças das conentes de CUlios- drcuitos e das COlTentes de inrush no transformador, descrita no item 4.10. Para não operar indevidamente no período de energização do transformador, os relés digitais utilizam algoritmos internos, baseados nas diferenças das correntes de curtos-circuitos e COlTentes de inrush, além do parâmetro de ajuste. Pode-se, por exemplo, adotar um dos processos a seguir, efetuados na corrente diferencial da operação: • O relé digital mede o conteúdo da 2a harmônica, que comparada com fundamental, processa a sua lógica de atuação. • O relé diferencial digital mede o tempo decorrido entre os picos sucessivos da corrente diferencial da operação, para fazer a lógica de sua atuação. • O relé digital diferencial utiliza a transfonnada de Fourier sobre a corrente diferencial de operação, obtendo-o a fundamental e a 2a harrnôlúca. Se a 28 harmônica for relativamente grande comparada com a fundamental, o relé não opera na energização do transformador. r , ( ( ( , ( ( ( ( 142 Capítulo IV 4.11 Transformador com Impedância de Aterramento No sistema elétrico, com transformador em Y aterrado, as correntes de curto-circuito 1<1> - terra são elevadas, produzindo danos no equipa- mento. Assim, para abaixar as correntes de curto-circuito 1<1> - terra a valores aceitáveis de modo a não danificar o transformador, é comum inserir urna resistência elétrica no aterramento do Y. Ver figura 4.11.1. Transformador R F igura 4.11.1 - Resistência de Aterramento Se houver em curto-circuito 1<1> - terra , por exemplo, como mostra a figura 4.11.2, a resistência · (R) limitará a corrente de defeito ao valor projetado, ou seja, a resistência (R) está restringindo a corrente de defeito, por isso, esta técnica é também conhecida por terra restrita ou terra restringida. A utilização da técnica de terra restringida no transformador de potência prejudica o desempenho da proteção diferencial percentual (87) para os casos de defeitos monofásicos internos no transformador. O relé 87 pode ficar insensível para estes defeitos. Para contornar este problema, utiliza-se adicionalmente, a proteção normal (87), o esquema conhecido como proteção diferencial de terra restringida. I 4.12 Proteção Diferencial de Terra Restrita ] Proteção de Transformador 143 Transformador ~------------------- Curto 1 $-teria R ; / - .-... - Figura 4 .11 .2 - Corrente de Curto-Circuito no Sistema com Terra Restri ta O esquema diferencial de terra restrita em um transformador ,6. - y aterrado é mostrado na figura 4.12.1. Transformador ,------ír---~==cç7=~- • * * 87 Figura 4.12.1 - Proteção Diferencial de Terra Restrita Note que na saída do lado Y os 3 TCs estão conectados em paralelo, como demonstrado em [5] as correntes de saída do conjunto de TCs em paralelo é constituída de corrente de seqüência zero, que é a mesma corrente do terra do Y. Desse modo, na operação normal o relé 87 não atua. 144 Capítulo IV Note que neste esquema não há necessidade do relé ser diferencial percentual, pode simplesmente ser um re lé de sobrecorrente, que neste caso está fazendo a função diferencial (87). A figura 4.12.2, mostra a circulação de corrente no caso de defeito 1<1> - terra, no transformador. Transformador • ~ .8 ---I § 1------< ' ii) * 6 • .9 c ::J ' ii) 6 Curto lC- terra 87 • • • • Figura 4.12.2 - Defeito 1<1> - terra no Transformador Note que a corrente de defeito passa totalmente pela bobina de operação do relé 87, e o mesmo atua. Neste transformador existe a proteção diferencial percentual normal não apresentada na figura 4.l2.l, os 3 TCs de proteção diferencial de terra restrita podem ser os próprios TCs da medição. 