Filosofia de Graduação de Proteção

Slide 1Filosofia e Critérios de Graduação da Proteção
Curso Proteção e Automação
CDSH – Recife, 15 e 16/9/2014
Gustavo Arruda
Filosofia e Critérios de Graduação da Proteção
hh:mm às hh:mm – intervalo
Tarde:
hh:mm às hh:mm – intervalo
PROTEÇÃO:
É a “ciência”, “capacidade” e “arte” de aplicar e ajustar relés ou fusíveis, ou ambos, proporcionando a máxima (ou melhor) sensibilidade para faltas e condições indesejáveis, mas evitando a operação dos mesmos em situações toleráveis ou permitidas para o sistema.
OBJETIVO PRINCIPAL DE UM SISTEMA DE PROTEÇÃO:
Minimizar ao máximo os efeitos decorrentes de situações indesejáveis no sistema elétrico de potência, isolando prontamente, pela atuação de relés de proteção ou fusíveis, equipamentos, ou até mesmo uma área com problemas ou sob falta.
DESAFIO DA PROTEÇÃO:
Distinguir com precisão entre as situações toleráveis e intoleráveis em tempos curtos.
CONCEITOS
E agora?
Componentes Simétricos
Básico em Operação do Sistema
Característica dos equipamentos
Habilidades - Conhecimentos
Habilidades, conhecimentos e um bom currículo provavelmente lhe darão um emprego.
Sua atitude vai lhe promover!
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O Sistema de Proteção é uma entidade sem fins lucrativos, não produz receita e é “desnecessária” durante a operação normal de um sistema elétrico de potência até que .....
Lembrete
Sistema de Potência
- Informações sistêmicas
*
O método das componentes simétricas foi inventado em 1913 por Charles L. Fortescue, da Westinghouse, quando investigava matematicamente a operação de motores de indução sob condições desbalanceadas. Seu artigo “Method of Symmetrical Co-ordinates Applied to the Solution of Polyphase Networks”, foi apresentado na 34a Convenção Anual do AIEE em 28 de junho de 1918, em Atlantic City. Esse artigo foi mais tarde publicado no AIEE Transactions, volume 37, part II, pag. 1027-1040. A aplicação do método aos estudos de curtos circuitos e distúrbios no sistema elétrico, na forma que conhecemos atualmente, foi introduzida por C. F. Wagner e R. D. Evans, também da Westinghouse, através da publicação de vários artigos técnicos na revista “The Electric Journal” da Westinghouse. Essa série de artigos deu origem ao clássico e ainda muito útil livro “Symmetrical Components”, publicado pela McGraw Hil Book Company, em Nova York, em 1933.
Informação de caráter histórico
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O uso das componentes simétricas constitui-se numa ferramenta importante e poderosa na resolução de circuitos polifásicos desequilibrados. Desequilíbrios típicos são aqueles causados por faltas entre fases e/ou terra, fases abertas, impedâncias desbalanceadas ou combinações destas. Muitos relés (funções) operam para grandezas de componentes simétricas. Portanto, o bom entendimento das componentes simétricas é de grande valor no manuseio dos sistemas de proteção. Alguns entendem que as componentes simétricas poderiam ser chamadas de “a linguagem” do engenheiro de proteção.
Daqui em diante vamos nos referir ao sistema trifásico, assumindo o mesmo, sempre balanceado até o ponto de falta. Num sistema trifásico balanceado ou simétrico, as fontes de tensão (geradores) são iguais em magnitude e defasadas de 120o entre si. As impedâncias das 3 fases são iguais em magnitude e ângulo de fase.
Componentes Simétricas (Revisão)
*

Componentes de sequência positiva:

Componentes de sequência negativa:

3 fasores de mesmo módulo, sem defasagem entre os mesmos.
*
Cada fasor do sistema original será igual à soma dos seus respectivos componentes. Por exemplo, para as tensões, tem-se:
*

1-a2 = √330o
a-a2 = √390o
a2-a = √3-90o
*
Daqui em diante a fase A será a referência. Portanto, omite-se o índice a por conveniência.
