Considerações Sobre Proteção de Sistemas Elétricos

Tarcsio Lima Santos Aluno da Faculdade de Engenharia Eltrica

Universidade Federal de Uberlndia

Proteo de sistemas eltricos e rels de sobrecorrente

Universidade Federal de Uberlndia MG [email protected]

1 Consideraes sobre proteo Os rels so os elementos mais importantes do sistema de proteo. Eles so

sensores que vigiam diuturnamente as condies de operao do Sistema Eltrico. Havendo alguma anomalia, por exemplo, um curto-circuito, a corrente de falta sensibiliza o rel, que opera enviando um sinal para a abertura do disjuntor. Com a abertura do disjuntor o trecho em que se encontra a falha desconectado do sistema.

O principio de funcionamento dos rels de maneira geral vem sempre evoluindo, porm a filosofia da proteo sempre a mesma, ou seja, garantir o princpio da boa proteo, atingindo os seguintes itens:

Sensibilidade Seletividade Rapidez Confiabilidade Robustez Vida til

1.1 Sensibilidade a habilidade do sistema ou do equipamento de proteo, operar com faltas

mnimas e permanecer estvel em condies de carga mxima.

1.2 Seletividade A seletividade a caracterstica que permite ao sistema de proteo agir somente

nos pontos onde ocorre defeitos, desligando o mnimo de disjuntores com a finalidade de isolar apenas a rea afetada pelo defeito, mantendo o restante do sistema em operao to prxima do normal quanto possvel.


Figura 1. Exemplo de Seletividade

Caso ocorra um falta jusante do alimentador (A), o disjuntor A obrigatoriamente dever atuar antes do disjuntor G, fazendo com que a falta seja eliminada e que o evento no prejudique o funcionamento das outras cargas a jusante do alimentador G. Deve existir coordenao entre as atuaes do disjuntor A e do disjuntor G, bem como, entre o disjuntor G e o disjuntor J e se possvel entre todos os disjuntores (rels) do sistema.

1.3 Rapidez a velocidade que o rel atua quando detectado algum evento no sistema. Para

cada situao o rel deve atuar com uma velocidade distinta. No caso de curto circuito, quanto mais rpido o rel atuar, menores sero os danos causados pelos valores elevados de corrente. J para os casos de sobrecarga, conveniente que o rel atue com uma velocidade menor, pois a sobrecarga pode ser momentnea e ser extinta em poucos segundos, no havendo, portanto necessidade de se desligar o circuito em questo.

1.4 Confiabilidade definida como a probabilidade que o sistema de proteo possui em funcionar

corretamente quando houver algum evento que solicite o seu funcionamento.

1.5 Robustez a capacidade que o equipamento possui de suportar condies inadequadas de

operao, funcionamento e manuseio.


1.6 Vida til Intervalo de tempo, que sob determinadas condies, define: o incio e o trmino

de servio, quando a taxa de avarias se torna inaceitvel ou quando o bem considerado irreparvel no contexto operacional, tcnico ou econmico.

1.7 Corrente de Partida o mnimo valor de corrente que inicia o processo de funcionamento do rel.

normalmente chamada de corrente de pick-up.

1.8 Sinal de Trip o sinal de comando enviado pelo rel para efetuar uma ao sobre o disjuntor

ou outro equipamento.

1.9 Dial time o tempo que o rel deve aguardar para enviar o sinal de trip ou executar uma

ao.

1.10 Rel primrio Como o prprio nome indica, so todos os rels que tem a sua bobina

magnetizante diretamente conectada rede. Deste modo, a corrente de carga ou de curto-circuito passa diretamente pela bobina magnetizante do rel.

O problema deste tipo de rel que a sua bobina magnetizante est no mesmo nvel de tenso da rede, colocando em risco a segurana humana, pois h dificuldade de inspeo, manipulao e manuteno.

um rel simples, robusto e barato. Ele deve ser localizado na subestao, sempre junto ou incorporado ao disjuntor.