4.13 Proteção do Transformador de Aterramento o funcionamento do transformador de aterramento, conectado a um sistema elétrico isolado, pode ser visto com mais propriedade em [5]. O transformador de aterramento conectado ao sistema pode também ficar sujeito a defeitos, e o disjuntor próprio deste circuito deve atuar. Conforme [5], os transformadores de ateITamento mais utilizados são do tipo: • Zig-zag, com ou sem resistência de ateITamento; Proteção de Transformador ]45 • Y -!':!., com ou sem resistência de aterramento. As proteções utilizadas podem ser dos seguintes tipos: a ) Proteção diferencial das fases à terra é do mesmo tipo utilizado na figura 4.12.1. A figura 4 .13.1 apresenta a proteção diferenc ial no transfonnador de ateITamento em zig-zag. A----------,--------------------------- B------------~----._--------------------­ c ------------~----~----_,--------------- T Cs T ransformador de AteITamento • • Figura 4.13.1 - Proteção Diferencial do Transformador de Aterramento em zlg-zag b) Proteção meio-diferencial é efetuada por relés de sobrecorrente ligados na saída dos secundários dos TCs conectados em !':!.. Ver figura 4.13 .2. No lugar de 3 relés pode-se utilizar somente 2. Os relés 50/51 atuam no disjtmtor do transformador de aterramento. ( ( ( ( ( ( t 150 Capítulo rv . . Caso o defeito OCOITa fora do transformador, por exemplo, um curto ClrcUlto 1<1> -terra na linha de saída da ligação em Y, a figura 4 .14.3 mostra o trajeto das correntes de defeito, que no caso não será percebido pelo re lé 64. Transformador ---- I ./ Figura 4.14.3 - Defeito Fora do Transformador 4.15 Relé Buchholz Pequenas falhas no isolamento das bobinas e nas conexões intemas do transformador provocam formação de arcos elétricos e aquecimento local, causando a decomposição do óleo com a formação de bolhas de gás que se deslocam para a parte superior do transformador. . Estes e outros defeitos incipientes podem, com o decorrer do funclOnament? d? t~ansformador, evoluir para defeitos mais graves, tal como curto-clrcmto mtemo. Portanto, há necessidade de se detectar estes pequenos defeitos incipientes, para que a equipe técnica da subestação possa programar a sua manutenção. . O re~é mai~ apropriado para detectar a presença de gás e rápida movlmentaçao de oleo no transformador é o relé à gás conhecido como relé Buchholz, função 63. Proteção de Transformador 151 O relé Buchholz é instalado no duto que liga o transfonnador ao reservatório, ou seja, ao tanque de expansão na sua parte superior. Ver figura 4.15.1. Tanque de Óleo Relé Buchholz Tranformador Calço de ± 1 Omm ~ Figura 4.15.1 - Instalação do Relé Buchholz O tanque de expansão tem a finalidade de suprir pequenos vazamentos de óleo no transformador, de acomodar as dilatações do óleo prodU2ido pela variação da temperatura ambiente e as provocadas pelo aquecimento da operação do próprio transformador. O nível de óleo no tanque de expansão é indicado pelo medidor de nível, função 71. O tanque de expansão mantém o tanque do transformador sempre cheio de óleo. A figura 4.15.1 mostra em detalhes as partes intemas do relé Buchholz. 152 Ao conservador -- "l A 2 34~~ l i ' ~ G I ' I r-:.-f I 00 1ranstormodor 4~.' --.... _ .... Figura 4.1 5.2 - Relé Buchholz Capítulo IV Defeito no interior no transfonnador ocon-e sempre com a presença de arco elétrico, que pode decompor lentamente ou rapidamente o óleo mineral e o material isolante com pequena ou grande formação de gases. Os gases formados sobem e passam através do relé Buchholz dirigindo-se ao tanque de expansão do transformador. A seguir analisa-se o funcionamento para os dois tipos de defeitos dentro do transformador: a) defeitos pequenos. Nos casos de defeitos internos incipientes, a decomposição do óleo é lenta e é pequena a forrilação de gás, deste modo, lentamente as bolhas de gás sobem e se alojam no pequeno compartimento G do relé Buchholz. Com a deposição de gás no compartimento G, a bóia B irá descer lentamente. A ampola D que contém mercúrio (Hg) está articulada com a bóia B. Quando os gases no compartimento G atingem certo volume, a bóia B desce inclinando a ampola D. O mercÚ1io banha os contatos internos da ampola D, fechando os contatos 3 e 4. Com o fechamento dos contatos 3 e 4, o relé Buchholz atua o alarme sonoro e visual, sendo este passo denominado de Iº estágio. O primeiro estágio não provoca o disparo (abertura) do disjuntor. A equipe de manutenção, através da torneira A, recolhe o gás rearmando (restabelecendo) o relé. Proteção de Transformador 153 o gás recolhido é examinado por meio de processos físicos, químicos e pe la cromatografia, a fim de indicar o tipo de problema que esta ocon-endo internamente no transformador. A análise do gás indica, por exemplo, se houve a presença de: 1) H2 (hidrogénio) e C2H2 (hidrocarboneto) indicam arco entre partes construtivas, através do óleo. 2) H2, C2H2 e C& indicam arco com alguma deterioração do isolamento fenólico, isto é faltas no comutador de tapes . 3) H2, CH4 e C2Rt indicam um ponto quente nas juntas do núcleo. 4) H2, C2H4, CO2 e C3H6 indicam ponto quente no enrolamento. Apesar de não ser recomendado, os técnicos de manutenção, através de processo empírico mais simples, utilizam a pratica de colocar fogo no gás recolhido. Se o gás for inflamável, pegará fogo, indicando que há defeito interno 00 transformador. Neste caso uma análise cromatográfica do gás do relé Buchholz e do óleo do transformador, em laboratório, se faz necessário. Se o gás não for inflamável, não pegará fogo, neste caso o gás pode ser fonnado pelo ar ou pelo vapor da utilidade contida no óleo. Indicando neste caso que há uma entrada de ar no transformador ou que a sílica-gel esteja saturada. Se a atuação do primeiro estágio do relé 63 está ocorrendo com mais freqüência e em tempos menores, isto é um indicador que o defeito interno está progredindo e a manutenção con-etiva se faz necessária. b) defeitos de grande porte. Defeito de grande porte é caracterizado por um curto-circuito interno, devido à falha de isolação, neste caso o curto-circuito ocon-e juntamente com um arco elétrico de grande intensidade, provocando um rápido aquecimento do óleo no local e fom1ação de grandes bolhas de gás. Geralmente na decomposição do óleo, gera-se aproximadamente 90 cm3/s de gás por lkW liberado pelo arco elétrico do curto-circuito. As bolhas de gás juntamente com o óleo sobem e passam no relé Buchholz, deílexionando a palheta F, curto-circuitando os contatos 1 e ( ( ( ( ( ( ( ( ( 154 Capítulo IV 2, acionando o circuito do disparo do disjuntor. O nº estágio é caracterizado pelo fechamento dos contatos 1 e 2. A figura 4. 15.3 mostra o esquema funcional em DC da proteção do transformador envolvendo o relé 63. + luminoso I 631° Estágio --- I 6311°· Estágio Figura 4.15.3 - Esquema Funcional em DC da Proteção 63 O relé Buchbolz ainda tem mais uma função de proteção complementar, que se por algum motivo ocorrer uma grande perda de óleo no transformador. Neste caso, quando o nível de óleo abaixa além da posição do relé Buchholz, a bóia B e a palheta F atuam, disparando a abertura do disjuntor. Esta ocorrência se dará primeiro com a atuação do dispositivo de indicação do nível de óleo (71), ver item 4.21, e só depois haverá a atuação do relé (63). Salienta-se que as falhas incipientes é uma grande preocupação para a conservação dos materiais componentes da fabricação do transformador. Portanto, . geralmente falhas incipientes no transformador, pode ser diagnosticada com mais precisão com uma análise cromatográfica do óleo e dos gases recolhidos no relé Buchholz. As pequenas falhas incipientes podem ser motivadas por: ® Sobreaquecimento do óleo do transformador que pode ser total ou localizada em um ponto de aquecimento; ® Descargas parciais (corona), que são descargas elétricas que ocorrem sem dar origem a descargas disruptiva no local, ou seja, elas aparecem e desaparecem sem provocar a formação de arco elétrico permanente. As descargas parciais podem ocorrer de forma isolada ou de forma intermitente. J Proteção de Transformador 155 ® Falhas com pequenos arcos-elétricos, que ocorrem devido a um pequeno defeito, ou devido à evolução das constantes descarg~s parciais que causaram comprometimento localIzado na ls?l~çao do material do transformador. Os pequenos arcos eletnc~s decompõem o material isolante e o óleo no local. Esses arcos dao