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Introdução à Proteção de
Sistemas de Distribuição
Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen
1
Proteção de Sistemas de
Distribuição de Energia Elétrica
APRESENTAÇÃO
Esta Disciplina tem como objetivo:
- Apresentar recomendações de ordem prática sobre aaplicação de dispositivos de proteção contrasobrecorrentes (em sistemas de distribuição trifásicos);
- Dispositivos tais como:
- religadores
- seccionadores
- relés
- elos fusíveis
em suas várias combinações.
2
INTRODUÇÃO
Sistema Elétrico de Potência (SEP) inclui:
3
Geração;
Transmissão;
Subtransmissão;
Distribuição de energia elétrica.
INTRODUÇÃO
4
Classificação
de um SEP
Estações de Geração
Subtransmissão
69 - 169 kV
Distribuição
Primária
4 - 35 kV
Distribuição
Secundária
120 - 240 V
Sistemas de Distribuição
5
Dentre as etapas de produção, transmissão e distribuição de
energia, o sistema de distribuição mostra-se o mais vulnerável à
ocorrência de distúrbios geradores de interrupções no
fornecimento.
Isso se deve ao fato da proximidade com os centros urbanos,
extensão dos alimentadores e à características aérea de instalação
dos condutores.
A rede de distribuição é bastante ampla, já que a energia é
entregue aos consumidores concentrados em cidades, em
subúrbios e em regiões muito distantes. Poucos lugares no mundo
industrializado não recebem energia de um sistema de distribuição
prontamente disponível. Os sistemas de distribuição são
encontrados ao longo de ruas e estradas. Em meios urbanos eles
podem ser subterrâneos ou aéreos sendo que em alguns casos
podem ser de forma mista, já em meios rurais, eles são totalmente
aéreos.
Sistemas de Distribuição
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Todo sistema elétrico requer um sistema de proteção, visto que
este é uma das partes mais importantes de qualquer sistema de
potência, e com o sistema de distribuição não poderia ser diferente.
A proteção deve garantir uma boa confiabilidade e segurança na
operação e no fornecimento de energia. A qualidade no
fornecimento de energia é influenciada pelo número de
interrupções e afundamentos de tensão, é diretamente afetada pelo
sistema de proteção. Por essas razões a responsabilidade dos
engenheiros de proteção é extremamente grande.
Sistemas de Distribuição
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Os consumidores são afetados por vários tipos de distúrbios nos
sistemas de distribuição, tais como:
• sobretensões provocadas por surtos de manobras
• descargas atmosféricas
• problemas estruturais da rede
• problemas de natureza térmica
• atos de vandalismo
• curto-circuito.
Sistemas de Distribuição
8Descargas atmosféricas: uma das principais causas de faltas nos
Sistemas de Distribuição.
Sistema de Distribuição Exposto aos Agentes Externos
Sistemas de Distribuição
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Animais/Árvores
Sistema de Distribuição Exposto aos Agentes Externos
Sistemas de Distribuição
Pessoas (Vandalismo)
Sistema de Distribuição Exposto aos Agentes Externos
Sistemas de Distribuição
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Contaminação
Sistema de Distribuição Exposto aos Agentes Externos
Sistemas de Distribuição
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Arco elétrico em um Poste do Sistema de Distribuição
Sistemas de Distribuição
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Dentre os problemas citados anteriormente os efeitos das
correntes de curto-circuito (térmicos e dinâmicos) são os que
trazem mais prejuízos ao sistema elétrico.
Uma boa coordenação dos dispositivos de proteção de
sobrecorrente é um fato essencial para a manutenção da
confiabilidade e a integridade do sistema elétrico de distribuição.
Sistemas de Distribuição
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As faltas mais comuns e nocivas nas linhas são os curtos-circuitos, ou
faltas transversais. Durante essas faltas, há o contato de dois pontos da
linha com potencial diferente. Isso inclui a estrutura de suporte da linha.
