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INTRODUCAO 'A PROTECAO DOS SISTEMAS ELETRICOS
FICHA CATALOGRAFICA
.C191i
Caminha, Amadeu Casal, 1925lntrodu,ao a prote1ao dos sistemas eletricos. Sao Paulo, Edgard Blucher, 1977.
AMADEU C. CAMINHA Professor lil're-docente da Escola Federal de Engenharia de Itajubd, ·Minas Gerais
INTRODUcAO 'A PROTECAO DOS SISTEMAS ELETRICOS
Bibliografia. 1. Reles eletricos 2. Reles eletricos- Problemas, exercfcios . etc. 3.. Reles protetores 4. Sistemas eletricos - Prote,ao I. Trtulo.
77-0634
17. CDD-621.3178 18. -621.317 17. -621.3178076 18. -621.317076
indices para catalogo sistematico: 1. Dispositivos de prote,ao :Sistemas eletricos : Engenharia eletdca 621.3178 (17.) 621.317 (18.) 2. Exercfcios : Reles : Engenharia eletrica . 621.3178076 (17.) 621.317076 (18.) 3. Problemas : Reles : Engen haria eletrica 621.3178076 (17.)621.317076 (18.) 4. Reles :.Engenhariaeletrica 621.3178 (17.1 621.317 (18.) 5. Sistemas eletricos : Prote,ao : Engen haria aletrica 621.3178 (17.) 621.317 (18.)
~~
EDITORA ~DGARD BlUCHER LTDA.
CONTEUDO
© 1977 Editora Edgard Blucher Ltda. La Reimpressao 1978
PREFACIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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t.a PARTE INTRODU<;AO A PROTE<;AO Capitulo 1 FILOSOFIA DE PROTE(AO DOS SISTEMAS
1.1
E proibida a reproduriio total ou parcial por. quaisquer meios
Sem- autorizariio escrita da editora
EDITORA EDGARD BLOCHER LTDA. 0 1000 CA!XA PoSTAL 5450 END. TELEGRAAco: BLucHmUUVRo S.i.o PAULo-SP-BRASn.
Explora9_fio de urn sistema de energia e!etrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Programas de gera9iio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 3
1.1.2 Esquemas de interconexiio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 Conjunto coerente de prote90es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Tratamento estatistico dos defeitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.3 Aspectos considerados na prote9ffo..................................
5
1.4 Analise generalizada da prote9ffo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Caracteristicas gerais dos equipamentos de prote~_ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Caracteristicas funcionais do releamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 7 9
Capitulo 2
3 4
10
PRINCIPIOS FUNDAMENTAlS DOS REL.ES Definiciio e classificacao dos reU~s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 rei€: elementar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12 13
2.3 Qualidades requeridas de urn rele ............................. , . . . .
15
2.4 Crit6rios de existencia de falta e seus efeitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
2.1 2.2
Impresso no Brasil Printed in Brazil
2.a PARTE
INSTRUMEl\lTAL DA PROTE<;AO POR MEIO DE REL.l!:S
Capitulo 3 RELES DE CORRENTE, TENSAO E POTENCIA
3.1
Definic6es gerais.................................................. ................................... 3.3 Equa~ao universal dos reles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Ajuste dos reles de corrente .-. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Reles de tensao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Rele de balan~o de correntes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 7 Rele esthticO, tipo ponte .. , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320~&~~
19
w 23 24 26 27 28
3.8 Reles 3.8.1 3.8.2 3.8.3
direcionais ejou de potencia ...................... , .......... . Reles direcionais de potfncia ................................. . Re/es direcionais para prote¢o contra curto-circuito ............. , Rete direcional de efeito Hall ............................... . 3.8.4 Retes direcionais ........................................... . 3.8.5 Aplica~oes .................................... : .......... . Anexo I - Nomenclatura ASA ............ , , , ....... , ..... , . , .... , , , Exercicios ....................................................... .
29 29 30 32 32 32 35 38
Capitulo 4 RELES DIFERENCIAIS, DE FREQ00NCIA, DE TEMPO E AUXILIARES 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
Reles diferenciais . . .. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . .. .. . . . . .. . 4.1.! Rete diferencial amperimetrico ...... , , . .. .. . . .. .. . . . . . . .. . . .. . 4.1.2 Rete diferencia/ aporcentagem .............. , ...... , , , , ..... , , Reles de freqiiOncia .. . . .. . . . . . . . . .. . . .. . . .. . . .. . .. . . .. .. . . . . .. .. . Reles de tempo .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . . .. .. .. . . . . .. .. .. . . .. .. . . . . .. . Reles auxiliares ou intermedi3rios ....... , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplic!l\Xies .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Exercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50 51 51 52 55 56 58 59 59
Capitulo 6 RELES COM CANAL PILOTO 6.1 6.2
Introdu~o .................................. , .. .. . . .. .. .. .. . .. .. 61 Sistema de onda portadora por comparac.ao direcional . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Capitulo 7 REDUTORES DE MEDIDA E FILTROS 7.1 Introdu9iio ........... :. . .. . . . .. .. .. . . .. .. .. . . .. .. .. . . . .. .. . . .. .. 7.2 Transformadores de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 Caracterizafiio de um TC ............ , . . .. .. . . .. .. . . . . .. .. . . . 7.3 Transformadores de. potencial . . . . . . . . . . . .. .. .. . . .. .. . . . . .. .. . . .. . .. 7.3.1 CarGcteriza~iio de um TP ................................. ·...
69 69 69 74 7.4
Transformadores de potencial capacitivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
7.3.2
7.4 Filtros de componentes . . . . . .. .. . . . . . . .. .. .. . . .. .. . . . . .. .. . . .. .. . . . 76 Filtros de seqUencia zero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filtros de seqUencia negativa ....... :.......................... A~~~ ......................................................
77 78
Anexo I - Cargas tipicas para especifica¢o de TC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82 83 84
7.4.1 7.4.2
u
Anexo, 1.1 - Tensiies nominais para transformadores de potencial . . . . . . . . Exerclctos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1 Introdu~.iio .. . . .. . . .. . . . . . . . . . . . .. . . .. . . . . .. .. . . . . .. . . . . .. . . . . . . . 8.2 Retes semi-estitticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1 Rete de impedancia combinada ou olvn deslocado . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2 Rete direcional. .. . . .. .. . . . . .. .. . . . . .. . . . . . . . . . . .. .. . . .. . . .. . 8.3 Reles estaticos . . . . . .. .. . .. . .. . . .. .. .. . . . . .. .. . . . . . . .. .. .. . . . . .. . . . 8.3.1 Rete de sobrecorrente estdtico . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . .. . . . 8.3.2 Retes de distancia estdticos ..... , , , , , ................. , , .. . . .
86 86 87 88 89 90 92
Capitulo 9 PANORAMA GERAL DA PROTE«;AO DE UM SISTEMA 40 40 40 42 43 45 46 49
, Capitulo 5 RELES DE DISTANCIA 5.1 Introdu~.iio ..... , ........ , , ............. , , , .... , , ....... , . . . . . .. . 5.2 Causas perturbadoras na medi~iio , , ...... , ... , .............. , , , , .. . 5.3 Equa~es e curvas caracteristicas ............. , .. , ...... , . , , . . . . . . . 5.3.1 Rete de impeddncia ou olvn , , , , .... , , ... , , ... , ......... , .... , 5.3.2 Rete de reatancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. .. . . .. .. .. . 5.3.3 Rete mho ou de admit~ncia ...... , , .... , , .. . . .. . . . . . .. .. . . . . . 5.3.4 Rete de impedancia modificado .............. , ...... , . .. .. .. . . . 5.4 Indic~.oes de uso dos reles de distancia ........ , . .. . . .. .. . . . . . . .. . . Exercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Capitulo 8 RELES SEMI-ESTATICOS E ESTATICOS
n
9.1 Introdu~iio .................................... , .. .. .. . . . . . . . . . . . 9.2 Prote~.iio de geradores .. , ............... , , ..................... , . . 9.3 Prote~iio de transformadores ................. , , . . . . . . .. .. . . . . . . . . . 9.4 Prote~.iio dos barramentos .......................................... 9.5 Prot~o das linhas .................... , , ....................... , 9.6 Sintese dos tipos correntes de prote~iio de linhas ......................
98 98 99 100 100 102
3.8 PARTE APLICA~6ES DOS RELES AOS ELEMENTOS DO SISTEMA Capitulo 10 PROTE«;AO DAS MAQUINAS ROTATIVAS 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 10.10 10.11 10.1 10.13 10.14 10.15 10.16 10.17 10.18 10.19 10.20 10.21 10.22
10.23
Introdu~.iio .............................................. , .. . . .. . Prote~o de geradores ........ , ........ , , ....... , ............ , . , . . Esquematico de uma prote~iio de gerador. ........................... Protec§.o diferencial do estator contra curto~circuito ..................
Proteyao diferencial do estator contra curto-circuito entre espiras . . . . . . Prote~.iio diferencial do estator contra falta a terra .................... Prote~;_ao de r61aguarda do estator por meio de reles de sobrecorrente . . . . Prote¢o contra circuito aberto no estator ....... , .................. Protec_ao contt;a sobreaquecimento do estator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prote\'iiO contra sobretensiio ................................... :. . . . Protec_ao contra perda de sincronismo .... ~. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proteyao do rotor contra curto-circuito no campo .................... Protec.ao contra aquecimento do rotor devido a correntes desequilibradas do estator. ....................................................... Protec.ao contra perda de excita~;_ao ou de campo .................... Protecao contra aquecimento do rotor devido A sobreexcitacao ........ Protegiio contra vibra~iio ............................... : .......... Protecao contra motor.iza_cao ...................................... Proteyao contra sobrevelocidade .................................... Prote9_ao contra sobreaquecimento dos mancais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protec_ao de retaguarda contra falta externa .......................... Outras proteg5es diversas .. . . . .. .. . . . .. .. . . . .. .. .. . . . . . . .. .. . . .. . . . Protecao dos motores .............................................. Aplica~oes sobre prote~iio de gerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
109 I 09 111 112 115 116 117 ll8 118 119 120 120 121 123 124 125 125 125 125 125
126 126
128 ·
Exercfcios ........................................................ 142
Capitulo II
PROTE(:AO DE TRANSFORMADORES
Il.l lntrodu9ao ...................................................... 11.2 Protet;:iio contra curtoMcircuito interne nos enrolamentos .............. 11.2.1 Proter-iio diferencial percentual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.2 Prote(:iio de sobrecorrente .................................. 11.2.3 Proter-iio por meio de rete de pressiio ejou de gds ... , .......... 11.2.4 Proter;iio por derivar-iio ou massa-cuba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Protec_ao contra sobrecarga ........................................ Il.4 Prote9_ao de retaguarda ............................................ ll.5 Desligamento remota .............................................. 11.6 Aplicay6es sabre proter;ao de transformador ........................... Exercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capitulo I2
Protecao de sobrecorrente .......................................... 13.1.1 Curvas tempo-correnfe ................. ~ .................... 13.1.2 Principios de ajuste e coordenar.iio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 Proteyao de distfi.ncia .............................................. 13:2.1 Princ(pio de rnedida da impediincia .......................... 13.2.2 Ajuste dos relh de distdncia ..................... , . . . . . . . . . . 13.2.3 Comportarnento da prote9iio na perda de sincronismo ...... , ... 13.2.4 Efeito de urn Capacitor-.w!rie nas linhas ........................ 13.3 Protec_iio por meio de felcamento piloto ............................ 13.3.1 Releamento corn fio piloto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.2 Relearnento carrier ou de onda portadora ...................... 13.3.3 Releamento por rnicroonda .................................. 13.4 Aplicay6es de prot~_ao com re16s de distfincia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exercicios . ....................................................... I4.I 14.2 14.3 14.4 I4.5
PREFACIO
151 I 52 152 153 156
I 59 160 I6I 161 162 162 163 164 164 164 165 165
PROTEI;AO DE LINHAS
13.1
Capitulo I4
145 149 150 151
PROTE(:AO DE BARRAMF:NTOS
I2.I Introdu,ao ...................................................... 12.2 Sistemas de protec_ao de barras .................................... I2. 3 Prote9ao diferenciai de barras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.1 Releamento diferencial com retes de sobrecorrente . : ............ 12.3.2 Releamento diferencial percentual ............................ 12.3.3 Re/eamento diferencial corn acopladores lineares ................ 12.3.4 Releamento diferertcial corn rele de sobretensiio . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.5 Proter.iio diferencial comhinada .............................. 12.4 Protecao de retaguarda ............................................ 12.5 Protet;3o 'de massa ou dispersao pela carcaya ........................ 12.6 Proteyiio por comparae:§o direcional .....................-........... 12.7 Aplicay6es sobre protec_iio de barra ................................ Capitulo 13
I44 145
168 169 170 180 180 181 182 184 186 186 186 186 186 197
COORDENAI;AO DA PROTE(:AO DE UM SISTEMA Introdu9ao ...................................................... Principios de coordenat;_iio ........................................ A geometria da protey_iio .......................................... Metodo de verificac_ao gn'tfica de coordenay_iiO da protec_iio de sobrecorrente Conclusoes ...................................................... BffiLIOGRAFIA ............... , ................................
I98 198 199 199 208 210
"'
A dificuldade em encontrar urn livro-texto em portu,gues, aliado a necessidade de bern aproveitar o pouco tempo disponivel no curso de gradua9i[o para assuntos tao especificos, levaram-nos a tentativa de produzir este trabalho. Assim, pretendemos que ele venha a ser uma ponte realistica entre o ideal e o possivel. Basicamente o assunto foi dividido em !res partes. Na primeira, foi feita uma introdu<;ao a prote<;ao, apresentando urn sumario de principios filos6ficos que a caracteriza Na segunda, buscamos apresentar o chamado instrumental da prote9i[o, constando de uma descri9i[o sistematica dos reles e redutores de medida. Na terceira parte, apresentamos as aplicacl'les dos reles aos elementos do sistema, cobrindo o emprego em maquinas rotativas e estaticas, barramentos e linhas, completando-se com um capitulo referente a coordena9i[o da prote9i[o de sobrecorrente de urn sistema. Procuramos selecionar alguns exemplos numericos, buscando fixar os conceitos te6ricos, e apresentar ainda no final dos capitulos alguns exercicios a serem resolvidos. Por ultimo, consignamos em diversas oportunidades os assuntos cuja complementa9i[o e feita em cursos tnais avan<;ados. Gostariamos de dizer que esta obra s6 foi concluida gra<;as ao auxilio e estimulo de inumeras pessoas amigas. Em primeiro Iugar citaremos os carissimos companheiros com os quais trabalhamos em equipe, durante grande parte dos sete anos que lecionamos o assunto na Escola Federal de Engenharia de-Itajuha, em cursos de gradua9i[o e p6s-gradua<;ao. Sao eles os professores Marcio A. Curi (Siemens do Brasil) e Ademir C. Guimaraes (TRIEL), e os engenheiros Francisco Renno Neto (TRIEL), Eric Hermeto (CEMIG) e Amilcar A. Milasch (Furnas). Cabe-nos, tam bern, agradecer ao professor Rubens D. Fuchs, nosso dileto amigo e chefe do Departamento de Eletricidade, que, na forma das instruyiies da Diretoria da EFEI, concedeu-nos o imprescindivel apoio da Secretaria. A senhorita Sonia Maria Maia, os agradecimentos pela datilografia, e aos senhores Anchieta Nogueira B. Guimaraes e Argemiro dos Santos pelo trabalho de desenho. Ao senhor Mozart Jose Machado e senhorita Rita Maria de Oliveira, os agradecimentos pelo auxllio na montagem do texto. Esta lista de agradecimentos ficaria muito incompleta se nao registrassemos o irrestrito apoio recebido da Eletrobras, atraves de sua Diretoria de Opera<;ao de Sistemas, durante o tempo em que acumulamos as fun<;oes de professor e
coordenador do CU;rso de Engenharia de Sistemas Eletricos (CESE),no convenio entre aquela empresa e a EFEI. Finalmente, aminha esposa Julia e aos mens filhos academicos Julia Cristina e Julio Cesar, nossa imorredoura gratidao pelo carinho, compreensao e est.imulo com que nos envolveram durante os muitos meses dedicados a prepara~ao dest.a obra. ltajuba, junho de 1977 Amadeu. C. Caminha
1!'1 PARTE I ntroduc;ao a protec;ao
CAPITULO 1
FILOSOFIA DE PROTE<;AO DOS SISTEMAS
1 .1
Explora<;:ao de um sistema de energia eletrica
Em oposic;iio ao intento de garantir economicamente a qnalidade do servic;o e assegurar uma vida razoavel as instalac;oes, os concessionarios dos Sistemas de Energia Eletrica defrontam-se com as perturba<;Oes e anomalias de funcionamento que afetam as redes eletricas e seus 6rgiios de controle. Se admitirmos que, na fixac;iio do equipamento global, ja foi considerada a previsiio de crescimento do consumo, tres outras preocupa<;Oes persistem para o concessiomirio:
a elaborac;iio de programas 6timos de gerac;iio; a constituic;iio de esquemas de interconexiio apropriados; a utilizac;iio de urn conjunto coerente de prote<;Oes. 1.1.1 PROGRAMAS DE GERA!;AO Devem realizar o compromisso 6timo entre: a) a utiliza<;iio mais economica dos grupos geradores disponiveis; b) a repartic;iio geognifica dos grupos em servic;o, evitando as sobrecargaS' permanentes de transformadores e linhas de transmissiio, e assegurando nps principais nos de consumo uma produc;iio local sufieiente ao atendimento dos usuarios prioritarios, na hip6tese de urn grave incidente sobre a rede. 1.1.2 ESQUEMAS DE INTERCONEXAO Mesmo fugindo, por vezes, a condi<;iio ideal de realizac;iio da rede em malha, devido a razOes como a extensiio territorial e o custo, deve-se tentar atingir
os objetivos seguintes: a) limita<;iio do valor da corrente de curto-circuito entre fases a urn valor compativel com a salvaguarda do material constitutivo da rede; por exemplo, 40kA em 380kV, 30kA em 220kV, etc.;
/ntrod.UfiO fl protefiO dOS sistei1UlS eJetricoS
4
Filosofia de protefliO dos sistemas
Ainda para outro sistema de muita alta-tensao constatou-se, recentemente: a) desligamentos devidos a descargas atmosfericas: 10-20% do total; b) tempo media de interrupyiio de fomecimento aos usmirios, em periodo · de 10 anos, devido a tempestades, foi de 2,3 minjano, devido ao total de defeitos, foi de 12 min/ano; c) os defeitos fugitivos ou passageiros constituiram 95% dos casos totais ' e desses, 85% foram do tipo fase-terra.
b) evitar, em caso de incidente, inadmissivel transferencia de carga sabre as linhas ou instala~es que permanecerem em servi9o, impedindo-se com isso sobreaquecimento, funcionamento amirquico das prote~es, rutura de sincronismo entre as regioes ou sistemas interligados. 1.1.3 CONJUNTO COERENTE DE PROTE<;OES Para atenuar os efeitos das perturba~es, o sistema de proteyao deve: a) assegurar, o melhor passive!, a continuidade de alimenta<;iio dos usuarios; b) salvaguardar o material e as instala~es da rede.
E facil verificar-se que para urn sistema com boa coleta de dados estatisticos, devidamente t~atados, pode-se prever um sistema de proteyiio adequado, d~ntro de. nscos razoave1s. Voltaremos ao assunto quando da aplica9ao dos dJversos d!spOS!tiVOS de proteyiiO. No entanto, e born indicar que atualmente as falhas em urn sistema eletrico podem distribuir-se, aproximadamente, em: falhas devidas a natureza eletrica diversa, 73%; falhas de atuayiio de reles e outros clispositivos automaticos, 12%; falhas deVIdas a erros de pessoal, 15 %.
. No cumprimento dessas missoes ele deve: tanto alertar os operadores em caso de perigo nao imecliato, como retirar de serviyo a instalayao se M, por exemplo, um curto-circuito que arriscaria deteriorar um equipamento ou afetar toda a rede. Verifica-se, assim, que M necessidade de dispositivos de prote9ao distintos para: a) as situa~es anormais de funcionamento do conjunto interconectado, ou de elementos isolados da rede (perdas de sincronismo, por exemplo); b) os curto-circuitos e os defeitos de isolamento.
1.2
1 .3
As estatisticas conhecidas nem sempre sao completamente coerentes, segundo as cliversas fontes consultadas. No entanto, algumas informa96es sao particularmente uteis, por exemplo, nas fases de planejamento. No entanto, deve-se ter cuidado de lembrar nas analises, por exemplo, que a incidencia de certos tipos particulares de. defeito dependem da localizayao; assim, em lugares extremamente secas, como areas deserticas, as faltas terra silo mais raras, ao passo que em outros locais elas constituem maioria. Como inclica<;iio, em certo sistema de 132/275 kV, registrou-se a seguinte clistribui9ao de faltaS (em percentagem e capacidade instalada), em um ano recente:
A operayiio normal presume inexistencia de falhas do equipamento, inexistencia de erros do pessoal de operayiio, e inexistencia de incidentes ditos "segundo a vontade de Deus".
a
Linhas aereas (acima de 132 kV) Cabos (se incluidas as muflas) Equipamento de manobra Transformadores Geradores Equipamento secundario (TC, TP, reles, fia<;iio, etc.)
Sendo, pois, fUtil - se nao antieconomico - pensar-se em eliminar por . completo as falhas, segundo as estatisticas que apresentamos. providencias devem ser tomadas no sentido de prevenyiio ejou limitayiio dos efeitos das falhas. Algumas providencias na preven<;iio contra as faltas sao: previsiio de isolamento adequado, coordena<;iio do isolamento,
Percentagem do total anual
33% ou 9 % ou 10% ou 12% ou 7% ou
uso de cabos pilra-raios e baixa resistencia de p6-de-torre,
1 falta/80 km 2 (3) faltas/80 km 1 falta/450 MW 1 falta/15 MW 1 falta/40MW
apropriadas instru10iies de opera10iio e manuten,ao, etc. A limita10iio dos:lefeitos das falhas inclui: I I
29% ou 1 falta/150 MW
Aspectos considerados na protec;ao
Na prote<;iio de urn sistema eletrico, devem ser examinados tres aspectos: 1) opera9ao normal, 2) preven9iio contra falhas eletricas, 3) e a limitayiio dos defeitos devidos its falhas.
