Coordenação e Seletividade em Sistemas Elétricos de Potência

SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA Cícero Augusto de Souza 2 5 TÓPICOS DE COORDENAÇÃO E SELETIVIDADE EM SISTEMAS ELÉTRICOS Apresentação O objetivo desse bloco é apresentar os conceitos básicos para aplicação de relés de proteção em sistemas elétricos de potência Com isso será possível entender os princípios básicos de Coordenação e Seletividade da proteção em Sistemas Elétricos Serão apresentados os principais tipos de relés de proteção tipos de atuação no caso de defeito e fundamentos a serem considerados para ajustes dos relés Esse bloco dará o subsídio para o Engenheiro Eletrotécnico ser capaz de atuar na área de proteção de sistemas de potência aplicando relés de proteção O conteúdo desse bloco é um subsídio muito importante para fixar conceitos adicionais para o Engenheiro ser capaz de elaborar eou analisar estudos da proteção no sistema de potência 51 Tipos de Relés de Proteção e suas Funções Os relés de proteção podem ser de corrente tensão frequência etc Para especificar funções de proteção costumase adotar a norma ANSI como referência Cada função de proteção tem um número associado Segue tabela com algumas das proteções mais usuais Tabela 1 Algumas funções ANSI de Proteção Função Descrição 21 Relé de Distância 25 Relé de sincronismo 27 Subtensão 32 Sobrepotência Direcional 47 Sequência de fases 50 Sobrecorrente Instantâneo 3 51 Sobrecorrente temporizado 59 Sobretensão 81 Frequência Fonte Autor Relés de Corrente Os relés de corrente monitoram a corrente que circula no circuito e quando essa ultrapassa um certo limite o relé entra em regime de pickup ou seja inicia a contagem para atuar ou não conforme o tempo de ajuste configurado Esse tempo de ajuste pode ser uma curva inversa ou tempo definido Tempo Definido Se a corrente ultrapassar o limite ajustado pelo tempo ajustado o relé atua Curva Inversa Se a corrente ultrapassar o limite ajustado iniciase a contagem de um tempo até a sua atuação O tempo de atuação dependerá da amplitude da corrente de falta quanto maior a corrente menor será o tempo de atuação Essa curva será detalhada no próximo subitem desse material Se a corrente ultrapassar o limite e retornar ao valor normal num período inferior ao de atuação do relé o processo volta ao estágio inicial Salvo algum ajuste diferente ou histerese existente em algumas funções de proteção Os relés de proteção de corrente aplicados nos sistemas de potência recebem informações de TCs de proteção conectados aos circuitos primários portanto o ajuste do relé é pela corrente secundária desse TC que é conhecida como TAP do relé 4 Fonte 1 Figura 1 Curvas Inversas de Proteção GE IAC Eletromecânico Relés de Tensão Os relés de tensão podem monitorr a amplitude sequência de fases desbalanço etc da tensão do barramento da subestação E quando essa ultrapassa um certo limite o relé entra em regime de pickup ou seja inicia a contagem para atuar ou não conforme o tempo de ajuste configurado Esse tempo de ajuste normalmente é um tempo definido Tempo Definido Se o relé detectar o evento ele iniciará a contagem do tempo Se o evento persistir por mais que o tempo ajustado ele atuará Se a tensão ultrapassar o limite e retornar ao valor normal num período inferior ao de atuação do relé o processo volta ao estágio inicial Salvo algum ajuste diferente ou histerese existente em algumas funções de proteção 5 As principais funções ANSI de tensão utilizadas são subtensão 27 sequência de fases 47 sobretensão 59 e ângulo de fase 78 Fonte 2 Figura 2 Gráfico de atuação da função 2759 de um relé RM22TU Uma função de tensão muito útil é a 59N Deslocamento de Neutro ela deve ser utilizada em sistemas onde não há aterramento sistemas isolados Pois nesses casos o contato de uma fase à terra por exemplo não provocará sobrecorrentes e sim sobretensão Que é detectada por essa função Fonte 3 Figura 3 Curtocircuito em sistema isolado da terra Na figura acima em a o sistema está funcionando normalmente com neutro isolado Em b a fase A foi para terra e note que as tensões de fase foram 6 deslocadas para abaixo do potencial de terra Dessa maneira as tensões de linha das fases sãs passam