SEL 354 PROTEO DE SISTEMAS ELETROENERGTICOS Proteo em sistemas eletroenergticos 1SEL 354 Proteo em Sistemas Eletroenergticos Prof. Denis Vinicius Coury Filosofia de proteo dos sistemas eltricos Princpiosfundamentaisdosprincipaistiposderels convencionais: Rels de corrente, tenso e potncia Relsdiferenciais,defreqncia,detempoe auxiliares Rels de sobrecorrente Rels direcionais Rels de distncia e com canal piloto Transformadores de corrente e potencial Redutores de medida e filtros Rels Universais Localizadores de faltas em linhas de transmisso Novas tendncias e artigos cientficos Proteo em sistemas eletroenergticos 2Bibliografia Recomendada & PHADKE, A. G.; THORP, J. S. Computer relaying for powersystems,JohnWiley&SonsInc.,ISBN0471 92063 0. & PowersystemprotectionDigitalprotectionand signallig,EditedbyElectricityTrainingAssociation IEE, Vol. 4, ISBN 085296 838 8. & JOHNS,A.T.;SALMANS.K.Digitalprotectionfor powersystems,PeterPeregrinusLtd.,ISBN086341 195 9. & ProtectiverelaysApplicationguide,GEC Measurements. & PHADKE,A.G.;HOROWITZ,S.H.Powersystem relaying, Research Studies Press Ltd, ISBN0 863 801 854. Proteo em sistemas eletroenergticos 3& UNGRAD,H.;WINKLER,W.;WISZNIEWSKI,A. Protectiontechniquesinelectricalenergysystems, Marcel Dekker, Inc., ISBN 0 8247 9660 8. & Protectiverelayingtheoryandapplications,W.A. Elmore ABB Power T & D Company Inc., ISBN 0 8247 9152 5. & CAMINHA, A. C. Introduo proteo dos sistemas eltricos, Editora Edgard Blcher Ltda., 1983. & CLARK,HARRISONK.Proteodesistemas eltricosdepotncia,UniversidadeFederaldeSanta Maria, 1979. & GERS,J.M.;HOLMES,E.J.Protectionofelectricity distributionnetworks,TheInstitutionofElectrical Engineers, London, UK, 1998. & Peridicos cientficos que dizem respeito ao assunto. Proteo em sistemas eletroenergticos 4Proteo em Sistemas Eletroenergticos Emoposiogarantiadeeconomiaequalidadedo servio,almdevidatilrazoveldasinstalaes,as concessionriasenfrentamperturbaeseanomaliasde funcionamentoqueafetamasredeseltricaseseusrgos de controle. IConsideraes gerais SEPProteo eficaz e confivel Atributoscadavezmaisexigidoscrescimento, complexidade e interligamentos dos SEP 1.1Pode-se prevenir os defeitos Manuteno preventiva e operao adequada Previso de isolamento adequado Coordenao adequada de pra-raios Proteo de elementos com cabos aterrados Proteocontraaaodestruidoradeanimais, terra, lixo, etc. Proteo em sistemas eletroenergticos 51.2Pode-se diminuir a ao do defeito: Limitando as correntes c.c. (reatores) Projetandoelementosdecircuitomaisresistentes capazesdesuportarosefeitosmecnicose trmicos das correntes de defeito Isolando com presteza o elemento defeituoso Aumentando a estabilidade do sistema Analisandoofuncionamentoadequadodosistema estatsticas do defeito. Proteo em sistemas eletroenergticos 6IIFuno e importncia da proteo Relsdeproteoprovocar,semdemora,o desligamento total do elemento defeituoso. Estudo da proteo consideraes: Eltricas caractersticas do sistema de potncia Econmicas custo do equipamento principal versus custo relativo do sistema de proteo Fsicasfacilidadesdemanuteno,distnciaentre os pontos de ao dos rels, etc. IIICausas dos defeitosArc.c. por aves, roedores, galhos de rvores, etc. Rigidezdieltricaafetadaporionizaoprovocadapor frio ou fogo. Isoladores de porcelana curto-circuitados ou rachados Isolao de trafos e geradores afetados pela umidade Descargas atmosfricas Surtos de chaveamento Proteo em sistemas eletroenergticos 7IVEfeitos indesejveis do c.c. (caso persista) Reduo da margem de estabilidade Danos aos equipamentos vizinhos falha Exploses Efeito cascata VQuadro estatstico dos defeitos Quadro I - Levantamento estatstico ocorrido na Central Electricity Generating Board Inglaterra Maior ocorrncia de defeitos: Linhas de transmisso QuadroIILevantamentodostiposdefaltassobre linhasdetransmissofornecidopelaBonevillePower Association(BPA)eSwedishStatePowerBoord(1951 1975) Proteo em sistemas eletroenergticos 8Quadro I Ocorrncias de faltas sobre os componentes EQUIPAMENTODEFEITO (%) Linhas areas31,3 Proteo18,7 Transformadores13,0 Cabos12,0 Seccionadores11,7 Geradores8,0 Diversos2,1 TCs e TPs1,8 Equipamento de controle1,4 QuadroIIIncidnciadostiposdedefeitossobrelinhasde transmisso Tipo dos BPASSPB defeitos500KV400 KV200 KV Fase - Terra93%70%56% Fase - Fase4%23%27% Fase Fase - Terra2% Trifsico1% 7%17% Proteo em sistemas eletroenergticos 9VIClassificao dos rels Tipoconstrutivo:eletrodinmico,discodeinduo, elemento trmico, fotoeltrico, digital, etc. Naturezadoparmetroaoqualorelresponde: corrente,tenso,potncia,freqncia,presso, temperatura, etc. Grandezasfsicasdeatuao:eltricas,mecnicas, trmicas, ticas, etc. Mtododeconexodoelementosensitivo:diretono circuito primrio, atravs de TPs e TCs. Grau de importncia: principal ou intermedirio Tipo de contatos: NA ou NF Tempo de atuao: instantneo ou temporizado Tipo de fonte para atuao do elemento de controle: CA ou CC Aplicao:geradores,transformadores,linhasde transmisso, etc. Proteo em sistemas eletroenergticos 10VICaractersticasfuncionaisdaproteopor rels Sensibilidade:capacidadedeaproteoresponders anormalidadesnascondiesdeoperaoeaosc.c. para os quais foi projetada. K fator de sensibilidade Ipp valor mnimo da corrente de acionamento do rel Valor usual: 1,5 a 2 Seletividade:isolar completamente o componente defeituoso; desligar a menor poro do SEP e reconhecercondiesondeaimediataoperao requerida daqueles onde nenhuma ou um retardo na operao exigido. ppccIIKmin=Proteo em sistemas eletroenergticos 11 Velocidade de atuao: minimiza o vulto dos defeitos e risco de instabilidade Confiabilidade: a probalidade de um componente, um equipamentoouumsistemasatisfazerumafuno prevista, sob dadas circunstncias. VIII O rel elementar Proteo em sistemas eletroenergticos 12Contato mvel fechar o circuito operativo quando:Fe > Fm Se I > Ia o circuito deve ser interrompido, onde Ia acorrentedeatuao,depick-up,deacionamentoou operao do rel. Pelos princpios de converso eletromecnica temos: Fe fora eletromagntica Klevaemconsideraoataxadevariaoda permenciadoentreferro,nmerodeespirase ajusta as unidades convenientemente. Fora da mola: H, pois, no rel: Elemento sensor Elemento comparador Elemento de controle 2KI Fe@Kx Fm=Proteo em sistemas eletroenergticos 13 t1t2t3t4Ii Id Ia t1 I comea a crescer t2 I atinge o valor da corrente de acionamento Ia t3 - t2 o disjuntor atua abrindo o circuito t3 a corrente comea a decrescer t4 Fe - =m e rF F F Feo fora eletromagntica de atuao: e + Fmo Fmo esforo inicial da mola e compensao de atrito do eixo, etc. IXQualidades requeridas de um rel ser to simples e robustos o quanto possvel ser to rpidoso quanto possvel ter alta sensibilidade e poder de discriminao Proteo em sistemas eletroenergticos 15 realizar contatos firmes manter a sua regulagem ter baixo custo Attulodecomparaosodadosvalorestiradosde uma proposta de fabricante, em valores relativos: rel de sobrecorrente, instantneo, monofsico1,0 pu rel de sobrecorrente, temporizado, trifsico3,5 pu rel de sobrecorrente, temporizado, direcional6,5 pu rel com fio piloto12,0 purel de distncia, de alta velocidade56,0 purel digital, incluindo software56,0 pu XCritrios de existncia de falta Defeito ou falta acidental afastamento dascondies normais de operao Proteo em sistemas eletroenergticos 16 Um curto-circuito traduz-se por: altas correntes e quedas de tenso variao da impedncia aparente aparecimentodeseqncianegativaeseqncia zero de tenso e/ou corrente diferenasdefasee/ouamplitudeentreacorrente de entrada (Ie) e sada (Is) em um elemento \ seId = (Ie Is)possuir valor elevado h defeito baseado nessas condiesque, na prtica, sero indicados os relsaplicveis a cada caso. Proteo em sistemas eletroenergticos 17XIAtributos dos sistemas de proteo 1 2 3 T RTRD12D21 PD23 O sistema pode ser subdividido em: 1-Disjuntores (D) 2-Transdutores (T) 3-Rels (R) e baterias Processo Deciso tomada pelos rels abertura dos disjuntores desconexo da L. T. do restante do sistema e eliminao da falta. Todo o processo 30 a 100 ms. Rel D23 tambm detecta a falha no ponto P, porm deve ser seletivo de modo a no operar. Proteo em sistemas eletroenergticos 18XIIZonas de proteo

~ Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 5 Zona 6 Cada zona contm um ou mais elementos do sistema Zona 1 proteo do gerador e transformador Zona 2 proteo do barramento de AT Zona 3 proteo da LT Zona 4 proteo do barramento de BT Zona 5 proteo do transformador Zona 6 proteo do barramento de distribuio Cada disjuntor est includo em duas zonas de proteo vizinhas Os disjuntores ajudam a definir oscontornos da zona de proteo. Aspecto importante: as zonas vizinhas se sobrepem. Esta sobreposio garante quenenhuma parte do sistema fique sem proteo. Proteo em sistemas eletroenergticos 19 Problema:seocorrerfalhadentrodazonade sobreposio maior poro ser isolada. \ Regio de sobreposio feita a menor possvel. Exemplo: a)Consideremososistemadepotnciamostradona figuraabaixocomfontesgeradorasalmdasbarras 1,3e4.Quaissoaszonasdeproteonasquais estesistemapoderiaserdividido?Quedisjuntores operariam para falhas em P1 e em P2? b)Seforemadicionadostrsdisjuntoresnoponto2, como seriam modificadas as zonas de proteo?