1.11 Rel secundrio quando a bobina magnetizante do rel energizada via secundrio do TC e/ou

TP. Neste caso o rel opera com mais segurana e pode ser padronizado. A padronizao interessante, pois o rel pode ser utilizado em sistemas eltricos diferentes, onde a adequao da corrente feita pela relao de transformao do TC.


1.12 Numerao e nomenclatura de rels ANSI Sabe-se que na elaborao dos projetos eltricos, os elementos de proteo so

identificados nos diagramas unifilares ou trifilares atravs de um nmero e/ou letra. A ttulo de ilustrao, mostra-se na tabela 4.1 a relao entre alguns dispositivos de proteo e as suas correspondentes nomenclaturas. Deve-se salientar que esta funo, aceita internacionalmente, tambm normalizada pela ANSI (American National Standards Institute).

Tabela 1. Identificao ANSI No Funo No Funo

2 Rel de partida temporizado 52 Disjuntor de corrente alternada 3 Rel de verificao 53 Rel de excitatriz ou gerador de corrente contnua 8 Aparelho de desconexo de controle de potncia 54 Disjuntor de corrente contnua de alta velocidade 9 Aparelho de reverso 55 Rel de fator de potncia 10 Chave de seqncia de unidade 56 Rel de aplicao de campo 13 Aparelho de velocidade sncrona 59 Rel de sobretenso 14 Aparelho de subvelocidade 61 Rel de balano de corrente 15 Aparelho de ajuste de freqncia e de velocidade 62 Rel temporizado de interrupo ou abertura 17 Classe de derivao 63 Rel de presso de lquido ou de gs 18 Aparelho de acelerao ou desacelerao 64 Rel de proteo de terra 20 Vlvula operada eletricamente 67 Rel direcional de sobrecorrente 21 Rel de distncia 68 Rel de bloqueio 22 Disjuntor equalizador 70 Reostato operado eletricamente 23 Aparelho de controle de temperatura 71 Reservado para futura aplicao 25 Aparelho de sincronizao ou de sua verificao 72 Disjuntor de corrente contnua 27 Rel de subtenso 74 Rel de alarme 28 Funo a ser definida 75 Mecanismo de mudana de posio 29 Contator de isolamento 76 Rel de sobrecorrente em corrente contnua 31 Aparelho de excitao em separado 78 Rel de medio de ngulo de fase 32 Rel direcional de potncia 79 Rel de religamento 34 Chave de seqncia operada a motor 81 Rel de freqncia 35 Aparelho para operao de escovas 82 Rel de religamento 37 Rel de subcorrente ou subpotncia 84 Mecanismo de operao 38 Aparelho de proteo de mancal 85 Rel receptor de onda carrier ou de fio piloto 43 Aparelho ou seletor de transferncia manual 86 Rel de bloqueio 44 Rel de seqncia de partida de unidades 87 Rel diferencial 47 Rel de seqncia de fase para tenso 90 Aparelho de religao 48 Rel de seqncia incompleta 91 Rel direcional de tenso 50 Rel de sobrecorrente instantneo 93 Contator de variao de campo 51 Rel de sobrecorrente temporizado

1.13 Zonas de Proteo A proteo propriamente dita e constituda pela proteo principal ou vanguarda

(a primeira que dever atuar) e a proteo secundria ou retaguarda, o perfeito funcionamento entre essas definimos como coordenao.


Os sistemas de proteo devem ser planejados e projetados para protegerem partes do sistema, chamadas de zona de proteo. Estas zonas devem ser feitas, de modo que haja um enlace entre elas, de modo que todos os componentes fiquem protegidos.

Podemos dividir as zonas de proteo em dois tipos, a primria e a secundria. A zona de proteo primria a primeira proteo que deve atuar em caso de falta no sistema, no caso da zona de proteo primria falhar, a zona de proteo secundria, que pode ser denominada tambm de proteo de retaguarda ou backup, deve agir, desligando o circuito com defeito. A proteo de retaguarda pode ser de dois tipos, a retaguarda local, e a retaguarda remota.