a serem detectadas como valores de fase para sistema Na prática as tensões de fase podem chegar até o valor da tensão de linha nominal no caso de um curto sólido a terra em sistemas isolados O relé 59N detecta esse tipo de falta e atua rapidamente Os relés de proteção de tensão aplicados nos sistemas de potência recebem informações de TPs de proteção conectados aos circuitos primários portanto o ajuste do relé é pela tensão secundária desse TP Relés de Frequência Os relés de frequência são muito úteis para proteção de sistemas de potência e em instalações industriais que operam com geradores de emergência ou algum tipo de cogeração que funcione isolada da rede Pois nesses casos pode acontecer do gerador alterar a frequência da tensão fornecida e danificar equipamentos Antes de chegar a esse extremo o relé de frequência deve detectar essa anormalidade e ordenar a abertura do disjuntor do gerador Essa função pode ser sobrefrequência 81H e subfrequência 81L pois manter uma carga operando fora da frequência ideal 60 Hz no Brasil é altamente prejudicial Esses relés atuam por tempo definido A leitura da frequência também é importante para verificação de sincronismo dos geradores a serem conectados à rede Relé de Check de Sincronismo O relé de Check de Sincronismo tem a função de verificar as condições de tensão de duas barras e liberar ou não o fechamento do disjuntor de acoplamento Pois esse disjuntor só pode ser fechado após as duas barras estarem em sincronismo 7 Fonte 4 Figura 4 Relé Check de Sincronismo A função ANSI para esse relé é 25 e esse relé recebe informações de TPs 52 Relés de Atuação do Tipo Curva Inversa O relé de atuação do tipo curva inversa geralmente é aplicado para proteção de sobrecorrente no sistema de potência O esquemático de um relé elementar pode ser visto abaixo Fonte 1 Figura 5 Relé Elementar 8 No início da aplicação desses relés nos sistemas de potência esses dispositivos eram eletromecânicos Com o passar dos anos foram aprimorados e atualmente são relés inteligentes conhecidos como IED Intelligent Electronic Device Para os relés de proteção eletromecânicos executarem a função de proteção trifásica havia a necessidade de instalar 4 relés 1 para cada fase e 1 para neutro Atualmente os relés IED já oferecem proteção trifásica de tensão e corrente em um único dispositivo Fonte 1 Figura 6 Componentes de um relé eletromecânico Esse relé pode funcionar para sobrecorrente quando temporizado de fase tem a nomenclatura ANSI 51 e quando instantâneo t40ms é 50 Quando é de proteção de neutro é 51N50N respectivamente Essas também são umas das funções mais usadas em sistemas de proteção industrial O gráfico da figura abaixo mostra a característica inversa ou seja quanto maior a corrente menor será o tempo de atuação do relé 9 Fonte 1 Figura 7 Curvas Inversa de Relé de Sobrecorrente Analisando a curva acima vamos inicialmente supor que temos um relé conectado ao TAP 6 Supondo uma sobrecorrente de 6 vezes a nominal o relé irá atuar em aproximadamente 2 segundos Mas se a corrente for 10 vezes a nominal esse relé irá atuar em aproximadamente 15 segundo A figura abaixo ilustra essa atuação onde a linha vermelha se refere ao tempo de atuação para 6 vezes e a linha azul para 10 vezes 10 Fonte Adaptado de 1 Figura 8 Ilustração do Tempo de Atuação da Curva Inversa As atuais curvas dos relés de proteção modernos digitais e microprocessados podem atender a diversas normas Porém geralmente elas seguem a equação abaixo Na equação acima Tcurva Dial de tempo DT ajustado para determinada curva Exemplo 0102 K α L e β Constante da Curva Vide tabela abaixo M Múltiplo da corrente de ajuste sendo 11 é a corrente de sobrecargacurtocircuito é o ajuste do IED ou o TAP do relé que está sendo utilizado Tabela 2 Constantes da Curva Inversa para cada norma Norma Tipo de Curva K α L β IEC Curva Inversa 014 002 0 1 Moderadamente Inversa 005 004 0 1 Muito Inversa 135 1 0 1 Extremamente Inversa 80 2 0 1 IEEE Moderadamente Inversa 0515 002 114 1 Muito Inversa 1961 2 491 1 Extremamente Inversa 282 2 1217 1 I²t Extremamente Inversa 100 2 0 0 Todas Tempo Definido Fonte Autor Como visto acima existem várias normas para definir o tempo inverso Em