*
Para análise de condições de faltas desbalanceadas é conveniente representar cada rede de sequência em sua forma mais simples (reduzida) vista do ponto do defeito F, sendo a rede de seq. positiva representada por uma f.e.m. (do sistema) em série com a impedância de seq. positiva Z1, a rede de seq. negativa representada pela impedância de seq. negativa Z2 e a rede de seq. zero pela impedância de seq. zero Z0. Em outras palavras, o sistema de potência visto do local da falta F é considerado como um único gerador trifásico equivalente de tensão terminal E (tensão de referência fase neutro) e impedâncias de sequência de fase Z1, Z2 e Z0. Estas condições estão mostradas na figura abaixo:
Análise das Condições de Curto-Circuito
*

Em um ponto qualquer do sistema representado pelos equivalentes se sequência, havendo uma falta que provoque circulação de correntes de sequência positiva, negativa e zero, as tensões neste ponto serão
*
A seguir, algumas condições de curto-circuito são tratadas utilizando sempre a fase “a” como referência e a sequência de fases do sistema como “abc”. V1, V2, V0 representam as tensões de sequência de fase no local da falta, enquanto que I1, I2, I0 representam as correntes de sequência de fase fluindo para a falta.
Ib=Ic=0; Va=0; Zf=0
Como I1= I2= I0, os circuitos de sequência são ligados em série.
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(1)
(2)
(6)
Substituindo o valor de de (6) em (4) e usando (3), :
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Condições de contorno:
(1)
(2)
Condições de contorno:
(1)
(2)
(3)
(4)
Com as eq. (4), (8) e (11) conectamos os circuitos da forma abaixo indicada:
Exercício: determinar Ib e Ic para o curto b-c-terra através de Zf.
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Va=Vb=Vc (1), Ia+Ib+Ic=0 (2)
Z0.I0 = 0. (4)+(5)+(6) = Va+Vb+Vc=0. Usando a eq. (1) Va=Vb=Vc=0. ?????
(2) em comp. simétricas:
Como 1+a+a2=0, 3I0=0 e I0=0
(4)
(5)
(6)
Multiplicando (5) pelo operador “a” e subtraindo de (4) tem-se:
Dessa forma, com I0=I2=0 , a conexão dos circuitos de sequência é como abaixo:
, o que implica em I2=0
, e de
Sobrecorrente
4.6 Critérios (Z1, Z2, Zrev)
4.6 Situações (LT paralela (dentro e fora, fora e aterrada) infeed, outfeed)
5. Trafo-terra
6. Religamento
7. Sobretensão
Proteção Diferencial
A função diferencial é 100% seletiva e atua para faltas apenas dentro da zona protegida. Os limites da zona protegida são definidos pela localização dos transformadores de corrente. Não é necessário coordenação com outros sistemas de proteção, portanto permitindo trip sem retardo adicional.
Devido à simples comparação das correntes, o princípio diferencial é bastante direto.
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Prot Dif Restrita à Terra
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Trafo
Linha
Barra
Tempo inverso direcional
Todos os tipos acima são empregados individualmente ou em combinações, para proteção de fase e de terra de linhas.
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Normal Inversa (NI)
Muito Inversa (MI)
Extremamente Inversa (EI)
Normal Inverso
Muito Inverso
Exremamente Inverso
I = corrente de falta
Intervalo de coordenação (IC)
É o intervalo de tempo entre a operação da proteção local e a operação da proteção em uma subestação remota, para uma falta remota “vista” pela proteção da subestação local. Portanto, para essas faltas remotas, o tempo de operação da proteção local não deve ser inferior ao da proteção remota somado ao intervalo de coordenação. Faltas na linha remota devem ser eliminadas pelas proteções remotas com retaguarda das proteções da subestação local, como indicado na figura abaixo.
