Trabalho Completo Proteção Eletrica

Proteção Eletrica

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Categoria: Ciências

Enviado por: Bruna 16 dezembro 2011

Palavras: 7149 | Páginas: 29

...

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama trifilar de um sistema de prote¸˜o . . . . . . . . . . ca Rede prim´ria de distribui¸˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . a ca Curva caracter´ ıstica de um fus´ ıvel . . . . . . . . . . . . . . . . Esquema de prote¸˜o de sobrecorrente . . . . . . . . . . . . . ca Diagrama unifilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Coordena¸˜o entre as unidades temporizadas de Rg e Rr . . . ca Coordena¸˜o entre os rel´s de fase . . . . . . . . . . . . . . . . ca e ca e Coordena¸˜o entre os rel´s de terra . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama unifilar de um sistema de energia el´trica radial . . e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3 3 4 5 5 6 8 8 9 10 11 12 14 15 16 17 18

ii

1 CURTOS-CIRCUITOS

1

1

Curtos-circuitos

Um sistema el´trico est´ constantemente sujeito a ocorrˆncias que causam dist´ rbios no e a e u seu estado normal. Estas perturba¸˜es alteram as grandezas el´tricas (corrente, tens˜o, co e a frequˆncia), muitas vezes provocando viola¸˜es nas restri¸˜es operativas. Nestes casos e co co s˜o necess´rios a¸˜es preventivas e/ou corretivas para sanar ou limitar as consequˆncias a a co e desses dist´ rbios. u As perturba¸˜es mais comum e tamb´m as mais severas s˜o os curtos-circuitos, que co e a ocorrem em decorrˆncia da ruptura da isola¸˜o entre as fases ou entre a fase e terra. e ca A magnitude da corrente de curto-circuito depende de v´rios fatores, tais como: tipo a de curto-circuito, capacidade do sistema de gera¸˜o, topologia da rede el´trica, tipo de ca e aterramento do neutro dos equipamentos, etc. • Tipos de curtos-circuitos Para assegurar uma prote¸˜o adequada, o comportamento das tens˜es e correntes ca o durante o curto-circuito deve ser claramente conhecido. Os diagramas fasoriais dos tipos de curto-circuito s˜o mostrados na Figura 1. a

Ic Va Ia

φ

Ic

Ia Va

φ

Ic Vc Vc Ib Condição normal Ic Va Ib Va Ia Vb Curto−circuito trifásico Vb

Vc Vc Vb

Vb

Ib Curto−circuito bifásico

Curto−circuito monofásico

Figura 1: Tens˜es e correntes durante os curtos-circuitos. o • Caracter´ ısticas dos curtos-circuitos O angulo de fator de potˆncia de curto-circuito n˜o depende mais da carga, mas ˆ e a da impedˆncia equivalente “vista” a partir do ponto onde est´ localizado o rel´ de a a e prote¸˜o. ca

1 CURTOS-CIRCUITOS • Sistemas de aterramento

2

O sistema de aterramento afeta significativamente tanto a magnitude como o angulo ˆ de da corrente de curto-circuito ` terra. Existem trˆs tipos de aterramento: a e – sistema n˜o aterrado (neutro isolado) a – sistema aterrado por impedˆncias a – sistema efetivamente aterrado No sistema n˜o aterrado existe um acoplamento ` terra atrav´s da capacitˆncia a a e a shunt natural. Num sistema sim´trico, onde as trˆs capacitˆncias a terra s˜o iguais, e e a ` a o neutro (n) fica no plano terra (g), e se a fase a, por exemplo, for aterrada, o triˆngulo se deslocar´ conforme mostrado na Figura 2. a a

Va

g=n

plano terra

g=a

Vag = 0

Vc

Vb n

Vcg

Vbg

Figura 2: Sistema n˜o aterrado. a A Figura 3 mostra um curto-circuito s´lido entre a fase a e terra num sistema n˜o o a aterrado e o diagrama fasorial correspondente. Num sistema efetivamente aterrado um curto-circuito s´lido entre a fase a e terra o se comporta como mostra a Figura 4. Observando-se os dois casos conclui-se que as magnitudes das fases s˜s, quando da a ocorrˆncia de um curto-circuito monof´sico, dependem do sistema de aterramento, e a variando de 1,0 pu a 1,73 pu.

1.1

As consequˆncias dos curtos-circuitos e

Quando ocorre um curto-circuito, a f em da fonte (gerador) ´ curto-circuitada atrav´s de e e uma impedˆncia relativemente baixa (impedˆncias do gerador, transformador e trecho da a a linha, por exemplo), o que provoca um fluxo de valor elevado, conhecido como corrente de curto-circuito. Portanto, um curto-circuito se caracteriza por uma eleva¸˜o abrupta das correntes, ca de valores extremamente elevados, acompanhada de quedas consider´veis das tens˜es, a o trazendo consequencias extremamente danosas ao sistema de potˆncia. e a. A corrente de curto-circuito, de acordo com a lei de Joule, provoca a dissipa¸˜o de ca potˆncia na parte resistiva do circuito. O aquecimento pode ser quantificado por e 2 kIcc rt. No ponto da falta este aquecimento e o formato do arco podem provocar uma destrui¸˜o que pode ser de grande monta, dependendo de Icc e de t. Portanto, ca para uma dada corrente de curto-circuito, o tempo t deve ser menor poss´ para ıvel reduzir os danos.