Sistemas de Distribuição
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Tipos de Curto-Circuito na Distribuição
Sistemas de Distribuição
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Exemplo de Sistema de Distribuição
- Os números do diagrama acima mostram os nós onde deseja-se as
correntes de curto-circuito com a finalidade de coordenação do sistema.
Sistemas de Distribuição
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Proteção dos Sistemas de Distribuição
- A proteção do sistema de distribuição inclui a proteção de todos os
elementos do sistema de distribuição.
Subestação de Distribuição
Transformador de Potência;
Barramento.
Alimentadores
Transformadores de Distribuição
Banco de Capacitores
Reguladores
Sistemas de Distribuição
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Os dispositivos de proteção de sistemas de distribuição
que interrompem correntes de falta, tais como:
disjuntores (por meio da ação do relé), religadores,
fusíveis limitadores de corrente e de expulsão, possuem
uma função vital ao bom desempenho da proteção nos
sistemas de distribuição (SHORT, 2004).
A operação desses equipamentos de proteção deve ser
precisa e rápida. A confiabilidade de qualquer sistema de
potência requer a continuidade de serviço do sistema em
meio a condições críticas de faltas sem causar colapsos.
Assim, é necessário que haja uma operação rápida e
confiável do sistema de proteção (ANDERSON, 1999).
Sistemas de Distribuição
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A necessidade de otimizar a aplicação de investimentos, tem
servido como estímulo para inúmeras pesquisas, tais como:
alocação de dispositivos de proteção no alimentador e ramais
de distribuição, automatização do estudo de coordenação e
seletividade, monitoramento remoto com ajustes adaptativos em
tempo real, e desenvolvimento de relés eletrônicos
multifuncionais, com capacidade de englobar inúmeras funções
de proteção em único (e compacto) dispositivo.
A velocidade da evolução da tecnologia neste aspecto, não
libera o profissional de proteção de alguma forma da
necessidade de conhecer profundamente aspectos
relativamente básicos de proteção de sistemas de distribuição.
Isso se deve ao fato de que, no âmbito da engenharia elétrica, a
engenharia de proteção não se mostra necessariamente uma
ciência exata, mas sim como uma filosofia.
Sistemas de Distribuição
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O problema de maior prioridade para as companhias de energia
elétrica está relacionado à confiabilidade no fornecimento, uma vez
que tradicionalmente, os níveis de confiabilidade são definidos
através de normas reguladoras.
No Brasil, a ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica, órgão
do governo federal responsável por regular e fiscalizar a atuação das
concessionárias, estabelece os indicadores de continuidade,
métricas da qualidade do fornecimento de energia, apuradas nos
períodos mensal, trimestral e anual.
Sistemas de Distribuição
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Resoluções específicas estipulam metas para cada concessionária e
grupos de consumidores, sendo que no caso de violação das mesmas, a
concessionária sofre penalização na forma de multas.
Além desse fator e do prejuízo social sofrido pelas concessionárias –
este de difícil mensuração, o baixo desempenho do sistema de
distribuição afeta de modo direto o custo operacional da empresa do
ponto de vista do não faturamento de energia durante as interrupções,
principalmente quando os desligamentos afetam grande número de
consumidores ou consumidores de grande porte. Este aspecto do
problema gera uma segunda abordagem para a estimação da
confiabilidade.
Sistemas de Distribuição
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Em sistemas aéreos de distribuição, os esquemas de proteção devem atender aos
seguintes aspectos:
Salvaguardar a integridade física de operadores, usuários do sistema e animais.
Proteger materiais e equipamentos contra os danos causados por
sobrecorrentes e sobrecargas (efeitos térmicos e mecânicos).
Melhorar a confiabilidade dos circuitos de distribuição, em conseqüência da
possibilidade de restringir os efeitos de uma falta ao menor trecho possível do
circuito, diminuindo o número de consumidores afetados e deste modo,
melhorando os índices de avaliação na qualidade do fornecimento de energia
(DEC, FEC, etc.).
Racionalização dos custos com manutenção corretiva.
