Dispositivos de Protecao Seletividade CapIII

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O Setor Eltrico / Maro de 2010

Proteo e seletividade

Captulo III Dispositivos de proteo Parte 1Por Cludio Mardegan*

Terminologia Alguns termos so utilizados no dia a dia dos profissionaisdeproteo.Apresenta-seaseguiralguns dosmaisusados: Autocheck Caracterstica de um rel digital em que verifica se todas as suas funes esto operativas e corretas. Este fato d ao rel digital extrema confiabilidade,vistoqueosrelsdevemestarsempre prontosparaoperar. BreAker FAilure uma caracterstica que alguns rels digitais dispem, cujo objetivo , aps o tempo definido nesta funo, enviar um sinal a uma sada para que possa ser enviada ao disjuntor montante (porquesupe-sequeapsotempodefinidonorelo disjuntorquedeveriainterromperafaltafalhou). CaraCterstiCade um rel

drop-out Valor de grandeza (tenso, corrente, etc.) para o qual o dispositivo volta ao estado de repouso (inicial). tApe Valordeajustedeumrel(normalmenteparaa unidadetemporizada). dt/td/tms/k Dial de tempo / Time Dial / Time multiplier setting(ajustemultiplicadordetempo)/k.So ajustesutilizadosparatemporizarumrel. di dispositivo iNstaNtNeo o valor do ajuste da unidadeinstantnea. idmt iNverse deFiNite miNimum time (dispositivo a tempoinverso). ied iNtelligeNt electroNic device So dispositivos eletrnicos inteligentes que, por serem microprocessados e com elevada velocidade de processamento (> 600 MHz), englobam uma srie de funes, tais como medio, comando/controle, monitoramento,religamento,comunicaoeproteo,ou

Curva caracterstica tempo si (stANdArd

versuscorrentedeumrel. CaraCterstiCa Ni (NormAl iNverse) normalinversadeumrel. CaraCterstiCa mi (muito iNversa), vi (very iNverse) deumrel. CaraCterstiCa ei (extremameNte iNversa), ei (extremelly iNverse)ou ou

permitem elevada quantidade de entrada analgica (sinais de tenso e corrente) e elevada quantidade de entradas/sadas (I/O) digitais. Normalmente estes dispositivossovoltadosparaaautomaoejforam projetadosdentrodospadresdanormaIEC61850. irig iNter rANge iNstrumeNtAtioN group time codes iniciou a padronizao dos cdigos de tempo em 1956eosoriginaisdanormaforamaceitosem1960. Os formatos originais foram descritos no documento 104-60.Odocumentofoirevisadoemagostode1970 como 104-70 e revisado novamente no mesmo ano para 200-70.A ltima reviso da norma a 200-04. Paradiferenciaroscdigos,anormautilizaasletrasA, B,D,E,GeH.Essescdigosdigitaissotipicamente deamplitudemoduladasobreumcarrieremumaonda senoidaldeudioousinaisTTL(fast rise time).Amaior diferena entre os cdigos a taxa, que varia de um

iNverse) ou sit (stANdArd iNverse time) acaracterstica

vit (very iNverse time) acaractersticamuitoinversa

eit (extremelly iNverse time) aou

caractersticaextremamenteinversadeumrel. CaraCterstiCa td (tempo defiNido) CoNtatode selo

dt (deFiNite

time) acaractersticadetempodefinido Contato destinado a garantir que oou folha de seletividade

sinalenviadosermantido(selado). CoordeNograma Grficoem escala bilogartmica com o tempo em ordenada e a correnteemabscissa(txI)emquefeitaafolhade seletividade.

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29reduNdNCia Estetermoutilizadoparadesignarumaproteo que enxerga e atua concomitantemente com a proteo principal.importantenotarqueesteconceitosempresereferea equipamentosdistintos(emcaixasdiferentes). reset Voltaraoestadoanterioraodafalta. retaguarda Este termo utilizado para designar uma proteo queatuanocasodaproteoprincipalfalhar.tambmconhecida como proteo de backup. importante notar que este conceito sempreserefereaequipamentosdistintos(emcaixasdiferentes). tempode reset