1 CURTOS-CIRCUITOS

Va

3

Vc

Vb

Ib Ia Ic

(a)

Ic

Ib

Ia

g

Vcg

(b)

Vbg

Figura 3: Curto-circuito monof´sico num sistema n˜o aterrado. a a

Va

g=n

plano terra

g=a

Vag = 0

Vc

Vb

Vcg

Vbg

Figura 4: Curto-circuito monof´sico num sistema efetivamente aterrado. a b. A queda de tens˜o no momento de um curto-circuito provoca graves transtornos aos a consumidores. O torque dos motores ´ proporcional ao quadrado da tens˜o, portane a to, no momento de um curto-circuito o funcionamento destes equipamentos pode ser seriamente comprometido. Cargas como sistemas de ilumina¸˜o, sistemas comca putacionais e sistemas de controle em geral s˜o particularmente sens´ a ıveis `s quedas a de tens˜o. a c. Outra grave consequˆncia de uma queda abrupta da tens˜o ´ o dist´ rbio que ela provoca e a e u na estabilidade da opera¸˜o paralela de geradores. Isto pode causar a desagrega¸˜o ca ca ca ca do sistema e a interrup¸˜o de fornecimento para os consumidores. Na condi¸˜o de opera¸˜o normal o torque mecˆnico da turbina ´ equilibrada pelo anti-torque ca a e produzido pela carga el´trica do gerador; como resultado, a velocidade de rota¸˜o e ca de todos os geradores ´ constante e igual a uma velocidade s´ e ıncrona. A causa de tal desagrega¸˜o pode ser explicada pelos seguintes fatos: quando um curto-circuito ca ocorre na proximidade de uma barra de gera¸˜o, a sua tens˜o atingir´ valor pr´ximo ca a a o de zero e como consequˆncia, a carga el´trica e o anti-torque do gerador se anular˜o. e e a No mesmo instante, a quantidade da ´gua (ou vapor) admitida na turbina continua a sendo a mesma e seu torque continua invariante. Isso provocar´ o aumento da a velocidade do turbogerador, pois a resposta do regulador de velocidade da turbina ´ lenta e incapaz de evitar a sua acelera¸˜o nos instantes iniciais. e ca Outro fato relevante ´ que mudan¸as r´pidas na configura¸˜o do sistema el´trico, e c a ca e provocadas pelo desequil´ ıbrio entre a gera¸˜o e a carga, ap´s a retirada do circuito sob ca o falta, podem causar sub ou sobretens˜es, sub ou sobrefrequˆncias, ou ainda sobrecargas. o e Isto pode provocar algumas condi¸˜es anormais de opera¸˜o. co ca

1 CURTOS-CIRCUITOS

4

1.2

Condi¸oes anormais de opera¸˜o c˜ ca

a. Sobrecarga em equipamentos: ´ causada pela passagem de um fluxo de corrente e acima do valor nominal. A corrente nominal ´ a m´xima corrente permiss´ que e a ıvel passa, continuamente, num dado equipamento. A sobrecarga frequente em equipamentos acelera a deteriora¸˜o da isola¸˜o, causando curtos-circuitos. A Figura 5 ca ca mostra o tempo m´ximo admiss´ para cargas de curta dura¸˜o ap´s o regime a a ıvel ca o plena carga do transformador de potˆncia. e

2000 1000 500

200 100

Tempo (segundo)

50

20 10

5,0

2,0 1,0 2,0 5,0 10 20 50 100

Multiplo da corrente nominal com resfriamento natural

Figura 5: Curva sobrecarga no transformador de potˆncia e b. Subfrequˆncia e sobrefrequˆncia: s˜o causadas pelo s´ bito desequil´ e e a u ıbrio significativo entre a gera¸˜o e a carga. ca c. Sobretens˜o: ´ provocada pela s´ bita retirada da carga. Neste caso, os geradores a e u (hidrogeradores em especial) disparam e as tens˜es nos seus terminais podem atino gir valores elevados que podem comprometer as isola¸˜es dos enrolamentos. Em co sistemas de extra-alta tens˜o a sobretens˜o pode surgir atrav´s do efeito capacitivo a a e

1 CURTOS-CIRCUITOS

5

das linhas de transmiss˜o. A Figura 6 mostra a curva de sobreexcita¸˜o permiss´ a ca ıvel de transformadores de potˆncia. e

145 140 135

Tensao (%)

130 125 120 115 110 0,1 0,2 0,5 1,0 2 5 10 20 50

Tempo (minutos)

Figura 6: Curva de sobreexcita¸˜o de transformador de potˆncia ca e

1.3

Configura¸˜o do sistema el´trico ca e

A maneira como os componentes el´tricos est˜o interconectados e o layout da rede el´trica e a e tˆm uma influˆncia muito grande nos sistemas de prote¸˜o. e e ca 1.3.1 sistema radial

Um sistema radial, como mostra a Figura 7 ´ um arranjo que possui uma unica fonte e ´ alimentando m´ ltiplas cargas e ´ geralmente associada a um sistema de distribui¸˜o. u e ca

11,9 kV

138 kV

Figura 7: Sistema radial A constru¸˜o de tal sistema ´ relativamente econˆmico, mas do ponto de vista da ca e o confiabilidade deixa muito a desejar, pois a perda da fonte acarreta a falta de energia el´trica para todos os consumidores. Do ponto de vista do sistema de prote¸˜o, um e ca

1 CURTOS-CIRCUITOS

6

sistema radial apresenta uma complexidade menor, pois a corrente de curto-circuito flui sempre no mesmo sentido, isto e, da fonte para o local da falta. Desde que nos sistemas ´ radiais, os geradores est˜o eletricamente distantes, as correntes de curtos-circuitos n˜o a a variam muito com as mudan¸as nas capacidades geradoras. c 1.3.2 sistema em anel

A Figura 8 mostra um exemplo de um sistema em anel. Normalmente, esta configura¸˜o ca ´ utilizada para sistemas de transmiss˜o onde as linhas e as fontes interligadas fornecem e a uma flexibilidade maior.

