1CAPTULO 4

RELS DIFERENCIAIS

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

4.1. Introduo:

O rel diferencial caracteriza-se pela operao por diferena de

correntes. A sua atuao restrita a defeitos compreendidos na regio entre os TCs que envolvem o equipamento protegido. 4.1.1. Rel Diferencial Amperimtrico: um rel de sobre-corrente

instantneo, cuja zona de proteo limitada pelos TCs:

Na figura 4.1, quando no h anormalidade com o equipamento (e mesmo na condio de falta externa), a corrente I1 ser igual a I2, pois assim o fazem os transformadores de corrente. Nesse caso a corrente que circula pela bobina de operao :

Iop = I1 I2, como I1 = I2 ento Iop = 0.

Quando h um defeito no equipamento, a corrente de entrada deixa de ser igual de sada e, conseqentemente a corrente de operao ser diferente de zero, ocorrendo a atuao da proteo.

Figura 4.1: Esquema bsico do rel diferencial amperimtrico.

Erros provveis de ocorrer na proteo diferencial amperimtrica: a) Casamento imperfeito dos TC. b) Existncia de componente contnua da Icurto em duas fases, pelo menos (e

que no sero vistas pelo rel). c) Erro prprio dos TC. d) Quando o elemento protegido um TRAFO, a corrente de magnetizao

pode causar desequilbrios.

2Esses erros podem fazer com que o rel opere indevidamente para

uma falta externa. Assim, ao invs de usarmos o esquema mostrado, utilizado o Rel Diferencial Percentual, que inclui uma bobina de restrio como mostrado na figura 4.2. 4.1.2. Rel Diferencial Porcentagem: a forma mais usual do rel diferencial.

Figura 4.2: Esquema bsico do rel diferencial percentagem.

A corrente diferencial na bobina de operao proporcional a (I1

I2) e a corrente nas bobinas de restrio proporcional a

+2

II 21 .

Em outras palavras, os amperes-espiras totais nas bobinas de restrio

so

+=+2

IIN2N.I

2N.I 2121 , que o mesmo que se

+

2II 21 atravessasse as

duas bobinas de restrio. Para uma falta externa ou em condies normais de operao: (I1 - I2) = 0 e 2

II 21 + = I1 = I2 Ou seja, nessas condies, h RESTRIO. Isto , o conjugado de Restrio supera o conjugado de operao (produzido pela bobina de operao), pois a corrente ali nula: (I1I2=0).

A figura abaixo mostra um desenho esquemtico do princpio de operao deste rel:

3

Quando h falta interna, I2 negativo e, na bobina de operao ter-se- a seguinte corrente de operao:

Ioper. = I1 I2 = I1- (-I2) = I1 + I2 Isso dever fazer com que o rel atue. Por outro lado, bom salientar que, para o rel atuar, necessrio que o torque causado pela bobina de restrio seja MENOR que o torque causado pela bobina de operao. Exemplo: consideremos uma falta em que I2 = 0 e I1seja maior do que zero. Assim, a corrente na bobina de operao ser Ioper. = I1. Neste caso, a corrente de restrio ser Irest. = I1/2. Nessas condies, O conjugado de operao o dobro do conjugado de restrio. 4.1.3. Equao do Rel Diferencial Porcentagem: Tomando a equao universal dos rels:

C = K1 I2 + K2 U2 + K3 U.I. cos ( - T) + K4 E aplicando-a para o rel diferencial percentual, tem-se:

( ) 3.restI

221

2

.operI

2211 K2

IIKIIKC

+=4342143421

Desconsiderando-se o efeito da mola, K3 = 0. Por outro lado, no incio

da atuao do rel: C=0. Nessas condies:

( ) axyK/K2

IIII 122121 =

+= Considerando-se o efeito da mola (em C = 0):

1

32

21

1

2221 K

K2

IIKK)II( +

+=

4

Se fizermos 1

321

221

KK

II:02

II =

+ . Esta expresso indica que a mola um parmetro de ajuste da sensibilidade do rel. Um outro ajuste est relacionado com a declividade da linha que divide as regies de torques positivo e negativo dos rels diferenciais percentuais:

Dessa figura observa-se que, quando ocorre uma falta externa zona

de proteo, o rel no dever atuar, porque para tal, exigir-se- uma grande Ioperao para superar Ireteno. Ou seja, para que o rel atue, seria necessrio que

o torque C fosse maior do que zero (2

II)II(0C 2121+>> )e isso no

dever ocorrer pois cc1I e cc2I sero iguais. Se a falta interna o rel atuar facilmente, pois I2 < 0 (I2 negativo). Exemplo Numrico: A figura abaixo mostra um rel diferencial percentual aplicado para proteo do enrolamento do estator de um gerador. O rel requer uma corrente de atuao mnima (tambm conhecida por corrente de pick-up) de 0,1 [A] e est regulado para uma declividade de 10%. Uma falta terra ocorre neste enrolamento, prxima ao local onde o neutro est aterrado.

As correntes que fluem em cada extremo do enrolamento esto mostradas na figura abaixo:

5

Ou seja: Ipicape mnimo = 0,1 A; declividade: 10%. Admitindo se RTC = 400/5 pergunta-se: a) Para um curto T, o rel atuar, acionando o disjuntor 52 ? b) Se o disjuntor estiver aberto, o rel operaria ? Soluo: a) Para o caso A, as correntes nos secundrios dos TCs sero: i1 = ? 400A > 5A i1 = 3,8 A 304A i1 i2 = ? 400A 5A i2 = 4 A 320A i2

Assim: ;A9,32

ii 21 =+ i1 i2 = 0,2 A Locando essa coordenada no grfico, o ponto A cai na regio de bloqueio: o rel no atuar. Existe tambm a maneira analtica de se analisar isso:

%10%1,5051,090,320,0

2IIII

21

21 >>o rel no atuar.

b) Se o disjuntor estiver aberto, o rel operaria ? Neste caso, i1 = 0 e I2 = If = 16 A A2,05/400

16i2 == Novamente, os valores a serem levados ao grfico anterior sero:

1,02

ii 21 =+ A; e i1 i2 = (0 0,2) = |-0,2| A

6 locando esse par de pontos no grfico, tira-se o ponto B , que est na regio de operao: o rel operar.

Analiticamente: %10%20021,02,0

2IIII

21

21 >==+