A proteo de retaguarda local feita atravs da duplicao de equipamentos de proteo, como os Transformadores de corrente (TCs), transformadores de potencial (TPs), rels, num mesmo ponto do circuito.

A proteo de retaguarda remota consiste em coordenar rels fora da zona de proteo em que ocorre a falta, com o rel responsvel por eliminar as faltas dentro desta zona de proteo. Geralmente a atuao desta proteo implica num desligamento de mais equipamentos e consumidores do que se atuasse a proteo primria.

Figura 2. Representao de Zonas de Proteo


Em relao proteo principal, deve-se efetuar a proteo considerando: Que haja superposio nas zonas de atuao dos rels da proteo principal; Cada disjuntor esteja contido em pelo menos por duas zonas de atuao dos

rels de proteo principal; Sempre entre cada elemento ou conjunto de equipamentos deve existir pelo

menos um disjuntor. Quando ocorre um defeito dentro de uma determinada zona os rels que

constituem a proteo principal, devem enviar sinal de trip para todos os disjuntores dentro de sua respectiva zona de atuao. Desse modo, para um defeito localizado dentro da superposio de duas zonas, todos os disjuntores das duas zonas devem ser abertos.

O conceito mencionado acima correto porem possui um inconveniente, quando ocorrer uma falta como a representada na figura 2, falta esta que est envolvida em duas zonas e num local onde a abertura de alguns disjuntores desnecessria, desligando assim os disjuntores 1, 2, 3, 4, 5, enquanto que somente o disjuntor 2 deveria ser desligado assim como o funcionamento do gerador.

O inconveniente dessa abertura seria retirar um elemento no defeituoso do sistema. Entretanto a probabilidade da ocorrncia desse defeito muito pequena dado que a zona de superposio muito pequena e est prxima do disjuntor.

Um rel pode ter zona de atuao em que uma parte pertence proteo principal e outra parte pertence proteo de retaguarda, essa situao ocorre quando da utilizao de rels de distancia (21), em que a 2 zona tem 20% da linha de transmisso na proteo principal e 50% da prxima linha de transmisso coberta pela proteo de retaguarda da 1 zona do rel a jusante da prxima barra.

Na prtica a zona de atuao da proteo principal se inicia no local da instalao do TC ou dos TCs do circuito eltrico. Nos disjuntores pertencentes superposio os TCs esto entrelaados, isto , os TCs esto posicionados de modo que o disjuntor fique no meio.


2 Corrente de magnetizao em transformadores Ao se energizar um transformador, nota-se um fenmeno fsico, onde a corrente

inicial relativamente maior que a corrente a vazio e at mesmo maior que a corrente

nominal do transformador, tal fenmeno conhecido como corrente transitria de magnetizao (inrush current).

No momento da energizao pode-se ter uma falsa impresso de estar ocorrendo uma falta externa ou um curto-circuito no transformador. Considerando-se todo o problema e observando-se as caractersticas do transformador, a explanao correta da corrente transitria de magnetizao (inrush current) torna-se clara.

Tal fenmeno fsico ocorre devido ao aumento do fluxo magntico, que pode chegar ao dobro do fluxo magntico em regime permanente. Este aumento depende do valor instantneo em que a tenso est quando ocorre o fechamento da chave que conecta a fonte de tenso a o transformador, e tambm da polaridade e magnitude do magnetismo residual.

De acordo com a IEEE StdC37.91-2000 a corrente de magnetizao dos transformadores pode ser representada graficamente como mostrado na figura 5.1 abaixo:

Figura 3. Caracterstica tpica da corrente de magnetizao

De acordo com a norma, foi considerado que a corrente de magnetizao atinge o valor de 12 vezes a corrente nominal do transformador no perodo de 0.1s.

A corrente de magnetizao tem duas importantes caractersticas:


Contm harmnicos substanciais, particularmente o segundo harmnico. Estes harmnicos nem sempre esto presentes em grandes quantidades nas trs fases.

