Proteção dos Sistemas Elétricos

MOMENTO 1 UNIUBE ENGENHARIA ELÉTRICA 910048 Oferta 2451085 2532025 1º BIMESTRE PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS Curso Engenharia Elétrica Nome Anderson William Bicalho AVA 5150772 Turma 95 Semestre 1ª 2025 DP Professor Guilherme Henrique Alves 3 SUMÁRIO TEÓRICO Proteção dos Sistemas Elétricos Sumário Introdução 4 Objetivos 5 Questão 01 6 Resultados e Discussão 07 Conclusão 08 Referencial Bibliográfico 09 4 1Explique a função do conjugado para os relés de distância bem como onde é realizado o ajuste dos relés de distância eletromecânico e digital 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS OLIVEIRA Carlos Augusto de JUNIOR Florisvaldo Cardozo Bomfim CHAVES Marilia Nunes I nformática aplicada à engenharia sistemas CAD Uberaba Editora Uniube 2011 RIBEIRO Antônio Clélio et al Desenho Técnico e AutoCAD São Paulo Pearson Education do Brasil 2013 HARRINGTON David Jr Desvendando o AutoCAD 2005 São Paulo Pearson Makron Books 2006 UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA Apostila de AutoCAD Modulo Básico Disponível em Acesso em 24 jun 2017 6 Luis Guilherme Gimenez de Souza Proteção de Sistemas Elétricos 2016 by Universidade de Uberaba Todos os direitos reservados Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio eletrônico ou mecânico incluindo fotocópia gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação sem prévia autorização por escrito da Universidade de Uberaba Universidade de Uberaba Reitor Marcelo Palmério PróReitor de Educação a Distância Fernando César Marra e Silva Editoração Produção de Materiais Didáticos Capa Toninho Cartoon Edição Universidade de Uberaba Av Nenê Sabino 1801 Bairro Universitário Catalogação elaborada pelo Setor de Referência da Biblioteca Central UNIUBE Luís Guilherme Gimenez de Souza Graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Londrina 2008 e mestrado em Engenharia Elétrica pela Uni versidade Estadual de Londrina 2012 Durante a graduação e a pósgraduação participou de projetos de pesquisa na área aeroes pacial nanciados pela Agência Espacial Brasileira como o desen volvimento de um instrumento para aquisitar acelerações residuais de uma plataforma de microgravidade impulsionada por foguete de sondagem Com ênfase em medidas elétricas instrumentação eletrônica desenvolvimento de sistemas embarcados e placas de circuito impresso exerce a prossão de engenheiro Ministra aulas no curso de pósgraduação lato sensu em Sistemas Eletrônicos Embarcados da Universidade Estadual de Londrina e na gradua ção EAD nos cursos de Engenharia Elétrica e Engenharia Civil da Universidade de Uberaba no polo de MaringáPR Sobre os autores Es rained a lot last night in New York We could Wiz The forecast for tomorrow is partly cloudy with temperatures ranging from 72 to 75 degrees Fahrenheit Its a perfect day for a picnic or a walk in the park Sumário Capítulo 1 A importância da proteção de sistemas elétricos de potência transormadores redutores de tensão e ltro15 11 A importância da proteção de sistemas elétricos de potência 17 112 Aspectos considerados na proteção 20 113 Análise generalizada da proteção 21 114 Características gerais dos equipamentos de proteção 22 12 Transormadores redutores de tensão e ltro 24 121 Transformadores de corrente 25 1211 Características construtivas dos Transformadores de corrente 26 1212 Simbologia e convenções 33 1213 Classicação de um TC 35 1214 Exatidão 36 1215 Operação do secundário de um TC 37 122 Transformadores de potencial 38 1221 Transformador de potencial do tipo indutivo 38 1222 Transformador de potencial do tipo capacitivo 39 1223 Simbologia e convenções 40 Capítulo 2 Relés de sobrecorrente e suas aplicações43 21 Relés de sobrecorrente e suas aplicações 46 211 Princípios básicos 48 212 Tipos de relés de sobrecorrente 53 221 Aspectos construtivos 54 2212 Estático 56 2213 Digital 56 222 Atuação do circuito a proteger 60 2222 Indireta 60 223 Instalação 61 23 Ajuste 62 231 Relé de sobrecorrente instantâneo 50 63 232 Relé de sobrecorrente temporizado 51 64 24 Relé direcional 67 66 Capítulo 3 Relés de distância e suas aplicações73 31 Desenvolvimento 76 311 Entendendo o funcionamento de um relé de distância 78 32 Relés de Distância Eletromecânicos 82 31 Tipos de relés de distância eletromecânicos 84 311 Relé de distância à impedância ou Relé OHM 84 312 Relé de Distância à Reatância 87 313 Relé de Distância à Admitância ou Relé MHO 89 32 Indicações dos Relés de Distância 91 33 Relé de distância digital 92 331 Unidade de medida de distância 93 332 Unidade de supervisão para frente e para trás 93 34 O que pode causar perturbação de medição 95 Capítulo 4 Teleproteção de linhas de transmissão e coordenação de sistemas de proteção97 41 Teleproteção 101 411 Introdução 101 42 Tipos de teleproteção 102 421 Onda portadora 102 422 Fibra óptica 103 423 Telefonia 103 43 Tipos de transferências em teleproteção 104 431 Transferência de disparo direto de subalcance DUTT 104 432 Transferência de disparo permissivo de subalcance PUTT 104 433 Transferência de disparo permissivo de sobrealcance POTT 105 44 Coordenação 105 44 Introdução 105 45 Coordenação de proteção 106 46 Princípios básicos de proteção 109 461 Princípio da Quantidade 109 462 Princípio da Localidade 110 463 Princípio da Retaguarda 112 464 Princípio da Sensibilidade 112 465 Princípio da Suportabilidade 112 466 Princípio da Seletividade 113 47 Procedimentos de seletividade que podem ser aplicados em uma instalação elétrica 114 471 Seletividade Amperimétrica 114 472 Seletividade Cronométrica 117 473 Seletividade Lógica 118 Capítulo 5 Proteção de transformadores123 51 Relés de proteção de transformadores 129 511 Classicação quanto ao tipo de acionamento 129 512 Indireta 129 52 Classicação quanto ao tipo de temporização 130 53 Classicação quanto à unção de proteção 130 54 Classicação quanto à tecnologia 131 542 Estáticos 132 543 Digitais 132 55 Proteção diferencial do transformador 132 551 Relé diferencial comum 134 552 Relé diferencial percentual 134 56 Proteção de sobrecorrente de fase e neutro 139 561 Sobrecorrente temporizada e instantânea de fase 139 562 Sobrecorrente temporizada e instantânea de neutro 140 57 Outros equipamentos de proteção para transformadores 142 571 Proteção contra falha de disjuntor 572 Proteção de carcaça do transformadores 143 573 Proteção contra sobretensão 144 574 Relé de bloqueio 144 575 Relé de temperatura 144 576 Válvula de alívio de pressão 145 577 Relé Buchholz 145 Capítulo 6 Proteção de geradores e proteção de barramentos149 61 Proteção de geradores 152 61 Introdução 152 62 Proteção de geradores 156 621 Proteção diferencial do estator contra curtocircuito 156 622 Proteção diferencial do estator contra curtocircuito entre espiras 157 623 Proteção diferencial do estator contra falta à terra 158 624 Proteção de retaguarda do estator por meio de relés de sobrecorrente 159 625 Proteção contra circuito aberto no estator 159 626 Proteção contra sobreaquecimento do estator 160 627 Proteção contra sobretensão 160 628 Proteção do rotor contra curtocircuito no campo 161 629 Proteção contra aquecimento do rotor devido à corrente desequilibrada do estator 161 6210 Proteção contra perda de excitação ou de campo 162 6211 Proteção contra perda de sincronismo 163 6212 Proteção contra aquecimento do rotor devido à sobreexcitação 163 6213 Proteção contra vibração 164 6214 Proteção contra motorização 164 6215 Proteção contra sobrevelocidade 164 6216 Proteção contra sobreaquecimento dos mancais 165 6217 Proteção de barramentos 166 63 Congurações de barramentos 169 64 Tipos de proteção de barramentos 170 641 Proteção diferencial de barras 170 642 Releamento diferencial com relés de sobrecorrente 171 643 Releamento diferencial percentual 172 645 Releamento diferencial com acopladores lineares 172 646 Proteção diferencial combinada 172 647 Proteção de retaguarda 173 648 Proteção de massa ou dispersão pela carcaça 174 649 Proteção por comparação direcional 175 Capítulo 7 Funções de proteção aplicáveis a motores trifásicos de grande porte 177 71 Funções de proteção aplicáveis a motores trifásicos de grande porte 180 72 Proteção térmica Função 49 183 73 Proteção de sobrecorrente 184 731 Proteção de sobrecorrente instantânea Função 50 185 732 Proteção de sobrecorrente temporizada Função 51 185 74 Proteção de sobrecorrente de terra Função 50 GS 186 75 Proteção de desbalanço de corrente ou corrente de sequência negativa Função 46 189 76 Proteção diferencial para motor 87 M 190 77 Critérios de aplicação de funções de proteção de motores trifásicos 192 771 Baixa tensão com potência nominal até 55 kW 193 72 Baixa tensão com potência nominal entre 55 kW e 150 kW 194 73 Média tensão com potência nominal entre 150 kW e 1200 kW 195 74 Média tensão com potência nominal entre 1200 kW e 1500 kW 196 75 Média tensão com potência nominal acima de 1500 kW 198 Capítulo 8 Novas tecnologias aplicadas à proteção de sistemas de potência203 81 Desenvolvimento dos dispositivos de proteção 206 811 Histórico 206 812 Estático 206 813 Digital 207 82 Tendências modernas na proteção de sistemas 210 822 Novas ferramentas utilizadas em proteção 211 8222 Redes neurais articiais RNA 212 83 IEC 61850 213 84 Smart Grid 215 841 Smart Grid no mundo 221 Conclusão229 The history of New York City is filled with fascinating events and people Established as a trading post by the Dutch in 1624 it quickly grew into one of the most important cities in the world Today its known for its diverse culture iconic landmarks and vibrant arts scene O conteúdo abordado nesta disciplina é de grande importância para a formação doa alunoa visto que a proteção de sistemas elétri cos de potência é observada no cotidiano do engenheiro eletricis ta da geração ao consumo Assim devido à grande relevância do tema é importante destacar que o estudo relacionado à proteção de sistemas elétricos de potência não deve ser restrito ao conteúdo apresentado neste material Utilize outros livros e busque maiores informações para ampliar o seu conhecimento Capítulo I A importância da proteção de sistemas elétricos de po tência transormadores redutores de tensão e ltro aborda a im portância da proteção de sistemas elétricos de potência no cenário brasileiro os aspectos considerados na proteção assim como na análise e nas características generalizadas da proteção e os trans formadores redutores de tensão com base nas normas vigentes Capítulo II Relés de sobrecorrente e suas aplicações apresenta o relé de sobrecorrente com relação ao seu tipo de atuação curvas características de tempo características construtivas e instalação além de aplicação e conceitos básicos para ajuste da corrente de acionamento Capítulo III Relés de distância e suas aplicações apresenta o funcionamento do relé de distância com a análise de seu funciona mento no sistema de proteção de forma geral e em sua utilização como proteção de linhas de transmissão ou sistema de potência Apresentação Capítulo IV Teleproteção de linhas de transmissão e coordenação de sistemas de proteção aborda a teleproteção e a coordena ção da proteção de SEPs que atuam na proteção com objetivo de aumentar a conabilidade do sistema de energia melhorando o desempenho da proteção ou seja operam como guardiões de um complexo sistema de transmissão Capítulo V Proteção de transformadores apresenta o estudo de proteção de transformadores em que o método de proteção diferencial do transformador consegue limitar a área de atuação para o componente em questão com objetivo principal de detectar falhas internas do transformador além de outros equipamentos uti lizados para complementar a proteção dos transformadores como proteção contra falha de disjuntor contra sobretensão de carcaça do transformador bloqueio temperatura pressão e falta de óleo Capítulo VI Proteção de geradores e proteção de barramentos aborda as formas mais recorrentes na literatura das proteções em geradores e barramentos nos sistemas elétricos de potência bem como as linhas de potência e transmissão Capítulo VII Proteção de motores de indução de grande porte apresenta o estudo de proteção de motores de indução de grande porte a importância da proteção térmica dos motores devido à de terioração do sistema de isolamento de seus enrolamentos com o aumento da temperatura e dentre tantas opções de proteção para motores orientamse o estudo e a aplicação das funções com rela ção à tensão e à potência do motor a ser protegido Capítulo VIII Novas tecnologias aplicadas à proteção de sistemas de potência abordadas algumas novas tecnologias aplicadas na proteção de sistemas de potência além das derivações ou conse quências dessas tecnologias em outras áreas como o conceito de smart grid que apresenta uma mudança no padrão do setor elétri co e torna o sistema energético mais interativo To make the perfect cup of coffee start with fresh cold water and highquality coffee beans Using a coffee grinder grind the beans just before brewing to preserve their flavor Brew with the right temperature and time to extract the best taste and aroma Enjoy your coffee Capítulo 1 A importância da proteção de sistemas elétricos de potência transformadores redutores de tensão e filtro Luis Guilherme Gimenez de Souza Introdução Olá caroa alunoa seja bemvindoa ao Capítulo 1 A importância da proteção de sistemas elétricos de potência transformadores redutores de tensão e filtro que inicia o estudo do conteúdo referente à disciplina Proteção de Sistemas Elétricos O conteúdo da disciplina abordará a importância da proteção de sistemas elétricos de potência SEP transformadores redutores de tensão e filtro relés de sobrecorrente e distância com suas respectivas aplicações teleproteção de linhas de transmissão e coordenação de sistemas de proteção proteção de transformadores geradores barramentos e motores de indução de grande porte além de novas tecnologias aplicadas à proteção de sistemas de potência Neste capítulo será abordada a importância da proteção de sistemas elétricos de potência no cenário brasileiro com informações atualizadas que enfatizam a necessidade de contínuos estudo projeto e atualização do SEP Dentre as justificativas para isso podem ser citados os diversos eventos conhecidos como blecautes ou apagões relacionados à falta de planejamento investimento manutenção ou operação De forma breve serão abordados os aspectos considerados na proteção assim como na análise e nas características generalizadas da proteção As partes constituintes de um sistema 16 UNIUBE Obter uma visão geral de proteção de sistemas elétricos Caracterizar um TC Conhecer os tipos de TCs existentes Caracterizar um TP Conhecer os tipos de TPs existentes Estabelecer analogia entre TC e TP Objetivos elétrico de proteção e suas respectivas funções serão abordadas nos próximos capítulos O estudo acerca dos elementos de proteção de um sistema elétrico de potência tem início com os transformadores redutores de tensão e ltro O conteúdo aborda as características do transormador de corrente TC e do transformador de potencial TP tendo como objetivo caracterizar e mostrar os tipos existentes com base nas normas vigentes NBR 6856 e NBR 6855 É importante destacar que o estudo relacionado à proteção de sistemas elétricos de potência não deve ser restrito ao material ou ao conteúdo apresentado aqui Utilize outros livros e busque maiores informações para ampliar o seu conhecimento principalmente quando o assunto abordado é de interesse ou de grande utilidade para oa alunoa UNIUBE 17 A importância da proteção de sistemas elétricos de potência Aspectos considerados na proteção Análise generalizada da proteção Características gerais dos equipamentos de proteção Transormadores redutores de tensão e ltro Transformadores de corrente Transformadores de potencial Esquema A importância da proteção de sistemas elétricos de potência 11 Prezadoa alunoa podemos observar que segundo Tolmasquim Guerreiro e Gorini 2007 p 47 desde a Revolução Industrial a competitividade econômica dos países e a qualidade de vida de seus cidadãos são intensamente infuenciadas pela energia Nesse contexto as economias que melhor se posicionam quanto ao aces so a recursos energéticos de baixo custo e de baixo impacto am biental obtêm importantes vantagens comparativas De acordo com dados do Ministério de Minas e Energia BRASIL 2016 online a oferta interna de energia brasileira para o ano de 2016 foi estimada em 286 milhões de toneladas equivalentes de petróleo tep Desse total 439 são de energia renovável esse indicador faz da matriz energética brasileira uma das mais limpas do mundo 18 UNIUBE Um dos ramos da matriz energética é a energia elétrica cuja par ticipação dentre as energias renováveis é de aproximadamente 793 sendo que a fonte hidráulica corresponde a 662 da ma triz de energia elétrica Dados da Resenha Mensal de Energia Elétrica 2017 online indi cam uma queda de 09 no consumo de energia elétrica em 2016 em relação ao ano de 2015 somando 460001 Gigawattshora GWh No total do país o consumo foi de 4401 GWh menor sen do que a contração nas classes industrial e comercial foi parcial mente amenizada pelo desempenho das residências e de outros consumos que conjuntamente expandiram 2655 GWh A geração e a transmissão de 98 da energia elétrica do Brasil são realizadas pelo Sistema Interligado Nacional SIN coorde nado pelo Operador Nacional do Sistema ONS e regulado pela Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL Com a interligação das regiões Sul Sudeste CentroOeste Nordeste e parte da re gião Norte a matriz energética tem ganhos em conjunto e explora a diversidade entre os regimes hidrológicos das bacias Contudo mesmo com a interligação das regiões nos últimos anos foram observados diversos eventos que afetaram o fornecimento e a distribuição de energia elétrica no país também conhecidos como ble cautes Retirandose os eventos ocasionados pelo baixo nível dos re servatórios de água ou eventos naturais grande parte dos problemas observados é relacionado a falhas em dispositivos e operações Os sistemas elétricos de potência SEP são planejados constru ídos e operados de modo a disponibilizar energia com qualidade conabilidade e continuidade Os SEP no entanto estão diaria mente sujeitos a incidentes que podem causar distúrbios ou até mesmo a interrupção de seu funcionamento UNIUBE 19 Figura 11 Iniciando os estudos Fonte Hongqi Zhang 123RF Dentre as diversas causas que podem provocar distúrbios ou in terrupções no funcionamento dos sistemas elétricos de potência SEP podemse citar eventos naturais descargas atmosféricas catástrofes naturais etc falhas na operação falhas em seus dis positivos geradores transformadores chaves de manobra barra mentos cabos relés disjuntores motores isoladores etc Tais incidentes podem prejudicar todos os sistemas que estejam interligados sendo necessário o isolamento da parte afetada com o objetivo de minimizar os danos e manter a maior parte possí vel dos SEP em funcionamento Assim para assegurar qualidade conabilidade e continuidade no ornecimento de energia azse necessário um sistema de proteção ecaz 20 UNIUBE 112 Aspectos considerados na proteção Segundo Caminha 1977 p 5 na proteção de um sistema elétrico devem ser examinados três aspectos Operação normal Prevenção contra falhas elétricas Limitação dos defeitos devido às falhas Como operação normal admitese o sistema ausente de falhas nos equipamentos os erros de operação ou as falhas aleató rias A prevenção contra falhas elétricas pode ser observada por meio de previsão de isolamento adequado coordenação do isolamento uso de cabos pararaios e baixa resistência do pédetorre apropriadas instruções de operação e manutenção etc A limitação dos efeitos devido às falhas inclui limitação da magnitude da corrente de curtocircuito projeto capaz de su portar os efeitos mecânicos e térmicos das correntes de defei to existência de circuitos redundantes e geradores de reserva existência de relés disjuntores e outros dispositivos com capa cidade suficiente de interrupção Monitorar dados para vericar a eetividade do sistema implemen tado e posteriormente as causas das falhas a frequente análise acerca das mudanças no sistema com os consequentes reajustes e a reorganização do esquema operativo também são formas de prevenir falhas elétricas e limitar seus defeitos UNIUBE 21 113 Análise generalizada da proteção Segundo Caminha 1977 p 6 em um sistema encontramse os seguintes tipos de proteção Contra incêndio Por relés e fusíveis Contra descargas atmosféricas e surtos de manobra Um estudo de proteção deve considerar as características elétricas do sistema de potência como a natureza das faltas a sensibilidade para instabilidade do sistema as condições de operação as carac terísticas gerais dos equipamentos dentre outras Outro item importante é o fator econômico da proteção devido ao cus to do equipamento principal em relação ao custo relativo do sistema de proteção Não dicilmente são observados equipamentos eletromecâ nicos e estáticos que estão em funcionamento e são mantidos devido ao custo da substituição e da adequação do sistema de proteção A facilidade de manutenção e de acomodação dos equipamentos a distância entre os pontos e a necessidade de infraestrutura são características físicas que também são consideradas durante o es tudo de proteção Assim o correto projeto do sistema de proteção proporciona redu ção no custo de reparação dos estragos mitigação da probabilida de de propagação do defeito e consequente contenção da falha redução no tempo de inatividade do equipamento e necessidade 22 UNIUBE de equipamentos redundantes além da intrínseca perda de renda e de indicadores de continuidade estabelecidos pela Aneel 114 Características gerais dos equipamentos de proteção Segundo Cotosck 2007 p 28 e Caminha 1977 p7 os relés de proteção principais equipamentos de proteção dos sistemas elétricos têm como função principal a retirada rápida do elemento quando ele está em curtocircuito ou em operação anormal de fun cionamento impedindo que o problema se propague ou interra na correta operação de outros elementos do sistema Assim podemse listar as funções básicas de um sistema de proteção Assegurar a integridade física de operadores usuários do sis tema e animais Evitar ou minimizar danos materiais Retirar e isolar um equipamento ou parte do sistema que apresente defeito Diminuir as despesas com manutenção e melhorar a continui dade do serviço Segundo Cotosck 2007 p 29 a proteção de um SEP deve apre sentar as seguintes características UNIUBE 23 Conabilidade probabilidade de o sistema de proteção un cionar com segurança e corretamente sob todas as circuns tâncias operativas Seletividade isolar somente o trecho ou o equipamento defeituoso Sensibilidade operar para a menor anormalidade no siste ma elétrico para cuja detecção tenha sido projetado evitando que o defeito adquira maior proporção Velocidade isolar o circuito protegido tão logo exista o defei to para cuja detecção tenha sido projetado Como função secundária os relés podem informar a devida locali zação da falta com o objetivo da rápida manutenção do elemento causador da falta e portanto o rápido religamento O registro das grandezas analógicas e digitais permitem a análise da falta e a atuação da proteção Os equipamentos de proteção podem ser separados em prote ção primária ou principal e em proteção secundária ou de re taguarda A proteção primária ou principal é aquela em que o elemento de seccionamento encontrase na conexão entre dois elementos possibilitando a retirada somente do elemento da fal ta em questão Uma zona de proteção separada é estabelecida em torno de cada elemento Aproteção secundária ou de retaguarda é aquela localizada na zona adjacente à zona primária ajustada para operar na manutenção da proteção primária ou na falha desta A proteção de retaguarda pode 24 UNIUBE ser local caso se encontre na mesma subestação da proteção pri mária ou remota caso se encontre em outra subestação Figura 12 Zonas de proteção de um sistema elétrico de potência Fonte Caminha 1977 p 8 12 Transormadores redutores de tensão e ltro Esta seção trará os elementos de proteção utilizados atualmente para se azer medições seguras e conáveis em linhas de transmis são ou sistemas de potência sem que esses elementos apresen tem a mesma ordem de grandeza dos elementos a serem medidos Os transformadores de forma geral são elementos que indu zem energia ou potencial elétrico de um circuito para outro sendo UNIUBE 25 isolados eletricamente mas acoplados magneticamente Assim é possível isolar sistemas de alta potência como linhas de transmis são para sistemas com potencial muito menor A relação de grandezas entre entrada e saída do transformador é proporcional à quantidade de espiras das bobinas de um lado do transformador relacionada à quantidade de bobinas do outro lado cuja indução é realizada por meio de um núcleo ferromagnético Essa relação entre as bobinas possibilita induzir energia ou po tencial elétrico com ordem de grandeza diferente no secundário de um transformador característica que o torna capaz de dife rentes atuações em sistemas de proteção Serão abordados dois tipos de transformadores o Transformador de Corrente TC e o Transformador de Potencial TP 121 Transformadores de corrente O transformador de corrente como característica de funcionamento tem induzido no seu circuito secundário uma corrente proporcional à corrente que passa pelo enrolamento primário Essa relação de espi ras entre primário e secundário faz com que o TC seja capaz de medir grandes quantidades de corrente por meio de uma relação que geral mente leva a corrente no secundário a ter um valor padrão O primário de um TC possui um número de espiras reduzido muitas vezes apresentando apenas uma espira ou mesmo uma barra de cobre enquanto o seu secundário apresenta uma quantidade de espiras para que a corrente induzida seja de 5 A usualmente NBR 6856 26 UNIUBE Aparelhos como amperímetros medidores de energia medido res de potência e relés de indução utilizam transformadores de corrente pois tais equipamentos devem apresentar baixa resis tência elétrica A corrente que deve ser medida é elevada e circula nos enrola mentos primários gerando um fuxo magnético induzindo orças eletromotrizes no secundário essa transformação é denominada conversão eletromagnética Para obter uma corrente baixa no cir cuito secundário que possibilite medição sem risco ao operador fazse necessária uma relação de transformação Por exemplo ao se deparar com um TC com informação de relação de transformação nominal igual a 20 se o primário apresentar uma corrente de 100 A em seu secundário teremos uma corrente de 5 A Essa relação pode ser escrita como 10020 5 A sendo que o primeiro elemento 100 é a corrente no primeiro circuito primário 20 é a transformação nominal do TC resultando na corrente do secundário o valor esperado de 5A 1211 Características construtivas dos Transformadores de corrente Os elementos que constituem um TC dependem inteiramente de sua nalidade apresentando modicações em suas estruturas de pendendo do local que será aplicado Os tipos e as características estão descritos a seguir TC tipo Barra UNIUBE 27 Seu enrolamento primário é uma barra xada mediante o núcleo do transformador que por sua vez o envolve Figura 13 Esquema de um TC tipo barra Fonte Ferreira Oliveira 2013 p15 TC tipo Bucha É feita a bucha dos equipamentos com os transformadores e disjun tores e esses elementos funcionam como enrolamento primário Essa bucha é constituída de um núcleo em forma de anel toroidal 28 UNIUBE Figura 14 Esquema de um TC tipo bucha Fonte Ferreira Oliveira 2013 p16 TC tipo Enrolado Esse TC é requisitado quando a relação de transformação é inferior a 2005 Seu enrolamento primário é constituído de uma ou mais es piras dependendo da relação exigida entre primário e secundário UNIUBE 29 Figura 15 Esquema de um TC tipo enrolado Fonte Ferreira Oliveira 2013 p15 TC tipo Janela O próprio condutor forma o circuito primário e é dado o nome jane la pelo seu meio isolante entre o primário e o secundário ser o ar O TC tem como característica uma abertura no meio por onde se passa o condutor 30 UNIUBE Figura 16 Esquema de um TC tipo janela Fonte Ferreira Oliveira 2013 p15 TC de núcleo dividido Semelhante ao TC tipo janela porém com seu núcleo podendo ser basculante permitindo circundar o condutor que será o enrola mento primário por meio da abertura de parte do núcleo Figura 17 Esquema de um TC de núcleo dividido Fonte Ferreira Oliveira 2013 p16 UNIUBE 31 TC com vários enrolamentos primários Tem como característica vários enrolamentos primários que são separados e isolados entre si apresentando apenas um enrola mento secundário Figura 18 Esquema de um TC com vários enrolamentos primários Fonte Ferreira Oliveira 2013 p17 