Proteção de Sobrecorrente - Linhas

O problema básico: como distinguir os locais entre faltas localizadas na fronteira entre as zonas de proteção.
Os ajustes devem garantir que as proteções de retaguarda de fase e de terra não operem nas áreas limites das zonas de proteção até que as proteções principais, responsáveis pela eliminação de defeitos naquela zona, tenham a chance de eliminar a falta.
Os ajustes corretos das proteções (principal e retaguarda) garantem que as mesmas serão seletivas ou coordenadas.
A figura da tela anterior mostra essa coordenação, considerando fontes em ambos os lados.
Sistemas radiais têm a mesma filosofia, exceto que as correntes fluem em apenas uma direção: da fonte para a carga.
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O principal objetivo é ajustar a proteção para operar o mais rápido possível para faltas na zona primária e ao mesmo tempo retardar o suficiente para faltas na área de retaguarda (backup).
Os ajustes devem ser definidos em valores inferiores à mínima corrente de falta para a qual os relés devem operar, sem no entanto operar para situações de sobrecargas previstas ou toleráveis.
Ocasionalmente essas exigências disponibilizam margens muito estreitas ou até mesmo nenhuma. Isso é especialmente válido para sistemas em anel, onde grande variação nas grandezas das correntes de curtos circuitos acontece devido às mudanças nas configurações operativas do sistema.
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As correntes podem ser altas durante períodos de carga máxima, onde normalmente a geração também é máxima, mas podem ser baixas em situações de carga leve quando equipamentos podem estar fora de operação. As variações nas correntes de faltas e as configurações correspondentes devem ser documentadas nos estudos de proteção. Normalmente, nos casos onde a coordenação não é possível, compromissos e recomendações são assumidos.
Pode-se concluir desde já que a tarefa de coordenação é também um processo de tentativas na busca da melhor alternativa de atender os critérios de sensibilidade e seletividade previamente estabelecidos.
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A principal aplicação da proteção de sobrecorrente a tempo inverso é em circuitos radiais, onde não se justifica a utilização de uma proteção mais cara, como proteção de distância, por exemplo.
O relé (função) de sobrecorrente opera quando detecta corrente superior ao valor de ajuste (pickup). Devido a característica de tempo inverso, o tempo será inversamente proporcional à relação entre a corrente “sentida” pelo relé e o valor ajustado. A essa relação dá-se o nome de múltiplo de pickup (MPU). Os relés de sobrecorrente a tempo inverso normalmente possuem uma família básica de curvas: normal inversa, muito inversa e extremamente inversa. Relés digitais, possuem, além dessas curvas básicas, outras curvas típicas, além da possibilidade de se programar curvas definidas pelo usuário.
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Para proteção de uma linha são utilizados normalmente 3 relés de fase e 1 de neutro. Pode-se também utilizar apenas 2 relés para fase.
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Filosofia:
Devem ser ajustadas para operar para todos os curtos entre fases e para a terra na linha protegida. Se possível, fornecer proteção de retaguarda para o trecho de linha adjacente, derivado da barra remota.
A proteção de sobrecorrente utilizada em linhas não deve operar para a corrente de carga máxima prevista ou durante contingências (51), assim como para os desbalanços de corrente devido ao carregamento monofásico e erros de TC (51N).
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Geralmente os critérios variam de acordo com as práticas adotadas nas empresas, consultores, etc.
Potências de curtos em barramentos e fluxos nas linhas provenientes de estudos de curtos circuitos.
A maioria das curvas fornecidas pelos fabricantes não mostra tempos de atuação para MPU inferiores a 1,5 – 2. Normalmente os fabricantes não garantem nas curvas, tempos de atuação para múltiplos inferiores a esta faixa.
Valores típicos de ajustes adotados são:
Relés de fase: MPU=3 para o menor curto trifásico que se deseja proteger, observadas as restrições de corrente de carga comentadas anteriormente.