H sempre um tempo durante cada ciclo, em que a magnitude da corrente quase zero. Este tempo sempre menor que um quarto de ciclo.

As componentes harmnicas resultantes da corrente de magnetizao (inrush current) dependem de vrios fatores, como o fluxo remanente do ncleo do transformador, o ngulo de carga e o carregamento do transformador.

3 Rels de sobrecorrente

3.1 Definio sobre rels de sobrecorrente O rel de sobrecorrente como o prprio nome sugere, tem como grandeza de

atuao a corrente eltrica do sistema. Este pode ser aplicado para proteger qualquer elemento de um sistema de energia, como, por exemplo, linhas de transmisso, transformadores, geradores ou motores, entre outros dispositivos, equipamentos e sistemas.

Os rels de sobrecorrente podem ser eletromecnicos, eletrnicos (estado slido) ou digitais. Contudo, atualmente, os rels eletromecnicos e eletrnicos esto sendo substitudos em larga escala pelos rels digitais. As concessionrias tm preferido a tecnologia digital, em razo da grande quantidade de informaes que os rels digitais conseguem armazenar e do elevado potencial de integrao com outros dispositivos.

Para exemplificar a aplicao de um rel de sobrecorrente, assume-se um sistema com uma fonte somente no seu lado esquerdo (sistema radial). Pode-se afirmar que, se a mnima corrente de falta dentro da zona de proteo for maior do que a mxima corrente possvel de carga tem-se ento o princpio de operao do rel de sobrecorrente.

3.2 Rels eletromecnicos Os rels eletromecnicos so os rels tradicionais, foram os primeiros rels a

serem empregados nos sistemas de proteo. O seu princpio de funcionamento atravs de movimentos mecnicos provenientes de acoplamentos eltricos e magnticos, que por sua vez realizam o fechamento ou abertura de contatos, enviando os sinais de trip para os dispositivos de proteo ou interrupo.


Podem ser divididos em duas categorias, os de atrao eletromagntica e os de induo eletromagntica.

Figura 4. Rel eletromecnico de disco de induo GE

3.3 Rels digitais So rels eletrnicos gerenciados por microprocessadores especficos para este fim, controlados por um software, onde os dados registros e calibraes so digitados. A


figura abaixo representa um rel digital multifuncional que contem as seguintes funes:

50/51 - Sobrecorrente de fase instantnea e temporizada; 50/51G - Sobrecorrente residual instantnea e temporizada; 50/51N (ou GS) Sobrecorrente instantnea e temporizada de neutro ou terra; 50/51Q (46) - Sobrecorrente instantnea e temporizada de seqncia negativa; 50PAF Sobrecorrente de fase instantnea de alta velocidade para deteco de

arco voltaico (opcional); 50NAF Sobrecorrente de neutro instantnea de alta velocidade para deteco

de arco voltaico (opcional); 49 elemento trmico (opcional), com a utilizao de RTDs; 81 Sub / Sobrefreqncia e taxa de variao de freqncia (opcional); 27/59 - Subtenso e sobretenso fase-neutro ou entre fases (opcional); 55 Fator de potncia (opcional); 60 - Perda de potencial (opcional); 59Q (47) Sobretenso de seqncia negativa (fase reversa) (opcional); 59N Sobretenso de seqncia zero (opcional), quando utilizados 3 TPs a

quatro fios.

86 Bloqueio; 50/62BF Falha de disjuntor; 79 Religamento Automtico (4 tentativas) (opcional); 32 Direcional de potncia (opcional); 25 - Check de Sincronismo (opcional); AFD Deteco de arco voltaico (opcional). O SEL-751A inclui um conjunto robusto de elementos de sobrecorrente de fase,

sequncia negativa, residual e neutro. Cada tipo de elemento possui quatro nveis de proteo instantnea. Cada tipo de elemento inclui dois elementos de sobrecorrente temporizados (exceto o de sequncia negativa, que tem um elemento de sobrecorrente temporizado).