Figura 8: Sistema em anel A dire¸˜o dos fluxos das correntes de curtos-circuitos ´ impreviz´ ca e ıvel. Al´m disso, as e magnitudes dessas correntes variam numa faixa muito grande com a mudan¸a na confic gura¸˜o do sistema e da capacidade de gera¸˜o no momento da falta. ca ca

´ ´ 2 PRINC´ IPIOS BASICOS DE PROTECAO DE SISTEMA ELETRICO ¸˜

7

2

2.1

Princ´ ıpios b´sicos de prote¸˜o de sistema el´trico a ca e

Introdu¸˜o ca

Para entender a fun¸˜o do sistema de rel´s de prote¸˜o, deve-se estar familiarizado com ca e ca a natureza e modos de opera¸˜o de um sistema el´trico de potˆncia. A energia el´trica ca e e e ´ um dos recursos fundamentais da sociedade moderna que est´ dispon´ e a ıvel a qualquer momento, na tens˜o e frequˆncia corretas e na quantidade exata que o consumidor necesa e sita. Este desempenho not´vel ´ alcan¸ado atrav´s de planejamento, projeto, constru¸˜o a e c e ca e opera¸˜o cuidadosos de uma complexa rede el´trica composta por geradores, transforca e madores, linhas de transmiss˜o e de distribui¸˜o e outros equipamentos auxiliares. Para a ca um consumidor, o sistema el´trico parece comportar-se sempre em estado permanente: e imperturb´vel, constante e capacidade inesgot´vel. Entretanto, o sistema de potˆncia est´ a a e a sujeito a constantes dist´rbios criadas pelas varia¸˜es aleat´rias das cargas, pelas faltas u co o ori´ ndas de causas naturais, e em alguns casos como resultados de falhas de equipamentos u ou humanas. Apesar destas constantes perturba¸˜es o sistema el´trico se mant´m num co e e estado quase permanente gra¸as a dois fatores b´sicos: o tamanho das cargas ou geradores c a e ca ca a individuais ´ muito pequena em rela¸˜o ao tamanho do sistema e a a¸˜o r´pida e correta dos equipamentos de prote¸˜o quando da ocorrencias de perturba¸˜es . ca co Um sistema de prote¸˜o detecta uma condi¸˜o anormal de um sistema de potˆncia e ca ca e inicia uma a¸˜o corretiva t˜o rapidamente quanto poss´ para que o sistema de potˆncia ca a ıvel e a e n˜o seja levado para fora do seu estado normal. A rapidez de resposta ´ um elemento essencial de um sistema de prote¸˜o - tempo da ordem de uns poucos milissegundos s˜o ca a requeridos frequentemente. A atua¸˜o de um sistema de prote¸˜o deve ser autom´tica, ca ca a r´pida e restringir ao m´ a ınimo a regi˜o afetada. Em geral, rel´ de prote¸˜o n˜o evita danos a e ca a nos equipamentos: ele opera ap´s a ocˆrrencia de algum tipo de dist´ rbio que j´ pode o o u a ter provocado algum dano. As suas fun¸˜es, portanto, s˜o: limitar os danos, minimizar co a o perigo `s pessoas, reduzir o stress em outros equipamentos e, acima de tudo, manter a a integridade e estabilidade do restante do sistema el´trico, facilitando o restabelecimento. e

2.2

Id´ia b´sica de um sistema de prote¸˜o e a ca

Os componentes el´tricos de um sistema de potˆncia devem ser protegidos contra os e e curtos-circuitos ou condi¸˜es anormais de opera¸˜o, geralmente provocadas pelos pr´prios co ca o curtos-circuitos. Na ocorrˆncia desses eventos ´ necess´rio que a parte atingida seja isolada e e a rapidamente do restante da rede el´trica para evitar danos materiais e restringir a sua e repercu¸˜o no sistema. Esta fun¸˜o ´ desempenhada pelo sistema de prote¸˜o, cuja ca ca e ca id´ia b´sica ´ apresentada na Figura 9. e a e As condi¸˜es do sistema de potˆncia s˜o monitoradas constantemente pelo sistema co e a de medidas anal´gicas (transformadores de instrumento), que s˜o os transformadores o a de corrente (TC’s) e transformadores de potencial (TP’s). As correntes e as tens˜es o transformadas em grandezas secund´rias alimentam um sistema de decis˜es l´gicas (rel´ a o o e de prote¸˜o), que compara o valor medido com o valor previamente ajustado no rel´. A ca e opera¸˜o do rel´ ocorrer´ sempre que valor medido exceder o valor ajustado, atuando sobre ca e a um disjuntor. Os equipamentos que comp˜em um sistema de prote¸˜o s˜o itemizados a o ca a seguir: • Transformadores de instrumento

´ ´ 2 PRINC´ IPIOS BASICOS DE PROTECAO DE SISTEMA ELETRICO ¸˜

Ajuste

8

Sistema de Potência

TC e/ou TP

Relé

Disjuntor

Figura 9: Sistema de prote¸˜o ca Os transformadores de instrumento s˜o os redutores de medidas de corrente (TC) a e de tens˜o (TP), que tˆm a fun¸˜o de isolar os circuitos dos rel´s da alta tens˜o, a e ca e a al´m de padronizar os valores secund´rios. e a • Rel´ de prote¸˜o e ca O rel´ de prote¸˜o ´ um dispositivo que toma decis˜es, comparando o valor medido e ca e o com o valor ajustado previamente. • Disjuntor O disjuntor ´ um equipamento de alta tens˜o com capacidade para interromper e a correntes de curtos-circuitos, isolando a parte sob falta do restante do sistema. e ca Al´m desses equipamentos o sistema de prote¸˜o necessita de uma fonte de corrente cont´ ınua, fornecida pela bateria. Deve-se prever uma capacidade em Ah adequada, pois al´m de alimentar o sistema de prote¸˜o ela alimenta tamb´m os sistemas de controle e e ca e sinaliza¸˜o e muitas vezes, a ilumina¸˜o de emergˆncia da subesta¸˜o ou da usina. ca ca e ca Um diagrama unifilar simplificado, destacando o sistema de prote¸˜o, ´ mostrado na ca e Figura 10.