A B C P1 1 2 4 3 P2 Proteo em sistemas eletroenergticos 20XIII Proteo de retaguarda Encarrega-se da proteo no caso da proteo primria falhar. 1TR 2AB P 5 FG 3DC 4 EH Para uma falta em P, a proteo primria (principal) deve abrir os disjuntores F e G. Um mtodo de proteo de retaguarda duplicar a proteo primria completamente. Outra opo: Funo de proteo de retaguarda remota Se F no atuar transferir a responsabilidade a A, D e H (elimina uma poro maior do sistema) Proteo em sistemas eletroenergticos 21 Outra condio: O sistema de retaguarda deve dar ao sistema primrio tempo suficiente para atuar normalmente Retardo de tempo de coordenao: necessrio para coordenar a operao dos sistemasprimrio e de retaguarda Outra opo: Sistemalocaldeproteo de retaguarda: B, C e E (barra1).Tambmchamadodesistemade proteo de falha de disjuntor. Problema: subsistemas comuns a ambos. Deveentoserconsideradaalgumaformade proteoderetaguardaremotaparaumbom dimensionamento do sistema de proteo. Proteo em sistemas eletroenergticos 22XIV Rels de corrente, tenso e potncia 14.1 Rels de induo eletromagntica Usam o princpio de um motor de induo. Operam em C. A. Proteo em sistemas eletroenergticos 23 Posio do contato mvel = temporizador O entreferro uma frao de polegada Se a corrente na bobina de operao for senoidal: F = fluxo mximo produzido q = defasagem provocada pelo anel w = freqncia angular da corrente aplicada Devido indutncia desprezvel no rotor: if1, if2em fase comef1, ef2(e = df/dt) wt sen1 1f = F( ) q f + = F wt sen2 2wt wdtdi cos111fff @ @( ) q fff + @ @ wt wdtdi cos222Proteo em sistemas eletroenergticos 24 Fora lquida: Substituindo: Simplificando: Aforasobodiscoconstante(emboraas grandezasdeentradasejamsenoidais)e proporcionalaosenodonguloentreosdois fluxos. Rel livre de vibraes 21 1 2 1 2f f f f i i F F F - @ - =( ) ( ) [ ] q q f f + - + wt wt wt wt w F cos sen cos sen2 1q f f sen2 1K F Proteo em sistemas eletroenergticos 2514.2Relsdeinduodeduasgrandezasde entrada Substitui-seoaneldedefasagemporduasgrandezas atuantes. 1.As duas grandezas de atuao so correntes: 2.As duas grandezas de atuao so tenses: 3.Uma a tenso e a outra a corrente Estrutura magntica simtrica: f proporcional a I. Defasagementreosfluxos=defasagementreas grandezas atuantes. 2 2 1 1sen K I I K T - = q2 2 1 1sen K V V K T - = q2 1 1 1sen K V I K T - = qProteo em sistemas eletroenergticos 26Consideremos (quadratura entre as grandezas): Para o rel atuar em conjugado mximo para qualquer q: I2 I1 I1 Ref. Posio de I2 p/ Cmx +C -Cqf t I2 I1 I1 Filtro defasador O processo mais simples de alterar o ngulo de mximo torqueinerente,numreldeduasgrandezas,inserirentre qualquerdasgrandezasatuantesesuabobinadeoperao um filtro defasador. 090 1 sen = = q qmxFq sen2 1I KI F=( ) f q+= sen2 1I I K TProteo em sistemas eletroenergticos 27 f - deslocamento de fase introduzido t - definidor do conjugado mximo (catlogo do fabricante) Tmx cos(q - t) = 1 q = t Tnulo cos(q - t) = 0 q = t 900 Finalmente: Surge o conceito de direcionalidade(C+ I2 variando desde 0o a 180o) tdenominadongulodeconjugadomximodo rel. ( )43 42 1tf qf qf q- = = += + 0090901 senmxT( ) t q-= cos2 1I I K TProteo em sistemas eletroenergticos 2814.3 Equao universal dos rels K1, K2, K3 e K4 podem ser igualados a zero. 14.4 Rels de sobrecorrente (ajuste) Relsnodirecionaisquerespondemaamplitudede suascorrentes.SendoIpacorrentedoenrolamento secundrio do TC previamente definida e Ifa corrente de falta. Descrio funcional: Bloqueio Disparo T1 T2 Ip If If > Ip disparo If Ip-Funopotencialinversadaamplitudeda corrente. Ajustedetempocaractersticanotempopodeser deslocada: - produz a mais rpida atuao no tempo 10 - produz a mais lenta atuao no tempo Proteo de Sobrecorrente Correntes elevadas em SEP causadas por faltas Tipos mais comuns de proteo o Chaves termomagnticas Arranjos mais simples Baixa tenso Proteo em sistemas eletroenergticos 31o Fusveis Proteo de LTs BT e transformadores distrib. o Rels sobrecorrente Dispositivomaiscomumparaselidarcom correntes excessivas Devem operar em situaes de sobrecorrente e sobrecarga Tipos de rels de sobrecorrente o a) Corrente definida o b) Tempo definido o c) Tempo inverso Rels de corrente definida o Operainstantaneamentequandocorrenteatinge valor predeterminado o Ajuste:naS/Emaisdistantedafonteorelopera com valor baixo de corrente e vice-versa t I tItI t1 a)b) c) Proteo em sistemas eletroenergticos 32o Orelcomajustemaisbaixooperaprimeiroe desconecta a carga no ponto mais prximo falta o Possuibaixaseletividadeemaltosvaloresde corrente c.c. o Dificuldadeemdistinguircorrentedefaltaentre2 pontos quando a impedncia entre eles pequena se comparada da fonte o Nosousadoscomonicaproteode sobrecorrente,massimcomounidadeinstantneaonde outros tipos de proteo esto em uso Rels de tempo definido o Ajustevariadotratacomdiferentesnveisde corrente, usando diferentes tempos de operao o Ajuste: disjuntor mais prximo falta acionado no tempo mais curto o Disjuntoresrestantessoacionados sucessivamente,comatrasosmaiores,emdireo fonte o Tempodediscriminao:diferenaentreos tempos de acionamento para a mesma corrente Proteo em sistemas eletroenergticos 33o Desvantagem:faltasprximasfonte(correntes maiores)soisoladasemtemporelativamente longo o Ajuste de atraso de tempo independente do valor de sobrecorrente requerido para operao do rel o Muitousadosquandoimpednciadafonte grandesecomparadaqueladoelementoaser protegido(nveisdefalta no rel so similares aos nveis no elemento protegido) Rels de tempo inverso o Operamemtempoinversamenteproporcional corrente de falta o Vantagem:temposdeacionamentomenores podemserobtidosmesmocomcorrentesaltas, sem risco de perda de seletividade o Geralmenteclassificadosconformesuacurva caracterstica (indica a velocidade de operao): Inversa Muito inversa Extremamente inversa Proteo em sistemas eletroenergticos 34 Ajuste dos rels de sobrecorrente o Possuemgeralmenteumelementoinstantneoe um elemento de tempo na mesma unidade o Ajuste envolve seleo de parmetros que definem a caracterstica tempo-corrente requerida o Ajuste das unidades instantneas Maiseficazquandoasimpednciasdos elementosprotegidossomaioresqueada fonte Vantagens Reduzemotempodeoperaopara faltas severas no sistema Evitamperdadeseletividadequandoh relscomcaractersticasdiferentes (ajusta-seaunid.instant.paraoperar antes de cortar a curva caracterstica) t IProteo em sistemas eletroenergticos 35Critriodeajuste:dependedoelemento a ser protegido: 1) Linhas entre subestaes: -Considerarnomn.125%dacorrentesimtricapara nvel de falta mx. na prxima S/E 2) Linhas de distribuio: -Considerar50%dacorrentemx.dec.c.nopontodo rel ou- Considerar entre 6 e 10 vezes a mx. taxa do circuito 3) Transformadores: -Unid.instant.noprimriodotrafodeveserajustada entre 125 e 150% da corrente c.c. no barramento de BT, referida ao lado AT -Valor elevado a fim de evitar perda de coordenao com as altas correntes inrush Proteo em sistemas eletroenergticos 36 Coberturadasunidadesinstantneasprotegendo linhas entre subestaes endpickupiIIk = e elementsourceSZZk = AB SpickupXZ ZVI+= Onde: V = tenso no ponto do rel ZS = impedncia da fonte ZAB = impedncia do elemento a ser protegido X = percentagem da linha protegida AB SendZ ZVI+=eAB SAB SiXZ ZZ Zk++= i ABi S AB Sk Zk Z Z ZX- +=

~ZSZAB50 AB xProteo em sistemas eletroenergticos 37Mas ABSSZZk = ( )ii Skk kX1 1 + -= (*) Exemplo 1: Se ki = 1,25 e kS = 1 EntoX=0,6ou seja, a proteo cobre 60% da linha. Exemplo 2: O efeito da reduo da impedncia da fonte ZSna cobertura daproteoinstantneapodesernotada,usando-seum valor de ki = 1,25 na equao (*): Zs (W)ZAB (W)IA (A)IB (A)% coberta10101005060 2105008376 Proteo em sistemas eletroenergticos 38 Ajustedasunidadesdetemponosrelsde sobrecorrente o Tempodeoperaopodeseratrasadopara garantirque,napresenadeumafalta,orelno atuar antes de outra proteo mais prxima falta o Diferenadetempodeoperaoparaosmesmos nveis de falta margem de discriminao o Ajuste dos parmetros: DIAL:representaoatrasodetempoque ocorre antes do rel operar DIAL tempo de trip tI BAMargem de Discriminao Proteo em sistemas eletroenergticos 39 TAP: define a corrente de pickup do rel Precisapermitirmargemdesobrecarga sobre a corrente nominal: TAP (1,5 Inom) / RTC valorpodevariardependendoda aplicao (distribuio, rels de falta p/ terra, linhas AT, etc). Osprocedimentospodemserdefinidospelaseguinte expresso (alternativa ao uso das curvas em papel): 1.-=abSIIkt t = tempo de operao do rel (s) k = DIAL ou ajuste multiplicador de tempo I = corrente de falta (A) Is = TAP ou corrente de pickup selecionada a , b = determinam a inclinao da caracterstica do rel Proteo em sistemas eletroenergticos 40Para rels de sobrecorrente padro: Tipo de relab Inverso0,02 0,14 Muito inverso1,00 13,50 Extremamente inverso2,00 80,00 Dadaacaractersticadorelcalcula-searespostano tempo para dado DIAL k, TAP e outros valores da equao. Coordenao com fusveis o Fusvel opera linha permanece aberta o Necessrio prevenir operao do fusvel o Dilema:seletividade X continuidade do sistema Proteo em sistemas eletroenergticos 4114.5 Rels de tenso Equao de conjugado da forma: Tem funcionamento similar aos rels de corrente. O emprego tpico : a)reldemximaefetuaaaberturadodisjuntor quando a tenso no circuito (V) for maior que a tenso de regulagem (Vr) b)reldemnimacasocontrrio,porexemplo quando V < 0,65 Vr c)reldepartidaouaceleraousadoparacurto-circuitar degraus de resistncia em dispositivos de partida, para acelerao de motores.221K V K T - =Proteo em sistemas eletroenergticos 42Aarmaduramvelpivoteiaemtornodoeixodemodoa bascularaampolademercrio,estabelecendoassimo contato entre os terminais. 14.6 Rel de balano de correntes Tipo muito usual, tanto para fins de sobrecorrente, como de unidade direcional. Equao de conjugado, supondo I1 e I2 em fase: 322 221 1K I K I K T - - =Proteo em sistemas eletroenergticos 43 Rel no limiar da operao (T = 0): Se desprezarmos o efeito da mola K3 : Voltando a equao do rel no limiar da operao (T =0) e supondo I2 = 0: (limiar da operao) 121 23212II KKKKI - =2121IKKI =131KKI =Proteo em sistemas eletroenergticos 44 121kktg- I2 I1 T+13kk T- O efeito da mola significativo somente nos baixos nveis de corrente. 14.7 Rels direcionais Rel de duas grandezas: tenso e corrente Capazdedistinguirentreofluxodecorrenteemuma direo ou outra DevidoanaturezaindutivadabobinacorrenteIv atrasada em relao tenso ( ngulo a). Proteo em sistemas eletroenergticos 45 IBobina de corrente Bobina de tenso Iv VI V q a t IV q aumenta movendo I no sentido anti-horrio T aumentaTmx t= q q diminui movendo I no sentido horrio T diminuiTmin I coincide com Iv Acaractersticarealdefuncionamentodeumrelde duas grandezas: I Vqt Imnimo Conj. positivo Conj. negativo ) cos( t q- = KVI T 90o IVa Proteo em sistemas eletroenergticos 46A linha divisria entre os conjugados negativo e positivo estdeslocadadaorigemindicandoamnimacorrente necessria para atuar o rel no ngulo de mximo torque. 14.7.1 Rels direcionais de potncia Respondemacertadireodofluxodecorrentesob condies aproximadamente equilibradas. t = 0, Iv90o em atraso com relao a V Bobina de tenso Bobina de corrente I V C+ C- Iv Imnimoq cos VI P= Se alterar t para 0: Torque positivo I a 90o em relao a V. Torque negativo I entre 90o e 270. Respondemaofluxodepotncianormalconj.mx. quando fp unitrio percorre o circuito. Proteo em sistemas eletroenergticos 47 Tmusualmentecaractersticastemporizadaspara impedirsuaoperaoduranteasmomentneas reverses de energia. 14.7.2 Rels direcionais para proteo contra C. C. Curtos-circuitosenvolvemcorrentesatrasadascom relaoaofpunitrioreldevedesenvolver conjugado mximo para tais condies Algumas conexes mais usuais (com fp=1): Ia Ia Iaaa a ccc bb b90o 60o 30o Vbc Vac Vbc + Vac Alimentaodereldirecionaldecurto-circuito:relao de fase para fp = 1 Proteo em sistemas eletroenergticos 48 Exemplo: conexo 90o, ngulo de atraso de 45. a b c Ia Vbc Ia Vbc Cmx C+ C- Obs.:Estestiposderelssogeralmenteusadospara suplementaroutrostiposderels(sobrecorrente, distncia)queirodecidirsesetratadeumcurto-circuito de fato. Nosotemporizadosnemajustveis,masoperam sob baixos valores de corrente e tm boa sensibilidade. Proteo em sistemas eletroenergticos 49XV Rels diferenciais, de freqncia, de tempo e auxiliares 15.1 Rels diferenciais Operaquandoovetordadiferenadeduasoumais grandezaseltricasexcedeumaquantidadepr-estabelecida. 2 tipos: - diferenciais amperimtricos - diferenciais porcentagem (percentual) 15.1.1 Rel diferencial amperimtrico Reldesobrecorrenteinstantneoconectado diferencialmente, cuja zona de proteo limitada pelos TCs. Erros sistemticos neste tipo de proteo: casamento imperfeito dos TCs; componente contnua da corrente de c.c.; erro prprio dos TCs; corrente de magnetizao de transformadores Proteo em sistemas eletroenergticos 50 Elemento protegido Bobina de operao I1 I2 If I1 I2 Elemento protegido: trecho de circuito de transmisso enrolamento de um gerador ou motor seo de barramento transformador:- diferena de fase deve ser compensada-corrente de magnetizao inicial Sentido das correntes: Defeito internoDefeito externo Proteo em sistemas eletroenergticos 51*Nocasodetransformadoresconectadosemligaes Y-Dpoderexistirdiferenadefaseentreascorrentes primrias e secundrias. Tal fenmeno pode ser compensado pelaconexoinversadosTCsoupelautilizaodeTCs auxiliares. 15.1.2 Rel diferencial percentual Verso modificada do rel de balano de correntes Elemento protegido Bobina deoperao I1 I2 I1 I2 Bobinas de reteno ou restrio Proteo em sistemas eletroenergticos 52 Bobina de operao I1 I2 I1 I2 Bobina de reteno I1 K3 N1 N2 I2 I1 Elemento protegido Corrente efetiva na bobina de reteno: (I1+I2)/2 Corrente na bobina de operao: (I1-I2) Paraumafaltaexterna:(ousobcorrentedecarga normal) I1 = I2 Reteno: (I1 + I1)/2 = I1 Operao: I1 I1 = 0 \ plena reteno Para uma falta interna: I2 torna-se negativo Reteno:(I1I2)/2aretenoser enfraquecida Operao: I1 + I2 operao fortalecida \ rel ativado Proteo em sistemas eletroenergticos 53Se I2 = 0 Reteno: I1/2 Operao: I1