Uma rede primária de distribuição típica é mostrada na Figura (SHORT, 2004), e
os elementos que constituem uma rede de distribuição são (norma Bandeirante):
Sistemas de Distribuição
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Exemplo de sistemas
aéreos de distribuição
(rede de distribuição
típica)
Sistemas de Distribuição
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Estação Transformadora de Distribuição (ETD)
Subestação alimentada em tensão de transmissão ou
subtransmissão, através da qual são alimentados os circuitos de
distribuição primária.
Estação Transformadora (ET)
Subestação aérea constituída de um ou mais transformadores de
distribuição, alimentados em tensão primária, dos quais são
derivados os circuitos de distribuição secundária.
Estação Transformadora de Iluminação Pública (IP)
Subestação aérea do tipo ET para serviço de iluminação pública.
Entrada Primária (EP)
Consumidor alimentado em tensão primária. Poderão ser
aplicados os esquemas com 2 ou 3 relés de sobrecorrente
secundários (um para cada fase), mais o relé de Neutro.
Sistemas de Distribuição
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Rede Primária:
Conjunto qualquer de circuitos primários alimentados por uma ou
mais ETDs.
Circuito Primário:
Parte da rede elétrica destinada a alimentar diretamente ou por
intermédio de ramais ou sub-ramais as cargas elétricas conectadas a
ETs, IPs e EPs.
Tronco de Alimentador:
Circuito primário principal, alimentado através de um ETD, do qual
poder ser derivados ramais para distribuição de energia elétrica.
Normalmente é aplicado o esquema 2 (dois) relés de fase (ou três) +
1 (um) relé de neutro, em conjunto com um relé de religamento (79),
que é um relé auxiliar usado para comandar o religamento do
disjuntor correspondente após a abertura do mesmo, devido à
atuação dos relés de sobrecorrente.
Sistemas de Distribuição
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Ramal de Alimentador (Ramal):
Parte de um circuito primário derivado diretamente de um tronco
de alimentador.
Sub-Ramal:
Parte de um circuito primário que deriva diretamente de um ramal
de alimentador.
Existem basicamente duas configurações para aterramento dos
sistemas de distribuição trifásicos, ou seja:
os a quatro fios multi-aterrados (padrão norte americano)
os a três fios mono-aterrados (padrão europeu).
Sistemas de Distribuição
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Sistema trifásico a quatro fios com neutro multi-aterrado
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Sistema trifásico a três fios com neutro mono-aterrado
TERMINOLOGIA
Esta seção apresenta os principais termos utilizados em estudosde proteção e seletividade de sistemas de distribuição.
• Bloqueio:
Condição em que um dispositivo automático permanece, uma vez tendoefetuado uma ou mais operações de abertura de seus contatos, não osfechando novamente.
• Capacidade de interrupção ou abertura:
É a maior corrente que um equipamento pode interromper sem sofrerdanos.
• Capacidade nominal:
É o valor da corrente, tensão, potência ou outra grandeza que oequipamento ou circuito pode suportar continuamente, sem sofrer danos.
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TERMINOLOGIA
• Característica de operação:
É definida por uma curva tempo x corrente que descreve o modo como o religador, relé, elo fusível ou outro dispositivo de proteção atuará.
• Controle eletrônico ou hidráulico:
Dispositivo interno ao equipamento automático de proteção que conta o número de operações automaticamente, hidráulica ou eletronicamente, com a finalidade de estabelecer a condição de bloqueio do equipamento.
• Coordenação:
Ato ou efeito de dispor dois ou mais equipamentos de proteção segundo certa ordem, de modo a atuarem numa seqüência de operação pré-estabelecida, permitindo o restabelecimento automático para faltas temporárias e seletividade para faltas permanentes.
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TERMINOLOGIA
• Seletividade:Capacidade do sistema de proteção mais próximo da falta (dispositivo protetor) de antecipar, sempre, a atuação do equipamento de retaguarda (dispositivo protegido), independentemente da natureza da falta ser temporária ou permanente.
• Sobrecorrente:Corrente elétrica de intensidade superior à máxima permitida para um sistema, equipamento ou componente elétrico.