Figura 5. Rel digital Schweitzer

A vantagem dos rels digitais a mesma de um microcomputador, ou seja, no h necessidade de variao fsica nos parmetros dos elementos do circuito (hardware), mas todos os comandos so efetuados pelo software.

O rel digital pode efetuar vrias funes, tais como: Proteo.

Superviso de rede. Transmisso de sinais. Conexes com computadores. Auto superviso.

Religamento de disjuntores. Oscilografia.


Os rels digitais so extremamente rpidos, mas tambm so susceptveis a interferncias eletromagnticas conduzidas, necessitando de filtros. So normalmente modulares e necessitam de fonte de alimentao.

3.4 Caracterstica tempo x corrente A terminologia utilizada para expressar a forma da curva tempo x corrente

denominada de inversa, por que quando aumenta a corrente diminui o tempo de operao do rel.

Os rels de sobrecorrente so construdos com trs tipos de curvas, a de tempo inverso, muito inverso e extremamente inverso, mas os rels mais modernos podem vir com um quarto tipo de curva, denominada ultra inversa.

Figura 6. Relao tempo x corrente

3.5 Equaes caractersticas de alguns rels de sobrecorrente O padro para a construo, dependendo do fabricante do rel, e o mercado ao

qual o produto se destina, pode seguir as normas IEEE C37.112-1996, IEC 60255-3 e


BS-142 ou ANSI. Para a construo da curva de tempo x corrente, podemos utilizar as seguintes equaes, dependendo da caracterstica da curva.

IEC 60255-3 Para aplicaes europias, o rel oferece as quatro curvas padro definidas pela

IEC 255-4 e o Padro Britnico BS 142. Estas so definidas como IEC A, IEC B, IEC C, e Pouco Inversa. Podemos definir essas curvas pela seguinte formula:

= (/), onde: = Tempo de trip = Dial de Tempo = Corrente de entrada = !"#$% &' ()**%+% &% ,-(.#/ 0, 2 = 3)+$'+%$

Tabela 2. Constantes para curvas dos rels IEC

ANSI

Os formatos de curvas de sobrecorrente temporizada ANSI coincidem com as curvas padro da indstria e ajustam-se nas classificaes da curva ANSI C37.90 para extremamente inversa, normalmente inversa e moderadamente inversa. As curvas do SR750/760 so derivadas da frmula:

45657 = 8! + :( ;;

Universidade Federal de Uberlndia MG [email protected] !, B, 3, , 2 = 3)+$'+%$

Tabela 3. Constantes para curvas dos rels ANSI

Constantes das Curvas ANSI A B C D E

Extremamente Inversa 0.0399 0.2294 3.0094 3.0094 0.7222

Muito Inversa 0.0615 0.7989 0.3400 -0.2840 4.0505

Normalmente Inversa 0.0274 2.2614 0.3000 -4.1899 9.1272

Moderadamente Inversa 0.1735 0.6791 0.8000 -0.0800 0.1271

IAC Curvas tipo IAC da famlia de rels General Electric so derivadas da fmula:

45657 = 8! + :( ;;


tenso deve ser realizada exclusivamente por meio de um disjuntor acionado atravs de rels secundrios.

Deve-se utilizar rels de proteo secundrios com as funes 50 e 51, nas 3 fases, 50/51N (neutro), 47 (inverso de fases), e 59 (sobretenso).

A proteo 27 pode ser utilizada desde que seja coordenada com o tempo de religamento do alimentador.

Para facilitar a seletividade com elos fusveis instalados a montante, costuma-se utilizar curvas muito inversas. Algumas concessionrias utilizam curvas extremamente

inversas.

Os transdutores devem ser convenientemente dimensionados de acordo com a demanda, nveis de curto-circuito e carga ligada ao secundrio (cablagem e rels).

As protees de sobrecorrentes devem atuar em valores (correntes e tempos) inferiores aos admissveis na curva de carregamento mximo de curta durao do transformador, quando o cliente possuir apenas um transformador. No caso de mais de um transformador, as protees dos transformadores devem ser por elos fusveis limitadores.