orioem aos curtos-circuitos no transfonnador. t:> A figura 4.15 .4 mostra a fotografia um relé Buchholz de um transformador de potência. Fotografia 4.15.4 - Relé Buchholz 4.15.1 Relé Buchholz do Comutador Os transformadores com regulação de tensão dispõ~m de comutação automática sob carga (Load Tap Changing = LTC) que e controlado peda função (90) que efetua motorizadamente a mudança de ~ap o t fi rmador. O controle da mudança de tap também pode ser feIto pela ;;:;r~mação lógica digital de comando a distância. Cada mudança de tap acrescenta ou retira espiras da bobina de regul~ç~o do transf?r:mador. A mudança do tap pode ser efetuada na bobina primana ou secundana. 160 Capítulo N Classe de Exemplos de materiais da Temperatura isolação classe máxima O Algodão, seda e papel não 90°C impregnados em óleo. Algodão, seda e papel A impregnados ou imersos em [OSoe óleo. Mica, fibra de vidro e asbestos B com alguma substancia 130°C aglutinantes. Mica, fibra de vidro e asbestos F com substancias aglutinantes lSSoC para a temperatura correspondente. Elastômeros de silicatos, mica, fibra de vidro e asbestos H com substancias aglutinantes ISOoC adequadas à temperatura desta classe. Materiais puros de mica, C porcelanas, vidro, quartzo e > 180°C materiais inorgânicos adequados. Tabela 4.16.2 - Classificação e Temperatura Máxima Admissível dos Materiais Isolantes , . O. aquecimento acentuado no transformador, mais propriamente nos matenas ~solantes, estão ligados ao pré-envelhecimento do transformador. O envelhecunento da isolação pode ser diagnosticado pelas normas como perda ~a vida útil do transformador. Os aquecimentos no transformador produzidos em dias distintos terão seus efeitos de perdas de vida útil acumulados. I 4.17 Relé de Imagem Térmica Proteção de Transformador 161 O relé de imagem ténnica, função 49. é um relé que detecta a temperatura do ponto mais quente do transfonnador, operando em regime pennanente, mas em sobrecarga. O aquecimento nos enr01amentos do transformador é provocado pela con'ente elétrica proveniente da sobrecarga e os sensores para captar esta temperatura deveriam ser colocados no ponto mais quente do enrolamento. Devido a problemas de encapsulamento do material do isolamento na bobina do transformador, a colocação de sensores térmicos neste ponto fica in1possibilitada. Deste modo, procura-se obter a temperatura do ponto mais quente do enrolamento de modo indireto, daí o nome de imagem térmica. Existem válias maneiras do emprego desta prática. Uma delas que é muito utilizada, usa um TC na bucha de entrada do transformador, e a corrente elétrica secundária reflete as características da sobrecarga no transformador. Faz-se esta corrente passar por uma resistência elétrica que seja uma réplica do aquecimento gerado pelos enrolamentos do transfonnador. Deste modo há vários tipos de esquema que atendem esta função, um deles está apresentado na figura 4.17.1. Isolador de TC Parede superior do Transformador Bobina Primária do Transformador 2 Figura 4.17 .1 - Relé de Imagem Térmica Basicamente o princípio de funcionamento do relé de imagem térmica 49 da figura 4.17.1, baseia-se na variação da resistência elétrica com a variação da corrente de carga. Quando há uma sobrecarga no ( ( ( l l 162 Capítulo IV transformador o TC. inj eta no secundário uma corrente correspondente ue pas~ando pela res lstencJa 1, produz por dissipação térmica um aquec~e~to e{Ulv~lente, elevando a temperatura do ambiente 3. Esta temperatura mais e eva ~ .que o normal provoca variação no valor da resistência 2 ue desequilIbra a ponte com bobinas cruzadas (4) fazendo defleh· , q ponteiro d O I ' 4 ' . ' r o seu marca . ar. re e 9 e constituído de 2 cursores de arraste quand ~ ~~breCarga at~ge somente o Iº cursor, isto é o Iº estágio, a sinaÚzação ~ ln Icada ~o: me~o d~ alarme sonoro, luminoso ou enviado sinal ao sistema de supervIsao, smallzando a existência da sobrecarga No Iº e t' · - , . d b . . . s aolO nao e aClOna o a a ertura do diSJuntor. o Oc?rren?o