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CAPTULO 11

PROTEO DE TRANSFORMADORES

Prof. Jos Wilson Resende Ph.D em Sistemas de Energia Eltrica (University of Aberdeen-Esccia)

Professor titular da Faculdade de Engenharia Eltrica Universidade Federal de Uberlndia

11.1 Introduo Dentre os elementos das instalaes eltricas de um sistema, o

transformador o que apresenta maior segurana de servio. Em geral, os defeitos nos transformadores se resumem a:

curto-circuitos entre espiras ou entre enrolamentos de alta e baixa, sobreaquecimentos e circuito aberto.

a) Principais defeitos possveis de ocorrerem nos transformadores: circuitos abertos, sobreaquecimentos e curtos nos enrolamentos internos:

Proteo contra circuitos abertos: no h proteo especfica (so raros e no

so graves). Proteo contra sobreaquecimentos: feita atravs de dispositivos que

normalmente acionam alarmes, bombas de circulao de leo e ventiladores. Proteo contra curtos internos: so os defeitos mais graves. Resultam de

falhas no isolamento devido a: sobretenses atmosfricas ou de manobras e/ou sobreaquecimento dos enrolamentos e/ou, envelhecimento dos enrolamentos) e/ou, ao envelhecimento prematuro dos isolantes (devido a sobrecargas

repetitivas). b) Tipos de proteo usadas:

Grandes transformadores: rels diferenciais e rels Bucholz (gs). Pequenos e mdios trafos: rels de sobrecorrente temporizados e/ou

fusveis. Proteo de retaguarda: rels de sobrecorrente e/ou fusveis.

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11.2 Diagrama Unifilar da Proteo

Figura 11.1:

Legenda:

49 Rel de temperatura de enrolamento 51 rel de sobrecorrente de fase, temporizado 51N rel de sobrecorrente de neutro temporizado 63FP rel de fs BUCHOLZ 86 rel auxiliar, multiplicador de contatos 87 rel diferencial percentual BO: bobina de operao

BR: bobina de restrio 11.3 Proteo Contra Curto-Circuito Interno nos Enrolamentos

O rel diferencial recomendvel para todo banco trifsico acima de 1000 KVA e econmico acima de 5000 KVA.

Para transformadores abaixo de 1000 KVA, adota-se a proteo de sobrecorrente. No entanto, caso este tipo de proteo no d a necessria sensibilidade, rels diferenciais devem substitu-los.

11.3.1. Proteo Diferencial Percentual

A forma mais usada de rel diferencial a do tipo diferencial percentual. A proteo diferencial usada em transformadores para proteg-los contra curto-circuitos internos (inclusive entre espiras). Esse tipo de proteo compara as correntes nos dois lados do transformador, atravs de transformadores de corrente, cujas relaes e conexes tornam as correntes secundrias iguais ou prximas entre si. A figura 11.2 mostra a circulao das correntes, quando o transformador est em funcionamento normal ou mesmo para uma falta externa em F.

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Figura 11.2 Circulao de correntes para funcionamento normal e falta externa.

Para um curto-circuito fora do trecho protegido, as correntes sero elevadas, porm sero iguais nos secundrios dos TC e o rel no ir operar. Entretanto, se ocorrer um curto-circuito entre os dois TC, teremos a operao do rel diferencial, como mostra a figura 11.3.

Figura 11.3 Circulao de correntes para falta interna

A corrente diferencial requerida para operar este rel uma quantidade varivel, devido ao efeito da bobina de restrio. A corrente diferencial, na bobina de operao, proporcional a i1 i2 e a corrente equivalente, na bobina de restrio,

proporcional a .2

ii 21 + A caracterstica de operao do rel diferencial percentual eletromecnico mostrada na figura 11.5.

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Figura 11.5 Caracterstica de operao do rel diferencial percentual.

Podemos ver que, exceto para o pequeno efeito de mola de controle em

correntes baixas, a relao entre a corrente diferencial de operao e a corrente mdia de restrio representa uma percentagem fixa, o que explica o nome deste rel.

A vantagem do uso da proteo diferencial percentual que, no caso de transformadores, ela compensa diferenas de correntes diferenciais, devido principalmente a:

a) Caractersticas de TC a presena de componentes DC nas correntes de curto-circuito externos contribui bastante para a saturao dos TCs. Uma vez que o comportamento dessa corrente contnua difere de um lado e do outro do trafo, pode haver o desequilbrio e conseqente operao do rel. Da, a sensibilidade da proteo poder ser afetada pelos seguintes fatores oriundos dos TCs:

o fenmeno da saturao, Devido s diferentes tenses dos dois lados dos transformadores, em

geral, os TCs dos lados de AT e BT so diferentes entre s, As cargas ligadas aos TCs podem ser diferentes.

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b) Mudanas de derivao os transformadores equipados com o Load Tap Changer normalmente tm uma variao permissvel de + 10 % da tenso nominal, (ponto mdio de variao do comutador). Os ajustes dos rels diferenciais so feitos baseados no ponto mdio, de modo que o desequilbrio mximo possvel ser de 10%. c) Corrente de magnetizao (INRUSH) a corrente inicial de magnetizao atinge de 8 a 10 vezes a corrente nominal. Essa corrente, rica em harmnicos, vista pelo rel como uma falta interna ao trafo. A tabela a seguir mostra uma anlise de harmnicos de corrente transitria de magnetizao tpica.

Componentes harmnicas da corrente de magnetizao. Componente Harmnica

% da Fundamental

2o 63,0 3o 26,8 4o 5,2 5o 4,1 6o 3,7 7o 2,4

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11.3.1.1. Conexes do circuito do rel, para transformadores de dois enrolamentos Devido s defasagens normais de 30o, entre as correntes dos lados primrio e secundrio dos transformadores Y-, as diferenas entre as correspondentes correntes nos secundrios dos TCs, mesmo que os mdulos das mesmas sejam iguais, no sero nulas. Isso faria com que os rels diferenciais atuassem indevidamente mesmo em condies normais de operao. Para evitar isso, adota-se a seguinte tcnica:

Os TCs colocados no lado Y do transformador de potncia so conectados em e os TCs do lado so ligados em Y.