\otorquedeoperaoserodobro do torque de reteno Paraoreferidorelpodemosescreveraequao universal dos rels: ( )322 1222 1 12kI IK I I K C -+- - = Fazendo-se K3 = 0, no limiar da operao (C = 0), temos: 12 2 12 12 KK I II I+= -(equao de uma reta na forma y = ax) Proteo em sistemas eletroenergticos 54 Voltandoaequaouniversaldosrelssem desprezar a fora da mola (C = 0): ( )322 1222 1 12kI Ik I I k ++= -( )1 2322 11222 1kk I IkkI I ++= - Se132 12 102 kkI II I= - + mostrando o efeito da mola apenas para baixas correntes. 121kktg- (I1 + I2)/2 I1 I2 +C13kk -Ca OPERANO OPERA Proteo em sistemas eletroenergticos 55 Ajustes: a) valor inicial: 13kk Compensa o efeito da mola, atritos, etc. b) declividade: -121kktgNa prtica, da ordem de 5-20% para geradores e de 10-40% para transformadores Qual o rel mais sensvel: Amperimtrico ou percentual Exemplo: F If 10 A 50 A 40 A 1000/5 1000/5 (TC com erro) I1 I2Elementoprotegido Proteo em sistemas eletroenergticos 56 Corrente de falta: 10000 A TC introduz um erro de 20% Relamperimtrico:paraevitaraoperaoparauma falta externa sensibilidade mnima 10 A. Rel percentual: Operao: 10 AReteno: (40+50)/2= 45 A. Considerandoacurvacaractersticadorel (declividade de 25%): I1 I2 (operao) Ponto para uma faltaexterna de 10000 A,20% de erro em um dos TCs (I1 + I2)/2 +C -C 20 40 10 2 8 6 4 10 30 25% Proteo em sistemas eletroenergticos 5715.2 Rels de freqncia Quedas de freqncia no podem ser toleradas Rejeiodecargafeitaemdegraussucessivos, permitindoarecuperaodafrequncianominaldo sistema Paraumafreqnciamenorqueanominal,acorrente ISF preponderante em relao ICF , defasando IEF de um ngulo menor que 90 graus em relao ISF e vice-versa. C IS R V IE = IS+ICindutor fixoquadro mvel IC indutor varivel f Fcircuito oscilanteparalelo Indutor varivel permite ajustar convenientemente o circuito oscilante, tal que o quadro mvel tenha conjugado nulo quando IS e IE so defasadas de 90 graus. Proteo em sistemas eletroenergticos 58 V IEf ISf ISN ISF IEN IEF ICFICNICf f xL xc IL IC f xL xc IL IC( )E S E SI I I I C , cos = Conjugado na freqncia de regulagem N (60 Hz): = 90 cosEN SNI I C F < N a bobina se deslocar num dado sentido(ngulo menor que 90o) F > N a bobina se deslocar no sentido contrrio (ngulo maior que 90o) 15.3 Rels de tempo, auxiliares ou intermedirios Rels de tempo Funo: definir a ao de outros rels Valor de retardo regulvel Proteo em sistemas eletroenergticos 59 Disponveis em corrente alternada ou contnua Ampla temporizao: At 20s em rels de corrente contnua De 25 a 90s para mecanismos tipo relojoaria > 90s para motores com engrenagens Rel de tempo com circuito RC Fechamento do contato de comando: alimenta o rel e carrega o capacitor Aberturadocontatodecomando:capacitor descarrega sobre a bobina do rel, retardando o retorno posio de repouso ResistnciaR:regulaatemporizaoeevita descarga oscilante do capacitor R C Contato de comando Contatos do rel Mola Bobina do rel +_ Proteo em sistemas eletroenergticos 60 Rels auxiliares ou intermedirios Repetidores:destinadosprincipalmente multiplicao do n de contatos do rel principal Contatores: para manobrar um ou mais contatos de grande poder de corte ou fechamento So essencialmente instantneos, robustos, do tipo correnteoutenso,comcontatosnormalmente abertos e/ou fechados Proteo em sistemas eletroenergticos 61XVIRels de distncia 16.1 Introduo Estesrelsgeralmenteusamestruturasdealta velocidade e temporizadores. Recebeestenomeporquemedeadistncia (impedncia) entre o local do rel e o ponto de falta. Torque positivo nveis de impedncia abaixo de um valor especfico. Naprticadeaplicaodessesrels,algunserrosde medida, quedas de tenso outras que a dos condutores, almdaimpednciaZconsiderada,podemprovocara imperfeita correspondncia do que foi exposto. 16.2 Causas pertubadoras na medio Rudo presente nas ondas. Insuficinciaouinexistnciadetransposiodos condutores na L. T. (5 a 10% de erro esperado). Proteo em sistemas eletroenergticos 62 Variao da impedncia ao longo das linhas em paralelo (no homogeneidade do solo). Erros nos redutores de medida de corrente e tenso em conseqncia da saturao dos ncleos sob os grandes valoresdascorrentesdedefeito(errode3%ou superior). Errosoriginadospelasvariaesdetemperatura ambiente. A prpria construo do rel. Algumas compensaes so propostas para que possa atuar de forma confivel. 16.3 Diagrama R-X Serusadoparamostrarascaractersticasde funcionamento dos rels de distncia. Proteo em sistemas eletroenergticos 63 ~ FAB R ZF Zl P Q Diagrama RX (segundo a figura anterior): Zl ZF P Q R Q P X Q P QPPara curto-circuito: VF e IF medidas do rel qF ngulo entre V e I F F F FFFjX R ZIV+ = = q Proteo em sistemas eletroenergticos 64 A impedncia de carga pode cair em qualquer dos 4 quadrantes (depende de P e Q). Relsadistncia:podemdistinguirentreum localdefaltaeoutro(independentedomdulo da corrente). OdiagramaR-Xpodeserconstrudocomohms primrios ou secundrios (sem ou com uso de TPs e TCs). 16.4 Rel de impedncia ou ohm Por definio, umrel de sobrecorrente com restrio por tenso: K3VI Proteo em sistemas eletroenergticos 65 Equao de conjugado: 32221k V k I k C - - =Para passar de uma regio de conjugado negativo (no-operao)paraumaregiodeconjugadopositivodorel (operao)passa-seobrigatoriamenteporC=0(chamado limiar de operao). Para C = 0 vem: 32122k I k V k - = ( )223212222I kkkkIVI k - = 22321I kkkkZIV- = =(*) Desprezando o efeito da mola (k3 = 0), vem: 21kkZ= = constante Equaodocrculocomcentronaorigem, representado em um plano Z = R+jX.Proteo em sistemas eletroenergticos 66 Se k3=0, a equao (*) torna-se

21kkZIV= = que da forma121kkV VZ ZVI = = = ou tambm y = ax representando uma linha reta no plano I-V 121kktg- V I13kk Proteo em sistemas eletroenergticos 67 A caracterstica no plano R-X (desprezando K3): R X ZqRegio de operao Limiar da operao -OrelajustadoparaumcurtovalordeZ (pode ser alterado mudando-se K1 e K2); -Operasemprequeenxergarumvalor menor ou igual ao ajustado; -O rel ento insensvel ao ngulo q entre V e I no inerentemente direcional. Porm,ascaractersticasdoreldeimpednciae direcional podem ser combinadas para se obter um rel direcional: Proteo em sistemas eletroenergticos 68 R X R X C- C++ figura = anterior no disparadispara Unidade direcionalUnidade de impedncia no dispara Mx. torque ( )2 1cos k VI K T - - = t q Os contatos da unidade direcional estaro em srie com os contatos de disparo do rel de impedncia ouimpediroaatuaodesteporalgummeio,tal comoabrirocircuitodabobinadetensodorel de impedncia. Aindacomplementandoumreldeimpedncia para funcionar como rel de retaguarda: Proteo em sistemas eletroenergticos 69 R X t1 t t2 t3 Z1 Z2 Z3 + torque - torque - R - X t1t2 t3 t l1 l2 linhaUnidade direcional AdmitamosZ1 = 80% do comprimento;T1 = 0 Z2 = 120% do comprimento;T2 = 0,5s Z3 = 200% do comprimento;T3 = 1,0s Se a falta ocorre em: Z1 as trs zonas sentem > tempo de abertura t1 Z2 Z2 e Z3 sentem > tempo de abertura t2 ( tempo de abertura t3