Tratamento estatfstico dos defeitos
Equipamento
5
:
limi_tayiio da magnitude da corrente de curto-circuito (reatores); ~ro]eto capaz de suportar os efeitos mecilnicos e ti:rmicos das correntes de defeito;
Introduf:iio il proterao dos sistemas eletricos
6 exist~ncia exist~ncia
de circuitos multiplos (duplicata) e geradores de reserva; de releamento e outros dispositivos, bern como disjuntores com suficiente capacidade de interrupyiio; meios para observar a efetividade das medidas acima (oscil6grafos e observaciio humana); finalmente, freqiientes analises sobre as mudancas no sistema (crescimento e desdobramento das cargas) com os conseqiientes reajustes dos reles, reorganiza<;iio do esquema operativo, etc. Verifica-se, pois, que o releamento e apenas uma das varias provid~ncias no sentido de minimizar danos aos equipamentos e int.errupe(ies no servico, quando ocorrem falhas eletricas no sistema. Contudo, devido sua situacao de verdadeira "sentinela silenciosa" do sistema, justifica-se a ~nfase do presente estudo.
a
1.4
Analise generalizada da prote9ao
Basicamente, em urn sistema encontram-se os seguintes tipos de proteciio: proteciio contra in~ndio, proteciio pelos reles, ou releamento, e por fusive1s, proteciio contra descargas atmosfericas e surtos de manobra. Urn estudo de proteciio leva, pois, em conta as seguintes consideraciies principals:
Filosojill de proteriio dos sistemas
7
Isso tudo, a urn custo da ordem de 2-5% daquele correspondente aos equipamentos prot.egidos. E, pois, urn seguro barato, principalmente considerando-se o tempo usual para depreciaciio dos equipamentos.
1.5
Caracterfsticas gerais dos equipamentos de prote9ao
Hi dois principios gerais a serem obedecidos, em
seqii~ncia:
1. Em nenhurn caso a proteciio deve dar ordens, se niio existe defeito na sua zona de controle (desligamentos intempestivos podem ser piores que a falha de atuaciio); 2. Se existe defeito nessa zona, as ordens devem corresponder exatamente aquilo que se espera, considerada que seja a forma, intensidade e localizaciio do defeito.
Disso resulta que a proteciio por meio de reles, ou o releamento, tern duas funcoes: a) funcao principal - que e a de promover uma rapida retirada de servico · de urn elemento do sistema, quando esse sofre urn curto-circuito, ou quando ele comeca a operar de modo anormal que possa causar danos ou, de outro modo, interferir com a correta operaciio do resto do sistema. Nessa funciio urn rele (elemento detetor-comparador e aiialisador) e auxiliado pelo disjuntor (interruptor), ou entiio urn fusivel engloba as duas funcoes ~ig. 1.1) BARRAMENTO
a) eletricas, devidas as caracteristicas do sistema de pot~ncia (natureza das faltas, sensibilidade para a instabilidade, regimes e caracteristicas gerais dos equipamentos, condicoes de operaciio, etc.); b) economicas, devidas importancia funcional do equipamento (custo do equipamento principal versus custo relat!vo do sistema de prot~iio); c) fisicas, devidas principalmente as facilidades de manutencao, acomodaciio (dos reles e redutores de medida), distancia entre pontos de releamento (carregamento dos TC, uso de fio piloto), etc.
a
E importante
dizer-se que o releamento, principal objetivo deste estudo,
minimiza: o custo de reparaciio dos estragos; a probabilidade de que o defeito possa propagar-se e envolver outro equipamento; o tempo que o equipamento fica inativo, reduzindo a necessidade das
reservas, a perda de renda e o agastamento das relaciies publicas, enquanto o equipamento esta fora de servico.
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H FIGURA 1.1
Conjunto rel8-disjuntor
b) funciio secundaria - promovendo a indicaciio da localizaciio e do tipo do defeito, visando mais rapida reparaciio e possibilidade de analise da efici~ncia e caracteristicas de mitigaciio da proteciio adot.ada.
/ntrodufiio-iz protefiiO dos sistemas eletricos
8
Dentro dessa ideia geral, os chamados principios fundamentais do releamento compreendem (Fig. 1.2): releamento prim{uio ou de primeira linha; releamento de retaguarda ou de socorro; releamento auxiliar. a) 0 releamento primario e aquele em que: uma zona de prote9Ao separada e estabelecida ao redor de cada elemento do sistema, com ~istas a seletividade, pelo que disjuntores sao colocados na conexao de cada dms elementos; h{l uma superposi9ao das zonas, em torno dos disjuntores, visando ao socorro em caso de falha da prote9ao principal; se isso de fato ocorre, obviamente, prejudica-se a seletividade, mas esse e o mal menor. ~ .. ~-~ .. , I
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' FIGURA 1.2
.Sensibilidade, seletividade, velocidade e confiabilidade sao termos cornumente usados para descrever as caracteristicas funcionais do releamento. Por vezes ha certas contradi96es na aplica9ao conjunta desses termos; assim, por exemplo, a velocidade de opera9Ao dos reles pode ter que ser controlada devido a razoes de coordena9ao com a velocidade de opera9Ao de outros reles em cascata, etc:
diminuir a extensao do dano ocorrido (proporcional a RI2 t); auxiliar a manuten9ao da estabilidade das maquinas operando em paralelo; melhorar as condi9iies para re-sincroniza9ao dos motores; assegurar a manuten9Ao de condi9iies norrnais de opera9Ao nas partes sadias do sistema; diminuir o tempo total de paraliza9Ao dos consumidores de en~rgia; diminuir o tempo total de nao libera9ao de palencia, durante a verifica9ao de dano, etc.
1 ,..
_..;,;~;;;..---+-o+---~~- I Protepoo do Borromento 1 ,-- --- 1 :....-- IntermediOrio 1 i I I I I
Caracterfsticas funcionais do releamento
Evidentemente, reles rapidos devem ser associados a disjuntores rapidos, de modo a dar tempo de opera9Ao total pequeno. De fato, com o aumento da .velocidade do releamento, mais carga pode ser transportada sabre um sistema, do que resulta economia global aumentada (evita-se, as vezes, a necessidade de duplicar certas linhas: ver Fig. 1.3).
I,
,.--
1.6
a) A velocidade ou rapidez de a9ao, na ocorrencia de um curto-circuito, visa a
I
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do Transformador
,.,\
I
1 --.,
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: ProteQao do Equipamento de ,_....-- Manobros e controle
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I
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b) 0 releamento de retaguarda, cuja finalidade e a de atuar na manuten9ao .do releamento primario ou falha deste, s6 e usado, por motivos economicos, para determinados elementos do circuito e soment!' contra curto-circuito. No entanto, sua previsao deve-se a probabilidade de oqorrer falhas, seja, na corrente ou tensao fornecida ao rele; ou na fonte de corrente de acionamento do disjuntor; ou no circuito de disparo ou no mecanismo do disjuntor; ou no proprio rele, etc. Nestas condi96es, e desejavel que o releamento de retaguarda seja arranjado independentemente das possiveis razoes de falha do releamento primario. Uma observa9ao importante e que o releamento de retaguarda nao substitui uma boa manuten9ao, ou vice-versa. c) 0 releamento auxiliar tern fun9Ao como multiplicador de contatos, sina- /" liza9ao ou temporizador, etc. ·
1
/----,- -,:------ ----t- -:.----.. I
9
Zoneamento d.a proter;ao
de Linha3
b) Por sensibilidade entende-se a capacidade da prote9ao responder as anormalidades nas condi<;iies de operayiio, e aos curto-circuitos para os quais foi projetada. E apreciado por urn fator de sensibilidade, da forma k = Jccmin/IPP' onde, e por exemplo,
lntrodu~fio
10
d prote~iio dos sistemas elltrlcos
Filosofia de prote(:iio dos sistemas
11
p 10
s .I
s
Tipos de Falto
T
s s T
s
fl 9
FIGURA 1.3
Relacionamento da pottlncia transmitida e velocidade do releamento
FIGURA 1.4
I"m'•
= calculada para o curto-circuito franco no extremo mais afastado da
I PP
= corrente primaria de opera9iio da prote9iio (valor minimo da corrente
se<;3:o de linha, e sob condi9iio de gera<;3:o minima; de
a~ionamento
ou de picape, exigida pelo fabricante do rele).
0 valor de k ;;. 1,5 a 2, e usual. c) Define-se confiabilidade como a probabilidade de urn componente, urn equipamento ou urn sistema satisfazer a fun9iio prevista, sob dadas circuns!Ancias. A longa inatividade, seguida de opera9ao em condi9(ies dificeis, exige do equipamento de prote9iio simplicidade e robustez, e isso tradilz-se em fabrica<;3:o empregando materia-prima adequada com mao-de-obra nao s6 altamente capaz, mas tambem cxperimentada. d) Por seletividade entende-se a propriedade da prote<;3:o em reconhecer e selecionar entre aquelas condi9oes para as quais uma imediat,a 6Pera<;3:o e requerida, e aquelas para as quais nenhuma· opera9ao ou urn retardo de atua9ao e exigido. EXERciCIOS l. Para cada uma das condi9(ies seguintes, e conforme esquema da Fig. 1.4, indicar quais disjuntores devem atuar. Supor inicialmente que s6 a prote<;3:o remota ou distante atue. Repetir o problema supondo que ambas as prote9(ies, local e remota, sejam usadas. Condi~oes
Prote~iio
Prote~iio
remota
remota e
local
a) Falta em f 1 eo disjuntor 9 falha na abertura b) Falta em f 2 e falha do rele diferencial de barra c) Falta em / 3 eo disjuntor 5 fal'la )la abertura d) Falla emf. eo disjuntor 3 falha na abertura
J
l,
I II
s T
Princfpios fundamentais dos retes
CAPiTULO 2'
PRINC[PIOS FUNDAMENTAlS DOS RELI~S
Os reles constituem a mais poderosa ferramenta do Engenheiro de prote9io. Por isso vamos inicialmente conhece-los como instrumental e, posteriormente, analisar suas utiliza~oes especificas.
2.1
Defini9ao e classifica9ao dos reles
Segundo a ABNT, o rele e urn dispositivo por meio do qual urn equipamento eletrico e operado quando se produzem vari~es nas condi~oes deste equipamento ou do circuito em que ele esta ligado, ou em outro equipamento. ou circuito associado. · Outras normas definem o rele como urn dispositive cuja fun9io e dete~ nas linhas ou aparelhos faltosos, perigosas ou indesejaveis condi~aes do sistema, e iniciar convenientes manobras de chaveamento ou dar aviso adequado. Ha uma grande variedade de reles, atendendo as diversas aplica~es, porem eles podem ser reduzidos a urn pequeno numero de tipos, didaticamente falando. Assim, podemos classificar os reles, basicamente: a) quanto as grandezas fisicas de atua9io: eh\tricas, mecAnicas, termicas, ·6ticas, etc.·; b) quanto natureza da grandeza a que respondem: corrente, tensao, potencia, freqiiencia, pres sao, temperatura, etc.; c) quanto ao tipo construtivo: eletromecAnicos (indu9io), meciinicos (centrifuge), eletronicos (fotoeietrico), estaticos (efeito Hli111 etc.; d) quanto a fun9io: sobre.e subcorrente, tensao ou potencia, direcional de corrente ou potencia,cdiferencial, distllncia, etc.; e) quanto a forma de conexlio do elemento.. sensor: direto no circuito primario ou atraves de redutores de. medida; I) quanto ao tipo de fonte para atua9io do elemento de controle: corrente altemada ou continua; g) quanto ao grau de importllncia: principal (51 ASA) ou intermedillrio (86ASA); h) quanto ao posicionamento dos contatos (com circuito desenergizado): normalmente aberto ou fechado;
13
i) quanto a aplica9io: maquinas rotativas (gerador) ou estaticas (transformadores), linhas aereas ou subterrllneas, aparelhos em geral; j) quanto a temporiza~lio: instantllneo .(sem retardo proposital) e temporizado (mecllnica, eletrica ou eletronicamente, por exemplo).
2.2
0 rele elementar
Seja urn circuito monofasico, contendo urna fonte de tensao (U), alimentando uma carga (Z), do que resulta llllfa corrente circulante (I) (veja a Fig. 2.1). Nesse circuito foi introduzido urn rele elementar, do tipo eletromecAnico: uma estrutura em chameira, composta de urn nucleo fixo e rima armadura move! a qual estlio solidarios o contato move! e uma mola, o que obriga o circuito magnetico ficar aberto em uma posi9io regulavel. 0 nucleo e percorrido por urn fluxo proporcional a Corrente do circuito, circuJando na bobina do reJi:, e isso faz com que seja possivel que 0 contato move! feche urn circuito operative auxiliar (fonte de corrente continua, nesse caso), alimentando urn alarme (lllmpada) ejou o disparador do disjuntor colocado no circuito principal, sempre que F, > F .... Por motivos de projeto, o valor I deve ser limitado e assim, sempre que excede urn valor prefixado I. (denominado corrente de atua.ao; de picape, de acionamento ou de opera~lio do rele), o circuito deve ser interrompido, por exemplo, pelo fomecimento de urn impulso de opera9io (10 , ) enviado a bobina do disparador do disjuntor, ou pelo menos, ser assinalada aquela ultrapassagem por urn alarme (lllmpada, buzina).
0=----
Diaporodor
Aiormt
~
---. Iop
r Clrc~outo Opervtivo +
a
Nile leo
. ,.. CARG"A
FIGURA 2.1
Rei~
elementar
Sabemos dos principios da converslio eletromecAnica que a for~a eletromagnetica (F,) desenvolvida atraves do entreferro (o) pelo fluxo no nucleo, e provocada pela corrente I na bobina do rele, segundo a formula de Picou, neste tipo de estrutura, e
14
lntrodu~ilo
d prote~iio d01 rlrtemar e/~trlcoa
onde K leva em conta a taxa de varia~iio da permeiincia do entreferro, o numero de espiras, e ajusta as unidades, convenientemente. Por outro !ado, existe a for~a da mola (Fml• opondo-se ao deslocamento da armadura. Ha, pois, no reh\: 6rgiios motores (bobina); .6rg1ios antagonistas (mola, gravidade); 6rg1ios auxiliares (contatos, amortecedores) do que resulta, no releamento, a presen~a de a) elemento &ensor - ou detetor - as vezes chamado elemento de medida que responde as varia<;lies da grandeza atuante (I), b) elemento comparador - entre a grandeza atuante (F,) e urn comportamento pre-determinado (Fm), c) elemento de controle - efetuando uma brusca mudan~ na grandeza de controle, por exemplo, fechando os contatos do circuito da bobina de disparo do disjuntor. Graficamente, uma fun~o I(t) pode mostrar o funcionamento do relt\ [Fig. 2.2(a)], a partir de urn instante (t 1) em que a corrente de carga inicial (I,) com~a a crescer, atingindo ap6s certo tempo (t 2 ) o valor da corrente de acionamento (I.). Durante urn intervale de tempo (t 3 -t2 ) o disjuntor atua abrindo q circuito, com o que em (t3 ) a corrente' come~a a decrescer; ao passar por (tJ, onde F, < F m, o relt\ abre seu circuito magnt\tico. t=ftt)
F
Fo
Ij
L--./ Foo
•o
,,
•• .
'2
F, 0 =for~ eletromagnt\tica de atua~o: e F mo = esfor~o inicial da mola;
e
=
compensa~iio
+ Fmo;
de atrito do eixo, peso pr6prio da armadura, etc.
Outros tipos de estruturas, algo mais sofisticadas, serao apresentadas adiante. No entanto, o principio basico de funcionamento dos relt\s t\ o acima descrito .
2.3
Oualidades requeridas de um rele
Para cumprir sua finalidade, os reles devem: a) .ser tao simples (confiabilidade) e robustos (efeitos dini\micos da corrente de defeito) o quanto possivel; b) ser tao nipidos (razoes de estabilidade do sistema) o quanto possivel, independentemente do valor, natureza e localiza~iio do defeito; c) ter .baixo consumo pr6prio (especifica~ao dos redutores de medida); d) ter alta sensibilidade e poder de discrimina~ao (a corrente de defeito pode ser inferior it nominal, e a tensiio quase an~lar-se); e) realizar contatos firmes (evitando centelhamento e ricochetes que conduzem a desgaste premature); f) manter sua regulagem,. independentemente da temperatura exterior, varia~oes de freqiiencia, vibra~oes, campos externos, etc.; g) ter baixo custo. A titulo de compara~iio silo dados valores tirados de urna proposta de fabricante, em valores relatives: l,Opu rele de sobrecorrente, instantaneo, monofasico 3,5pu relt\ de sobrecorrente, temporizado, trifasico 6,5pu rele de sobrecorrente, temporizado, direcional 12,0pu rele para fio piloto 56,0pu rele de distilncia, de alta velocidade Nas condi~oes acima, obviamente, ha aspectos contradit6rios que devem ser considerados em cada caso.
Fm t (bl
(al
FIGURA 2.2
·15
Prtnclplor j!mdamentala dos rei~•
Graficos auxiliares
Denomina-se rela~iio de recomposi~ao (dropaute, percentagem de retorno, ou de relaxamento) do relt\ o valor K, = I,/I., e que varia entre 0,7-0,95 na pratica, conforme o· tipo de rele. A esse valor de corrente de desatracamento, corresponde urn tempo de retorno do rele it sua posi~ao inicial, e que e importante em certas aplica<;lies, como veremos mais adiante. Verifica-se, pois, que para urn rele atuar e preciso haver uma for~a residual: F, = (F,- Fml > 0, e que esta representada na Fig. 2.2(b), onde F, = caracteristica eletromecanica da bobina "' KI 2 ; F m = caracteristica mecanica da mola de restri~ao "' Kx;
2.4
Criterios de existencia de falta e seus efeitos
Por defini~iio, defeito ou [alta e o termo usado para denotar urn acidental afastamento das condi~oes normais de opera~o. Assim, urn curto-circuito ou urn condutor interrompido constituem uma falta. Urn defeito modifica mais ou menos profundamente as tensoes e as correntes pr6prias ao 6rgiio considerado. Logo, as grandezas atuantes sobre os reles deverao ser ligadas, obrigatoriamente, aquelas altera~oes de m6dulo ejou argumento das correntes e tensoes.
IntrodufiiO aprotetiio dos sistemas eietricos
16
De fato, urn curto-circuito traduz-se por: a) altas correutes e quedas de tensao. No entanto, arnbas nao sao exclusivas do defeito; b) varia~iio da impeditncia aparente- correspondente a rela~iio tensiiojcorrente no local do rele - e que e brusca e maior na ocasiao do defeito do que nas simples varia<;Oes de carga. Logo, e um bom criteria discriminativo; c) aparecimento das componentes inversa (sequencia negativa) e homopolar (sequencia zero) de tensao efou de corrente, no caso de defeito desequilibrado, e de valor maximo no Iugar do defeito. Recorde-se aqui que o defeito desequilibrado comporta-se como gerador de sequencias negativa efou zero. Contudo, a presen~a de simples desequilibrio, nao obriga tratar-se de defeito, ou pelo menos de curto-circuito; d) acentuadas diferen~as de fase ejou amplitude entre a COrrente de entrada (I.) e de saida (IJ de um elemento da rede. Em geral, as correntes derivadas (magnetizante dos transformadores; capacitiva das linhas) sao pequenas comparativamente com as correntes de trabalho normais; assim, se a corrente derivada I 0 = (1. -I,) e grande, M defeito. Pode-se raciocinar, analogamente, com a diferen~a de angufo de fase entre I. e I,: cerca de 180' indica defeito interno · (inversao de sentido de I,) no elemento controlado.
E baseado nessas caso, na pr3.tica.
indica~oes que serao indicados os reles aplicaveis a cada
2~
PARTE Instrumental da protec;ao por meio de reles •
,I
CAPITULO 3
RELI~S DE CORRENTE, TENSAO E POTENCIA
Uma vez analisados os 6rgiios constituintes dos reles, examinaremos agora as principais combina<;iies desses elementos, constituindo-se em reles complexos. De fato, todos os tipos de reles siio derivados, seja diretamente desses elementos basicos, pela combina9iio de dois ou mais elementos na mesma caixa ou circuito com certas interconexoes eletricas, seja pela adi9iio dos conjugados de dois ou mais de tais elementos para controlar urn lmico par de contatos. Assim, a partir da chamada equa9iio universal dos reles, que deduziremos, combinando-se convenientemente as parcelas, faremos surgir todos os tipos de reles conhecidos, niio importa se dos tipos eletromecanicos, que seriio analisados inicialmente, ou estaticos.
3.1 .
~-
Defi ni96es gera1s
.
a) Rele de corrente - n.' 51 ASA - e aquele cuja grandeza caracteristica de atua9iio ou de acionainento e uma corrente fomecida ao reli:, seja direhimente ou atraves de urn transformador de corrente da rede. b) Rele de tensiio - n.' 59 ASA - e aquele cuja grandeza caracteristica de acionamento e uma tensiio obtida, seja diretamente ou atraves de urn transformador de potencial da rede. c) Os prefixos sobre e subcorrente ou tensiio, significam que o rele atua para valores acima ou abaixo, respectivamente, daquele pre-determinado. d) Contatos a (normalmente aberto) ou b (normalmente fechado) referem-se ao posicionamento dos mesmos, se o circuito esta desenergizado; e como aparecem nos esquemas.
e) C6digo ASA - nos esquemas de origem americana, e usual a indica9iio dos diversos elementos de urn esquema, segundo urn c6digo numerico que consta do Anexo I (American Standard Association). Os europeus usam simbolos graficos, preferencialmente. I) Por regime de urn rele entendem-se as condi96es sob as quais ele desempenha satisfatoriamente sua fun9iio. E normalmente referido a temperatura de 40 'C e tempo de circula9iio de corrente de 1 s (Norma ASA). Para tempos maiores, os reles seguem a lei 12 t = constante. Assim, urn rele (tipo BDD, dife-
Introdu~iio Q prote~iio
20
Ii
dos sistemas etetricos
rencial com restri9iio harmonica da General Electric) indicando no seu catalogo I 2 t = 48 400 = 2202 significa que admite 220 A, durante um segundo, ou seja, 220 A durante t segundos. g) 0 regime dos contatos refere-se a possibilidade do rele abrir ou fechar circuitos indutivos ou nao, sob tensao de corrente continua ou alternada Assim, um rele (IAC-53, tipo sobrecorrente da General Electric), conforme indica o catalogo, suporta 30 A x 250 V, contimiamente. Se a corrente que deve passar por ele for maior que 30 A, ou a tensiio aplicada superior a 250 V, exige-se um rele auxiliar com contatos mais robustos, por exemplo. h) 0 consumo proprio ou carregamento do rele refere-se it potencia associada com a bobina de acionamento do rele, ou com a impedancia dessa bobina (ohms) multiplicada pelo quadrado da corrente nela, e serve para especificar a potencia requerida dos redutores de medida (TC e T P). E dada nos catalogos em volt-amperes efou em e>hms, e sempre referida ao tape de deriva9iio minimo. Por exemplo, um rele (IAC-51, tipo sobrecorrente, da General Electric) com tapes de 4 a 16 A, para TC com secundario de 5 A nominal, representa 0,1 Q quando ligado no tape de deriva9iio de 4 A. Se for ligado a outro tape, basta lembrar que ZI 2 = constante. Assim, para o tape de 8 A, por exemplo, a impe-""
21
Retes de corrente, tensiio e potencia CONTATO FIXO
.JTii
ztape 4 ·I'tape 4 0,1
ou
X
z,.p,. =
42
--
!
,.
ANEL DE OEFASAGEM DISCO
FIGURA 3.1
.,
2 z tape 8 ·[tape 8'
= Ztape 8.
0,1(4/8) 2
=
ReiE§ de inducao tipo disco
82,
FIGURA 3.2
Conjugado desenvolvido no disco do rel8
o,oz5 n;
i) 0 regime termico indica o valor da corrente admissivel em certo tempo, sob aspecto de aquecimento. Por exemplo um rele (PCD, tipo direcional, da General Electric) indica, em seu catalogo, poder suportar ate 201. durante 3 s. Isso e importante, por exemplo, para OS reles que atuam temporizados, visando impedir danifica9ii0 por razoes termicas.