pulsoporminutoat10.000pulsosporsegundo. IRIG-A=1000PPS;IRIG-B=100PPS;IRIG-D=1PPM;IRIG-E= 10PPS;IRIG-G=10000PPS;IRIG-H=1PPS. irig B umformatodecdigodetemposerial.Possuiumtaxa de sinal de temporizao de 100 pulsos por segundo. O IRIG-B enviadadosdodia,doano,hora,minuto,segundoefraoemum carrier de 1 kHz, com uma taxa de atualizao de um segundo. O IRIG-B DCLS (deslocamento de nvel DC) o IRIG-B sem o carrier de 1 kHz. Normalmente, o GPS utilizado com IRIG-B para sincronizar os dispositivos de proteo a uma mesma base detempo. gfp grouNd FAult protectioN Proteodefaltaaterra. grouNd seNsor (gs) Sensor de terra. SoTCs sensores de terra queabraamtodasasfasessimultaneamente. mta mAximum torque ANgle ngulodemximotorquedeum reldirecional. Ntp PortaEthernetNTP(Network Time Protocol). overtrAvel/overshoot o tempo permitido ao rel de disco de induo para continuar a girar por inrcia aps a falta ter sido eliminada(porumrelamontanteouporumafaltaintermitente), antesdefecharosseuscontatos. pick-up Valordegrandeza(tenso,corrente,etc.)paraoqualo reliniciaaatuao.

Tempo necessrio ao rel para voltar ao estado

anteriorfalta. trip Sinaldedesligamentoenviadoporumrel. WAtchdog dispositivoquedisparaumresetaosistemaseocorrer algumacondiodeerronoprogramaprincipal.

Tipos de dispositivos de proteo mais comuns Os tipos de dispositivos de proteo mais comumente utilizados,rels,fusveis,elos,disjuntoresdebaixatensoeIEDs serodescritosnestecaptulo.

RelsDefinio Sodispositivosdestinadosaoperarquandoumagrandezade atuaoatingeumdeterminadovalor.Existemvriasclassificaes quesepodedaraosrels,quantograndezadeatuao(corrente,

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tenso,frequncia,etc.),formadeconectaraocircuito(primrio/ secundrio), forma construtiva (eletromecnicos, mecnicos, estticos,etc.),temporizao(temporizadoseinstantneos),quanto funo(sobrecorrente,direcional,diferencial,etc.),caracterstica deatuao(normalinverso,muitoinverso,etc.).

Principais requisitos de um rel Antigamente os principais requisitos de um rel eram principalmente confiabilidade, seletividade, suportabilidade trmica, suportabilidade dinmica, sensibilidade, velocidade, baixoconsumoebaixocusto. Atualmente, somado aos requisitos desejvel que elesFigura 2 Rel de disco de induo para anlise do princpio de funcionamento

possuam ainda, breaker failure, autocheck, seletividade lgica, oscilografia,quantidadedeentradasesadasdigitais(E/Sdigitais) adequada, quantidade de entradas analgicas de corrente adequada,quantidadedeentradasanalgicasdetensoadequada, quantidadedesadasreladequada,IRIGB,possibilidadedese conectaremrede,possibilidadederealizarfunesdeautomao, comando,controle,medio,superviso,etc.

Abobinaauxiliar(conhecidatambmcomespiradesombra)

indicadanaFigura2temporobjetivogerarumfluxo2defasadoo fluxoprincipal1.Osistemafuncionadeformaparecidacomum motordeinduomonofsico,emquenoseconsegueparti-lose nohouverumcapacitor,queprovocaodefasamentoangularentre osfluxosparagerarotorque.Osfluxos1=1xsen(t)e2= 2xsen(t+)sosenoidaisedefasadosentresi. ALeideFaraday-Lenzdizqueatenso(corrente)induzidair contrariaracausa(fluxo)queaproduziu.Aregradamodireita utilizadaparadeterminarosentidodacorrente,conformeFigura3, eexpressapelaequaoaseguir.

Equao universal do conjugado dos rels Aorigemdosrelsocorreucomosmodeloseletromecnicose, assim,oadventodosrelsdigitaistevedeincorporarasprincipais caractersticas dos eletromecnicos para viabilizar a migrao destes para os digitais. Dessa maneira, importante entender o princpio de funcionamento dos rels eletromecnicos. Este entendimentoseriniciadocomoreldediscodeinduo.

O rel de disco de induo Apresenta-se, na Figura 1, um rel de disco de induo mostrando seus componentes. Na Figura 2, mostram-se as partes deinteresseparaaanlisedoprincpiodefuncionamento.