TC com vários núcleos secundários Como o próprio nome diz tem dois ou mais enrolamentos secundá rios todos montados isoladamente e com núcleo próprio O comum a todos os secundários é o condutor tido como primário 32 UNIUBE Figura 19 Esquema de um TC com vários núcleos secundários Fonte Ferreira Oliveira 2013 p17 TC com vários enrolamentos secundários Transformador que tem um núcleo comum envolvido pelos enrola mentos primários e dois ou mais enrolamentos secundários cada um desses isolado entre si Os enrolamentos secundários podem ser ligados em paralelo ou em série aumentando as possibilidades de relações entre primário e secundário Figura 110 Esquema de um TC com vários enrolamentos secundários Fonte Ferreira Oliveira 2013 p18 UNIUBE 33 TC tipo derivação no secundário Apresenta um núcleo envolvido por ambos enrolamentos primário e secundário com o secundário tendo uma ou mais derivações O enrolamento primário pode conter um ou mais enrolamentos sendo garantida a classe de exatidão desse transformador apenas para a derivação que tiver o maior número de espiras Figura 111 Esquema de um TC tipo derivação no secundário Fonte Ferreira Oliveira 2013 p18 1212 Simbologia e convenções Para que o transformador não sofra ou não tenha capacidade de exercer suas funções é necessário que seu circuito primário que irá receber a corrente de carga tenha compatibilidade com tal cor rente Usualmente para o enrolamento secundário são utilizadas correntes nominais iguais a 5A e em casos especiais a m de reduzir a queda de tensão nos os de interligação adotase uma corrente nominal de 1A NBR 6856 A norma que regulamenta e xa as características dos TCs é a NBR 6856 que se destina ao desempenho desses TCs no serviço 34 UNIUBE de medição e proteção A seção 81 NBR 685681 apresenta sim bologias que denem as relações de correntes de um TC Essas simbologias são representadas a seguir Símbolo Função e exemplo Denotar relações nominais dos TCs por exemplo 3001 Para enrolamentos diferentes usase o hífen para sepa ração das correntes nominais por exemplo 3005 A um enrolamento primário e um secundário 3003005 A dois enrolamentos primários e um secundário 30055 A um enrolamento primário e dois enrolamentos secundários x Separar correntes nominais quando se tem mais de um enrolamento primário por exemplo 300 x 605 A correntes primárias nominais cujos enrolamen tos podem ser ligados em série ou paralelo Quando há derivações tanto no primário quanto no enro lamento secundário usase a barra para separar tais cor rentes por exemplo 3004005 A ou 30055 A em que o primeiro exprime derivações no enrolamento primário e o segundo derivações no enrolamento secundário Quadro 11 Sinais para representação de correntes nominais e relações nominais Fonte NBR 6856 Saiba mais A NBR 6856 apresenta a simbologia as condições gerais e as es pecicidades do uso dos TCs bem como os documentos que com plementam e englobam os elementos que constituem os cenários de sua atuação Fonte NBR 6856 UNIUBE 35 1213 Classicação de um TC Transformadores de corrente podem ser classicados para serviço de medição e para proteção bem como por classe e por exatidão Na forma de medição e para proteção a característica principal é transformar grandes cargas de corrente ou energia do primário em quantidades possíveis de serem usadas para medição ou aciona mento de circuito protetor no secundário Os TCs de medição transformam a corrente no enrolamento secun dário em geral até 5 A em que instrumentos podem aferir os valo res sem que tenham conexão elétrica com o primário da instalação Já os TCs de proteção fornecem pelo circuito secundário corren tes que possibilitam o acionamento de relés que protegem o sis tema garantindo a segurança dos operadores e facilitando opera ções de manutenção de componentes como resposta ao sinal de uma variação dada como de falha Pelo fato de acionarem relés os TCs de proteção não devem saturar para correntes de elevado valor como acontece nos TCs de medição Esse fato ocasionaria sinais de corrente duvidosos para a ação dos relés causando atuação indevida por parte desse componente Importante Como já deve ter pensado não devese utilizar um TC de medi ção junto com um TC de proteção e viceversa São construídos transformadores de correntes com vários núcleos uns destinados à proteção e outros à medição mas nunca utilizar os dois tipos de transformadores juntos 36 UNIUBE Os TCs de proteção apresentam classes que são caracterizadas pela impedância de enrolamento no secundário São duas classes Classe A TCs cujo enrolamento secundário tem reatância que deve ser apreciável Enquadramse nessa classe todos os TCs exceto aqueles com núcleo toroidal ou de bucha Classe BTCs cujo enrolamento secundário tem reatância des prezível em relação à reatância total do circuito Enquadram se nessa classe os TCs com núcleo toroidal e de bucha 1214 Exatidão A exatidão em TCs denota nominalmente o erro esperado do transformador considerando a relação de transformação e a de fasagem entre a corrente no enrolamento primário e secundário Para algumas aplicações os erros de exatidão devem se enqua drar conforme valores mostrados a seguir 01 Aferição e calibração de instrumentos de medida de laboratório 03 Alimentação de medidores de demanda e consumo ativo e reativo 06 Alimentação de medidores para acompanhamento de custos industriais 12 Alimentação de registradores grácos amperímetros e relés de impedância diferenciais distância e direcionais 30 Alimentação de relés de ação direta UNIUBE 37 1215 Operação do secundário de um TC Quando há carga ou corrente no primário e uma corrente nula no secundário ou seja um circuito aberto não existirá o efeito de desmagnetização dessa corrente e a corrente de excitação será a própria corrente de entrada Esse evento causa um fuxo magné tico extremamente elevado no núcleo que permite o aquecimento excessivo do núcleo magnético que por sua vez pode ocasionar problemas de isolamento e o curtocircuito do primário com o se cundário e com o terra Outra preocupação com o circuito secundário aberto é a força ele tromotriz induzida nesse enrolamento que devido ao seu valor ele vado pode causar perigo ao operador A forte magnetização do nú cleo poderá alterar as características de funcionamento e precisão para as quais o TC foi projetado Para evitar tais problemas na necessidade de trocar o elemento medidor acoplado ao secundário ou qualquer alteração devese curtocircuitar os terminais do secundário com um condutor de bai xa impedância como um o de cobre Parada para refexão Com todos os problemas mencionados que o secundário aberto de um TC pode ocasionar seria uma solução o uso de um fusível Não é aconselhável a utilização de um fusível para curtocircuitar o secundário de um TC pois o secundário tornase um circuito aber to se por algum motivo ocorrer a queima do fusível 38 UNIUBE 122 Transformadores de potencial É possível fazer a analogia entre transformador de corrente e trans formador de potencial de tal forma que o primeiro é relacionado à cor rente e o segundo à tensão Assim os transformadores de potencial apresentam enrolamento primário e secundário mas com a nalida de de transformar grandes tensões em tensões menores para serem medidas ou usadas por aparelhos de medição e proteção TPs permitem que instrumentos de medição e proteção funcionem sem a necessidade de apresentar características de isolação elétri ca da rede a qual estão ligados no enrolamento primário Esse fator faz com que o preço de aparelhos de medição seja muito menor do que aqueles necessários para medir os valores integrais da rede Em geral a construção desses transformadores é projetada na forma de um enrolamento primário com muitas espiras e um enrolamento se cundário com uma quantidade menor de espiras calculado para a ten são desejada Normalmente são utilizadas tensões de 115 V ou 1153 V mas em aparelhos antigos podem ser encontradas tensões secun dárias de 110 V 120 V ou 125 V NBR 6855 Nesses valores de tensão inferiores os instrumentos de medição e proteção como voltímetros relés de tensão bobinas de tensão e medidores de energia podem trabalhar de forma satisfatória e com baixa tensão de isolação reduzindo o custo desses instrumentos 1221 Transformador de potencial do tipo indutivo Para uma tensão de até 138 kV optase pelos transformadores de potencial do tipo indutivo por terem seu custo inferior ao do tipo capacitivo A construção desses TPs do tipo indutivo é realizada UNIUBE 39 por um núcleo de ferrosilício envolto pelo enrolamento primário e secundário isolados um do outro Existem três grupos de ligações possíveis nos TPs indutivos cujas características dependem da utilização da tensão que suportada e da ligação dos enrolamentos A NBR 6855 norma que regulamenta as especicações de TPs indutivos classica esses grupos das seguintes formas Grupo 1 para sistemas de até 345 kV e ligação entre fases Deve ser capaz de suportar tensões de até 10 de sobrecar ga continuamente Grupo 2 projetado para ligação entre fase e neutro de siste mas diretamente aterrados Grupo 3 projetado para ligação entre fase e neutro de sistemas em que não se garante a eciência de aterramento do sistema Saiba mais A NBR 6855 xa as características de desempenho de transor madores de potencial indutivos destinados a serviços de medição controle e proteção FonteElaborado pelo autor 1222 Transformador de potencial do tipo capacitivo Para tensões iguais ou superiores a 138 kV os TPs do tipo ca pacitivo são construídos com a utilização de dois conjuntos de 40 UNIUBE capacitores que fornecem um divisor de tensão O TP é composto por um divisor capacitivo ligado entre fase e terra As células do divisor capacitivo que formam o condensador são ligadas em série e o conjunto ca imerso no interior de um invólucro As classicações dos TPs capacitivos são de acordo com o erro que introduzem nos valores medidos no secundário ou seja sua exatidão Para se determinar a classe de exatidão de um TP ca pacitivo são realizados ensaios com carga e vazio com valores padronizados por norma Segundo a NBR 6855 as classes de exatidão podem ser de 01 03 06 e 12 Os ensaios para determinação da classe de exatidão compreendem o TP capacitivo atuar sob tensão nominal 90 da tensão nominal e 110 da tensão nominal 1223 Simbologia e convenções Assim como nos TCs a NBR 6855 dene a simbologia dos TPs como é mostrado a seguir UNIUBE 41 Símbolo Função e exemplo Denotar relações nominais dos Tps por exemplo 1201 Para enrolamentos diferentes para separação das relações nominais e tensões primárias por exemplo 13800115 V x Separar tensões primárias nominais quando se tem mais de um enrolamento primário por exemplo 6900 x 13800115 V tensões primárias nominais cujos enro lamentos podem ser ligadas em série ou paralelo Quando há derivações tanto no primário quanto no en rolamento secundário a barra é utilizada para separar tais tensões por exemplo 138001151153 em que exprime derivações no enrolamento secundário Quadro 12 Sinais para representação de tensões nominais e relações nominais Fonte NBR 6855 Nos próprios TPs existem letras identicando os terminais de liga ção tanto no primário quanto no secundário Essas letras indicam a polaridade para a qual foram construídas e seus respectivos índi ces H1 e H2 primário X1 e X2 secundário Considerações nais Neste capítulo conseguimos caroa alunoa abordar a impor tância da proteção de sistemas elétricos de potência no cenário brasileiro com informações atualizadas que enfatizam a necessi dade de contínuos estudo projeto e atualização dos SEP Dentre as justicativas para isso podem ser citados os diversos eventos conhecidos como blecautes ou apagões relacionados à falta de planejamento investimento manutenção ou operação 42 UNIUBE De forma breve foram abordados os aspectos considerados na proteção assim como na análise e nas características generaliza das da proteção O estudo acerca dos elementos de proteção de um sistema elétrico de potência teve início com os transformadores redutores de tensão e ltro O conteúdo abordou as características do transformador de corrente TC e do transformador de potencial TP com base na norma vigente NBR 6856 O transformador de corrente como característica de funcionamento tem induzido no seu circuito secundário uma corrente proporcional à corrente que passa pelo enrolamento primário Essa relação de espiras entre primário e secundário faz com que o TC seja capaz de medir gran des quantidades de corrente por meio de uma relação que geralmente leva a corrente no secundário a ter um valor padrão usualmente 5 A As características construtivas e a utilização de diversos tipos de TCs oram explicadas juntamente com a simbologia a classica ção e a exatidão desse elemento Observouse a importância de curtocircuitar o secundário de um TC para que ele opere correta mente não causando risco ao operador ou alterando suas carac terísticas de funcionamento e precisão Para o transformador de potencial realizouse uma analogia com o transformador de corrente de tal forma que o TC é relacionado à corrente e o TP à tensão Assim os transformadores de potencial apresentam enrolamento primário e secundário mas com a nali dade de transformar grandes tensões em tensões menores para serem medidas ou usadas por aparelhos de medição e proteção A construção dos transformadores de potencial indutivos e capa citivos suas aplicações e características próprias foram listadas com base na NBR 6856 Assim cabe ao projetista analisar qual a aplicação e determinar o modelo a ser utilizado Capítulo 2 Relés de sobrecorrente e suas aplicações Luis Guilherme Gimenez de Souza Introdução Queridoa alunoa neste capítulo Relés de sobrecorrente e suas aplicações continuaremos o estudo do conteúdo referente à disciplina Proteção de Sistemas Elétricos O conteúdo da disciplina abordou até o presente capítulo a importância da proteção de sistemas elétricos de potência SEP transformadores redutores de tensão e filtro Ainda serão abordados os tópicos de relés de sobrecorrente e distância com suas respectivas aplicações teleproteção de linhas de transmissão e coordenação de sistemas de proteção proteção de transformadores geradores barramentos e motores de indução de grande porte além de novas tecnologias aplicadas à proteção de sistemas de potência Neste capítulo iniciase o estudo dos principais equipamentos dos sistemas elétricos o relé de proteção Responsável pela retirada rápida do elemento em curtocircuito ou em operação anormal observase que o relé é o dispositivo sensor responsável por comandar a abertura do disjuntor quando um sistema elétrico protegido opera em condições anormais de funcionamento Para padronizar os dispositivos de proteção a norma ANSIIEEE C372 é apresentada e será utilizada neste Conhecer os princípios básicos de um relé de sobrecorrente Compreender as curvas características de tempo em relés de sobrecorrente Objetivos e nos próximos capítulos quando um novo dispositivo for apresentado para estudo O relé de sobrecorrente foco deste capítulo tem seus tipos de atuação instantâneo e temporizado abordados juntamente com as suas curvas características de tempo O modelamento dessa característica comenta acerca das curvas desenvolvidas por fabricantes de equipamentos de proteção ou normatizadas por entidades como as normas IEC 60255 151 e IEEE C37112 Aseção relacionada aos tipos de relés de sobrecorrente aborda as características construtivas de atuação e instalação além de aplicação e conceitos básicos para ajuste da corrente de acionamento O relé de sobrecorrente direcional um relé de sobrecorrente com características de identicação do sentido de fuxo de energia é abordado com o objetivo de melhorar a proteção do SEP e as condições para sua coordenação É importante destacar que o estudo relacionado à proteção de sistemas elétricos de potência não deve ser restrito ao material ou ao conteúdo aqui apresentado Utilize outros livros e busque maiores informações para ampliar o seu conhecimento principalmente quando o assunto abordado é de interesse ou de grande utilidade para você 1 RELÉS DE SOBRECORRENTE E SUAS APLICAÇÕES 11 Princípios básicos 12 Tipos de relés de sobrecorrente 121 Aspectos construtivos 1211 Eletromecânico 1212 Estático 1213 Digital 122 Atuação do circuito a proteger 1221 Direta 1222 Indireta 123 Instalação 1231 Primário 1232 Secundário 13 Ajuste 131 Relé de sobrecorrente instantâneo 50 132 Relé de sobrecorrente temporizado 51 1321 Relé de sobrecorrente temporizado de tempo denido 1322 Relé de sobrecorrente temporizado de tempo inverso 14 Relé direcional Esquema Identicar os tipos e as tecnologias de relés de sobrecorrente Noção básica de ajuste de relés de sobrecorrente 46 UNIUBE Como visto anteriormente a limitação dos efeitos devido às falhas inclui a existência de relés disjuntores e outros dispositivos com capacidade suciente de interrupção além da limitação da magni tude da corrente de curtocircuito e de outras características deni das em projeto Segundo Cotosck 2007 p28 e Caminha 1977 p7 os relés de proteção principais equipamentos de proteção dos sistemas elé tricos têm como função principal a retirada rápida do elemento quando este está em curtocircuito ou operação anormal de fun cionamento impedindo que o problema se propague ou interra na correta operação de outros elementos do sistema Assim o relé é o dispositivo sensor responsável por comandar a abertura do disjuntor quando um sistema elétrico protegido opera em condições anormais de funcionamento Durante seu funcionamento o relé recebe informações do sistema elétrico protegido sob a forma de corrente e tensão provenientes dos transformadores de corrente TC e de tensão TP Por meio da combinação dessas grandezas são obtidas informações de po tência impedância ou ângulo de fase O relé deverá atuar de modo a realizar a operação para a qual oi projetado e congurado caso seja sensibilizado pelas condições anormais de funcionamento apresentadas pelo sistema protegido A atuação desse componente é caracterizada pelo envio de um si nal que resultará na combinação das seguintes ações sinalização alarme bloqueio ou abertura de disjuntores Assim o comando 21 Relés de sobrecorrente e suas aplicações UNIUBE 47 de abertura ou disparo do disjuntor realizado pelo relé isola a parte defeituosa do sistema Segundo Mamede Filho e Mamede 2011 p 256 o relé represen ta uma gama numerosa de equipamentos e dispositivos com as mais diferentes formas de construção e operação para aplicações diversas dependendo da importância do porte e da segurança da instalação considerada Parada obrigatória Devido à grande quantidade de dispositivos e suas respec tivas características a ANSI American National Standards Institute e o IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers padronizaram na norma C372 os códigos dos dispo sitivos de proteção Assim tais equipamentos são referidos por nú meros com suxos de letras quando necessário de acordo com as funções que realizam e utilizados em esquemas de conexão encontrados em manuais de instruções e em especicações A seguir o Quadro 21 apresenta alguns códigos e as respectivas descrições funcionais padronizados lembrando que a lista comple ta com códigos descrição uncional e suxos pode ser encontrada na norma ANSI IEEE C372 48 UNIUBE Código Descrição funcional 1 Elemento principal 2 Função de partidafechamento temporizado 4 Contator principal 6 Disjuntor de partida 21 Relé de distância 50 Relé de sobrecorrente instantâneo com diversas possibilida des de suxos como N neutro e BF alha de disjuntor 51 Relé de sobrecorrente temporizado com diversas possibili dades de suxos como N neutro e GS sensor de terra 52 Disjuntor de corrente alternada 67 Relé direcional de sobrecorrente 87 Proteção dierencial com as diversas possibilidades de suxos como B barra T transformador G gerador e L linha 89 Chave seccionadora Quadro 21 Código e descrição funcional de dispositivos de proteção Fonte ANSIIEEE C372 211 Princípios básicos Os relés de sobrecorrente constituem um dos tipos de função de proteção e têm como grandeza de atuação uma ou mais corretes dentre as correntes de fase ou a corrente de neutro do sistema A atuação do relé ocorrerá quando a corrente atingir um valor igual ou superior ao ajuste previamente estabelecido No caso de serem usados para proteção de circuitos primários os relés de sobrecor rente são ligados de forma indiretapor meio de transformadores de corrente TC ALMEIDA 2008 p 33 UNIUBE 49 A atuação do relé pode acontecer da forma instantânea função 50 ou temporizada função 51 dependendo da necessidade e podem ser de fase ou de terra Assim os relés de fase são utiliza dos para proteção contra curtos que envolvam mais de uma fase curtos trifásico bifásico e bifásicoterra enquanto o relé de terra para proteção contra curtos faseterra Quanto ao tempo de atuação dos relés de sobrecorrente são uti lizadas curvas características desenvolvidas por fabricantes de equipamentos de proteção ou normatizadas por entidades como IEC e IEEE Essas curvas são a forma utilizada pelos equipamen tos para detectar uma falha e a partir da corrente percorrida no relé por um determinado tempo eliminála Segundo Cotosck 2007 p32 os relés de sobrecorrente podem ope rar com característica de tempo denido ou com característica inversa A Figura 21 a seguir ilustra a curva característica de tempo denido em que o relé opera após o tempo de atuação Ta para qualquer valor de corrente maior ou igual à corrente mínima de atuação Imin Figura 21 Curva característica de tempo denido Fonte Guarani 2007 p 16 50 UNIUBE A Figura 22 ilustra a curva característica de tempo inverso em que o relé opera após intervalos de tempo decrescentes com os valores de corrente maiores ou iguais que a corrente mínima de atuação corrente de partida ou starting current Figura 22 Curva característica de tempo inverso Fonte Guarani 2007 p 16 As curvas de tempo inverso são classicadas em três grupos normalmente inversa NI muito inversa MI e extremamente inversa EI A Figura 23 ilustra o comportamento de cada uma dessas curvas UNIUBE 51 Figura 23 Curvas características normalmente inver sa NI muito inversa MI e extremamente inversa EI Fonte Almeida 2008 p 45 A equação que dene tais curvas apresenta pequenas variações entre os modelos usuais de alguns fabricantes IEC 60255151 e IEEE C37112 conforme comentado anteriormente Seguindo a norma IEC 60255151 por exemplo essas curvas são denidas a partir de equações exponenciais do tipo Sendo que k1 e k2 são constantes que denem os grupos NI MI e EI da curva característica 52 UNIUBE I é corrente que chega ao relé por meio do secundário de um TC IS é corrente de ajuste ou de partida TMS são valores numéricos responsáveis por deslocar as curvas características ao longo do eixo do tempo Grupo k1 k2 Normalmente inversa 014 002 Muito inversa 135 1 Extremamente inversa 80 2 As curvas características de tempo inverso são traçadas em gráco dilog log x log e como ilustrado na Figura 24 com o valor de início no eixo das abscissas comumente em 15x I IS Usualmente os catálogos disponibilizam 10 curvas com valores de TMS A Figura 24 ilustra a equação e as curvas com característica normalmente inversa NI de um relé UNIUBE 53 Figura 24 Equação e curvas características de tempo normalmente inversa Fonte Relés 2017 online Ampliando o conhecimento As normas IEC 60255151 e IEEE C37112 apresentam as para metrizações das curvas características dos relés de sobrecorrente e outras informações importantes para aumentar o conhecimento acerca do tema 212 Tipos de relés de sobrecorrente Os relés de sobrecorrente podem ser caracterizados com relação ao tempo de atuação em instantâneo ou temporizado como vis to anteriormente Outras classicações desses relés consideram aspectos construtivos atuação do circuito a proteger e instalação 54 UNIUBE 221 Aspectos construtivos 211 Eletromecânico Um relé de sobrecorrente mecânico é projetado elaborado e cons truído com base nos movimentos mecânicos provenientes de aco plamentos elétricos e magnéticos Utilizando os princípios de atra ção e indução eletromagnética os relés eletromecânicos foram os primeiros relés utilizados em sistemas de proteção O relé de atração eletromagnética é simples com funcionamento similar ao de um eletroímã Quando uma corrente com valor su perior circula pelo solenoide o dispositivo acoplado ao solenoide é deslocado e promove o fechamento do contato de forma instan tânea sem retardo proposital na atuação A Figura 25 ilustra o mecanismo de funcionamento do relé de atração eletromagnética Figura 25 Mecanismo de funcionamento do relé de atração eletromagnética Fonte Cotosck 2007 p 36 UNIUBE 55 O relé de indução eletromagnética utiliza o mesmo princípio de um motor elétrico A corrente que circula nos polos produz um fuxo magnético defasado e consequentemente induz uma corrente no disco A interação do fuxo com a corrente no disco resulta em um torque que rotaciona essa estrutura e promove o fechamento do seu contato móvel possibilitando alterar o tempo de fechamento dos contatos por meio da modicação do tempo de seu percurso A Figura 26 ilustra o mecanismo de funcionamento do relé de indu ção eletromagnética Figura 26 Mecanismo de funcionamento do relé de indução eletromagnética Fonte Cotosck 2007 p 36 56 UNIUBE 2212 Estático Com o advento dos dispositivos eletrônicos o relé deixou de apre sentar movimentação mecânica em seu mecanismo de atuação e todos os comandos e as operações são realizados eletronicamen te Em comparação ao modelo eletromecânico o relé estático é mais rápido sensível e preciso apresenta menor tamanho consu mo e grau de manutenção Contudo devido a sua sensibilidade o relé estático pode operar indevidamente em virtude de variações de pequenos transientes quando aplicados para proteção de SEP ou industriais Além disso a grande maioria desses relés controla um relé auxiliar mecânico para abertura ou fechamento Enquanto os problemas dos relés estáticos eram efetivamente re solvidos os relés digitais dominaram o mercado devido às carac terísticas e funções substituindo os relés eletromecânicos e estáti cos em novos projetos e atualização de aplicações 2213 Digital Um relé digital utiliza como base o microprocessador cuja fexibilidade permite ao mesmo relé exercer diferentes funções como controle armazenamento dos dados amostrados informação de eventos e di ferentes funções de proteção Assim dentro da capacidade ou da dis ponibilidade de hardware do relé a alteração de parâmetros e funções é realizada mediante programas computacionais software Segundo Almeida 2008 p35 com relação aos relés eletromecâ nicos os relés digitais apresentam as seguintes vantagens UNIUBE 57 Automonitoramento autodiagnóstico Detecção e diagnóstico de faltas Permite o desenvolvimento de novas funções e métodos de proteção Compartilha dados por meio das redes de comunicação Proporciona melhor interface homem x máquina IHM Permite redução das interferências do meio ambiente sobre as condições operativas dos equipamentos Redução nos custos conforme a tecnologia é disseminada O modelo digital apresenta contudo vida útil reduzida 10 a 15 anos quando comparado ao modelo eletromecânico acima de 30 anos além de estar sujeito à interferência eletromagnética e tor narse obsoleto de forma rápida devido ao avanço no desenvolvi mento de novos hardwares para os relés Como comentado anteriormente o relé digital pode apresentar di ferentes funções integradas com o sistema de energia elétrica que variam com o modelo mas podese listar medição controle automação e proteção comunicação com outros pontos do sistema interface homemmáquina aquisição processamento e armazenamento de dados 58 UNIUBE análise de sequência de eventos ações de controle de sistema montagem de registros dos dados adquiridos elaboração de relatórios O relé digital possibilita uma grande variedade de funções e curvas de proteção para as três fases de um sistema trifásico em um único equipamento algo impossível com o relé eletromecânico Assim os intervalos de coordenação podem ser reduzidos resultando em eliminação mais rápida do deeito aumento da conabilidade ao sistema redução das taxas de interrupção de energia etc Devido à medição de corrente e tensão conguração da lógica de proteção e armazenamento serem digitais a utilização de relé di gital facilita a aplicação da teleproteção por meio dos sistemas de comunicação entre relés A Figura 27 ilustra o relé digital Siemens 7SJ61 como exemplo UNIUBE 59 Figura 27 Relé digital Siemens 7SJ61 Fonte Siemens 2017 online Saiba mais Com base no exemplo verique maiores inormações acerca do relé digital Siemens 7SJ61 em seu manual disponível em ht tpswwwdownloadssiemenscomdownloadcenterDownload aspxposdownloadfctgetassetid1DLA06745 e em tuto riais de testes como indicado em CONPROVE 2014 Fonte Elaborado pelo