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Relé de neutro: MPU=3-4 e pelo menos 2X maior que o máximo desbalanço devido ao carregamento monofásico. Ajuste típico 10% do ajuste do relé de fase.
Os MPU sugeridos acima, para relés de fase e de neutro atendem, na maioria dos casos, os efeitos de diminuição de corrente devido às resistências de defeito.
Informações técnicas obtidas de catálogos de fabricantes de relés.
O tempo de operação do relé para uma determinada corrente de curto deve ser inferior ao tempo de suportabilidade do relé a esta corrente.
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Na escolha da RTC consideram-se as correntes de curtos circuitos passantes pelo TC, a corrente de carga máxima na linha, e o carregamento secundário. A maior corrente de curto passante pelo TC não deve ser superior ao seu fator de sobrecorrente.
Estas e outras regras têm sido adotadas durante anos e a experiência mostra que são bastante eficazes, atendendo adequadamente a maioria das situações onde a proteção está diretamente envolvida.
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O relé deve ser ajustado para não sobrealcançar o terminal remoto, garantindo coordenação com as proteções das linhas derivadas daquele terminal, e ao mesmo tempo fornecendo proteção rápida a um apreciável trecho da linha.
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A Figura abaixo ilustra graficamente a utilização de proteção instantânea. Os trechos em cinza indicam a atuação da proteção instantânea. Apenas com proteção a tempo inverso, devido à necessidade de coordenação, os tempos não seriam tão rápidos quanto os instantâneos, até mesmo lentos em algumas situações.
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Normalmente a carga não é levada em consideração no ajuste da unidade instantânea. Embora não se possa adotar como regra, em geral pode-se ajustar a unidade instantânea de 125 a 130% da máxima corrente para a qual o relé não deve operar e 90% da mínima corrente para a qual o relé deve operar.
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Ajustar as unidades instantâneas dos relés das barras RA e RB do sistema abaixo (fator de assimetria)
Ajuste de Rb:

É necessário checar o comportamento do relé para a mínima e máxima faltas na barra B. A falta mínima na barra B é 800 A, que divididos pelo pickup do relé, 1350 A, corresponde a 0,59. Logo, o relé não opera. A falta máxima é 1500 A, correspondendo a um MPU de 1,11, fornecendo proteção a uma pequeno trecho da linha. Neste caso, poderia se abrir mão da utilização de relé instantâneo.
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A decisão de se utilizar ou não relés instantâneos depende dos tempos de eliminação de defeitos dos relés temporizados do exemplo 3. O fato do relé instantâneo só operar para a máxima corrente de falta de barra também indica que a vantagem de se usar relé instantâneo pode ser muito pequena. No entanto, se a fonte conectada à barra A é realmente um gerador, e não um equivalente de sistema, então tempos mais rápidos de eliminação da máxima corrente de falta se justificam, consequentemente a utilização de relé instantâneo.
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Relés de sobrecorrente direcionais são aplicados em circuitos de múltiplas fontes, quando torna-se necessário limitar a operação do relé para faltas em apenas uma direção. Nesses casos é impossível obter a seletividade desejada, ou adequada, com o uso de relés de sobrecorrente não direcionais.
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A necessidade de utilização de direcionalidade é ilustrada na figura acima. Como sistema radial (chave X aberta), os disjuntores 4 e 5 não recebem corrente de falta em F1. Na verdade, nessa configuração o disjuntor 4 seria dispensável. No sistema em anel (chave X fechada), não é possível ajustar os relés do disjuntor 4 para serem seletivos com os relés do disjuntor 5 para faltas em F2, e ao mesmo tempo manter coordenação entre os disjuntores 4 e 5 para faltas em F1. Dessa forma faz-se necessário a utilização de relés direcionais.