Disjuntor TC Equipamento

+ Relé

Bateria

TP

Figura 10: Diagrama unifilar A Figura 11 mostra um diagrama trifilar de um sistema de prote¸˜o t´ ca ıpico. Trata-se de um esquema com trˆs rel´s de sobrecorrente, com unidades temporizadas (T) e unidades e e instantˆneas (I). a

´ ´ 2 PRINC´ IPIOS BASICOS DE PROTECAO DE SISTEMA ELETRICO ¸˜

Barra TCs Disjuntor

9

+

a

BD

T I T I T I

Relés

Figura 11: Diagrama trifilar de um sistema de prote¸˜o ca A seguir, s˜o itemizados os passos da atua¸˜o deste sistema, ap´s a ocorrˆncia de um a ca o e curto-circuito. a. Ocorre um curto-circuito. b. A eleva¸˜o da corrente no secund´rio do TC ´ proporcional ao valor da corrente de ca a e curto-circuito. c. O circuito de corrente do rel´ sente a eleva¸˜o da corrente (sobrecorrente). e ca d. Dependendo do valor da sobrecorrente e dos ajustes no rel´, opera a unidade tempoe rizada (T) ou a unidade instantˆnea (I), fechando o contato. a e. O fechamento de qualquer um dos contatos energiza, atrav´s da corrente cont´ e ınua fornecida pela bateria, a bobina de desligamento (BD) do disjuntor. f. A energiza¸˜o da BD provoca a repuls˜o do n´ cleo de ferro, normalmente em repouso ca a u e envolto pela bobina. d. O movimento abrupto do n´cleo, provocado pela for¸a eletromagn´tica, destrava o u c e mecanismo do disjuntor, que abre os seus contatos. Deve-se salientar que, qualquer que seja o sistema de prote¸˜o, os contatos dos rel´s ca e s˜o ligados em s´rie com a bobina de desligamento do disjuntor. Al´m disso, um contato a e e “a” do disjuntor ´ tamb´m introduzido no circuito. A posi¸˜o deste contato acompanha e e ca a posi¸˜o dos contatos principais do disjuntor, isto ´, o contato “a” ´ aberto quando o ca e e disjuntor ´ aberto e vice-versa. A finalidade deste contato ´ evitar a queima da BD na e e eventualidade de o contato do rel´ ficar colado. e

2.3

Fus´ ıveis, religadores, seccionadores e rel´s de sobrecorrente e

Estes dispositivos s˜o utilizados em larga escala nos sistemas de distribui¸˜o, que s˜o a ca a predominantemente radiais como mostra a Figura 12.

´ ´ 2 PRINC´ IPIOS BASICOS DE PROTECAO DE SISTEMA ELETRICO ¸˜

10

C

C

C

R

fC fA

C

138 kV

S

13,8 kV

C

TRONCO LATERAL RAMAL DISJUNTOR

fB

C

CHAVE A ÓLEO SECCIONADOR

CHAVE FUSÍVEL CHAVE FACA

R

RELIGADOR

S

Figura 12: Rede prim´ria de distribui¸˜o a ca Durante o curto-circuito surge uma corrente de intensidade elevada que traz efeitos mecˆnicos e t´rmicos aos equipamentos sob falta. Os efeitos mecˆnicos, cujas fˆr¸as s˜o a e a oc a proporcionais ao quadrado da corrente instantˆnea, podem deformar condutores e romper a materiais isolantes. J´ os efeitos t´rmicos est˜o ligados ao tempo de permanˆncia do curtoa e a e circuito, podendo produzir um aquecimento excessivo dos materiais condutores e isolantes, degradando-os e reduzindo as suas vidas uteis. Para minimizar os efeitos produzidos pelas ´ correntes de curtos-circuitos, s˜o utilizados os dispositivos acima mencionados. a As curvas caracter´ ısticas tempo x corrente de um fus´ s˜o apresentadas na forma ıvel a de tempo m´ ınimo de fus˜o e tempo total de interrup¸ao, como mostra a Figura 13. O a c˜ tempo m´ ınimo de fus˜o ´ o intervalo entre o in´ a e ıcio da corrente de curto-circuito e a inicia¸˜o do arco. O intervalo de dura¸˜o do arco ´ o tempo de arco (∆Ta ). O tempo ca ca e total de interrup¸˜o ´ o tempo m´ ca e ınimo de fus˜o e o tempo de arco. a Os fus´ ıveis s˜o utilizados em ramais de alimentadores e em equipamentos (transfora madores distribui¸˜o e capacitores) ligados na rede de distribui¸˜o. ca ca Os dispositivos de interrup¸˜o, al´m do fus´ ca e ıvel, s˜o os religadores e seccionadores. O a religador tem uma capacidade de interrup¸˜o da corrente de curto-circuito limitada e religa ca automaticamente numa sequˆncia programada. J´ o seccionador n˜o pode interromper e a a ´ a corrente de curto-circuito. E um equipamento que possui um sensor de sobrecorrente e um mecanismo para contagem do equipamento de interrup¸˜o que fica a sua frente, ca ` al´m de contatos e dispositivos para travamento na posi¸˜o aberta. Quando ocorre uma e ca sobrecorrente no alimentador passando atrav´s do seccionador, cujo valor seja maior ou e igual ` corrente de acionamento, o equipamento ´ armado e preparado para a contagem. a e A contagem se inicia quando a corrente que passa por ele ´ interrompida pelo equipamento e

´ ´ 2 PRINC´ IPIOS BASICOS DE PROTECAO DE SISTEMA ELETRICO ¸˜

Tempo (s)