Ora, o fluxo ·vari3.vel induz uma tensiio da forma
e
de/>
= -Kn~,
dt
que aplicada ao disco metalico de resistencia R, faz circular nele uma corrente
da forma
.
e
Kn de/>
R
R dt
l=-=--~·
3.2
0 rele de induc;:ao.
E baseado sobre a a9iio exercida por campos magneticos altemativos (circuito indutor fixo), sobre as correntes induzidas por esses campos em um condutor m6vel constituido por um disco ou copo metalico (veja a Fig. 3.1). Co:rno es~e tipo de ·estrutura
e muito
usual, e· como precisamos introduzir
o conceito de rele direcional, vamos apresentar uma rapida dedu9iio da equa9iio do conjugado de um tal rele. Para isso, vamos analisar a Fig. 3.2 na qual aparecem dois fluxos senoidais c/> 1 e c/> 2 , cortando o disco, e defaseados de 0, gra9as ao anel de defasagem mos' trado na Fig. 3.1:
1 = 1 sen rot, <1>2
='c/> 2 sen(rot
+ 0).
Tomando-se apenas as trajet6rias assinaladas nota-se, pela Regra da miio esquerda, que hit o aparecimento de for9as F que, como sabemos, sao da forma: F
~
!.'>i
e cuja resultante sera proporcional ("") a F = (F2-F1)"" (c/>2. i¢1-c/>1· ic/>2)""
,·(q,
2
dc/>1_ d¢2)· dt
1
dt
Substituindo os valores de c/> 1, c/> 2 e suas derivadas, vern F = [c/> 2 sen(rot + 0)· 1 cosrot]-[c/> 1 senrot·c/> 2 cos(rot = c/> 1c/> 2[sen (rot + 0) ·cos rot- sen rot· cos (rot + 8)] =
+ 8)]
=
lntrpduc:iio aprotec:ffo dos sistemas eltftricos
22
23
Re/es de co"ente, tensiio e potencia
De fato, constata-se que
= c/> 1 c/> 2 sen [(cot + II)- cot] = = 4> 1 c/> 2 sen II,
sen(ll-c/>) = sen[II-(T-90")] = sen[(II-T)
+ 90] = cos(II-T),
atuando na dire~iio F 2 para F 1 , fazendo girar o disco e, portanto, fechar os contatos do rele. Se supomos, como e usual na pnitica, que a estrutura magnetica e simetrica, o fluxo de dispersiio e praticamente milo, e nesse caso c/> e proporcional a I, donde pode-se escrever (3.1) F = KI 1 I 2 senll,
ou seja, finalmente,
onde K e uma constante de proporcionalidade.; veja a Fig. 3.3. Constata-se que o valor F ,.., ocorre para sen II = 1 ou II ,; 90", o que exigiria perfeita quadratura entre os fluxos, algo dificil de obter-se na pnitica, ja que toda bobina tern certo valor de resistencia ohmica associado ao valor indutivo. Ou seja, pretendemos que o rele possa operar sob condi~o de conjugado maximo, resultante da for~a F, para qualquer valor de II, e niio unicamente. para 0 = 90".
o que vern demonstrar, no diagrama vetorial, que ha uma regiao de conjugado, em torno da posi~iio de Cmox' .90' a esquerda e direita, respectivamente. Surge, pois, do acima exposto, o conceito de direcionalidade dos reles, pois s6 ha con- . jugado para varia~oes de ·I 2 (grandeza de opera~o em rela~iio a grandeza de referencia I 11) desde o• ate 180'. Ou seja, se no defeito de curto-circuito, por exemplo, o sentido de I; se inverte, e possivel detetar, efetivamente, as condi~oes de defeito por meio desta varia~iio do angulo de fase, como sera discutido adiante. Na pratica, pois, ao inves de trabalhar-se com o valor 4>, que e o angulo de projeto do r~le, trabalha-se com T, denominado "angulo de conjugado maximo" do rele. E evidente, desde ja, que este angulo pode ser alterado pela simples modifica~iio do angulo c/>, adicionando-se resistores ejou capacitores no circuito das bobinas do rele. Assim, pode-se afirmar ser possivel obter para o rele qualquer angulo de conjugado maximo desejado, atendendo-se condi~oes peculiares de utiliza~iio. Por exemplo, o rele (R3Z27), tipo distancia, da Siemens, pode ser ajustado para angulos T = 60, 67, 73 e 80' por meio de reator, para perfeito casamento com angulos de impedancia de diversas linhas.
posi~Bo de t 2
para Cmdx
(3.2) indicando para cos (II- T) = 1 C,,1, para cos (II- T) 0 Cmox
I I __....;
)3 I
.,
I
ou ou
=
II= T, II=T±90,
I
I
I
3.3
'
FIGURA 3.3
No~ao de conjugado m8xi,mo do rete de induyi.'lo
Equa<;:ao universal dos reles
Foi visto anteriormente que, para urn rele de sobrecorrente, do tipo.charneira,
Para isso, na Fig. 3.3, vamos admitir que fa~amos a decomposi~iio da corrente I 1 em suas componentes indutiva (I") e resistiva (/ 1,) que circulassem, hipoteticamente, nas indutancia e resistencia puras. Aparece o angulo (I 1 i, I 1) = ,' angulo de projeto do rele, e a expressiio do conjugado (C), respeitada a conven~iio de sentido de contagem dos angulos, sera, agora, C = K·I"·I 2 ·sen(O-c/>).
Verifica-se tambem que C,.., da-se, quando sen(ll-c/>) = 1 ou
ou
11-4>=±90"
11=4>±90°
do que resulta aparecer a reta-suporte caracteristica do rele direcional coincidindo com I 1 ., e tambem o angulo T definidor do conjugado maximo, como indicado no catalogo. do f~bricante, e que seni discutido em detalhe adiante.
C = K 1 I 2'
ou
F
(3.3)
e para o rele tipo indu91io F
ou
C = KI 11 • I 2 · cos (II- T).
Se considerarmos que uma tensiio (U) aplicada a urn resistor de valor ohmico I I K, gera uma COrrente .
I=
U
1/K
=
K
U,
que e proporcional a tensao, pode-se concluir, de imediato, que o conjugado de urn rele de tensiio e da forma C = K 2 U 2•
(3.4)
Igualmente, substituindo-se na unidade direcional a grandeza de referencia I . por U, como e usual na pratica, resulta para essa unidade urn conjugado d~
JntrodufOO iz protefiiO dos sistemas e/etricos
24
/,'
fabricante (Fig. 3.5). No eixo vertical sao mostrados os tempos, em geral em segundos; no eixo horizontal aparecem as correntes de acionamento, em multiplos de 1 a 20 vezes o tape escolhido, em geral. Assim, o tape escolhido passa a ser o valor de atua9iio do rele, ou seja, o valor para o qual o rele come9a a atuar e realmente operaria seus contatos em urn tempo infinito; por motivos de seguran9a (problemas de atrito, por exemplo), costuma-se fazer com que a grandeza do defeito represente pelo menos uma vez e meia o valor de atua9iio (fator de sensibilidade). Como indica91io, e em igualdade de condi96es de escolha, em urn rele de caracteristica de tempo inverso, o valor de atua9iio ou picape deve ser escolhido na parte mais inversa das curvas, ou seja, multiplo baixo e dispositivo de temporiza91io alto.
forma geral (3.5)
C = K 3 Ulcos(9-T).
Finalmente se lembrarmos que a constante de mola deve ser representada,
por exemplo, p~r K 4 , resulta que, reunindo-se essas expressOes em um3. Unica,
o conjugado de urn rele complexo sera C = K 1I 2
+ K 2 U 2 + K 3 Ulcos(9-T) + K 4 ,
(3.6)
denominada equafiiO universal do conjugado dos reles, de enorme utilidade na nossa analise futura.
3.4
Ajuste dos reles de corrente
1
A maioria dos reles tern uma faixa de ajuste que os torna adaptaveis a uma larga faixa de circunstancias possiveis. Linha
7
I
6
I·
5
~
r ___\ __
~
~
1
\\ l\\1\
.l\',\
E 3
w
ili
Temporizas:So{D.T.I
~Auxitiar
~
'
Reou\ogem
Fonte
2
\
'\
DJSPOSITIVO DE
I'\ ~
TEMPORIZA9A'O
TT 1'.: to=or
~
'rI
~
-~
~ ~ r-.. ~ r-
t'-. ~ 0
1.5 2 MUltiplos
FIGURA- 3.5 FIGURA 3.4
\
"'· f\ ~ R " •
Reie"
vda
f------1
·'l\\ I' \
• , •
Di sjun'tor
'' '' '' . . - - - - - - - - J' L
25
Reles de corrente, tensiio e potencia
j-2
-...
-
t--
112
:5 4 5 6 7 8 910 15 do Corrente de Acionomento do Rete'
20
Aspecto das curvas. tempo-corrente dos 'reles
Esquemfltico de conjunto rele-disjuntor
Ha normalmente dois ajustes (Fig. 3.4): a) ajuste de corrente - feito seja pelo posicionamento do entreferro, ou pelo tensionamento da mola de restri9iio, por pesos, por tapes de deriva9iio da bobina, etc.; e 0 que se chama ajuste de tape; b) ajuste de tempo - e feito regulando-se 0 percurso do contato move! (chamado ajuste do dispositivo de tempo - DT), ou por meio de dispositivos de temporiza9iio diversos. Embora esses ajustes sejam feitos independentemente, a interdependencia e mostrada nas chamadas curvas tempo-corrente, fornecidas no cat:ilogo do
Urn tipico rele de sobrecorrente e mostrado na Fig. 3.6 (tipo RSA, da CdC). Nele veem-se duas armaduras; uma delas recebe a bobina com os tapes de tempo inverso e a outra corresponde it atua9iio instantanea do rele. Nesse modelo o disco gira continuamente, para a corrente nominal; se M corrente de falta, uma pe9a metalica (armadura de embreagem) e atraida pela armadura da bobina e, com isso, engrena o quadro de embreagem, contendo urn parafuso sem-fim, com o setor dentado portador de uma haste que, ao subir, bate na palheta de disparo, com o que se fecham os contatos do rele. Se a corrente de defeito e muito violenta, urn ressalto de regulagem do elemento instantaneo atua diretamente sobre uma pe9a em balan9o, fechando os contatos do rele, sem temporiza91io.
/ntrodu~iio
26
aprote~iio dos sistemas eletricos
27
Re/es de co"ente, tensiio e potencia
Verifica-se que, a partir da equa~ao universal dos reles, pode-se mostrar que o conjugado (C) de urn rele de corrente e C = K 1 I 2 -K 2 ,
onde K 2 pode significar uma mola de restri~iio, urn ima permanente uniformizador da velocidade do disco, etc., dependendo da concep~ao fisica do rele. Contato
N'Ucleo
Arnpola de Hg
FIGURA 3.7 Parafoso
Urn exemplo de estrutura fisica e mostrada na Fig. 3.7 (tipo RO, da CdC). 0 rele compreende urn circuito magnetico fixo, em duas pe~as, a bobina, a armadura move! pivotando em torno do eixo de modo a bascular a ampola de mercurio, com isso estabelecendo o contato entre os terminais; a mola de restri~o recoloca a armadura na posi~o de repouso ap6s a passagem da perturba~o (por exemplo, uma sobretensao) e serve ainda como regulagem do rele.
Sem-Fim
Setor Dent ado
3.6 Espira de Frager
FIGURA 3.6
Esquemlltico de rele de tensao tipo RO da CdC
Vista esquemfltica do rel9 de corrente RSA da CdC
Rele de balan<;o de correntes
:E urn tipo muito usual, tanto para fins de sobrecorrente, como de unidade direcional. Conforme esta esquematizado na Fig. 3.8, o conjugado desse rele, supostas as correntes I 1 e I 2 em fase, e C = K 1 Ii-K 2 I~-K 3 •
3.5
Refes de tensao
Sao aqueles que reagem em fun~o da tensao do circuito eletrico que eles guardam; sua equa~ao de conjugado e da forma C=K 1 U 2 -K 2 ,
tendo, portanto, urn funcionamento muito semelhante aos reles de corrente, exceto pelo fato de que sao, mais usualmente, nao-temporizados. 0 emprego tipico e, por exemplo, como: a) rele de maxima - efetuando abertura de urn disjuntor quando a tensao no circuito (V) for maior que urn valor de regulagem (V,:); b) rele de minima - no caso contrario, por exemplo, quando V < 0,65 V,:; c) rele de partida ou de acelera~ao - usado para curto-circuitar degraus de resistencia em dispositivos de partida, para acelera~o de motores.
Se desprezarmos o efeito da mola (K 3 = 0), no limiar de opera~ao (C = 0),
vini K 1 Ii
= K 2 I~,
resultando a equa~iio da caracteristica !fe apera~iio I 1 =ff!:·I 2
Se o efeito da mola nao for desprezado, no limiar de teriamos I2=
JKK-KI2·I, K 3
1
2
2
1
opera~ao
(C
=
0),
~
I
28
Introduriio iJ proteriio dos sistemas eletricos
i
.
Reles de corrente, tensiio e potincia {
-==c~=:=::3c:•=rm=a=d~u~ra~
Cent~
29
Se chamarmos a corrente de Of't'ra~iio de I 0 e a corrente de restririio Je I r (proporcional a uma tensao aplicada sobre urn resistor Z), e K 3 sendo uma constant.e semelhante a afYao de uma mola, vini C = K 1 I~-K 2 I;-K,,
e a Fig. 3.9 retrata essa solu91io muito comurn nos reles modemos, tipo estado solido (semi-est:itico, no caso).
-Ir
Corocteristioa de Operos;Oo
Rei~
( Bobinal
FIGURA 3.8
Esquemlltico de rele tipo balanc;:o de correntes FIGURA 3.9
on de, supondo-se I 2 = 0, vern
I,= fK.,
"K,
que faz a caracteristica de opera91io fugir, na origem, da linha reta antes definida (ou seja, mesmo com corrente de restri91io I 2 = 0, exige-se. c:rto valor da corrente de opera91io I 1 , para veneer a a91io da mola de restn9ao K 3 ). Esse tipo de rele e usado ainda, por exemplo, para prote91io de enrol.amento de fase dividida de geradores, ou para prote91io de linhas paralelas samdo de urn barramento. Na forma de unidade direcional, como ja sabemos, a equa91io de conjugado aparece na forma de produto das grandezas de opera91io e restri91io. Para aumentar a sensibilidade, ao inves de trabalhar com as grandezas stmples I 1 c I 2 • usam-se as fun9oes soma (I 1 + I 2 ) e diferen9a (1 1 -I 2 ) das mesmas. Resulta, para a equa91io do conjugado da unidade direcional (se I 1 e I 2 estao em fase): 0
C = K 1 (I 1
+ I 2 )(l 1 -I 2 )-K 2 •
Nela, verifica-se que, se (I 1 # I 2 ), have~i':conjugado em urn ou outro sentido, dependendo do valor relativo de I,. em rela91io a I 2 •
3.7
Rele estatico. tipo ponte
Ao inves da estrutura eletromedlnica, tipo viga de balan9o, pode-se usar duas estruturas retificadoras, tipo ponte, atuando sobre urn sensivel rele de bo bin a m6vel.
3.8
Esquem8tico de rele semi-estatico. tipo ponte
Reles direcionais e/ou de potencia
Foi visto anteriormente que urn rele direcional e capaz de distinguir entre o fluxo de corrente em uma dire~tao ou outra; em circuito de corrente alternaJa issO e feito pelo reconhecimento do angulo de fase entre a Corrente e a grandeza de polariza91io (ou de referencia). · Ha basicamente dois tipos de reles direcionais: aqueles que respondem ao fluxo de potencia normal e os que respondem a condi9oes de falta (curto-circuito). 3.8.1
RELI~S DIRECIONAIS DE POTENCIA ·
Sao conectados para serem polarizados por uma tensao de urn circuito, e as conex5es de corrente e as caracteristicas do rete sao escolhidas tal que o conjugado maximo do rele ocorra quando uma carga com fator de potencia unitcirio percorre o circu,ito. Assim, se urn circuito monofitsico e envolvido, usa-se urn rele direcional que teni conjugado maximo quando a corrente esta em fase com a tensiio; o mesmo rele pode ser usado em urn circu~ito trifcisico,· caso a carga seja suficientemente bern equilibrada. Neste caso, a Fig. 3.10(a) mostra as conex5es apropriadas. Outra forma de conexiio usual, conforme a Fig. 3.10(b) mostra o conjugado maximo obtido quando a corrente no rele estit adiantada de 30' em rela9iio it tensao. No caso da carga do circuito trifasico ser suficientemente desequilibrada, tal que urn rele monofcisico niio seja suficiente, ou ainda, quando uma corrente de atua9iio muito baixa seja requerida, usa-se urn rele polifitsico. Este consta
lntrodu~Oo
30
i1 prote9iio dos sistemas e/etricos
31
Retes de corrente, tensiio e potencia I
i a
desejado ajuste de conjugado, foi mostrada anteriormente. Na Fig. 3.11, urn rele tipo RWV, da CdC, esta ligado a uma rede, e mostra uma caixa de acess6rios que permite ajustes convenientes na obten9iio de diferentes angulos de conjugado maximo (T ).
• c
(
c
11>_
a
a
I
8
(b)
FIGURA 3.10
Disjuntor
Alimentayao de rele direcional de potAncia
Elemento 1 2
3
Tensiio
I. I, I,
Isso deve-se ao fato de que os reles de potencia sao usados geralmente para responder a certa dire9ao do fluxo de corrente sob condi9Des aproximadamente equilibradas, bern como sob magnitudes normais de tensiio. .Os reles de potencia sao disponiveis com ajuste da minima corrente de atua9ao; assim, eles podem ser calibrados seja em fun9iio da minima ~orrente de atua~ao, em amperes, sob tensao nominal, ou em termos da mimma potencia de atua9ao, em watts. Assim sendo, tais reles podem ser ajustados para responder a qualquer desejada quantidade de energia suprida em uma dada dire9ao. De fato, !'sses reles sao wattimetros com seu mecanisme substituido por contatos e tendo uma mola de controle. Os reles direcionais de potencia tern usualmente caracteristicas temporizadas para impedir opera9ao indesejavel durante as momentaneas reversoes de energia, como quando dos surtos de potencia sincronizante dos geradores ou das reversoes de energia quando ocorrem curto-circuitos. Esta temporiza9[o . pode ser resultante de uma inerente caracteristica de tempo inverso, ou pode ser provida por urn temporizador independente. 3.8.2 RELES DIRECIONAIS PARA PROTE<;AO CONTRA CURTO-CIRCillTO · Como os curto-circuitos envolvem correntes bastante atrasadas em rela9ao a posi9ao de fator de potencia unitario, e desejavel que os reles direcionais para prote9iio contra curto-circuito sejam arranjados para desenvolver conjugado maximo sob tais condi9oes de corrente atrasada A tecnica para se obter qualquer
l
+ MAA AAAA MA
r
<
Corrente
v., v,, v..
bl 11
realmente de tres unidades monofasicas cujos conjugados sao adicionados para controlar urn unico jogo de cantatas. As grandezas de atua9ao de urn tal rele podem ser quaisquer de varias combina95es, mas freqiientemente sao usadas as seguintes:
A.UJUIJGt
II ,,,,lot ;r Tv v vLq o;...,a...
<
)
~
t;· t-' 1>: I-<
~~~
•ljc
•I 'lo
c::::J Coixo de Ac•sscirios
8-
1 l:....i
fl'!'!! +~v
~~ Rele RWV·
FIGURA 3.11
t
EsquemBtico de rele direcional tipo RWV-1 da CdC
Em caso de curto-circuito a instala9ao passa de. uma condi9[o de fator de potencia 0,90' a o;3o (angulos passando de :is• a 75°, por exemplo). Assim, pode haver urn grande numero de conexoes possiveis, mas na pratica, apenas algumas sao usuais. Mais exatamente, elas sao conhecidas como conexoes 90° (quadratura1 30• (adjacente) e 60°, conforme e mostrado na Fig. 3.12, referido ao rele para defeito fase a- fase b. Esses nomes descrevem a rela9ao entre a corrente na bobina de corrente e a tensiio de referencia, sob condi9[o de fator de potencia unitario da carga.
FIGURA 3.12
Alimentay§o de rele direcional de curto-circuito
Reles direcionais para prote9ao contra curto-circuito sao usados geralmente para suplementar outros reles (sobrecorrente, distancia) que decidem se se trata de curto-circuito, de fato, e se o valor alcan9ado pela sobrecorrente
32
Introdu~Qo
iz protet;Ho dos sistemas elitricos
Re!es de corrente, temQo e potincia Barra
deve provocar ou nao a abertura do circuito. Assim, esses reles direcionais nao sao temporizados, nem ajustaveis, mas operam sob baixos valores de corrente; tern boa sensibilidade. 3.8.3
33
....
~~r .,..
RELE DIRECIONAL DE EFEITO HALL
I
2
Se certos cristais semicondutores contendo adiciies eletronicas condutivas (germanio, Iigas de indio com arsenico e antimonio), sao colocados em urn campo magnetico com densidade de fluxo (B), e uma corrente (i) passa par eles, uma forca eletromotriz (ex), denominada de Hail, aparece entre as faces laterais dos cristais, tal que [Fig. 3.13(a)]
3
N
,.,.
•+
-,,
ex= K· i· B, onde K e urn fator constante dependente do material e espessura do crista!.
oo•
•
60" A
' •
~+
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1'0"-••
90'LSJI
'+
-..,
-r,
~f. I"
-4-In=3I0=I.t + Ia+l 3
~
I 2 -ti 3
Re1e
T•rra
-:svo_.-,-~
"'•
.l It
l 2.