Proteo em sistemas eletroenergticos 7016.5 Rel de reatncia por definio, um rel de sobrecorrente com restrio direcional. ( )3 221cos k VI k I k C - - - = t q Considerando t = 90o, temos: 3 221sen k VI k I k C - - = q Naeminnciadeoperao(C=0),edesprezandoo efeito da mola (k3 = 0): q sen221VI k I k =( )22I k X ZIVkk= = = q q sen sen21ou .21ctekkX = = No plano R-X representa uma reta paralela ao eixo R. Proteo em sistemas eletroenergticos 71 X R-C+C R arco qt ZZ k1/k2No atua Atua Tem restries por ser de caracterstica aberta. Independncia quanto ao valor de resistncia de arco. X < k1/k2 torque positivo X > k1/k2 torque negativo Pode distinguir distncia baseando-se apenas na componente reativa da impedncia. Vantagem:orelinsensvelvariaoderesistncia nocircuito.Atuariaparaumdefeitomesmoquea resistncia do arco fosse grande. Proteo em sistemas eletroenergticos 72 Desvantagem:Nodirecional.Atuaparaqualquer cargacomreatnciamenorqueoajustado.Porisso este rel acoplado a um rel de admitncia. Rel de impedncia angular Nogeralmenteusadocomoreldedistncia,mas constituiparteimportantedemuitosesquemasque utilizam rels de distncia, como os rels de disparo por falta de sincronismo e diversos outros. ( )3 221cos k VI k I k C - - - = t q Similaraoreldereatncia,mascomt90na condio de mximo torque. R X C- C+ t = + 45 R X C- C+ t = - 45 t t Para t = 0 rel de resistncia (reta paralela ao eixo X) Proteo em sistemas eletroenergticos 7316.6 Rel MHO ou de admitncia basicamenteumreldirecionalcomretenopor tenso, cuja equao de conjugado : ( )322 1cos k V k VI k C - - - = t q C = 0: ( )3 122cos k VI k V k - - = t q ( K2VI) ( )VI kkkkZIV 1cos2321- - = = t q k3 = 0 ( ) t q- = = cos21kkZIV ( ) t q- = cos21kkZ A equao representa um crculo passando pela origem, com dimetro k1/k2 e inclinao de t. Proteo em sistemas eletroenergticos 74t condio de fabricao do rel. R X tdisparak1/k2 no disparaC+ Z cai dentro C- Z cai fora Z Z Tamanhodocrculoaproximadamenteindependente do valor da tenso e corrente aplicados ao rel. Oreldesenvolvetorquepositivo(desligamento) quandoZcaidentrodacaractersticaetorquenegativo quando Z fica fora da mesma, onde oIVZ 0 = Instalandodoisoutrsrelsmho,podemosgarantir proteoinstantneaparaaseodelinhaadjacente bemcomoproteoderetaguardaretardadaparaas linhas adjacentes. Proteo em sistemas eletroenergticos 75 Vantagens com relao ao rel de impedncia: Direcionalidade inerente Melhoracomodaodeumapossvelresistnciade arcodoquenoreldeimpedncia.Constata-seque paraprotegerummesmotrechodelinhasobdada resistnciadearco,orelabrangemenorreano planoR-X.Istovantajosoquantomenor sensibilidade s possveis oscilaes do sistema. Rel mho de trs zonas: R XZ1Z2Z3 A zona Z1 instantnea. Z2 e Z3 so temporizados. Proteo em sistemas eletroenergticos 7616.7 Rel de impedncia modificado CaractersticadeslocadanoplanoR-Xatravsde artifcio de polarizao. Conjugado: ( )32221k CI V k I k C - - - = Artifcio de compoundagem: faz com que o rel de impedncia tenha sua caracterstica deslocada no plano R-X, de modo a oferecer resultados semelhantes aos do relmhonoquedizrespeitoacomodaodecerta resistncia de arco voltaico. Isso feito polarizando-se a bobina de tenso com uma componente CI proporcional corrente aplicada no rel. ParaC=0ek3=0,desenvolve-seaexpresso vetorial: 02221= - - CI V k I k[ ] 0 cos 22 2 2221= + - - I C CVI V k I k q ( )2I Proteo em sistemas eletroenergticos 770 cos222 22 222 1=+ - -II CICVIIVk k q[ ] 0 cos 22 22 1= + - - C CZ Z k k q E como 2 2 2X R Z + =eR Z = q cos[ ] 0 22 2 22 1= + - + - C CR X R k k [ ] 0 ) (2 22 1= + - - X C R k k ( )2212 2= + -kkX C R Equao de um crculo com centrodeslocado C da origem e com raio igual a 21kk. Proteo em sistemas eletroenergticos 78 X R X CZ Z Rav AtensoCIgerada forando uma correnteI por umaimpednciaCesomandoestevaloraV, ligando CI em srie. OngulodefaseeamagnitudedeCdeterminam adireoeamagnitude,respectivamente,do movimento do centro do crculo. Outros artifcios mostram que podemos colocar a caracterstica em qualquer ponto R-X. Proteo em sistemas eletroenergticos 79XVIIRels estticos e semi-estticos OdesenvolvimentodetransistoresSCRcomaltograu deconfiabilidadeconduziuaconstruoderelsque utilizam estes elementos. Relsestticossoextremamenterpidoseno possuem partes mveis. Vantagensbsicascomrelaoarels eletromecnicos: Alta velocidade de operao Cargaconsideravelmentemenorpara transformadores de instrumentos Menor manuteno 17.1 Rels semi-estticos Ao invs da estrutura eletromecnica pode-se usar duas estruturasretificadorasatuandosobreumsensvelrel de bobina mvel. Proteo em sistemas eletroenergticos 80 Se chamarmos a corrente de operao de Io e a corrente derestriodeIr (proporcionalaumatensoaplicada sobreumresistorZ),ek3 sendoumaconstante semelhante ao de uma mola, vir: 32220 1k I k I k Cr- - = Escolhendo-seconvenientementeotapeno enrolamentointermediriodoTCpode-seobtertrs caractersticas diferentes: Proteo em sistemas eletroenergticos 81 a) Rel de impedncia (Z), se K4=0 e IKU3 b) Rel de condutncia (G), se K4=1 e I IKU -3 c) Reldeimpednciacombinada(Zc),seK4=K4e I I KKU -43 O rel de condutncia fornece excelente cobertura para faltascom arco voltaico, no entanto, limita o emprego a linhas com ngulo q de at 60 graus. Umasoluointermediriaacaracterstica denominadaohmdeslocadoouimpednciacombinada (Zc) q XR Z ZcG K4K3K32K3 Proteo em sistemas eletroenergticos 82 Comoresultadoaspontesfazemacomparaodos doismembrosdaequaoe,quandooconjugado geradoporIformaiorqueoproporcionadopela restrio(U/K3 K4 I),umacorrentededesequilbrio percorrer o rel de bobina mvel e o disjuntor do trecho de linha correspondente ser operado. 17.2 Rels estticos Rel de sobrecorrente esttico Constabasicamentedeumcertonmerodemdulosem circuitos independentes denominados: Mdulo bsico ou conversor de entrada: o FazaadaptaodascorrentesvindasdosTCs do circuito principal o Emgeral,transformaascorrentesemtenses atravs de um resistor Mdulo de ajuste da corrente: o Constitudo por uma tenso de referncia o Enquanto a corrente for inferior ao nvel ajustado nohconduo.Seacorrenteaumenta Proteo em sistemas eletroenergticos 83ultrapassandoatensodereferncia,iniciada a conduo Mdulo de ajuste de tempo: o Consta,porex.,deresistoresvariveisque modificamotempodecargadoscapacitorese portanto a temporizao desejada Mdulo de sinalizao e comando: o Noqualdiversossinaisdealarmeedisparodo disjuntorpodemserobtidos,apsapassagem por circuitos de amplificao convenientes Mdulo de alimentao Rel de distncia esttico Consistememcircuitostransistorizadosque desempenham funes lgicas e de temporizao. Um exemplo de funo de temporizao mostrado na figura: Proteo em sistemas eletroenergticos 84 Funcionamento: Seumaentradade6msoumaisseapresentaaorel ocorrerumasada.Almdisso,mesmodepoisde removido o sinal de entrada, o sinal de sada permanece durante 9ms. Seosinaldeentradatemduraoinferior6ms, nenhum sinal de sada ocorrer. Todosostiposdecaracterstica(ohm,mho,reatncia, etc.)soobtidasmedindo-seongulodefaseentreduas tenses. Nointeriordorelascorrentessotransformadasem tensespormeiodetransactors(transformadorcomncleo dearqueproduzumatensosecundriaproporcional corrente primria). 6 9 ENTRADA SADA 6ms9msProteo em sistemas eletroenergticos 85Aimpednciaprpriadotransactor(ZT)estabeleceo alcance da caracterstica. Aunidademhoexecutaasmedidasconsiderando primeiramenteastensesdeentradasenoidaisembaixo nvel,talqueasformasdeondaseassemelhemaondas quadradas. Suas partes positiva e negativa so separadas e aplicadas a diferentes blocos de funes E. Hduasoutrascaractersticasquepodemserobtidasa partir da unidade mho, simplesmente variando-se o ajuste de picapeoudeatuaodostemporizadores;soas caractersticas denominadas na literatura de: Lente; Tomate. Proteo em sistemas eletroenergticos 86Transformadores de Corrente - TCs Conectamrelse/ouaparelhosdemedidasao sistema de potncia Basicamenteconstitudosdeumncleodeferro, enrolamentoprimrio(geralmenteoprpriocondutor primrio do sistema) e enrolamento secundrio Adaptamagrandezaasermedidasfaixasde utilizao da aparelhagem correspondente Problema: saturao resultante das componentes DC e AC da corrente de defeito requerem maior cuidado que os TPs Primrio Secundrio Proteo em sistemas eletroenergticos 87 Caracterizao de um TC (ABNT) Corrente e relao nominais Classe de tenso de isolamento nominal Freqncia nominal Classe de exatido nominal Carga nominal Fator de sobrecorrente nominal Limitesdecorrentedecurtaduraoparaefeitos trmico e dinmico Corrente e relao nominais Corrente nominal secundria = 5A (norma) Correntesnominaisprimrias=5,10,15,20,25, 30,40,50,60,75,100,125,150,200,250,300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000 e 8000 A Classe de tenso de isolamento nominal DefinidapelatensodocircuitoaoqualoTC ser conectado (tenso mxima de servio) Freqncia nominal 50 e/ou 60 Hz Proteo em sistemas eletroenergticos 88 Classe de exatido Erromximodetransformaoesperado, respeitando-se a carga permitida TCsdeproteodevemretratarcomfidelidadeas correntesdedefeitosemsofrerosefeitosda saturao Erro de ngulo de fase: geralmente desprezado Circuito equivalente: Onde: I1 = valor eficaz da corrente primria (A); I1 = corrente primria referida ao secundrio; K=N2/N1=relaodeespirassecundriaspara primrias; Z1 = impedncia do enrolamento primrio; Z1 = idem, referida ao secundrio; I1 I1 = I1/KZ1= K2.Z1IOZmZ2I2ZCE2VtProteo em sistemas eletroenergticos 89I0=I0/K=correntedeexcitaoreferidaao secundrio; Zm=impednciademagnetizaoreferidaao secundrio; E2 = tenso de excitao secundria (V); Z2 = impedncia do enrolamento secundrio (W); I2 = corrente secundria (A); Vt = tenso nos terminais do secundrio (V); Zc = impedncia da carga (W). Curva de magnetizao Obtida experimentalmente pelo fabricante Relaciona E2 e IO Permitedeterminaratensosecundriaa partir da qual o TC comea a saturar (PJ)ES IO EPJ IPJ 10% EPJ 50% IPJ Corrente de excitao secundria Tenso de excitao secundria Proteo em sistemas eletroenergticos 90 PontodeJoelho(PJ)definidocomoaquele emque,paraseteraumentode10%emE2, precisa-se aumentar 50% em IO . Classificao - ABNT Baseadanamximatensoeficazquepode manteremseusterminaissecundriossem excederoerroIO/I2especificadode10ou 2,5%. Ex.: Seja um TC:B 2,5 F10 C100 -Baixa impedncia secundria -Erro mx. de 2,5% -Fator de sobrecorrente 10 In -Capaz de alimentar a carga de 100VA Portantodeve-seespecificaratenso secundria mxima (E2 = ES) a partir da qual o TCpassaasofrerosefeitosdasaturao, deixandodeapresentaraprecisodasua classe de exatido. Carga nominal Zt = R + jX,Zt = ZC + Z2 + ZL Catlogo Z2 e ZC Deve-se adicionar a impedncia dos cabos ZL Proteo em sistemas eletroenergticos 91 Fator de sobrecorrente nominal Expressa a relao entre a mxima corrente com a qualoTCmantmsuaclassedeexatidoea corrente nominal ABNT: 5, 10, 15 ou 20 In Limitedecorrentedecurtaduraoparaefeito trmico ValoreficazdacorrenteprimriaqueoTCpode suportarportempodeterminado,como enrolamentosecundriocurto-circuitado,sem excederoslimitesdetemperaturaespecificados para sua classe de isolamento. Geralmentemaiorouigualcorrentede interrupo mxima do disjuntor associado. Limitedecorrentedecurtaduraoparaefeito mecnico MaiorvaloreficazdecorrenteprimriaqueoTC devesuportardurantedeterminadotempo,como enrolamentosecundriocurto-circuitado,semse danificarmecanicamente,devidosforas eletromagnticas resultantes. Proteo em sistemas eletroenergticos 92 Seleo de TCs pela curva de magnetizao Curva ES X IO fornecida pelo fabricante Mtodo:construircurvamostrandoarelaoentre ascorrentesprimriaesecundriaparaumtape condies de carga especificada. Procedimento: a) Assumir um valor qualquer para IL (ou I2) b) Calcular VS de acordo com a equaoVS = IL (ZC+Z2+ZL) c) LocalizarovalordeVSnacurvaparaotap selecionadoeencontrarovalorcorrespondente da corrente de magnetizao Ie ou IO d) CalcularIH =I1=(IL+Ie)nreferidaaolado primrio e) ObtidoumpontodacurvaILXIH,repetiro processo para obter outros valores de IL e IH