11

Tempo total de interrupção

Tempo minimo de fusão

∆t a

Corrente (A)

Figura 13: Curva caracter´ ıstica de um fus´ ıvel

de interrup¸˜o a sua frente. Ap´s um n´ mero pr´-ajustado dessas ocorrˆncias, ele abre ca ` o u e e os contatos e permanece na posi¸˜o aberta, isolando o trecho sob falta. ca A an´lise que se segue ´ feita referindo-se a Figura 12: a e ` a. O curto-circuito em fA dever´ ser isolado pelo fus´ do ramal, deixando o tronco e a ıvel outros ramais operando normalmente. b. O curto-circuito em fB dever´ ser isolado pelo religador. O religador religa automatia camente e permanecer´ fechado se a falta for fugitiva. No caso de uma falta permaa nente o religador obedecer´ sequˆncias de aberturas e fechamentos pr´-ajustadas. a e e Para todo o fechamento haver´ a passagem da corrente de curto-circuito, fazendo a com que o seccionador seja armado e preparado para a contagem. Na abertura do religador o seccionador completa a contagem que ´ ajustado para abrir antes do e ultimo religamento autom´tico. Assim, o trecho sob falta ´ isolado pelo seccionador, ´ a e permitindo que o restante do circuito seja restabelecido. c. O curto-circuito em fC dever´ ser isolado pelo religador. O religador religa automatia camente e permanecer´ fechado se a falta for fugitiva. No caso de uma falta permaa nente o religador obedecer´ sequˆncias de aberturas e fechamentos pr´-ajustadas. a e e Nas sa´ ıdas dos alimentadores geralmente s˜o utilizados disjuntores comandado por a rel´s de sobrecorrente de fase e de terra, com religamento autom´tico executado atrav´s e a e de rel´ religador. e A Figura 14 mostra um esquema de prote¸˜o simplificado. ca

´ ´ 2 PRINC´ IPIOS BASICOS DE PROTECAO DE SISTEMA ELETRICO ¸˜

A B C

12

Disjuntor TCs

Fonte

Carga

RA

RB

RC

RN

Relés de sobrecorrente

Figura 14: Esquema de prote¸˜o de sobrecorrente ca Os rel´s de sobrecorrente de fase devem atuar para curtos-circuitos trif´sico e bif´sico e a a e o rel´ de terra deve atuar para curto-circuito monof´sico (ou fase-terra). Eles possuem e a dois elementos (ou unidades): o elemento temporizado e o elemento instantˆneo. A Tabela a 1 mostra os rel´s de sobrecorrente e os seus respectivos elementos e as nomenclaturas. e Tabela 1: Nomenclaturas. Rel´ e Fase Fase Terra Terra Elemento Temporizado Instantˆneo a Temporizado Instantˆneo a Nomenclatura 51 50 51 N ou 51 GS 50 N

As nomenclaturas s˜o n´ meros padr˜es que identificam os rel´s por fun¸˜o. a u o e ca O rel´ de terra denomindo 51 GS (Ground Sensor) ´ ligado em s´rie com o rel´ 50e e e e 51N. Este rel´ pode ser ajustado para um valor de pick-up muito baixo, o que permite e que ele atue para curto-circuito monof´sico com alta resistˆncia. a e Os elementos temporizados possuem basicamente dois ajustes: o tape e o dial de tempo. O tape ´ ajustado em fun¸˜o da corrente e o dial de tempo ´ selecionado de e ca e acordo com as temporiza¸˜es requeridas para a coordena¸˜o. co ca O valor do tape determina a corrente m´ ınima capaz de iniciar a opera¸˜o do rel´, a ca e chamada corrente de pick-up. As caracter´ ısticas de resposta dos rel´s de sobrecorrente s˜o alocadas num gr´fico e a a em fun¸˜o de m´ ltiplo da corrente de tape versus tempo (segundos), para cada ajuste ca u dial de tempo. H´, pois, uma fam´ de curvas, cujas declividades mais usuais s˜o a ılia a denominadas, por: • Tempo Definido O rel´ de sobrecorrente de tempo definido tem uma caracter´ e ıstica tempo versus corrente plana. Portanto, acima da corrente de pickup o rel´ atuar´ praticamente e a com o mesmo tempo. • Tempo Normal Inverso

´ ´ 2 PRINC´ IPIOS BASICOS DE PROTECAO DE SISTEMA ELETRICO ¸˜

13

O rel´ de sobrecorrente de tempo normal inverso ´ aplicado em redes onde a faixa de e e varia¸˜o da corrente de curto-circuito ´ larga, causa esta decorrente da mudan¸a da ca e c capacidade de gera¸˜o. A caracter´ ca ıstica tempo x corrente, relativamente plana, permite que o rel´ opere com razo´vel rapidez para uma faixa grande de corrente e a de curto-circuito. • Tempo Muito Inverso O rel´ de sobrecorrente de tempo muito inverso possui uma caracter´ e ıstica mais ´ ıngreme, que faz com que ele opere lentamente para baixos valores correntes e opere rapidamente para altas correntes de curto-circuito. N˜o ´ adequado para sistemas a e ca a com capacidades de gera¸˜o vari´veis • Tempo Extremamente Inverso O rel´ de sobrecorrente de tempo extermamente inverso apresenta uma caracter´ e ıstica bastante ´ ıngreme, similar a caracter´ ıstica de um fus´ ıvel. Portanto, ele ´ adequado e para sistema que possuem fus´ ıveis como prote¸˜o, tornando a coordena¸˜o mais ca ca eficaz. Nos rel´s eletromecˆnicos as caracter´ e a ısticas s˜o fixas, portanto, se num determinado a sistema, os rel´s de sobrecorrente utilizados tiverem uma caracter´ e ıstica muito inversa e ıstica normal inversa a unica solu¸˜o ´ a substitui¸˜o ´ ca e ca necessitar mudar para uma caracter´ dos rel´s. Isto n˜o acontece com os rel´s de estado s´lido e digital, pois, um unico rel´ e a e o ´ e engloba todas as caracter´ ısticas, que podem ser selecionadas conforme a necessidade. As curvas caracter´ ısticas dos rel´s de estado s´lido e digital s˜o e o a modeladas atrav´s da equa¸˜o 1. e ca t= ( IIs )α k.DT −1 (1)