Linha
FIGURA 3.14
Diversas conexOes de unidades direcionais
(0) (b)
FIGURA 3.13
Esquematico de rel6, tipo efeito Hall
Verifica-se que se i"' I" e se B"' V, resulta que ex sera proporcional a corrente de defeito do circuito, a tensiio e ao angulo de fase entre aquelas duas grandezas. Ou seja, trata-se de urn elemento direcional que no futuro paden\ ser muito uti!, por eliminar partes m6veis de reles que teriam a configuracao apresentada na Fig. 3.13(b). 3.8.4 RELES DIRECIONAIS As conexiies usuais das unidades direcionais estao mostradas na Fig. 3.14. 3.8.5
APLICA<;:OES
EXEMPLO. Em uma subestacao recebedora de uma grande industria, reles
direcionais JBC foram ligados conforme o esquema da Fig. 3.15, estando o fluxo de corrente indicado "N()rmal" e "Defeito". Pede-se: a) tracar o diagrama vetorial das ligaciies, mostrando a zona de operacao do rele, sabendo-se que para o rele JBC-GE dado, o angulo de conjugado maximo e T = 45', corrente adiantada da tensao (no rele);
b) para urn curto-circuito extemo e que de uma corrente atrasada da tensao de 45', pergunta-se se o rele operara. Se houver duvida, qual a sugestao para garantir a operacao? c) como se comportara o rele, no caso do item a), para uma carga com fator de palencia 0,80 indutivo? d) como se comportaria esse rele, sea ligacffo fosse em quadiatura (conexao 90°) - como, alias, aconselha o fabricante - nos casos b) e c)? Mostrar o diagrama vetorial equivalente. SOLUt;;AO. Urn teste de polaridade, efetuado no elemento direcional do relt\,
revelou o seguinte (Fig. 3.16), de acordo com convencao de marca de
polaridad~.
a) Observando o esquema de ligacao, constata-se que a bobina de tensao 67-1, esta energizada entre as fases 1 e 2, marcada a polaridade + 7 para 8; ao mesmo tempo, a bobina de corrente 51-1 tern sua polaridade marcada +5 para 6, na ocorrencia de defeito. Assim, pois, marcamos corretamente as polaridades
que resultaram do teste feito. Traca-se, a seguir, o diagrama vetorial denominado "conexao original", conforme a Fig. 3.18. A partir de v,_- V,- V3 , marcados no sentido da rotacffo de fases indicado, obtem-se V12 = V78 representando a tensao aplicada a bobina de potencial do rele. Como foi dito que o rele JBC tern T = 45', corrente adiantada da tensao (no rele), basta marcar a posicffo de c=x (correspondente a condicao de defeito) adiantada 45' sabre V..z e, em
lntrodu~iio
34 ,
2
iJ prote9iio dos sistemas e!etricos
-
'
CONCESSIONARIO
8
7
35
Reles de corrente, tensio e potincia
I
pl.!.
0)-'v I
8 87-3
67.2
0
+7
FIGURA 3.17
Convenc;:Oes de polaridade
Bern, locando-se I,,1 , ... = I 56 /-45•, ve-se que o vetor cai na regiao -C; logo, o rele nao operaria. Hi duas solu~oes para corrigir isso:
1i I IJ
l::l
52
I~
fz
CN
•II
51-I
Cl
cz C3
3
+
6 6
5
-
_ _ _ _. __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _
a) inverter a liga~o da bobina de corrente; b) ou melhor, segundo o fabricante, ligar o rele em quadratura (conexao go•). Esta = 0,8 (out/>= 36,8°)? Locando-se I 65 , verifica-se que com ou sem inversao de I, a conexao fica muito instavel para carga coin fator de potencia pr6ximo a unidade; poderia operar na partida de grandes motores, por exemplo. d) Finalmente, pois, tracemos o diagrama vetorial da conexao em quadratura (go•), Fig. 3.18, e pela qual alimentamos o rele com V, 3 e I 1 • Como sabemos, a posi~ao de C=x estara 45• adiantada da tensao Ji 3 : assim aparece a reta-suporte de C=x e, conseqiientemente, as regioes de +C (opera~ao) e -C (bloqueio). Examinemos as duas hip6teses anteriores. Locando as condi~es de carga I 65 (tracejado), e a condi~ao de defeito I 56 /-45, constata-se que a opera~iio continua correta, dispensando inversiio de I 1 • Alem disso, a instabilidade para cargas pr6ximas ao fator de potencia unitario desapareceu. E, pois, a conexiio ideal para o rele.
INDUSTRIA
FIGURA
3.15
ANEXO I
Aplicayao de rele direcional tipo JBC da General Electric
consequencia, a go•, passando pela origem, tem-se a reta limite de + C e -C (opera e bloqueia). . . b) Se ocorre nessa situa9fio urn curto-c1rcmto externo, gerando a corrente atrasada da tensao de 45•, o que resulta? v
~ I
~~-~'\;---+'-og FIGURA 3.16
NOTA- com polaridade instantanea, como }
indicado,o contato fechou
Exemplo de polaridade (teste JBC)
Nomenclatura ASA (American Standard Association) 12345678 910 11 12 13 -
Elemento principal (master element) Rele de partida ou fechamento temporizado (time-delay starting, or closing-relay) Rele de verifica~lio ou interbloqueio (checking or interlocking relay) Contactor principal (master contactor) Dispositivo de interrup~lio (stopping device) Disjuntor de partida (starting circuit breaker) Disjuntor de anodo (anode circuit breaker) Dispositivo de desconexlio da energia de controle (control power disconnecting device) Dispositivo de reverslio (reversing device) Chave de sequencia das unidades (unit sequence switch) Reservada para futura aplica~lio Dispositivo de sobrevelocidade (over-speed device) Dispositivo de rota~lio sincrona (synchronous-speed device)
36
IntrodU(:iiO CONEXAo
aprote9iiO dos sistemas eletricos
ORIGINAL
Retes de corrente, tensiio e potencia
37
14- Dispositive de subvelocidade (under-speed device) 15 - Dispositive de ajuste ou cemparac;l'io de velocidade ou freqUeneia (speed or frequency, matching device)
( inv.) 11
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
-
Reservado para futura aplieac;l'io Chave de derivac;ao ou de descarga (shunting,. or discharge, switch) Dispositivo de aeelerac;ao ou desacelera:c;ao (accelerating or decelerating device) Contaeter de transic;iio partida-marcha (starting-to-running transition contactor) valvula operada eletricamente (electrical(y operated valve) Rele de dist
26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
- Dispositive t6rmico do equipamento (apparatus thermal device) - Rele de subtensl'io (under voltage relay) - Reservado para futura aplicac;l'ie - Contactor de isolamento (isolator contactor) - Rele anunciador (annunciator relay) -Dispositive de excitac;l'io em separado (separate excitation device) - Rele direcional de potencia (directional power device) - Chave de posicionamento (position switch) - Chave de seqUencia, operada por motor (motor-operated sequence switch) - Dispositivo para operac;ao das escovas au para curto-cireuitar as aneis du co!etor
chronism-check, device)
~ /,
/'
/It v,_ /.:~••
I
/ . ___ . r
f r,lQ.,I65 LQ. !s.,tido
da aarga)
56 ~ { DefeJto·It invertidol
(brush-operating, or slip-ring short-circuiting device)
.,-.-
CONExAO 90"'
0~
v·
/
'
/ /
/
/
/
/
/I56= Ioefeito= I /
56
r45"'' .
/
/
+45°= 'l'
-~~----L-------------------~/,-v2, /
/
/ /
,,ii '
FIGURA 3.18
Diagramas vetoriais parae rele JBC da General Electric
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46
-
47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59
-
Dispositivo de polaridade (polarity device) Rele de subcorrente ou subpotencia (undncurrent or under power relqy) Dispositive de protec;l'io de mancal (bearing-protective device) Reservado para futura aplicac;:ao Rel€: de campo (field relay) Disjuntor ou chave de campo (field circuit breaker) Disjuntor ou chave de operac;ao normal (running circuit breaker) Dispositive au seletor de transferencia manual (manual transfer or selector device) Rele de seqUencia de partida das uniclades (unit sequence starting relay) Reservado para futura aplica~iio Rel€: de reversiio ou balaneeamento corrente de fase (reversephase, or phase-balance, current relay)
Rele de sequencia de fase de tensao (phase-sequence voltage relay) Rei€: de seqUencia incompleta (iricomplete sequence relay) Rele t6rmico para m
38
/ntroduffiO Q protefiO dos Sistemas eletricoS
Rele de balan~to de tenslio (voltage balance relay) Rele de balancyo de corrente (current balance relay) Rell: de interrupcyao ou abertura temporizada {time~delay stopping, or opening, relay) Rell: de pressao de nivel ou de fluxo, de liquido ou gas (liquid or gat:. pressure, level, or flow relay) 64 - Rele de protecylio de terra (ground protective relay) 65 - Regulador (governor) 66 - Dispositive de intercalacylio ou escapamento de operacyllo (notching, or jogging, device) 67 - Rele direcional de sobrecorrente CA (a~c directional overcurrent relay) 68 - Rele de bloqueio (blocking relay) 69 - Dispositive de controle. permissive (permissive control device) 70 - Reostato eletricamente operado (electrical!J operated rheostat) 71 - Reservado para futura aplicat;lio 72- Disjuntor de corrente ·continua (d-e circuit breaker} 73 - Contactor de resistencia de carga (load-resistor contactor) 74 - Rele de alarme (alarm relay) 75 - Mecanisme de mudant;a de posit;lio (position changing mechanism) 76 - Rele de sobrecorrente CC (d-e overcu"ent relay) 77 - Transmissor de impulses (pulse transmitter) 78 - Rele de medit;lio de Angulo de fase, ou de protec;ao contra falta de sincronismo (phas_e angle measuring, or out-of-step protective relay) 79 - Rele de religamento CA (a-c reclosing relay) 80 - Reservado para futura aplicac;lio 81 - Rele de frequencia (frequency relay) 82 - Rele de religamento CC (d-e reclosing relay) 83 - Rele de selec;ao de controle ou de transferencia automatica (automatic selective control, or transfer, relay) 84 - Mecanisme de operac;ao (operating mechanism) 85 - Rele receptor de onda portadora ou fio-piloto (ca"ier, or pilot-wire, receiver relay) 86 - Rele de bloqueio (locking-out relay) 87 - Rele de protec;ao diferencial (differential protective relay) 88 - Motor auxiliar ou motor gerador (auxiliary motor, or motor generator) 89 - Chave separadora (line switch) 90 - Dispositive de regulac;ao (regulating device) 91 - Rele direcional de tensao (voltage directional relay} 92 - Rele _direcional de tenslio e pot~ncia (voltage and power directional relay) 93 - Contactor de variac;ao de campo (field changing contactor) 94 - Rele de desligamento, ou de disparo livre (tripping, or trip-free, relay) 95 a 99 - Usados para aplicac;Oes especificas, nao cobertos pelos nUmeros anteriores.
60 61 62 63
-
EXERCICIOS 1. Esbo~ar na Fig. 3.19 uma estrutura fisica de rele e suas conex5es tal que o mesmo possa dar urn alarme caso a foote de tensao seja reduzida significantemente, ou que haja fusao de urn fusivel. 0 sistema de alarme deve permitir identificar o circuito defeituoso. 2. Para o exercicio anterior (Fig. 3.19), e com base na equa~ao universal dos reles, escrever a equa~ao do mesmo, representa-la no plano R-X, e interpreta-la.
Retes de corrente, tensiio e potincia
39 R S T
R S T
FU
c
Fu
FIGIJRA 3.19
3. Tra~ar o diagrama vetorial de urn rele direcional cujo angulo de conjugado maximo e 20', e esta alimentado por uma conexao de 90'. Considerando que a corrente de curto-circuito. que esse rele deve medir tern urn defasamento de 75' (atrasado) em rela~ao a tensao, pergunta-se: com qual das conex5es 30' ou 90' o rele apresentara maior conjugado? Mostrar isso grafica e analiticamente.
Re!es diferenciais, de freqii.incia, de tempo e auxiliares
41
ELEMENTO PROTEGIDO
CAPITULO 4
RELI~S
4.1
to)
DIFERENCIAIS, DE FREOUENCIA. DE TEMPO E AUXILIARES
+C
-c
Reles diferenciais
{b)
~
Por defini9ao, ~urn re!t\ diferencial e aquele que opera quando o vetor da diferen9a de duas ou mais grandezas eletricas semelhantes excede uma quantidade pre-determinada. Assim sendo, quase que qualquer tipo de rele, quando conectado de uma certa maneira, pode operar como urn rele diferencial. Ha, basicamente, os reles diferenciais amperimetricos e a porcentagem [Fig. 4.l(a)-(d)J. 4.1.1
>n
A PORCENTAGEM
A Fig. 4.l(b) mostra que neste rete, alem da bobina de operay[o, M uma bobina de restri9ao, em duas metades. A Fig. 4.1 (d) mostra urn desenho esquematico do principia. Observando a Fig. 4.l(d), constata-se que para fechar os contatos do rete, a bobina com N 1 espiras, percorrida pela corrente diferencial (I 1 -I 2), deve
I
\
J 'I;
<
N2
Conforme a Fig. 4.l(a), trata-se simplesmente de urn rele de sobrecorrente installtaneo, conectado diferencialmente, e cuja zona de prote9ao e limitada pelos TC. Ainda que bastante usada esta conexao, devemos lembrar que M erros quase sistematicos na prote9ao diferencial e devidos, principalmente:
4.1.2 RELE DIFERENCIAL
L
3
1
2
I
1:;
I'·
RELE DIFERENCIAL AMPERIMETRICO
a) ao casamento imperfeito dos TC; b) existencia de componente continua da corrente de curto-circuito, nao-nula em pelo menos duas fases; c) ao erro proprio dos TC; d) alem disso, no caso de transformadores, deve-se considerar a corrente de magnetizayao inicial e a existencia de dispositivo trocador automatico de tapes. Nessas condiyOes, e necess3.rio utilizar-se uma conexao menos sensivel, ou seja, menos susceptive! de fatsas opera96es que o rete diferenciat amperimetrico.
j
~
>
.
I
I'•
-
-<
::.J2
121 ...
.
:,.,
.<
I I-I2
-
, .. ~ {d)
Releamento diferencial
. ·,~Y{"
c·;
desenvotver urn conjugado de operayao N,(I, -Iz}'; este, deveni veneer nao ..ifs6 a ay[o da mota de restriyaO K.' como 0 conjugado de restriyaO Nz .· d
Iz )
2
Es~revendo-se, pois, a equa9ao do rete, na forma da equa9ao universal os reles, seu conJugado seria 2
C = K 1 (I 1 -I 2 )2 -K 2 (I,+ 2 Iz) -K 3' _ Fazendo-se iniciatmente K 3 entao, resulta (I
t
=
O, no limiar de opera9ao do rete: C = O;
2 -I)= (I,+2 I 2 )~ z K ' 1
IntrodufiiO li protefilo dos sistemas eMtrlcos
42
que e a equa9iio de uma reta da forma y = ax, representada na Fig. 4.1(c), indicando as zonas de conjugado positivo e negativo. Se nao desprezarmos a for9a da mola, para C = 0, vern (I -I )2 I
2
=~(I,+ K, 2
RelJs diferenciais, de freqaencia, de tempo e auxiliares
43
vj_-+---Is
R
v
I•)• +!S.
L
K,
c
Se fizermo s ( I,+I·) tender para zero, resulta 2 I 1 -I 2
Indutor
=~•
Fixe
Varid'vel
oiGURA 4.2
mostrando o efeito da mola apenas para as baixas correntes. Verifica-se, pois, que o rele diferencial tern dois ajustes:
(J
K 3 /K 1 ) e que compensa o efeito da mola, atritos, etc.; a) do valor inicial b) da declividade (tg- 1 K 2 /K 1), e que e, na pratica, da ordem de 5-20% para os geradores e de 10-45 % para os transformadores.
J
a
ii
li
Uma observa9iiO interessante e que, quando ocorre urn defeito extemo zona de prote9iio, exige-se urn grande valor da corrente de opera¢o para sobrepujar a grande reten9ao dada por (I 1 + I 2 )/2; no entanto, se a falta e intema (I + I )/2 decresce em relacao ao valor da falta externa (inversao do sinal de I 2) e b~sta urn valor men or de corrente na bobina de opera¢o para acionar o rele. Futuramente, mostraremos que h8. reles diferenciais porcentuais com declive constante e com declive varilivel, quando da aplica9ao .da protecao dos diversos elementos de urn sistema.
II !I ••
:i I
I
il i! II
I 1',
II j, tl
.. I
i
II
4.2
lndutor
Reles de frequencia ·
Em urn sistema, as quedas de freqiiencia resultantes, por exemplo, de perda parcial da geracao nao podem ser toleradas por Iongo tempo. Assim, em geradores acionando turbinas a vapor, se a freqiiencia cai abaixo de 56 Hz (cerca de 5-6% da nomina11 corre-se o risco de que bra das palhetas devido rotacao na faixa de ressonancia meciinica. Por isso, as chamadas operacoes da rejei¢o de carga, na tentativa de recuperar as condi9oes do sistema, pela eliminacao das cargas nao-prioritarias, passaram a ser uma rotina de opera9iio. Tal rejei¢o, como se:a discutida P':_Steriormente, e feita em degraus sucessivos, de tal modo que perm1ta a recupera9ao da freqiiencia normal do sistema. Em geral, estiio sendo hoje usados reles estaticos (tipo SFF, da General Electric) por serem independentes da tensao para a faixa normal de queda de ten sao. No entanto, para que se compreenda o funcionamento desses reles de frequencia, analisaremos urn tipo eletrodinamico (RF2 da ASEA), de mais facil
a
Rele de freqii~ncia tipo RF2 ASEA
compreensao, conforme a Fig. 4.2. Este e constituido por duas bobinas (indutor fixo e quadro m6vel); 0 indutor e alimentado a partir do circuito de tensllo atraves de urn resistor R e forma urn circuito oscilante paralelo (logo, na freqliencia de ressonancia ajustada oferece maxima impedii.ncia a circulacao de corrente), no qual urn dos bra9os tern urn capacitor C e, no outro, alem do enrolamento indutivo bipartido, ha uma bobina ou indutpr aju~tavel. 0 quadro m6vel e percorrido pela soma IE das correntes Ic (no capacitor C) e Is (no indutor L). 0 indutor variavel permite ajustar convenientemente o circuito oscilante, tal que o comparador tem conjugado nul~, q~ando I8 e IE sao defasadas 90', C = I 5 IEcos(I 5 , IE)= I5 NIENcos90' =; 0. 0 diagrama vetorial mostra que isso ocorre para u.ma freqiiencia de regulagem, que chamaremos nominal N, tal qu_e I EN e perpendicular a I SN. Para uma freqiiencia (F < N), a COrrente Is (ramo indutivo)' e preponderante em relaciio a Ic (ramo capacitivo); logo, }E estara defasada de Is de um iingulo menor que ~0', resultando um conjugado que deslocara a bobina num certo sentido. Ao contrario, para freqiiencia (F > N), a corrente Ic e preponderante em rela9ao a 181 , eo §ngulo entre JE e 181 e maior que 906, resul1 tando deslocamento da bobina em sentido contrilrio ao anterior. E claro, pois, que um tal detetor convenientemente regulado pode ser usado para indicar varia9oes acima efon abaixo de uma freqiiencia escolhida (60Hz); dispondo-se de contatos na bobina m6vel, pode-se estabelecer circnitos de controle de freqiiencia. Assim, por exemplo, se a freqiiencia cai a urn certo valor, fecha-se urn contato do rele e urn impulso e enviado para disparar urn certo disjuntor, desligando uma carga niio-prioritaria, restabelecendo o equilibria gera~ao-carga do sistema, como veremos oportunamente.
4.3
Reles de tempo
A funciio desses reles e diferir a aciio de urn outro rele, sendo esse valor de retardo regulitvel e independente das variacoes das grandezas eletricas da rede, temperatura ambiente, etc.
Introduriio iz protefiio dos sistemas eJetrlcos
44
Re!es diferenciais, de freqilincia, de tempo e auxiliares
Entre os inumeros sistemas de temporiza9iio, alguns dos quais estiio mostrados esquematicamente na Fig. 4.3 citam-se: o mecanismo de relojoaria, tipo balanceiro; o motor sincrono, com engrenagens; o freio eletromagnetico, tipo dis-
co de Foucault; as ampolas de mercurio cmn orificio calibrado; a descarga de capacitor; etc.
Tais rei(os sao disponiveis em tipos controlados por corrente alternada (mais usuais em sistemas industriais) ou por corrente continua. A temporiza9iio e feita em faixa muito ampla; por exemplo, ate 20 s em reles de corrente continua, tipo imi'i permanente; 25-90 s para mecanismos de relojoaria; e, para maiores temporiza~Oes, preferindo-se o tipo motor com
'
45
A titulo de exemplifica9i'io, consideremos urn rele de tempo que utiliza urn circuito RC (tipo RS-401, da Siemens), conforme Fig. 4.3(a). Nele, quando do fechamento do cantata de comando a fonte auxiliar alimenta simultaneamente o rele, que funciona instantaneamente, e o capacitor paralelo que se carrega. Quando da abertura do cantata de comando, o capacitor (C) descarrega sabre a bobina do rele e assim retarda o retorno a posi9iio de repouso (cantata tipo abertura com retardo). No caso, a resistencia (R) serve para regulagem da temporiza9iio (constante de tempo) e para evitar descarga oscilante do capacitor e prote9iio do circuito de comando e da: fonte auxiliar em caso de curto-circuito interne no capacitor.
engrenagens.
4.4
+--~----
contato de
1
bl Comando
:j
sao\ denominados,
i il
il
ij
(b) AMPOLA DE MERcURIO
(a) ClRClJITO RC
Reles auxiliares ou intermediaries correntemente:
a) repetidores - no caso de pequenos reles destinados sobretudo para multiplica9iio do numero de cantatas do rele principal; b) contatores- quando se destinam a manobrar urn ou diversos cantatas de grande poder de corte ou fechamento (alem do regime dos cantatas do rele principal). Tais reles sao essencialmente instantaneos, robustos, do tipo corrente ou tensiio, com cantatas normalmente abertos ejou fechados. A Fig. 4.4 mostra urn exemplo (rele tipo RE-148, da CdC).
!I
lei
fRIC9Ao
(d} MOfOR siNCRONO
MOve I Contatos Fixos
}saidas Panr Comandc:r Diversos
-...._9 {to) AMORTECEDOR
FIGURA 4.3
(
(f)ESCAPAMENTO
.!sol ante
Aeles temporizados
FIGURA 4.4
Aele auxiliar
Introdufilo tl protefiiO dos slstemils elttrlcos
46
Aplicac;:oes
4.5 .I
I
I
G
dlferenciais, de freqaencla, de tempo e auxlliares
47
·I
i
EXEMPLO 1. A Fig. 4.5 mostra urn rele diferencial percentual aplicado para prote9iio do enrolamento do estator de urn gerador. 0 rele tern urn valor de picape minimo (corrente de atua9iio) de 0,1 A e esta regulado para uma declividade de 10%. Uma falta a terra, como a mostrada na Fig. 4.5, ocorreu no enrolamento do gerador, proxima ao extremo correspondente ao neutro aterrado solidamente, quando o gerador alimentava uma certa carga.
..:I
a) Para o caso A, as correntes que passam no circuito secundario dos TC,
seraa I, =
304
I"
RTC = 400/5 = 3•8
Resulta I,
+ Iz
4,0
2 I 1 -I 2
A '
I2 =
+ 3,8 2
=
320 = 4,0 A. 40015
3,9A,
= 4,0-3,8 = 0,2 A.
Locando-se esse par de valores, verifica-se que o ponto A esta na regiao de conjugado negativo, indican do que o rele niio ·opera. De fato, analiticamente,
;'I
I
vi ria
I " il il
~·~ = 0,051
I' -I2
= 5,1% < 10% da declividade; ' b) Para o caso B, no en tanto, como I 1 = 0 e mantendo o valor da corrente de falta: · 16 12 = = 0,2A, 40015 vern I,+ Iz 0 + 0,2 2 = 0,1, 2 (I 1
I o,e 0,
0,2 0,1
f.O'Io •
·®----------_... _... ......... -
+c
+ I 2 )/2
I,- Ii = 0-0,2 = !0,2j A.