Figura 3 Lei de Faraday-Lenz regra da mo direita

Figura 1 Rel de disco de induo com suas principais partes componentes

Figura 4 Regra da mo esquerda

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Figura 5 Mecanismo de formao das foras motoras do disco de induo

VistoqueodiscopossuiumaresistnciaRneleircircularuma

correntedadapor:

As correntes I1 e I2 iro propiciar o aparecimento das foras Doeletromagnetismosabe-sequeFxI.Aforaresultante

dadas,conformeFigura5pelaregradamoesquerda(videFigura4). serF=F2F1.Doquefoidemonstrado:

Logo,aforaresultantepodesercalculadacomo:

A fora ser mxima para sen = 1, ou seja, = 90. Isso

significaque,parahaverconjugadomximo,devehaverquadratura dosfluxos1(I1)e2(I2).Naprtica,issodifcildeobter,tanto peladisposiofsicadaespiradesombracomopelofatodeque a bobina possui um valor de resistncia. desejvel que o rel operecomconjugadomximoindependentedovalordongulo, queconstrutivamentevariade20a33.Assim,amelhoropose tornaconsiderarascorrentesI1ieI2.VejaaFigura6.

Figura 6 Correntes I1 e I2 em um rel de disco de induo e respectivos ngulos

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O ngulo o de projeto do rel e o ngulo define o

Funo ANSI50,51,50/51,50N,51N,50/51N,50GS,51GS,50/51GS,51G

conjugadomximo.Comoongulo+=90,alinhadeI1ipassa serareferncia.Aequaodoconjugadopodeserreescritacomo segue:

Direcionalidade Operamemqualquerdireo.

C = I1i x I2 x sen ( + ) OconjugadomximoCMXocorreparasen(+)=1.Como C = I1i x I2 x sen ( + 90 - ) = I1i x I2 x sen ( - + 90) C = I1i x I2 x cos ( - )

EvoluoOsprimeirosrelsinstantneoseramdotipocharneira.Entreos Aevoluodosrelspassoupelasetapasdereleletromecnico, primeirosrelstemporizadospode-secitarodediscodeinduo. relesttico,relnumricodigitaleIEDepodeservisualizadana Figura7.

=90-,aequaodoconjugadofica:

Rels de sobrecorrente (tipo charneira) Pararelsdotipocharneiraaequaodoconjugado,podeser escritacomosegue:C=K1xI2

Rels de tenso Aplicando-seumatensoemumresistordevalor1/K,gera-se umacorrentedadaporI=U/(1/K),ouseja,I=KU.Dessaforma,a equaodeconjugadoparaumreldetensopodeserescritada formaseguinte:C=K2xU2

Rels que manipulam tenso em corrente (direcional/impedncia) Substituindo-seacorrenteI1iporUnaequaodoreldedisco deinduoaequaodoconjugadoficaescritacomosegue:C= K3xUxIxcos(-) A partir das definies apresentadas pelas equaes de conjugado e lembrando que os rels possuem tambm uma constantedemolaK4,pode-sedefiniraequaouniversaldorel pelaequaoabaixo:

Figura 7 Evoluo dos rels de sobrecorrente

Para os rels de corrente existe apenas as parcelas 1 e 4 da

equaoacima. Para os rels de tenso existe apenas as parcelas 2 e 4 da Paraosrelsquenecessitamdemediodengulooudireo equaoacima. (relsdirecionais,distncia,etc.),existeapenasasparcelas3e4da equaoacima. Asgrandezasdeatuaoapresentamparcelapositivaeasde

Temporizao dos rels de sobrecorrenteOs rels de sobrecorrente podem ser temporizados ou instantneos. Os rels eletromecnicos temporizados so normal enteosdediscodeinduoepodemservisualizados m nasFiguras1e2.

ConexoVideesquemasunifilaresetrifilaresseguintes.

restrioparcelanegativa.

Rels de sobrecorrente Sorelsqueoperamquandoovalordacorrentedocircuito ultrapassaumvalorpr-fixadoouajustado.Osrelsdesobrecorrente podemserinstantneos(funoANSI50)outemporizados(funo ANSI51).Figura 8 Representao dos rels de sobrecorrente nos esquemas unifilares

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33Soluo Acorrentenoreldeterminadacomo:

Caractersticas dos rels de sobrecorrente Acaractersticadosrelsdesobrecorrenterepresentadapelas suascurvastempoversuscorrente.Estascurvasvariamemfuno dotipodorel(discodeinduo,esttico,digital).Antigamente, napocadosrelsdediscodeinduo,aescolhadacaracterstica doequipamentoerafeitanomomentodacomprae,assim,no era possvel alter-la. Atualmente fabricam-se praticamenteFigura 9 Representao da conexo residual de rels de sobrecorrente nos esquemas trifilares

somenteosrelsdigitaiseamaiorpartedelespermiteescolhera caractersticatempocorrenteapenasalterando-seosparmetros noprpriorel. Ostermoscaractersticainversa,normalinversa,muitoinversa e extremamente inversa existe desde a poca dos rels de disco de induo. Dessa forma, at hoje se mantm essa terminologia, sendoqueascaractersticasmaisutilizadasso: NormalInverso(NI),MuitoInverso(MIouVI=Very Inverse), ExtremamenteInverso(EI),TempoLongoInverso(TLIouLTI=Long Time Inverse)eTempoDefinido(TDouDT=Definite Time). Nosrelsdigitaisascaractersticastempoversuscorrenteso representadosporequaes,eessasequaesmudamdeacordo