A figura abaixo ilustra isso:

IMPORTANTE:

a) Admitir arbitrariamente, o sentido do fluxo das correntes nos enrolamentos do TRAFO, em que direo se desejar, observando as marcas de polaridade (correntes fluem em direes opostas, nos enrolamentos de mesmo ncleo).

b) As correntes no lado Y, somadas, do zero (no fluem para terra pelo neutro).

c) Ligar os TCs conforme a regra emprica, tal que as correntes nas bobinas sejam NULAS.

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d) Para que o rel no opere indevidamente para pequenos desequilbrios, ele deve ser insensvel a uma certa percentagem de corrente diferencial. A este fato d-se o nome de sensibilidade ((%)) ou mismatch.

APLICAO: Seja o rel tipo HU da Westinghouse.

Admitamos que se tenha ajustado o rel com os seguintes TAPS de restrio: TH = 4,6A e TL = 8,7A (ajustados nas BR do rel diferencial), e que as correntes nos secundrios do rel sejam:

No lado de AT do transformador: IRH = 4,18A, No lado de BT: IRL = 8,05A

COMO SABER SE OS AJUSTES ACIMA SO ADEQUADOS? A diferena entre os valores dessas correntes, ser de:

Io = IRL IRM = 8,05 4,18 = 3,87A. Este valor no serve para nenhuma anlise, pois as correntes do primrio e

do secundrio, via de regra, no devero mesmo ser iguais em um transformador! Para contornar esse impasse, isso , para se verificar qual a verdadeira

diferena entres essas correntes (o que necessrio para se ajustar um rel diferencial, conforme j foi visto na proteo de geradores), elas devem estar referidas a uma mesma referncia.

HRH

L

RLL M91,06,4

18,4THI ;93,0

7,805,8

TIM ======

Agindo desta forma, a diferena entre essas correntes, em um mesmo referencial sero: ML MH = 0,02.

Por outro lado, este rel disponvel com sensibilidade de 0,30 e 0,35. Neste exemplo ser adotado o valor de 0,30.

Tomando na figura acima a abscissa relativa ao maior mltiplo do TAP de restrio com o valor de ML=0,93 e levando este valor at a curva de 0,30

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TAP, observa-se que, para esse rel operar, a corrente de operao dever ser de, no mnimo 0,33. Como a diferena existente de 0,02, o rel NO OPERAR para a condio estudada. IMPORTANTE:

Os rels ditos NUMRICOS, no necessitam ter seus TCs conectados da forma acima descrita. Isso porque seus softwares j fazem as compensaes devidas s defasagens das correntes dois lados. 11.3.1.2. Exemplo de Clculo de Ajustes do Rel Diferencial Percentual Sejam dados: Potncia: Sn; Tenses = alta (): VA; baixa (Y): VB Lado de BT (Y): com relaes: RTC1, RTC2, ... RTCx Lado de AT (), com relaes: RTC1, RTC2, ... , RTCx TAPS: TH = TL = 2,9; 3,5; 3,8; 4,2; 4,6; 5,0; 8,7. Mismatch permitido: %

1- Clculos para o lado de Baixa Tenso (Y)

B

B V.3SnI =

a) Escolha da RTC dos TCs em :

Deve ser escolhida como sendo a mais prxima SUPERIOR DE IB. Seja

IB=418A . Se tivermos RTCs : 5500e

5400 devemos escolher 500/5.

Genericamente, seja RTC2 a relao escolhida. A corrente no rel (cujos TCs esto conectados em ) IRL = 3 IBS

b) Escolha do TAPE do rel, para o lado dos TCs em :

De posse de IRL, devemos escolher o TAPE mais prximo, superior, do IRL. Seja TL este tap.

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2- Clculo para o lado de Alta Tenso ()

A

A V3SnI =

a) Escolha da RTC dos TCs em Y De posse de IA, escolhe-se a relao mais prxima, superior a esta corrente. No caso, seja RTC1 a escolhida.

A corrente no secundrio dos TCs em Y Ser: 1

AAS TC'R

II = Corrente no rel: IRH = IAS

b) Escolha do tap do rel, para o TC em Y (TH)

De posse de IRL, IRH e TL, o tap TH dever ser escolhido segundo a proporo : TL/TH = IRL/IRH

3. Clculo do mismatch

,S

TT

II

100% HL

RH

RL

= sendo S o menor dos dois termos do gerador. Uma faixa tpica para :[% < 15%]. Se o valor de for SUPERIOR ao valor mximo permitido (no exemplo, 15%), deve ser variado o conjunto de taps. (Por exemplo, para um valor imediatamente acima do valor obtido antes). _________________________________________________________________ Exemplo numrico:

dado um transformador de 20 MVA, DELTA (69 kV)/ESTRELA (12,4 kV) que deve ser protegido por um rel diferencial percentual tipo HU, da Westinghouse.

Dados do rel: Tapes: TH = TL= 2,9; 3,2; 3,5; 3,8; 4,2; 4,6; 5,0; 8,7A. Erro de ajuste (mismatch )=15%

Os TCs possuem RTCs at: 1200/5 (no lado Y (BT)) 600/5 (no lado DELTA (AT))

SOLUO: a) Correntes nominais do transformador: BT: InL = 20.000/(3.12,4)= 930 [A] AT: InH= 20.000/(3.69)= 167 [A] b) Escolha da RTC adequada:

BT: RTC= 1000/5 AT: RTC= 200/5

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c) Escolha dos TAPES dos rels: c1) Correntes nos secundrios dos TCs: IsL= 930/(1000/5) = 4,65 [A] IsH= 167/(200/5) = 4,18 [A] c.2) Correntes nos rels: Os TCs do lado Y do transformador esto conectados em DELTA. Logo, a corrente que vai para o rel, proveniente destes TCs, ser:

IrL = 3. IsL= 3.4,65 [A] = 8,05 [A]. Os TCs conectados do lado DELTA do transformador esto conectados em

Y. Logo, a corrente que vai para o rel, oriunda destes TCS ser: IrH = ISh = 4,18 [A]. A partir da corrente IrL = 8,05 [A], o TAPE TL, relativo ao lado de BT, poder ser 8,7 [A]. O TAPE TL relativo ao lado de AT, ser obtido de: TH = (IrL/IrH.).TL = (4,18/8,05).8,7 = 4,64 [A]. Ser adotado o valor de TAPE disponvel mais prximo, TH= 4,6 [A]. d) Clculo do erro de ajuste (mismatch) :

=

= [%]100.[%]S

TT

II

H

L

rH

rL

{(8,05/4,18) - (8,7/4,6) / S}.100[%] = (1,93 1,90)/1,90).100[%] = 1,6 [%] OBS: Nota-se que S o menor dos dois termos do numerador. Caso o mismatch obtido seja MAIOR QUE 15%, tentar-se-ia TH = 5,0 e se recalcularia o mesmo.