___...=:=::t:: !5,1•1•
-------------®I COIOA -c
Locando esse par de valores, verifica-se que o· ·rele opera. Analiticamente, verifica-se, assim, I 1 -I 2
liiGURA 4.5
Exemplo sobre rete diferencial
Em conseqiiencia, as correntes fluindo em cada extremo do enrolamento do gerador sao mostradas na Fig. 4.5, em magnitude (amperes) e dire9iio. Admitindo-se que os transformadores de corrente tern rela9iio 400/5 A e nenhuma imprecisiio, pergunta-se: a) 0 rele operara para atuar 0 disjuntor do gerador, nas condi95es dadas? b) poderia o rele operar sob o dado valor de corrente de defeito, se o gerador n[O estivesse fornecendo COrrente a carga (disjuntor aberto)? c) em urn mesmo diagrama, pede-se representar a caracteristica de opera9iio do rele e os pontos que representam as correntes de opera9iio e restri9iio no rele, nas duas condi9oes acima. SOLUt;AO. 0 rele diferencial percentual esta representado na Fig. 4.5, por sua declividade (10 %) e seu pic ape minimo (0,1 A), em eixos (1 1 -I 2) e (I 1 + I 2)/2, em escala conveniente.
(I + I 1
0,2
..
2 = 0, 1 = 2 = 200% > 10% da decllVldade.
)/ 2
EXEMPLO 2. Suponhamos que urn rele de sobrecorrente (tipo IAC-77, da General Electric) seja usado em urn circuito onde o disjuntor deve desligar para uma corrente sustentada de 450 A, aproximadamente; tambem o disjuntor deve desligar em 0,3 s para uma corrente de curto-circuito de 3 750 A. Admitamos ainda que urn transformador de corrente de rela9ao 60:1 foi usado. Pede-se determinar a calibra9iio do rele, dispondo-se do cata!ogo respectivo (GEH-1787 A). SOLUt;AO. Esse rele, segundo o catalogo, e do tipo disco, com caracteristica
tempo-corrente extremamente inversa, sendo bern indicado para circuitos de distribui9iio em que se deseja coordena9iio da prote9iio com fusiveis. Sera usado o rele IAC-77A, sem elemento instantfmeo, com tapes 4-16 A, carregamento 1,25 VA, com regime de fechamento dos contatos ate 30 A para tensoes ate 250 V. A Fig. 4.6 mostra o diagrama elementar de liga9iio e as curvas tempo-carrente respectivas. A unidade de selo tern sua bobina em serie e seus contatos
48
Int'rodufiiO iz prolefiio dos sistemas elhricos
em paralelo, tal que quando os contatos principais fecham, ela atua e faz elevar uma bandeirola que permanece exposta ate ser novamente libertada pelo operador pela pressao de urn botao.
3 M 51·3g:u 5. 51·1£ 5 1 3 ..,. Barra
Retes diferenciais, de frequencia, de tempo e auxiliaret
49
Referindo-se agora as curvas tempo-corrente fomecidas pelo fabricante, verifica-se que para t = 0,3 s e m = 7,8, o rele deve ser ajustado na posi9lio da alavanca de tempo correspondente a DT = 3. Logo, o ajuste do rele sera feito para tape 8 e DT 3.
I
2
(+)
51-3
80r-------------------, 60
1. Urn defeito de 2 000 A e detetado por urn rele de sobrecorrente (Fig. 3.5), atraves de urn TC de rela9lio 1 000-5 A. Se o rele esta ajustado no tape 8 A e dispositivo de tempo DT = 4, qual o tempo de atua9lio do rele sobre o disjuntor respectivo? E se o rele tivesse as curvas tempo-corrente conforme a Fig. 4.6? Comentar os resultados.
40
51-1
20
'
<;
I 0,8 51- UNIDADE
DE
TC-DISPARADOR
SELO DO DISJUNTOR 52
0,4
0,1 0,08 0,04
0,01 '----~~~~~~~~~
2
46810
20
40
MLILTIPLOS DA MfNIMA COR-
RENTE DE ATUACAO
FIGURA 4.6
Rele de sobrecorrente, tipo IAC-77 da G.E.
0 ajuste do tape e encontrado dividindo-Se a minima COrrente de atua9a0 primaria pela rela9iio do transformador de corrente Im,,
tape ""RTC
=
450
6Q
=
EXERCiCIOS
7,5
A
.
Como o tape disponivel mais proximo e 8 A, ele sera adotado. Para achar o apropriado ajuste de tempo, de modo a dar retardo de 0,3 s sob 3 750 A, divide-se este valor pela rela9iio do TC I" 3 750 A RTC = 6Q = 62,5 '
o que equivale ao multiplo: m = 62,5/8 = 7,8 vezes o ajuste do tape.
--------------
------------
51
Re/es de distOncia
ou seja,
2z
RELI~S DE DISTANCIA
z = .!::. . I
lntroduc;;ao
Conforme foi mostrado anteriormente, um tipo de prote9iio muito positivo e confi!\vel e aquele que compara a corrente entrando no circuito ou equipamento protegido, com a corrente que dele sai. No entanto, em linhas de transmissiio o comprimento, tensiio ou arranjo dos condutores freqiientemente torna este principio anti-economico. Assim, nos chamados rdes de distancia ao inves de comparar a corrente no.inicio da linha com a corrente no extrema afastado da mesma, o rele compara a corrente I no local de instala9iio do rele, ou seja no inicio da linha, com a tensiio V tambem no inicio da linha na fase correspondente, ou convenientes componentes delas. Da compara9iio entre V e I resulta Z = V/ I, donde o nome do rele. I PI
5.2
a) insuficiencia ou mesmo inexistencia de transposi9iio dos condutores da linha (5-10% de erro esperado); b) varia9iio da impedancia ao Iongo das linhas em paralelo, especialmente refletida nas componentes de sequencia zero devidas, por exemplo, a niio-homogeneidade do solo, vias ferreas paralelas ao percurso da linha, etc.; c) erros dos redutores de medida de corrente e tensiio, em conseqiiencia da satura9iio de seus nucleos sob as fortes intensidades das correntes de defeito (erro de 3 % ou mais); d) erros conseqiientes das varia9oes de temperatura ambiente, condi9iies de resfriamento dos condutores (dire9iio e velocidade do vento); e) a pr6pria constru9iio do rele.
L---+~-.2----z--------'D-2-Princfpio de mediySo dos rel6s de distancia
Uma justificativa simples pode ser apresentada no exemplo abaixo (Fig. 5.1), onde supomos uma rede monofasica em que circula uma corrente I, sendo z a impedancia de cada condutor PD, e sendo P o ponto em que esta colocado o rele e D o ponto onde ocorre um defeito; por simplicidade vamos supor que tal defeito e franco ou metalico, ou seja, a resistencia (r) do arco e nula, do que resultam iguais as tensoes em D 1 e D 2 • Resulta: Vp
=
vPl-
Vp 2
=
cv,,- vn,l + (Vn,- vn2l + (Vn2- V.2l =
= z ·I
ou
+ r · I + z · I,
VP = 2zi
(pois r = 0),
Causas perturbadoras na medic;;ao
Infelizmente, na pn'ltica de aplica9iio desses reles, alguns erros de medida, quedas de tensiio outras que a dos condutores, alem da · impedancia (z) considerada, podem pr"vocar imperfeita correspondencia do que foi dito acima. De fato, erros de medida nos reles de distancia podem ser devidos a razoes como:
"'
z
FIGURA 5.1
I
Entiio, pode-se dizer que no caso de um curto-circuito franco no ponto D, a impedancia aparente no ponto P e igual a impedancia do anel P 1 D 1 D2 P 2 • Como porem, z = pljs, ou seja, a impedancia (z) da linha e proporcional ao comprimento (I) da mesma, convencionou-se chamar rele de distancia aquele que, de alguma forma, compara as grandezas tensiio e corrente no seu ponto de aplica9iio. Generalizando para os diversos tipos de defeitos, vern
CAPITULO 5
5.1
v.
= 2.
Assim, os modernos reles de distancia precisalll ter compensa9iies intrinsecas que permitam, levando-se em conta esses erros inevitaveis, proceder ainda a uma medida confiavel.
5.3 .
Equac;;oes e curvas caracteristicas
Nos reles de distancia - mais rapidos, mais seletivos e menos afetados pela varia9iio da capacidade geradora de que os reles de sobrecorrente- M o .£ balan9o entre o conjugado de opera9iio fornecido pela corrente (I) e o conju- ~. -..gado de restri9iio resultante da tensiio (V). Assim, no ponto em que esta apli. · cado; .o rele "ve" a impedancia aparente (Z) existente entre ele e o ponto de defeito, pela medi9iio de Z = V/I.
(
52
Introduriio il prote,io dos sistemas eletricos
Hi inumeras possibilidades de obten9iio dessa impediincia, o que caracteriza os diversos tipos de reles. Vamos iniciar o estudo pelos tipos usuais nos E.U.A. e, posteriormente, apresentaremos outros tipos preferidos em outros paises. Para obten9iio das caracteristicas de opera9iio, usaremos a equa9iio universal do conjugado dos reles, bern como introduziremos urn novo plano de representa9iio, denominado R-X.
5.3.1
RELE DE IMPEDANCIA OU OHM
Por defini9iio, e urn rele de sobrecorrente com restri9iio por tensiio. Assim, sua equa9iio de conjugado sera da forma (5.1)
Reles de disttincia
53
a Eq. (5.2) tornar-se (5.4)
ou seja,
!=§;· Na Fig. 5.2(c) esta, pois, indicada a influencia da mola de restri9a0 somente para bmxos valores da grandeza de restri9iio (a tensao, neste caso); a caractensttca ~o plano I-V nao e, pois, uma reta passando pela origem, e sim uma curva m1sta que separa o plano em duas regi5es de conjugado positivo (parte supenor) e negat1vo (parte inferior).
e poderia ser representada como na Fig. 5.2. Para passar de uma regiiio de conjugado negativo (niio-opera9iio) para a regiiio de conjugado positivo do rele (opera9iio), passa-se obrigatoriamente por C = 0 (chamado limiar de opera9iio). Fazendo-se, pois, na Eq. (5.1) do conjugado, C = 0, vern
X
I
•
K 2 V 2 = K 112 -K 3 ,
ou, dividindo por K 2 12 ,
Ia I
V2
K1
K3
JZ=K-K !2' 2 2 v JK 1 I = z = K2-
I b)
3
Z =
Jfi;
(5.2)
2·•
Selo ( t.a)
2
Se, inicialmente, desprezamos o efeito da mola, fazendo K 3 = cte,
lo l
+ --..,---
K K 1
~---
=
Medcda a
0, vern
sinalizacCo
s
(5.3)
TemponzacOo
Disparo
52 a
que e a equa9iio de urn circulo com centro na origem, representado em urn plano z = R + jX, conforme a Fig. 5.2(b). Ainda mais, se K 3 = 0, a Eq. (5.2) torna-se
Id l [e)
X
que e da forma
Linho Prot"Ggida A 8 c o
. U!Jidqde
'• '• .[---~:.
Dlrec1ona1 +c
-c
ou tam bern y = ax, representando uma linha reta no plano (I-V), como na Fig. 5.2(c). Se agora resolvessemos considerar o efeito da mola que auxilia a restri9iio fornecida pela tensiio, e lembrando que no instante do defeito a tensiio (V) di-
'2 \
\ I
,·' '' . . __ . . ' ' I I '
' ' , ......r___ ,,..// ....._ _ _ ...,.
A
=
Z tende para zero, resultando
FIGURA 5.2
2
/ {f)
minui sensivelmente, tendendo para zero, enquanto a corrente cresce razoa-
velmente, pode-se supor .que, no limite, V/1
''
:' c
Rele de distfincia. tipo imped8ncia
[g)
Linho ABCD
/ntrodufOO 0 protefiO dos
54
sistemas eMtricos
Par outro !ado, na Fig. 5.2(b), analisando a Eq. (5.2), verificamos que a regiiio de conjugado positivo e interior ao circulo ja que este foi tra9ado desprezando-se a parcela K 3 jK 2 I 2 • Conseqiientemente, se urn rele for ajustado para urn certo valor de impeditncia (Z), ele operarit sempre que o rele "enxergar" urn valor menor ou igual ao ajustado. Os defeitos alem do comprimento de linha que correspondem a essa impeditncia ajustada, devem ser eliminados par
J
Reles de disttincia
5.3.2
C = K 1 I 2 - K 2 VI cos(O- T)-K 3 •
(5.5)
Fa9amos, inicialmente T = 90'. Resulta C = K 1 I 2 -K 2 VIsen0-K 3 •
Realmente, na pratica, urn tal rele de impeditncia e constituido de diversas partes, par exemplo:
As Figs. 5.2(d) e 5.2(e) mostram urn arranjo tipico de esquema de corrente continua. Na Fig. 5.2(1) estiio indicadas diversas das unidades acima citadas, e na Fig. 5.2(g) urn esquema no plano (tempo x distancia). Para explicar o funcionamento de urn tal rele, admitamos que sua ·primeira zona (circulo Z 1) fosse ajustada para ver faltas ate 80% do comprimento do trecho protegido; a segunda zona fosse ajustada para 120% (circulo Z 2 ) e a terceira zona para 200 %. par exemplo. Quanta as temporiza96es, admitamos
RELE DE REATANCIA
E, par defini9[o, urn rele de sobrecorrente com restri9[o direcional. Partanto, sua equa9[o de conjugado e
outra maneira, como seni mostrado a seguir.
a) unidade de partida, geralmente direcional (D); b) tres unidades de medida de impeditncia (Z 1 -Z 2 -Z 3 ) de alta velocidade, regulaveis independentemente (T1 - T2 - T3 ); c) unidade de temporiza9iio; d) unidades auxiliares para sinaliza9iio (bandeirola B), bloqueio de cantatas (selo S), etc.
55
(5.6)
Na iminencia de opera9iio (C = 0) e desprezando o efeito da mala (K 3 = 0), vern K 1 I 2 = K 2 VI sen 0,
ou, dividindo par K 2 I 2 , K
V
1 -=-sene= Z·sene =X K2 I '
. ou
X =
K,
K
= cte.
(5.7)
2
A Eq. (5.7) represents, no plano R-X, uma reta paralela ao eixo dos R, conforme mostra a Fig. 5.3(a). X
X
para a primeira zona, T1 = 0, ·para a segunda zona, T2 = 0,5 s, para a terceira
i
'
zona, T3 = I s, como e usual. Assim, se ocorre uma falta dentro da primeira zona, as tres unidades de medida vern, fecham os cantatas z, Z 2 e Z 3 e energiza-se a bobina de temporiza9iio suposta que a falta esteja sendo alimentada na dire9iio vista pela unidade direcional de partida par sobrecorrente. Ora, como, T1 e praticamente nulo (s6 tempo proprio do rele), e jit que o cantata (52a) do disjuntor estit fechado (acompanha o posicionamento dos p6los do disjuntor) energizam-se as bobinas das bandeirolas, de selo e de disparo do disjuntor, abrindo-se este. A bobina de selo serve para fechar ·urn cantata que, estapdo em paralelo com os contatos Z, e sendo da abertura retardada (t.a), protege os cantatas principais do rele, estes abertos sem temporiza9iio quando da abertura do disjuntor, eliminando o defeito. As bobinas de bandeirola servem para sinalizar qual rele atuou e zona em que ocorreu a falta. Se, no entanto, a falta ocorre na segunda zona, somente as unidades Z 1 e Z 2 vern, e .como T2 < T3 , o disparo do disjuntor da-se atraves o caminho dos contatos Z 2 e T 2 • Com a falta ocorrendo na terceira zona, o caminho para disparo do disjuntor e via Z 3 , ja que s6 esta unidade ve a falta. Uma observa9iio util, nesta altura, e que as unidades Z 2 e Z 3 servem como retaguarda de Z 1 do trecho seguinte ao protegido pelo rele de distancia. Tambi:m, se invertermos a alimenta9[o de corrente de uma unidade como Z 2 , par exemplo, ela passa aver para traz, fazendo assim a prote9[o do barramento, etc.
sao
recursos que discutiremos oportunamente.
C=
K1I--K2VIsene-~<;,
R
R
lbl
lol
1•1 X
FIGURA 5.3
Rele de distAncia. tipo reatAncia
(d)
Embora esse rele tenha algumas restri96es par ser de caracteristica aberta, qu,e. 0 lorna sensivel as oscila,oes do sistema, ele e usado mttitas vezes gra,as a sua independencia quanta ao valor da resistencia de atco. De fato, admitindo-se que essa resistencia possa ser representada·por urn valor ohmico puro, qualquer 0
{,,
56
/ntrodu~iio Q prolefiiO
dos sistemas e/etricos
que seja seu valor, ainda o re!e veni o defeito, ao contnirio do que ocorre com reles de caracteristica fechada, tipo rele de impedancia. Uma outra considera~ao a ser feita, diz respeito aos chamados reles de caracteristica angular. Eles resultam da equa~ao (5.5) onde, fazendo-se C = 0 e K 3 = 0, vern K 1 I 2 = K 2 VIcos(8-T),
ou
Reles de distdncia
57
direcionalidade it caracteristica, uma primeira vantagem em rela~o ao rele de impedancia ou ohm. X
''
'\ \
K1
-
K2
V
= -·
I
cos(O- T)
=
Z cos(O- T),
(5.8)
'\
que e uma reta da forma 2a = r ·cos (8- T) que, na analitica, foi mostrado ser indicada como na Fig. 5.3(c). Entao, dependendo do valor K 1 /K 2 , teremos uma familia de retas inclinadas no plano R-X, e muito uteis no caso de reles de bloqueio quando ocorrem oscila~oes estaveis do sistema. Realmente, como discutiremos mais tarde, uma carga (N = P + jQ) pode ser representada no plano R-X da seguinte forma [Fig. 5.3(d)]: p
2
R = V pz
+ Qz
X= vz pz
~ Qz
Se ocorre uma perturba~ao no sistema, o ponto figurativo da carga movimenta-se no plano R-X, e podeni penetrar na zona de atua~o de urn rele ohm, como indicado, provocando um desligamento indevido. Para evitar isso, por vezes, usam-se caracteristicas angulares que, fazendo papel de verdade1ros antolhos, determinam bloqueio do rele de distiincia, sob certas condi~oes de oscila~o, mas niio sob condi~ao de defeito de curto·circuito, por exemplo. Uma observar;a:o mais:
e usual
a combinar;a:o de caracteristicas do tipo
impedancia e admitiincia, para formar um rele c~mplexo que tira vantagem .de am bas as curvas, como indicado no Cap. 13 (rele tlpo GCX, da General Electnc).
'
( al
(b)
FIGURA 5.4
Uma segunda vantagem, mostrada na Fig. 5.4(b), e que ha melhor acode uma possivel resistencia de arco, do que no rele de impedancia. Constata-se que para proteger um mesmo comprimento de linha e uma dada resistencia de arco, o rele abrange uma menor area no plano R-X, o que e vantajoso quanto it sensibilidade menor its possiveis oscila~oes do sistema. Sob o ponto de vista da direcionalidade intrinseca, sem duvida uma vantagem, vamos tecer mais algumas considera~oes. Assim, ja definimos anteriormente que a equa~ao de conjugado de uma unidade direcional simples e da forma
l'
(5.9)
(C = 0) e desprezado o efeito da mola (K 3 = 0),
K 1 VI cos(O- T) = K 2 V 2 ,
ou, dividindo por K 2 VI,
K
V
1 -cos(OT) = - =Z. K2 I
(5.10)
Essa equa~o, conhecida da geometria analitica, representa urn circulo passando pela origem dos eixos e com diametro (K 1 /K 2 ), conforme e ~ostrado na Fig. 5.4(a), inclinado de T (condi~ao de fabrica~ao do rele), o que da merente
I.
'
;
K
por defini~o, urn rele direcional com restri~o por tensiio. Logo, sua equa~o de conjugado e opera~o
K 1 VIcos(8-T)-K 2 •
2
.·
Essa equa~o mostra que o diametro do circulo caracteristico cional a
(~: V
2
}
(5.11)
.
Z= / · V 2 ·cos(8-T).
F.
Na iminencia de resulta
=
0, resulta
RELE MHO OU DE ADMITANCIA
C = K 1 VI cos(O- T)-K 2 V2 -K 3 •
Rele de distancia, tipo mho
moda~ao
Para C 5.3.3
\
(5.12)
e propor-
Ou,seja, para faltas muito pr6ximas it fonte, e sendo V pe-
queno no instante do defeito (V = Z ·I"'), pode ocorrer urn mail funcionamento ou mesmo falha de funcionamento do rele, criando-se uma "zona morta". Assim, ha para o rele a exigencia de urn "comprimento minimo" de linha, para que o mesmo possa atuar confiavelmente. Na pratica, duas medidas basicas sao adotadas. Ou se utiliza uma forma construtiva do tipo copo, que e !eve, nipido e de alto conjugado intrinseco, e no qual o fabricante ajusta urn valor (K 1 /K 2 ), de modo a ver um certo valor minimo de impedancia, e que eindicado no catalogo, ou, entao, adota-se a chamada "a~ao de memoria". Nesta ultima disposi~ao construtiva, a energia e constantemente ·armazenada em um capacitor em um circuito paralelo ao da bobina de tenslio. Assim, mesmo que caia a zero a tenslio
I IntrodufiiO aproteriio dos sistemas etetricos
58
'·
Re!es de distdncia
59
no lado de alta-tenslio do transformador, no caso de curto-circuito, ainda uma corrente, proveniente do capacitor, descarregando-se, fluini na bobina de tenslio do rele, por curta tempo, mas o suficiente para operac;lio do rele de alta velocidade. 0 caso de urn curto-circuito em que V = 0 e raro, felizmente; tambem a propria tenslio atraves do area, da ordem de uns 4% da tensao nominaL costuma ser suficiente para operar o rele.
~rl
5.3.4 RELE DE IMPEDANCIA MODIFICADO E passive!, com urn artificio de compoundagem, fazer com que o rele de impedlincia tenha sua caracteristica deslocada no plano R-X, de modo a oferecer resultados semelhantes ao do rele mho no que diz respeito a acomodac;lio de certa resistencia de area voltaico (RAvl· Isso e feito, conforme a Fig. 5.5(a), polarizando-se convenientemente a bobina de tenslio com uma componente CI proporcional a corrente aplicada no rele. Ou seja, o conjugado do rele de impedlincia modificado sera da forma C' = K 1 12 -K 2 (V
Fa9amos inicialmente, C' resulta, por exemplo, ou seja,
=
0 e K3
=
+ CI) 2 -K 3 •
0 e desenvolvamos a expresslio vetorial;
K,ji2J- K2 j V- CIJ 2 2
2
K 1 1 -K 2 [V -2CVIcosO V 2CVI K 1 - K 2 [ I~ ----p:- cos 0
E como vern
i
3
I oI
lol
FIGURA 5.5
Aele de impedAncia modificado
· caracteristica de operac;lio do rele em qualquer parte do diagrama R-X, de modo a cobrir contra qualquer tipo de defeito imaginavel. Essa ideia evoluiu muito, ultimamente, com os reles estaticos, dando origem a caracteristicas poligonais extremamente uteis em releamento de protec;lio.