O elemento temporizado (51) dever deixar circular a corrente de carga contratada pelo cliente (com um fator de segurana a ser definido pela concessionria), ser sensvel s menores correntes de defeito entre fases no trecho sob sua superviso e, se possvel, s correntes de defeito no lado de baixa tenso, refletidas no lado de alta tenso.

As unidades temporizadas de fase (51) devero ter correntes de partida no mximo iguais a 80% dos respectivos valores das protees dos equipamentos montante, e seus tempos de atuao devero ser pelo menos 400 milisegundos mais rpidos.

O elemento instantneo (50) dever ser sensvel s menores correntes de curto-circuito entre fases no ponto de entrega ao cliente, ter ajuste no mximo igual a 80% dos respectivos valores das protees dos equipamentos montante e permitir a livre circulao da corrente transitria de magnetizao.

O elemento temporizado (51N) dever ser sensvel s menores correntes de defeito entre fase e terra sob sua superviso.


O neutro convencional (51N) dever ter correntes de partida no mximo igual a 80% dos respectivos valores das protees dos equipamentos montante, e seus tempos de atuao devero ser pelo menos 400 milesegundos mais rpidos.

O elemento instantneo (50N) dever ser ajustado numa faixa de 10 a 100A referido ao primrio, e limitado no mximo a 80% dos respectivos valores das protees dos equipamentos montante. (considerando que o transformador do cliente delta estrela).

Na coordenao entre entrada e concessionria, calcularemos as correntes nominais e de curto-circuito assim como possveis sobrecargas e a partir destas definimos a corrente de ajuste do rel.

A corrente nominal (In) deve ser calculada a partir da demanda mxima (que ser a demanda contratada) de acordo com o projeto considerando-se, no mnimo, o fator de potncia de referncia 0,92. Para tal deve-se fazer a correo do fator de potncia da instalao.

A corrente de partida do rel ser 1,1 x In, considerando que pode haver ultrapassagem de 10% da demanda contratada. Dever ser calculada tambm a corrente de partida para neutro considerando, no mximo, 1/3 da corrente de fase.

A corrente de magnetizao (Irush) para transformadores de at 2000 kVA pode ser considerada igual a 8 x In com tempo de durao da ordem de 0,1s. Para transformadores de potncia superior a 2000 kVA a corrente de magnetizao e o tempo de durao devero ser informados pelo fabricante do transformador.

Este valor importante, pois a proteo no deve atuar na energizao da subestao. Caso haja mais de um transformador, dever ser considerada a corrente de magnetizao do maior transformador acrescida das correntes nominais dos demais.

O ponto ANSI o mximo valor de corrente que um transformador pode suportar durante um perodo definido de tempo sem se danificar. No caso de falta fase-terra este valor, para transformador tringulo-estrela com neutro solidamente aterrado (vlido para os transformadores de unidades consumidoras da Cemig), 0,58 vezes o ponto ANSI.

importante notar que a curva de atuao do rel dever ficar abaixo do ponto ANSI do transformador de menor potncia, tanto para a funo de proteo de fase como a de neutro (ou terra).


A Concessionria dever informar ao engenheiro projetista os valores de curto-circuito para que possam ser dimensionados os TC e TP (se necessrio) de proteo. De forma geral, recomenda-se que os TC tenham uma corrente primria tal que o maior valor de CC no a exceda em 50 vezes.

Dever ser considerada tambm a corrente de partida para clculo dos TCs. A corrente de partida dever ser superior a 10% da corrente primria dos TCs para assegurar uma melhor exatido.

As observaes supracitadas so importantes porque durante o desenvolvimento do projeto de proteo podem ocorrer dificuldades e at mesmo a impossibilidade de obter a coordenao e seletividade de alguns dispositivos de proteo que foram alocados no sistema. Dentre as possveis solues para se obter sistemas de proteo com bom desempenho destacam-se a redefinio dos valores referentes s possveis faltas que venham ocorrer no sistema.

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