autor 60 UNIUBE 222 Atuação do circuito a proteger 2221 Direta O relé de sobrecorrente é classicado como de atuação direta do circuito a proteger quando a ação de proteção ocorre diretamente no dispositivo que realiza a abertura ou o fechamento dos polos do disjuntor Desse modo o próprio relé libera a energia a ser utilizada na ação de abertura ou fechamento 2222 Indireta O relé de sobrecorrente é classicado como de atuação indireta quando não atua diretamente no dispositivo que realiza a abertura ou o fechamento dos polos do disjuntor A atuação desse relé limi tase a fechar ou a abrir um contato que ativa energiza ou transfe re para outro circuito a responsabilidade de providenciar o aciona mento do disjuntor Para aplicação indireta é comum a utilização de um circuito de cor rente contínua alimentado por baterias para acionamento do disjun tor A Figura 28 ilustra um esquema de atuação indireta de relé UNIUBE 61 Figura 28 Esquema de atuação indireta de relé Fonte Almeida 2008 p 39 223 Instalação 2231 Primário O relé que apresenta sua bobina magnetizante conectada direta mente à rede é denominado relé primário Essa bobina contudo apresenta o mesmo potencial da rede e deve suportar a corrente de curtocircuito colocando em risco a segurança do operador e dicultando as tareas de inspeção manipulação e manutenção Esse relé é utilizado principalmente em circuitos terminais de car gas industriais por ser simples robusto e barato 62 UNIUBE 1232 Secundário O relé que apresenta sua bobina magnetizante conectada por meio do enrolamento secundário de um transformador de corrente TC é denominado relé secundário Nesse caso o relé não apresen ta elevados níveis de tensão e corrente trabalhando com maior índice de segurança para o operador e podendo ser aplicado em diferentes sistemas elétricos 23 Ajuste A corrente de ajuste dos relés de sobrecorrente depende de seus aspectos construtivos Os relés eletromecânicos dependem de al terações físicas em seus componentes como ajuste na mola de operação variação do entreferro ou da bobina magnetizante Nos relés estáticos a alteração pode ser realizada com a variação dos elementos do seu circuito Para os relés digitais os ajustes são re alizados por meio de aplicativo ou software ALMEIDA 2008 p40 Como comentado anteriormente o relé eletromecânico é composto por partes móveis e depende do comportamento de muitos elemen tos para sua correta operação como atrito temperatura umidade desgaste etc Descartando tais fatores existe um valor mínimo de campo magnético necessário para produzir uma força magnética com mesma intensidade da força mecânica de retenção colocando o relé no início de sua operação esse valor é denominado limiar de operação do relé Sabendose da existência dos atores que infuenciam o uncionamen to do relé considerase uma margem de segurança na denição da corrente mínima de ajuste de forma a garantir o seu acionamento UNIUBE 63 Por outro lado os relés digitais não dependem do comportamento dos mesmos elementos limitando o ajuste à programação via sof tware das especicações da curva de operação e lógica de controle Um termo comum no ajuste de relés de sobrecorrente é TAPE de nido como a escala de corrente escolhida no relé também conheci do como a corrente de ajuste do relé Assim para manter a mesma força necessária para deixar o relé no limiar de operação para di versos valores de corrente de TAPE do relé o ajuste da corrente de atração é realizado pela mudança de tape da bobina magnetizante O múltiplo M do tape indica quantas vezes a corrente de defeito é maior que a corrente relativa ao tape adotado e é denido como A menor corrente capaz de fazer o relé operar é denominada cor rente de pickup deixando o relé no limiar de operação sendo con siderada como a corrente efetiva de ajuste do relé Por outro lado a maior corrente capaz de iniciar o processo de desoperação do relé é denominada corrente de dropout 131 Relé de sobrecorrente instantâneo 50 Como comentado anteriormente o relé de sobrecorrente instantâ neo atua sem o retardo intencional ou seja seu tempo de atuação é relacionado à movimentação dos seus mecanismos de operação 64 UNIUBE Devido ao relé não apresentar tempo de retardo o seu ajuste deve ser realizado de forma a evitar a atuação de outros relés a jusante relés que estejam mais próximos da carga nal Assim calcula se a corrente de ajuste do relé de sobrecorrente instantâneo para que exista seletividade e de modo que não ocorra sobreposição da zona de atuação Geralmente a corrente do relé instantâneo é ajustada para 85 do curtocircuito trifásico da linha de transmissão protegida ou seja 232 Relé de sobrecorrente temporizado 51 Como comentado anteriormente o relé de sobrecorrente tempori zado atua com o retardo intencional podendo ser de tempo deni do ou de tempo inverso 2321 Relé de sobrecorrente temporizado de tempo defnido A atuação dos relés de tempo denido ocorre após tempo previa mente escolhido de acordo com a coordenação implementada De coordenação simples a utilização de relés de tempo denido utiliza o relé mais próximo da carga nal com o menor ajuste de tempo possível enquanto aqueles mais próximos das fontes de tensão apresentam incremento de Δt a cada relé a montante relés que estejam mais próximos da fonte de tensão UNIUBE 65 Contudo a utilização desse tipo de coordenação apresenta tempo de operação elevado o circuito demora para desarmar para cor rentes provenientes de um curtocircuito próximo a uma fonte de tensão justamente onde são mais perigosos 2322 Relé de sobrecorrente temporizado de tempo inverso Os relés de sobrecorrente temporizados de tempo inverso uti lizam uma curva de atuação não um tempo xo ou denido relacionada com as características e condições de coordenação dos relés Dentro das possibilidades de curvas inversa muito inversa e extremamente inversa encontramse diferentes incli nações referentes às características individuais de cada fabri cante da norma relacionada diferentes comprimentos da linha de transmissão e outras Segundo Almeida 2008 p44 a escolha do grau de inclinação da curva é determinada pelos comprimentos das linhas protegidas As linhas curtas são associadas a uma característica extremamente inversa ao relé de sobrecorrente visto que o nível de curtocircuito é praticamente o mesmo ao longo de toda a linha As característi cas muito inversa e inversa são relacionadas às linhas de compri mento médio e longo respectivamente Dentre os modelos com diferentes aspectos construtivos apresen tados sabese que os relés eletromecânicos não apresentam bom desempenho no fechamento do seu contato para o intervalo de múltiplos de 10 a 15 Para evitar que o relé opere nessa região ajustase a corrente do relé pickup segundo a equação 66 UNIUBE O fator 15 que multiplica a corrente nominal de carga deixa uma fol ga para possíveis futuações e transerência de carga ou manobras na conguração da rede sem a atuação do relé Escolhendo uma corrente de ajuste com valor próximo ao limite inferior da equação aumentase a garantia de atuação na faixa de alcance de sua pro teção pois o relé terá um ajuste maior que seu limiar de operação para uma mínima corrente de curtocircuito No outro termo da equação o fator 15 que divide a corrente de cur tocircuito mínimo garante que a menor corrente de curtocircuito seja 15 vezes o limiar da operação Ampliando o conhecimento Outros tipos de relé de sobrecorrente apresentam grande importân cia e são amplamente utilizados na proteção de sistemas elétricos como o relé de sobrecorrente temporizado com elemento instantâ neo e o relé de sobrecorrente de neutro sequência zero Busque em bibliograas como Kindermann 1999 o conteúdo relacionado a tais dispositivos aplicações critérios de ajustes e outros 24 Relé direcional 67 O relé de sobrecorrente direcional apresenta sensibilidade ao sen tido do fuxo de energia em relação a sua reerência de polarização UNIUBE 67 previamente estabelecida permitindo uma melhor proteção do SEP e das condições para sua coordenação Assim o relé direcional necessita de uma grandeza utilizada como referência de polarização geralmente a tensão e uma grandeza de operação função normalmente exercida pela corrente A comparação fasorial das posições relativas da referência de po larização e da grandeza de operação denem a derecionalidade do relé produzindo o sentido do fuxo de energia de operação ou do curtocircuito Como a tensão é comumente utilizada como refe rência de polarização a corrente a grandeza de operação VPOL e IOP serão adotados para a análise do diagrama vetorial fasorial de funcionamento do relé direcional como na Figura 29 Figura 29 Diagrama vetorial fasorial de funcionamento de um relé direcional Fonte Guarani 2007 p 20 A Figura 29 ilustra um diagrama fasorial com ângulo de máximo torque sensibilidade máxima igual a τ sempre relacionado à ten são de polarização referência e a linha do conjugado nulo região de não atuação é localizada 90 dessa linha 68 UNIUBE Como as condições de operação do relé direcional dependem da polaridade dos circuitos de tensão e corrente amostrados por seus respectivos TP e TC sua conexão com um sistema elétrico trifásico pode ser realizada de diversas maneiras O tipo de conexão ligação ou polarização é determinado pelo ân gulo entre a tensão de referência de polarização e a corrente do cir cuito de operação Considerando o sistema com fator de potência unitário e sequência positiva direta os tipos de polarização mais comuns são quadratura ou 90 60 e 30 Utilizando a tensão da fase A VAN como referência para o diagrama fasorial a tensão de polarização em quadratura 90 é dada por A Figura 210 ilustra o diagrama fasorial da polarização em qua dratura juntamente com seu diagrama unilar em que é possível observar o ângulo de defasagem de 90 entre VBC e VAN UNIUBE 69 Figura 210 Diagrama fasorial da polarização em quadratura e diagrama uni lar de conexão do relé de sobrecorrente direcional para essa conexão Fonte Guarani 2007 p 21 Utilizando o mesmo raciocínio para os relés direcionais de outras fases é necessário realizar a devida rotação das fases Assim por exemplo o relé diferencial da fase C polarizado em quadratura uti liza a tensão de polarização VAB Utilizando novamente a tensão da fase A VAN como referência para o diagrama fasorial a tensão de polarização a 60 do relé di recional de fase A é dada por VAN VBN ou VCN Do mesmo modo a tensão de polarização a 30 do relé direcional de fase A é dada por VAC 70 UNIUBE Saiba mais Procure desenvolver o diagrama asorial e o diagrama unilar de conexão do relé de sobrecorrente direcional para as polarizações a 60 e 30 Fonte Elaborado pelo autor A Figura 211 ilustra uma conguração em anel sendo que a coor denação da proteção utiliza unidades direcionais em cadeia dupla exceto para os relés da fonte As setas sobre cada uma das repre sentações dos relés indicam para qual sentido de corrente os relés apresentam sensibilidade Figura 211 Diagrama unilar de um sistema em anel com alta no ponto P Fonte Duarte 2013 p 31 Considerando os tempos de atuação dos relés TF TE TA T1 e Ta Tb T2 caso ocorra uma falha no ponto P observa se que a corrente de falha IP percorre os relés de sobrecorrente UNIUBE 71 direcionais A B C D e E O mesmo acontece com a corrente de falha IP mas relacionada ao relé de sobrecorrente direcional f Assim o relé f atuará devido à corrente IP enquanto o relé E atuará devido à corrente IP resultando na abertura desses dois disjunto res e isolando o ponto de falha P Por serem direcionais os relés que atuam nos disjuntores a b c d e e não são sensíveis à cor rente de falta IP De forma análoga e independente do seu valor o relé que atua no disjuntor F não é sensível à corrente de falta IP Considerações nais Neste capítulo caroa alunoa abordamos a utilização do relé de sobrecorrente como elemento básico para a realização da proteção de um sistema elétrico de potência SEP e de sua designação dentro da norma de dispositivos de proteção ANSIIEEE C372 Nessa mesma tabela foram destacados elementos que serão utili zados nos próximos capítulos e que também apresentam grande importância para a proteção de SEP Devido às suas características os relés de sobrecorrente instantâ neo 50 e temporizado 51 foram foco neste estudo Com opções de curvas características de tempo denido e inverso observou se a caracterização e a existência de diferenças em tais parâme tros segundo dados de fabricantes e das normas IEC 60255151 e IEEE C37112 Com relação aos tipos de relés de sobrecorrente foram considera dos os aspectos construtivos eletromecânico estático e digital a atuação do circuito a proteger e a instalação do dispositivo 72 UNIUBE A sessão de ajuste da corrente de pickup para atuação do relé de sobrecorrente abordou conceitos básicos e comentou acerca da corrente de ajuste para os relés de sobrecorrente instantâneo temporizado de tempo denido e de tempo inverso Mesmo não sendo abordado no conteúdo foi solicitado o estudo do relé de sobrecorrente temporizado com elemento instantâneo 5150 e do relé de sobrecorrente neutro sequência zero devido à grande im portância e à ampla utilização deles Ao nal do capítulo oi abordado o relé de sobrecorrente direcional item de grande importância para a proteção de sistemas elétricos de potência como na conguração de ligação em anel De grande importância observouse a polarização do relé direcional por meio da análise do diagrama fasorial vetorial das grandezas de polari zação e operação A utilização de um rápido exemplo ao nal do capítulo concluiu o raciocínio desenvolvido a respeito do tema e observouse a neces sidade de um estudo detalhado acerca da coordenação de siste mas de proteção Capítulo 3 Relés de distância e suas aplicações Luis Guilherme Gimenez de Souza Introdução Olá alunoa Neste capítulo Relés de distância e suas aplicações continuaremos o estudo do conteúdo referente à disciplina Proteção de Sistemas Elétricos O conteúdo da disciplina abordou até o presente capítulo a importância da proteção de sistemas elétricos de potência SEP transformadores redutores de tensão e relés de sobrecorrente Ainda serão abordados os tópicos de relés de distância e sua aplicação teleproteção de linhas de transmissão e coordenação de sistemas de proteção proteção de transformadores geradores barramentos e motores de indução de grande porte além de novas tecnologias aplicadas na proteção de sistemas de potência Neste capítulo será apresentado o funcionamento de um relé de distância com a análise de seu funcionamento no sistema de proteção de forma geral e em sua utilização como proteção de linhas de transmissão ou sistema de potência Dentre os relés de distância são objetos de estudo os tipos eletromecânico impedância e reatância e digital Para os relés de distância eletromecânicos são apresentadas e estudadas curvas características para os tipos à impedância e à reatância além de algumas equações dos modelos com seus torques e funcionamentos 74 UNIUBE Conhecendose os princípios de funcionamento de um relé de distância o relé de distância digital é caracterizado por suas funções que vão da proteção medição monitoramento a compensações no tempo de fechamento de disjuntores em sua lógica de proteção Assim os relés de distância digitais são equipamentos de alto desempenho e apresentam interface por software dedicado Contudo para todo o sistema que necessita realizar medições ou amostragem de sinais nos sistemas elétricos de potência existem fatores que causam perturbações e consequentemente podem prejudicar o bom funcionamento de dispositivos e sistemas de proteção Alguns erros de medida são encontrados na utilização desses relés os quais serão listados ao nal do capítulo Vale destacar que o estudo relacionado à proteção de sistemas elétricos de potência não deve ser restrito ao material ou ao conteúdo apresentado Utilize outros livros e busque maiores informações para ampliar o seu conhecimento principalmente quando o assunto abordado é de interesse ou de grande utilidade para você UNIUBE 75 Aprender o que é e como se comporta um relé de distância Distinguir e entender os diferentes tipos de relés Identicar qual relé eletromecânico é mais indicado para situações diversas Conhecer as causas de perturbação nas medições des ses aparelhos 1 Entendendo o funcionamento de um relé de distância 2 Relés de Distância Eletromecânicos 21 Tipos de relés de distância eletromecânicos 211 Relé de distância à impedância ou Relé OHM 212 Relé de Distância à Reatância 213 Relé de Distância à Admitância ou Relé MHO 22 Indicações dos Relés de Distância 3 Relé de distância digital 31 Unidade de medida de distância 32 Unidade de supervisão para frente e para trás 4 O que pode causar perturbação de medição Objetivos Esquema 76 UNIUBE Caroa alunoa relés são elementos constituídos de bobinas de tensão e corrente armadura de ferro e um disco de indução fazen do com que sua aplicação seja como um interruptor no caso um interruptor eletromecânico em que a corrente elétrica que passa pela bobina cria um campo magnético que atrai a chave a ala vanca ou o tipo de elemento mecânico que será responsável pela mudança de estado aberto ou fechado mudando o caminho que a corrente seguiria O nome relé de distância é dado pois são elementos capazes de determinar a impedância quando há ocorrência de curtocircuito a impedância é diretamente proporcional à distância entre o ponto de instalação do relé e o ponto de defeito por isso o seu nome A característica que torna esses elementos tão importantes para sistemas de proteção é o fato de serem isolados primário e se cundário acarretando assim grande conabilidade e seguran ça para linhas de transmissão e para a necessidade de opera ções de manutenção Um modelo muito conável de proteção é o que compara a cor rente que entra em circuitos ou equipamentos protegidos com a corrente que sai deles Porém quando se fala em linhas de transmissão o comprimento dos condutores geralmente bastan te longos inviabiliza a prática de comparar a corrente que entra na linha com a corrente que sai Os relés de distância comparam a corrente no local onde eles são instalados com a tensão tam bém local ambas no início da linha da fase correspondente ao invés de fazer a comparação inviável da corrente do início com a do nal da linha como antes dito 31 Desenvolvimento UNIUBE 77 Da comparação entre V tensão e I corrente resulta Z impedân cia na relação a seguir Z VI Para exemplicar a relação de tensão e corrente com a distância onde um deeito pode ocorrer supomos na gura a seguir uma rede monofásica em que circula uma corrente I P é o ponto onde o relé é posicionado D onde ocorre o defeito e z a impedância de cada condutor PD Figura 31 Exemplo de medição dos relés de distância Fonte Caminha 1977 p 50 78 UNIUBE Simplicando vamos supor que o deeito é ranco ou metálico sen do possível desprezar a resistência do arco r 0 Com isso te mos as tensões em e D1 e D2 V V V V V V V V V P P P P D D D D P 1 2 1 1 1 2 2 2 z I r I z I ou V P 2zI pois r 0 ou seja 2z V I P Dessa forma podese dizer que nesse caso em um curtocircuito no ponto D a impedância aparente no ponto P é igual à impedân cia do anel PD D P 1 1 2 2 Como é de conhecimento zρls portanto a impedância z da linha é proporcional ao comprimento l dela comparandose assim as grandezas de tensão e corrente com o ponto de aplicações do relé CAMINHA 1977 311 Entendendo o funcionamento de um relé de distância Para melhor entender o funcionamento de um relé de distância usaremos a imagem da Figura 32 simulando um defeito na linha e o que aconteceria nesse exposto UNIUBE 79 Figura 32 Representação de falha em um sistema de potência Fonte Relés 2016 online p 3 Na Figura 32 observamos um defeito no ponto P localizado na linha L3 Acerca desse acontecimento podemos considerar Tensão nula no ponto P no momento em que o defeito ocorre Correntes I1 e I2 que circulam nas linhas L1 e L3 constantes Tensão crescente no sentido do ponto de defeito à fonte G1 e à fonte G2 desprezando resistência de arco Assim como a tensão a impedância cresce do ponto de defei to à fonte G1 e à fonte G2 80 UNIUBE A atuação dos relés independente se são eletromecânicos ou digi tais respeitará os aspectos uncionais indicados no fuxograma da Figura 33 e será da seguinte forma Início da contagem do tempo Atuação da unidade de seleção de fases Acionamento das unidades direcionais e de medida A unidade direcional abre ou fecha seus contatos dependen do dos valores de tensão de polarização e corrente de defeito vindas da unidade de seleção A unidade de medida aquisita os valores de tensão e corrente de defeito vindas da unidade de seleção UNIUBE 81 Figura 33 Fluxograma dos aspectos funcionais dos relés de distância Fonte Relés 2016 online p 5 82 UNIUBE Com a lógica denida no projeto de proteção os relés atuarão da seguinte forma O primeiro relé a operar será o R3 pois a impedância vista por ele é menor do que a vista pelos demais relés Em seguida operará o relé R4 O relé R1 considerado de segunda contingência acionará apenas na falha de operação do conjunto relé R3 e o disjuntor da barra B Os relés R2 e R3 devem ser equipados com unidades direcio nais para que apenas o R3 opere Com a unidade direcional evitaria que o relé R2 que vê a mesma impedância que o relé R3 funcionasse acarretando desenergização das linhas L4 e L5 desnecessariamente 32 Relés de Distância Eletromecânicos Em sua forma geral os relés eletromecânicos são constituídos de uma armadura de ferro disco de indução e bobinas de tensão e corrente Cada relé possui duas ou mais unidades ôhmicas que utilizam a impedância R jX medida do início da linha local de instalação dos relés de distância ao ponto de defeito A unidade ôhmica apresenta um torque expresso pela equação a seguir T K I K V I cos K 1 2 2 3 ϕ θ Sendo que UNIUBE 83 I corrente do circuito ϕ ângulo de defasagem entre e θ ângulo de projeto do relé K3 constante de mola de restrição Quando se analisa na posição de equilíbrio limite de atuação em que T 0 e K3 temse K K V I cos 1 2 ϕ θ Com V I correspondendo à impedância temos K K Z cos 1 2 ϕ θ A representação dessa equação no plano RX indica o lugar ge ométrico para o torque nulo do relé como mostrado na Figura 34 O semiplano inferior abaixo da reta representada denota onde o torque é positivo e o semiplano superior onde o torque é negativo Valores de torque são importantes para os ajustes dos relés de distância delimitando sua região de operação e de não operação como será visto adiante 84 UNIUBE Figura 34 Representação geométrica das características de distância Fonte Relés 2016 online p 8 31 Tipos de relés de distância eletromecânicos 311 Relé de distância à impedância ou Relé OHM São por denição relés de sobrecorrente com restrição por ten são Apresentam o seguinte torque T K V K I K 1 2 2 2 3 Na posição de equilíbrio temse Z K K 2 1 UNIUBE 85 Isso nos dá suas curvas características como mostrado na se guinte gura Figura 35 Características dos relés de distância para e constantes Fonte Relés 2016 online p 9 Os relés são portanto ajustados para um certo valor de impedân cia Z referente ao comprimento da linha que deverá ser protegi da Qualquer valor menor ou igual ao valor ajustado fará com que o relé seja ativado Na prática um relé de impedância é constituído de diversas partes por exemplo Unidade de partida geralmente direcional Unidades de medida de impedância de alta velocidade geral mente três Z1 Z2Z3 e T1T2T3 86 UNIUBE Unidade de temporização Unidade de bandeirola sinalização e selagem bloqueio de contatos De posse dessas informações é possível ter a representação grá ca desse relé Figura 36 Características do relé de distância Fonte Relés 2016 online p 10 A Figura 36 apresenta um círculo com centro na origem em que Z1 Z2Z3 são unidades de medida e T1T2T3 são as unida des de temporização e as regiões superiores e inferiores torque UNIUBE 87 positivo e torque negativo restrição são delimitadas pela posição de equilíbrio O ângulo de torque máximo é ajustado em fábrica com um ângulo geralmente de 75º corrente em atraso da tensão Se for preciso outro valor podese ajustar conforme necessidade Quando existir ao longo do sistema um transformador de potên cia seu valor ôhmico pode ser calculado pela fórmula Z V Z P t nt tr nt 10 2 Em que Vnt Tensão nominal primária do transormador KV Pnt Potência nominal do transormador KVA Ztr Impedância percentual do transformador 312 Relé de Distância à Reatância Por denição esse relé é de sobrecorrente com restrição direcio nal com uma equação de torque da forma T K I K VIcos K 1 2 2 3 ϕ θ Devido à ocorrência de curtocircuito e do defeito correspondente seuuncionamentobaseiasenofuxoproduzidopelosenrolamentos 88 UNIUBE de tensão e corrente Fazendose θ 90º e considerando condição equilíbrio ou seja T 0 e desprezase K 3 temos K K Z cons 1 2 90 ϕ Como cos sen ϕ ϕ 90 temse K K Z sen 1 2 ϕ Portanto K K X 1 2 Como mostrado na Figura 37 essa equação forma uma reta para lela ao eixo dos em RX Figura 37 Curva característica para um relé de distância à reatância Fonte Relés 2016 online p 18 UNIUBE 89 Segundo literatura a resistência de arco no caso de uma falta entre duas fases de uma linha de transmissão de 69 kV pode ser dada pela equação R L I a a cc 287 1 4 Sendo La Comprimento do arco cm LCC Corrente de curtocircuito A Importante Para não causar confusão em suas buscas em diversas literaturas além da utilização da palavra torque para expressar a equação do relé característico também se encontra a palavra conjugado que são sinônimas 313 Relé de Distância à Admitância ou Relé MHO Por denição é um relé direcional com restrição por tensão A equação característica de seu conjugado ca na orma T K V K V I cos K 1 2 2 3 θ ϕ 90 UNIUBE Nas condições de equilíbrio no limite de seu ponto de operação temos T0 e K3 0 A e A partir disso temos V I K K cos 2 1 θ ϕ Logo Z K K cos 2 1 θ ϕ A curva característica dessa equação é expressa por meio de uma representação polar de uma circunferência em que o torque po sitivo é encontrado em pontos na região situada no interior dessa circunferência e o torque negativo em pontos fora desse limite Figura 38 Características do relé à distância por admitância Fonte Relés 2016 online p 20 UNIUBE 91 O relé de distância à admitância é constituído normalmente pela unidade de partida direcional e pela unidade de medida de admi tância composto por três unidades M1 M2 M3 32 Indicações dos Relés de Distância Referentes as suas vantagens de aplicação os diferentes relés são indicados segundo necessidades físicas ou para amenizar proble mas que podem ser encontrados no ambiente a serem instalados Dessa forma segue parâmetros e relés indicados para suas apli cações em campo Relé de Impedância ou Relé OHM para a proteção de linhas de comprimento médio considerando o seu nível de tensão Por exemplo no caso de uma linha de transmissão de 230 KV con siderase comprimento médio a distância igual a 200 Km Relé de Reatância para a proteção de linhas de transmissão de comprimento curto haja vista seu nível de tensão em que a re sistência tem valor apreciável em relação à indutância e os arcos voltaicos não podem ser desconsiderados Foram desenvolvidos para reduzir o efeito do arco no ponto de balanço do relé quando ocorre defeito e são bastante afetados por oscilações Relés de Admitância ou MHO em relação a seu nível de ten são são indicados para a proteção de linhas de transmissão consideradas de comprimento longo ou seja para linhas lon gas e de mais alta tensão São muito afetados pela resistên cia de arco voltaico entretanto são insensíveis à oscilações do sistema sendo usados na prática de proteção de linhas 92 UNIUBE 33 Relé de distância digital Os relés de distância digitais apresentam funções que vão da pro teção medição monitoramento até compensações no tempo de fechamento de disjuntores em sua lógica de proteção São equipa mentos de alto desempenho com interfaces por software dedicado Dica É importante saber a diferença entre um sistema automatizado e um sistema digitalizado Sistema automatizado não tem a ca pacidade de armazenar informação apenas traduz para alguma forma por exemplo quando os relés de proteção de uma subes tação são do tipo eletromecânicos eletrônicos ou até mesmo digitais e são acoplados a transdutores conectando esses ele mentos a um computador que transmite o que está acontecendo a um quadro luminoso sonoro ou qualquer tipo de sinalização no quadro de comando Ou seja o transdutor apenas transforma va lores de corrente tensão ou potência em sinais elétricos reconhe cíveis No sistema digitalizado entendese que os relés aplicados são do tipo numérico os disjuntores as chaves de abertura têm comando motorizado e são submetidos a um programa opera cional dedicado todos em um sistema comum e especíco para armazenar e dependendo do sistema tomar medidas cabíveis