Nesta equa¸˜o DT ´ o Dial de Tempo, I ´ corrente secund´ria que passa pelo rel´, ca e e a e Is o tape ajustado e k e α s˜o constantes que dependem de cada tipo de caracter´ a ıstica. A rela¸˜o ( IIs ) ´ denominada m´ltiplo do valor do tape. ca e u A Tabela 2 fornece estas constantes. Tabela 2: Constantes dos rel´s de estado s´lido e digital. e o k α Normal Inverso 0,1 0,02 Muito Inverso 13,5 1,0 Extremamente Inverso 80,0 2,0

A coordena¸˜o de rel´s ´ uma tarefa fundamental, pois na ocorrˆncia de um curtoca e e e circuito ela permite que os desligamentos dos componentes sejam seletivos. A seletividade ´ uma das caracter´ e ısticas mais importantantes de um sistema de prote¸˜o, pois restringe ca os desligamentos somente na regi˜o afetada da rede el´trica. a e A Figura 15 mostra uma rede prim´ria com v´rios ramais. Para um curto-circuito no a a ponto f somente o sistema de prote¸˜o do ramal C2 deve operar, implicando que os rel´s ca e Rg e Rr devem estar coordenados. Uma descoordena¸˜o entre estes rel´s pode provocar a ca e

´ ´ 2 PRINC´ IPIOS BASICOS DE PROTECAO DE SISTEMA ELETRICO ¸˜

C1 C4

14

13,8 kV R S

Rg

Ponto de entrega

C3 Rr C5 f C2

Figura 15: Diagrama unifilar atua¸˜o do sistema de prote¸˜o da concession´ria antes do sistema de prote¸˜o do ramal ca ca a ca C3, causando a falta de energia para outros consumidores (C1, C3, C4 e C5). A Figura 16 ilustra a coordena¸˜o entre os elementos temporizados dos rel´s Rg e Rr. ca e Deve-se ressaltar que a curva do rel´ Rg ´ fornecida pela concession´ria e o consumidor e e a ´ o respons´vel pela defini¸˜o dos ajustes do rel´ Rr. O ponto de partida para alocar a e a ca e curva do rel´ Rr consiste em deixar um intervalo de tempo, ∆t, em rela¸˜o a curva do e ca rel´ Rg de 0,3 a 0,4 segundos. e Como foi visto anteriormente, os rel´s de sobrecorrente possuem tamb´m as unidades e e instantˆneas que s˜o ajustadas para valores elevados de correntes. a a A Figura 17 mostra a aloca¸˜o das curvas das unidades de temporizada e instantˆnea ca a dos rel´s de fase. e A Figura 18 mostra a aloca¸˜o das curvas das unidades de temporizada e instantˆnea ca a dos rel´s de terra. Neste caso precisamos de mais um rel´ de terra denominado 51 GS e e (Ground Sensor). Para calcular os ajustes dos rel´s do consumidor a concession´ria deve fornecer: e a • Correntes de curtos-circuitos no ponto de entrega S˜o fornecidos os valores de curtos-circuitos trif´sico, bif´sico e monof´sico (sem e a a a a com a impedˆncia de falta). Recomenda-se que estes dados sejam fornecidos em a m´dulo e ˆngulo. o a • Impedˆncias no ponto de entrega a S˜o fornecidos as impedˆncias de sequˆncias positiva e zero, em m´dulo e ˆngulo a a e o a no ponto de entrega. e a • Curvas dos rel´s da concession´ria Estas curvas s˜o fornecidas em forma de gr´fico numa folha-padr˜o. Trata-se de a a a uma folha em escala logar´ ıtmica nos eixos horizontal (corrente) e vertical (tempo), semelhante aquelas em que os fabricantes fornecem as curvas caracter´ ` ısticas de seus dispositivos

´ ´ 2 PRINC´ IPIOS BASICOS DE PROTECAO DE SISTEMA ELETRICO ¸˜

Rr Rg Concessionária Tempo (segundos) Consumidor

15

∆t

Corrente (amperes)

Figura 16: Coordena¸˜o entre as unidades temporizadas de Rg e Rr ca Para a coordena¸˜o dos rel´s de fase s˜o necess´rios os seguintes dados: ca e a a • Capacidade do transformador e/ou demanda do consumidor Os transformadores de potˆncia (de grande porte) possuem trˆs est´gios de ventie e a la¸˜o: ca 1. V N (ventila¸˜o natural) ca 2. V F 1 (ventila¸˜o for¸ada - 1o est´gio) ca c a a 3. V F 2 (ventila¸˜o for¸ada - 2o est´gio) ca c Na V N o transformador fornece a potˆncia nominal. A V F 1 e a V F 2 devem entrar e em opera¸˜o autom´tica respectivamente quando houver uma sobrecarga de 25 % e ca a 66,7 %. Neste caso, a corrente de pickup ´ determinada baseando-se em 1,5 vezes e acima da corrente nominal do transformador. Nos transformadores de pequeno porte em paralelo ´ necess´rio e a conhecer a capacidade total e a demanda do consumidor. Neste caso, via de regra, a corrente de pickup ´ determinada baseando-se em 1,5 vezes acima do valor e da demanda. • Corrente de magnetiza¸˜o ca ´ Na energiza¸˜o do transformador h´ uma eleva¸˜o brusca da corrente. E preciso que ca e ca os rel´s n˜o atuem para esta situa¸˜o. Na falta de dados do fabricante, admite-se e a ca que a corrente de magnetiza¸˜o seja 8In . ca • Valor do curto-circuito trif´sico a O valor de curto-circuito trif´sico no ponto de entrega, fornecido pela concessia on´ria, ´ um dado extremamente importante. Caso exista um trecho de linha, cuja a e