11.3.1.3. Transformador com trs Enrolamentos O princpio geral o mesmo: Combina-se um dos enrolamentos com cada um dos outros.

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11.3.1.4 Aberturas intempestivas a) No momento da energizao de um transformador, a corrente de magnetizao

poder atingir de 10 a 15 vezes o valor da corrente nominal. Um rel diferencial convencional ir operar indevidamente, neste caso. Alguns mtodos so usados para impedir isto:

Temporizao de rel (retardo de 0,1 a 0,2 seg.): no h vantagem nisto, pois o rel tambm estaria retardado por ocasio de faltas reais.

Dessensibilizao: quando surge a grande corrente de magnetizao, a tenso, em gera, cai. Um rel de subtenso, ao sentir isso, coloca um resistor em paralelo com a bobina de operao, curto-circuitando-a, impedindo o rel de atuar indevidamente.

Desvantagem: na remoo de uma falta, sub-tenses tambm podem surgir, e o rel poder no operar! Rel diferencial com restrio de harmnicos de corrente: permite alta

velocidade de operao. Conforme j mostrado antes, uma anlise harmnica de uma onda de corrente de magnetizao, evidencia que ela composta principalmente de harmnicos:

Uma corrente de falta ter, ao contrrio, a freqncia fundamental predominando.Esse mtodo o melhor e o mais utilizado. A bobina de operao somente recebe a corrente fundamental (essa vem de um filtro PASSA-BAIXA e retificada antes de chegar a BC). A bobina de restrio recebe as componentes fundamental e harmnicos, tambm retificados.No curto o rel opera (a BR no possui harmnicos). Na energizao: o rel bloqueado (os harmnicos reforam o conjugado, de restrio).

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Figura 11.10 Diagrama simplificado da proteo diferencial com restrio de harmnicos.

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11.4. Proteo contra sobrecorrentes: Apesar de todas as vantagens dos rels diferenciais, eles no protegemos transformadores contra sobrecargas, mas apenas contra curtos. A proteo de sobrecorrente tambm pose ser usada para proteo contra curtos, alm de sobrecargas. Neste sentido, ela muito usada em pequenos transformadores, onde no vivel economicamente, a utilizao de proteo diferencial.

A proteo de sobrecorrente pode ser feita da seguinte maneira: Proteo contra sobrecarga feita com rels de sobrecorrente:

de tempo inverso (51), ajustados para iniciarem a contagem de tempo a partir de uma certa sobrecarga (entre 130% e 150%).

de tempo definido (50) com ao retardada pr-fixada, por exemplo, de 20 segundos.

A importncia de se admitir sobrecarga de pequena durao em transformadores de fora evitar que estes sejam desligados durante perturbaes, restringindo-se a extenso destas.

Proteo conta curtos (curto-circuitos trifsicos, bifsicos e fase-terra) feita com rels de sobrecorrente de tempo inverso ajustados, por exemplo, entre 200% e 220% da corrente nominal, de tal forma que, para valores de corrente superiores a 300% e 330%, o rel opere num tempo igual ou inferior a 2 segundos.

A figura 11.11 mostra um diagrama esquemtico simplificado tpico dos esquemas de proteo contra sobrecarga elevada de pequena durao (20 segundos) e contra curto-circuitos trifsicos e bifsicos de correntes elevadas, com ao retardada, para tempo igual ou inferior a 2 segundos.

Figura 11.11 Proteo de sobrecorrente em transformadores.

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11.4.1) Critrios para sobrecargas adotados por FURNAS Centrais Eltricas:

Os critrios gerais adotados por FURNAS para sobrecargas em transformadores so os seguintes:

No admitir sobrecarga contnua nos transformadores durante os meses de setembro a abril (considerados meses de vero).

Admitir uma sobrecarga contnua de at 10% nos transformadores durante os meses de inverno na regio sudeste.

Sobrecargas programadas ou no:

So consideradas sobrecargas no programadas aquelas provenientes de situaes de emergncias, oriundas de anormalidades imprevistas no sistema. A distino entre sobrecargas programadas e no programadas que as primeiras permitem a utilizao dos valores reais de curva de carga, podendo-se determinar os valores mximos de sobrecarga e tempo em que so admissveis. Ento, caso seja necessrio programar-se, por algum tempo, uma sobrecarga de mais de 10% em algum transformador, dever ser feita uma coordenao com os rgos de estudos.

Os critrios adotados por FURNAS, na ocorrncia de uma sobrecarga no programada so os seguintes:

a) Para sobrecargas iguais ou superiores a 50%: desligamento automtico do transformador, em 20 segundos.

b) Para sobrecargas inferiores a 50%: devem ser utilizados todos os recursos operativos, visando trazer-se o transformador sua condio nominal ou a 110% do valor nominal, caso seja inverno e a temperatura ainda no tenha atingido nvel de alarme de advertncia. Caso no se elimine de todo a sobrecarga, esta pode ser tolerada at que opere o alarme de urgncia de temperatura do enrolamento ou do leo, quando ento, a carga dever ser reduzida, solicitando-se reduo de demanda.

c) A no reduo de carga (relativo ao item b) implicar no desligamento automtico do transformador em 20 minutos.

importante salientar que, se a carga do transformador no for reduzida imediatamente aps o alarme de urgncia de temperatura de leo ou enrolamento, dever ocorrer o desligamento do transformador. Isso porque a temperatura de enrolamento ou leo no deve ter decrescido a valores inferiores aos ajustes dos alarmes de urgncia, nos 20 minutos estipulados.