referentes ao histórico de dados ou à necessidade Fonte adaptada de Mamede 2007 UNIUBE 93 331 Unidade de medida de distância O relé de distância digital tem geralmente quatro zonas de pro teção independentes e pode ter as características dos três relés eletromecânicos apresentados anteriormente Características de impedância utilizadas para medir as dis tâncias de faltas Característica de reatância utilizada para fazer ajuste do sistema Característica de admitância os relés são polarizados pela corrente de sequência positiva à fase considerada 332 Unidade de supervisão para frente e para trás Esses relés de distância apresentam uma unidade de monitora mento da sobrecorrente que por sua vez supervisiona a operação das unidades de medida de distância estabelecendo um valor mí nimo de corrente de atuação Essas unidades não têm a função de detectar a direção da falta mas de coordenar o ajuste de direção do relé visto que são unidades de sobrecorrente sensibilizadas pela corrente de fase ou entre fases cujo valor supere o valor ajustado Resumodasvantagensdosrelésdigitaisfrenteaoseletromecânicos Conexão com sistema de informação central controlado de pontos remotos Armazenamento de informações referentes a eventos do sis tema elétrico 94 UNIUBE Menor espaço ocupado em painéis de comando Ajustes de características operacionais realizados sem desligamento Ajustes de características operacionais realizados de pontos remotos Sistema de autossupervisão Pelas características apresentadas esses relés são de grande im portância para projetistas dos sistemas de proteção e seletividade O uso de relés de distância digitais é muito comum visto que são sistemas robustos e que conseguem tomar decisões em suas uni dades centrais de controle quase em tempo real O ajuste desses relés deverá ser realizado para que seja obtido o torque positivo para valores de impedância abaixo dos valores ajustados Relembrando Torque positivo região de operação Torque negativo região de não operação UNIUBE 95 334 O que pode causar perturbação de medição Como em todos os sistemas de medições existem fatores que cau sam perturbações e consequentemente podem prejudicar o bom funcionamento de dispositivos e de sistemas de proteção Segundo Mamede Filho 2007 alguns erros de medida são encontrados na utilização desses relés como quedas de tensões impedâncias além das consideradas dentre outros Nos relés de distância os erros podem ocorrer devido a razões como Inexistência ou insuciência de transposição dos condutores da linha ou seja desequilíbrio entre fases e fase e neutro 5 10 de erro esperado Variação da impedância ao longo das linhas em paralelo cau sada por exemplo pela não homogeneidade do solo ou vias férreas paralelas ao percurso da linha Erros referentes aos redutores de medida de corrente e ten são devido à saturação de seus núcleos e mudanças de suas características iniciais com exposição contínua a correntes de defeito erro de 3 ou mais Erros devido a variações climáticas à temperatura do am biente e às condições de resfriamento dos condutores outros fatores climáticos são direção e velocidade do vento Aconstrução do relé Por mais que os relés sejam feitos da mes ma forma com os mesmos componentes pela mesma empre sa existem pequenas diferenças nas construções e por sua vez pequenas variações na medição de cada um deles 96 UNIUBE Para a correta operação relés de distância modernos necessitam de compensações intrínsecas que permitam resultar em medidas conáveis mesmo levando em conta todos esses erros que são de certa forma inevitáveis e inerentes à cada relé de distância Considerações Finais Neste capítulo prezadoa alunoa pudemos ter uma ideia intro dutória dos sistemas utilizados para a proteção de linhas de trans missão com o foco nos relés de distância Esses elementos são de grande importância tornando seguro e eciente os sistemas de proteção no conjunto de barramentos disjuntores transformadores dentre outros elementos que contemplam as linhas de transmissão De forma geral vimos os tipos de relés de distância existentes bem como suas características construtivas e técnicas as quais delimitam qual aparelho deve ser utilizado em cada situação para prover o melhor desempenho e a redução de erros nos sistemas de grande potência Observouse que todos os aparelhos que têm a função de medi ção ou atuação segundo alguma medição sofrem interferências sejam elas causadas por efeitos naturais características físicas do ambiente e climáticas ou por problemas advindos de erros huma nos como projeto do sistema sem atender às necessidades dos elementos que nele atuam Capítulo 4 Teleproteção de linhas de transmissão e coordenação de sistemas de proteção Luis Guilherme Gimenez de Souza Introdução Em sistemas elétricos de potência SEP temos várias formas de proteção e requisitos necessários para se operar com operadoras e distribuidoras de energia elétrica Dentro desses requisitos e necessidades é saliente ter sistemas de proteção eficientes e confiáveis que ao menor sinal de problema na linha atuem de forma a diminuírem ou evitarem prejuízos tanto financeiros quanto de falta de energia Neste capítulo vamos ver os sistemas de teleproteção e de coordenação da proteção de sistemas elétricos de potência Esses dois elementos que atuam na proteção tem como características aumentar a confiabilidade do sistema de energia melhorar o desempenho da proteção ou seja atuar como guardiões de um complexo sistema de transmissão Como dado técnico importante destacamos que toda a carga transmitida por FURNAS é monitorada em tempo real por mais de 900 equipamentos de teleproteção que operam associados aos painéis de proteção instalados nas casas de controle ou de relés situados nas subestações Os painéis de proteção analisam os parâmetros de segurança operacional dos elementos que compõem o sistema elétrico de potência como transformadores disjuntores capacitores etc e acionam em situações anormais os equipamentos de teleproteção que por sua vez entram em ação em frações de segundo evitando assim danos maiores ao sistema de transmissão Para a proteção de sua malha de transporte de energia FURNAS utiliza de quatro a oito equipamentos por cada circuito O país tem hoje mais de 176 mil km de linhas o que o coloca entre os quatro maiores no ranking mundial em extensão na área de transmissão Desse total 18717 km azem parte da rede básica de FURNAS congurada em linhas com tensões de 138 230 345 500 750 e 600 kV que passam por oito estados e o Distrito Federal Por elas transitaram no ano passado 1795 TWh de energia Além disso a capacidade de transformação das subestações alcançou o total de 91797 MVA 67 a mais que o registrado em 2002 TRANSMISSÃO 2004 Figura 41 Linhas de transmissão Fonte ILYA AKINSHIN 123RF UNIUBE 99 Podemos ver por esses dados a importância de se manter um sistema conável e seguro Nas redes de transmissão atuais quase todas as subestações são monitoradas e controladas online por Sistemas de Gerenciamento de Energia As principais linhas de transmissão geralmente são equipadas com cabos de bra óptica em sua maioria integrados a cabos aéreos OPGW optical groundwire em que as subestações são acessadas por meio de sistemas de comunicação de alta velocidade Segundo Caminha 1977 p 198 um sistema elétrico deve ser equipado com diversos dispositivos protetores estrategicamente situados destinados a protegêlo efetiva e seguramente contra todos os defeitos de isolamento ou outros funcionamentos anormais Em capítulos anteriores pudemos ver vários dispositivos de proteção como relés fusíveis transformadores dentre outros Esses elementos não atuam de forma independente ao contrário nos sistemas elétricos industriais esses elementos devem ter relações entre si de modo que uma anormalidade do sistema possa ser isolada e rapidamente removida sem que outras em sequência sejam afetadas Ou seja os elementos desse capítulo nos mostrarão como os dispositivos protetores devem ser coordenados para uma operação seletiva e eciente Dessa forma nessas condições podemos dizer que tanto o sistema de teleproteção quanto o de coordenação têm por nalidade isolar a parte deeituosa tão próximo quanto possível de sua origem e fazer o isolamento no mais curto tempo sempre visando à redução de danos 100 UNIUBE Contextualizar a importância dos sistemas de proteção em linhas de transmissão Entender os conceitos de teleproteção e coordenação de proteção Aprenderostiposdeteleproteçãoesuasformasdeatuação Conhecer os princípios que regem a coordenação de proteção 4 Teleproteção 41 Introdução 42 Tipos de teleproteção 421 Onda portadora 422 Fibra óptica 423 Telefonia 43 Tipos de transferências em teleproteção 431 Transferência de disparo direto de subalcance DUTT 432 Transferência de disparo permissivo de subalcance PUTT 433 Transferência de disparo permissivo de sobrealcance POTT 44 Coordenação 44 Introdução 45 Coordenação de proteção 46 Princípios básicos de proteção Objetivos Esquema UNIUBE 101 461 Princípio da Quantidade 462 Princípio da Localidade 463 Princípio da Retaguarda 464 Princípio da Sensibilidade 465 Princípio da Suportabilidade 466 Princípio da Seletividade 47 Procedimentos de seletividade que podem ser aplicados em uma instalação elétrica 471 Seletividade Amperimétrica 472 Seletividade Cronométrica 473 Seletividade Lógica 48 Conclusão 49 Referências Teleproteção 41 411 Introdução Os equipamentos de teleproteção são considerados os guardiões de um complexo sistema de transmissão haja vista que conse guem cobrir grandes extensões de linhas de transmissão e atuam de forma rápida e segura A velocidade de comunicação e a conabilidade são atores extre mamente importantes quando se fala em comunicação e proteção Os equipamentos de teleproteção de diferentes tipos que veremos a seguir têm essas características importantes desempenhando o papel de proteção de maneira muito ecaz 102 UNIUBE A tecnologia e a utilização de teleproteção abrangem extensões bastante grandes extremidades de linhas entre subestações por exemplo Devido a essas grandes extensões podem ocorrer pro blemas de sincronismo e de correto funcionamento das funções desses equipamentos Assim quando instalados os elementos de proteção são feitos testes em pontos diferentes do sistema e ob servamse se os equipamentos enxergam trocam informações e executam procedimentos adequados entre si perante o mesmo problema validando desse modo a funcionalidade Para esses testes muitas vezes é utilizado o GPS fazendo testes de ponta a ponta de modo a simular situações em que ocorreriam faltas de forma a parecerem reais No sistema de teleproteção os sinais são transferidos de um ponto a outro ponto extremos de uma linha de transmissão mediante meios de comunicação diferentes como veremos a seguir 42 Tipos de teleproteção 421 Onda portadora Onda portadora ou comunicação carrier tem seu funcionamento baseado em transferência de uma corrente de baixa tensão alta requência e baixa intensidade variando de 20 a 400 KHz entre seus terminais da linha de transmissão Essa corrente é transmitida pelo próprio condutor da linha de transmissão Esse sistema de onda portadora é composto geralmente pelos elementos seguintes UNIUBE 103 Transmissor receptor Capacitor de acoplamento Filtro de onda O Transmissorreceptor como o próprio nome diz envia um sinal de alta frequência sempre que receber uma informação do sistema de proteção Esse sinal por sua vez chega ao capacitor de acopla mento e repassa à linha de transmissão O capacitor trabalha tam bém como um ltro deixando passar correntes de alta requência e bloqueando as corrente de baixa requência Por sua vez o ltro de onda separa as corrente de alta frequência a onda portadora e as de baixa frequência correntes de carga 422 Fibra óptica Esse tipo de teleproteção é eito por meio de um cabo de bra ópti ca instalado no interior do cabo de potência da linha de transmissão Porém tanto a teleproteção de bra óptica quanto a onda portadora têm o problema de dependerem intimamente da integridade da linha de transmissão para que possam funcionar de maneira correta 423 Telefonia Diferente dos anteriores os sistemas de teleproteção por telefonia ou mesmo por internet não dependem da integridade da linha de transmissão e têm sido amplamente empregados na atualidade 104 UNIUBE 43 Tipos de transferências em teleproteção 431 Transferência de disparo direto de subalcance DUTT Esse tipo de transferência utiliza a zona de subalcance primeira zona para acionar a transmissão de um sinal de alta frequência para o terminal remoto Nesse terminal remoto teremos a abertura do terminal comandada pelo receptor O defeito na linha de transmissão será evidenciado e eliminado instantaneamente pois qualquer defeito na linha estará sob a vigi lância desse sistema 432 Transferência de disparo permissivo de subalcance PUTT Como o nome evidencia também é utilizada a primeira zona su balcance que aciona a transmissão do sinal de alta frequência para o terminal remoto porém diferente do anterior a recepção desse sinal somente fará com que os terminais se abram instanta neamente se a segunda zona desse sistema elétrico de potência mandar o sinal conrmando que há realmente um problema na primeira zona evitando assim um acionamento devido a ruídos ou a qualquer interferência Assim como o anterior esse esquema proporciona a abertura ins tantânea dos disjuntores ao sinal de defeito interno da linha UNIUBE 105 433 Transferência de disparo permissivo de sobrealcance POTT Diferente do PUTT esse esquema tem a atuação dos disjuntores feita pela segunda zona ao invés da primeira zona A diferença de ser realizada a atuação pela segunda zona para todos os defeitos internos à linha é que a liberação será mandada e feita instanta neamente pela segunda zona e por consequência pela primeira zona também 44 Coordenação 44 Introdução Os sistemas de proteção em sistemas elétricos de potência SEP são formados por dispositivos de proteção que visam como função prin cipal proteger pessoas eou equipamentos em contato com sistemas elétricos Para a funcionalidade adequada esses elementos devem ter uma ordem de atuação bem como um padrão de funcionamento ou seja uma ordem descoordenada ou independente de elementos não traria os benefícios necessários para um sistema de proteção Logo fazse importante a organização e o alinhamento dos disposi tivos de proteção para assegurar sua ecácia na orma e como será feita a proteção dos elementos visados A essa proteção designamos o nome de Coordenação da proteção SILVA 2012 Para um sistema operar com Coordenação de proteção devese garantir simultaneamente proteção dos equipamentos e das pessoas 106 UNIUBE proteção de retaguarda de dispositivos de proteção seletividade entre dispositivos de proteção Em resumo tornase necessário locar especicar e ornecer a po sição dos dispositivos de proteção para atingir os aspectos ante riormente mencionados sempre visando à conabilidade à veloci dade à economia e à seletividade desse sistema de proteção Para se fazer uma coordenação de sistemas elétricos de potên cia com o melhor desempenho possível primeiramente fazse um estudo da coordenação necessária visando uma metodologia de coordenação da proteção e tendo como orientação os princípios de coordenação ambos veremos a seguir SILVA 2012 45 Coordenação de proteção A técnica metodologia para realizar a coordenação do sistema de pro teçãoenglobaumasériedeprocedimentosparatornarpossíveleabran ger os requisitos de um sistema de coordenação de proteção mencio nados na introdução Silva 2012 destaca os procedimentos que se destinam ao melhor desempenho dos equipamentos de proteção tipo de equipamento a proteger tipo de equipamento de proteção disponível índice de vulnerabilidade do sistema elétrico de potência a falhar recurso nanceiro disponível UNIUBE 107 Dentro dessas variáveis é possível tomar várias ações em decorrên cia de suas prioridades ou necessidades tornando evidente assim que um sistema de proteção deve ser feito para cada necessidade de projeto sempre se orientando pelos requisitos necessários citados Idealmente seria melhor e mais fácil se cada situação tivesse apenas uma solução sendo viável para todas as situações seme lhantes porém anos de conhecimentos adquiridos por engenheiros de proteção e estudos de casos propiciaram a formulação de uma metodologia de coordenação de proteção A metodologia ou técnica de coordenação apresenta a discussão acerca de como organizar os princípios básicos de proteção con sagrados na literatura técnica para servir na orientação e na exe cução de uma coordenação do sistema de proteção efetiva De orma ideal uma metodologia ecaz para se ter a melhor co ordenação do sistema de proteção seria transformar a técnica de coordenação em fuxograma e criar um programa computacional para indicar a resposta Isso foi realizado em meados da década de 60 e desde então muitos outros programas apareceram Esses programas têm seu valor na velocidade de resposta e dão um norte para o projetista porém não devem ser utilizados como certos haja vista a innidade de variáveis locais e alguns problemas que esses softwares não podem prever como qual o melhor mais adequado dispositivo a ser usado qual o dispositivo mais econômico em qual local devese instalar o dispositivo de proteção qual ajuste deve ser adotado pelo dispositivo de proteção 108 UNIUBE Figura 42 Eletricista em trabalho Fonte DMITRY KALINOVSKY 123RF Portanto atualmente ainda não se fez um software capaz de ad quirir informações gerais do local em que se deve instalar e de como se instalar não podendo tomar decisões que apenas os pro jetistas conseguem Como essa necessidade do melhor projeto é necessária e ainda não dispomos de um software capaz de nos dar a resposta a literatura traz os princípios básicos de proteção que foram con solidados ao longo do tempo e da experiência gerando uma cultura na área de proteção UNIUBE 109 46 Princípios básicos de proteção Os princípios básicos de proteção foram levantados para nortear e lembrar aos projetistas os fatores necessários que todo projeto deve ter não necessariamente cobrindo todos mas sempre lem brando da necessidade de se avaliar todos Um projeto de coordenação de sistemas de proteção deve abran ger os seguintes princípios Princípio da Quantidade Princípio da Localidade Princípio da Retaguarda Princípio da Sensibilidade Princípio da Suportabilidade Princípio da Seletividade Como já mencionado esses princípios servem como orientação a decisão que deve ser tomada cabe ao engenheiro projetista 461 Princípio da Quantidade Segundo Silva 2012 esse princípio vem armar que todo equi pamento deve ter no mínimo um dispositivo de proteção contra 110 UNIUBE sobrecorrente e no mínimo um contra sobretensão Esse tipo de dispositivo é chamado de dispositivo de proteção principal Dependendo da aplicação é necessário mais de um dispositivo de proteção principal por sistema de proteção proposto Antigamente a quantidade de dispositivos principais ao longo de uma linha era maior tendo sempre mais de um dispositivo para cobrir todo o sis tema elétrico de potência Com o avanço da tecnologia hoje é possível ter apenas um dispositivo de proteção principal sendo ca paz sozinho de monitorar várias anormalidades simultaneamente e proteger toda uma linha 462 Princípio da Localidade O princípio de localidade diz respeito ao local em que o dispositivo de proteção principal deve ser colocado sendo esse o mais pró ximo possível do equipamento a ser protegido Esse fator permite facilidade maior na localização da falta e portanto facilidade em restaurar o sistema elétrico de potência com menor quantidade de equipamentos desligados Para exemplicar e justicar esse princípio tomamos como base a seguinte gura UNIUBE 111 Figura 43 Exemplo do princípio de localidade Fonte SILVA 2012 p12 A gura anterior exemplica um sistema elétrico de potência com topologia radial de distribuição em média tensão Analisando a gura notamos que para uma alta nas linhas L1 ou L2 haverá sobrecorrente proveniente das duas fontes que exige a presen ça de proteção D2 e D3 que isolam uma das linhas e permitem a continuidade de fornecimento à carga Para uma falta em L3 a proteção D5 é suciente para eliminar a alta Porém o princípio não é rígido Imagine que a linha L3 é muito comprida e o dis positivo de proteção D5 não é suciente para detectar a alta na barra 4 temos a justicativa de um dispositivo D6 na chegada da linha L3 na barra 4 pensando em outra possibilidade teríamos a necessidade de deslocar até o dispositivo de proteção D5 para efetuar o religamento após reparo 112 UNIUBE 463 Princípio da Retaguarda O princípio da Retaguarda arma que todo dispositivo de prote ção principal deve ter ao menos um outro dispositivo de proteção operando em sua retaguarda de modo que ocorrendo a falha do dispositivo de proteção principal a proteção de retaguarda garante a proteção do equipamento a ser protegido Esse princípio está intimamente ligado à conabilidade do dispositi vo de proteção e ao custo desse sistema vendo se a necessidade é real frente ao custo desse aparato SILVA 2012 464 Princípio da Sensibilidade Esse princípio denota que o dispositivo de proteção deve atuar sempre que houver menor condição anormal do equipamento pro tegido ou situação que o coloque em risco ou seja o dispositivo de proteção deve ser sensível ao menor valor de anormalidade Além desse estado alerta de anormalidade o dispositivo de pro teção deve permitir que o equipamento protegido opere em todas as suas funcionalidades de forma plena ou seja no modo normal emergencial e transitório esperado e especicado para sua catego ria e atuação 465 Princípio da Suportabilidade Segundo Silva 2012 esse princípio diz que o dispositivo de prote ção deve atuar o mais rápido possível sempre que houver condições UNIUBE 113 anormais no aparelho a ser protegido em que os limites de supor tabilidade do equipamento protegido não sejam ultrapassados Esses limites que devem ser protegidos são informações técnicas obtidas com o fabricante do equipamento São limites máximos dos valores de corrente e tensão admissíveis pelo tempo máximo de exposição a essas características ou seja o quanto o equipamen to é capaz de suportar A forma como esses dados são aquisitados geralmente são na orma de grácos as chamadas curvas de suportabilidade com o auxílio dessas curvas o projetista analisa e determina o tempo má ximo em que o equipamento pode car exposto para determinada anormalidade Esse valor de tempo sempre deve ser superior ao tempo de atuação do sistema de proteção 466 Princípio da Seletividade Referese ao princípio em que todos os dispositivos de proteção mais próximos do local de falta devem atuar o mais rápido possí vel para isolar essa falta Essa forma de seleção quando há falta garante que outros setores subsequentes a esse não sejam afe tados juntamente Esse princípio engloba a necessidade de ter uma visão maior do conjunto dos dispositivos no sistema elétrico de potência eviden ciando um olhar mais criterioso do projetista Uma coordenação bem feita garante a retirada de operação da menor quantidade de equipamentos e garante uma possível continuidade da operação do sistema elétrico 114 UNIUBE Para melhor entender a Seletividade é a característica que o sistema elétrico de potência deve ter quando submetido a correntes anormais fazendo atuar os dispositivos de proteção de maneira a desenergizar somente as partes do circuito que efetivamente foram afetadas 47 Procedimentos de seletividade que podem ser aplicados em uma instalação elétrica Os procedimentos de seletividade que podem ser aplicados em uma instalação em sistemas elétricos de potência são Seletividade amperimétrica Seletividade cronológica Seletividade lógica A seguir serão melhores explicados esses tipos de seletividade 471 Seletividade Amperimétrica Esse tipo de seletividade fundamentase no princípio de que as correntes de curtocircuito crescem à medida que o ponto de de feito aproximase da fonte de suprimento É aplicado aos sistemas de baixa tensão nos quais essas impedâncias dos condutores são signicativas Em sistemas de transmissão de distâncias curtas as correntes de defeito não apresentam grandes variações nos UNIUBE 115 dierentes pontos de alta ator que diculta a aplicação desses procedimentos Para melhor exemplicar atentese à imagem a seguir Figura 44 Exemplo para seletividade Amperimétrica Fonte Módulo 2017 online Supondo uma corrente de deeito no ponto A da gura anterior de va lor e valores de ajustes das proteções em P1 e P2 iguais a e respec tivamente a seletividade amperimétrica estará satisfeita se ocorrer I p1 Ics Ip2 Para ajustar os valores da proteção atuação dos equipamentos de 116 UNIUBE proteção a primeira proteção a montante do ponto de defeito deve ser ajustada a um valor inferior à corrente de curtocircuito carac terizandose dentro da zona protegida ou seja I p2 08 x Ics E as proteções situadas fora da zona protegida devem ser ajusta das com valores superiores à corrente de curtocircuito ou seja I p1 Ics Com esses valores estipulados temos uma proteção dos equipa mentos de acordo com valores de corrente aquisitados Relembrando Você já deve estar por dentro dos termos jusante e montante mas para recordar aqui vai uma breve explanação dizer que um sistema de proteção está a montante referese à sua posição instalada nesse caso antes de outro elemento referido ou mais próximo da fonte de energia Dizer que um sistema de proteção está a jusante referese à sua posição instalada nesse caso depois de outro elemento reerido ou mais próximo da carga nal UNIUBE 117 472 Seletividade Cronométrica Esse tipo de seletividade fundamentase no princípio de que a tem porização do dispositivo de proteção próximo ao ponto de defei to tenha valor inferior à temporização intencional do dispositivo a montante Ou seja se algum problema ocorrer o equipamento de proteção deve atuar antes do dispositivo protegido ou do circuito A diferença dos tempos de atuação é denominada intervalo de co ordenação e deve corresponder ao tempo de abertura do disjuntor acrescido de um tempo de incerteza de atuação das proteções valor assumido entre 03 e 05 segundos Para melhor exemplicar atentese à gura a seguir Figura 45 Para exemplo da seletividade cronométrica Fonte Módulo 2017 online 118 UNIUBE Supondo um intervalo de coordenação de 04s temos um curtocircuito na barra D resulta a corrente que atravessa as proteções em série com o circuito a proteção P4 tem um retardo próprio de 01s que atua ins tantaneamente na sua unidade Já a proteção P3 tem um ajuste de 05s enquanto P2 e P1 foram ajustadas para 09 e 13s respectivamente Em projetos industriais a concessionária impõe condições de tempo na proteção de fronteira com a planta em função de seu esquema de seletividade Esses fatores causam desvantagens na utilização da se letividade cronométrica devido à seletividade do projeto de proteção da indústria prejudicando e alcançando tempos superiores àqueles admitidos na proteção de fronteira Os valores de impedância nos di ferentes barramentos apresentam diferenças apreciáveis levando as correntes de curtocircuito a terem valores bastante diferentes Esse aspecto leva ao superdimensionamento térmico dos dispositivos sec cionadores barramentos cabos dentre outros já que os valores de tempo são diferentes a exposição desses elementos às vezes é muito maior que a necessária podendo acarretar mau funcionamento de cargas e danicar elementos do SEP 473 Seletividade Lógica Só foi possível utilizar esse tipo de seletividade devido aos relés digitais dando novo conceito à seletividade UNIUBE 119 Esse tipo de seletividade é aplicado em unidades de sobrecorrente de fase e de neutro ou terra tanto sistemas primários como se cundários Mais facilmente aplicado em sistemas radiais pode ser aplicado também em sistemas em anel se usado com relés de sobrecorrentes direcionais Os princípios básicos de funcionamento dessa seletividade podem ser resumidos com a ajuda da gura a seguir Figura 46 Para exemplo da seletividade lógica Fonte Módulo 2017 online Podemos dizer reerente à gura que a primeira proteção a montante do ponto de defeito é a única responsável pela atuação do dispositivo de abertura do circuito 120 UNIUBE as proteções a jusante do ponto de defeito não receberão o sinal de mudança de estado as proteções a montante do ponto de defeito receberão os si nais digitais de mudança de estado para bloqueio ou atuação cada proteção deve ser capaz de receber um sinal digital da proteção a sua jusante e enviar sinal digital à proteção a mon tante além disso acionar o dispositivo de abertura do circuito De outra forma sabemos que para as proteções ajustadas com tempo entre 50 a 100 ms cada uma deve garantir a ordem de blo queio durante um tempo denido pela lógica de seletividade Supondo um curtocircuito na