f)Depoisdeconstruda,acurvadeverser checadaparaconfirmarseamximacorrente primriadefaltaestforadaregiode saturaodoTC.Seno,repete-seoprocesso mudando o tap do TC at que a corrente de falta esteja contida na zona linear da caracterstica. Proteo em sistemas eletroenergticos 93 Precaues quando trabalhando com TCs Secundrio aberto sobretenses elevadas o Altatensodesenvolvidapelacorrenteprimria atravs da impedncia de magnetizao Circuitossecundriosdevemsempreserfechados ou curto-circuitados Transformadores de Potencial TPs Enrolamento primrio conectado em derivao com o circuito eltrico Enrolamentosecundriodestinadoareproduzira tensoprimriaemnveisadequadosaousoem instrumentos de medio, controle ou proteo Posio fasorial substancialmente preservada Caracterizao de um TP Tenso primria nominal e relao nominal o ABNT: classes de isolamento de 0,6 a 440kV o Tenses primrias nominais de 115V a 460kV o Tenses secundrias de 115 ou 120V o Seleciona-searelaonormalizadaparauma tenso primria igual ou superior a de servio Proteo em sistemas eletroenergticos 94 Classe de tenso de isolamento nominal o Depende da mxima tenso de linha do circuito Freqncia nominal o 50 ou 60Hz Carga nominal o Potncia aparente (VA) indicada na placa e com aqualoTPnoultrapassaoslimitesde preciso de sua classe o ABNT: cargas de 12.5, 25, 50, 100, 200 e 400VA Potncia trmica nominal o MximapotnciaqueoTPpodefornecerem regimepermanente,sobtensoefreqncia nominais, sem exceder os limites de elevao de temperatura especificados o No deve ser inferior a 1,33 vezes a carga mais alta do TP TPs capacitivos Tamanho do TP proporcional tenso nominal TP capacitivo soluo econmica Menor preciso que o TP de ncleo de ferro Divisor de tenso capacitivo Impedncia XL varivel Proteo em sistemas eletroenergticos 95o Minimiza a queda de tenso do circuito auxiliar o Fazcomqueatensonacargaestejaemfase com a tenso do sistema ZB VP C1 C2 VC2VSVB XL T The Universal RelayThe Engine for Substation AutomationMarzio P. PozzuoliGE Power ManagementEntire contents copyright 1998 byGeneral Electric Power Management. All rights reserved.Marzio P. PozzuoliGE Power ManagementMarkham, Ontario, CanadaUtilities and manufacturers have been speculatingon the feasibility of a Universal Relay for a num-ber of years. The ultimate goal for a UniversalRelay, from both a technology and economic standpoint, isa unified, modular substation solution that can be net-worked and seamlessly integrated with existing hardwareand/or software regardless of the vendor or communica-tions network.A key driving force behind the need for the UniversalRelay is implementation cost. By having a platform that isopen enough to keep pace with todays technology andmaintains the modularity and flexibility to allow for futureupgrades, utilities can not only preserve their intitial tech-nology investment, they can substantially reduce long-termimplementation costs in the substation environment. Nomore stranded relay investments.Although listing the attributes of a Universal Relay intheoretical terms is a relatively easy task, for developers thechallenge has been in defining the necessary logisticalrequirements for the ideal Universal Relay. What buildingblocks are needed to make it as open as possible giventodays advancements in technology? How do you design arelay with the flexibility to cover every foreseeable protec-tion application - today and in the future?As daunting a proposal as this may seem, one needonly look at the evolution of PC technology to see how thiscan be achieved. In just a few short years, the PC hasbecome the general purpose or universal tool and indis-pensable engine of the information age.It is worthwhile to note the key concepts which havemade the PC a general purpose tool - i.e. a common hard-ware and software platform, a scalable, modular andupgradable architecture, and a commonhuman-machine-interface (HMI) - are also the key requirements for a uni-versal relay. However, until recently, an essential element that hasbeen missing from the Universal Relay equation is thedevelopment of a communication standard within the utili-ty industry. PC technology overcame that hurdle a numberof years ago to the point where PCs are so open, they canfunction in virtually any environment, communicate withany other device on a network, and run almost any soft-ware application without the need for customized inter-faces or configurations.The utility industry has now followed suit with thedevelopment of an international standard that is bringingthe Universal Relay to the forefront as the utilitys generalpurpose tool and indispensable engine of the substationenvironment.*Universal Relay is a trademark of GE Power ManagementOpen Communications ProtocolsIn todays open systems the ability to share data seam-lessly through company-wide networks is the key to increas-ing efficiency and reducing costs as well as enhancingopen connectivity between a companys related functionalareas. This is especially true in the utility industry, whereorganizations have been grappling with a range of propri-etary hardware and software products that can be neitherintegrated nor upgraded at a reasonable cost and/oreffort. Special communications interfaces or gateways mustbe used to connect any new equipment to an existing datanetwork if a utility wants to expand beyond its proprietaryequipment.The effort to achieve a common protocol that provideshigh-speed peer-to-peer communications as well as deviceinteroperability for substation automation is being drivenin North America by a select group of international utili-ties as well as the manufacturers. This is being donethrough EPRI (Electric Power Research Institute) in con-junction with the relevant standards-related groups in theIEEE and IEC committees.With the progress being made by EPRI in establishingopen-systems communication protocols, hardware and soft-ware from different vendors can be linked and progressive-ly integrated over time, thereby providing a means to cost-effectively upgrade as needs and technology develops.The proposed solution for the substation is implement-ed based on existing standards. These standards includethe Manufacturing Message Specification (MMS) andEthernet as the data link and the physical layer. The intentis that the substation communication will be UCA (UtilityCommunications Architecture)-compliant in order to elim-inate gateways, and allow maximum interconnectivityamong devices at minimum cost.The development and increasing application of theproposed solution has the potential for saving millions ofdollars in development costs for utilities and manufactur-ers by eliminating the need for protocol converters (bothhardware and software) when integrating devices from dif-ferent manufacturers. Also because of the high-speed peer-to-peer communications LAN (local area network) a greatdeal of inter-device control wiring can be eliminated byperforming inter-device control signaling over the LAN.UCA Version 2EPRIs UCA Version 1 protocol was introduced in1991 and represented the first comprehensive suite ofopen communication protocols to meet the specific needsof the electric utility industry. In 1997, the new UCAVersion 2 standard substantially expands the versatility ofUCA by including internet compatibility and specifying acommon interface standard for electric, gas and water utili-ty systems.UCA2, in being able to provide an interface to differ-ent vendors products, ensures that equipment from multi-The Universal Relay - The Engine for Substation Automationple sources can interface. In addition, it can support exist-ing and future network protocols. EPRIs work to date in this area has established that anopen communication protocol allows utilities to improveoperating and business decisions based on real-time avail-ability of data, combine different local and wide areamedia with minimal modification costs, reduce systemimplementation time and cost through using standardizedutility devices and eliminate redundant storage, since infor-mation can be accessed wherever it resides.With communication protocols well on their way tobecoming standardized, a major stumbling block to theUniversal Relay has been removed. It is now time for it tomove from the drawing board into the hands of the utilities.The evolution of the relayWhen GE Power Management embarked on an ambi-tious design program to develop a next generation familyof protection relays, it relied on the same concepts andtechnologies that have driven the desktop personal com-puter (PC) market to such phenomenal heights in terms ofperformance and cost effectiveness to make it a generalpurpose or universal tool and the engine of the informa-tion age.The aim of the program was to provide utilities with acommon tool for protection, metering, monitoring andcontrol across an entire power system, one that wouldserve as the universal engine for substation automation. In order to understand where the technology standstoday, perhaps its best to look at the evolution and func-tionality of protective relays over the years. IEEE defines a protective relay as a relay whose func-tion is to detect defective lines or apparatus or other powersystem conditions of an abnormal or dangerous nature andto initiate appropriate control circuit action (IEEE 100-1984). This definition could best be classified as generalrather than universal in nature.Traditionally, manufacturers of protective relay deviceshave produced different designs that are specific to theprotection of generation, transmission, distribution andindustrial equipment. This approach has its roots from thedays ofelectromechanicaland solid-state relay designs,where the widely varying complexities associated with eachtype of protection had to be implemented in proprietaryhardware configurations. For example, there was a signifi-cant difference in cost and complexity between an overcur-rent relay used for feeder protection and a distance relayused for protection of EHV (extreme high voltage) lines.This leads us to an essential requirement of a UniversalRelay. A Universal Relay must at minimum, be capable ofproviding protection for all the sectors of the power system- from simple overcurrent protection for feeders to high-speed distance protection for EHV lines. More importantly,it must offer a cost-effective solution for both.Development milestonesOne key contributor to the feasibility of the universalrelay design has been the advancements made in digitaltechnology and the evolution of microprocessors, as well asthe proliferation of numerical/digital relays within theindustry.One only need look at the PC industry to see that thepower and performance of microprocessors have increaseddramatically while prices have decreased. In fact, the tech-nology is now at the point where the performance require-ments of a distance relay and the cost/performancerequirements of a feeder relay can be met by the samemicroprocessor and digital technology. The proliferation of numerical relays, also has allowedmanufacturers to develop and perfect software for protec-tive relaying devices across a power system. By leveraging the advancements of microprocessor anddigital technology, and combining those with the array ofexisting and proven software developments, the universalrelay becomes the logical outcome.Just as the PC is a general-purpose tool that can per-form numerous tasks by running different application pro-grams on the same platform, so can a numerical relay builton a common platform become a general purpose or uni-versal protection device by running different protectionsoftware for the apparatus being protected.As a general purpose tool, there are a number ofessential functional blocks that must be incorporated intothe design of a Universal Relay.Universal Relay building blocksMost modern numerical, microprocessor based relaysare comprised of a core set of functional blocks: A. Algorithmic and control logic processing, usually per-formed by the main protection microprocessor and oftenreferred to as the CPU (central processing unit). Mostnumerical relays have multiple processors for differentfunctions.B. Power system current and voltage acquisition, usuallyperformed by a dedicateddigital signal processor (DSP)in conjunction with an analog-to-digital data acquisitionsystem and interposing current and voltage transformers.C. Digital inputs and outputs for control interfaces, usuallyrequired to handle a variety of current and voltage ratingsas well as actuation speed, actuation thresholds anddiffer-ent output types (e.g. Form-A, Form-C, Solid-State).D. Analoginputs and outputs for interfacing to transducerand SCADA (Supervisory Control & Data Acquisition) systems,usually required to sense or output dcmA currents.E. Communications to station computers or SCADA systems,usually requiring a variety of physical interfaces (e.g.RS485, Fiber Optical, etc.) as well as a variety of protocols(e.g. Modbus, DNP, IEC-870-5, UCA 2.0, etc.)F. Local Human Machine Interface (HMI) for local opera-tor control and device status annunciation.G. Power supply circuitry for control power, usuallyrequired to support a wide range of AC and DCvoltageinputs (e.g. 24-300 VDC, 20-265 VAC).The design of a universal relay requires an architecturethat can accommodate all of the above functional blocks ina modular manner and allow for scalability, flexibility, andupgradabilityin a cost effective manner for all applications.The biggest challenge for relay designers is the costeffective manner. The risk they have faced in the past iscreating an architecture with all ofthe above attributeswhere the base cost of the platform is too high for themore cost sensitive applications such as feeder protection. Today, this has been resolved as a result of cost reduc-tions inherent in the production ofa common platformfor all applications. Like the PC industry, common compo-nents such as power supplies, network cards and disk dri-ves continue to drop in price, while delivering ever-increas-ing performance levels.While protective relay production is nowhere near thevolume of PCs, a next generation relay platform based on amodular architecture which can accommodate all applica-tions will yield significant development and manufacturingcost reductions.The Universal Relay ArchitectureIn defining what a Universal Relay needs to do, it isimportant to understand the architectural elements thatperform the above mentioned functions. ModularityOn the hardware side, modularity is achieved througha plug-in cardsys-tem similar to thatfound in program-mable logic con-trollers (PLCs) aswell as PCs.A keyelement in thesuccessful perfor-mance of such asystem is the high-speed parallel buswhich provides themodules with acommon powerconnection andhigh-speed datainterface to themaster processor(CPU) as well asto each other.Figure 1 showssuch a system withall the core func-tional blocksimplemented asmodules.Figure 2 rep-resents a physicalrealization of themodular architec-ture used in the design of GE Power ManagementsUniversal Relay - a 19-inch rack-mount platform, 4 rackunits in height, capable of accepting up to 16 plug-in mod-ules.Modules plug into a high-speed data bus capable ofdata transfer rates as high has 80 Mbytes/sec. Thehigh-speed bus should be completely asynchronous,thus allowing modules to transfer data at rates appro-priate to their function. This is crucial in order tomaintain a simple, low-cost interface for all modules.The bus should be capable of supporting both paral-lel and serial high-speed communications simultane-ously (up to 10Mbps serial) which allows those mod-ules which must transfer data as quickly as possible touse the high-speed parallel bus (80 Mbytes/sec),while others can use the serial bus to avoid communi-cation bottlenecks.One of the key technical requirements of such asystem for protective relaying applications is that themodules must be capable of being completely drawnout or inserted without disturbing field wiring whichis terminated at the rear of the unit (see Figure 3).Modularity can also be appliedat the sub-mod-High-Speed Data Bus P C DD A CO P SI N OW U P G A M EII M R O OSLED modulesDisplaymoduleKeypadmoduleMODULAR HMIPOWER = Power Supply ModeCPU = Main Microprocessor ModuleDSP = Digital Signal Processor & MagneticsDIGIO = Digital Input/Output ModuleANAIO = Analog I/O ModuleCOMMS = Communications ModuleFigure 1 - System configuration showing a high-speed databus and modules with a common power connection and high-speed data interface to the zcpu.Figure 2 - A working example of the modular architecture found in aUniversal Relay.Figure 3- Plug-in modules can beremoved or inserted without dis-turbing wiring.ule level (Figure 4). Configurable input/output(I/O)combinations can accept plug-in sub-modules, whichmeans that each sub-module can be configured for virtual-ly any type ofI/O interface desired, to meet both presentand future demands. This gives the relay a universal inter-face capability.Scalability and flexibilityA modular architecture of this type allows for bothscalability and flexibility. In particular, scalability is foundin the ability to configure the relay from minimum to max-imum I/O capability according to the particular require-ments. The flexibility lies in the ability to add modules con-figured with the desired sub-module I/O. This allows formaximum flexibility when interfacing to the variety of con-trol and protection applications in the power system(Figure 5).Upgradability and Enhancements Another obvious benefit of this architecture is the abil-ity of users to upgrade or enhance their relay simply byreplacing or adding modules. For example:* Upgrading from a twisted pair copper wire communi-cationsinterface to high-speedfiber optics communi-cations. * Enhancing a transformer protection applicationby adding an Analog I/O (ANIO) module with thesub-modules to detect geomagnetic induced currents,sense and adapt to tap-position, perform on-load tap-changer control, or detect partial discharge activity.* Upgrading the CPU module formore powerfulmicroprocessor technology allowing for more sophisti-cated and protection algorithms (e.g. Fuzzy Logic,Neural Networks, Adaptive).* Enhancing the metering capability of the relay byadding a second DSP module with current and voltagetransformer sub-modules capable of revenue classmetering accuracy.* Enhancing the control capabilities by adding a DigitalI/O (DIGIO) module with customized labeling to cus-tomize the reporting of events. * Enhancing the HMI capabilities by adding an LEDmodule with customized labeling to customize eventreporting.Modular SoftwareScalability and flexibility issues are not exclusive tohardware. Software must be able to support the same features. Infact, the software has its own form of modularity based onfunctionality. These include:* Protection elements* Programmable logic and I/O control* Metering* Data and Event capture/storage* Digital signal processing* HMI control* CommunicationsThe key advancement in software engineering that hascome to dominate the software industry is Object OrientedProgramming and Design (OOP/OOD). This involves theuse of objects and classes. By using this concept one cancreate a protection class and objects of the class such asTime Overcurrent (TOC), Instantaneous Overcurrent(IOC), Current Differential,Under Voltage, Over Voltage,Under Frequency, Distance Mho, Distance Quadrilateral,etc. These represent software modules that are completelyself-contained or encapsulated (Figures 6a and 6b).The same can be done for metering, programmablelogic and I/O control functions, HMI and communica-tions or, for that matter, any functional entity in the system. Therefore, the software architecture is able to offerFigure 5 - An example showing minimum and maximum moduleI/O capability.Figure 4 - Configurability at a sub-module level.scalability andflexibility: scal-ability in thatthe number ofobjects in anapplication arescalable (e.g.multiple IOCelements); flex-ibility in thatobjects can becombined tocreate customcombinationsto suit theapplication(e.g. TOC,IOC, DistanceUnderfrequency and Directional IOC). In combining these attributes - modularity, scalability,flexibility, upgradability and modular software - the capabil-ity is there to run a wide variety of applications on a com-mon platform. Figure 7 shows the concept of a commonplatform Universal Relay capable of running multipleapplications.The benefitsOverall, theability to standard-ize on one hard-ware configura-tion that canaddress the major-ity of specificapplications is amajor potentialbenefit to users.As a common plat-form, theUniversal Relaycan be used torun any variety ofthe appropriateapplication soft-ware. Standardizingon a commonplatform also potentially reduces engineering and commis-sioning costs through simplified wiring diagrams, reduceddrafting expenses, simplified commissioning and test pro-cedures, as well as reduced learning time when applyingthe device to different applications. The keyelement which results from a common plat-form approach in simple terms is that of a common lookand feel across the entire family of applications - the idealscenario for substation automation. The Universal Relays role in substation automationAs mentioned earlier, utilities worldwide have beenclamoring for a standard that will allow different devicesfrom different manufacturers to communicate with a com-mon protocol and to interoperate. Now that the standardissue is being resolved, one can look to add value by net-working protective relaying devices. This is achieved byleveraging their ability to communicate among themselves(i.e. peer-to-peer) and to the station interface. Since the Universal Relay offers a modular hardwareand software architecture that is scalable, flexible, andupgradable, as well as advanced peer-to-peer communica-tions, it can accommodate the requirements of any substa-tion automation proposal.In addition, the configurable object oriented softwarecan handle both new and legacy communications proto-cols, which means a Univeral Relay can coexist in todaysenvironments, as well as handle any future migration toEthernet or other future technology without incurring thesignificant investments normally associated with systemconversions or upgrades.As performance and functional requirements evolve totake advantage of the new possibilities brought about byhigh-speed peer-to-peer communications the UniversalRelay can just as easily evolve to remain in-step with usersrequirements and budgets.FiberOpticHub #1FiberOpticHub #2DISTANCE RELAYLINEDIFFERENTIALTRANSFORMER FEEDER CONTROLLERROUTERHUBBRIDGEOTHERVENDORS IEDsWANENTERPRISENETWORKFigure 8 - Schematic of entire Universal Relay setup, from workstation to relays.ProtectionMeteringControlHMICommsDSPCLASSESApplication SoftwareCommonCoreSoftware TOC IOC Distance Differential Frequency Volts/Hz etc.Protection ClassObjectsFigures 6a and 6b - TheOOP/OOD concept uses objectsand classes to create self-con-tained software modules.Figure 7 - The elements of the Universal RelayplatformSUBSTATION AUTOMATION USINGEPRI MMS/ETHERNET & GEPM IEDS 1PROTEORPIDA DE LINHAS DE TRANSMISSO COM O USO DE EQUAES DIFERENCIAIS