Na maioria dos transformadores do sistema FURNAS, a corrente de curto-

circuito trifsico para faltas em seus terminais ultrapassa a 300% da corrente nominal. Os rels de sobrecorrente so ajustados para que estas faltas sejam eliminadas, no mximo, em 2 segundos por esta proteo.

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No caso de sobrecargas ou curto-circuitos trifsicos compreendidas entre 150% a 330% da corrente nominal, os transformadores do Sistema FURNAS so capazes de suport-los por 20 segundos, estando, cobertos pelas protees citadas. 11.4.2 Proteo de sobrecorrente de Fase temporizada (no ASA 51) e instantnea (ASA 50). a) Transformadores em operao radial

A figura abaixo ilustra um caso tpico de transformador com fonte de um nico lado: o lado da fonte (primrio) em delta e o lado do secundrio em Y. Nestes casos, o rel 51 deve ficar entre a fonte e o transformador. Desta forma, o rel protege o transformador e prov retaguarda remota para as linhas LF e LG.

a1) Ajustes da unidade instantnea (50):

Estas unidades: No devem enxergar faltas nos trechos iniciais das linhas LF e LG (se isso

ocorresse, as protees das linhas, por serem temporizadas, jamais atuariam!).

Devem ser ajustadas com pick-up superior maior corrente de curto-circuito trifsica na barra L:

RTCII ptoLMxccTRFIUPPICK /.25,1 )]([>

No devem enxergar as correntes de inrush dos transformadores. Logo, devem tambm obedecer condio:

RTCII ladoHNOMUPPICK /.8 )(>

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IMPORTANTE: 1) Considerando-se que a conexo do transformador tringulo (primrio)-estrela (secundrio); tem-se que uma falta fase-terra no lado estrela, vista no lado primrio, em pu, como uma falta fase-fase, de valor de apenas 58% daquela, conforme ilustrado na prxima figura:

2) Em geral, as faltas no secundrio do transformador so assumidas como ocorrendo imediatamente alm da reatncia, ou seja, aps as buchas. Para faltas fase-terra, esta hiptese pode ser muito irreal, conforme ser a seguir mostrado. Vejamos o que acontecer, quando a falta ocorrer dentro do transformador, conforme ilustrado nas figuras a seguir. Inicialmente, nota-se que, uma falta fase-terra no secundrio, causar correntes em duas fases, no primrio.

Em seguida, pela figura abaixo, nota-se que, a corrente vista no primrio,

varia com o ponto (lembrando que a regio da falta o interior do transformador) da falta fase-terra. Curtos que ocorrem muito prximo do neutro,sero de alto valor no secundrio (por volta de 14 pu) e causaro pequenas correntes no primrio. Por outro lado, curtos ao longo do interior do transformador, faro com que a corrente de curto fase-terra decresa, passando at por um ponto de mnimo (em torno de 7,8 pu), da voltando a crescer, at atingir aproximadamente 11 pu nos terminais do transformador. Neste local, a corrente de curto no primrio ser mxima.

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A figura abaixo ilustra anlise semelhante, porm agora para um transformador com estrela aterrado.

CONCLUSO: as unidades instantneas no enxergam todas as situaes acima descritas, pois elas foram ajustadas para curtos externos aos transformadores. A soluo est no uso dos rels 51 que, conforme ser mostrado a seguir, so ajustados para correntes de sobrecarga (e no para curtos, como o rel 50).

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a2) Ajustes da unidade temporizada (51): Este rel destinado a proteo contra faltas internas e externas ao transformador, bem como a sobrecargas.

AJUSTE DO TAPE:

RTCI

TAPERTC

I ouGptoFMinimoccTRIFladoHNOM ))](([)(.5,1

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Agindo assim, no haver riscos das curvas dos rels 51 que protegem o transformador e alguma linha a jusante se cruzarem, conforme ilustrado na prxima figura: MANEIRA ERRADA:

Visando tornar o rel 51 do primrio (lado H) uma proteo de retaguarda

para linhas (por exemplo, cobrindo faltas at F ou G), o seu tempo de operao poder ser muito longo e inadequado para proteger o transformador. Nestas condies, aconselha-se instalar um outro rel 51, agora no secundrio (veja figura a seguir), para que este ltimo seja, de fato, a retaguarda das linhas. Assim, o rel 51 do primrio poder ser ajustado com tempos mais curtos, porm mais adequados proteo do transformador.

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Para que no haja riscos das curvas dos rels se cruzarem, as curvas destes dois rels 51, bem como daquele rel 51 que protege a linha, devem ser de mesma caracterstica. b) Transformadores com 3 enrolamentos ou autransformadores com tercirio em delta b1) Ajustes da unidade temporizada (51): Considere o sistema abaixo ilustrado, onde um autotransformador interliga dois sistemas (H e M) e seu tercirio (em delta) alimenta os servios auxiliares de uma subestao. Nos casos em que faltas no lado B refletirem baixas correntes no lado H, o rel 51 instalado neste lado H poder no ver estas faltas.

SOLUO: Instalar rel 51 no lado B. Este rel deve ser coordenado com outros rels 51 eventualmente instalados jusante, neste lado.

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Em geral, no ser necessrio instalar outro rel 51 no lado M, pois este lado, por ser o condutor da maior parte da potncia oriunda do primrio (H), dever ter correntes de curto suficientes para sensibilizar o rel 51 de H. Caso haja linhas de transmisso no lado H, este rel 51 (de H) dever ser coordenado com a proteo dessas linhas (sejam essas constitudas de rels de sobrecorrente ou de distncia, temporizados), visando proteo de retaguarda. b2) Ajustes da unidade Instantnea (50) Nestes casos no so empregadas unidades instantneas porque no ser possvel ajust-las seletivamente. 11.4.4 Proteo de sobrecorrente de Terra (no ASA 51N e 50N)

a) Transformadores em operao radial

a1) Ajustes da unidade temporizada (51N): A proteo contra curtos fase terra em transformadores somente ser necessria caso o transformador no possua proteo diferencial. Nestas condies, o rel 51N ser necessrio para detectar faltas FT entre H e at dentro do enrolamento delta do transformador. Ele deve ser instalado no lado H, conforme ilustrado abaixo.