uma forte sobrecarga no transformador, o desequilíbrio da ponte e m31S acentuado, levando o cursor a atingir o IIº t ' · dependendo d fi! fi es aglO, que . . a I os~ la empregada pela empresa de energia elétrica, pode ~pena~ .smalizar ou lIberar a abeItura do disjuntor, tirando o transformador e ~elvlço . O dIagrama esquemático da atuação do relé de imagem ténnica esta apresentado na figura 4.17.2. + :c 49 lU estágio Alarme luminoso 49 I 11° estágio 69 86 52 BA I Figura 4.17.2 - Esquema de Atuação do Relé de Imagem Térmica Outro esquema mais simples é apresentado na figura 4.17.3. Este e~quema é idêntico ao da figura 4.17.1, apenas foi colocado um senso~ (termometro) no lugar da resistência elétrica equivalente ao aqueclll1ento do enrolamento do transformador. Proteção de Transformadol" Bobina Primaria do Transformador I Bulbo Parede superior do Transformador Resistência <_i-U.' __ - de aquecimento o 163 }" estâglo ;: estâgio escala em temperatura oe Figura 4.17.3 - Relé de Imagem Térmica com Bulbo Sensor de Temperatura O termômetTO de bulbo pode ser de mercúrio ou a gás altamente expansivo com a temperatura. O funcionamento é simples, ou seja, a corrente secundária aquece a resistência equivalente ao enrolamento do transformador, o calor gerado eleva a temperatura do recipiente que será detectada pelo tennômetro. O tennômetro, dependendo do tipo de fabricação, poderá arrastar um cursor ou estender um fole , registrando a temperatura atual, e em caso de sobrecarga atuará o rº ou o nº estágio, exatamente como está apresentado na figura 4.17.2. O TC pode ser instalado com mostra as figuras 4.17.1 e 4.17.3 ou estar localizado na bucha isolante ou fora do transfonnador. Em transfonnadores de grande porte, pode-se levantar por meio de dados de fabricação, da operação, históricos e ensaios, todas as características do comportamento ténnico dos enrolamentos primários e secundários com respeito à sua operação, isto é, a sua corrente de carga, de sobrecarga e períodos operativos de emergência. Neste estudo investigativo é levantada a curva exponencial de aquecimento que é semelhante a qualquer corpo que sofre aquecimento. Assim, obtêm-se os parâmetros fundamentais que caracterizam a curva de aquecimento das bobinas do transfonnador. Nos modernos relés digitais (49) tem-se o recurso de parametrização para a modelagem da respectiva curva do aquecimento das bobinas do 164 Capitulo IV tra~s~ormador. Deste modo, ajusta-se o re lé d· . es taglOs de alanue, inclusive na abertt: d d :~Jtal (49) para ~ttlar em vários ]ra o ISJuntor, se desejado. Deve-se salientar que esta técnica d . para simulação do desempenho d . e parametnzar no relé digital bem mais fácil em equipament~saqUueclln..entO?~ qualquer equipamento é refrigerante e isolante, tais como: q e nao utIlIzam óleo como líquido © Transformador a seco· © Reator a núcleo de ar , © Banco de capacitores; © Barras e lin11as aéreas de transmissão. , © Cabos com isolamento a seco. . Nos transformadores de grande complIcada, devido à existênc ia de: porte a parametrização é mais © Comutação sob carga; © R d ecursos e refrigeração do transformador tais com . , o. o Ventilação forçada em vários estágios; o Refrigeração forçada a óleo· , o Refrigeração·direcionada forçada a óleo. © Envelhecimento do material da isolação; © Degradação do óleo. Apesar destas dificuldades a te d ~ . , mais esta prática, porque Produz' ~ encla e de se consolidar cada vez as segumtes vantagens e benefíc ios: ~ Possibilita a proteção do transfom1ador , ~ Acompanhamento do desempenho do transfo . . de supervisão e melhor controle da m t ~adOl pela eqUIpe anu ençao; ~ Monitoramento da operacão b contingências; ,em so recarga, após as eventuais Proteção de Transformador 165 ~ Acompanhamento da real perda de vida útil do material isolante do transformador. 