´ ´ 2 PRINC´ IPIOS BASICOS DE PROTECAO DE SISTEMA ELETRICO ¸˜

51 51

16

Concessionária Tempo (segundos) Consumidor

Magnetização 50 50

Corrente (amperes)

Figura 17: Coordena¸˜o entre os rel´s de fase ca e impedˆncia n˜o se pode desprezar, entre o ponto de entrega e o local da instaa a la¸˜o do sistema de prote¸˜o na entrada do consumidor deve-se calcular o valor de ca ca curto-circuito neste local. Do contr´rio, pode-se considerar o valor fornecido pela a concession´ria. a Esta corrente ´ tamb´m utilizada para a escolha do RTC. A corrente prim´ria do e e a TC multiplicada por 20 deve ser maior do a corrente de curto-circuito. O tape ´ calculado a partir de 150 % da corrente de demanda. Esta corrente deve ser e transformada em corrente secund´ria (corrente no rel´) dividindo pela RTC, escolhendoa e se o valor mais pr´ximo. o Nas curvas caracter´ ısticas dos fabricantes de rel´s, o eixo horizontal (eixo da corrente) e ´ graduado em m´ ltiplos do valor do tape (M) e na folha de verifica¸˜o gr´fica da e u ca a seletividade o eixo horizontal ´ graduado em amperes prim´rios. e a Assim sendo, para transportar a caracter´ ıstica do rel´ para a folha de verifica¸˜o gr´fica e ca a da seletividade ´ necess´rio converter as correntes para o valor prim´rio, aplicando-se a e a a equa¸˜o 2: ca Ip = T ap.M.RT C (2)

O Dial de Tempo deve ser selecionado considerando-se um intervalo de aproxiamadamente 0,3 a 0,4 segundos entre as curvas do rel´ da concession´ria e do consumidor. e a Quando um rel´ ´ sensibilizado por uma corrente de curto-circuito, ap´s o tempo e e o decorrido em fun¸˜o da curva caracter´ ca ıstica especificada, acionar´ o disjuntor, interroma pendo o circuito. Normalmente s˜o previstos dois religamentos autom´ticos: o primeiro, a a ajustado em cerca de 5 segundos e o segundo em torno de 30 segundos (os ajustes das temporiza¸˜es dependem da filosofia adotada nas empresas). Na ocorrˆncia de um curtoco e circuito de causa transit´ria o disjuntor permanecer´ fechado ap´s um dos religamentos o a o

´ ´ 2 PRINC´ IPIOS BASICOS DE PROTECAO DE SISTEMA ELETRICO ¸˜

17

51 N

51 N Concessionária Consumidor

Tempo (segundos)

51 GS

51 GS

50 N

50 N

Corrente (amperes)

Figura 18: Coordena¸˜o entre os rel´s de terra ca e e, evidentemente, se o curto-circuito for permanente o disjuntor ficar´ aberto ap´s as a o duas tentativas autom´ticas de religamento, precisando, portanto da a¸˜o humana para a ca o fechamento do disjuntor. Os disjuntores s˜o dimensionados para suportar a corrente nominal e para interromper a a corrente de curto-circuito m´xima do seu ponto de instala¸˜o. a ca Os transformadores de correntes devem ser especificados considerando-se os fatores t´rmico e de sobrecorrente. O fator t´rmico determina uma sobrecarga que o TC pode e e suportar continuamente. Por exemplo, um fator t´rmico 1,2 significa que o TC pode e trabalhar continuamente com 20 % de sobrecarga. O fator de sobrecorrente determina a corrente m´xima que o TC suporta, por um curto per´ a ıodo, sem que ocorra a satura¸˜o. ca Normalmente este fator ´ 20. Neste caso, pode-se dizer por exemplo que, para um TC de e 300:5 correntes menores do que 6.000 A n˜o ocorrer´ a satura¸˜o. a a ca

´ 3 NOCOES DE COORDENACAO DE RELES DE SOBRECORRENTE ¸˜ ¸˜

18

3

3.1

No¸oes de coordena¸˜o de rel´s de sobrecorrente c˜ ca e

Introdu¸˜o ca

Um sistema el´trico deve ser equipado com diversos dispositivos de prote¸˜o, estrat´gicamente e ca e situados, destinados a protegˆ-lo efetivamente e seguramente contra todos os curtose circuitos e outras condi¸˜es anormais que afetem a sua opera¸˜o. co ca ´ primordial que o local atingido pela anormalidade seja isolado, automaticamente, E do restante do sistema de uma maneira que afete menos poss´vel a integridade dos compoı nentes el´tricos e o fornecimento da energia el´trica. Para atingir a contento esta miss˜o, e e a deve-se prover o sistema de prote¸˜o de uma caracter´ ca ıstica muito importante denominada seletividade. Isso significa que, apesar de cada dispositivo de prote¸˜o atuar de forma ca autˆnoma, as suas caracter´ o ısticas devem guardar entre s´ uma determinada rela¸˜o. Esta ı ca tarefa, que depende da atua¸˜o humana, ´ denominada coordena¸˜o. Assim, para que ca e ca os dispositivos de prote¸˜o sejam seletivos ´ necess´rio que eles estejam coordenados. ca e a Em suma, uma boa coordena¸˜o visa dois aspectos: (a.) isolar a parte faltosa t˜o ca a pr´ximo quanto poss´ o ıvel da sua origem e (b.) isolar a parte faltosa t˜o r´pido quanto a a ıvel. poss´ Para se conseguir uma boa coordena¸˜o ´ necess´rio conhecer as condi¸˜es normais ca e a co de opera¸˜o e os n´ ca ıveis das correntes de curtos-circuitos, al´m das caracter´ e ısticas dos componentes do sistema e dos dispositivos de prote¸˜o. ca