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Este rel 51N no necessita ser coordenado com a proteo fase-terra das

linhas, pois, devido conexo delta, ele no v faltas no lado L.

a2) Ajustes da unidade instantnea (50N): Junto do rel 51N poder ser instalada uma unidade instantnea (50N). Tal

como para a unidade 51N, esta unidade no precisa ser coordenada com o lado L. Esta unidade 50N tambm no v a corrente de inrush do transformador, pois est instalada no neutro.

Para se detectar faltas no lado Y do transformador, ser necessrio usar outro rel 51N, no neutro do transformador:

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b) Transformadores com 3 enrolamentos ou autotransformadores com tercirio em delta: b1) Ajustes da unidade temporizada (51N): I)Faltas FT no tercirio (lado B): Pela figura abaixo nota-se que, devido conexo delta do tercirio, uma falta FT no tercirio no seria vista para um rel 51N instalado no lado H.

SOLUO: Instalar um rel de sobretenso de grande sensibilidade, ligados em delta aberto:

Ocorrendo um curto FT, a tenso Vr , no diagrama trifilar abaixo, ser diferente de zero. Normalmente este rele 59 usado apenas para dar alarme.

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II) Faltas FT no secundrio (lado M) ou primrio (lado H): instalar um rel 51N de caracterstica extremamente inversa no neutro do autrotransformador. Seus ajustes dever assegurar coordenao com as protees de terra das linhas porventura existentes a partir das barras M e H. Caso a corrente de neutro seja pequena para curtos no lado de alta tenso (H), poder ser necessrio instalar um rel 51N junto com o 51 j instalado:

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b2 )Ajustes da unidade instantnea (50N): Nestes arranjos no aconselhvel instalar unidades instantneas, devido s provveis altas correntes de inrush.

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11.5 Exemplo de Clculo de Ajuste do Rel 51, em um Auto-Transformador Dados: Potncia: 150 MVA; Tenso nominal: 330/138 KV; TCs de bucha no lado de ALTA, com as seguintes relaes: 50/5-100/5-200/5-250/5-300/5 400/5-500/5-600/5 local: Poos de Caldas MG Rel usado: CO-8 (tempo inverso), conforme a tabela.

TAP CAPACIDADE CONTNUA (A)

CAPACIDADE EM 1 SEG. (A)

2,0 8 230 2,5 8,8 230 3,0 9,7 230 3,5 10,4 230 4,0 11,2 230 5,0 12,5 230 6,0 13,7 230

Figura 11.12 Curvas tpicas de tempo x corrente para o rel C)-8

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Diagrama unifilar e fluxo de correntes de sobrecarga e de curto:

Figura 11.13

Descrio da proteo de sobrecorrente de fases:

constituda por dois rels de sobrecorrente, com caractersticas de tempo inverso, colocados nas fases A e C dos TCs de buchas, do lado AT.

O rel 51 atua no rel auxiliar 86, que abrir os disjuntores A e B dos lados AT e BT.

Dados dos sistema que interessam para a seletividade: Na barra de BT (138 KV) h 3 linhas com proteo Falhas fase-distncia

cujos tempos de operao dos rels temporizados, de tempo definido so: Linha L1: s possue zona 2 tempo Tz2 = 0,4 seg. Linha L2: zona 2 tempo Tz2 = 0,4 seg. zona 3 tempo Tz3 = 1,5 seg. Linha L3: linha 2

Na barra de AT (345 KV) tambm existem linhas com proteo falhas

fase-distncia, com temporizao do tempo definido, para as zonas 2 e 3, mas cujos tempos no interessam determinao da seletividade.

Clculo do ajuste: Devemos ajustar o rel para operar e retirar o autotrafo, com 130 a 150% de

sobrecarga.

A342I 3,1I ;A26310.330.3

10.150I nomsobrecarga36

nom ====

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Adotando RTC = 600/5 = 120/1, a corrente a plena carga, no rel ser: 263/120 = 2,19A.

A correspondente corrente de sobrecarga ser: 342A/120 = 2,85A. Adota-se o TAPE mais prximo 3,0 A. Com este TAPE, o autotrafo ser retirado do sistema com a sobrecarga de

3,0A x A3601

120 = . OBS: Em seguida deve ser verificado se o TAPE escolhido compatvel com a sobrecarga permitida ao trafo:

263A 100% 360A x x = 137%

segundo o fabricante, admissvel. Seletividade:

Curtos trifsicos nas barras onde o AUTO-TRAFO encontra-se ligado, podero sensibilizar o rel CO-8 (51) e faz-lo operar indevidamente, retirando-o.

Se isto ocorrer, deixar de existir seletividade em relao barra, pois a sua proteo diferencial dever operar antes do CO-8.

Curtos trifsicos nas linhas tambm sensibilizaro o CO-8. Entretanto, os rels de distncia das linhas devem operar e retir-las antes de CO-8. Deve ser feita uma seletividade, para se evitar casos inconvenientes.

Para um curto trifsico na barra de alta, pelo rel CO-8 passar: A17,1

120A140I ==

Como o rel est no tape de 3 A, a corrente de curto no o sensibiliza. Logo, no haver necessidade de se fazer seletividade com esta barra (a qual ser protegida pelos seus rels diferenciais instantneos) nem com as linhas ligadas a esta barra.

Para um curto trifsico na barra da BAIXA TENSO, no rel tem-se: A6,14

1201753I ==

Sendo 14,6 A maior que 3,0A, haver sensibilizao indevida do rel CO-8 que protegem as linhas L1,L2 e L3. Por outro lado, sendo os rels da barra de 138 kV, diferenciais instantneos, no ser necessrio a coordenao de seletividade com eles. Supondo um curto trifsico em F1 (na sada da linha):

Devemos coordenar o tempo de operao (TO) do CO-8 com os tempos das zonas 2 e 3 das linhas de tal forma que:

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1o) TO = Tz2 + 0,4 seg. intervalo de tempo de coordenao. Motivos deste intervalo de 0,4 segundos existir.

Erros devido aos clculos das correntes de curto. Erros de TCs. Tempo de operao dos disjuntores das linhas. Andamento do disco do rel CO-8 no intuito de fechar seus contatos para

atuar.