barra D teremos a proteção P4 or denando bloqueio de P3 por sua vez P3 ordenando bloqueio da proteção P2 que então ordena bloqueio de P1 P4 faz atuar o dispositivo de abertura do circuito após um tempo de disparo igual ao tempo de abertura do dispositivo de interrupção acrescido do tempo desejado para ajuste valor entre 50 e 100 ms Eventualmente se P4 falhar a abertura do dispositivo de prote ção de retaguarda seria solicitada a atuar ou seja a proteção P3 atuaria Supondo agora um curtocircuito na barra C teríamos a prote ção P4 não recebendo nenhuma informação das demais unidades Por sua vez a proteção P3 não recebe ordem de bloqueio de P4 Sem ordem de bloqueio a proteção P3 faz atuar o dispositivo de abertura correspondente a um tempo de abertura do dispositivo UNIUBE 121 de interrupção acrescido ao tempo de ajuste de P3 Assim P3 a seguir ordena bloqueio da proteção P2 que por sua vez ordena bloqueio da proteção P1 Essas sequências de proteção garantem o melhor funcionamento do sistema elétrico de potência protegendoo e mantendoo com menor número de desligamentos no percurso Considerações Finais Em sistemas de proteção com teleproteção e coordenação de sis temas de proteção são usados dispositivos detectores disparado res e interruptores que desligam os circuitos quando necessário Sempre com as determinações das condições de operação no minal máxima e mínima de sobrecarga de defeito correntes de curtocircuito e mesmo de situações excepcionais como partida de motores magnetização de transformadores etc tornase pos sível ormar um sistema de proteção eciente e conável 122 UNIUBE Capítulo 5 Proteção de transformadores Luis Guilherme Gimenez de Souza Introdução Olá caroa alunoa No capítulo V Proteção de transformadores continuaremos o estudo do conteúdo referente à disciplina Proteção de Sistemas Elétricos com 8 capítulos ao total O conteúdo da disciplina abordou até o presente capítulo a importância da proteção de sistemas elétricos de potência SEP os transformadores redutores de tensão e filtro os relés de sobrecorrente e distância com suas respectivas aplicações a teleproteção de linhas de transmissão e coordenação de sistemas de proteção Ainda serão abordados os tópicos de proteção de transformadores geradores barramentos e motores de indução de grande porte além de novas tecnologias aplicadas à proteção de sistemas de potência Neste capítulo iniciase o estudo de proteção de transformadores em que será possível observar que os elementos de proteção estudados nos capítulos anteriores conseguem suprir as necessidades básicas do sistema de proteção desejado Os códigos dos elementos e a função individual podem ser observados na norma ANSI IEEE C372 Os relés utilizados no sistema de proteção são caracterizados por tipo de acionamento direto e indireto temporização instantâneo e temporizado função de proteção e quanto à 124 UNIUBE tecnologia utilizada eletromecânica estática e digital O método de proteção diferencial do transformador consegue limitar a área de atuação para o componente em questão ou para a região adjacente de interesse Dentro dessa metodologia observase a utilização de relé diferencial comum e de relé diferencial percentual Tal metodologia tem como objetivo principal a detecção de falhas internas do transformador como curtocircuito entre espiras e descargas parciais entre enrolamentos ou com a carcaça A utilização do relé de sobrecorrente é uma das principais formas de proteger o transformador atuando no momento em que a corrente que fui pelos seus terminais or maior que o especicado A atuação do relé de sobrecorrente pode ser instantânea função 50 ou temporizada função 51 Outros equipamentos complementam a proteção dos transformadores como proteção contra falha de disjuntor contra sobretensão de carcaça do transformador bloqueio temperatura pressão e falta de óleo Ressaltase a importância da proteção de transformadores para o sistema elétrico por isso existem muitos equipamentos e sistemas de proteção para que sempre opere de forma correta e segura O estudo relacionado à proteção de sistemas elétricos de potência contudo não deve ser restrito ao material ou ao conteúdo aqui apresentado Utilize outros livros e busque maiores informações para ampliar o seu conhecimento principalmente quando o assunto abordado é de seu interesse ou de grande utilidade UNIUBE 125 Conhecer os princípios básicos de proteção de transformadores Aplicar os dispositivos estudados anteriormente na pro teção de transformadores Noção básica de ajuste de relés diferenciais na prote ção de transformadores Vericar a importância de outros dispositivos na prote ção de transformadores 1 Relés de proteção de transformadores 11 Classicação quanto ao tipo de acionamento 111 Direta 112 Indireta 12 Classicação quanto ao tipo de temporização 121 Instantâneo 122 Temporizado 13 Classicação quanto à unção de proteção 14 Classicação quanto à tecnologia 141 Eletromecânicos 142 Estáticos 143 Digitais 2 Proteção diferencial do transformador 21 Relé diferencial comum 22 Relé diferencial percentual 3 Proteção de sobrecorrente de fase e neutro 31 Sobrecorrente temporizada e instantânea de fase 32 Sobrecorrente temporizada e instantânea de neutro 33 Sobrecorrente temporizada e instantânea de terra de alta sensibilidade Objetivos Esquema 126 UNIUBE Um sistema elétrico de potência SEP é composto por três sub sistemas geração transmissão e distribuição Dentro do primeiro subsistema encontramse as usinas cada uma com a sua fonte de energia hidroelétricas eólicas termoelétricas carvão gás natural e nuclear dentre outras O subsistema de transmissão é composto pelas linhas de trans missão propriamente ditas e pelas subestações de transformação constituídas de transformadores e de equipamentos de proteção e controle Tal subsistema tem como função conectar as usinas elé tricas às regiões de consumo O subsistema de distribuição assim como o de transmissão tam bém é composto por condutores transformadores e equipamentos de medição controle e proteção Contudo a distribuição é mais ex tensa e ramicada conectando todos os consumidores industriais e residenciais Como visto existe a necessidade de conectar os geradores e as cargas aos sistemas de transmissão e distribuição Tal função é realizada pelo transformador cuja função é compatibilizar os níveis de tensão e corrente em seus enrolamentos primário e secundário 4 Outros equipamentos de proteção para transformadores 41 Proteção contra falha de disjuntor 42 Proteção de carcaça dos transformadores 43 Proteção contra sobretensão 44 Relé de bloqueio 45 Relé de temperatura 46 Válvula de alívio de pressão 47 Relé Buchholz UNIUBE 127 Figura 51 Exemplo de transformador de alta tensão Fonte MIPAN 123RF Figura 52 Exemplo de transformador de pot Fonte AROGANT 123RF 128 UNIUBE Os transformadores são equipamentos de grande importância para o sistema elétrico por isso existem muitos equipamentos e siste mas de proteção para que sempre opere de forma correta e segu ra Segundo Nogueira e Alves 2009 p133 a proteção envolve a adequada conguração elétrica do sistema e de equipamentos de proteção com os seguintes objetivos proteger o transformador de falhas do sistema elétrico proteger o transformador de avarias e falhas internas proteger o transformador de condições ambientais que afe tem seu desempenho O aumento da corrente de fase o aumento da corrente diferencial e a formação de gás proveniente da vaporização do óleo isolante são utilizados para detectar um curtocircuito interno ou externo no transformador Utilizamse as seguintes proteções para combater esses elementos e detectar as correntes de curtocircuito proteção de sobrecorrente de fase proteção diferencial proteção contra aumento da pressão interna Aproteção é eita por relés que são sensores que vericam por ten são ou por corrente se há alguma falha no sistema a ser protegido Segundo Bechara 2010 p 81 dentro do universo amostral de transformadores elevadores de transmissão e de subtransmissão 696 dos casos analisados estão relacionados a danos nas bobi nas como curtocircuito em seus enrolamentos Outros componen tes também apresentam falhas 163 são problemas de comuta dor e 109 nas buchas UNIUBE 129 Saiba mais Para melhor aprofundamento do assunto Transformadores busque na literatura conteúdo relacionado a transformadores trifásicos e os principais esquemas de ligações de seus enrolamentos estrelaes trela YY estreladelta YΔ deltaestrela ΔY deltadelta ΔΔ e deltazigzag Δzigzag Cada topologia apresenta características próprias sendo possível observar as vantagens e as desvantagens individuais como o aterramento do neutro nas ligações em estrela Y A ligação em delta também é conhecida como ligação em triângulo 51 Relés de proteção de transformadores Os relés de proteção de transformadores podem ser caracteriza dos com relação ao seu tipo de acionamento tipo de temporização função de proteção e tecnologia Lembrando que tais característi cas são observadas em todos os sistemas de proteção 511 Classicação quanto ao tipo de acionamento 5111 Direta O relé é classicado como de atuação direta do circuito a proteger quando a ação de proteção ocorre diretamente no dispositivo que realiza a abertura ou o fechamento dos polos do disjuntor Desse modo o próprio relé libera a energia a ser utilizada na ação de abertura ou fechamento 5112 Indireta O relé é classicado como de atuação indireta quando não atua diretamente no dispositivo que realiza a abertura ou o fechamento dos polos do disjuntor A atuação desse relé limitase a fechar ou a 130 UNIUBE abrir um contato que ativa energiza ou transfere para outro circuito a responsabilidade de providenciar o acionamento do disjuntor Para aplicação indireta é comum a utilização de um circuito de cor rente contínua alimentado por baterias para acionamento do disjuntor 52 Classicação quanto ao tipo de temporização 521 Instantâneo O relé com temporização instantânea atua sem o retardo intencio nal ou seja seu tempo de atuação é relacionado à movimentação dos seus mecanismos de operação 522 Temporizado Quando a grandeza monitorada ultrapassa o valor ajustado o relé com essa característica entra em operação após determinado tem po O relé temporizado atua com o retardo intencional podendo ser de tempo denido ou de tempo inverso 53 Classicação quanto à unção de proteção Os dispositivos de proteção de transformadores seguem a norma ANSI IEEE C372 para identicação de sua unção Tais equipa mentos são reeridos por números com suxos de letras quando necessário de acordo com as funções que realizam e utilizado em esquemas de conexão encontrados em manuais de instruções e em especicações UNIUBE 131 Segue o quadro com algumas opções de códigos e a descrição funcional padronizadas lembrando que a lista completa com códi gos descrição uncional e suxos pode ser encontrada na norma ANSI IEEE C372 Código Descrição funcional 50 Sobrecorrente instantânea de fase 50N Sobrecorrente instantânea de neutro terra 50GS Sobrecorrente instantânea de terra de alta sensibilidade ground sensor 50BF Falha de disjuntor 51 Sobrecorrente temporizada de fase 51N Sobrecorrente temporizada de neutro terra 51GS Sobrecorrente temporizada de terra de alta sensibilidade ground sensor 86 Relé de bloqueio Quadro 51 Código e descrição funcional de dispositivos de proteção Fonte ANSIIEEE C372 54 Classicação quanto à tecnologia 541 Eletromecânicos Um relé mecânico é projetado elaborado e construído com base nos movimentos mecânicos provenientes de acoplamentos elé tricos e magnéticos Utilizando os princípios de atração e de in dução eletromagnética foram os primeiros relés utilizados em sistemas de proteção 132 UNIUBE 542 Estáticos Com o advento dos dispositivos eletrônicos o relé deixou de apre sentar movimentação mecânica em seu mecanismo de atuação e todos os comandos e operações são realizados eletronicamente Em comparação ao modelo eletromecânico o relé estático é mais rápido sensível e preciso apresenta menor tamanho consumo e grau de manutenção 543 Digitais Um relé digital utiliza como base o microprocessador cuja fexibi lidade permite ao mesmo relé exercer diferentes funções como controle armazenamento dos dados amostrados informação de eventos e diferentes funções de proteção Assim dentro da ca pacidade ou da disponibilidade de hardware do relé a alteração de parâmetros e de funções é realizada por meio de programas computacionais software 55 Proteção diferencial do transformador A proteção diferencial tem como objetivo proteger o transformador contra faltas internas como curtocircuito entre espiras e descar gas parciais entre enrolamentos ou com a carcaça A proteção diferencial é sensível à corrente de energização do trans formador sendo necessário o ajuste do relé diferencial para que não opere nessa condição Essa mesma proteção não é sensibilizada UNIUBE 133 pelas correntes resultantes de faltas ocorridas fora da zona protegida A zona protegida pode compreender somente o transformador de potência ou englobar parte dos circuitos primários e secundários do transformador Qualquer falta dentro dessa área deve ser elimina da pela proteção instantânea do relé diferencial A lógica dierencial tem como base a Lei de Kirchho equacionando as correntes que entram e que saem do equipamento As correntes são monitoradas pelos TCs que enviam os sinais de corrente para o relé responsável pelo acionamento da proteção quando necessário A Figura 53 ilustra o esquema de conexão dos TCs acoplados em série ao primário e ao secundário em que a relação de transforma ção do transformador é dada por N1 N2 Figura 53 Esquema básico de proteção de um transformador monofásico 134 UNIUBE Fonte Nogueira Alves 2009 p 137 551 Relé diferencial comum O esquema básico de proteção de um transformador de potência utilizando um relé diferencial comum é ilustrado na Figura 53 e funciona em conjunto com os relés de sobrecorrente instantâneo e temporizado Analisando o circuito no momento de um curtocircuito fora da área de proteção a corrente que alimenta a falta passa por ambos os enrolamentos do transformador de potência Consequentemente a corrente nos secundários dos TCs serão as mesmas a corrente diferencial será zero e o relé diferencial não atuará Contudo caso ocorra um curtocircuito dentro da área de proteção do relé como entre o enrolamento primário do transformador de potência e a sua carcaça a corrente I1 I2 que passará na bobina diferencial será diferente de zero e a proteção atuará 552 Relé diferencial percentual Para evitar interrupções inesperadas ou inapropriadas do trans formador de potência devese restringir os relés quanto a faltas externas e permitir um ajuste mais sensível e rápido na operação para as altas dentro da zona protegida A conguração de um relé dierencial percentual instalado e transormador com topologia Y é ilustrada na Figura 54 UNIUBE 135 Figura 54 Esquema de proteção diferencial per centual em transformadores trifásicos Fonte Nogueira Alves 2009 p 139 O nome de relé diferencial percentual devese ao fato do valor da res trição imposta ao relé ser estabelecido como uma porcentagem da corrente de pickup necessária para vencer o conjugado resistente de restrição e colocar o relé em operação A inclinação caracterís tica está relacionada ao valor do conjugado podendo variar de 10 a 40 e aumenta quando o relé se aproxima do limite de operação Durante a operação normal do transformador ou em casos de faltas externas à área de proteção do relé as correntes secundárias dos TCs is1 e is2 são praticamente idênticas desde que a relação de transformação dos TCs seja a mesma do transformador Assim N1 n1 N2 n2 136 UNIUBE Em que 1n1 é a relação de transformação do transformador de corrente conectado ao lado primário e 1n2 é a relação do transfor mador de corrente conectado ao secundário No caso de faltas internas a diferença entre as correntes será ex pressiva e provocará a sensibilização do relé A corrente diferencial possibilita uma medida conável da corrente de alta e pode ser escrita com base na Lei de Kirchho ιd ιs1 ιs2 Sendo que id é a corrente diferencial is1 é a corrente no secundário do TC do lado primário do transformador protegido is2 é a corrente no secundário do TC do lado secundário do transformador protegido Em um sistema real contudo são encontradas diversas e pro váveis ontes de erros associadas à conguração do sistema de proteção Dentre os diversos fatores é possível listar os erros de relação de transformação dos TCs o erro de medição o erro das mudanças de taps dentre outros Como pequenas correntes diferenciais podem surgir em condições normais de operação a imprecisão pode comprometer o funcionamen to do sistema de proteção e ocasionar uma atuação indevida Assim denese uma margem de segurança a partir da qual o relé deverá atuar minimizando o problema observado por meio das equações ιd K ιd K ιs1 ιs2 2 UNIUBE 137 Em que K é a corrente mínima de operação e K é a inclinação percentual diferencial cujos valores típicos são 10 20 e 40 Um relé ajustado para uma inclinação de 40 é muito menos sen sível do que um relé ajustado para uma inclinação de 10 A Figura 55 apresenta uma curva característica do relé diferencial suas zo nas de operação e restrição Ajustes de restrição são apresentados para acomodar possíveis correntes diferenciais ocasionadas pelos erros previamente listados Figura 55 Curva característica da proteção diferencial Fonte Nogueira Alves 2009 p 141 Considerando os principais erros proporcionados pela medição a proteção diferencial percentual tem como objetivo fornecer um ajuste no A corrente mínima necessária para a sensibilização do 138 UNIUBE relé corrente de pickup é dada por K e pode sorer pequenos ajustes para evitar a operação indevida do sistema de proteção causados pela imprecisão dos TCs Para os casos em que a relação de transformação dos TCs difere do transformador o relé diferencial pode apresentar taps múltiplos para a medição das correntes do primário e do se cundário permitindo corrigir as diferenças entre as correntes secundárias dos TCs Como as bobinas de retenção restrição são percorridas pela mé dia das correntes passantes ir o relé diferencial não é sensibiliza do por certas correntes diferenciais ιr ιs1 ιs2 2 Além dos erros listados anteriormente alguns tipos de manobras realizados no transformador e por situação de faltas próximas a esse elemento podem causar falsas correntes diferenciais Devido ao seu valor elevado essas correntes são elevadas o suciente para provocar uma atuação indevida da proteção diferencial Podese listar como principais causas para o surgimento dessas correntes Corrente de inrush Sobreexcitação do transformador Saturação dos TCs UNIUBE 139 A corrente de inrush e a sobreexcitação do transformador produ zem uma corrente distorcida cuja consequência é a saturação do núcleo do TC de proteção A forma de onda pode ajudar a diferen ciar se o fenômeno observado é um dos itens citados ou de fato uma falta interna 56 Proteção de sobrecorrente de fase e neutro A utilização do relé de sobrecorrente é uma das principais formas de proteger o transformador atuando no momento que a corrente que fui pelos seus terminais or maior que o especicado A atua ção do relé de sobrecorrente pode ser instantânea função 50 ou temporizada função 51 561 Sobrecorrente temporizada e instantânea de fase Os relés de sobrecorrente constituem um dos tipos de função de proteção e têm como grandeza de atuação uma ou mais dentre as correntes de fase do sistema A atuação do relé ocorrerá quando a corrente atingir um valor igual ou superior ao ajuste previamente estabelecido Aatuação do relé pode acontecer de forma instantânea 50 ou tem porizada 51 e são utilizados para proteção contra curtos que en volvam mais de uma fase curtos trifásico bifásico e bifásicoterra Quanto ao tempo de atuação dos relés de sobrecorrente curvas características desenvolvidas por fabricantes de equipamentos de proteção ou normatizadas por entidades como IEC e IEEE são 140 UNIUBE utilizadas para tal determinação Essas curvas são a forma utiliza da pelos equipamentos para detectar uma falha e a partir da cor rente percorrida no relé por um determinado tempo eliminála As curvas de tempo inverso mais utilizadas são normalmente inversa NI muito inversa MI e extremamente inversa EI Para a proteção instantânea utilizase uma unidade de sobrecor rente com característica de atuação a tempo denido possibilitan do congurar um pequeno valor de tempo ou ajustalo igual a zero 562 Sobrecorrente temporizada e instantânea de neutro Seguindo o mesmo princípio da proteção de fase a atuação do relé ocorrerá quando a corrente de neutro atingir um valor igual ou superior ao ajuste previamente estabelecido abrindo o disjuntor A ligação do relé de sobrecorrente de neutro é realizada de forma que a soma das correntes no ponto comum dos transformadores de corrente das fases A B e C resultam em uma corrente residual A Figura 56 ilustra o esquema de ligação do relé de neutro UNIUBE 141 Figura 56 Esquema de ligação de um relé de neutro Fonte Nogueira Alves 2009 p 153 563 Sobrecorrente temporizada e instantânea de terra de alta sensibilidade Segundo Nogueira e Alves 2009 p153 essa função utiliza um transformador de corrente toroidal que envolve os três condutores de fase sendo que o sinal resultante da somatória dessas corren tes é enviado diretamente para a unidade de terra A Figura 57 ilustra o esquema de conexão típico para essa função 142 UNIUBE Figura 57 Esquema de ligação de um relé de terra de alta sensibilidade Fonte Nogueira Alves 2009 p 154 57 Outros equipamentos de proteção para transformadores 571 Proteção contra falha de disjuntor Como visto anteriormente os relés de sobrecorrente são sensibili zados no caso de operação anormal enviando um sinal de disparo para seu disjuntor associado Todavia no caso de falha de opera ção do disjuntor a função de falha de disjuntor é responsável por enviar um sinal de disparo para os disjuntores adjacentes situados à montante sentido do gerador Assim o sinal de disparo enviado aos disjuntores de retaguarda provoca a abertura do circuito eliminando o defeito no alimentador UNIUBE 143 572 Proteção de carcaça do transformadores Para que exista a proteção do circuito elétrico de potência todos os ele mentos devem estar adequadamente isolados de forma a não permiti rem fugas de corrente Na conexão da carcaça do transformador para a terra devese instalar um TC conectado a um relé de sobrecorrente Com tal proteção no momento em que ocorrer um defeito interno envolvendo a carcaça do transormador a corrente fui da carcaça para a terra e possibilita informar o operador sobre a falha ocorrida Uma falha monofásica que não envolver a carcaça do transforma dor não provocará a atuação desse relé A Figura 58 ilustra o es quema de um curtocircuito da bobina para a carcaça Figura 58 Esquema de um curtocircuito da bobina para a carcaça Fonte Nogueira Alves 2009 p 155 144 UNIUBE 573 Proteção contra sobretensão O isolamento dos enrolamentos do transformador é dimensionado para um determinado nível de tensão mas pode ser degradado em caso de sobretensão prolongada A proteção contra sobretensão está incluída na regulação e no controle sendo raramente aplicada de forma direta 574 Relé de bloqueio O relé de bloqueio tem por objetivo bloquear o fechamento do disjuntor quando recebe um sinal de disparo do relé de proteção corresponden te Após o acionamento desse elemento é necessário que o operador realize o fechamento manual do disjuntor em campo 575 Relé de temperatura Os relés de temperatura monitoram a temperatura interna do trans formador como a temperatura do óleo dos enrolamentos e do aquecimento do núcleo operando a abertura de disjuntores asso ciados aos transformadores e acionando alarmes A temperatura do óleo é analisada por uma sonda térmica imersa no óleo isolante localizada no topo do transormador Devido à di culdade de mensurar diretamente a temperatura dos enrolamentos utilizamse a temperatura do óleo e o seu gradiente de temperatura para a estimação desse parâmetro Segundo Nogueira e Alves 2009 p 158 o gradiente de tempe ratura é denido mediante a utilização de transormadores de cor rente situados nas fases do transformador de potência Os TCs UNIUBE 145 injetam uma corrente proporcional à corrente de carga em um cir cuito basicamente resistivo projetado para emular a temperatura do óleo entre a sonda e o enrolamento A temperatura nal percebi da pelo relé é então função da temperatura do óleo e da corrente de carga do transformador Esse método é conhecido como méto do da imagem térmica Caso haja ventilação forçada esses sensores são utilizados para o seu acionamento 576 Válvula de alívio de pressão A válvula de alívio de pressão tem como função eliminar a sobre pressão interna causada pela própria operação do transformador sendo instalada em seu tanque principal A utilização de diversas válvulas de alívio de pressão pode ser necessária dependendo das dimensões do transformador 577 Relé Buchholz O relé Buchholz é um relé detector de gases utilizado em transfor madores de potência equipados com tanque conservador de óleo sendo instalado na tubulação que conecta os tanques principal e conservador Sua unção é monitorar o acúmulo de gases e o fuxo de óleo entre os tanques vericando se o uncionamento está den tro da normalidade Em situações normais de operação o relé detector de gases está preenchido por óleo Sua atuação ocorre quando detec ta surtos de escoamento do óleo ou acúmulo de gases sendo 146 UNIUBE indicada a utilização de relés Buchholz com duas boias para transformadores maiores O aquecimento do óleo isolante resulta na sua decomposição em gases no interior do tanque principal que se acumularão no topo do conservador de óleo pressionando o óleo presente no conser vador para baixo Tais condições resultam no acúmulo de gases na câmara do relé fazendo com que seu acionamento alerte uma possível sobrecarga ou excesso de pressão A detecção nos surtos de escoamento do óleo opera a abertura dos disjuntores associados ao transformador de potência visto que o aumento da pressão interna a valores críticos pode causar danos severos à estrutura do tanque rompendoo Além das situações anteriores em caso de baixo nível de óleo o relé Buchholz realiza o desligamento do transformador e faz soar o alarme Considerações Finais Neste capítulo queridoa alunoa abordamos a proteção de trans formadores e para tal os dispositivos utilizados Os relés de proteção de transormadores oram classicados quanto ao tipo de acionamen to ao tipo de temporização à função de proteção e tecnologia A proteção do transormador envolve a adequada conguração elétrica do sistema e de equipamentos de proteção com objetivos de proteger o transformador de falhas do sistema elétrico ava rias e falhas internas e de condições ambientais que afetem o seu desempenho UNIUBE 147 O aumento da corrente de fase o aumento da corrente diferencial e a formação de gás proveniente da vaporização do óleo isolante são utilizados para detectar um curtocircuito interno ou externo no transformador O método de proteção diferencial do transformador consegue limitar a área de atuação para o componente em questão ou para a região adjacente de interesse Dentro dessa metodologia observase a utili zação de relé diferencial comum e de relé diferencial percentual Tal metodologia tem como objetivo principal a detecção de falhas internas do transformador como curtocircuito entre espiras e des cargas parciais entre enrolamentos ou com a carcaça Contudo devese atentar aos diversos erros associados à con guração do sistema de proteção Dentre os diversos fatores são listados os erros de relação de transformação dos TCs medição mudanças de taps quando possível dentre outros Essa impre cisão pode comprometer o funcionamento do sistema de proteção e ocasionar uma atuação indevida sendo necessário utilizar uma margem de segurança a partir da qual o relé deverá atuar minimi zando o problema observado Os relés de sobrecorrente são uma das principais formas de prote ger o transformador atuando no momento em que a corrente que fui pelos seus terminais or maior que o especicado A atuação do relé de sobrecorrente pode ser instantânea função 50 ou tempo rizada função 51 monitorando a corrente de fase neutro e terra Outros equipamentos complementam a proteção dos transfor madores como proteção contra falha de disjuntor contra so bretensão de carcaça do transformador bloqueio temperatura pressão e falta de óleo Capítulo 6 Proteção de geradores e proteção de barramentos Luis Guilherme Gimenez de Souza Introdução A criticidade de falhas e faltas de energia em elementos do sistema elétrico de potência é grande por isso protegêlos desses fenômenos é de extrema importância e vital para a longevidade e o correto funcionamento desses elementos Neste