Relés de sobrecorrente direcionais (funções 67 e 67N)
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No sistema acima, para a chave X fechada, assumir que a corrente através de 4 e 5 é 100 A para uma falta em F1 e 400 A para uma falta em F2. Ajustando o relé 4 para um pickup de 25 A, obtém-se 4pu para a falta em F1 e 16pu para a falta em F2. Este relé deve, portanto, ser direcional para “ver” faltas apenas na direção do disjuntor 4 para o disjuntor 3. Ajustando o relé do disjuntor 5 em 125 A, contudo, consegue-se 3pu para a falta em F2, mas menos que 1pu para a falta em F1. Logo, não precisa ser direcional. Contudo, tal condição pode mudar com a ampliação do sistema e passar desapercebida até que um falso trip ocorra. Portanto, recomenda-se utilizar relés direcionais em ambos os locais.
Relés de sobrecorrente direcionais (funções 67 e 67N)
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TC - Polaridade
1 – Corrente entrando na polaridade de um enrolamento, sai na polaridade do outro enrolamento. Ambas estão em fase.
2 – A queda de tensão da polaridade para a não polaridade em um enrolamento está essencialmente em fase com a queda de tensão da polaridade para a não polaridade no outro enrolamento.
Obs: As correntes e tensões estão em fase porque a corrente de magnetização e a queda de impedância através dos transformadores são muito pequenas e podem ser desprezadas, o que é normal e prático para essas definições.
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Sobrecorrente direcional polarizado por tensão (60o)
Máximo torque ocorre quando a corrente fluindo da polaridade para não polaridade (Ipq) se atrasa 60º da queda de tensão da polaridade para não polaridade (Vrs).
Vrs
Ipq
Ib=Ic=0 Ia=3I0
67N polarizado por 3V0 (60o)
As conexões mostram que com a corrente de falta Ia fluindo na direção de trip e para a falta, as correntes secundárias fluem no relé de terra na direção polaridade para não polaridade. Para operação adequada deve-se usar -3V0 da polaridade para a não polaridade na bobina de tensão do relé. Assim o torque máximo ocorre quando a corrente da polaridade para não polaridade se atrasa 60o.
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LTs paralelas
Ajustes dos elementos de sobrecorrente devem considerar a perda de um dos circuitos (correntes: carga máxima e curto).
Acoplamento mútuo de seq. zero entre as linhas
Coordenação cruzada (em X)
Circuito remanescente assume carga total
Toda a corrente de curto na barra remota (embora menor que na situação normal) passa através do circuito remanescente.
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6900 A
Proteção de Sobrecorrente - Transformadores
Aplicação de relés de sobrecorrente a tempo inverso e/ou instantâneos em transformadores:
1 - Para proporcionar proteção primária quando relés diferenciais não são justificados.
2 - Como proteção de retaguarda quando relés diferenciais percentuais são usados.
3 - Como proteção faltas externas.
Abordaremos a aplicação de proteção de sobrecorrente aos trafos 230/69kV, ligação estrela-aterrada/delta, YnD1, maioria no sistema CHESF.
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Considerações sobre os elementos a tempo inverso:
Relés 51/51V (lado alta): devem ter sensibilidade adequada para faltas entre fases no lado de baixa e ao mesmo tempo não devem operar para condições toleráveis, como sobrecargas de curta duração, corrente de inrush e condições de emergência, como por exemplo, a perda de um trafo operando em paralelo. Devem coordenar com as saídas de linha de 69kV, considerando a contingência de perda de trafo paralelo. Observar também a coordenação com esquemas de alívio de carga por subtensão quando da ocorrência de faltas trifásicas.
Relés 51/51V (lado baixa): devem ter sensibilidade adequada para faltas entre fases no lado de baixa e, se possível, dar retaguarda para as faltas remotas no 69kV. Observar também a coordenação com esquemas de alívio de carga por subtensão quando da ocorrência de faltas trifásicas.
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- Relé 51N (lado de alta): sensibilidade para faltas para a terra na barra de 230kV e entre o disjuntor de alta e o primário do trafo. Deve ser seletivo com as proteções de terra das saídas de linhas de 230kV. O ajuste deve ser superior à corrente de inrush, observando-se inclusive os relatórios de transitórios de energização fornecidos pela área de estudos elétricos.