Exemplo Dado o esquema unifilar apresentado na Figura 10. Sabendo queacorrentedelinhade100AearelaodoTCde200-5A, determineacorrentequeorelestenxergando.

Figura 10 - Esquema unifilar

comanorma.Apresenta-seaseguirasmaisusuais.

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IEC/BS AscaractersticasmaisutilizadasdanormaIECsoapresentadas pormeiodasseguintesequaesparaosrelsdesobrecorrente: Normalinversa Muitoinversa Extremamenteinversa

As Figuras 11, 12 e 13 apresentam, respectivamente, as

caractersticas normal inversa, muito inversa e extremamente inversa.

Figura13 - Curva IEC extremamente inverva

Figura 11 Curva IEC normal inversa

Figura 14 Comparao das caractersticas das curvas IEC normal inversa, muito inversa e extremamente inversa

Como pode ser observada na Figura 14, a curva extremamente

inversamuitorpidaparaaltascorrenteselentaparabaixascorrentes. Acaractersticanormalinversamuitolentaparacorrenteselevadase rpidaparabaixascorrentesoudesobrecarga,eacaractersticamuito inversaadequadatantoparabaixascomoparaaltascorrentes.

Exemplo Umreldesobrecorrentedigitalinstaladonoprimriodeum transformador de 1500 kVA, com tenses de 13,8 kV (primria) e 0,48 kV (secundria), com impedncia interna de 5, deve coordenar com outro situado a jusante (no secundrio), tambm digital,cujotempodeatuaode0,3segundos(videFigura15). Acorrentedecurto-circuitosecundria,referidaaoprimrio,de 1255A.Sabendo-sequeoajustedepick-updesterelde90A noprimrio,equeacurvaquedeveserutilizadaIEC-MI(MuitoFigura 12 Curva IEC muito inversa

Inversa),calcularodialdetempo.

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Emque:Figura 15 - Exemplo de rel de sobrecorrente digital em primrio de um transformador

t =Tempodeatuaodorel(segundos) DT =Ajustedomultiplicadordostempos I =Correntecirculante/CorrentePick-up A, B, C, D, E = Constantes

Soluo Clculodomltiplodacorrentedeajuste:

ANSI (C37.112-1996) (Erro=+15%) Ointervalodecoordenaoentrerelsdigitaisdeveserde0,25 Os rels construdos conforme a norma ANSI C37.112 segundos,oquesignificaqueoreldeveserajustadoparaoperar em0,55segundos(0.30s+0.25s).Conformepodeserobservado naFigura15. ModeradamenteInversa obedecemsseguintesequaes:

MuitoInversa

ANSI (C37.90) Os rels construdos segundo a Norma ANSI C37.90 [82] ExtremamenteInversa obedecemaseguinteequao:

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Rel direcional de sobrecorrente So rels que operam quando o valor da corrente do circuito ultrapassaumvalorpr-fixadoouajustadoenadireopr-estabelecida.

Aoutilizarrelsdirecionaisdeve-seatentarparaoseguinte:

A presena de banco de capacitores no lado em que o rel no enxerga.Estefatofazcomqueoreloperequandoosistemaestiver combaixacarga,oqueocorrenormalmenteemfinsdesemana; Aexistnciadecircuitosparalelos,ondepossahaveracirculaode correnteemsentidoreverso,como,porexemplo,quandoummotor estpartindo; Contribuiodemotoresparaasfaltas,passandopeloreldirecional.

Funo ANSI AfunoANSIdesterela67.

Direcionalidade Operamemapenasumadireo.

Polarizao Portensoecorrente.

Aplicaes particularesAoutilizarrelsdirecionaisdeve-seatentarparaoseguinte: A presena de banco de capacitores no lado em que o rel no enxerga.Estefatofazcomqueoreloperequandoosistemaestiver combaixacarga,oqueocorrenormalmenteemfinsdesemana; Aexistnciadecircuitosparalelos,ondepossahaveracirculaode correnteemsentidoreverso,como,porexemplo,quandoummotor estpartindo; Contribuiodemotoresparafaltas,passandopeloreldirecional.

