Relés Diferenciais

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Protecao de transformadores

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6 CHAVES FUSVEIS

Proteo de Sistemas Eltricos

1 - introduo

Os rels diferenciais so a mais importante forma de proteo de transformadores de potncia, e podem estar submetidos a diferentes fatores que propiciam uma operao indesejada do disjuntor, ou seja:

correntes de magnetizao transitria do transformador;

defasamentos angulares;

diferenas de corrente em funo dos erros introduzidos pelos transformadores de corrente;

diferenas de correntes no circuito de conexo do rel em funo dos tapes do transformador de potncia.

Fig. 10.46 Rel diferencial na condio de no-operao

Fig. 10.47 Rel diferencial na condio de operao

1.1 Rels diferenciais de induo

a) importante notar que as correntes de uma mesma fase que circulam no rel diferencial no devem possuir diferenas angulares.

b) Os transformadores de corrente no devem apresentar erro superior a 20% at uma corrente correspondente a oito vezes a corrente do tape a que o rel est ligado, a fim de evitar uma atuao intempestiva do disjuntor.

c) A ligao do transformador de corrente deve ser executada de forma que, para o regime de operao normal, no circule nenhuma corrente na bobina de operao.

d) Como ser detalhado no Captulo 12, quando um transformador energizado, flui uma corrente de magnetizao de efeito transitria, tambm denominada de corrente de excitao, cujo valor significativamente elevada, visto pela proteo diferencial como um defeito interno ao equipamento. O valor de pico dessa corrente pode atingir valores compreendidos entre 8 a 10 vezes a corrente do transformador a plena carga. Alguns fatores atenuam a magnitude dessa corrente, ou seja:

impedncia equivalente do sistema de alimentao do transformador;

potncia do transformador;

fluxo residual;

maneira pela qual energizado o transformador;

Se o transformador for energizado quando a tenso est passando pelo zero natural, obtm-se a mxima corrente de magnetizao, o que, por probabilidade, uma situao difcil de ocorrer.

1.2 Rels aplicados na proteo diferencial

1.2.1 - Rels de sobrecorrente

Os rels de sobrecorrente constam normalmente de uma unidade de sobrecorrente instantnea, alm da unidade temporizada que o caracteriza. A unidade instantnea normalmente ajustada para um elevado valor de corrente. So de aplicao limitada por favorecer operaes intempestivas do sistema, de acordo com as seguintes causas:

corrente de magnetizao do transformador durante a sua energizao;

saturao dos transformadores de corrente em diferentes nveis, provocando correntes circulantes no circuito diferencial.

1.2.2 - Rels diferenciais com restrio percentual

Esse tipo de rel dotado de uma bobina de restrio cuja funo restringir a operao do rel, alm da bobina diferencial, conforme Fig. 10.47.

A corrente da bobina de restrio proporcional a , j que a bobina de operao conectada no centro da bobina de restrio. Assim, a relao da corrente diferencial para a corrente mdia de restrio mantm um valor fixo, sem contar, claro, com o pequeno efeito da mola de controle, no caso dos rels eletromecnicos.

O valor da restrio imposto aos rels estabelecido como uma percentagem da corrente solicitada pela bobina de operao BO para vencer o conjugado resistente ou de restrio, o que denominado normalmente inclinao caracterstica, cujo valor pode variar entre 15 a 50%. A inclinao percentual aumenta quando o rel se aproxima do limite de operao devido ao efeito cumulativo de restrio da mola e da restrio eltrica.

1.2.3 - Rels diferenciais com restrio percentual e por harmnica

Esses rels so os mais empregados nos esquemas de proteo diferencial, independentemente da grandeza do sistema ou de sua responsabilidade. Utilizam, alm da restrio percentual, as harmnicas presentes na corrente de magnetizao dos transformadores durante a sua energizao, a fim de bloquear a sua operao ou elevar o valor da corrente de acionamento, tornando-se vivel o ajuste de corrente de baixo valor e tempos de retardo reduzidos, sem o inconveniente de se ter uma operao indesejada.

Os rels diferenciais so tambm dotados de um determinado nmero de derivaes para se ajustar o balanceamento da corrente. Alm disso, h outro nmero de derivaes para o ajuste da inclinao caracterstica entre 15 a 50%.

O emprego desses rels justificado pelas seguintes razes:

elimina a possibilidade de operao do disjuntor durante a energizao do transformador ou mesmo durante o seu perodo de funcionamento normal;

apresenta um tempo de operao cerca de cinco vezes maior do que os rels sem restrio;

apresenta corrente de operao cerca de 2,5 vezes menor do que os rels sem restrio.

A bobina de restrio, BR, do rel apresenta, em geral, os seguintes valores de percentagem de harmnicos que consegue restringir, ou seja:

2 harmnica: 24%;

3 harmnica: 23%;

5 harmnica: 22%;

7 harmnica: 21%.