RENATA ARARIPE DE MACDO1 DENIS VINICIUS COURY2 Departamento de Engenharia Eltrica Escola de Engenharia de So Carlos - ESSC-USP CP 359 - CEP 13560-970 FONE: (016) 273-9363 FAX (016)273-9372So Carlos - SP rmacedo@sel.eesc.sc.usp.br1coury@sel.eesc.sc.usp.br2 RESUMO Este trabalho apresenta uma implementao de proteo rpida para linhas de transmisso dealtatenso.Oalgoritmopropostocalculaadistnciaemqueafaltaocorreunalinhaatravsda equao diferencial da mesma. A determinao numrica da distncia da falta feita pelo clculo dos parmetros de linha, ou seja, a sua resistncia e indutncia. Para este esquema, as tensese correntes trifsicasforamempregadascomoentradas.OsoftwareAlternativeTransientsProgram-(ATP) usadoparagerarosdadosreferentesaumalinhadetransmisso(440kV)emcondiesdefalta.O objetivodostestesfoidemonstrarqueoalgoritmoconvergeemmenosdedoisciclosequepode analisarcorretamentevriassituaesdefaltassobrealinhadetransmissoprotegida.Osresultados utilizando-se da tcnica proposta demonstram que o mtodo apresenta bastante preciso e rapidez no clculo da distncia da falta para efeitos de proteo. ABSTRACT- This work presents a proposal for fast protection of high voltage transmission lines. The proposedalgorithmcalculatesthedistancethatthefaultoccurredinthelinethroughitsdifferential equation. The numerical determination of the fault distance is made through the calculation of the line parameters: its resistance and inductance. For this scheme, the three-phase voltage and current signals wereusedasinputs.ThesoftwareAlternativeTransientsProgram-(ATP)wasusedtogeneratethe datarelatedtothetransmissionline(440kV)infaultedcondition.Theobjectiveofthetestswasto provethatthealgorithmconvergedinlessthantwocycles,analyzingseveralsituationsoffaults correctly on the protected line.Results using the technique demonstrate that the method presents high precision in the calculation of the fault distance for protection purposes. Key Words - System Protection,Digital Protection, Differential Equation. 1Introduo Afunodosistemadeproteodetectarfaltasou condiesanormaisnosistemaeltricodepotncia,e remov-lasomaisrpidopossvel.Estesistemadeve retirar de operao apenas o elemento sob falta, visando acontinuidadedofornecimentodeenergiaeltrica.A interruponofornecimentodeenergiaeltricadeve entoserminimizadaou,sepossvel,evitada.Dentreas caractersticasmaisdesejveisdeumsistemade proteodestacam-se:rapidez,seletividade, sensibilidade e confiabilidade. O rel o dispositivo lgico do sistema de proteo. Este detecta as condies anormais, e inicia sua operao paraaaberturaounodosdisjuntoresadequados,aele associados.Oreldevesercapazdeestabeleceruma lgicaentreosparmetrosdosistemaetomaruma decisocorretadeabertura.Osparmetrosquemais comumenterefletemapresenadafaltanosistemaso ossinaisdetensoecorrente,obtidosnosterminaisdo rel.Normalmenteestesparmetrossousadosemrels de distncia na proteo de linhas de transmisso.Estes calculamaimpednciaaparenteentrealocalizaodo releafalta.Comoaimpednciaporquilmetroda linhadetransmissoconsideradaconstante,atravsdo clculodaimpedciaaparente,orelapontaadistncia da falta na linha.Aescolhadoalgoritmomaisadequadoparaa proteo est , dentre outras coisas, baseada no tempo no qualoalgoritmolevaparaextinguirafaltanosistema. Estedeveseromenorpossvelreduzindo,assim,a possibilidadedeinstabilidadetransitriadosistema, danos aos equipamentos e riscos pessoais. Estetrabalhoapresentaodesenvolvimentodeum algoritmobaseadonamodelagemdosistemade transmissopormeiodeequaesdiferenciais, formuladasatravsdosparmetrosresistnciae 2indutncia da linha de transmisso a ser protegida.Nesta abordagemnonecessrioqueaentradadoalgoritmo sejapuramentesenoidal,admitindoapresenade harmnicosecomponentesCCpresentesnalinhacomo partedasoluodoproblema,quandodaocorrnciade uma falta ou algum distrbio no sistema. Osfundamentostericosutilizadosparao desenvolvimentodoalgoritmosocitadosnaliteratura em trabalhos de Phadke & Thorp (1994), e por Johns & Salman.(1995).Outrostrabalhospodemsercitados comoreferncias:Mann&Morrison(1971),sugeriram umalgoritmoparaoclculodaimpednciadalinha baseadonaprediodosvaloresdepicodasformasde ondadetensoecorrentedeentrada.Ranjbar&Cory (1975),propuseramummelhoramentonomtodoque utilizava o modelo de uma linha de transmisso RL-srie queresultavaemumaequaodiferencialde1aordem, comseuslimitesdeintegraodefinidospreviamente.Esta tcnica tambm foi estudada por Smolinsk (1979) e Breingan,Chen&Gallen(1979).Jeyasuray& Smolinski(1983),apresentamumestudocomparativo entrediversostiposdealgoritmosparaadeterminao daimpednciaaparentedalinha,ebaseadonestes estudos,concluramqueacombinaodefiltroscomo algoritmobaseadonaequaodiferencialdalinha apresenta o melhor resultado na implementao deste em temporeal.Oalgoritmointroduzalgunserrosqueso analisados por Phadke & Thorp (1994), onde sugere-se a eliminaodestesatravsdeumaprfiltragemdas estimativas.Outrosautorestaiscomo,Gilbert,Undrene Sackin(1977),estudaramdiversosalgoritmose concluramaeficciadomodelobaseadonaequao diferencialdalinha.AkkeeThorp(1998)apresentam umnovomtododefiltragemdigitaldasestimativas paraaeliminaodeerrosintroduzidosnoalgoritmo. Maisrecentementeaaplicaodetcnicasde Inteligncia Artificial na deteco e localizao rpida de faltas em linhas tem sido objeto de estudo. 2O sistema de potncia analisado