capítulo veremos as formas mais recorrentes na literatura das proteções em geradores e barramentos nos SEPs bem como as linhas de potência e transmissão Antigamente os geradores tinham o único e exclusivo uso para usinas de geração de energia elétrica e sua preocupação era com o engenheiro projetista do sistema de proteção da própria concessionária Com o passar dos anos geradores foram sendo utilizados em instalações industriais e comerciais como forma de suprir eventuais falhas do fornecimento de energia elétrica das concessionárias de modo a diminuir gastos ou seja gerando sua própria energia em horários de pico de forma paralela à rede temporária ou permanentemente Essa ampliação da quantidade de produtores independentes conectados ao sistema elétrico levou ao maior estudo e aprimoramento do conhecimento da proteção dos geradores 150 UNIUBE criandose assim várias maneiras de se proteger desde o equipamento à forma de como a energia é gerada Como veremos mais adiante praticamente todos os elementos que compõem os grandes geradores se não providos de um sistema ecaz de proteção podem gerar problemas Veremos que esses problemas podem ser desde uma rápida falta de sincronismo e trabalhando como um motor consumindo energia ao invés de gerar a um superaquecimento e posteriormente dependendo do tempo de exposição à inutilidade do gerador durante períodos críticos de uso Também como citado veremos o barramento item que conecta vários elementos em um sistema elétrico de potência nas entradas e nos quadros de potência Desde os anos 30 a ideia de proteger os barramentos foi aumentando levantando mudanças importantes sejam elas na forma de melhoria na segurança do próprio barramento de proteção contra disparos inesperados de rapidez na atuação dos sistemas de proteção e de cargas cada vez maiores de grandes subestações e usinas Conscientizar o aluno acerca da importância de prote ger os elementos dos sistemas de potência Indicar as melhores formas de se proteger geradores e barramentos contra as possíveis falhas de acordo com a literatura Aprofundar o conhecimento da utilização de elementos de proteção Objetivos UNIUBE 151 6 PROTEÇÃO DE GERADORES E PROTEÇÃO DE BARRAMENTOS 61 Introdução 62 Proteção de geradores 621 Proteção diferencial do estator contra curtocircuito diferencial longitudinal 622 Proteção diferencial do estator contra curtocircuito entre espiras 623 Proteção diferencial do estator contra falta à terra 624 Proteção de retaguarda do estator por meio de relés de sobrecorrente 625 Proteção contra circuito aberto no estator 626 Proteção contra sobreaquecimento do estator 627 Proteção contra sobretensão 628 Proteção do rotor contra curtocircuito no campo 629 Proteção contra aquecimento do rotor devido à corrente desequilibrada do estator 6210 Proteção contra perda de excitação ou de campo 6211 Proteção contra perda de sincronismo 6212 Proteção contra aquecimento do rotor devido à sobre excitação 6213 Proteção contra vibração 6214 Proteção contra motorização 6215 Proteção contra sobrevelocidade 6216 Proteção contra sobreaquecimento dos mancais Esquema 152 UNIUBE 6217 Proteção de barramentos 63 Congurações de barramentos 64 Tipos de proteção de barramentos 641 Proteção diferencial de barras 642 Releamento diferencial com relés de sobrecorrente 643 Releamento diferencial percentual 645 Releamento diferencial com acopladores lineares 646 Proteção diferencial combinada 647 Proteção de retaguarda 648 Proteção de massa ou dispersão pela carcaça 649 Proteção por comparação direcional 65 Conclusão 66 REFERÊNCIAS11 611 Introdução Para Caminha 1977 em SEP sistema elétrico de potência os ele mentos mais caros dos sistemas são os geradores Além de serem os mais caros são os que mais sofrem com intempéries muitas vezes mais do que as falhas de tensão e os problemas causados nas linhas de transmissão Com todos esses aspectos de importância e de preço dos gera dores fabricantes de geradores oferecem sugestões de proteções em seus catálogos de produtos como mostrado na Quadro 61 61 Proteção de geradores UNIUBE 153 Proteção do gerador em geral Tipo de proteção indicada Regime nominal MW 1 1 10 100 Diferencial x x Terra restrita x x Falta entre espiras do estator x Sobrecorrente com restrição por tensão x x Sobrecarga x x x x Sobretemperatura detetor x x x Corrente de sequência negativa x x Perda de carga x Antimotorização perda de vapor x x x x Perda de campo x x Perda de sincronismo x Sobrevelocidade má quinas hidráulicas x x x x Sobretensão idem x x x x Proteção do rotor e mancais Tipo de proteção indicada Regime nominal MW 1 1 10 100 Falta à terra x x Perda de campo x x Indicador de vibração x x Temperatura do mancal x x Isolamento do mancal x 154 UNIUBE Proteção só atuando alarmes ou desligamentos também Condição anormal vericada em função da máquina motriz A vapor refrigerada a Hidráulica Ar H Alarme Baixo vácuo no condensador x x Anormal pressão temperatura ou densidade do H x Baixa pressão de óleo do mancal x x x Alta temperatura no enrolamento do transformador do bloco GT x x x Alta temperatu ra no mancal x Pressão de óleo do regulador x Falta de água de refrigeração x Alta temperatura do ar no estator x Falha de abertu ra de válvula x Relé de Buchholz dos transformadores x x x Temperatura do óleo dos transformadores x x x Falha no regula dor de tensão x x x Falta à terra do rotor x x x Falta de campo x x x Baixa tensão nas baterias x x x UNIUBE 155 Desligamento Faltas no estator x x x Curtocircuito nos transformadores x x x Sobretensão eou sobrevelocidade x x x Quadro 61 Indicações para proteção de gerado res com base na potência e no tipo de turbina Fonte Caminha 1977 p110 As faltas que um gerador pode sofrer podem ser do tipo falha de isolamento e a de condições anormais sendo que a primeira con duz a um curtocircuito de alguma natureza entre espiras fase terra trifásica ou fasefase e a segunda a vibrações sobrecarga desequilíbrio da carga do estator etc Para um sistema de proteção eciente esperase que a proteção do gerador possa ser rápida a m de reduzir os estragos dos elementos ter aterramento bem feito limitando a corrente de defeito ter insensibilidade a faltas externas fora da zona de proteção caracterizar e eliminar condições anormais quando perigosas Portanto para uma proteção eciente de um gerador devemos proteger o gerador propriamente dito a turbina o conjunto gera dorturbina e seus auxiliares como fonte de corrente contínua etc Em resumo teremos para a proteção de um gerador tipos de 156 UNIUBE proteção do estator do rotor de sobretensões de perdas de exci tação eou sincronismo de vibrações de sobrevelocidade de sub frequência dentre outros CAMINHA 1977 A seguir veremos algumas formas de proteção desses elementos lembrando que como existem diferenças de opinião acerca do que seria uma proteção suciente do gerador e também do que seriam as tais condições anormais veremos o que há na literatura para suprir essas falhas 62 Proteção de geradores 621 Proteção diferencial do estator contra curtocircuito diferencial longitudinal Recomendase esse tipo de proteção para máquinas acima de 1 MVA sendo obrigatória para geradores acima de 10 MVA Em ge radores acima de 10 MVA o preço de aquisição e o esquema de ligação tornam necessária a proteção diferencial do estator contra curtocircuito já os abaixo dessa faixa geralmente utilizam relés de sobrecorrente com restrição por tensão em seu lugar Essa proteção diferencial age na ocorrência de curtocircuito en tre duas fases Caso haja o aterramento do neutro do gerador a proteção funciona igualmente para faltas à terra no entanto nes se caso é convencional utilizar dispositivos de proteção particular contra defeitos à terra quando a impedância de aterramento é gran de CAMINHA 1977 Quando assistido por relé auxiliar alguns eventos acontecem como forma de aviso ou proteção são esses UNIUBE 157 os disjuntores principal e de campo são desligados turbina é freada alarmes ópticos e acústico junto à sinalização no painel proteção contra incêndio é acionada Para os transformadores de corrente existem algumas exigência tais como ação entre os transormadores de corrente e os relés deve ser simétrica e curta os relés devem ser alimentados por TC transformador de cor rente exclusivo e posicionado o mais próximo dos terminais do gerador a interligação entre vários TCs deve ser realizada com o de mesma seção que os os de ase ligações dos TCs em estrela à terra devem ser feitas somente no lado da fase 622 Proteção diferencial do estator contra curtocircuito entre espiras Esse tipo de proteção tem caído em desuso devido à qualidade das proteções e aos isolamentos mais modernos das espiras Porém nas grandes máquinas que têm fases subdivididas por motivos construtivos o curtocircuito entre espiras devido ao defeito é 158 UNIUBE detectado por relés de sobrecorrente ligados em conexão diferen cial transversal O ajuste do relé para corrente de desequilíbrio ca na aixa de maior ou igual a 5 da corrente nominal do gerador Quando se tem um curtocircuito entre espiras esse defeito logo passa para fasefase que por sua vez é detectado pela proteção diferencial longitudinal que não pode ser dispensada CAMINHA 1977 623 Proteção diferencial do estator contra falta à terra Essa proteção cobre em média de 80 a 90 do enrolamento sendo que o neutro e o restante cam desprotegidos Mas nessa porcentagem do gerador desprotegida tem uma chance muito pe quena de ocorrer faltas não sendo de tanta importância Uma falta à terra pode ser destrutiva para geradores devido à con sequência da alta temperatura do arco voltaico a corrente de falta é limitada por uma impedância colocada no neutro do gerador que pode ser uma resistência uma reatância um transformador de dis tribuição ou potencial CAMINHA 1977 A alta impedância de aterramento do neutro tem as seguintes nalidades limitar danos no ponto de defeito proteção contra descargas atmosféricas limitar esforços mecânicos limitar sobretensões transitórias UNIUBE 159 624 Proteção de retaguarda do estator por meio de relés de sobrecorrente Nessa topologia de proteção são utilizados preferivelmente 3 três transformadores de corrente TCs o mais próximo possível dos terminais do enrolamento Porém também são utilizados ao invés de TC relés de sobrecorrente estes ajustados para 13 a 14 vezes a corrente nominal e de preferência utilizando relés de tempo denido podendo ser trabalhados na coordenação desse sistema de proteção Na inexistência de TCs conectados nas extremidades do neutro dos enrolamentos do estator em estrela ou do neutro inacessível esses dispositivos serão atuados somente pela corrente de curto circuito Caso o neutro do gerador não seja aterrado deve exis tir uma proteção de sobrecorrente porém se o neutro é aterrado para maior sensibilidade e velocidade é necessário usar releamen to de sobrecorrente direcional CAMINHA 1977 625 Proteção contra circuito aberto no estator Essa proteção não é tão praticada tendo em vista que o circuito aberto no estator raramente ocorre em máquinas bem construídas Quando ocorre tal problema de circuito aberto ou junta de alta re sistência no enrolamento do estator é muito difícil de detectálo antes mesmo que danos signicativos tenham ocorrido O uso de releamento de sequência negativa para proteção contra correntes desequilibradas contém a propriedade necessária para alertar o operador CAMINHA 1977 160 UNIUBE 626 Proteção contra sobreaquecimento do estator O sobreaquecimento do estator tem duas causas mais prováveis excesso de carga ou seja sobrecarga e falha no sistema de refri geração do gerador Como forma de proteção são utilizadas bobi nas detectoras de temperatura ou no caso de máquinas maiores que têm bobinas bem distribuídas termopares nas ranhuras do en rolamento do estator para acionar o sistema de alarme Em geradores até 30 MW podem ser usados relés tipo réplica ou de imagem térmica sendo energizados a partir de TC transfor mando a corrente do estator e variando resistências que por sua vez acionam o alarme Fora as proteções ligadas ao sistema elétrico do gerador é possí vel utilizar dispositivos suplementares para monitorar a temperatu ra do ar de refrigeração ou do óleo dos mancais regulando para acionar quando a temperatura passar de 5 a 10ºC acima de valores de temperatura julgados normais CAMINHA 1977 627 Proteção contra sobretensão Para Caminha 1977 essa proteção é recomendada para gerado res acionados por turbinas hidráulicas ou a gás podendo alcançar velocidades maiores que as nominais consequentemente sobre tensão e perda de carga A proteção nesse caso é dada por um regulador de tensão o relé é alimentado por um transformador de potência não o alimentador do regulador de tensão em que esse relé introduzirá uma resistên cia adicional no circuito de campo UNIUBE 161 628 Proteção do rotor contra curtocircuito no campo O circuito de campo não é aterrado em sua operação esse fato tor na a primeira alta um tanto quanto insignicante ao uncionamento do gerador Porém com tensões sendo induzidas no campo devido a transitórios do estator essa falta pode aumentar o esforço para a terra em outros pontos do campo aumentando a probabilidade de um segundo aterramento Quando um segundo defeito desse tipo ocorre parte do enrolamento do campo é curtocircuitado desequi librando o fuxo no entreerro e criando orças magnéticas no rotor capazes de deformar o eixo e até quebra de mancais ou atrito entre rotor e estator no período de 30 minutos a duas horas A proteção mais utilizada consta de um relé de sobretensão coloca do entre o circuito de campo e a terra com injeção por fonte auxiliar CAMINHA 1977 629 Proteção contra aquecimento do rotor devido à corrente desequilibrada do estator Os danos por desequilíbrio de corrente no estator são causados principalmente por falta de um polo do disjuntor ou abertura de uma fase da linha falta acarretando desequilíbrio próximo à central sem que os relés normais atuem prontamente falta em um dos enrolamentos do estator 162 UNIUBE Devido às faltas citadas anteriormente induzse uma corrente de frequência dupla no rotor devido à corrente desequilibrada do es tator Dependendo do grau de desequilíbrio e do tempo de atua ção desse desequilíbrio o rotor sofre severo sobreaquecimento podendo afrouxar cunhas e anéis de retenção do enrolamento A proteção desse evento é realizada por um relé de tempo inverso que faz atuar um disjuntor ou apenas opera um alarme prevendo desequilíbrios de pequena duração O tempo para atuação desses relés é ajustado de acordo com a curva de tempo fornecida pelas montadoras de geradores em que o rotor pode suportar acima de uma temperatura dada como normal Sempre ajustado com valores próximos da curva normal como de 8 a 40 acima da corrente normal CAMINHA 1977 6210 Proteção contra perda de excitação ou de campo Alguns sistemas de potência não toleram a operação continuada de um gerador com baixa ou sem excitação a inversão de fuxo do reativo reduz a tensão Para um gerador síncrono a perda ou a diminuição da excitação faz acelerar e operar como um gerador de indução ao invés de fornecer corrente reativa à rede ele consome O desequilíbrio magnético causado pela falta de excitação provoca so breaquecimentos perigosos e por sua vez sobrecorrente no estator O equipamento mais indicado para essa falta é o relé direcional de distância alimentado pela tensão e pela corrente alternadas do gerador principal Este por sua vez é mais seletivo que os relés de subcorrente que também devem estar conectados ao circuito de campo para garantir melhor proteção CAMINHA 1977 UNIUBE 163 6211 Proteção contra perda de sincronismo Alguns fatores como defeitos de excitação ou causas externas podem levar o gerador à perda de sincronismo são eles abertura involuntária do disjuntor de campo rompimento de um condutor defeito no sistema de regulação curtocircuito na rede desligamento de um importante consumidor de carga indutiva conexão a uma longa linha em vazio Essa proteção na prática não é frequentemente utilizada devido à proteção de perda de campo que é obrigatória e como anterior mente citado já supre essas faltas CAMINHA 1977 6212 Proteção contra aquecimento do rotor devido à sobreexcitação Segundo Caminha 1977 a proteção desse problema é feita indi retamente pelo equipamento de proteção contra sobreaquecimen to do estator ou até mesmo pela característica da excitação do equipamento 164 UNIUBE 6213 Proteção contra vibração O equipamento de proteção do rotor contra sobreaquecimento de vido a correntes desequilibradas no estator faz o papel de minimi zar ou mesmo eliminar essas vibrações CAMINHA 1977 6214 Proteção contra motorização Essa proteção é realizada com vistas à turbina e não diretamente ao gerador Ou seja o fabricante indica tempos críticos de ope ração em que poderia haver sério risco para a turbina ou indese jável carga para a rede resultando no gerador operando como motor puxando energia Relés monofásicos de potência inversa são regulados com valores de cerca de 05 a 3 da potência nominal e temporizados até mi nutos dependendo das instruções e das orientações do fabricante CAMINHA 1977 6215 Proteção contra sobrevelocidade Uma chave centrífuga é fornecida junto à turbina ou ao regulador de velocidade Também é utilizado um relé de sobrefrequência ajustado na ordem de 110 a 140 que respectivamente são para valores em turbina a vapor e para turbina hidráulica CAMINHA 1977 UNIUBE 165 6216 Proteção contra sobreaquecimento dos mancais Esse sobreaquecimento pode ser detectado utilizando sensores de temperatura de várias formas como de bulbo termométrico tipo resistência ou relé que detecte temperatura A proteção usualmente aciona apenas alarme para que operadores averi guem o estado do gerador Como exemplo de todas essas proteções a gura a seguir mostra uma proteção típica de um bloco turbogeradortransformador Figura 61 Proteção típica de um bloco turbogeradortransformador Fonte Caminha 1977 p113 166 UNIUBE Segundo a imagem Relé Buchholz Sobrevelocidade Vácuo na caldeira Relé de falha no campo Relé sequência negativa Relé sobretensão Relé de falta à terra no campo Relé de falta à terra restrito Relé diferencial trafo serviço Relé diferencial bloco GT Temperatura do enrolamento Temperatura do óleo Regulador de tensão Relé de sobrecorrente Idem de intertravamento Relé S C falta à terra Relé S C instantâneo Relé diferencial do gerador Relé diferencial da barra 6217 Proteção de barramentos Os barramentos em SEP sistemas elétricos de potência têm a im portante função de unir ponto de convergência entre pontos críti cos como Transformadores UNIUBE 167 Geradores Cargas Linhas de transmissão Além dessa importante unção crítica os barramentos cam via de regra na entrada de plantas e painéis portanto proteger esses elementos é de extrema importância Os defeitos ou as proteções realizados de orma ineciente podem prejudicar a integridade de todo o sistema quer seja na segurança ou na operacionalidade dos sistemas unidos Normalmente a proteção de um barramento é realizada com um conjunto de transformadores de intensidade e relés de detecção de defeitos e ordem de disparo visando proteger os aparelhos de co mutação a zona do barramento os aparelhos que se acoplam ao barramento e os dispositivos como os de corte e transformadores de subestações Em geral os defeitos em barramentos são raros esse fato faz com que os relés que protegem o barramento possam ser solicitados de uma orma mais espaçada porém bem especicada para que erros como disparos desnecessários não ocorram Quando protegido o barramento essa zona de proteção limitada possibilita o desligamento corte de entradas ou saídas de possí veis ligações afetadas sem que seja necessário desligar o barra mento por completo 168 UNIUBE A proteção dos barramentos deve operar apenas em defeitos internos operar apenas na zona do barramento afetada ser imune a operações erradas ter tempos de atuação curtos ser segura e conável Quando se projeta a proteção de um barramento existem alguns fatores importantes a serem observados tais como os valores má ximos e mínimos das correntes a localização da instalação a ra zão de transformação a velocidade de operação a precisão ne cessária as curvas de saturação dentre outros A seguir podemos observar algumas congurações dos barramentos UNIUBE 169 63 Congurações de barramentos Figura 62 Congurações utilizadas nas proteções de barramentos Fonte Santos Marques e Forte 2017 online p 6 170 UNIUBE Figura 63 Congurações usadas nas proteções de barramentos Fonte Santos Marques e Forte 2017 online p 7 64 Tipos de proteção de barramentos 641 Proteção diferencial de barras A possibilidade de fazer a proteção de barramentos com simples tipos de relés é um fator importante tendo em vista as necessida des armadas anteriormente A conexão dierencial poderá ser ei ta com relés de sobrecorrente simples de sobretensão ou mesmo com relés diferenciais percentuais UNIUBE 171 642 Releamento diferencial com relés de sobrecorrente Para esse tipo de proteção temos algumas especicações básicas mesma relação nominal dos transformadores de corrente determinação da saturação de algum transformador de cor rente se torna necessária nenhuma corrente de alha ou de carga deve fuir pela bobina do relé usar ação de calibre grosso mínimo 10 AWG usar preferencialmente relés de tempo inverso ao invés de relés instantâneos devido à pouca sensibilidade a correntes componentes de corrente contínua temporizar de 02 a 05 s a atuação para deixar ultrapassar correntes de erro devido a transitórios interligar todos os neutros dos transformadores de corrente com os isolados e de mesma bitola que os os de ase e aterrar no mesmo e único ponto Essas exigências e muitas outras são necessárias para utilizar relés de sobrecorrente na proteção de barramentos CAMINHA 1977 172 UNIUBE 643 Releamento diferencial percentual Em faltas externas temse esse tipo de proteção como uma solução ao problema de saturação de transformadores de corrente proble ma que pode ocorrer Há como desvantagem pouca velocidade ou seja em sistemas que exijam um acionamento em alta veloci dade não poderiam atuar É de costume utilizar relés com múltiplas bobinas de restrição evitando sempre a utilização dos transfor madores de corrente em paralelo fator sempre problemático 645 Releamento diferencial com acopladores lineares A utilização de transformadores de corrente com núcleo de ferro com altas constantes de tempo pode trazer transitórios e causar instabilidades no barramento Para evitar esse acontecimento usamse transformadores de corrente toroidais sem núcleo de fer ro chamados acopladores lineares em que as condições transitó rias são eliminadas e não há correntes de magnetização 646 Proteção diferencial combinada Há ainda a possibilidade de se combinar as proteções de barra e transformador dependendo do arranjo encontrado Porém esses arranjos podem agravar problemas tornando as facilidades em desvantagens para o sistema UNIUBE 173 Figura 64 Proteção diferencial combinada barratransformador Fonte Caminha 1977 p 164 647 Proteção de retaguarda Para Caminha 1977 é o tipo de proteção em que a barra é inclu ída dentro da zona de proteção de retaguarda dos relés utilizados É um tipo de proteção bastante antigo em que os relés distantes dos circuitos alimentam a própria barra 174 UNIUBE Figura 65 Proteção de retaguarda de barramento Fonte Caminha 1977 p 164 648 Proteção de massa ou dispersão pela carcaça Usado especialmente em barramentos de subestações externas blindados etc este tipo de proteção faz com que um relé de sobre corrente atue sobre um relé auxiliar acionando os disjuntores liga dos à barra isolados da terra exceto pelo primário de um TC em que seu secundário alimenta um relé de sobrecorrente instantâneo sempre que ocorre falta à terra CAMINHA 1977 UNIUBE 175 Figura 66 Proteção massacuba de barramentos em armários metálicos Fonte Caminha 1977 p 165 649 Proteção por comparação direcional Esse tipo de proteção é de difícil aplicação em grandes sistemas elétricos de potência Durante uma alta interna a energia fui na di reção da barra em todos os circuitos conectados já quando há uma alta externa o fuxo é na direção da barra e dos demais circuitos com exceção do alimentador faltoso Esses atores dicultam ainda mais quando ocorrem em barramen tos que unem redes de cabos em que o efeito capacitivo também atua e por restrições à tensão necessárias ou por relés direcionais de sequência negativa que por sua vez são menos afetados com a corrente capacitiva CAMINHA 1977 176 UNIUBE Considerações Finais Geradores e barramentos assim como todos os elementos de um sistema elétrico de potência têm uma função imprescindível de proverem energia receberem e transmitila respectivamente Como pudemos ver neste capítulo existem muitos problemas que podem ocorrer em geradores e barramentos e assim como as fal tas a quantidade de formas de se proteger esses elementos tam bém são grandes A literatura com o passar dos anos apresenta cada vez mais práti cas e pesquisas relacionadas à área de proteção de sistemas elétri cos de potência trazendo modelos consagrados como adequados quando se fala de formas de se proteger e de tipos característicos de faltas de alguns aparelhos Porém esses modelos encontrados são base para que o engenheiro projetista do sistema de proteção desses elementos possa ter como se orientar e também como forma de checklist para não esquecer nenhum possível problema Assim quem fará o melhor sistema de potência para as diversas variáveis que possam existir é segundo a base de estudos o en genheiro projetista A evolução e o aprimoramento dos elementos protetores vêm cres cendo com o passar dos anos a atualização e o conhecimento das novas maneiras de se fazer um sistema de proteção da melhor forma ou seja com menor custo e de maneira mais rápida cabe aos estudiosos e sempre atentos a aprender essas novas técnicas Capítulo 7 Proteção de motores de indução de grande porte Luis Guilherme Gimenez de Souza Introdução Caroa alunoa o Capítulo VII Proteção de motores de indução de grande porte continua o estudo do conteúdo referente à disciplina Proteção de Sistemas Elétricos O conteúdo da disciplina abordou até o presente capítulo a importância da proteção de sistemas elétricos de potência SEP transformadores redutores de tensão e filtro relés de sobrecorrente e distância com suas respectivas aplicações teleproteção de linhas de transmissão e coordenação de sistemas de proteção proteção de transformadores geradores e barramentos Ainda serão abordados os tópicos de proteção de motores de indução de grande porte além de novas tecnologias aplicadas à proteção de sistemas de potência Neste capítulo iniciase o estudo de proteção de motores de indução de grande porte em que será possível observar que os elementos de proteção estudados nos capítulos anteriores conseguem suprir as necessidades básicas do sistema de proteção desejado Os códigos dos elementos e a função individual podem ser observados na norma ANSIIEEE C372 178 UNIUBE O texto aborda a importância da proteção térmica dos motores devido à deterioração do sistema de isolamento de seus enrolamentos com o aumento da temperatura evitando condições que possam resultar em sobrecarga térmica dos enrolamentos pois condições severas podem resultar em danos aos motores enquanto pequenas sobrecargas impactam na redução da vida útil do motor Assim como em outros componentes de um sistema elétrico de potência a proteção de sobrecorrente instantânea e temporizada fornece proteção para as faltas nos terminais e nos cabos de alimentação do motor e para as faltas internas do próprio motor complementando a proteção térmica Outras funções de proteção com aplicação em motores trifásicos de grande porte são estudadas como a proteção de sobrecorrente de terra de desbalanço de corrente ou de corrente de sequência negativa e diferencial para motor Essa última é de grande importância para a proteção de motores de grande porte justicando o custo da sua implementação Dentre tantas opções de proteção para motores orientase o estudo e a aplicação das funções com relação à tensão e à potência do motor a ser protegido Lembrando que toda a proteção depende da análise do sistema não sendo obrigatória a aplicação de todos os métodos indicados O estudo relacionado à proteção de sistemas elétricos de potência não deve contudo ser restrito ao material ou ao conteúdo aqui apresentado Utilize outros livros e busque maiores informações para ampliar o seu conhecimento principalmente quando o assunto abordado é de interesse ou grande utilidade para você alunoa UNIUBE 179 Conhecer os princípios básicos de proteção de motores trifásicos de grande porte Vericar a importância da proteção térmica para motores de grande porte Aplicar os dispositivos estudados anteriormente na