= 0,
+ C2 12 ] 2 2
C1
+ J2
]
=
0,
5.4
= 0,
lndica<;:oes de uso dos reles de distancia
K 1 -K2 [Z 2 -2CZcosO + C 2 J = 0. Z 2 = R2 + X 2 e Z · cos 0 = R,
Resumindo as vantagens e desvantagens citadas, indicam-se as seguintes aplica9iies para os reles ja vistas.
+ X 2 -2CR + C 2 ] K 1 -K 2 [(R-C)2 + X 2 ] = 0,
a) Reles de impedlincia ou ohm. Indicados para protec;lio de fase, em linhas de comprimento media, por exemplo, ate 138 kV. Sao urn pouea sensiveis as oscila9iies do sistema e exigem adicional unidade direcional. b) Reles de reatancia. Siio indicados particularmente para protec;iio de fase, em linha de comprimento curta, onde a resistencia tern valor apreciavel em rela9ao a indutancia e os areas voltaicos nao podem ser desconsiderados. Sao bastante afetados pelas oscila9iies e tambem exigem adicional unidade direcional. c) Reles de admitancia ou mho. Sao bern indicados na prote9ao de fase em linhas longas e de mais altas-tensoes, sujeitas a serias oscila9oes. Sao bastante afetados pela resistencia de area voltaico, mas devido serem inerentemente direcionais e praticamente insensiveis a oscila9iies do sistema, sao muito usados na pratica de protec;lio de linhas.
K 1 -K 2 [R 2
(R- C)2
I.
(5.13)
c:Ki I 2-IV-Cl:) 2 -.K
R
+ x2
= (
~y.
= 0,
(5.14)
que e a equa9lio de urn circulo com centro deslocado C da origem e com raio igual a J K 1 /K 2 , conforme a Fig. 5.5(b). Pode-se constatar, pais, que o rele ohm deslocado tomou-se intrinsecamente direcional e, ao mesmo tempo, para a mesma area ocupada no plano R-X, absorveu ainda urn certo valor da resistencia de area voltaiea (RAv) sem perder a propriedade .de cobrir a mesma extenslio de linha (Z). E facil imaginar que se a bobina de compoundagem tiver tapes diversos, desde C = 0 ate C = 1, pode-se deslocar a vontade o circulo no plano R-X. (Por exemplo, se C igual ao raio do circulo, tem-se o chamado rele de condutiincia, muito usado na Europa). Isso ocorre em alguns reles encontrados na pratica e para os quais, a simples escolha de urn determinado tape da bobina de compoundagem fomece caracteristica mais ou menos deslocada no plano. Outros artificios semelhantes permitem-nos afirmar que e passive! ealocar uma
EXERCICIOS . 1. Em urn diagrama R-X trace o vetor representativo de uma linha com Impedancia de (2,8 + j5,0) Q. No mesmo diagrama pede-se mostrar as carac-
,-
60
Introdu~iio Q prote~iio
dos sistemas el~tricos
teristicas de reles de impedancia, de reatancia e mho ajustados para operar com urn defeito sem arco no extremo da linha (admitir e = T para o rele mho). Considere, depois, que uma falta com resisrencia de arco voltaico de (1,5 + jO) Q possa ocorrer em qualquer parte da linha; pede-se calcular para cada urn dos reles anteripres, a maxima percentagem de linha efetivamente protegida. Comentar o resultado. 2. Escrever a equa9ao do conjugado de urn rele de resistencia e representa-la no plano R-X.
CAPITULO 6
REU~S COM CANAL PILOTO
6.1
lntrodu<;:ao
Constituem uma adapta9ao dos principios do releamento diferencial para prote9ao de se9oes de linhas de transmissao. Uma tal adapta9ao e necessaria porque 0 releamento diferencial classico nao e economico para grandes distancias. 0 termo piloto significa que entre os terminais de uma linha ha urn canal de interconexao, de algurna forma, e sobre o qual informa9Cies podem ser conduzidas. Tres tipos de canais sao usados: a) Fio piloto - consiste geralmente em urn circuito a dois fios, do tipo linha telefOnica, aberta ou por cabo. E urn sistema economico para distancias da ordem de 10-15 km, sendo bastante comurn em sistemas de distribui9ao de energia e em sistemas industriais, particularmente na prote9iio de redes subterraneas. Usa freqiiencia industrial. Conforme a Fig. 6.1(a) e (b), respectivamertte, ha duas variantes denominadas por circulariio de corrente e por oposiriio de tensiio.
______ i{f __ _ --------- '---estr.: 1
L...----1
-------
1
1----.J
Ia)- Cin:ulacOo de corrente
FIGURA 6.1
:- ----------BJJ-_________ -l ~P.!
I
t:
I
\(l~
_______/
._ ___ _,
\1
I
L.. ____ _.
! b J - oposiqOo de TensCio
Releamento par fie pilate
b) Onda portadora - ou corrente carrier piloto - na qual uma corrente de baixa-tensao, alta-freqiiencia (20-400 kHz) e transmitida ao Iongo dos pr6prios condutores da linha de potencia, superposta it corrente de freqiiencia industrial, desde o transmissor ate o outro terminaL sendo a terra ejou o cabo-terra usados como condutor de retorno. E economico a partir de 15 km, se comparado com o fio piloto. A Fig. 6.2 mostra urn esquema bitsico a ser detalhado posteriormente. c) Microonda piloto - e urn sistema radio de alta-freqiiencia, acima de 900 MHz, usado quando o numero de servi9os requerendo canal piloto excede
62
IntrodUfiiO
aprotefiiO dos sistemas eMtricos
63
Reles com canal piloto
LT
-fDL1---~~~·----fY+
c AcT Cin:. saida
FIGURA 6.2
"'i"
:-·------~
c TransmissOo A
.,
c RecepyOo B
. Clrc. control•
Releamento por onda portadora ou carrier
FIGURA 6.4
a capacidade tecnica ou economica do sistema por onda portadora (neste sistema, o alto pre9o deve-se ao grande numero de filtros que siio necessarios aos varios canais requeridos). Os transmissores siio controlados da mesma maneira que no sistema de onda portadora, e os receptores convertem os sinais recebidos em tensao de corrente continua, igualmente. Nesse sistema, equipamentos de antena parab6lica COm linha de visada, Uma em rela9a0 a outra, sao necessarios. A Fig. 6.3 mostra urn esquema tipico.
------
--
Sistema elt§trico tipico
Conforme foi visto anteriormente, a corrente da onda portadora, ou corrente carrier, de elevada freqiiencia, e transmitida pelos pr6prios condutores da linha. Em geral, ha tres tipos claesicos de acoplamento, conforme a Fig. 6.5:
a)' acoplamento singelo - indicado ate 138 k V; b) acoplamento bifasico ou duplo- acima de 230kV; c) e, de circuitos duplos, no caso de linhas ou circuitos em paralelo, aumentando a confiabilid. .-le e o custo. 1- Singelo { 138k.V)
3- Circuitos Duplos
2- Bif&sico ( 23Q.k. Vl
--:;;::
"I l
ii'•' FIGURA 6.3
Releamento por microonda
Sao possiveis diversos esquemas. Descreveremos urn deles a seguir, para ilustrar o principia geral. Outros esquemas, incluindo a chamada prote91io 100% da linha, sao apresentados em cursos mais avan9ados.
6.2
Sistema de onda portadora par compara9ao direcional
Urn sistema de gera91io, transmissiio e distribui9iio de energia compreende esta9oes geradoras (G) que alimentam os centros de carga (M), atraves de urn sistema constituido por linhas de transmissiio (L T) e subesta9oes transformadoras (T) elevadoras ou abaixadoras da tensiio, conforme a Fig. 6.4. Nesse sistema, reles de prote9iio seletivos, rapidos e confiaveis, atuando por meio de varios esquemas, permitem a desejavel continuidade de fornecim.ento de energia its cargas. Descreve-se, a seguir, urn desses esquemas, denominado releamento com canal piloto por compara9iio direcional (sao igualmente usados os metodos de compara9iio de fase).
1- Unidode de Bloqueio(UB) 2- Capacitor de Acoplamento 3- P
FIGURA 6.5
I
I •• j_
4- Unidode de Sintonia (US) 5- Cabo CoaXI
Tipos de acoplamento para onda portadora
Vamos descrever urn acoplamento singelo, melhor detalhado na Fig. 6.i!., sendo que em cada extremidade do trecho de linha protegido e instalado equipamento semelhante, tal que urn sinal e transmitido do ponto A (transmissor) para o ponto B (receptor) ou vice-versa. Na Fig. 6.6 identificamos: capacitor de acoplamento; unidade de bloqueio; unidade de sintonia; transmissor, calibrado entre 20 e 400kHz; R, receptor; D, disjuntores-limite do trecho AB de linha.
C, U B, US, T,
-
64
Introdufiio iJ. protefiio dos sistemas eletricos
UB
{o)
I
:I
~-l
n
~
{b)
iI
, fL{LT ~ 40o--Sio- ii().A..
Zo'Vc C
Coaxial"::: 70.,._
I
I
FIGURA 6.6
65
Tern por finalidade confinar a Corrente da onda portadora a secao de linha protegida que lhe serve de condutor-suporte. E composta de urn indutor e de urn capacitor, em paralelo (logo, oferecendo alta impedancia para a freqiiencia de ressoniincia ajustada, ao mesmo tempo que oferece uma impedancia desprezivel para a corrente industrial ou de baixa-freqiiencia da linha).
Ius I
I T, J ' I 1...---.----...J I C)
Reles com canal piloto
c) Unidade de bloqueio - U B
' vi:c[ ~--1~---: r I
------------------------
cabo coaxial que o liga ao equipamento transmissor e/ou ao receptor. De fato, recordemos que Z 0 ~ JIJC e a impedancia oferecida as ondas de translacao da linha, e cujo valor e da ordem de 400 Q para linhas aereas simples, 320 Q para linhas com condutores geminados, 260-300 Q para linhas quadrigeminadas, e 70 Q para cabos coaxiais. E, pais, necessaria esse transformador de ajuste, consideradas as diferentes caracteristicas Z 0 • De fato, o circuito ressonante e o acasalamento das impedancias constituem os meios pelos quais a unidade de sintonia efetua a reducao das perdas acima citadas.
LT
LT
-------
I"""' : Caaxial
Acoplamento singelo da proteGBO par onda portadora
a) Equipamento transmissor e receptor - T e R Sao ligados a linha mediante capacitores de acoplamento C, urn para cada equipamento [Fig. 6.6(b)], permitindo assim efetuar-se a conexao do circuito baixa-tensao (T ou R) ao circuito de alta-tensao (L T). Esses capacitores sao filtros passa-alta que oferecem uma baixa impedancia its correntes de alta-freqiiSncia, e- uma elevada impediincia as correntes de baixa-freqiiencia ou industriais. Sao, na realidade, verdadeiros divisores de tensao, servindo tam bern, e por vezes, como transformadores de potencial. b) Unidade de sintonia - US Tern por finalidade reduzir ao mmnno as perdas resultantes da transfe· rencia de energia da corrente de onda portadora, entre o transmissor e a linha, ou entre a linha e o receptor [ veja a Fig. 6.6(c)]. Consistem de uma indutiincia varhivel (L) e urn transformador de ajuste (Tr). A indutiincia (L) permite, quando devidamente ajustada, que o circuito capacitor-unidade de sintonia entre em ressonancia-serie (baixa impedancia ofe· recida na freqiiencia de ressonancia ajustada). Ja o transformador de ajuste (Tr) permite o acasalamento entre as impedancias caracteristicas (Z 0 ) da linha e do
d) Resumo Observa-se que o transmissor em A (TA) emite urn sinal de onda portadora em freqiiencia devidamente ajustada, o qual sera recebido pelo receptor em B (RA), enquanto que o transmissor em B (TB) emite sinal para A (RB). Tais sinais podem ser usados: 1) para_comandar certas partes componentes do sistema de transmissao; 2) para funcionar como sistema telef6nico, se a onda portadora for convenientemente modulada em urn extrema e demodulada no outro; 3) para sistema de telemedic[o de certas medidas efetuadas em A e que serlio registrados em B, ou vice-yersa.
0 uso combinado dessas possibilidades reduz o alto custo inicial, justificando o projeto.
e) Por que a denominacao direcional? Seja o trecho 3-4 de uma parte de sistema que deve ser protegido pelo metoda de onda portadora, ou sistema carrier, e havendo possibilidade de alimentacao pelas duas extremidades da linha, conforme a Fig. 6.7. Desejamos, entao, que para uma falta em B entre os disjuntores 3 e 4, s6 estes se abram; e, para faltas externas ao trecho, como em A e C aqueles disjunto res nao atuem antes que 2 ou 5, respectivamente. Ou seja, para falta em B, queremos tempos de abertura dos disjuntores t 3 < t 2 e t 4 < t 5 ; e para falta em A, queremos t 2 < t 3 ; e para falta em C que t 5 < t4 • Ou seja, haveria incoerf:ncia, niio fora a existf:ncia de urn elemento que "visse" o sentido da corrente
de defeito (alem do tempo e magnitude da corrente). Em urn certo equipamento da General EleCtric, que descreveremos, um
sinal de onda portadora e usado para travar o funcionamento dos reles direcionais, sempre que os mesmos tendam a operar para faltas externas ao trecho protegido; dai a justificativa do nome direcional. 0 coracao desse sistema e
---
Introdu~iio
66 2
4
3
r---
r-- -,
'
I
~
t3
FIGURA 6.7
--,
1
•
67
Re/es com canal piloto
iJ prote9iio dos sistemas etetricos
5
----------------------
c
A
iI I I
Necessidade da direcionalidade
I
uma valvula osciladora do transmissor (veja a Fig. 6.8), e que recebe tensao positiva atraves de urn circuito auxiliar de corrente continua. Sua grade de controle e ligada ao terminal positivo mediante urn resistor, e ao terminal negativo atraves de contatos (Z e T1) do tipo normalmente fechado, ou de contatos (M e T.) normalmente abertos. Assim, enquanto os contatos normalmente fechado: permanecem nessa posi~ao, tal grade ficara sujeita a uma tensao predominantemente negativa, e a valvula nao oscilara, ou caso estivesse oscilando, o fechamento dos contatos normalmente abertos interromperia seu funcionamento, para os dois receptores local e distante. Verifica-se que, se a valvula oscila, utna grade de opera~o envia sinal para o transmissor, sinal esse que e recebido pelos receptores RA e RB.
I I I I I
I I
I
FiiGURA 6.9
Placal+}
Funcionamento do sistema de onda portadora (GE) par comparat;:So direcional
Brode-Controle
Cotodo (-) Filomento
Grade-sinal au de QperaoCo
vcitvula osc"ilodora
FIGURA 6.8
Valvula osciladora; principia de funcionamento
f) Funcionamento do esquema
Sao usados reles detetores de falta entre fases (21-ASA, sobrecorrente com restri~ao por tensao, nao-direcional) e fase-terra (67N-ASA, direcional~ com atua~o no sentido para fora do trecho protegido). Em caso de falta, pms, urn desses reles dispara os transmissores, por meio de a~o sobre o contato Z ou T, , respectivamente. Por outro !ado, a a~ao de bloqueio da transmissiio, se a f~lta estft no trecho a ser protegido, e feito por reles ASA-21 mho ou 67N ~sen!ido opera~ao para dentro) respectivamente, resultando na abertura dos dlsJuntores 3 e 4, conforme a Fig. 6.9, ja que atuam ~obre os ~ontatos ou T2 : • Resta explicar a atua~ao sobre a bobma de d1sparo (tnpe) do d!SJ~ntor, e que estft em serie com urn contato R, comandado pelo receptor da extrem1da~e considerada Ou seja, sempre que o receptor recebe smal, abre-se R e os ~IS juntores sao impedidos de atuar, ja que a falta e externa ao trecho proteg:JdO. Vamos imaginar a existencia de faltas internas e externas ao trecho, e ver como a prot~ao reage.
!"f
i
1) Falta no ponto A Se for falta fase-fase OS reles de impedi\ncia 21, nao-direcionais, dos pontos 3 e 4, detetam a mesma e abrem OS contatos z. Se a falta e fase-terra sera 0 rele 67N, direcional "vendo" no sentido de A, que atua abrindo o contato T1 • Com isso, aberto Z (ou T1) os transmissores en tram em opera~o, sendo que o situado em 3 emite sinal para os receptores em 3 e 4 e, vice-versa, o transmissor em 4 eniite sinal para os receptores em 4 e 3. Porem, ao mesmo tempo, tambem o rele direcional 21 mho, em 4 (ou o 67N, se a falta e fase-terra), "ve" a falta no seu sentido de atua~o e fecha o contato M do transmissor em 4, interrompendo o sinal de 4 para 3. Nao obstante, o sinal de 3 para 4 continua sendo emitido (tanto o rele 21 mho, como o 67N, que comandam os contatos M e T2 , nao "veem" a falta A); logo, os receptores continuam recebendo sinal, o que mantem R aberto, via rele auxiliar 85 (rele do carrier) impedindo corretamente a abertura dos disjuntores, ja que a falta A e externa ao trecho protegido. 2) Falta no ponto C Seinelhantemente, os disjuntores 3 e 4 permanecerao fechados. 3) Falla no ponto B Os reles de impedancia 21, nao direcionais, em 3 e 4 detetam a falta fase-fase e abrem os contatos Z (se a falta for fase-terra, atuam os reles 67N em 3
68
I
Ii
Introdurao lJ proteriio dos sistemas e!etricos
e 4, diretamente sobre os contatos T2 ), o que garante ao mesmo tempo a parada das transmissoes e o sinal positivo na bobina de disparo (ja que R esta fechado, por nao estar ocorrendo transmissao). En tao, abrindo Z os transmissores 3 e 4 entram em opera9ao, tendendo a abrir R. No entanto, os reles 21 mho, direcionais em 3 e 4, e "vendo" para dentro, atuam fechando os contatos M, com o que sao bloqueadas as duas transmissoes. Logo, fechando-se o contato R, pode haver o correto disparo de ambos disjuntores, uma vez que a falta e interna ao trecho protegido. Constata-se, pois, que ha alguns ajustes de temporiza9ao entre os reles, para que as a9i'ies ocorram como descrito. Tambem e claro que atualmente tal sistema usando valvula osciladora ja esta superado, mas o principio dos mais modernos sistemas a estado solido permanece va!ido e semelhante ao descrito por razoes didaticas.
CAPITULO 7
REDUTORES DE MEDIDA E FILTROS
7.1
lntroduc;:ao
A semelhan9a dos aparelhos de medida, os reles siio usualmente conectados ao sistema de potencia atraves de transformadores de corrente e/ou potencial. Dispositivos de acoplamento capacitivo, atuando como divisores de tensao, e acopladores lineares sao as vezes usados. Desses diferentes dispositivos, no entanto, os transformadores de corrente (TC), com seus problemas de satura9[o resultantes das componentes continua e altemada da corrente de defeito, requerem a maior considera9[o para assegurar aplica9[o satisfat6ria. Quanto aos filtros, constituem uma das notaveis caracteristicas dos dias atuais, com rela9[o ao estado de desenvolvimento da engenharia de prote9[o por meio de reles, assegurando urna melhoria na qualidade de prote9[o e, ao mesmo tempo, simplificando-a. Neste estudo, estaremos unicamente interessados nos redutores de medida destinados a prote9a0.
7.2
Transformadores de corrente (TC)
Destinam-se a evitar a conexiio direta de medidores e reles, nos circuitos de corrente altemada de alta-tensao, bern como a adaptar a grandeza a ser medida as faixas usuais da aparelhagem. 0 enrolamento primario tern geralrnente poucas espiras, as vezes mesmo uma Unica; ao contr3.rio, o enrolamento secund3.rio tern maior nUmero de espiras e a ele sao ligadas as bobinas dos diversos medidores e/ou reles. 7.2.1
CARACTERIZA<;:AO DE UM TC Segundo a ABNT, os valores nominais que caracterizam os TC sao:
, !I
;,
I li '
a) b) c) d) e)
corrente nominal e rela9[o nominal; classe de tensao de isolarnento nominal; freqiiencia nominal; classe de exatidlio nominal; carga nominal; f) fator de sobrecorrente nominal;
/ntrodu~iio Q prote~Qo dos sistemas e!etricos
70
I
g) fator timnico nominal; h) limites de corrente de curta-dur~o nominal para efeito termico e para efeito dinamico.
'
zj=
'
d) Classe de exatidiio Merece particular aten9iio; apresenta caracteristicas distintas nos servi9os de medi9iio e prote9iio. Corresponde ao erro maximo de transforma9iio esperado, se respeitada a carga permitida. 1) TC de medi~o - Para valores de 10 a 100% I. os TC devem apresentar erros de rela~o e de angulo de fase minimos, dentro de cada classe. Devem, pais, enquadrar-se nos respectivos paralelogramos de precisao correspondentes as classes de 0,3, 0,6 e 1,2% de erro, em fun~o do "fator de corre~o da rela~o" - FCR, dado pelo quociente da real rela~o de transforma~o medida e a rela~o nominal de placa, ou seja, FCR = 1 1 /I 2 = 1 2 +I•. K I2
z1
~
jr1+
x, I2
r, r
a) Corrente e rela~o nominais Segundo a norma P-EB-251 da ABNT, para correntes nominais secundarias de 5 A, as correntes nominais primarias sao 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75, 100,125,150,200.250,300,400, soo, 600, soo,1ooo, i2oo, 1500, 2ooo,3ooo. 4000, 5000, 6000eBOOO A (as valores segundo a norma ASA estao sublinhados). A rela9ao e indicada assim: 120:1 se o TC e 600-5 A; se ha varios enrolamentos primarios (serie, serie-paralelo e paralelo), indica-se 150 x 300 x 600-5 A.
c) Freqiiencia nominal Sao normais as freqiiencias de 50 efou 60Hz.
K2
H
Apresentaremos breve descri~o desses valores.
b) Classe de tensao de isolamento nominal E definida pela tensiio do circuito ao qual o TC vai ser conectado (em geral, a ten sao maxima de servi90).