3.2

Exemplo de coordena¸˜o de rel´s de sobrecorrente fase ca e

A Figura 19 mostra o diagrama unifilar de um sistema de energia el´trica radial. A e Tabela 3 indica os valores das correntes de curtos-circuitos nas barras C, D e E. A Tabela 4 mostra as rela¸˜es dos TCs e as caracter´ co ısticas e os ajustes dos rel´s de sobrecorrente. e Este exemplo mostra os tempos de opera¸˜o dos rel´s R3, R2 e R1, considerando um ca e a ıda curto-circuito trif´sico em f (sa´ do disjuntor D3 ). C C#1 TR1 A B D1 TC1 D2 TC2 LT C#2 10 km

138 kV Sb = 100 MVA A LT TR1 C#3 TR2

o Curto−circuito trifásico = 4.808 MVA −80 z+ = 0,1902 + j0,4808 ohm/km 138,0/11,95 kV − 15 MVA − 8,68 % z+ = 0,1903 + j0,3922 ohm/km zo = 0,4359 + j1,8540 ohm/km 11,950/0,220−0,127 kV − 500 kVA − 5,0 % 220/127 V

138 kV

R1

R2

D3 TC3

11,95 kV

C#3 f

800 m

D

R3

E TR2

11,95 kV

Figura 19: Diagrama unifilar de um sistema de energia el´trica radial e

´ 3 NOCOES DE COORDENACAO DE RELES DE SOBRECORRENTE ¸˜ ¸˜ Barra Trif´sico a C 7.736,0 D 5.667,0 E 24.199,0 Bif´sico Monof´sico a a 6.699,0 7.930,0 4.907,0 4.339,0 20.957,0 24.844,0

19

Tabela 3: Valores de curtos-circuitos (em amp`res) e TC1 200-5 R1 West. 5 6 15 TC2 1.200-5 R2 INEPAR 5 0,4 bloq. TC3 600-5 R3 ABB 5 5 10

TCs Fabr. Tape Dial Inst.

Tabela 4: Rela¸oes dos TCs e ajustes dos rel´s c˜ e Os rel´s R3, R2 e R1 devem estar coordenados entre s´ Por exemplo, um curto-circuito e ı. trif´sico em f deve ser isolado pela atua¸˜o do rel´ R3 e consequente abertura do disjuntor a ca e D3 . Uma falta de coordena¸˜o seria a atua¸˜o do rel´ R2 e consequente abertura do ca ca e disjuntor D2 antes da atua¸˜o do sistema de prote¸˜o do alimentador C#3. Isso traria ca ca como consequˆncia a falta de energia el´trica para os outros consumidores ligados nos e e alimentadores C#1 e C#2, o que ´ extremamente indesej´vel. Esta situa¸˜o seria espee a ca rado no caso da recusa de atua¸˜o do sistema de prote¸˜o do alimentador C#3. Assim, o ca ca ca sistema de prote¸˜o da geral de baixa (compostos pelos dispositivos/equipamentos TC2, R2 e D2 ) atua com prote¸˜o de retaguarda (tamb´m conhecida como prote¸˜o back-up). ca e ca Para que consiga a coordena¸˜o desejada ´ necess´rio ajustar convenientemente a ca e a rela¸˜o dos TCs e o tape e o dial de tempo dos rel´s. Neste exemplo estes requisitos j´ ca e a est˜o satisfeitos, conforme indicado na Tabela 4. a a Considerando-se o curto-circuito trif´sico em f , os passos para verificar os tempos de opera¸˜o dos rel´s s˜o dados a seguir: ca e a 1. Calcula-se a corrente que circula no rel´ (corrente secund´ria do TC), bastando para e a ca isso dividir a corrente de curto-circuito pela rela¸˜o do TC; 2. Calcula-se o m´ltiplo da corrente ajustada, que ´ obtida dividindo-se a corrente u e secund´ria pelo valor do tape ajustado no rel´; a e 3. Entra-se com o valor do m´ltiplo da corrente ajustada na abscissa da caracu ter´ ıstica do rel´ e localiza-se o ponto que encontra o dial de tempo ajustado no e rel´; e 4. A partir do ponto, localizado no item anterior, determina-se o tempo na ordenada da caracter´ ıstica do rel´, que ´ o tempo de atua¸˜o do rel´. e e ca e Obs.: No caso dos rel´s dos alimentadores devem-se ajustar tanto o elemento tempoe rizado como o instantˆneo. a Seguindo-se os passos acima chegou-se aos tempos que se seguem:

´ 3 NOCOES DE COORDENACAO DE RELES DE SOBRECORRENTE ¸˜ ¸˜

20

• Tempos de opera¸˜o do R3 ca iR3 =

7.736,0 = 64,5 A ( 600 ) 5 Mtape = 64,5 = 12,9 − > curva− > t = 0,65 s 5 64,5 Minst. = 10 = 6,45 − > curva− > t = 0,026

s

• Tempo de opera¸˜o do R2 ca iR2 =

7.736,0 ( 1.200 ) 5 Mtape = 32,3 5

= 32,2 A = 6,45 − > curva− > t = 1,0 s

• Tempo de opera¸˜o do R1 ca iR1 =

670,0 = ( 200 ) 5 Mtape = 16,75 5

16,7 A = 3,35 − > curva− > t = 2,8 s