• Corrente de curto-circuito:Sobrecorrente que resulta de um curto-circuito.
• Curto-circuito:Ligação intencional ou acidental entre dois ou mais pontos de um circuito, através de impedância desprezível.
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TERMINOLOGIA
• Correntes de inrush:Correntes transitórias de valor elevado que circulam no momento da energização de transformadores e bancos de capacitores. O tempo de permanência dessa corrente é definido como sendo de 0,1 segundo.
• Dispositivo protegido:Também chamado dispositivo de proteção de retaguarda. É qualquer dispositivo de proteção localizado a montante (antes) do dispositivo protetor, considerando o barramento da subestação como origem.
• Dispositivo protetor:Também chamado de dispositivo de proteção principal. É qualquer dispositivo de proteção automático ou não localizado imediatamente antes do ponto de curto-circuito, considerando o barramento da subestação como origem.
• Faixa ou intervalo de coordenação:É o intervalo de valores de corrente que determina a região (faixa ou intervalo) onde a coordenação está assegurada.
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TERMINOLOGIA
• Defeito:
Termo utilizado para descrever uma alteração física prejudicial, que não impeça necessariamente o funcionamento do sistema ou equipamento. Por exemplo: transformador com pequeno vazamento de óleo ou relé mal calibrado.
• Falha:
Termo utilizado quando algum dispositivo deixa de cumprir sua finalidade. Por exemplo: relé que não operou no instante devido.
• Falta:
Termo que se aplica a todo fenômeno acidental que impede o funcionamento de um sistema ou equipamento elétrico. Por exemplo: isolador perfurado em uma linha em funcionamento poderá causar arco elétrico, tornando-se uma falta no sistema em conseqüência de falha na isolação.
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TERMINOLOGIA
• Falta temporária, momentânea ou transitória:
Evento temporário que gera um curto-circuito sustentado pela ocorrência de arco elétrico. Por exemplo: dois condutores tocam-se temporariamente, ocorrendo formação de arco elétrico sustentado mesmo quando os condutores afastam-se. Essa falta é eliminada com um rápido desligamento do circuito por um equipamento de proteção apropriado. Geralmente são causadas por fatores externos (umidade, chuva, salinidade, galhos de árvores), ou seja, ocorre um curto-circuito na rede sem haver um defeito físico na mesma.
• Falta permanente ou sustentada:
Toda falta que não é possível de ser eliminada com o desligamento temporário do circuito. Necessitam de reparo para haver o restabelecimento do circuito. Por exemplo: condutor caído no solo.
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TERMINOLOGIA
• Interrupção temporária, momentânea ou transitória:É aquela cuja duração é limitada ao período necessário para restabelecer o serviçoatravés de operação automática do equipamento de proteção que desligou o circuitoou parte dele.
• Interrupção permanente ou sustentada:Toda interrupção não classificada como momentânea.
• Pick-up do relé:Menor valor de corrente que ao passar pela bobina do relé faz com que o mesmoopere. É a menor de todas as correntes que deixam o relé no limiar de operação. Se[< pickup ]o relé em hipótese alguma ita fechar o seu contato NA.
• Drop-out do relé:Termo que se refere a desoperação do relé. É a maior corrente que inicia o processode desativação do relé, ou seja, restitua a posição inicial aos seus contatos,liberando-o para uma nova operação. Se [> drop-out] o relé em hipótese alguma iráabrir o seu contato NA que no momento está fechado.
• Reset ratio:Ou relação de rearme, corresponde a grandeza que mede a capacidade de recomposição do relé. Para relés eletromecânicos (65% e 92%). Para relés estáticos (85% e 98%). R mede a qualidade de um relé (100%).
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TERMINOLOGIA
• Tempo de arco:
É o tempo em que, iniciada a fusão do elo fusível, este demora para extinguir o arco elétrico.
• Tempo máximo de fusão do elo fusível:
Máximo tempo no qual a fusão do elo é garantida, para uma determinada sobrecorrente.