Este intervalo de tempo tem sido considerado muito longo e, nos ltimos anos, vem sendo muito questionado pelos engenheiros eletricistas que operam com equipamentos sensveis a afundamentos temporrios de tenso. Certos equipamentos, por exemplo, os inversores, no conseguem alimentar suas cargas durante certos afundamentos de tenso. Para contornar este tipo de problema, as faltas devem ser retiradas o mais breve possvel (no devendo, no entanto, a proteo atuar para transitrios que no caracterizam a presena de um curto verdadeiro).

2o) Tz3 > TO > Tz2 No caso analisado:

Para Tz2=0,4 s e Tz3= 1,5 s: 1,5s > TO > 0,4s O mltiplo M da corrente de tape ser:

87,43

6,14TAP

rel no C circuito === correnteM Nas curvas tpicas do rel, com este valor de M devemos escolher um tempo TO adequado. No caso, para M =4,87 e DT = 3,0 a curva do rel fornecida mostra que TO ser 1,2 seg., valor este satisfatrio (pois est entre 1,5 s e 0,4s) Resumo do ajuste: TAPE: 3,0A DT : 3,0A Com estes valores devemos verificar a capacidade trmica do rel e de curto circuito dos enrolamentos do autotrafo.

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Verificao da capacidade trmica do rel: CAPACIDADE TRMICA: corrente que a bobina do rel suporta pelo

tempo de 1 seg. sem se danificar.

Para tempos diferentes de 1 seg. (1,2 seg. no caso): 2

112 t

tII = Da tabela dada:

TAP CAPACIDADE CONTNUA (A)

CAPACIDADE EM 1 SEG. (A)

2,0 8 230 2,5 8,8 230 3,0 9,7 230 3,5 10,4 230 4,0 11,2 230 5,0 12,5 230 6,0 13,7 230

I1 = 230 A e t1 = 1,0 seg. Dos ajustes: t2 = TO = 1,2 seg. e I2 = ?

A2102,1

0,1.230I2

2 ==

Ou seja, no tempo de 1,2 seg., o rel suporta 210 A sem danificar. Como neste tempo a corrente que nele circular ser de 14,6 A, o rel suportar bem. Verificao da capacidade do curto dos enrolamentos do autotrafo.

Norma Americana (ASA) Corrente Simtrica em Qualquer Enrolamento

Tempo em Segundos

25 IB 2 20 IB 3

16,6 IB 4 14,3 IB ou menos 5

No caso, IB = 263 A e Ifalta = 1753 A

Icorrente simtrica = = BI 67,62631753 . Pela tabela acima, essa corrente pode

circular nos enrolamentos, sem danific-los, por mais de 5 segundos. Pelos clculos: a corrente ter a durao de apenas 1,2 seg. Logo, o ajuste est correto tambm quanto a este aspecto.

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NOTAS: Caso no tivssemos conseguido coordenar todas essas variveis, novas

tentativas deveriam ser feitas atravs de outras escolhas de RTCs, taps e alavancas.

Essa proteo funciona como retaguarda para a barra e as LT de 138 KV. 11.5.3. Proteo de Sobre Corrente de Neutro no 51N

O rel 51N protege os transformadores para falhas externas fase-terra. ligado ao TC do neutro. Este rel (51N) atua no rel auxiliar HEA (T86) o qual abre os disjuntores A e B conforme a figura:

Figura 11.14

1. Dados do autotrafo: so os mesmos anteriores. RTC do TC do neutro= 800/5. 2. Correntes de curto: fornecidas na figura acima. 3. Dados do sistema que interessam seletividade:

Linhas de 138 KV

Linha L1: protegida contra falhas terra com um rel do tipo IRD-9 (67G), direcional de sobrecorrente, que possui as seguintes unidades:

Unidade D: fornece a caracterstica direcional do rel, permitindo aberturas dos disjuntores para correntes de curto no sentido de (2) para (4). No possui ajustes para a seletividade.

Unidade I: Instantnea, no direcional.

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Unidade CO-9: de sobrecorrente, de tempo muito inverso, com as curvas em cpias anexas. Ajustada em tap: 0,5 A; alavanca: 6,0; RTC: 500/5 A.

Linha L2 = Linha L3: Possuem proteo primria (Carrier) a secundria. A primria constituda por um rel tipo KRD-4 (67G1). No necessrio conhecer seu ajuste pois a seletividade feita em funo dos rels temporizados e este instantneo.

A proteo secundria constituda por rels IRD-9 (67-G2) iguais ao da linha L1, com os seguintes ajustes da unidade CO-9: Tap = 0,6A; alavanca: 4,0; RTC: 500/5A. Seu ajuste importante na seletividade. Barras de 138 e 345 KV:

So protegidas por rels diferenciais instantneos. Logo, no ser necessrio fazer a seletividade com estas barras. Barra chave:

a barra que, devido sua importncia, tomada como referncia. No caso, a (3).

O rel 51N dever retir-la do sistema somente aps 3,2 seg. (tempo suficiente para fazer com que os rels primrios eliminem a falha). Linhas de 345 KV:

Suas protees so mais so mais seguras, eficientes e confiveis que as das LT de 138 KV. Por isso, vamos coordenar a seletividade com o lado de 138 KV. Caractersticas do rel CO-8 (51-N)

Tapes Capacidade contnua (A)

Capacidade em 1 segundo (A)

0,5 2 88 0,6 2,2 88 0,8 2,5 88 1,0 2,8 88 1,5 3,4 88 2,0 4,0 88 2,5 4,4 88

Clculo do ajuste:

O rel CO-8 (51-N) ser ajustado para que sirva de retaguarda para curtos na barra 3.

Considerando que a RTC do TC de neutro 800/5, ento, para um curto fase-terra na barra (3), teremos no rel:

I = 361/160 = 2,26 A

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Devemos escolher um tape inferior a este valor, pois as correntes de curto so fornecidas, pelos computadores, com o sistema na sua carga mxima e todo interligado. Entretanto, podem ocorrer curtos em que essas situaes no estejam vigorando. Isto , as correntes de curto sero menores e o rel poder no operar.

Assim, vamos escolher o TAPE de 1,0 A. Logo, 26,2126,2M ==

Seletividade:

Obtido M, escolhe-se uma alavanca que fornea um tempo de operao, TO, para curtos em (3), que seja:

Superior em pelo menos 0,4 seg. ao tempo de operao das unidades CO-9 dos rels IRD-9 (67-G) das linhas L2 e L3: TO > 0,4 + TO(CO-9). Este ajuste necessrio para que os rels das linhas possam operar antes de CO-8 (51-N).