Conexo Asconexesutilizadasparaosrelsdirecionaisdesobrecorrente so:30,60,90.Aconexomaisusuala90.VideFigura16.

Aplicao particular 1Figura 16 Conexes usuais dos rels direcionais de sobrecorrente

Apresenadebancodecapacitoresfixonoladoemqueorel

noenxerga.Estefatofazcomqueoreloperequandoosistema estiver com baixa carga ou mesmo sem carga (o que pode ocorrer normalmenteemfinsdesemanaouemsituaesdemanuteno).

Unifilar O rel 67 pode ser representado em um esquema unifilar conformeindicadonaFigura17.

Figura 17 Representao tpica do rel direcional de sobrecorrente no esquema unifilar

Diagrama fasorial do rel 67 Apresenta-se na Figura 18 um diagrama fasorial tpico de um rel direcional de conexo 90 e ngulo de mximo torque igual a 45. importanteentenderqueongulodemximotorquesempretomado emrelaotensodepolarizao(referncia)equealinhadeconjugado nulo fica a 90 desta linha. Recomenda-se sempre ler atentamente o catlogodorelparavercomoastensesdevementrarnoequipamento.

Figura 18 Diagrama fasorial dos rels direcionais de sobrecorrente

Figura 19 Operao indevida de rel direcional em sistema com capacitor fixo

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Na Figura 19, na condio normal de operao, o

gerador no est em operao.Toda potncia ativa da carga fornecida por ela. A potncia reativa da carga suprida em parte pelo capacitor e o restante pela concessionria. O sentidodecorrentenorel67contrrioaodesuaoperao. Logoelenoopera. Na Figura 19, na condio de carga desligada, o gerador no est em operao. A concessionria no entrega potncia ativa.A potncia reativa da carga nula e, assim, a potncia reativa suprida pelo capacitor no consumida pelas cargas da planta e entregue ao sistema da concessionria. O sentido de corrente no rel 67 passa coincidir com o sentido de operao (trip). Assim, se o valor de corrente for superior ao valor de pick-up do rel direcional,eleiroperar. Como solues para este caso, sugerem-se duas possibilidades: aumento do valor de pick-up do rel 67 ou fazer dois grupos de ajustes, sendo que o rel 67 fica desativadoquandoogeradorestiverforadeservionogrupo ativo(semgerador).Figura 20 Aplicao de rels 67 conjugados com motores partindo

ParaocasodaFigura20,deveriaserprevistaestacondiode

partida,quandoogeradoroperaemparalelocomaconcessionria. Comosoluoparaestacondioestoaumentodopick-updo rel67acimadeIp1.

Aplicao particular 2 A existncia de circuitos paralelos, em que possa haver a circulao de corrente em sentido reverso, como, por exemplo,quandoummotorestpartindo.

Aplicao particular 3 Contribuioemsentidoreversoparaasfaltas,passandopelo reldirecional.

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Figura 22 Coordenao do rel 67 com o(s) rel(s) 50/51 *CLUDIO MARDEGAN engenheiro eletricista formado pela Escola Federal de Engenharia de Itajub (atualmente Unifei). Trabalhou como engenheiro de estudos e desenvolveu softwares de curto-circuito, load flow e seletividade na plataforma do AutoCad. Alm disso, tem experincia na rea de projetos, engenharia de campo, montagem, manuteno, comissionamento e start up. Em 1995 fundou a empresa EngePower Engenharia e Comrcio Ltda, especializada em engenharia eltrica, benchmark e em estudos eltricos no Brasil, na qual atualmente scio diretor. O material apresentado nestes fascculos colecionveis uma sntese de parte de um livro que est para ser publicado pelo autor, resultado de 30 anos de trabalho. CONTINUA NA PRXIMA EDIO Confira todos os artigos deste fascculo em www.osetoreletrico.com.br Dvidas, sugestes e comentrios podem ser encaminhados para o e-mail [email protected]

Figura 21 Coordenao dos rels 67 com os rels de sobrecorrente

Para o circuito da Figura 21, necessrio ajustar o rel 67

coordenadocomorel50/51docircuitosobcurto-circuito.

Aplicao particular 4 Contribuio de motores para as faltas, passando pelo rel direcional.ComosoluoparaacondioapresentadanaFigura 22 est a coordenao do rel 67 com o(s) rel(s) 50/51 dos alimentadores.

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