71
Redutores de medida e filtros
m?->-
z•
v,
E2
>>-
x2 FIGURA 7.1
Circuito equivalents do transformador de corrente
Z~,
imped3.ncia de magnetizac;Ro, referida ao secunditrio; tensao de excita9[o secundaria (volts); Z 2 , impedancia do enrolamento secundario (ohm); I 2 , corrente secundaria (amperes); V,. tensiio nos terminais do secundario (volts); Z,, impediincia da carga (ohm). 1:; 2 ,
Do circuito equivalente, constata-se que parte da corrente primana, e na excita~o do nucleo: 1'1 = I~ + I 2 , e que a f.e.m. secundaria (E 2) e fun9ao da corrente de exCita~o (I~). da impediincia secundaria (Z 2) e da propria carga (Z,). A curva que relaciona E 2 e I~ e denominada curva de excitarao secundtiria (Fig. 7.2), e e muito importante nas aplica9oes. Assim, ela permite determinar a ~onsu~ida
E2:: Es
A 100
v
~·600-5 300~5
Em geral, a indica~o da classe de exatidiio precede o valor correspondente
i
a carga, para urn dado enrolamento X; par exemplo, 0,6-C2,5. As classes 0,3 e 0,6 destinam-se as medidas de laborat6rio e faturamentos; a classe 1,2 serve para os demais medidores. 2) TC de prot~o - E agora importante que os TC retratem com fidelidade as correntes de defeito, sem sofrer os efeitos da satura~o; em geral, despreza-se o erro de angulo de fase. 0 circuito equivalente de urn TC deve ser bern compreendido. Na Fig. 7.1, tem-se
I 1 , valor eficaz da corrente primaria (A); K = N2/N 1, rela~o de espiras secundarias para primarias; Z 1 , impediincia do enrolamento primario;
Z'1 , idem, referida ao secundario;
I~ = I 0 / K, corrente de excita~o, referida ao secundario;
150~5
_ _ _ _ _ _ _ , 00·5
10
-----50-5
TC TIPO BUCHA
[ntrodUfiO Q protefiiO doS Sistemas eletriCOS
72
tensiio secundaria a partir do qual o TC come9a a saturar; eo ponto-de-joelho, PJ, definido como aquele em que, para se ter aumento de 10% em E 2 , precisa-se aumentar 50% em I~ (as vezes as curvas mostram isso na reta AB). Dependendo das caracteristicas construtivas do TC, a reatancia de dispersao do enrolamento secundario sera maior ou menor. Na pmtica eles siio ditos de baixa impedancia (B segundo a ABNT, ou L segundo a ASA) ou tipo bucha, e de alta impedancia (A segundo a ABNT, ou H segundo a ASA) ou de enrolamento concentrado. Segundo a norma ASA, admitindo que o TC esteja suprindo 20/, (ou 100 A) a sua carga, ele e classificado na base da maxima tensao eficaz que pode manter em seus terminais secundarios, sem exceder o erro especificado de 10 ou 2,5%Assim, 10 (ou 2,5) H (ou L) 100 significa urn TC de alta (ou baixa) impedancia, capaz de manter 100 V (ou 100/20 x 5 A = 1 0) em seus terminais sob erro maximo de 10% (ou 2,5 %) quando alimentando carga ate 1 0. As tensoes secundarias - padrao ASA - siio 10, 20, 50, 100,200,400 e 800 V, que correspondem as cargas 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 2,0, 4 e 8 0, respectivamente, e validas apenas para a menor rela¢o do TC. 0 numero antes da letra H ou L, indica o maximo erro de rela9ao especificado, ou exatidiio do TC, em porcentagem [% = 100(FCR-1)]. Notar que a potencia: VA,., 0 x A2 • Urn metodo aproximado de descobrir a classifica¢o de urn TC, tipo bucha, segundo a norma ASA consiste na leitura dos dados do ponto-de-joelho da curva I. x E,. Entao: ,) aproxima-se o valor de E, lido para o E, padronizado; H) calcula-se a classe de exatidao, pela expressao abaixo,. e aproxima-se-a de 2,5 ou 10%, %=]elida X
Iz
o
100
'
onde / 2 refere-se ao valor da corrente secundaria nominal do TC considerado. Para as demais rela9oes do TC, a precisao mantem-se, mas a carga toleravel reduz-se proporcionalmente. Por exemplo, no TC da Fig. 7.2 teriamos precisao
=
+
x 100 = 20%.
Logo o TC e lOLlO, na rela9ao 50-5. Ou seja, na rela¢o 100-5 seria 50 lOLlO lOO = 10L5. Segundo a ABNT, os erros sao tam bern de 2,5 ou 10%, de I, ate o fator de sobrecorrente nominal e que pode ser F5, FlO, Fl5 (TC tipo bucha) ou F20 (a ASA s6 considera F20). Assim, urn TC indicado B (ou A) 2,5 (ou 10) FlO C100, significa tipo de baixa impedancia (ou alta), erro maximo de 2,5 (ou 10 %), sob fator de sobrecorrente 10/,, capaz de alimentar a carga de 100 VA. As potencias padronizadas sao 12,5, 25, 50, 100, 200, 400 e 800 VA, dependendo do fator de sobrecorrente e da classe de exatidao tabelados.
73
Redutores de medlda e filtros
_Em resumo. do an~eriormente exposto, significa que devemos especificar a ten.sao secundana maxima (E2 = E,) a partir da qual o TC passa a sofrer os efe1tos da satura9ao, deixando de apresentar a precisao da sua classe de exatidao. Ou seja, deve-se calcular E, = 4,44N 2. f. s. Bmax. 10- 8 = I2(Z,
+ z2 + ZL) =
12. z,
volts,
on de S, SC9aO do nucleo (cm 2 ); Bmax, maxima densidade de fluxo (gauss); ZL, impedancia dos condutores (ohms).
e) Carga nominal Todas as considera9oes sobre exatidao dos TC esta condicionada ao conhecimento da carga dos mesmos (Z, = R + jX). Os catalogos dos fabricantes de reles e _medidores fm;necem as cargas z, que os mesmos representam para os TC; a 1sto deve-se amda adicionar a carga imposta pela fia9ao (ZL), e que pode ser calculada aproximadamente, por ZL = 2
X
10- 2 _!_
(ohms),
s
on de Z L = resistencia da fia9ilo (ohms), I = comprimento simples da fia9ao de cobre (metros), S = s09ao reta do condutor (milimetros quadrados). Em .geral, para especificar o ponto-de-joelho mm1mo seguro de urn TC, para fugrr da satura9a0 da componente continua, toma-se urn fator de seguran9a de 100% sobre o cilculo (20/, · Z 1), ou seja, PJmi• = 2 x 201, x
z,
(volts),
se o TC tern fator de sobrecorrente F20. t) Fator de sobrecorrente nominal
Expressa a rela9ao entre a maxima corrente com a qual o TC mantem a sua classe de exatidiio e a corrente nominal. Segundo a ABNT, esse fator e 5, 10, 15 ou 201, (segundo a ASA, e sempre 20/,). g) Fator termico nominal
E o fator pelo qual deve ser multiplicada a corrente primaria nominal de urn TC, para se obter a Corrente primaria maxima que 0 transformador deve poder suportar, em regime perinanente, operando em condi9oes normais sem exceder os limites de temperatura especificados para a sua classe de isol~ento. Segundo a ABNT, esses fatores podem ser 1,0, 1,3, 1,5 ou 2,0.
Introdur;Qo aprolefiiO dos sistemas eletricos
74
h) Limite de corrente de curta dura9iio para efeito termico E o valor eficaz da corrente primaria simetrica que o TC pode suportar por urn tempo determinado (normalmente 1 s), com o enrolamento secundario curto-circuitado, sem exceder os limites de temperatura especificados para sua classe de isolamento. Em geral, e maior ou igual a corrente de interrup¢o maxima do disjuntor associado. i) Limite de corrente de curta-dura9iio para efeito meciinico E o maior valor eficaz de corrente primaria que o TC deve poder suportar durante determinado tempo (normalmente 0,1 s), com o enrolamento secundario curto-circuitado, sem se danificar mecanicamente, devido as for9as eletromagneticas resultantes. Segundo a norma VDE, vale 2,5 vezes o limite para efeito termico, na classe 10-30 k V e tres vezes na classe 60-220 k V. No Anexo I e apresentada parte de uma tabela do fabricante (GE), apresentando cargas impostas aos TC por medidores e reles.
7.3
Transformadores de potencial (TP)
Siio transformadores para instrumento cujo enrolamento primario e conectado em derivayiio com o circuito eletrico, e que se destinam a reproduzir no seu circuito secundario a tensiio do circuito primario com sua posi9iio faserial substancialmente mantida em uma posi9ao definida, conhecida e adequada para uso com instrumentos de medi9ao, corttrole ou prote9iio. Os T p introduzem dois erros na transforma9iio da tensao: em modulo e em iingulo. Tais erros sao mais importantes na medi9ao de energia. Ha, pois, tam bern curvas de fa tor de corre9ao de rela9iio (FCR) e do iingulo de defasagem diversas (fun9ao da carga, tensao e fator de potencia). 7.3.1
CARACTERIZA<;AO DE UM TP Segundo a ABNT, os valores nominais que caracterizam os T P, sao: a) b) c) d) e)
tensao primaria e rela9ao de transforma9ao nominal; classe de tensao de isolamento nominal; freqiiencia nominal; carga nominal; classe de exatidao nominal; f) potencia termica nominal.
Apresentaremos breve descri9iio desses valores, a seguir. a) Tensiio primaria nominal e rela9iio nominal Segundo a ABNT, e conforme o Anexo II, rem-se diversas classes de isolamento (desde 0,6 ate 440 kV), com tens5es primarias nominais desde 115 ate 460 000 V, e tens5es secundarias de 115 V.
Redutores de medida e jiltros
75
Seleciona-se a rela9iio normalizada para uma tensiio primaria igual ou imediatamente superior a tensiio de servi,o. b) Classe de tensiio de isolamento nominal A sele9ao da classe de tensao de isolamento de urn T P depende da maxima tensiio de linha do circuito ao qual seci ligado (veja o Anexo II). c) Freqiiencia nominal Os T P siio fabricados para 50 ejou 60 Hz. d) Carga nominal
E a potencia aparente, em VA, indicada na placa e com a qual o T P nao ultrapassa os limites de precisiio de sua classe. Para determina9ao da carga imposta a urn T P, basta samar as potencias que cada urn dos aparelhos conectados ao seu secundario absorve. Segundo a ABNT, a carga e indicada por P12,5 (correspondente a potencia aparente de 12,5 VA), P25, P50, P100, P200 e P400. Segundo a norma ASA, os TP tern suas cargas indicadas por letras: W(corresponde a 12,5 VA), X(= 25 VA), Y(=75VA), Z(=200VA) e ZZ(=400VA). e) Classe de exatidao nominal Os TP enquadram-se em uma das seguintes classes de exatidiio: 0,3; 0,6 ou 1,2; as aplica96es correspondem as dos TC. Ou seja, as classes 0,3 e 0,6 destinam-se a aparelhos de medida ou laborat6rio e faturamento, enquanto a classe 1,2 destina-se a alimenta9iio de aparelhos indicadores diversos e reles. Ha, igualmente, os paralelogramas de precisao para os T P. f) Potencia termica nominal
E a maxima potencia que o TP pode fornecer em regime permanente, sob tensao e freqiiencia nominais, sem exceder os limites de eleva9ao de temperatura especificados. Em principia, a potencia termica nominal nao deve ser inferior a 1,33 vezes a carga mais alta referente a exatidiio do TP. 7.3.2 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL CAPACITIVOS Alem dos T P convencionais, e semelhantes aos transformadores ·de paten cia, ainda dois tipos de T P capacitivos sao usados na prote9iio por meio de reles: o tipo capacitor de acoplamento, e o tipo bucha. Esses tipos sao basicamente iguais; diferem apenas no divisor capacitive usado. As Figs. 7.3(a) e (b) mostram os dois tipos. Na Fig. 7.3(c) e mostrado o esquema do T P capacitivo; o circuito mostrado e combinado com os outros das fases, sendo usual a conexao em estrela para reles de fase e triangulo aberto para dete,ao de defeito para terra A reatiincia indutiva XL e variavel, sendo ajustada para fazer com que a tensiio na carga (V8 ) esteja em fase com a tensiio do sistema ( V.l·
77
Redutores de medlda e filtros
76
prote9iio, face its oscila9oes normais; tambem slio necessarios na sele9ao da fase defeituosa durante os religamentos automaticos das linhas de transmisslio, etc. Sao mais usuais os filtros de seqiiencias zero e negativa. 7.4.1
Ia I
:~
lbl
tel FIGURA 7.3
FILTROS DE SEQUENCIA ZERO
A carga nominal do enrolamento secundario de urn TP capacitivo e especificada em watts, sob tenslio secundaria nominal, quando a tenslio nominal fase-terra e aplicada ao divisor capacitivo de tenslio. Para o TP tipo capacitor de acoplamento, a carga nominal e de 150 W em qualquer tenslio nominal; para o tipo bucha, as cargas sao dadas na Tab. 7.1.
Fase-fase
Fase-terra
II
I:
7.4
[i.
n
m
Zn
lbl
FIGURA 7.4
Filtros de seqii&ncia zero
a) Tenslio. Conforme a Fig. 7.4(al, na conexao triiingulo aberto," muito usual, a tenslio que aparece atraves dos terminais do filtro e TPbucha: carga (watts)
115
115/fi = 66,4
25
138 161 230 . 287
79,7 93,0 133,0 16(!,0
35 45 80 100
Filtros de componentes ·
Sao,dispositivos usados para separa¢o das correspondentes componentes simetric.;;, de tensao ou corrente de urn circuito trifasico. Tern terminais de entrada aos quais sao aplicadas correntes ou)ensoes, e terminais de said'! onde slio obtidas correntes ou tensoes proporcionais its correspondentes componentes simetricas das grandezas aplicadas na entrada, e que irao alimentar os reles ou controlar transmissores, receptores, etc.· Os filtros siio particularmente uteis, por exemplo, quando urn sistema eletrico alcan>a os limites de estabilidade estatiCI!- e dinamica, onde reles de sequencia negativa devem impedir a opera~o incorreta dos dispositivos de
l
1-''~
Ia I
v... =
.I
I
c
lb+Ic
Zn
TABELA 7.1
Tensilo (kV)
•
m~n
Transformador de tensao. tipo capacitive
A
,.-·~
v. + v, + v. =
(V,., + V.z + V.o) + (B., + V.z + V.o) + (V,, + V.z + V.o) = (V,., + V,, + V,,) +
= =
i
v...
b) Corrente Na Fig. 7.4(b) verifica-se que o filtro de corrente e dual do filtro de tenslio, e vice-versa. Resulta, aplicando as propriedades das componentes simetrica~, I. I, I,
=
I I I
I
I
a• a
a
X
a'
I.o I., I.,
ou ou
I.
+ I, + I, =
3 x I. 0
. I,..= 3·I. 0 •
,
.
78
Introdu~fio
...
ti protecio dos sistemas e/etricos
,.....-'
'•
<'V'>
r-'' ........ lb
Ia- Ib
-
Zl.§.Q
zlll.
I b-1
I a -I
m
R
'•
'•
I~ 0
1 0 -I
rb- 1
-
-
r
'•
"
a2
Aplica<;:oes
EXEMPLO I. Pede-se determinar o valor da saida U ~ do filtro de tensiio de seqUencia negativa a seguir, para R 2 = 2R 1 e x = ..j3R 1 •
e
UB-Uc JBC. = (R + R )~jx 2 1
(UA-UB) + (UB-Uc) (R 1 + R 2)- jx (R 1 + R 2)- jx' (UA- UB)+ (R 1 - jx)(UB- Uc) Urn,= R2 . . . rno
=
R
2
(R 1
+
R 2 )- JX
Substituindo R 2 = 2R 1 e x = j3 R 1 e simplificando, vern 2(Ur UB)
+ (l-jj3)(UB- Uc)
=
3-jfi 2UA-(l +jj3)UB-(l-jj3)Uc 3-jfi 60 2U A- 2ei · U B- 2e- i 60 • Uc 2j3e-i'O Como desejamos somente a resposta basta substituir
I ~ Iaz'
Observar
UA-UB (R + R ) -jx 1 2
JAB
'
ou seja, nessa conexiio o rele, conectado entre m e n, recebe corrente I proporcional a componente de sequencia negativa I , 2 •
7.5
urn,= R2 ·JAB+ (R,-jx)·IBc•
on de
U
= l·e-!120
Exemplo de clllculo de filtro de tensao de seqUllncia negativa
SOLU(:AO. Basta resolver o circuito dado:
Logo
(I,- I) · Z@ + (I,- I) · Z /Sl = 0 (I,-I)Z = h2 (I,-I)Z I,-1 = h2 I,-h 2 I I,-I,h 2 = I-h 2 I (I, 1 + I, 2 )-(I, 1 + I, 2 )h 2 = I(I -h 2 ) 1, 2 • h(I -h 2 ) = I(I -h 2 ) I I I 0 2 = - = - - = 1/-120 h /120 '
ou
FIGURA 7.6
Filtros de corrente de seqUAncia positiva (a) negativa (b)
I
Rz
_umn _ _ _ !
(b)
Na Fig. 7.5(b), montado com base em duas impedancias Z lf!l (por exemplo, urn resistor em serie com urn capacitor) e Z /.Q, tem-se I:.ZI = 0 na malha do rele, resultando
ou
Rz
X
~Z:'IiRt
'c
lol
FIGURA 7.5
-.,
.,
Iac
X
1a
1--'''"
Zl§S!
m
"
I
Uc
1 AB
'•
. .ua
[ -.,
7.4.2 FILTROS DE SEQUENCIA NEGATIVA <'V'>
79
Redutores de medida e filtros
Vern, entao,
a componente
=
de sequencia negativa.
fntrod~fiiO
80 =
3' U A2 j3e-I30
to
/z profefiJO dos SiStemas e/etrfCOS
81
Redutores de medida e jiltros
EXEMPLO 4. Um dado TC tem limite termico de 40kA. Se os reles e disjuntores eliminam o defeito em 2 s, qual a corrente permissive! para o TC? Qual seria a minima se9ao reta do condutor de cobre primitrio do TC'!
'30
= V 3, U A2, e' '
U mn = U A2 . V'3;:J .ei30 '
a
ou seja, trata-se de um filtro de tensao de sequencia negativa, com boa amplitude de saida.
SOLU(:AO. Por definic;li.o, o limite termico refere-se maxima corrente que pode ser suportada pelo TC durante 1 s. Entao, como I 2 t = cte, vern
EXEMPLO 2. Desprezando-se a potencia consumida pelas conex5es e condutores de ligac;li.o, qual a precisao recomendada para um TC destinado a alimentar, simultaneamente, um amperimetro AH-11, um medidor de watt-bora V-65 e um medidor de watt-bora IB-10, usados em um laborat6rio de medic;li.o?
ou
SOLU(:AO. Consultando um catalogo da General Electric (Anexo I), fabricante
1:t 1 = l~t 2 ,
ft. t; = 40000'1/!1 2' = 28400A.
I 2 = I 1 ..J
Por outro !ado, o limite termico e calculado pela expressao: li · F I' ,..m = 1 000
dos aparelbos em questao, obtem-se as caracteristicas:
1:
0,90VAR 0,12 0,80 1,82
2,10W 0,12 0,80 3,02
AH-11 V-65 IB-10
Total
2,30VA 0,17 1,10
Resulta VA=
jW 2 + VAR 2
= j3,02 2
+ 1,822 = 3,52.
on de O, maxima densidade de COrrente do condutor, em A/mm2 (vale 180 para o cobre e 118 para o aluminio); F, s09Ao reta do condutor primario (mm 2 ).
Entao, o condutor primario deveria ter uma sec;li.o minima de F=I"..m= 40000A = 223mm, 2 180 180A/mm2
Entao, de acordo com as informa9oes do texto, a exatidao recomendada para o TC seria 0,3B0,2, segundo a norma ASA, e 0,3C5,0, segundo a norma ABNT. EXEMPLO 3. Suponbamos que o TC do exemplo anterior deva ainda ali-
mentar um rele de sobrecorrente tipo 121AC51B, ligado no tape minimo de 4 A e destinado a operar com 20 A. Qual seria a nova especifica9ao para ·o TC? SOLU(:AO. Dos catalogos do fabricante (General Electric, Anexo 1), vern: AH-11 V-65
I.B-10 IAC51B Total
Z(obm) 0,090 0,007 0,042 0,380 0,519
R(obm) 0,085 0,005 0,030 0,110
VA 2,30 0,17 1,10 9,50 13,07
Ou entao, para o TC com 5 A secundarios, P = ZI 2 = 0,519 x 52 = 13 VA.
Poder-se-ia, pois, indicar, segundo a ABNT, um TC:AlOF20Cl2,5, para menos, ou o equivalente ASA-10H50; ou; para mais: B10F20C25 segundo a ABNT ou 10Ll00 segundo a norma ASA (a classe de exatidao a 10% foi escolbida porque a corrente de opera9ao e inferior a dez vezes a corrente de tape do rele; caso fosse superior; deveria sec especificada a exatidao a 2,5 %).
(kA),
ou seja, uma barra de cobre de ( 1 ; x ; ) pol, por exemplo. EX EMPLO 5. Um TC de relac;li.o 100/5 A, cujo condutor primario de cobre tern 55 mm 2 de sec;li.o reta, e colocado em um local do circuito em que a corrente permanente de curto-circuito e de 10 000 A. Pede-se verificar o tempo de solicitac;li.o permissive! para o TC, para fins de ajuste da prote9ao. SOLUC::AO. Sabe-se que o aquecimento de um condutor e calculado por I~· t
v=--• p2 ·c onde
v, sobretemperatura adrnissivel (para TC pode atingir 190 •q; Id, corrente permanente de curto-circuito, em amperes; t, tempo, em segundos; F, sec;li.o do condutor, em milimetros quadrados; c, constante termica do material (vale 172 para o cobre e74para o aluminio). Entao 190.x 55 2 x 172 _ 1 s. 100002 -
82
Introdu~iio
d prote~iio dos sistemas e!etricos
ANEXO II Tabela de tens6es prim8rias nominais e relac;:6es nominais para transformadores de potencial (ABNT) Grupo 1
-;;0.
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0'<00<
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Grupos 2 e 3 para ligar;iio de
para liga~Ao de fase para fase
fase para neutro
Relayifes tiominais Tensiio
pfimiria
Relar;iio
nominal
nominal
(kV)
(V)
(1)
(2)
(3)
Tensao primiria nominal
(V)
Tensiio secundfl.ria de 115/j3V
Tensao secund
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20,1 30,) 35,) 40,)
2300/J3 3450/J3 4025/J3 4600/J3
20,) 30,1 35,1 40,)
B,7
6900 B050
60,) 70,)
6900fJ3 B050fJ3
60,) 70,1
35,1 40,)
15 15-B
11 500 13 BOO
100,) 120,)
ll500/J3 13BOO/J3
100,) 120,)
60,1 70,1
25
23 000 25 000
200,) 200,1
23 ooo;J3 25000/J3
200,) 200,1
120,1 120,)
34,5
46 69 92
34500 460PO 69000 92000
300,) 400,) 600,) BOO,)
34500/J3 46000/J3 69000/J3 92000/J3
300,1 400,1 600,1 BOO'!
175,1 240,1 350,) 4BO,)
13B 138-B
115 000 13BOOO.
1 ooo,J 1200,)
115000/J3 13BOOO/J3
1000:1 1200,1
600,1 700,)
161 161-B
161 000
1400,)
161 ooo;J3
1400,)
BOO,!
230 230-Bl 230-B2
196 000
1 700,)
196000/J3
1 700,)
1 ooo,J
230 000
2000,1
230000/J3
2000,1
1 200,)
2B7 000
2 500,)
2B7000jj3
2•500:1
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3 000,1
345000/J3
3 ooo,J
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402 500
3 500,1
402 5oo;J3
3 500,)
2000,1
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345 345-Bl 345-B2 440 440-Bl 440-B2
3,5:1
12' 1 17,5:1
20,1 2H
84
IntrodUfiiO
aprotefiiO dos siste:mas elitricos
E se os reles fossem ajustados para operar em 1,5 s, qual seria a se91io necessaria no primario do TC? Viria
Redutores de medida e fi/tros
85
L Demonstrar que ~ resposta do filtro da Fig. 7.8, it tensiio de sequencia negatJVa, se x, = Rf-/3 e x 2 = 2R/V 13 e umn = 3U A2 e-i•o · J
1,5 2 190 x 172 - 67,75 mm . Portanto, seria necessaria trocar o TC por outro maior.