proteção de motores Estudar os critérios de aplicação de funções de proteção de motores com relação à sua tensão e potência 1 Funções de proteção aplicáveis a motores trifásicos de grande porte 2 Proteção térmica Função 49 3 Proteção de sobrecorrente 31 Proteção de sobrecorrente instantânea 50 32 Proteção de sobrecorrente temporizada 51 4 Proteção de sobrecorrente de terra 50 GS 5 Proteção de desbalanço de corrente ou corrente de sequência negativa 46 6 Proteção diferencial para motor 87 M 7 Critérios de aplicação de funções de proteção de motores trifásicos 71 Baixa tensão com potência nominal até 55 kW 72 Baixa tensão com potência nominal entre 55 kW e 150 kW 73 Média tensão com potência nominal entre 150 kW e 1200 kW 74 Média tensão com potência nominal entre 1200 kW e 1500 kW 75 Média tensão com potência nominal acima de 1500 kW Objetivos Esquema 180 UNIUBE Com a necessidade do aumento do tempo de operação das plan tas e dos processos produtivos em todas as áreas da indústria a identicação e a correção de problemas são undamentais para a elevação dos níveis de conabilidade do sistema e o aumento dos lucros operacionais Como os motores elétricos são responsáveis por grande parte dos acionamentos das máquinas encontradas nas plantas industriais a sua proteção é fundamental para o bom andamento da produção evitando danos ao equipamento bem como paradas excessivas e prejudiciais aos processos Além do custo do próprio motor as perdas operacionais perda de produção matériaprima reparação da produção e atrasos são evitadas ou reduzidas com a correta aplicação das funções de pro teção permitindo que as empresas sejam mais competitivas devi do à redução dos custos Assim quando submetida a condições anormais de funcionamento a proteção do motor elétrico deve operar dentro do especicado prote gendo o equipamento e maximizando o seu tempo de disponibilidade no sistema Falhas na proteção também podem impactar a segurança das pessoas em contato com o motor direto ou indireto Funções de proteção aplicáveis a motores trifásicos de grande porte 71 A norma ANSIIEEE C3796 apresenta métodos de proteção para motores de corrente alternada identicando e resumindo as un ções necessárias para a proteção adequada de motores com base em tipo tamanho e aplicação UNIUBE 181 A proteção deve ser projetada para apresentar conabilidade do serviço segurança e proteção do equipamento a um custo razo ável Principalmente no caso de motores de grande porte o fabri cante do componente deve ser contactado para repasse de seus requisitos e características Caso ocorra uma falha no motor o reparo e a reinstalação do sis tema de proteção devem ser revistos para contemplar o funcio namento do equipamento de forma segura Tais medidas podem resultar na adição de novos componentes de proteção e revisão do esquema de proteção incluindo no caso de substituição do motor uma unidade com maior eciência Os dispositivos de proteção e suas respectivas características são padronizados pela norma ANSIIEEE C372 referidos por um có digo numérico e por suxo alabético de acordo com as unções que realizam Segue o quadro com algumas opções de códigos e descrição funcional padronizadas Quadro 71 Códigos e descrição funcional de dispositivos de proteção utilizados em motores Código Descrição funcional 14 Subvelocidade 27 Subtensão 37 Subcorrente 38 Proteção de temperatura mancal RTD 46 Desbalanço de corrente ou corrente de sequência negativa 47 Sequência de fase incorreta ou reversão de fase 182 UNIUBE 48 Monitoramento de tempo de partida 49 Proteção térmica para motor 50 Sobrecorrente instantânea 51 Sobrecorrente temporizada 66 Inibição de repartida 86 Bloqueio de partida 87 Relé diferencial M para motores Fonte Adaptado de Norma ANSIIEEE C372 O sistema de proteção dos motores trifásicos devem prote ger o motor durante seu estado normal de funcionamento in cluindo a partida além das condições anormais de operação do sistema elétrico do sistema mecânico ou do próprio motor BULGARELLI 2006 p 20 Assim devido à grande quantidade de parâmetros que devem ser observados existem diversas funções de proteção para motores de corrente alternada Contudo dependendo do motor a utilização de todas essas funções pode não ser necessária A Figura 71 ilus tra um exemplo de aplicação de relé de proteção multifunção a um motor de indução trifásico UNIUBE 183 Figura 71 Exemplo de aplicação de relé de prote ção multifunção a um motor de indução trifásico Fonte Bulgarelli 2006 p 21 72 Proteção térmica Função 49 Uma causa comum de ocorrência de falhas e de redução da vida útil dos motores é a deterioração do sistema de isolamento de seus enrolamentos podendo ser resultante da exposição dos enrola mentos à umidade à excessiva solicitação dielétrica ou térmica aos danos mecânicos dentre outros A função da proteção térmica de um motor é evitar danos quando cargas mecânicas são aplicadas acima da capacidade nominal com o motor em operação e contra rotor bloqueado durante a partida do motor Assim a proteção térmica evita condições que possam 184 UNIUBE resultar em sobrecarga térmica dos enrolamentos pois condições severas podem resultar em danos aos motores enquanto peque nas sobrecargas impactam na redução da vida útil do motor Segundo Bulgarelli 2006 p 22 um elemento de proteção de so brecorrente de tempo inverso e outro de sequência negativa podem ser aplicados de forma a evitar o sobreaquecimento causado pelas condições de rotor travado e de correntes desbalanceadas em um motor Nenhum desses elementos de proteção porém considera o histórico térmico do motor Mesmo em funcionamento normal um motor elétrico pode requerer potência acima da sua potência nominal dependendo das neces sidades momentâneas do seu trabalho O aumento da temperatura dos enrolamentos do estator é consequência da sobrecarga do mo tor cuja vida útil é reduzida pelo aquecimento e pela deterioração do sistema de isolamento A proteção térmica por meio dos métodos de detecção de sobrecarga ou sobretemperatura utiliza um relé do tipo imagem térmica função 49 alimentado por TCs ou por sensores resistivos de temperatura RTD A forma mais adequada para a proteção térmica de um motor de grande porte ou de grande importância operacional utiliza ambos os métodos de proteção medição de corrente e temperatura 73 Proteção de sobrecorrente Os elementos de proteção de sobrecorrente fornecem proteção para as faltas nos terminais e nos cabos de alimentação do motor e para as faltas internas do próprio motor complementando a pro teção térmica UNIUBE 185 731 Proteção de sobrecorrente instantânea Função 50 Quando a nalidade da proteção é desligar o motor deeituoso o mais rapidamente possível utilizase a proteção instantânea A proteção contra curtocircuito entre fases para motores trifásicos deve ser considerada somente quando utilizar um disjuntor tripolar corretamente dimensionado para interromper as correntes de falta O ajuste da proteção de sobrecorrente instantânea deve estar aci ma da corrente de partida do motor quando utilizada na proteção de curtocircuito do motor para falta entre fases Geralmente uti lizase o valor da corrente de pickup no intervalo entre 12 e 15 na corrente do rotor bloqueado com o objetivo de evitar o desli gamento devido à corrente de partida visto que faltas entre fases fornecem correntes maiores que a corrente de rotor bloqueado 732 Proteção de sobrecorrente temporizada Função 51 A proteção de sobrecorrente temporizada mais especicamente os relés de sobrecorrente de tempo inverso são utilizadas para a pro teção do motor contra rotor bloqueado e emperramentos do rotor No processo de partida e aceleração do motor elétrico são veri cados elevados valores de corrente também conhecidos como correntes de inrush resultando no rápido aquecimento dos condu tores Essas correntes são de 5 a 7 vezes a corrente nominal do motor enquanto o calor resultante é da ordem de 25 a 50 vezes o calor gerado em condições normais de funcionamento Assim para proteger o motor nas condições de rotor travado na partida ou em funcionamento são utilizadas as funções de 186 UNIUBE sobrecorrente temporizadas em complemento ou como função de retaguarda à função de proteção térmica A condição de emperra mento ocorre quando a carga mecânica excede a capacidade de torque máximo do motor ocasionando uma corrente excessiva O tempo de atuação da proteção de sobrecorrente temporizada deve ser maior que o tempo de atuação da função de sobrecorren te instantânea permitindo que a condição de emperramento mo mentâneo do motor ou a anomalia do processo seja eliminado pelo próprio processo Esse ajuste evita desligamentos desnecessários do motor causados pela atuação indevida ou prematura da prote ção de sobrecorrente temporizada Para a proteção de travamento do rotor nos casos em que a cor rente de fase exceder o ajuste de pickup da função por um tem po maior que o tempo de atuação previsto o relé opera e o mo tor é desligado Os valores de alarme e trip para a proteção de sobrecorrente são de 125 a 135 o valor da corrente nominal do motor sendo que o tempo de atraso é função dos tempos máxi mos de rotor bloqueado em temperatura ambiente e de operação Características do processo e casos particulares de aplicação po dem alterar tais valores 74 Proteção de sobrecorrente de terra Função 50 GS A maioria das falhas dos sistemas elétricos de potência é recorren te de faltas entre fase e terra Para a proteção contra curtocircuito à terra podem ser utilizados TC de sequência zero conectado a um dispositivo de proteção com função de sobrecorrente instantânea de terra 50 GS UNIUBE 187 Três TCs de fase conectados residualmente a um dispositivo de proteção com a função de sobrecorrente temporizada de neutro 51 N A proteção com o relé de função 50 GS apresenta um nível baixo para ajuste e não apresenta tempo de retardo A conexão resi dual 51 N utiliza ajuste mínimo de aproximadamente metade do valor do primário do TC enquanto o tempo de retardo deve ser ajustado para evitar sinais de desligamento indevidos decor rentes do desequilíbrio de correntes de saída dos TCs Esses desequilíbrios podem ser resultado de características diferentes entre os TCs ou a sua saturação Um método utilizado em sistemas industriais para proteção de grandes motores é composto pelas três fases passando por den tro de um TC toroidal cujo fuxo magnético resultante das corren tes induz a corrente de sequência zero disponibilizada na saída do secundário do TC Esse método apresenta boa precisão e alta sensibilidade mas como os cabos alimentadores do motor neces sitam passar dentro do TC as dimensões dos cabos podem ser limitantes em sua utilização A Figura 72 ilustra a proteção de so brecorrente de terra com a utilização de um TC toroidal 188 UNIUBE Figura 72 Proteção de sobrecorrente de terra 50 GS utilizando TC toroidal Fonte Bulgarelli 2006 p 31 Dentro da limitação devido à seção nominal dos cabos de alimen tação para motores com elevadas potências é utilizado o arranjo de três TCs ligados de forma residual e o relé de sobrecorrente instantânea 50 N ligado ao neutro dos TCs Tal relé deve ser ajus tado com valor abaixo da corrente de carga do motor e acima de uma possível corrente residual falsa UNIUBE 189 75 Proteção de desbalanço de corrente ou corrente de sequência negativa Função 46 Outro ator que causa signicativo aquecimento do motor elétrico são as componentes de sequência negativa de correntes desba lanceadas O ajuste da função de proteção para o desequilíbrio de corrente de fases e operação com falta de fase é baseado nos cálculos das correntes de sequência negativa Aoperação monofásica na partida ou em operação fase do motor aber to o curtocircuito entre enrolamentos o transformador com uma fase primária em aberto e as tolerâncias de fabricação são os principais mo tivos que causam desbalanço de correntes em motores elétricos Tomando como exemplo a condição de fase do motor em aberto causada pela queima de um fusível o motor com somente dois condutores de fase energizados não partirá e uma grande corrente de desequilíbrio será produzida Caso a mesma falta seja obser vada com o motor em funcionamento a condição de desbalanço resulta em um componente de sequência negativo que produz um fuxo em sentido contrário ao sentido de rotação do motor Em ambos os casos o rápido aquecimento pode danicar o motor em um curto período de tempo Por esse motivo é necessário que a função de proteção de desbalanço de corrente ou corrente de sequência negativa desligue rapidamente o motor Assim os elementos de proteção de sobrecorrente de sequência negativa não são sensibilizados para correntes de carga que este jam balanceadas permitindo que operem mais rapidamente e com maior sensibilidade para falta do tipo fasefase 190 UNIUBE Ampliando o conhecimento Devido à grande quantidade de parâmetros que devem ser obser vados existem diversas funções de proteção para motores de cor rente alternada Amplie seus conhecimentos estudando os méto dos de proteção de inibição de partida função 66 de proteção por monitoração do tempo de partida ou partida longa função 48 e de proteção de subvelocidade função 14 76 Proteção diferencial para motor 87 M A proteção diferencial de sobrecorrente de um motor compara o fuxo de corrente que entra no motor com a corrente do neutro do motor sendo detectada como falta quando existir diferença entre as correntes medidas Devido aos custos de implementação de técnicas de proteção mais sensíveis e elaboradas a proteção diferencial é aplicada para motores de grande porte de elevado custo de manutenção ou de grande importância na produção Essa proteção aumenta a sensi bilidade e a velocidade na operação da proteção de curtocircuito entre fases e para a terra internos ao motor Durante a operação normal de um motor trifásico as correntes que entram nos enrolamentos do motor são iguais às que retornam dos enrolamentos Lei de Kirchho Contudo quando tais correntes diferem existe indicativo de fuga de corrente ou de falta dentro do motor à terra ou entre fases A técnica mais utilizada na proteção diferencial é o método do fluxo autobalanceado apresentando elevada sensibilidade UNIUBE 191 e promovendo a proteção dos enrolamentos do motor com a utilização de um sobrecorrente instantâneo função 87 M Os TCs e o relé utilizados são os mesmos utilizados para a prote ção instantânea de sobrecorrente de terra de sequência zero A Figura 73 ilustra o esquema típico de proteção diferencial autobalanceada para motores Figura 73 Esquema típico de proteção diferencial autobalanceada para motores Fonte Bulgarelli 2006 p 37 Outra técnica utilizada na proteção diferencial é o método percen tual apresentando menor sensibilidade quando comparado ao método autobalanceado e permitindo estender a zona de proteção para os cabos de força dos circuitos alimentadores além dos enro lamentos do motor 192 UNIUBE Os dois métodos de proteção diferencial comentados apresentam elevada sensibilidade e rápidos tempos de atuação quando com parados com outros métodos evitando maiores danos ao motor e ao tempo de disponibilidade dele Ampliando o conhecimento Devido à grande quantidade de parâmetros que devem ser ob servados existem diversas funções de proteção para motores de corrente alternada Amplie seus conhecimentos estudando os mé todos de proteção de subtensão função 27 e proteção contra ro tação ao contrário backspin 77 Critérios de aplicação de funções de proteção de motores trifásicos Como comentado anteriormente a denição de quais unções de vem ser utilizadas na proteção de motores de indução trifásicos é relacionada à tensão de alimentação potência nominal e aplicação do equipamento a ser protegido Os critérios são orientados pela norma ANSIIEEE C3796 mas ou tras unções de proteção especícas podem ser necessárias de pendendo da importância do motor ou do processo Fatores como custo do motor perdas referentes ao período de inatividade tempo de manutenção e supervisão diculdade e custo de reparos deter minam a importância do motor UNIUBE 193 771 Baixa tensão com potência nominal até 55 kW Motores de indução trifásicos de baixa tensão tensão nominal de 400 V e potência nominal até 55 kW são em geral controlados por meio de contatores e alimentados a partir de painéis do tipo CCM Centro de Controle de Motores com tensão nominal de 480 V BULGARELLI 2006 p 40 Caso não sejam utilizados módulos digitais e a aplicação de baixa tensão utilize relés de sobrecarga mecânicos com o sistema dire tamente aterrado e com partida direta na rede normalmente são aplicadas as seguintes proteções Proteção de sobrecarga realizada por relé térmico eletrome cânico do tipo bimetálico Proteção de sobrecorrente para curtocircuito entre fases e para a terra A proteção de sobrecorrente pode ser realizada por meio de fu síveis mas está em desuso devido às elevadas capacidades de corrente de curtocircuito dos atuais disjuntores Para sistemas aterrados mediante a alta resistência e com corrente de falta limitada até 10 A nenhuma proteção de falta de terra é nor malmente utilizada Nesse caso utilizase um TC do tipo ground sensor ligado a um relé com função de sobrecorrente instantânea de terra 50GS Caso sejam utilizados módulos digitais também conhecidos como inteligentes para proteção e controle é possível a implementação 194 UNIUBE de funções de proteção de motor adicionais àquelas implementa das somente com relés térmicos bimetálicos Dentre as funções podese destacar as de subcarga partidas frequentes falta e des balanço de fase dentre outros 72 Baixa tensão com potência nominal entre 55 kW e 150 kW Motores de indução trifásicos de baixa tensão tensão nominal de 400 V e potência nominal entre 55 kW e 150 kW são em geral controla dos por meio de disjuntores abertos e alimentados a partir de painéis do tipo CDC Centro de Distribuição de Carga com tensão nominal de 480 V BULGARELLI 2006 p42 Utilizase normalmente um relé de proteção multifunção digital alimentado por meio de transformadores de corrente TCs ins talados nos circuito de alimentação do motor Assim para esses sistemas diretamente aterrados e com partida direta na rede são aplicadas as seguintes proteções Proteção de sobrecorrente instantânea 50 Proteção de sobrecorrente instantânea de falta à terra 50 GS Proteção de sobrecorrente temporizada 51 Proteção térmica 49 com alarme prévio de sobrecarga Proteção de subcarga 37 Proteção de subtensão 27 por meio do relé digital de prote ção ou mediante a abertura do disjuntor por meio de bobina UNIUBE 195 de mínima tensão Proteção contra correntes de sequência negativa 46 Proteção por supervisão de tempo de partida 48 Inibição de repartida 66 Função de bloqueio 86 residente em memória não volátil do relé digital de proteção 73 Média tensão com potência nominal entre 150 kW e 1200 kW Motores de indução trifásicos de média tensão tensão nominal de 4000 V e potência nominal entre 150 kW e 1200 kW são em geral controlados por meio de contatores isolados a SF6 ou a vácuo sendo alimentados a partir de painéis do tipo CCM Centro de Controle de Motores com tensão nominal de 4160 V BULGARELLI 2006 p 43 Utilizase normalmente um relé de proteção multifunção digital com entradas de medição de corrente e tensão trifásicas e em função da utilização de contatores como elemento de manobra as funções de sobrecorrente devem ser desabilitadas ou bloqueadas Tais considerações são relacionadas ao dimensionamento do con tator não suportar correntes de curtocircuito e sim as nominais Assim para esses sistemas diretamente aterrados mediante bai xa resistência e com partida direta na rede são aplicadas as se guintes proteções 196 UNIUBE Proteção de sobrecorrente instantânea de falta à terra 50 GS Proteção térmica 49 com alarme prévio de sobrecarga Proteção de subcarga 37 Proteção de subtensão 27 quando da utilização de circui tos de controle alimentados em corrente contínua ao invés de controle alimentados pelo TP de comando Proteção contra correntes de sequência negativa 46 Proteção contra desequilíbrio de tensão ou sequência de fase incorreta 47 Proteção por supervisão de tempo de partida 48 Inibição de repartida 66 Função de bloqueio 86 residente em memória não volátil do relé digital de proteção 74 Média tensão com potência nominal entre 1200 kW e 1500 kW Motores de indução trifásicos de média tensão tensão nomi nal de 4000 V e potência nominal entre 1200 kW e 1500 kW são em geral controlados por meio de contatores isolados a SF6 ou a vácuo sendo alimentados a partir de painéis do tipo CDC Centro de Distribuição de Carga com tensão nominal de 4160 V BULGARELLI 2006 p43 UNIUBE 197 Utilizase normalmente um relé de proteção multifunção digital com entradas de medição de corrente e tensão trifásicas Para es ses sistemas diretamente aterrados por meio de baixa resistência e com partida direta na rede são aplicadas as seguintes proteções Proteção de sobrecorrente instantânea 50 Proteção de sobrecorrente instantânea de falta à terra 50 GS Proteção de sobrecorrente temporizada 51 Proteção térmica 49 com alarme prévio de sobrecarga Proteção térmica por medição de temperatura por RTDs 49T Proteção de subtensão 27 Proteção de subcarga 37 Proteção contra correntes de sequência negativa 46 Proteção contra desequilíbrio de tensão ou sequência de fase incorreta 47 Proteção por supervisão de tempo de partida 48 Inibição de repartida 66 Função de bloqueio 86 residente em memória não volátil do relé digital de proteção Proteção diferencial autobalanceada 87M 198 UNIUBE 75 Média tensão com potência nominal acima de 1500 kW Motores de indução trifásicos de média tensão tensão nominal de 13200 V e potência nominal acima de 1500 kW são em geral con trolados por meio de contatores isolados a SF6 ou a vácuo sendo alimentados a partir de painéis do tipo CDC Centro de Distribuição de Carga com tensão nominal de 13800 V BULGARELLI 2006 p 44 Utilizase normalmente um relé de proteção multifunção digital com entradas de medição de corrente e tensão trifásicas Para es ses sistemas diretamente aterrados por meio de baixa resistência e com partida direta na rede são aplicadas as mesmas proteções dos motores alimentados pelos CDCs de 4160 V e sistema de mo nitoração de vibração da carcaça e mancais Para motores com elevada potência ou importância operacional são instalados sistemas de monitoração de descargas parciais cuja função é acompanhar o estado do sistema de isolação dos enrolamentos do motor UNIUBE 199 Figura 74 Motor elétrico de grande potência utilizado para bombeamento de água Fonte THANAWIT KONGKAEW 123RF 200 UNIUBE Considerações Finais Prezadoa alunoa neste capítulo abordamos a proteção de motores de indução de grande porte e para tal os dispositivos utilizadosAs fun ções de proteção de motores foram abordadas segundo a normaANSI IEEE C3796 que orienta a proteção de motores de corrente alternada Observouse a importância da proteção térmica dos motores devi do à deterioração do sistema de isolamento de seus enrolamentos com o aumento da temperatura evitando condições que possam resultar em sobrecarga térmica dos enrolamentos pois condições severas podem resultar em danos aos motores enquanto peque nas sobrecargas impactam na redução da vida útil do motor De forma complementar à proteção térmica os elementos de pro teção de sobrecorrente fornecem proteção para as faltas nos termi nais e nos cabos de alimentação do motor e para as faltas internas do próprio motor Outras funções de proteção com aplicação em motores trifásicos de grande porte foram estudadas como a proteção de sobrecor rente de terra de desbalanço de corrente ou de corrente de sequ ência negativa e diferencial para motor A proteção diferencial para motor é muito importante para a pro teção de motores de grande porte justicando o custo da sua im plementação Tal metodologia tem como objetivo principal a detec ção de falhas internas do motor tanto no método autobalanceado quanto no método percentual Os dois métodos de proteção diferencial apresentam elevada sensibilidade e rápidos tempos de atuação quando compara dos com outros métodos evitando maiores danos ao motor e UNIUBE 201 ao tempo de disponibilidade dele Justicase assim o custo de implementação para motores de grande porte ou com elevada importância no sistema Dentre tantas opções de proteção para motores orientase o estu do e a aplicação das funções com relação à tensão e à potência do motor a ser protegido Lembrando que toda a proteção depende da análise do sistema não sendo obrigatória a aplicação de todos os métodos indicados 204 UNIUBE permitiu a utilização de métodos matemáticos e de ferramentas computacionais para o desenvolvimento de sistemas mais rápidos precisos e exatos Esses fatores aumentam a conabilidade a seletividade e a segurança da proteção Contudo devido à falta de norma regulamentadora a comunicação entre dispositivos de diferentes fabricantes era inviável em virtude dos protocolos proprietários utilizados em cada dispositivo fato que proporcionou o desenvolvimento da norma IEEE 61850 O conceito de smart grid apresenta uma mudança no padrão do setor elétrico e torna o sistema energético mais interativo A necessidade de incorporar novas fontes introduzir novos consumidores e melhorar a eciência e o dimensionamento da própria rede justica a crescente aplicação de IEDs na proteção dos sistemas elétricos O estudo relacionado à proteção de sistemas elétricos de potência no entanto não deve ser restrito ao material ou ao conteúdo apresentado Utilize outros livros e busque maiores informações para ampliar o seu conhecimento principalmente quando o assunto abordado é de seu interesse ou de grande utilidade UNIUBE 205 Conhecer o histórico de desenvolvimento dos dispositivos de proteção Observar as características de um dispositivo eletrônico inteligente Vericar a tendência de métodos e de erramentas utilizados na proteção de sistemas Conhecer a normatização do protocolo de comunicação IEC 61850 Visão geral de Smart Grid 1 Desenvolvimento dos dispositivos de proteção 11 Histórico 111 Eletromecânico 112 Estático 113 Digital 12 IED Intelligent Electronic Device 13 Tendências modernas na proteção de sistemas 131 Métodos de detecção de falta 132 Novas ferramentas utilizadas em proteção 2 IEC 61850 3 Smart Grid 31 Smart Grid no mundo 32 Smart Grid no Brasil Objetivos Esquema 206 UNIUBE 1 Desenvolvimento dos dispositivos de proteção 81 811 Histórico 8111 Eletromecânico Os primeiros dispositivos de proteção de sistemas elétricos foram os relés eletromecânicos com base nos movimentos mecânicos provenientes de acoplamentos elétricos e magnéticos Utilizando os princípios de atração e de indução eletromagnética o funciona mento do relé eletromecânico realiza a movimentação de discos magnéticos ou de núcleos ferromagnéticos que por sua vez reali zam a abertura ou o fechamento de contatos elétricos Esses relés podem ser classicados de acordo com o propósito proteção contatos auxiliares e com o mecanismo de ação ar madura de atracamento disco de indução bobina móvel dentre outros deles Os relés eletromecânicos de contato móvel arma dura de atracamento são utilizados para multiplicação de contatos e isolação galvânica enquanto os demais tipos foram substituídos por equipamentos mais modernos 812 Estático Com o desenvolvimento dos componentes eletrônicos na década de 1960 o processo de desenvolvimento de novos relés substituiu o uso das bobinas e dos ímãs dos relés eletromecânicos por dispo sitivos eletrônicos com componentes analógicos Devido à ausên cia de partes móveis tal relé foi denominado estático UNIUBE 207 Os primeiros relés estáticos utilizavam dispositivos discretos como transistores diodos resistores capacitores e indutores até que o desenvolvimento da eletrônica permitisse o processamento de sinais e a implementação de funções lógicas com a utilização de circuitos integrados lineares e digitais Essa tecnologia não pro porcionava várias funções no mesmo relé sendo necessário vários equipamentos apropriadamente conectados para a realização de uma função complexa 813 Digital Com o advento da microeletrônica os relés estáticos foram substi tuídos pelos relés digitais cujo principal diferencial era a utilização de processamento digital para tratamento de variáveis analógicas Contudo devido à pequena capacidade de processamento dos dis positivos existentes no período os dispositivos apresentavam limi tação quanto ao número de funções e aos tempos de amostragem do sinal analógico e de processamento digital A programação do relé digital era realizada por meio de congura ção com computador mas o tempo de processamento das funções de proteção não permitia a execução de lógica controle via rede automonitoramento autodiagnóstico dentre outros Com o avan ço da tecnologia e da microeletrônica os relés foram aperfeiçoados para relés microprocessados também