alguns relés é possível escolher a norma aplicada e outros vem de fábrica com um padrão de curva Em alguns modelos ainda a curva pode ser customizada O padrão mais utilizado é o IEC Os ajustes de relés de sobrecorrente podem ser de 2 tipos Ajuste Direto A corrente de pickup ajustada é o valor real da corrente que circulará no circuito primário Apesar de ser o valor primário a ser ajustado a corrente primária não passa pelo relé mas sim a corrente do secundário do TC Ajuste indireto A corrente de pickup ajustada é o valor da corrente secundária dos TCs Para ajustar os relés desse tipo devemos refletir a corrente de ajuste primária para o secundário através da relação do TC em operação 12 No mercado há os dois tipos de relés em abundância portanto o projetista deve se habituar com os dois tipos Os relés de ajuste indireto herdaram esse conceito dos relés eletromecânicos Exemplo Um relé de proteção função 51 possui os ajustes abaixo Versão 1 Ajuste Direto Pickup 100 A Dial de tempo DT 050 Curva IECMI TC 300 5 A Em um certo instante há um defeito trifásico que atinge o valor de 700 A Supondo que o TC é ideal em quanto tempo o relé deve atuar Versão 2 Ajuste Indireto Pickup secundário 167 A Dial de tempo DT 050 Curva IECMI 13 TC 300 5 A Em um certo instante se houver um defeito trifásico que atinge o valor de 700 A Supondo que o TC é ideal em quanto tempo o relé deve atuar 53 Definição de Ajustes de Relés de Proteção com Estudo de Caso Nesse item vamos verificar o procedimento para definir quais proteções devemos utilizar e quais os ajustes devemos inserir nos relés de proteção Proteção de Alimentadores De uma forma geral um circuito alimentador deve ser protegido pelas funções 5051 e 50N51N Essas funções são sobrecorrente fase e neutro respectivamente A figura abaixo ilustra essa proteção 14 Disjuntor FONTE CARGA Relé Fonte Autor Figura 9 Circuito Alimentador O projetista tem que se atentar de que o relé não poderá atuar com o alimentador em sua situação de carga normal Portanto o ajuste deverá ser superior a corrente de carga normal Por outro lado deverá proteger os condutores contra sobrecargas e curtoscircuitos Assim teremos Icabo Ipickup Icarga função 5151N Icabo Corrente máxima admissível no condutor conforme norma aplicável Ipickup Corrente de pickup do relé de proteção Icarga Corrente nominal da carga O relé terá um pickup para a função 5151N temporizada e deverá ter um para a função instantânea 5050N Pois o relé tem que atuar antes do cabo chegar ao seu limite de suportabilidade mediante um curtocircuito Vide figura a seguir 15 Fonte 5 Figura 10 Curva de capacidade de cabos sob curtocircuito Para a função 5050N deverá se atentar para a suportabilidade dos condutores e corrente de curtocircuito Pois o relé deverá ser ajustado com um pickup menor que Icc em questão Icabo Ipickup Icc função 5050N O tempo de atraso da curva ou de tempo definido tem que garantir que nenhum equipamento sofrerá danos Geralmente a função 50 utiliza um tempo de 40 ms Para curva inversa fica a cargo do projetista definir a melhor opção pois dependerá diretamente da carga e demais itens customizados É recomendado proteger um alimentador de entrada ou de CCM contra subsobretensão e sequência de fases 274759 Se o alimentador for previsto alimentação por gerador particular deverá ser prevista proteção contra 16 subsobrefrequência 81L81H Recomendase ajustar esse relé para 05Hz com tempo de 100 ms A corrente de neutro pode ser ajustada em até 20 da corrente de fase em suas respectivas funções Proteção de Transformadores De uma forma geral um transformador deve ser protegido com as funções 49 Sobrecarga térmica 50 Sobrecorrente de fase instantânea 51 Sobrecorrente de fase temporizada 50N Sobrecorrente de neutro instantânea 51N Sobrecorrente de Neutro temporizada 87 Diferencial O pickup da função 51 pode ser entre 100 e 110 vezes a corrente nominal do transformador Deve sempre se atentar com o Inrush que pode chegar a até 10 vezes a corrente nominal por 100 ms transformadores à óleo A função 50N51N podem ser ajustadas similar ao ajuste de alimentadores A função 49 pode ser ajustada em 105 Proteção Diferencial de Transformadores Geralmente transformadores