Superior a 3.2 seg. (tempo de proteo de retaguarda): TO > 3,2 seg.

Assim, o prximo passo o clculo do tempo de operao dessas unidades CO-9, para curtos na barra 3:

A corrente de curto nos rels ser: A09,4100409 = .

Isso fornecer o mltiplo de TAPE: 82,66,009,4M == (OBS.: 0,6 o tape

fornecido para a unidade CO-9) Tendo sido dado tambm que a alavanca de 4,0, da figura abaixo tira-se

que, para M=6,82, o tempo de operao das unidades CO-9 ser TO=0,7seg.

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Figura 11.15: Curvas tpicas rel CO-9

Com este tempo obtido, podemos agora determinar o tempo de operao do CO-8 do rel 51N. Conforme as condies estipuladas na seletividade, devemos ter: TO > 0,4seg + TO(CO-9) TO > 0,4seg + 0,7seg TO > 1,1 seg. TO > 3,2 seg.

Levando o valor de M j calculado (igual a 2,26) nas curva do rel CO-8, observar-se- que, com a ALAVANCA = 3, teremos TO = 4,45 seg., o qual satisfaz s nossas condies acima (> 3, 2 seg. e > 1,1 seg.).

Assim, o ajuste para o rel 51N ser TAPE=1, ALAVANCA= 3.

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11.6) Proteo com rels de presso e/ou gs

As principais causas das falhas nos transformadores com enrolamentos imersos em leo so:

M conexo entre condutores Curto entre espiras (de mesma ou entre ) Falha no isolamento para terra.

Estas falhas do origem formao de arcos voltaicos, com elevaes de

temperatura acima do permissvel pelas normas. Por exemplo, temperatura de 350oC, h decomposio do leo isolante e conseqente produo de gases (hidrognio, hidrocarbonetos e monxidos de carbono).

O rel de presso opera quando da existncia de aumento anormal na presso do leo do transformador, devido a arcos ocasionados por falha interna. Esse rel no percebe lentas variaes ocasionadas, por exemplo, por sobrecargas.

Quando da existncia de faltas incipientes, h a formao de gases que atravs de um tubo, sobem at o rel. O gs acumulado fora o leo para baixo, havendo, com isto, o deslocamento de uma bia, deslocamento esse que o ponteiro do mostrador acompanha. Para um determinado valor de presso, acionado um alarme, antes que a deteriorao do isolamento provoque danos maiores.

Rel BUCHOLZ (no ASA: 63) O rel Buchholz uma combinao do rel de presso com o rel detetor de

gs. empregado em transformadores que possuem tanque de expanso de leo e tem a finalidade de proteger o transformador contra defeitos internos, tais como avarias no isolamento com formao de arco, perdas de isolamento entre as chapas do ncleo e alta resistncia nas ligaes, isto , todos os defeitos que produzam gases ou movimento violento do leo. Dependendo do tipo de defeito, a produo de gases pode ser lenta ou brusca. O rel ainda atua quando o nvel do leo baixa alm do ponto em que est situado. O rel Buchholz colocado entre o tanque do transformador e o tanque de expanso, como mostra a figura 11.16.

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Figura 11.16: Rel Bucholz

A figura abaixo mostra o princpio bsico de operao deste rel.

Figura 11.17: esquema bsico do rel Bucholz

Nesta figura, ocorrendo, por exemplo, um curto entre espiras, haver o surgimento de gs nas proximidades do local do curto. Este gs, uma vez formado, procurar se deslocar para a parte superior do transformador, que o conservador. Neste caminho, ele deslocar um ou dois dos contatos mostrados na figura, conforme a seguir descrito:

Contato F: atuado quando apenas um pequeno volume de gs deslocado, o que tpico de pequenas faltas. Atuando esse contato, um alarme soado (ver tambm figura 11.18b). Contato V: No caso da ocorrncia de faltas maiores, que provocam expanso do leo entre o torque e o conservador, este contato acionado. Ele atuar no rel 86, que retirar o transformador do circuito (ver tambm figura 11.18c).

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(a): situao normal; (b): pequeno volume de gs faz soar alarme, (c): falta maior causa abertura de

disjuntor Figura 11.18: Os trs estgios da operao do rel Bucholz:

11.7. Proteo contra falta de leo

Como se sabe, o leo existente em um transformador tem, como funo principal, ser isolante. Desta forma, pode-se diminuir as distncias entre a carcaa e as partes energizadas. Uma outra funo do leo em transformadores, a de refrigerao, pois ele facilitar o transporte do calor desenvolvido no interior do transformador, para as paredes do tanque e radiadores.

Transformadores pequenos possuem apenas indicao visual do nvel do leo atravs de vasos comunicantes. J os transformadores de maior porte utilizam indicadores que, alm de permitirem a fiscalizao visual, acionam um alarme.

Em geral, o nvel de leo baixa por causa de vazamento nas juntas ou em vlvulas. Esses vazamentos acarretam um abaixamento lento do nvel e, antes de soar o alarme, o pessoal de manuteno j tomou providncias. No caso de um vazamento srie (umas das torneirinhas do rel de gs que se abre, por exemplo) dever ento soar o alarme. 11.8) Dispositivo de Alvio de Presso

Na ocorrncia de um curto-circuito, o arco instantaneamente vaporiza o lquido, causando uma formao muito rpida de presso gasosa. Se essa presso no aliviada adequadamente, em alguns milsimos de segundo o tanque do transformador se romper, espalhando leo chamejante sobre uma rea ampla. As possibilidades de danos e fogo, em conseqncia, so bvias e imperativo que se tome medidas para evit-las. Da, a necessidade do uso de uma vlvula de alvio de presso,conforme ilustrado na figura a seguir.

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Figura 11.19 Vlvula de alvio de presso.

11.9. Proteo de sobretemperatura 11.9.1. Proteo contra sobretemperatura do leo No ASA 26

O indicador da evidncia da sobretemperatura o termmetro de leo, geralmente composto de:

Elemento termomtrico (lato de fina espessura). Tubo de proteo (bulbo cilndrico). leo (cuja temperatura sofrer variao). Tubo capilar (transmissor de presses). Compartimento com ponteiros, escalas e contatos de sinalizao.