Nesteartigoutilizou-seosoftwareATP(ATP-Rule Book,1987)paraamodelagemdosistemaeltrico estudado e aobteno do conjunto de dados para anlise etestes.Foiutilizadaarepresentaodalinhade transmissocomparmetrosdistribudos,quepermite umasimulaodetalhadadosistemaeltrico, possibilitandoautilizaodeseusresultadosna implementao do algoritmo estudado.OsoftwareATPpermitearepresentaodetalhada dalinhadetransmissoatravsdascaractersticasdos condutoresesuasrespectivasdisposiesgeomtricas nastorresdetransmisso,almdamodelagemdas diversasmanobrasedefeitosqueafetamomesmo, buscando uma aproximao com uma situao real. Alinhadetransmissoutilizadaparaoclculodos parmetros foi uma linha tpica da CESP de 440kV. Esta linhacorrespondeaotrechoAraraquaraBaur.Os dadosdeseqnciaobtidos,atravsdosoftwareATP, foramutilizadosemtodososestudos.Osdadosobtidos atravs do software ATP foram:R0 = 1.86230 R+ = 0.03852 L0 = 2.23 mH L+ = 0.741 mH Atopologiautilizadanassimulaesdeum sistema de transmisso perfeitamente transposto.A falta foi aplicada entre os terminais P e T da linha simuladaeosdadosforamobtidosnoterminalPdo sistema. A topologia do sistema estudado e apresentada na Figura 1. 150 km 100 km 80 kmP TQR1.120o10 GVA1.10o9 GVA0.910o9.5 GVA FIGURA 1 - Sistema eltrico analisado Paraaaplicaoemquesto,foramutilizadasamostras de tenso e corrente trifsicas de pr e ps-falta comrelaoaobarramentoPaumataxaamostralde1 kHz,sendoafreqnciadosistemade60Hz.Assim, foramrealizadassimulaesdassituaesqueorel experimenta na prtica, tais como faltas dentro e fora de sua zona de proteo. Esteartigomostraalgunsaspectosrelacionados proteodedistnciaemlinhasdetransmisso,e descreveassimulaesrealizadas,apresentando resultados bastante satisfatrios. 3Derivao da equao diferencial da linha Opropsitodoalgoritmoestudadodescrevera dinmicadeumalinhadetransmissosobfaltaatravs desuarepresentaoporumaequaodiferencial.Deve-se assumir que o comprimento da linha seja tal que acapacitnciashuntpossasernegligenciada,ficandoa linha composta apenas por resistncia e indutncia. Alinhadetransmissotrifsica,sobfalta,podeser modelada atravs da equao de 1a ordem:V=Ri+Ldtdi (1) onde L e R so a indutncia e a resistncia da linha, e V e isoatensoeacorrentemedidasnorel, respectivamente.Aequao(1)representaumalinhade transmissocurta,naqualesteestudofoibaseado.Para 3linhasmdiaselongascompensaesextrasso necessrias.Pararesolveraequao(1)foram introduzidososparmetrosquelimitaroasoluo.Assumindo uma falta na linha PT, ilustrada pela figura 1, aumadistnciakdorel,osvaloresinstantneosda tensoedacorrentepodemsercalculadospelaequao (2), parauma linha trifsica:

,_

+

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cbalcbarcbaiiidtdL kiiiR kvvv (2) ondeva,vbevc,ia,ibeicsoastensesecorrentes trifsicasnasrespectivasfasesa,becdalinha,eos parmetroskreklsoocomprimentorelativodalinha paraaresistnciaeaindutncia,respectivamente.Para umafaltanalinhaPT,estesparmetrosassumiroum valor entre 0 e 1, que representa a distncia entre a falta e alocalizaodorel,queemcondiesideaisseriam iguais. AsmatrizesReLsoasmatrizesresistnciae indutnciaparaalinhamodelada,respectivamente. Assumindo uma transposio perfeita, tem-se: 111]1

s m mm s mm m sR R RR R RR R RRe111]1

s m mm s mm m sL L LL L LL L LL (3) ondeosndicessemsignificamprpriaemtua, respectivamente.Osndices0e+soutilizadosna representaodosistemaatravsdascomponentesde seqncia zero e positiva, respectivamente. A relao entre os parmetros so: L+ = Ls - Lm (4) R+ = Rs - Rm L0 = Ls 2Lm R+ = Rs - 2Rm De (4) , segue que: 3Lm = L0 L+ (5) 3Rm = R0 R+ Foramusadasasequaes(4)pararescrevera equao (1) como: ( ) ( )111]1

+111]1

+111]1

+111]1

111]1

+ + + +00000000a iiidtdL L kiiiR R kiiidtdL kiiiR kvvvl rcbalcbarcb (6) Com a corrente de seqncia zero igual a: i0 = (ia + ib + ic)/3(7) Aseguirseroderivadasaequaesparaostiposde faltas estudados. 3.1Falta fase-terra. Assumindoumafaltafase-terra,ocorrendonafaseaea uma distncia k do rel, o valor instantneo da tenso va, queatensodafaseanopontodorel,podeser calculadausandoaequao(8).Osparmetroskrekl, quesoosfatoresmultiplicadoresdaresistnciae indutncia,respectivamenteparaumafaltanalinha, podem ser escritos na forma: ( ) [ ] ( )1]1

+ + + + + + +dtdiL LdtdiL k i R R i R k val a r a0 000(8) e a expresso pode ser escrita na forma geral como: dtdik i k vll r r+ (9) Onde: ( )( )0000i L L i L ii R R i R iv va la ra+ ++ + + + (10) 3.2Falta fase-fase-terra ou fase-fase Considerandoumafaltaentreasfasesaeb,auma distnciak,envolvendoounoaterra,asuaequao pode ser representada pela expresso: ( ) ( )

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+

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+

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+

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+ + + +00 000 0iidtdL L kiiR R kiidtdL kiiR kvvl rbarbarba (11) e na suaforma geral dtdik i k vll r r+ (12) Onde: ( )( )b a lb a rb ai i L ii i R iv v v ++ (13) 3.3Falta trifsica Paraumafaltatrifsicaaumadistnciakdorel,desde que a falta seja simtrica, a equao (6) pode ser rescrita da forma: 111]1

+111]1

111]1

+ +cbalcbarcbiiidtdL kiiiR kvvv a (14) Definimos os componentes por:

,_

,_

cbavvvMvv onde

,_

232321210132M (15) Astrsquantidadesa,b,csoconvertidasemduas novas quantidades ortogonais entre si, ficando a equao geral da forma: 4