• Tempo máximo de interrupção do elo fusível:
É a soma do tempo máximo de fusão e do tempo de arco. Para a coordenação ou seletividade entre elos fusíveis, ou entre elos fusíveis e outros dispositivos, são utilizados o tempo mínimo de fusão e o tempo máximo de interrupção.
• Tempo mínimo de fusão do elo fusível:
Maior tempo que o elo suporta uma determinada sobrecorrente sem danificar-se. Para tempos superiores, a sobrecorrente causa uma fusão total ou parcial do mesmo.
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TERMINOLOGIA
• Tempo de rearme:
- De relés: Tempo que o relé de sobrecorrente leva para voltar à condição inicial. No caso do relé tipo disco de indução (eletromecânico), é o tempo que o disco leva para retornar ao ponto de partida, quando a corrente na bobina cai a um valor inferior à corrente de drop-out. Nos relés digitais, é o tempo que ele leva para voltar a condição de repouso após um comando de reset.
- De religadores: Tempo necessário para o religador retornar à contagem zero do número de ciclos de religamento, após uma seqüência de operações completa ou incompleta.
- Do seccionalizador: Tempo em que o seccionalizador perderá todas as contagens e voltará à contagem zero (tempo de memória).
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TERMINOLOGIA
• Religamento:
Operação que segue uma abertura dos equipamentos automáticos de proteção, quando os contatos são novamente fechados.
• Seqüência de operação:
Sucessão de desligamentos e religamentos de um equipamento na tentativa de eliminar faltas de natureza temporária sem prejuízo na continuidade do serviço. Se a falta persistir o desligamento do circuito deverá ser feito pelo equipamento mais próximo do ponto de falta (dispositivo protetor).
• Tempo de religamento ou intervalo de religamento (reclose interval):
É o tempo entre uma abertura e o religamento automático de um equipamento de proteção, isto é, o intervalo no qual o dispositivo de interrupção permanece com os contatos abertos.
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TERMINOLOGIA
• Zona de proteção:
Trecho da rede protegido por um dispositivo de proteção. Uma zona de proteção é limitada pela mínima sobrecorrente a qual o dispositivo é capaz de detectar, geralmente a corrente de curto-circuito fase-terra mínima.
• Zona de proteção primária:
Trecho de rede situado a jusante de um dispositivo de proteção que será sensibilizado quando ocorrer uma falta (permanente ou temporária) neste.
• Proteção de retaguarda:
É o dispositivo de proteção situado a montante daquele que está instalado na zona de proteção primária.
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Coordenação e Seletividade
• A existência de equipamentos com capacidade de religamento automáticorequer que eles estejam coordenados entre si e com outros equipamentos deproteção, de acordo com a uma seqüência de operações preestabelecidas.
• O termo coordenação é utilizado quando estiverem envolvidos equipamentosque dispuserem de duas curvas de operação (uma rápida e uma lenta -temporizada). O objetivo da coordenação é evitar que faltas temporáriascausem a operação de dispositivos de proteção que não tenham capacidade deefetuar religamentos automáticos e que, no caso de faltas permanentes, amenor extensão possível da rede permaneça fora de operação.
• O termo seletividade é utilizado nos casos onde somente equipamentos comuma única curva de operação (fusíveis, disjuntores) forem utilizados. O objetivoda seletividade é fazer com que o equipamento de proteção mais próximo dodefeito opere independente da falta ser temporária ou permanente.
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Coordenação e Seletividade
• A coordenação ou seletividade entre os equipamentos de proteção deverão serobtidas dentro da faixa de corrente comum aos equipamentos que se pretendeefetuar a coordenação ou seletividade.
• As características de atuação dos equipamentos de proteção deverão serescolhidas e ajustadas de modo à (norma Bandeirante):
Proporcionar desligamentos permanentes seletivos dos circuitos elétricos naocorrência de sobrecorrentes anormais, minimizando o número deconsumidoresatingidos por tais desligamentos;
Garantir que os limites de suportabilidade térmica dos vários equipamentos derede aérea não sejam ultrapassados durante a ocorrência de sobrecorrentesanormais.
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