4.18 Transformador Hermeticamente Fechado Transfolluadores que tenham o tanque hermeticamente fechado não possuem tanque de expansão, portanto não é possível a utilização do relé Buchholz. A utilização de tanque hermeticamente enclausurado tem como objetivo principal evitar a contaminação por umidade no óleo mineral, utilizado na isolação e refrigeração do transformador. Neste transfonnador, pode haver ou não, na parte superior uma camada de gás neutro sob pressão. Geralmente o gás utilizado é o nitrogênio . Como o óleo está confinado no tanque do transformador e seu grau de expansão é muito limitado, quando da ocorrência de um defeito e para evitar danos no tanque do transformador, utiliza-se à proteção por: • Relé de súbita pressão; • Válvula de alívio de pressão. 14.19 Relé de Súbita Pressão Na figma 4.19.1 mostra-se o local da instalação do relé de súbita pressão que é colocado na parede do tanque do transformador. A corrente elétrica que passa pelo transformador depende da operação do sistema elétrico. Assim, as variações pequenas ou lentas das correntes provocam aquecimento do óleo que produz pressões lentas, as quais passam pelo orifício equalizador e mantêm a mesma pressão em ambos os lados do diafragma do relé de subida pressão, e este não atua. Havendo um súbito curto-circuito num ponto interno do transformador, que sempre se processa juntamente com um arco elétrico, gera-se neste ponto elevada energia calorífica que faz o óleo no local se expandir violentamente provocando ondas mecânicas de pressão que se propagam rapidamente pelo líquido (óleo) do transformador. A onda de pressão gerada chega primeiro na parede interna do diafragma do relé de J. J ( ( ( ( ( 170 Capítulo IV subestação digitalizada o sinal de alarme é enviado pelas vias de comunicação para o centro de operação da empresa. Mancai Nivel do Óleo Bóia ~ ;.v.'.;. " ....... ,''''' / ··r Tanque de Expansão Parede do Tanque Figura 4.21.1 - Indicador de Nível de Óleo 4.22 Relé de Sobreexcitação A figura 4.22.1 apresenta um transformador monofásico, que quando operando com carga normal, o fluxo magnético dentro núcleo é praticamente senoidal e quando operando a vazio é quase senoidal. Denh'o do núcleo magnético do transformador, o fluxo magnético senoidal, pode ser dado pela expressão 4.22.1. ~(t) = ~Máxil11osenCüt ( 4.22.1) Desse modo, a tensão no terminal da bobina primária é obtida por: Proteção de Transformador ~ <!>( t) • • I :r-I- + + - r-~ \lp Np Ns - r-- VS I, I--f-- -- Núcleo Figura 4.22.1 - Núcleo do Transformador Monofásico d~(t) _ N d(~máximosenCüt) v p (t) = N p dt - P dt v p (t) = N p~máximoCücosCüt O valor máximo da tensão v p (t) será: V -N Cü.h =2nfN.h ·· máximo p - p 'P máximo p't' maXlffiO Cujo valor eficaz será: V máximop Vp = ..fi 2n f N p~rnáx.imo ..fi ..fivp ~máximo = 2n N f p 171 ( 4.22.2) Portanto o fluxo magnético dentro do núcleo do transformador é diretamente proporcional ao termo V; como está expresso na 4.22 .3. ( 4.22.3) 172 Capítulo IV Portanto, pela expressão 4.22.3 . sob freqüência nominal, um aumento na tensão na bobina provoca um aumento no fl uxo magnético, produz indo um aquecimento não desejado no núcleo elo transfom1ador. O relé que mede a relação V/Hz é chamado de relé de sobreexcitação, função 24. Todos transformadores estão sujeitos a aquecimentos no núcleo provocados pelo excesso de fluxo magnético, mas o maior cuidado deve-se ter no transformador de grande porte, principalmente os acoplados a unidades geradoras. Esses transformadores estão mais SUjeitos a sobretensões, provocadas principalmente por problemas na excitação das máquinas síncronas ou por perda súbita de geração ou de cargas Essa sobretensão aplicada às bobinas podem elevar excessivamente o fluxo magnético do núcleo do transformador, provocando aquecimento com elevação acentuada da temperatura, comprometendo o núcleo e principalmente os materiais componentes da isolação. Dependendo da tecnologia e dos materiais empregados na fabricação do transfOImador, o mesmo tem uma curva de danos em relação ao excesso de fluxo magnético, ou seja, da relação de V/Hz, que pode, por exemplo, ser a mostrada na figura 4.22.2. 