- Relés 51N (lado de baixa): devido à ligação delta do secundário, não necessita coordenar com outras proteções. Um pickup maior ou igual a 10% do pickup do relé de fase é normalmente utilizado, evitando-se atuações para desequilíbrios.
Considerações sobre os elementos a tempo inverso:
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- Relé 50N (lado de alta): deve ser sensível para faltas para a terra entre o disjuntor de alta e o lado de alta do trafo e não operar para faltas fase-terra na barra de 230kV pela impossibilidade de coordenar com as proteções de terra das saídas de linha de 230kV. Não operar para inrush.
Considerações sobre os elementos instantâneos:
- Relé 50 (lado alta): sensibilidade para faltas pesadas entre fases no primário dos trafos. Não deve operar para corrente de “inrush” nem para faltas no secundário.
- Relé 50 (lado baixa): desativado pela impossibilidade de coordenar com as proteções de fase das saídas de 69kV.
- Relé 50N (lado de alta): O ajuste deve ser da ordem de 10% do ajuste de fase para evitar atuações indevidas por desequilíbrios.
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Falta trifásica
Falta bifásica
Falta monofásica
Proteção de Distância
Pag. 108 livro Phadke, item 5.4 (5.4.1 a 5.4.4), item 5.9
Relé de distância
Característica dinâmica:
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Proteção de distância é mais utilizada nos sistemas de alta e extra alta tensão. Na Chesf, a partir do 69kV. Os relés de distância respondem às tensões e correntes, ou seja, a impedância no local do relé. Como a impedância por km é praticamente constante, esses relés respondem à distância entre o local do relé e o local da falta.
À medida que o sistema de potência se torna mais complexo e as correntes de falta variam com as mudanças de geração e configuração, os relés de sobrecorrente direcionais se tornam difíceis de aplicar e de ajustar para todas as contingências, enquanto o ajuste do relé de distância é constante para uma larga variedade de alterações externas a linha protegida.
Sob certas condições é desejável fazer com que os relés de distância respondam a outro parâmetro além de impedância, como, por exemplo, admitância ou reatância até o local da falta.
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Maior facilidade de coordenação
Zonas de proteção fixas, relativamente independentes das mudanças no sistema
Maior independência da carga
Admitância ou Mho: característica circular passando pela origem.
Reatância: tem a zona definida por uma linha paralela ao eixo R. A zona se estende ao infinito em 3 direções.
Quadrilateral: definida por quatro linhas retas
Impedância
Princípio fundamental
Independentemente do tipo de falta, as tensões e correntes que usadas para alimenta o relé apropriadamente são tais que o relé medirá a impedância de sequência positiva até a falta. Com isso, os ajustes das zonas de um relé de distância deve se basear na impedância de sequência positiva da linha, para qualquer tipo de falta.
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Determinação das tensões e correntes apropriadas para alimentar os relés de distância responsáveis para os vários de falta. Para tal, será usada como referência a figura abaixo.
F
Faltas entre fases
A representação de componentes simétricas para uma falta “b-c” no ponto F é
As tensões de seq. positiva e negativa no ponto F são iguais e dadas por:
E1f = E2f = E1 – Z1f.I1 = E2 – Z1f.I2 (1)
E1, E2, I1 e I2 são as componentes simétricas das tensões e correntes no local do relé. Z1 = Z2 da linha iguais. De (1) tem-se
(2)
No local do relé as grandezas de fase são dadas por
Eb = E0 + a2E1 + aE2 e Ec = E0 + aE1 + a2E2 (3)
(Eb – Ec) = (a2 – a)(E1 – E2), e (Ib – Ic) = (a2 – a)(I1 – I2) (4)
Substituindo valores retirados de (4) em (2)
(5)
Para uma falta fase-fase, alimentando-se um relé de distância com as diferenças de tensões e correntes entre as fases envolvidas, este relé medirá a impedância de sequência positiva até a falta.
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