A restrio da 2 harmnica inibe a atuao do disjuntor durante a energizao do transformador. J a restrio das 3 e 5 harmnicas empregada para inibir o disparo do disjuntor durante um processo de sobreexcitao do transformador, como, por exemplo, quando ele est submetido a uma carga de elevado efeito capacitivo.

Quando houver uma diferena de 10 a 15% entre as correntes dos secundrios dos transformadores de correntes instalados em ambos os lados do transformador de fora em condies normais de operao, deve-se empregar transformadores de corrente auxiliares. aconselhvel aterrar os secundrios comuns dos transformadores de corrente em um s ponto para evitar falsa operao do rel diferencial.

A corrente de acionamento do rel diferencial diretamente proporcional ao tape escolhido. Quando o circuito de restrio estiver desenergizado, a corrente de acionamento ocorre, em mdia, a 40% do valor da corrente do tape utilizado, observando que, em geral, a unidade instantnea quando existir no oferece nenhuma restrio sua operao.

Fig. 10.48 Esquema trifilar Fig. 10.49 Ligao diferencial com TC auxiliar

Fig. 10.50 Ligao de um rel diferencial Fig. 10.51 Curva de um rel diferencial

Os rels diferenciais eletromecnicos so fabricados em unidades monofsicas, enquanto os mesmos rels na verso eletrnica so normalmente comercializados em unidades contendo a proteo das trs fases.

Em geral, so disponveis trs tapes de inclinao percentual da corrente de restrio, ou seja: 20, 30 e 40%, conforme se observa na Fig. 10.51. Tanto a corrente de restrio como a corrente diferencial nesse grfico so dadas em funo do mltiplo da corrente do circuito.

Para se determinar a percentagem da corrente de restrio de acordo com o grfico da Fig. 10.51, deve-se proceder da seguinte forma:

Determinar o valor mdio da corrente que circula pela bobina de restrio, ou seja:

- corrente que entra no rel pelo terminal ligado ao TC instalado no lado de alta tenso;

- corrente que entra no rel pelo terminal ligado ao TC instalado no lado de baixa tenso;

Determinar o valor da corrente diferencial, isto , a corrente que circula na bobina de operao do rel:

Determinar o ajuste da declividade percentual do rel:

Para facilitar a escolha das derivaes do rel diferencial pode-se calcular a matriz da Tab. 10.12, que corresponde relao entre os valores nominais das correntes dos tapes disponveis.

As Figs. 10.53, 10.54 e 10.55 demonstram os esquemas trifilares de proteo diferencial para diferentes tipos de conexo de transformadores de potncia.

1.3 Proteo de barramentos

O barramento principal de uma subestao concentra uma grande quantidade potncia e, portanto, pode provocar srias perturbaes no sistema eltrico quando est submetido a uma falta.

A proteo de barramento dever garantir para cada barra protegida uma rpida interveno da proteo, porm de forma seletiva.

Tab. 10.12 Matriz de relao das derivaes

Fig. 10.53 Esquema diferencial: conexo tringulo-estrela

A proteo de barramento pode ser realizada utilizando os seguintes mtodos:

proteo diferencial;

proteo de distncia, utilizando a segunda zona de proteo.

No presente caso sero apresentados os principais esquemas bsicos de configurao de barramento da subestao que pode merecer o emprego da proteo diferencial.

Um barramento de uma subestao pode ser projetado com diferentes configuraes, ou seja:

a) Arranjo em barra simples

Fig. 10.54 Esquema diferencial: conexo estrela aterrada-tringulo-estrela aterrada

Fig. 10.55 Esquema diferencial: conexo estrela aterrada-tringulo com transformador de aterramento

b) Arranjo em barra seccionada

Esta configurao se caracteriza pela instalao de dois barramentos conectados atravs de um disjuntor, conforme Fig. 10.57. Dependendo do tipo de proteo projetada, um defeito em quaisquer uma das barras (I ou II) provocar a desconexo de todas as linhas de alimentao e carga ligadas seo do barramento defeituoso.

Fig. 10.56 Barra simples Fig. 10.57 Barra seccionada

c) Arranjo em barra dupla com disjuntor e meio

Podem-se classificar as protees de barramento em trs arranjos fundamentais.

Fig. 10.58 Disjuntor e meio Fig. 10.59 Corrente diferencial

a) Esquema de corrente diferencial por simples balano de corrente

um esquema pouco utilizado. Neste caso, os secundrios dos TCs so conectados em paralelo e um rel de sobrecorrente conectado, de acordo com a Fig. 10.59. Como a soma vetorial das correntes nos alimentadores nula, logo no h corrente fluindo no rel de sobrecorrente diferencial unidade 87.

No entanto, existe na prtica diferenas de caractersticas tcnicas dos TCs