,_

+

,_

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+ +iidtdL kiiR kvvr r (16) 3.4A soluo da equao diferencial Para as faltas do tipo fase-terra, fase-fase e fase-fase-terra,tem-seasoluodaequaogeral(9)pelaregra trapezoidal.Osdoisparmetrosdesconhecidosklekr soestimadosporestasequaes,utilizando-setrs amostras consecutivas, n-2, n-1 e n.As estimativas so: ( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )2 1 1 1 2 12 1 11 2 1^ + ++ + n n n n n n n nn n n nnl l r r l l r rn n l l n n l lri i i i i i i iv v i i v v i ik (14) ( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )2 1 1 1 2 12 1 11 2 1^2 + ++ + + + n n n n n n n nn n n nnl l r r l l r rn n r r n n r rli i i i i i i iv v i i v v i ihk (15) Asoluodaequaodiferencial,resultarna distnciaemqueafaltaocorreunalinhaemtermos percentuais. Os valores de kr e kl sero valores numricos entre 0 e 1, conforme citado anteriormente, e indicaro a existnciadacondioounodetripdodisjuntor.Asoluoparafaltatrifsicasimilararepresentada acima. Foidesenvolvidoumprogramacomputacionalem linguagemFortranparatestaroprincpiodescrito anteriormenteparaaproteodigitalbaseadana modelagem da linha de transmisso. 4Filtragem das estimativas Ousodiretodasequaesdescritasanteriormenteno produzumaestimativaaceitvelparaserusadaemrels digitaisporpossuremconvergnciaemtempos normalmentesuperioresadoisciclos.Assim,foifeita umafiltragemdasrespostasdoalgoritmo, proporcionandoumdiagnsticomaisrpidodas estimativas.Paraissofoiusadoumfiltrodemedianade 5 ordem na localizao da falta.O filtro de mediana uma tcnica de processamento digitaldesinaisquetilparasupressoderudosem imagens.Ofiltroconsisteemumajanelamvelde dadosenglobandoumnmerompardeamostras.A amostracentraldajanelasubstitudapelamedianado conjuntodentrodajanela,rejeitandototalmenteos valoresextremosdasamostrasesuavizandoogrfico. Umasoluoalternativaconsisteemcalcularafuno acumulativalocalsobreametadedovalornumrico amostrado.Estaavaliaodohistogramavantajosa apenasquandousadoumajanelade5x5amostrasou mais, Pratt, W.K. (1978). Melhoresresultadosforamobtidosusando-se estimativasrecursivasparavaloresmedianospara amostrasconsecutivas.Osfiltrosdigitaisrecursivosso assimdenominadosporquehumarealimentaoda entrada,portantoasadaserdependentetantoda seqnciadeentradaquantodassadasanteriores.Em algunscasos,filtrosrecursivossomaiseficientes computacionalmente.Umavantagemareduode armazenamentodedadosrequeridos(Chen,C.H. (1988)). 5Resultados obtidos Uma extensiva srie de testes realizados com o algoritmo apresentaramrespostasdeacordocomoesperado.A estimativadalocalizaodafalta,ouseja,oclculoda distnciaatravsdaresistnciaedaindutncia,mostrou serumcritriocoerentecomasexpectativasdo algoritmo.Pormotivodebrevidade,somentealguns resultadosseroapresentados.Asfigurasabaixo resumem os resultados obtidos.Algumasestimativasdelocalizaoparaumafalta fase-terrasoilustradasnasfiguras2,3,4e5,que ilustramumarespostatpicadoalgoritmo,comesem filtragem,parafaltasa30km(20%dalinha)e105km (70% da linha), onde se variou a resistncia de falta (1 e 80). observado umadiferena de estimativa entre os grficosdekrekl.Comoesperado,estadiferenase acentuaprofundamentenaexistnciadevaloresmais altosderesistnciadefalta(figura5).Assim,os resultadosquemelhorsatisfazemoproblemasoos valoresdokl,umavezquesoimunesasvariacesda resistncia de falta. 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,0450,1940,1960,1980,2000,2020,2040,206 KL FiltroKL - 20% da linhaTempo(s) FIGURA 2: Estimativa do kl a 20% da linha sem filtragem (slido) e com filtragem (tracejado) com resistncia de falta de 1 . 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500,2000,2020,2040,2060,2080,210 KR FiltrKR - 20% da linhaTempo(s) FIGURA 3: Estimativa do kra 20% da linha sem filtragem (slido) e com filtragem (tracejado) com resistncia de falta de 1 . 5 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,0450,760,780,800,820,840,860,880,900,920,94 KL FiltroKL - 70% da linhaTempo(s) FIGURA 4: Estimativa do kla 70% da linha sem filtragem (slido) e com filtragem (tracejado) com resistncia de falta de 80 . 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,0451,952,002,052,102,152,202,25 KR FiltroRKR - 70% da linhaX axis title FIGURA 5: Estimativa do kra 70% da linha sem filtragem (slido) e com filtragem (tracejado) com resistncia de falta de 80 . Asfiguras6,7e8apresentamogrficodoclculo doklemrelaoaotempocomresistnciadefaltade 10 paraumafaltadotipofase-terra,fase-faseefase-fase-terra, a 45 km (30% da linha), 75 km (50% da linha) e 135 km (90% da linha), respectivamente. 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,0450,250,260,270,280,290,300,310,32 kl FiltroKL - 30% da linhaTempo(s) FIGURA 6: Estimativa do kla 30% da linha sem filtragem (slido) e com filtragem (tracejado) para falta fase terra. 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,0450,400,420,440,460,480,500,520,540,560,58 KL FILTROKL - 50% da linhaTempo(s) FIGURA 7: Estimativa do kla 50% da linha sem filtragem (slido) e com filtragem (tracejado) para falta fase-fase. 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,0500,840,860,880,900,920,940,960,98 KL FILTROKL - 90% da linhaTempo(s) FIGURA8:Estimativadokla90%dalinhasemfiltragem(slido)e com filtragem (tracejado) para falta fase-fase-terra. Deveserressaltadoqueafiltragemdasestimativas resultam em uma rpida convergncia dos valores de kl e krcalculadospeloalgoritmo.Afiltragemmencionada possibilitaousodetalfilosofiaparaproteode distnciarpidadelinhasdetransmisso.Deveainda sermencionadoqueasestimativassomaisprecisas parafaltasat50%docomprimentodalinha,para valoresdekl.Noentanto,deumaformageralpara diferentes distncias, resistncias de falta e tipos de falta afilosofiadescritapodeserempregadaparaproteo rpida de linhas de transmisso. 6Concluses Atcnicaapresentadanestetrabalhomostraautilizao deumamodelagemdosparmetrosdalinhade transmisso,atravsdeumalgoritmodeequaes diferenciais,para o clculo da localizao da falta. Pelaapresentaodoalgoritmoestudado,os resultados no so afetados pela presena de harmnicos oucomponentesCCintroduzidosnosistemaquandoda ocorrnciadafalta.Estatcnicapodeseraplicadapara qualquertipodefaltacomousemapresenade resistncia de falta. Conformeesperado,apresenaderesistnciade faltamodificaapenasosvaloresdokr.Estefatono 6afetaadecisodoalgoritmonaaberturadosdisjuntores a ele associados, pois na tomada de decises s levado em considerao os valores de kl . Paraostiposdefaltatestados,aestimativada localizao da falta atravs dos parmetros kl, mostrou-se altamente satisfatria para a finalidade de proteo. Otrabalhomostrouquearespostadoalgoritmo convergeemmenosde2ciclosdeps-falta,apsa filtragemdasestimativas,imprimindomaiorvelocidade de resposta para os rels digitais. Agradecimentos OsautoresgostariamagradeceraoDepartamentode EngenhariaEltricadaEscoladeEngenhariadeSo Carlos/UniversidadedeSoPaulo(USP/EESC)pelas facilidadesproporcionadasquandododesenvolvimento destetrabalho,bemcomoaoapoiofinanceirorecebido por parte da CAPES Conselho de Aperfeioamentodo Pessoal de Ensino Superior. Referncias Bibliogrficas Phadke, A.G. e Thorp J.S. (1988).Computer relaying forpowersystems,ResearchStudiesPressLtd., Taunton, Somersct, England. 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Chen TCNICAS DIGITAIS APLICADAS AO PROBLEMA DE LOCALIZAO DE FALTAS EM LINHAS DE TRANSMISSO DENIS VINICIUS COURY LUIZ REINALDO GAUTIER Departamento de Engenharia Eltrica Universidade de So Paulo Escola da Engenharia de So Carlos 13.560-250 - So Carlos - SP-BRASIL Resumo-Localizadoresdefaltassodispositivos designadosparadeterminaralocalizaodopontode incidnciadefaltasemlinhasdetransmissodossistemas eltricosdepotncia.Estalocalizaopossibilitauma restaurao mais rpida da operao de um sistema eltrico, garantindomelhorqualidadenacontinuidadede fornecimento de energia. Este trabalho apresenta um estudo comparativoentreduasabordagensdistintaspara localizao digital de faltas. Um dos mtodos utiliza dados disponveisapenasemumnicoterminal,enquantoqueo outro, utiliza dados provenientes dos dois terminais da linha detransmisso.Asteoriasfundamentaisdeambasas tcnicas so estudadas e simulaes computacionais de uma linha de transmisso so utilizadas para seus testes. Abstract- Fault locators are devices designed to pinpoint the location of the fault on transmission lines of electric power systems. This location allows a fast restoration of the power systemoperation,contributingtoahighlevelofcontinuity onpowerdelivery.Thisworkshowsacomparativestudy betweentwodigitalfaultlocatorapproaches.Themethods differonthenatureofinputdata.Oneofthemethodsuses data available from only one end, while the other uses data fromthebothendsofthetransmissionline.The fundamental theories of the two techniques are studied, and computationalsimulationsofthetransmissionlineare utilized for the tests. 1 - INTRODUO Sistemaseltricosdepotnciadevemgarantirum fornecimento confivel deenergia com o mais alto grau de continuidadepossvel.Faltaspodemocorreremqualquer pontodeumsistemaeltricodepotncia;noentanto,os elementosmaisafetadospelasfaltassoaslinhasde transmissoareasdevidoasuaextensofsicaepor constituremaspartesmaisexpostasdosistema.Alm disso,devidosuadimensoeaoambienteemquese encontram,aslinhassoaspartesdosistemaeltricoque apresentammaiordificuldadeparamanutenoe monitoramento. Umlocalizadordigitaldefaltastemporfunoa determinao do ponto exato de ocorrncia de uma falta em umalinhadetransmisso.Estaprticapermiteuma diminuionosserviosdemanutenoeumarpida restauraodaoperaoapsaocorrnciadeumafalta permanente na linha, contribuindo assim para a melhoria da continuidadedefornecimentodeenergiaanteriormente referida.Poroutrolado,umlocalizadortambmmuito til para estimao de faltas transitrias, que podem causar pontosfracosnossistemasdedistribuioetransmisso,e queresultariamemfuturosproblemasoufaltas permanentes. Diversasabordagensutilizandoatecnologiadigital foramdesenvolvidasediferentesprincpiosjforam aplicados ao problema da localizao de faltas em linhas de transmisso.Estastcnicasgeralmenteusamastensese correntesdosbarramentoscomodadosdeentrada.Estas abordagens podem ento ser classificadas de acordo com o mododeobtenodosdadosemtcnicascomdados provenientesdeumnicoterminalecomdados provenientes de dois terminais da linha de transmisso.Algoritmosquefazemusodedadosdeapenasumdos terminaisdalinhadetransmissosogeralmentebaseados no clculo da impedncia com relao ao ponto de falta e a partirdesteclculoadistnciadafaltapodeserdeduzida. SaintePaithankar(1979)propuseramumatcnicade localizaodefaltasbaseadanoclculodarazoentrea reatncia de falta e a reatncia total da linha. No entanto, as estimativas de localizao da falta no so precisas se existe contribuio de corrente de falta pelas fontes conectadas em ambososterminaisdalinhaeseforlevadaemcontaa resistnciadefalta.Takagietal.(1982)apresentaramuma tcnicacompropostadereduodoserroscausadospelos fatorescitadosanteriormenteesuasequaesso apresentadasmaisadiante.Umlocalizadordefaltasfoi implementadocomercialmentepelaToshibaCorporation fazendousodestesprincpios.Wiszniewski(1983),Sahae Erikson(1985)eCook(1986)propuserammtodos baseadosnosclculosdeimpednciausandoumfator distribuiodacorrentedefaltaparacompensaodos erros descritos anteriormente. Se as impedncias das fontes so conhecidas, o processo delocalizaodafaltascominformaodeapenasumdos terminaisdalinhapodesersensivelmente melhorado(Erikson et al.,1985). Quando so utilizados dados dos dois terminais, torna-se possvelsuperaralgunsproblemascomunsassociadoscom alocalizaodefaltas.Apesardestastcnicasprecisarem deummeiodecomunicaoparatransmissodedados paraoterminalondeserrealizadooprocessamento,estas necessidadesdecomunicaosobasta