conhecidos como relés nu méricos ou relés inteligentes IED Intelligent Electronic Device 208 UNIUBE 812 IED Intelligent Electronic Device O termo dispositivo eletrônico inteligente IED é amplamente utiliza do na área de sistemas elétricos de potência SEP para descrever controladores baseados em microprocessadores Em virtude das ca racterísticas e das funções esses dispositivos atendem aos requisitos necessários à proteção de sistemas elétricos mas internamente são como computadores com alta capacidade de processamento Figura 81 Dispositivos eletrônicos inteligentes utilizados em uma subestação Fonte PHADVENTURE 123RF Dentro das características e das funções desses dispositi vos podemse listar o autodiagnóstico automonitoramento a UNIUBE 209 integração com softwares a execução de lógicas internas a in terligação e a comunicação em rede a sincronização de tempo dentre outros Assim um único relé inteligente pode realizar di versas funções de proteção Com foco na automação da proteção de sistemas elétricos de po tência as características mais importantes dos dispositivos eletrô nicos inteligentes são as capacidades de comunicação via rede execução de lógicas internas de controle automonitoramento e in tegração com softwares A conguração e o gerenciamento dos parâmetros dos equipamen tos a integração o acesso remoto a visualização das variáveis e dos valores instantâneos são realizados via software por meio de aplicativos especícos de cada abricante de IEDs Dentro do sotware é disponibilizado um ambiente para programação gráca com diversos blocos de unções que possibilitam congurar as ló gicas de um painel elétrico ou o sistema de automação para uma subestação dentro dos relés inteligentes Os relés apresentam entradas analógicas e digitais que ativam as funções programadas assim como variáveis de controle internas e interfaces de comunicação Essas interfaces permitem a integração dos dispositivos de campo com o supervisório Por muito tempo a comunicação entre dispositivos de diferentes fabricantes era inviável devido aos protocolos proprietários utilizados em cada dispositivo fato que proporcionou o desenvolvimento da norma IEEE 61850 210 UNIUBE 82 Tendências modernas na proteção de sistemas 821 Métodos de detecção de falta Devido à evolução dos dispositivos de proteção característica que compreende a utilização de microprocessadores nos relés grande parte da tecnologia utilizada para a melhora do desempenho dos dispositivos eletrônicos inteligentes é proveniente de uso de técni cas com base matemática para a proteção digital Assim a determinação de sinais e eventos com maior velocidade precisão e exatidão proporciona benefícios para o sistema de pro teção aumentando a conabilidade a seletividade a segurança etc Dentre os métodos matemáticos utilizados podese listar Mínimos Quadrados Transformada de Fourier Transformada Discreta de Fourier DFT Discrete Fourier Transform Transformada Rápida de Fourier FFT Fast Fourier Transform Função Walsh Filtro de Kalman Alguns métodos são amplamente utilizados e conhecidos em to dos os segmentos da engenharia como Mínimos Quadrados e a UNIUBE 211 Transformada de Fourier Por outro lado a Função Walsh e o Filtro de Kalman sempre oram utilizados em áreas distantes da prote ção de sistemas elétricos de potência como Telecomunicação e Navegação Inercial Utilizando como exemplo as áreas de aplicação citadas anterior mente a Função Walsh é utilizada para encontrar transposições de os que minimizam a diaonia intererência prejudicial no aco plamento de circuitos de comunicação de que resulta som confu so O Filtro de Kalman é utilizado para estimar valores a partir de um modelo dinâmico de um sistema corrompido por ruído branco como observados em sistemas de navegação inercial Devido ao poder de processamento dos IEDs tais métodos foram apli cados na proteção de SEP e permitiram a determinação de sinais e de eventos com maior velocidade aumentando a precisão a exatidão a conabilidade a seletividade e a segurança do sistema de proteção 822 Novas ferramentas utilizadas em proteção 8221 Algoritmos genéticos AG Segundo Lopes 1999 um dos subproblemas do despacho de car ga é a questão do comissionamento das unidades geradoras ou seja denir quantas e quais unidades devem ser utilizadas em um determinado momento Tal preocupação é relacionada ao tempo necessário para colocar uma unidade geradora em funcionamento visto que a velocidade de variação da demanda é muito maior Outrosaspectos comonúmero capacidade tipoelocalizaçãogeográ ca de cada unidade geradora tempo de acionamento e desligamento 212 UNIUBE capacidade e disponibilidade das linhas de transmissão demanda e previsão de demanda impõem mais restrições ao problema A utilização das técnicas de algoritmos genéticos pode trazer uma economia considerável para as empresas do setor elétrico princi palmente quando são abordadas as usinas termoelétricas e seus elevados custos De forma semelhante a utilização de algoritmos genéticos têm apresentado excelentes resultados na localização ótima de sec cionadores em redes de distribuição de baixa tensão otimização da temporização de relés de proteção automáticos dentre outros 8222 Redes neurais articiais RNA Para a proteção do sistema elétrico de potência são utilizados di ferentes tipos de relés com o objetivo de proteger um elemento especíco Uma das unções empregadas para a proteção das li nhas de transmissão são os relés de distância que observam a impedância entre a localização da falta e do relé para determinar se a falta é interna ou externa à sua zona de proteção Por meio dos valores de tensão e de corrente trifásicos o relé de distância detecta classica e localiza determinada alta envian do um sinal para o elemento seccionador desconectar a linha e eliminar a falta Como no Brasil é utilizado o Sistema Interligado Nacional o restante do sistema de transmissão pode operar dentro das condições normais de funcionamento Assim para implementar um modelo de proteção proposto para linhas de transmissão é necessário UNIUBE 213 Detectar o defeito ou a situação de falta Denir as ases envolvidas na alta classicação Localizar a falta A utilização de redes neurais articiais é um método alternativo para a proteção de linhas de transmissão baseado em modelos que re alizem suas funções em menor tempo quando comparados aos dispositivos convencionais Assim trabalhando com a identicação e a classicação da inormação em categorias é possível detectar classicar e localizar uma situação de alta mediante a capacidade de generalização abstração e tolerância a falhas características inerentes a um sistema de redes neurais OLESKOVICZ COURY AGGARWAL 2003 A ferramenta RNA é aplicada em diversas áreas dentro da proteção de sistemas elétricos de potência como a correção de sinais distor cidos pela saturação de transformadores de corrente a supervisão no sistema de atividades de uma subestação entre outras 83 IEC 61850 Como comentado anteriormente existe a necessidade de garantir a interoperabilidade entre os dispositivos eletrônicos inteligentes de diferentes fabricantes permitindo o uso e a troca de dados com o objetivo de realizar suas funcionalidades individuais e a correta cooperação entre IEDs 214 UNIUBE Essa necessidade foi claramente observada durante o processo de implementação de automação de subestações em que disposi tivos de diferentes fabricantes deveriam ser integrados para o cor reto funcionamento do sistema Dessa forma a norma IEC 61850 surge como requisito e especica o protocolo de comunicação com funcionalidades comprovadas O sistema elétrico de uma subestação equipado com dispositivos eletrônicos inteligentes e uncionando dentro das especicações da norma IEC 61850 utiliza uma rede local LAN como meio de co municação Tal característica permite a utilização da rede Ethernet para troca de informações por cabos ópticos reduzindo a quantida de de os de cobre enquanto a utilização do modelo OSI como base permite a divisão em camadas para obter melhor desempenho Assim em uma rede que utiliza a norma IEC 61850 a porta de comunicação Ethernet TCPIP tem um endereço IP para comunica ção entre IEDs de forma que possam usufruir de todos os recursos disponíveis em um ambiente de rede Ethernet Por trabalhar com o modelo TCPIP o dispositivo físico pode ser visto como Servidor e acessado por um cliente externo separando as aplicações em três níveis hierárquicos Estação mapear as camadas de comunicação TCPIP geren ciar as mensagens GOOSEGSSE e sincronização de tempo Vão aplicação das funções do sistema Processo valores analógicos de tensão e corrente amostra dos por meio de trens de pulsos trafegando na rede mensa gens GOOSEGSSE e sincronização de tempo UNIUBE 215 Saiba mais A norma IEC 61850 é muito extensa por se tratar de um manual de montagem e instalação de todos os padrões e protocolos necessá rios para o seu correto funcionamento Procure saber mais acerca do padrão proposto e de suas partes 84 Smart Grid Métodos práticos ferramentas e tecnologias baseados em avan ços nos campos de computação controle e comunicações estão permitindo que redes elétricas e outras infraestruturas se autorre gulem localmente O conceito de smart grid SG também chamado de redes elétricas inteligentes REI apresenta uma mudança no padrão do setor elé trico e torna o sistema energético mais interativo A necessidade de incorporar novas fontes introduzir novos consumidores e melhorar a eciência e o dimensionamento da própria rede justica a cres cente aplicação de IEDs na proteção dos sistemas elétricos 216 UNIUBE Figura 82 Ilustração das conexões de uma rede elétrica inteligente smart grid Fonte NEYRO2008 123RF Para Rivera Esposito e Teixeira 2013 p 45 o conceito de smart grid pode apresentar algumas perspectivas Tecnológica Ambiental Socioeconômica Políticoregulatória UNIUBE 217 Segundo Amin e Wollenberg 2005 p 1 rede elétrica inteligente é denida como uma estrutura de rede elétrica em larga escala caracterizada por segurança agilidade e resiliênciarobustez que enfrenta novas ameaças e condições não previstas De acordo com essa denição os dispositivos seriam capazes de comunicar e de cooperar dentro da mesma rede permitindo a autoconguração dos elementos de forma a suprir as necessidades do sistema Assim as smart grids têm como objetivo otimizar todo o sistema elétri co e facilitar a implantação de novos fornecedores e consumidores na rede Esse desenvolvimento é possível por meio do uso das tecnolo gias de informação e comunicação resultando na melhoria do monito ramento na gestão e na qualidade da energia ofertada A implantação das redes elétricas inteligentes pode ser analisada em três áreas complementares e independentes Sistema elétrico geração transmissão e distribuição Medidores eletrônicos Centros consumidores A implantação das REIs no sistema elétrico geração transmissão e distribuição tem como objetivo agregar inteligência e promover robustez segurança e agilidade na rede Por sua vez a implantação de medidores eletrônicos inteligentes agrega funcionalidades para os consumidores e para as conces sionárias Informações de tarifação e de consumo de energia por horário dados de faturas anteriores e indicativos da qualidade da 218 UNIUBE energia disponibilizada pela concessionária permitem melhor con trole por parte do consumidor Para as concessionárias é possível operações remotas corte e religamento por exemplo novas for mas de comercializar energia e a redução de custos operacionais Figura 83 Modelo de medidor eletrônico inteligente utiliza do na implementação das redes elétricas inteligentes Fonte CHRISTIAN DELBERT 123RF A utilização da inteligência nos centros consumidores é caracteri zada pelo uso de eletrodomésticos e de dispositivos residenciais inteligentes permitindo comunicação com o medidor e melhor ges tão do consumo energético A comunicação bidirecional de energia é realizada por meio da geração distribuída solar eólica biomassa etc e do armazenamento de energia com o uso de carros elétricos UNIUBE 219 Atualmente as smart grids encontramse em estágio de desen volvimento existindo grandes oportunidades para governos con cessionárias de energia fornecedores de tecnologias empresas e consumidores Por exemplo esperase que a conclusão da insta lação dos medidores inteligentes nos Estados Unidos e no Japão ocorra entre 2022 e 2030 mas não signica a implantação do con ceito integral de smart grids A ampliação das redes elétricas inteligentes para outros serviços públicos formariam as cidades inteligentes smart cities nas quais a inraestrutura de inormação e automação permitiria o uso e ciente dos recursos e a melhoria na qualidade dos serviços Desse modo energia água gás segurança trânsito e saúde poderiam ser integrados ao sistema A viabilidade do conceito inteligente é associada aos avanços tec nológicos da eletrônica e à melhoria dos sistemas de controle O con ceito poderá ser estendido para ambientes em que todos os objetos possam ser unicamente identicados reconhecidos localizados e endereçados o que vem sendo chamado de Internet of Things IoT Internet das Coisas RIVERA ESPOSITO TEIXEIRA 2013 p 50 220 UNIUBE Figura 84 Redes elétricas inteligentes cidades inteligentes e Internet das Coisas Fonte Rivera Esposito e Teixeira 2013 p 50 Assim todos os serviços e os sistemas podem ser fontes geradoras de dados que ao serem processados e tratados com inteligência disponibilizam informações que podem auxiliar em diversas áreas energia água gás segurança trânsito saúde etc Como as infor mações também podem indicar necessidades hábitos e interesses das pessoas grandes corporações de tecnologia de informação e comunicação têm interesse no desenvolvimento dos sistemas in teligentes como Google Intel e IBM UNIUBE 221 Figura 85 Os elementos de uma casa conecta dos em rede Internet das Coisas IoT Fonte MACROVECTOR 123RF 841 Smart Grid no mundo A utilização das redes elétricas inteligentes é uma tendência mun dial mas as diretrizes de implantação consideram as diferentes re alidades de cada país e consideram a multiplicidade de conceitos e benefícios Nos Estados Unidos a regulação da distribuição de energia elétrica é descentralizada proporcionando diferentes estágios de implantação dos medidores inteligentes Estados como Califórnia Flórida Colorado e Texas apresentam avançado estágio de aplicação das redes elétricas inteligentes devido ao grande número de medidores substituídos 222 UNIUBE Dentre os fatores que motivam a implantação das redes inteligen tes nos Estados Unidos podemse listar Agenda tecnológica para recuperação econômica Infraestrutura obsoleta Geração distribuída de energia Conabilidade segurança e eciência do sistema Uso de veículos elétricos e híbridos Na Europa o parlamento europeu xou como meta a implantação de 80 de medidores inteligentes até 2020 pois existe a necessi dade de renovar a rede elétrica aumentar a capacidade de gera ção controlar os preços da energia elétrica e implementar a inte gração de fontes renováveis Em 2010 85 dos lares italianos dispunham de medidores in teligentes enquanto todos os lares da Suécia já apresentavam tal equipamento Por outro lado países como França Espanha Noruega e Holanda apresentam pequenos índices de substituição dos medidores para o modelo inteligente Dentre os fatores que motivam a implantação das redes inteligen tes na Europa podemse listar Integração de diversas fontes de energia renováveis Infraestrutura envelhecida Uso de veículos elétricos UNIUBE 223 Na China pretendese substituir todos os 360 milhões de medi dores até 2020 Dentre os fatores que motivam a implantação das redes inteligentes na China podemse listar Implantação de cidades inteligentes e protagonismo mundial em IoT Eciência energética Diversicação energética No Japão e na Coreia as redes inteligentes estão em estágio de programaspiloto e há o objetivo de substituir toda a base até 2020 Dentre os fatores que motivam a implantação das redes inteligen tes no Japão podemse listar Diversicação energética devido aos acidentes nucleares Uso de veículos elétricos Implantação de cidades inteligentes 842 Smart Grid no Brasil A implantação das redes elétricas inteligentes no Brasil ocorre de forma diferente da observada nos países desenvolvidos pois apre senta especicidades de países emergentes e necessidades pró prias Dentre outras características destacamse 224 UNIUBE Grande parte da energia elétrica é de fontes renováveis Integração das regiões por meio de linhas de transmissão SIN Baixo consumo de energia per capta Elevado potencial de recursos renováveis e não renováveis não explorados Elevado valor da energia elétrica Segundo Rivera Esposito e Teixeira 2013 p 54 devido a essa última característica a política energética brasileira concentra es forços para garantir o fornecimento de energia elétrica com tari fas menores sobrepondose à política industrial e tecnológica Por outro lado o fato de o Brasil apresentar recursos renováveis competitivos inibe o fomento a tecnologias de geração distribuída como ocorre em países com baixa diversidade ou pouco potencial energético A Figura 86 cita os principais motivadores para a implantação das redes elétricas inteligentes no Brasil UNIUBE 225 Figura 86 Principais motivadores para a implantação das REIs no Brasil Fonte Rivera Esposito e Teixeira 2013 p 55 A utilização de dispositivos eletrônicos inteligentes IEDs para a formação das redes inteligentes traz melhorias em cada um dos motivadores observados na Figura 86 De forma rápida podese listar as características a serem trabalhadas em cada um deles Eciência energética e comercial Redução de perdas técnicas e comerciais Melhoria na qualidade da energia ofertada ao consumidor Gestão do horário de consumo de energia pelo consumidor 226 UNIUBE Aumento da conabilidade do sistema elétrico Interoperabilidade entre os diversos componentes da rede e subestação Gestão de ativos Planejamento da capacidade de geração transmissão e distribuição Segurança operacional e sistêmica Controle de acesso dos usuários de rede Redução de energia não distribuída e das perdas por fraudes Viabilizar a geração distribuída Gestão para contingências e autorrecomposição Sustentabilidade econômica e ambiental Diversicação dos negócios Novos serviços de valor agregado ofertados pela concessionária A Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica rea lizou um estudo amplo para elaborar uma proposta para um plano nacional de migração para o conceito de redes elétricas inteligen tes cuja estimativa de investimento para implantação pode variar de R 46 bilhões a R 91 bilhões UNIUBE 227 A conclusão desse estudo aponta que os custos são iguais ou su periores aos benefícios do ponto de vista dos consumidores e da concessionárias Logo é necessário um ajuste do plano regulatório para equacionar os incentivos para que os benefícios sejam perce bidos RIVERA ESPOSITO TEIXEIRA 2013 p 59 Considerações nais O desenvolvimento de novas tecnologias métodos e materiais é utilizado em diferentes áreas mesmo que inicialmente tenham sido desenvolvidos para uma necessidade especíca Dessa or ma caroa alunoa a evolução dos dispositivos de proteção de sistemas elétricos de potência acompanhou o desenvolvimento dos componentes disponíveis na época passando por relés eletro mecânicos estáticos digitais e microprocessados Com o advento dessa tecnologia os elementos utilizados na prote ção de SEP tornaramse inteligentes IEDs e ampliaram a gama de características e funções disponíveis A alta capacidade de pro cessamento de tais dispositivos permite que um único relé inteli gente realize diversas funções de proteção Com tamanho poder de processamento digital de sinais e análise de dados foi possível a utilização de métodos matemáticos e ferra mentas computacionais para o desenvolvimento de sistemas mais rápidos precisos e exatos Tais atores aumentam a conabilidade a seletividade e a segurança da proteção A norma IEEE 61850 proporciona a comunicação entre dispositi vos de diferentes fabricantes e utiliza o modelo OSI consagrado pela comunicação TCPIP em ambiente de rede Ethernet Com as 228 UNIUBE características propostas na norma os conceitos de smart grid re des inteligentes smart cities cidades inteligentes e Internet of Things Internet das Coisas começam a ser aplicados O conceito de smart grid apresenta uma mudança no padrão do se tor elétrico e torna o sistema energético mais interativo A necessi dade de incorporar novas fontes introduzir novos consumidores e melhorar a eciência e o dimensionamento da própria rede justica a crescente aplicação de IEDs na proteção dos sistemas elétricos Dentre os custos e benefícios observados para a implementação das redes de energia inteligentes foi apontado que os custos são iguais ou superiores aos benefícios do ponto de vista dos consumi dores e da concessionárias Logo é necessário um ajuste do plano regulatório para equacionar os incentivos para que os benefícios sejam percebidos CONCLUSÃO O conteúdo referente à disciplina Proteção de Sistemas Elétricos abordou a importância da proteção de sistemas elétricos de potên cia SEP transormadores redutores de tensão e ltro relés de sobrecorrente e distância com suas respectivas aplicações tele proteção de linhas de transmissão e coordenação de sistemas de proteção proteção de transformadores geradores barramentos e motores de indução de grande porte além de novas tecnologias aplicadas à proteção de sistemas de potência Iniciouse o estudo abordando a importância da proteção de siste mas elétricos de potência no cenário brasileiro os aspectos consi derados na proteção assim como na análise e nas características generalizadas da proteção os transformadores redutores de ten são com base nas normas vigentes Em seguida foram apresentados o relé de sobrecorrente seu tipo de atuação curvas características de tempo características construtivas e instalação aplicação e ajuste e o relé de distância utilizado na proteção de linhas de transmissão Abordouse a teleproteção e a coordenação da proteção de SEPs que atuam na proteção com o objetivo de aumentar a conabili dade do sistema de energia melhorando o desempenho da prote ção ou seja operam como guardiões de um complexo sistema de transmissão Vericouse que a proteção de transormadores utiliza o método de proteção diferencial pois consegue limitar a área de atua ção para o componente em questão com o objetivo principal de detectar falhas internas do transformador Também são utili zados outros equipamentos para complementar a proteção dos transformadores como proteção contra falha de disjuntor contra sobretensão de carcaça do transformador bloqueio temperatu ra pressão e falta de óleo No capítulo seguinte acerca da proteção de geradores e da pro teção de barramentos foram abordadas as formas mais recor rentes na literatura das proteções em geradores e barramentos nos sistemas elétricos de potência bem como as linhas de po tência e transmissão Para a proteção dos motores de indução é orientado o estudo e a aplicação das funções com relação à tensão e à potência do motor a ser protegido observandose a importância da proteção térmica dos motores devido à deterioração do sistema de isolamento de seus enrolamentos com o aumento da temperatura Com uma noção inicial acerca da proteção de sistemas elétricos de potência da geração ao consumo foi comentado a respeito das novas tecnologias aplicadas à proteção de sistemas de potência e das consequências ou derivações dessas tecnologias em outras áreas como os conceitos de smart grid e smart cities Dessa forma observouse a importância da disciplina e do con teúdo abordado para a formação do aluno visto que a proteção de sistemas elétricos de potência é observada no cotidiano do engenheiro eletricista e em breve presente na vida da popu lação em geral Referências ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR 06856 Transformador de corrente Rio de Janeiro ABNT 1992 ABNTAssociação Brasileira de NormasTécnicas NBR 06855 Transformadores de potencial indutivos Rio de Janeiro ABNT 2009 ALMEIDA A L V Ajuste e coordenação de relés de sobrecorrente 2008 89f Dissertação Mestrado em Engenharia Elétrica Curso de Engenharia Elétrica Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro 2008 AMIN S M WOLLENBERG B F Toward a smart grid IEEE Power and Energy Magazine v 3 n 5 p 3438 sepoct 2005 AROGANT Transformador de pot 123RF Disponível em httpsbr123rfcom photo14458231transformadordepothtmltermtransformervtimnlh5vf2w tkfbmox2n Acesso em 24 abr 2017 BECHARA R Análise de Falhas de Transformadores de Potência 2010 102 p Dissertação Mestrado Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Universidade de São Paulo 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engenharia aplicações e pers pectivas futuras IV SIMPÓSIO BRASILEIRO DE AUTOMAÇÃO INTELIGENTE 4 1999 Anais p 6474 São Paulo 1999 MACROVECTOR Iot internet de conforto controle coisas do agregado familiar e da seguran 123RF Disponível em httpsbr123rfcomphoto49542534io tinternetdeconfortocontrolecoisasdoagregadofamiliaredaseguranhtml termiotvtimz9q3uy4nete3ml680 Acesso em 04 maio 2017 MAMEDE FILHO J Instalações elétricas industriais 7 ed Rio de Janeiro LTC 2007 MAMEDE FILHO J MAMEDE D R Proteção de sistemas elétricos de potência Rio de Janeiro RJ LTC 2011 MIPAN Transformador de potência de alta tensão 123RF Disponível em ht tpsbr123rfcomphoto40954557transformadordepotC3AAnciadeal tatensC3A3ohtmltermpower2Btransformervtioc4vvfair15ezv1cly Acesso em 24 abr 2017 MÓDULO 12 Coordenação da Proteção Ebah Disponível em httpwww ebahcombrcontentABAAAgMl8AImodulo12coordenacaoprotecao Acesso em 24 abr 2017 NEYRO2008 Diagrama de rede vector inteligente rede inteligente de comunica ção cidade 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Henrique Alves 3 SUMÁRIO TEÓRICO Proteção dos Sistemas Elétricos Sumário Introdução 4 Objetivos 5 Questão 01 6 Resultados e Discussão 07 Conclusão 08 Referencial Bibliográfico 09 INTRODUÇÃO 4 Baseado nos conhecimentos obtidos em sala de aula e nas leituras nos materiais didáticos fornecido para baseamento foi respondido ao questionamento levantado sobre a importância dos relés de distâncias comumente usados em sistemas de potência e como são realizados os seus ajustes eletromecânicos e nos digitais ajustes que definem a zona de operação 5 1Explique a função do conjugado para os relés de distância bem como onde é realizado o ajuste dos relés de distância eletromecânico e digital Os relés de maneira geral funcionam como um interruptor no sistema garantindo que o sistema em casos de necessidades sejam interrompidos No caso dos relés a distância que são bastantes usados em sistemas de potência conseguem a detecção de falhas e das localidades onde ocorrem dentro da linha Têm essa capacidade pois conseguem determinar a impedância do ponto onde o relé está e o ponto de falha A importância do conjugado mora exatamente nesse ponto de detecção da localização da falha e sua operação O conjugado define a zona de atuação do relé está relacionado com a seleção direcional pois é uma referência vetorial que compara a direção da corrente com a da tensão Garante que ele opere ignorando as impedâncias que não são falhas reais e que opere apenas nas zonas dentro das estabelecidas Para saber se a falha encontrase antes direção da fontes ou depois direção da carga do relé ele calcula o produto vetorial entre tensão e corrente Se a corrente encontrase atrasada a falha está na frente e o relé pode atuar Caso contrário corrente adiantada o relé entende que um mais próximo poderá atuar Em relação aos pontos de ajustes dos conjugados são realizados de maneiras distintas entre os relés eletromecânicos e os digitais No caso dos relés eletromecânicos os ajustes são feitos por meios das configurações das bobinas de tensão e corrente logo depende de alterações físicas para que determinem o torque necessário para o relé atuar No entanto para os relés digitais essas alterações são realizadas em softwares específicos com determinação das curvas e as lógicas de controles Definindo uma escala de corrente TAPE podese escolher em qual limiar de operação o relé conseguirá atuar CONCLUSÃO 6 Diante de todas as análises feitas para responder o questionamento da importância dos relés de distância podese entender que são essências para garantir a segurança e tentar inibir cortes desnecessários dentro de uma linha de transmissão por exemplo Eles fornecem qual direção a falha está ocorrendo conseguem garantir a seleção mais adequada na tomada de decisão de qual o relé mais próximo da falha pode atuar Além disso podem ser ajustados dependendo da necessidade do projeto e quanto a linha pode suportar 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS SOUZA Luis GuilhermeProteção de Sitemas Elétricos 2016Universidade de Uberaba 2016 UNIVERSIDADE DE UBERABA 8