100 Tempo (minuto) i Curva de dano do transformador /V 0,1 ............ 1.1 ........ . ................... . .... :::: ... ::-::: ...,.", ...----. L-__ ~: ____________________ ~ __ ~Volts % 100 110 160 Hz Figura 4.22.2 - Curva de Dano do Transformador em Função de VlHz Como os modemos relés digitais têm o recurso de personalizar curvas de atuação, pode-se ajustar uma curva de atuação que seja uma réplica da curva de dano do transformador deslocada para baixa em tomo de Proteção de TransfOl'mador 173 20%. A figura 4 .22.3 mostra a curva de atuaçào do relé de sobreexcitação (24) deslocada, e que acompanha a curva de dano do transfolTI1ador. Tempo • (minuto) Curva de dano 100 do transformador /V 1'> O" l mt~-:_·~ .. ·::=====: .. Volts % 1 00 11 O 160 Hz Figura 4.22.3 - Curva de Atuação do Relé de Sobreexcitação Deste modo, para evitar o excesso de fluxo magnético no núcleo do transformador, utiliza-se o relé digital (24) que processa a relação VlHz, quando o valor atinje a curva de atuação do relé de sobreexcitação, o mesmo opera promovendo o desligamento do disjuntor. 4.23 Proteção Contra Falha de Disjuntor do Transformador I Na proteção contra falha de disjuntor do transformador não se pode contar com o relé de sobrecorrente 50BF, porque o seu ajuste não cobre todos os tipos de defeitos no transformador. Ou seja, pequenos defeitos internos no transformador não provocarão sensibilidade no relé de sobrecolTente 50BF. Deste modo, o relé de bloqueio 86 faz a função do relé de sobrecolTente como mostra a figura 4.23.1. Como mostra a figura 4.23.1, o relé de bloqueio 86 só será ativado pela atuação de alguma proteção do transformador. Com o fechamento do contato do relé de bloqueio, a bobina de abertura será ativada com a conseqüente abertura do disjuntor. Se o disjuntor falhar, isto é, não conseguir eliminar o defeito interno no transfonnador, a proteção de falha do disjuntor deverá atuar. ( ( ( ( ( \. ( ( ( 174 Capítulo IV 86 62X 62BF Figura 4.23.1 - Falha do Disjuntor em Transformador A atuação da proteção de falha do disjuntor ocorre na seguinte seqüência: ~ A proteção do transformador atua ativando o relé de bloqueio 86; ~ O relé de bloqueio 86 fecha o seu contato 86, ativando a bobina de abertura do disjuntor e ativando também o relé auxiliar 62X' , ~ O relé auxiliar 62X fecha o seu contato 62X; ~ Como o disjuntor falha, o defeito no transfolmador continua a existir e com o fechamento do contato 62X, o relé de tempo 62BF é ativado; ~ Transcorrido o t~mpo ajustado no relé de tempo 62BF o seu contato é fechado; ~ Com o fechamento do contato 62BF ativa-se o relé de bloqueio 86BF que promove a seqüência programada de abertura dos disjuntores de modo a limpar o defeito. Salienta-se a não utilização de religamento para defeito em transformadores. 4.24 Desumificador de Ar Há vários métodos para manter a integridade do óleo do tra~sformador, pIincipalmente quanto ao seu grau de contaminação por umIdade. Os principais processos de preservação do óleo isolante do transformador são: Proteção de Transformador 175 • Desumificador do ar pelos cristais de silica gel; • Selagem com gás e óleo; • Selagem com gás inerte sob pressão; • Sistema de selagem com bolsa e célula de ar. Apresenta-se aqui, apenas o método de desumificação do ar pela sílica gel, confornle mostra a figura 4.24.1. Transformador Óleo Figura 4.24.1 - Desumificador de Ar pela Sílica Gel Quando o nível do óleo do transformador desce, a câmara de ar, aspira o ar externo, que é obrigado a passar pelo desumificador que contém cristais de sílica gel. Os cristais de sílica gel têm a propriedade de absorver a umidade do ar. Portanto, quando o ar passa, sua umidade é absorvida pela sílica gel, assim o ar que chega no tanque de expansão está livre da umidade. Com a quantidade de umidade absorvida os grãos de cristais de sílica gel vão mudando a sua coloração. Por exemplo, a tabela 4.24.1 mostra a mudança na coloração de alguns cristais de sílicas gel utilizados na câmara desurnificadora de ar do transformador.