com potência nominal maior ou igual a 5 MVA devem ser dotados dessa proteção Ela é uma proteção muito importante para proteção de transformadores e em algumas literaturas é a mais importante Uma particularidade dessa proteção é que ela é projetada somente para proteger o transformador defeitos em qualquer outro lugar ou ramal não deve sensibilizar essa proteção 17 Fonte 6 Figura 11 Esquema de Ligação Relé Diferencial 87 Transformador O relé diferencial compara a corrente do enrolamento primário com a corrente do secundário considerando a relação de espiras do transformador Teoricamente a corrente diferencial deve ser zero porém por conta dos erros de medição e do tap do transformador essa corrente não é zero Portanto para parametrização de um relé diferencial devese ajustálo para uma corrente diferencial que compense erros de medição e tenha uma boa margem de segurança Fonte 1 Figura 12 Slope de ajuste função 87 18 Outro ajuste possível para a função diferencial 87 é a inclinação slope Onde é definido um valor percentual onde aumenta ou diminui a região de atuação do relé Como vimos anteriormente a corrente diferencial não é zero por conta dos erros atrelados ao equipamento E no caso de um curtocircuito uma partida de um grande motor ou ainda o aumento repentino da carga faria que a corrente circulante pelo transformador aumentasse e como consequência o valor de corrente diferencial aumentaria e o relé ordenaria a abertura do disjuntor Essa situação traria transtornos enormes pois tiraria o transformador de operação por conta de uma falta fora da zona de abrangência do relé diferencial ou até mesmo por causa de um aumento súbito de carga que é uma condição normal do sistema O ajuste slope aumenta a restrição diferencial conforme ocorre o aumento da corrente que passa pelo transformador assim evitase atuação da proteção para defeitos fora da zona de proteção do transformador Na prática quando é definido esse ajuste aumentase a inclinação da curva e consequente aumento da área de permissão do relé Usualmente o slope é ajustado em 25 Fonte 7 Figura 13 Região Não opera e Opera 19 Estudo de Caso Um transformador de 10 MVA 138138 kV precisa ser protegido por um relé diferencial Calcule os erros envolvidos no projeto para comprovar o ajuste sugerido Considerar inicialmente que o Trafo não tem comutador sob carga e o uso de TCs conforme abaixo TC primário 60 5 A 10B200 TC secundário 600 5 A 5B200 Cálculo da corrente que entra no relé referente ao primário RTC primário 605 12 RTC secundário 6005 120 ErroTC 10 5 15 erro máximo do TC Errototal 42 15 192 Devemos somar uma margem de segurança de 5 portanto ajustaremos 25 20 Agora vamos supor que o transformador acima possua comutador sob carga com Vmin 1242 KV e Vmax 1408 KV Calcule o novo ajuste Errototal 42 15 570 2490 Devemos somar uma margem de segurança de 5 portanto ajustaremos 30 Conclusão Esse bloco apresentou os fundamentos básicos para ser possível o Engenheiro Eletrotécnico analisar estudar e executar estudos e projetos de aplicação de relés de proteção em sistemas de potência Foram apresentados os principais tipos de relés aplicações e exemplos Foi dado subsídios para o Engenheiro ter senso crítico sobre avaliações quanto a especificação de equipamentos de proteção e ajustes de relés no sistema de potência e para elaboração de estudos de seletividade e coordenação da proteção 21 Referências Bibliográficas 1 A C Caminha Introdução à Proteção de Sistemas Elétrcos São Paulo Edgard Blucher 1977 2 Schneider Electric Zelio Control Measurement and control relays 2014 3 D A B Barbosa Sistemas de Proteção para Redes de Distribuição Elétrica Submarinas não aterradas Tese de Mestrado Rido de Janeiro Rio de Janeiro UFRJ 2017 4 Schneider Electric Módulo MSC025 Check de Sincronismo 01 05 2007 Online Available httpswwwsecomwwlibrarySCHNEIDERELECTRICSELOCALAPS19127050 0A63230216244MCS025InstallSheetpdf Acesso em 29 06 2022 5 J M Filho Instalações Elétricas Industriais Fortaleza LTC 2007 6 C A S Araújo J R R Cândido F C D Sousa e M P Dias Proteção de Sistemas Elétricos Rio de Janeiro Interciência 2005 7 G Kindermann Proteção de Sistemas Elétricos de Potência vol 2 Florianópolis SC LabPlan 2006