Figura 11.20

O termmetro possui vrios pares de contatos:

Por exemplo: Seja um trafo que suporte elevao de temperatura do enrolamento, at 55oC:

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A 60oC um contato liga os ventiladores. A 65oC um contato liga as bombas de circulao de leo. A 80oC dem, aciona o alarme. A 85oC o trafo sai fora de servio.

Geralmente, os transformadores possuem rels trmicos ou indicadores de

temperatura que, ao operarem, indicam que foram atingidos os limites de temperatura pr-determinados para o leo ou para os enrolamentos.

Esses sensores de sobretemperatura so ajustados em funo das condies anteriores de carga, do ciclo de carga submetido e das condies de temperatura ambiente.

Esses fatores, convenientemente relacionados com a classe de elevao de temperatura dos transformadores, permitem avaliar os nvel de temperatura a serem alcanados e os ndices de perda de vida para estas condies, bem como ajustar os sensores de temperatura.

11.9.2. Sensores de Sobretemperatura do leo -No ASA 26 Os tipos de indicadores de temperatura variam com o fabricante. Os modelos mais usados utilizam o princpio da presso hidrosttica de um lquido num recipiente fechado. A figura 11.20 mostra um indicador de temperatura do leo para transformadores GE.

Figura 11.20 Indicador de temperatura de leo (GE).

Quando a temperatura do leo aumenta, o mercrio se expande no interior

do bulbo e empurra o mercrio existente no tubo capilar. O mercrio termina por distender uma mola, que move um ponteiro no

mostrador, indicando a temperatura. Se a temperatura continua a subir, o ponteiro ocasiona o fechamento de contatos que, em geral, faz soar um alarme.

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Devido diversificao da quantidade de nveis de temperatura disponvel nos sensores, apontaremos na tabela a seguir, um exemplo de ajuste para transformadores de FURNAS, com o termmetro do leo tendo dois nveis de temperatura:

Dispositivo de Sobretemperatura Classe de Elevao de

Temperatura Termmetro do leo 55oC 65oC

1o Nvel

Alarme de advertncia 85oC 85oC

2o Nvel

Alarme de urgncia e desligamento aps 20 minutos (se for o caso)

95oC 95oC

11.9.3. Sensores de Sobretemperatura de Enrolamento

No ASA 49 O indicador de temperatura do enrolamento deve medir a temperatura do

ponto mais quente do enrolamento. Com as variaes de carga, a temperatura do leo modifica-se bem mais

lentamente do que a temperatura do enrolamento: A constante trmica de tempo para os enrolamentos pode ser expressa em

segundos, ao passo que, para o leo, expressa at em horas. O mtodo usual para se conhecer a temperatura dos enrolamentos de um

transformador usar uma resistncia (o resistor uma bobina no indutiva de cobre) alimentada por um TC, a fim de reproduzir a imagem trmica do enrolamento cuja temperatura se quer medir.

Neste tipo de proteo, o conhecimento da temperatura pode ser obtido, por exemplo, conforme ilustrado na figura abaixo:

Figura 11.21

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O elemento aquecedor um resistor de cobre, cuja constante trmica prxima daquela do enrolamento do transformador. O resistor alimentado por um TC. Um outra forma de proteo de sobre temperatura atravs do Rel de Imagem Trmica, cujo esquema bsico est abaixo ilustrado:

Figura 11.22

As resistncias detectoras da elevao de temperatura (RTD) so partes constituntes de uma Ponte de Wheatstone, a qual alimenta o rel 49 e calibrada para a temperatura normal. Acontecendo uma sobretemperatura no interior do transformador, as RTDs se sobreaquecem, desequilibrando a ponte, alimentando, assim, o rel 49, que atuar a proteo.

A figura 11.23 mostra um medidor de temperatura de enrolamento para transformadores ACEC.

Figura 11.23 Medidor de temperatura do enrolamento.

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Este equipamento semelhante ao de temperatura do leo. Porm, ele no est colocado entre os enrolamentos do transformador, uma vez que haver grande dificuldade de isolamento entre o bulbo e a alta tenso dos enrolamentos. A figura 11.24 mostra o diagrama operativo e detalhes de instalao do medidor de temperatura de enrolamento para trafos ACEC.

Figura 11.24 Instalao do medidor de temperatura.

Para transformadores de FURNAS, por exemplo, com termmetro de

enrolamento tendo 4 nveis de temperatura e sem rel externo, os ajustes seriam os seguintes:

Dispositivo de Sobretemperatura Classe de Elevao de Temperatura

Termmetro do Enrolamento 55oC 65oC 1o

Nvel Partida dos ventiladores 80oC 80oC

2o Nvel

Partida das bombas de leo

85oC 85oC

3o Nvel

Alarme de advertncia 95oC 105oC

4o Nvel

Alarme de urgncia e desligamento em 30 minutos (se for o caso)

110oC 120oC

Para os transformadores das unidades geradoras, os sensores de

sobretemperatura de leo e de enrolamento, em geral, no devero deslig-los

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automaticamente. Isso porque esses transformadores normalmente no esto sujeitos a sobrecarga.

A figura 11.25 mostra o esquema de alarme e disparo por sobretemperatura dos transformadores, no momento em que so atingidos os nveis de alarme de urgncia.

Figura 11.25 Esquema para alarme e disparo por sobretemperatura.

11.10. Proteo do tanque de um transformador No ASA 64

Esta proteo usualmente denominada de Howard, em homenagem ao pesquisador que a instituiu. O arranjo ilustrado na figura abaixo. Uma conexo do tanque malha de terra permitir que uma eventual corrente de falta Fase-Terra circule a e possa sensibilizar o rel de sobrecorrente instantneo (este rel est associado ao No. ASA 64, para caracterizar a proteo Howard).

Para maior eficincia deste arranjo, necessrio que o tanque do transformador seja bem isolado da terra (usualmente Rterra>10 OHMS). Sugere-se que a relao mnima entre a corrente de curto (Icc) e a corrente de fuga (via isolamento) seja de 10.