Observa¢o. Desejando-se religar mais de uma vez sobre o defeito sera necessaria uma se¢o m
Umn
"
FIGURA 7.8
onde k e
0
numero de religamentos desejados.
EXERCICIOS 1. No sistema da Fig. 7.7 foram instalados os equipamentos indicados. Pede-se verificar se os TC (1) e (2), tipo bucha, foram especificados corretamente, e justificar matematicamente se necessitar outra forma de especifica91io. Sao dados:
TC(1): 600-5 A; 2,5L100; impediincia da fia¢o desprezivel. TC(2): 400-5 A; 101.50; fia¢o com 0,315 0/fase. IAC51:tapes 4-16A, com 1,340 no tape 4A. I "3 :9 000 A, como indicado. TC2
IAC !5A TAPE SA
IAC SA TAPE 6A
FIGURA 7.7
3. E~pecificar, segundo as normas ABNT e ASA, urn TC para alimenta9ao dos segumtes aparelhos da General Electric, localizados na sala de cornando de uma usma hidroeletrica: urn amperimetro CD-28 urn fasimetro P-3 urn rele IAC51B ligado no tape 6 e operando para 72A, 'urn watt-hora J-30: 4. Indique e justifique a mais alta classifica9iio segundo a norma ASA para o TC constante da Fig. 7.2, do texto. Qual seria a classifica91io se 0 TC fosse usado na rela¢o 50:1? Comentar os resultados.
Re/es semi-estilticos e estdticos
CAPiTULO 8
87
sima rele de bo bina m6vel, ao passo que naqueles pode ser usado urn sistema de retificador controlado de silicio (SCR), par exemplo. Par motivos didAticos vamos apresentar urn tipo comum, constante s6 de duas pontes retificadoras e urn rele de bobina m6vel (sensibilidade para 10- 6 W), conforme a Fig. 8.1, e a partir do qual podem ser compreendidos tipos mais complex as.
RELI~S SEMI-ESTATICOS E ESTATICOS
8.1
X
lntroduc;:ao
0 desenvolvimento de dispositivos semicondutores estliticos com alto grau de confiabilidade, como os transistores, o SCR, etc., conduziu ao projeto de reles de prote9ao que utilizam esses componentes para produzir as respostas requeridas. Reles estaticos sao extremamente rapidos em sua opera9a0 porque nao tern partes m6veis, tendo, assim, tempos de resposta tao baixos correspondentes a urn quarto de ciclo. Os circuitos sao projetados para prover as varias fun9iies de det09iio de nivel, medida de angulo de fase, amplifica9iio, temporiza9ao e outras. Tais circuitos reagem instantaneamente aos impulsos de entrada de corrente e/ou tensiio, de modo a fornecer apropriadas saidas para as caracteristicas requeridas.
Tais reles estaticos apresentam as seguintes vantagens bilsicas, em rela9ao aos reles eletromecil.nicos ja apresentados: a) alta velocidade de opera9iio independentemente da magnitude e localiza9iio da fa Ita; b) carga (burden) consideravelmente menor, para os transformadores de
FIGURA 8.1
Rele semi-esttltico. principia de atuai(Eio
Escolhendo-se convenientemente o tape no enrolamento intermediario do TC, podem-se obter tres caracteristicas diferentes:
instrumento; c) menor manuten9iio, pela ausencia de partes m6veis, etc.
a) rele de impedil.ncia (Z), se K 4 = 0
I:£
Como todas as novidades, a resistencia inicial dos engenheiros das companhias em aceitar os reles estaticos, especialmente aqueles usando transistores, estimulou a aplica9iio de grande engenhosidade no projeto de supersensiveis reles eletromagneticos com alta estabilidade mecil.nica e componentes encapsulados que, teoricamente, eliminavam a necessidade de amplifica9a0 par transistores e de manuten<;iio. Surgiram, assim, niio s6 melhores rel€~s eletromagn6ticos, como tambem os chamados rel6s semi-est8.ticos, objeto de nossa analise inicial, ja que continuam prestando bans servi9os em razoavel escala de emprego, alem de serem de mais fitcil compreens3.o para urn estudo inicial.
b) rele de condutiincia (G), se K 4 = I
I%,- I 1.;: I;
8.2
Reles semi-estaticos
Foram os precursores dos reles estaticos, existindo ainda muitos em uso. Diferem dos ~st:lticos por utilizarem como elemento de disparo urn sensibilis-
1.;: I;
c) rele de impedil.ncia combinada (ZC), se K 4 = K 4
I%,
-K4 11<;: 1.
Faremos a dedu9fio para o chamado rele de impedil.ncia combinada, deixando os dois outros casos como exercicio. 8.2.1
RELE DE IMPEDANCIA COMBINADA OU OHM DESLOCADO
Observando a Fig. 8.1(b), verifica-se que enquanto o rele de impedil.ncia (Z) tern centro na origem, o rele de condutiincia (G) tern seu centro (K 3 ) deslocado, da origem, de urn comprimento igual ao raio. Ja sabemos que tal deslocamento propicia excelente cobertura para faltas com area voltaico; no entanto, limita
lntrodu~iio
88
aprote~iio dos sistemas e/etricos
emprego a linhas com angulo 0 de ate 60'. Entao, uma solu9iiO intermediaria e a caracteristica denominada ohm deslocado ou impediincia combinada (ZC). Destaquemos a ·Fig. 8.l(c) para analise. Suponhamos que o deslocamento do circulo tenha sido tal que a distancia do centro a origem seja (K 4 · K 3 ), sendo 0 < K 4 < 1. Verifica-se que o vetor Z = (a + p), donde o nome de impedftncia combinada. Tambem, a condi9iio generica para o rele operar e que o vetor Z tenha sua extremidade dentro do circulo; ou seja, na seguinte condi9iio: 0
Z .;; (a Resta, pais, expressar a e on de
p, a
e
89
Re/es semi~estOticos e esttiticos
o rele opera. De fato, fa9amos K U
=
ee I
=
i. Resulta, no limite,
le + il =le-i!. BLOQUEIO
ATUA
+ p).
convenientemente, a partir do triftngulo indicado, = K4K3
P=
I al
·cos 0
J K~-(K 4 K 3 ·sen 0)
I bl 2
,
FIGURA 8.2
Aplicat:;:§o de reles semi-est8ticos como unidade direcional
ou seja, a condi9iio de opera9iio torna-se Z.;; K 4 K 3 ·cosO+
J K~-(K4 K 3 ·sen0)
2
Z- K 4 K 3 ·cos 0 <;;
J K~- (K
2
~----~
ou
4 K3
·sen 0)
Resolvendo essa equa9iio vetorial, vern
,
e2 + 2ei. cos 0 + e2
.
ou
4ei·cose
Elevando ao quadrado ambos os membros da desigualdade, vern [Z 2 - 2Z · K 4 K 3 ·cos 0
+ (K 4 K 3 cos OJ']
<;; [K~ -(K 4 K 3 ·sen 0)
U 2 -2-·K u K ·cosO.;; K~-(K K ) 2(sen 2 0 4 3 4 3 2I I
2
]
+ cos 2 0).
Multiplicando por (l/K 3 ) 2 , vern U2 u -z-2-·K 4 ·Icos0 + (K 4 J)'.;; I 2 K3
K3
.!!_K 4.Il2 K
I
,.;: I2 -..;;;:
=
e2 - 2ei cos 0 + i2 =
0,
que e a expressao conhecida de urn rele wattimetrico, medidor de potencia, sabidamente direcional. A Fig. 8.2 tambem mostra o diagrama vetorial, para circuito indutivo, mostrando a condi9iio de bloqueio ou opera9iio, para diversos valores de 0 (dando cos 0 maior ou menor que zero, ou seja, positivo ou negativo) e KU, cain do o vetor (I ± K U) na zona de bloqueio ou atua9[o do rele.
8.3
Reles estaticos
'
3
que e a equa9ao do rele, colocada na Fig. 8.l(a), usando-se o tape K 4 e aplicando-se a tensao U sobre urn resistor de valor 1/K 3 . Como resultado as pontes fazem a compara9[o dos dais membros, e quando o conjugado proporcionado par I for maior que o proporcionado pela restri9[o (U/K 3 -K 4 J), uma corrente de desequilibrio percorrern 0 rele de bobina move!, denotando defeito, e 0 disjunior do trecho de linha correspondente sera operado.
Os reU~s est:Hicos consistem em circuitos transistorizados que desempenham
fun91ies 16gicas e de temporiza9ao. As fun91ies l6gicas que sao usadas nas unidades de medida (tipos distancia, direcional e detetor de falta) sao as fun9oes E (AND) e OU (OR), basicamente, como sao representadas na Fig. 8.3. AND 2
8.2.2 RELE DIRECIONAL De modo semelhante, a Fig. 8.2 mostra a ponte de medida utilizada para obten9[o da caracteristica direcionaL empregando rele semi-estatico. Constata-se que, se IKU +II> IKU-II,
IEl
output (Sa ida)
siMBOl.O E
FIGURA 8.3
siMBOLO OU
Simbologia de blocos 16gicos
Como sabemos, a fun9iio E produz uma saida se urn sinal esta presente em 1, e tam bern em 2. Ou seja, se ambas as entradas 1 e 2 nao estiio presentes,
[ntrodu~iio Q protefiiO
90
dOS sistemas e/etricor
91
Re!es semi-esttiticos e esttiticos
nenhuma saida ocorre. Ja a fun9iio OU gera uma saida sempre que urn sinal pelo menos, apare9a na entrada 1 ou 2. Urn exemplo de fun9iio de temporiza9iio e mostrada na Fig. 8.4.
A.IUITE D1! COIIJIENTI !XCITAcfo
CONV£115011 0E fNTRAOA
AOAPTA~Ao OAS COARfNTfS DO TIIA>
T(MPOIIIUDCit COM OUC:ONlltio
Input
01.1t
----,
-;;,-, "\:"""~ LI~~_J.~ .H
Ql.ltput
Simbologia de reles estaticos
II
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..J L"
.J
11~1 1'0
IZ
"'~'"'&'
basico ou conversor de entrada (uma ou mais fases), de ajuste de COrrente (detetor de nivel), de ajuste de tempo, de sinaliza9iio e comando, de alimenta9a0.
DISLIIAOO
I
[_$'
EotJIPAr.IJIOITO DI.TUTt
ll'ffRADAS Df:SLIMDAS COI'ISIDlii ..... •Sl COMO !OiiO•lXISTl!OIT[.
FIGURA 8.5
necess8.rias, alf:m de compactar o tamanho dos arm3.rios.
],
11
I I "''
~>
Esse sistema modular favorece a redu9ao dos estoques; ao inves de urn rele sobressalente, basta que haja os modulos intercambiaveis. Favorece igualmente a montagem (simplifica9iio da fia9iio) e as poucas manuten9oes ainda
'
I~
:i~. r· 2~
~f~ ~r-" "[-" L•~let
Consta, basicamente, de certo numero de "modulos" em circuitos independentes, denominados (Fig. 8.5, sistema Siemens)
!
~+ ~+ r-· t+ I~
IM
Ill
a) Modulo ou conversor de entrada - faz a adapta9iio das correntes vindas dos TC do circuito principal, em geral transformando-as em tensoes, atraves de urn resistor, apos convenientemente retificadas (diodos em ponte dupla e filtros diversos). b) Modulo de ajuste da corrente - ou detetor de nivel - constituido por transistores (fun9iio de amplificadores de palencia), e uma tensao de referenda criada em uma ponte de resistores ajustaveis. Enquanto a corrente for inferior ao nivel ajustado, nao M condu9iio; se a corrente aumenta, e ultrapassada a tensao de referenda (diodos tipo zener) e iniciada a condu9iio.
--
'1
r-·'t+2:;: 1·
RELE DE SOBRECORRENTE ESTATICO
modulo modulo modulo modulo modulo
•
.,,
0 numero superior (6) e 0 tempo de picape temporizado, expresso em milissegundos; o numero inferior (9) e o tempo de recomposi9iio, tambem em ms. A Fig. 8.4 mostra que, se uma entrada de 6 ms ou mais, se apresenta ao rele, ocorreni uma saida; al6m disso, mesmo ap6s removido o sinal de entrada, o sinal de saida permanece durante 9 ms. Se o sinal de entrada tem dura9iio inferior a 6 ms, nenhum sinal de saida ocorreni.
8.3.1
i
I.
;,.,'8--B---®- ,I
ut
( Saido)
FIGURA 8.4
-11> MILIIAOO
-l~UCLT~O
-DI!Il.IIADO -1.> lltCITApk.
Input
( Entrada)
INDICADOIIIS
fi.
Esquema ba:sico de rele est8tico de sobrecorrente (Siemens)
c) Modulo de ajuste de tempo - consta, par exemplo, de resistores variaveis que modificam o tempo de carga de capacitores, portanto, do valor da temporiza9i'io desejada, ate que, sendo ultrapassado o valor de tensao de referenda, e acionado urn transistor de saida correspondente. d) M6dulo de sinaliza9iio e comando - conforme desejado, no qual eliversos sinais de alarme e disparo do disjuntor podem ser obtidos, apos a passagem por circuitos de amplificayao convenientes. e) Modulo de alimenta9iio - utiliza o sistema de corrente continua convencional do local da instala9iio (24-250 V), sendo que a tensao estabilizada do sistema para a prot09iio estatica ( +24 V; em geral), e obtida seja por conversores internes ou por divisores de tensao e diodes zener. 0 ajuste, por sistema de pinos ou botoes, e bastante simples e semelhante aos reles convencionais ja conhecidos.
92
/ntrodUfiiO Q protef50 dos sistemas e/etriCOS
Reles semi-esttiticos e estflticos
8.3.2 RELJ3.S DE DISTANCIA ESTATICOS
X
Todos os tipos de caracteristicas (ohm, mho, reatancia, etc.) sao obtidos medindo-se o ilngulo de fase entre duas tensoes. Essas tensoes sao derivadas das tensoes e correntes fornecidas aos reles, por meio de transformadores de corrente e tensao, sendo que no interior do rele as correntes sao transformadas em tensao por meio de transactors (transformador com nucleo de ar e que produz uma tensao secund:iria proporcional a Corrente primaria). A relayiio entre essa tensao secund:iria e a corrente primaria denomina-se a impediincia propria do transactor (Zr), e estabelece o alcance da caracteristica mho, por exemplo. Embora as caracteristicas dos reles de distancia sejam usualmente representadas em um diagrama R-X, como agora elas serao obtidas a partir do ilngulo entre duas tensoes, e conveniente loci-las em um diagrama de tensao, para mostrar melhor suas origens. Tal diagrama de tensoes e obtido a partir do diagrama R-X, pela multiplicaQiio de cada ponto deste (Z), pela corrente suprida ao rele. Se bern que a corrente de falta varie com as condiQoes do sistema e localizaQiio do defeito, fazendo o diagrama de tensoes contrair-se ou expandir-se, os fasores de tensao manterao as relativas posiQoes de fase e magnitude do original diagrama R-X. Por exemplo, consideremos uma linha de transmissao protegida por urn rele mho (Fig. 8.6). Seja Zr o alcance basico ou ajustado do rele mho, V e I a
Ln---z,---
~~~1---rFIGURA 8.6
R
Caracterfsticas do rele de distBncia, tipo mho
FIGURA 8.7
8.3.2.1
Unidade mho
A titulo de exemplificayiio, vamos examinar a unidade mho, locada como um circulo passando pela origem no diagrama de tensoes. 0 diilmetro do circulo e determinado por dois ajustes: do tape b:isico e do tape percentual (T) da tensao de restri9iio. 0 tape b:isico corresponde aos tapes ou derivaQoes secundarias d? transactor e define sua impedilncia propria (Zrl· Se o tape percentual (T) e aJustado em 100, entao o diametro do circulo dependeni unicamente da impedilncia propria do transactor; se 0 tape percentual e ajustado para menos que 100, o alcance da caracteristica sera maior que a impedilncia propria (Z. ). Vamos supor, inicialmente, que o tape percentual seja ajustado e1~1 100. Se V e a ten sao suprida ao rele sob condiyiio de defeito, en tao a posiyao de v sera locada sobre a dire9ao do ilngulo de impedilncia da falta; a magnitude de v depende da localizaQao da falta, terminando sobre ou dentro da caracteristica para falta interna, ou fora, para falta externa ao trecho ajustado [Fig. 8.8(a)]:
Linha a ser protegida
I
tensao e a corrente aplicadas ao rele. Se ocorre uma falta, o rele deve medir Z F, que e o valor da impedilncia entre o rele e o defeito. Para falta entre fases, a tensao V suprida ao rele e igual a corrente I, tambem suprida ao rele, vezes a impedilncia Z F ate a falta; ou seja, V=I·ZF.
I
IX
(8.1)
Ora, a corrente I suprida ao rele e transformada em uma tensao Vr pela impedilncia Zr do transactor, tal que (8.2)
,]
93
Como, pois, V e VT estiio relacionados a ZF e Zr pela mesma corrente I, os fasores-tensao terao o mesmo relacionamenio relativo que os vetores-impedilncia Por isso, qualquer caracteristica locada no diagrama R-X tern a mesma declividade que se fosse locada no diagrama de tensoes (Fig. 8.7). As tensoes supridas ao rele sao V. e V,., correspondente a diferentes condiQoes de gerayiio (S < L).
n ( o )PONTO DE EQUtLfBRIO FIGURA 8.8
IR
.IR (b)INTERNA
(c)
EXTERNA
Unidade mho: operac;:ao
A Fig. 8.8(a) mostra o ponto de equilibrio da caracteristica mho, onde o fasor de tensao termina sobre a caracteristica. Resulta B = 90' entre v e (I z - V). Se a falta e movida para mais perto do rele, V decresce em relayiio ~ IZ [Fig. 8.8(b)], resultando B < 90'. Sea falta i: extern a, resulta B > 90' [Fig. 8.8(c)]~ Ass1m, sempre que B .;; 90', sen do B o ilngulo entre V e (IZT- V), a unidade mho operara.
Introdu~iio
94
aprotefiiO dos sistemas etetricos
A unidade mho determina se o angulo Be menor que go• medindo a coincidencia dos fasores de tensao. Por exemplo (Fig. 8.g), consideremos dois conjuntos de ondas de tensiio. Para qualquer falta intema, o angulo B tern urn valor na faixa de (8.3) IBI < go•. A Fig. 8.g(a) mostra as formas de onda das tensi'ies para B = 0; como etas estao em fase, coincidem a cada meio ciclo. A medida que B cresce, a coincidcncia toma-se menor, ate que para B = 90° a coincidSncia se verifica sO durante 1/4 de ciclo. Se a falta e extern a, a coincidencia se da em menos de 1/4 de ciclo; e como 1/4 de Hz e igual a 4,167 ms na base de 60Hz, a unidade mho operan\ sempre que haja coincidencia maior que 4,167 ms.
95
ReUs semi-estilticos e esttiticos
A Fig. 8.11 mostra tres diferentes exemplos de ondas quadradas que podem estar presentes na entrada de fun<;i'ies E; cada conjunto define uma diferente condi<;ao de defeito. Assim, a Fig. 8.1l(a) define o ponto de equilibria da caracteristica mho onde B = go•. Quando essas formas de onda sao aplicadas aos blocos 16gicos mostrados, ocorre que os blocos positivos sao comparados por E+ e, ap6s coincidencia de 4,167 ms, os associados temporizadores provocam uma saida; ao mesmo tempo, o bloco v+ se anula e a entrada para o temporizador e removida, mas a saida do temporizador prolonga-se ainda por g ms, tempo este requerido para permitir o picape de outro temporizador, se a falta persiste (notar que este outro temporizador atua no fim do proximo meio ciclo, tempo em que os blocos negativos sao coincidentes por 4,17 ms). Assim, as entradas para a fun<;ao OU superp5em-se, ligeiramente, resultando em uma saida continua.
v
v
V+
V+
v-
v+
v-
to) e=o COINCitiNCIA DAS PARTES POSITIVAS ~ E
FIGURA 8.9
NEGATIVAS
~
Principia de operayao do rele est8tico, tipo mho
A unidade mho executa as medidas considerando primeiramente as tens5es de entrada senoidais em urn baixo nivel, tal que as formas de onda se assemelhem a ondas quadradas, e tal que suas partes positivas e negativas sejam separadas e aplicadas a diferentes blocos de fun<;i'ies E (AND), conforme a Fig. 8.10. Nesta figura v• e (IZT- vr sao as partes positivas da onda quadrada e v- e (JZ T- V)as correspondentes partes negativas. As saidas das fun<;5es E sao aplicadas a temporizadores cujo picape e ajustado para 4,167 ms; seus retardos de recomposi<;ao (reset delay) sao de g ms e suas saidas sao conectadas como uma fun<;ao OU (OR). 0 retardo de recomposi<;ao garante que a saida da fun<;ao OU seja continua para qualquer falta interna.
+ MHO
FIGURA 8.10
L6gica do rete mho, tipo estatico
( a)B=90°
FIGURA 8.11
Metoda bloco-bloco do rele estatico, tipo mho
Na Fig. 8.11(b) e mostrada a coincidencia das formas de onda que representam uma falta interna. Como a coincidencia e maior que 4,167 ms, os temporizadores atuarao e a fun<;iio OU produzira uma saida. Para uma falta externa, a coincidencia das formas de onda sera menor que 4,167 ms [Fig. 8.11(c)] insuficiente, portanto, para at"ar os temporizadores e ter-se saida na fun<;ao OU. Ha duas outras caracteristicas que podem ser obtidas a partir da unidade mho, simplesmente variando-se o ajuste de picape ou de atua<;ao dos temporizadores; sao as caracteristicas denominadas na literatura General Electric de Lente e Tomate, mostradas na Fig. 8.12. Por exemplo, se a temporiza<;ao e de 5,556 ms, tem-se uma "lente" com C = 120•; e sea temporiza<;ao for de 2,778 ms tem-se urn "tomate" com C = 60°, etc. 0 tempo de opera<;ao da unidade mho -depende do instante da ocorrencia da falta, ou seja, do angulo da onda de tensiio naquele momenta. Estatisticamente, o maximo tempo de opera<;ao ocorre para faltas no ponto de equilibria ou de ajuste (Fig. 8.13), eo minimo tempo para quando V e (IZr- V) estao em fase (Fig. 8.14); ou seja, esses tempos maximo e minimo sao de 12,5 ms e 4,167 ms
~~---
lntrodufOO iJ. prote~iio dos sistemas e/etricos
96
~-
-~
-------
97
Reles semi-estdticos e esttiticos circuito Memo'rio
lX
IX
1
100
v
unidode
v...I... 0
MHO
100
T
IZr-VTQci
FIGURA 8.12
b
I
l
v-*1--~tf~~--~~d---
1,4"' I
I,,
Ref.
==:JII;-o
Variantes do rel8 mho
=:JII~
para o equipamento em considera,ao (General Electric), para o chamado merodo bloco-bloco. Se for usado o rnetodo pico-bloco, em que uma onda e do tipo quadrada e a outra reduzida a urn pico, esses tempos sao 8,33 e 0 ms, respectivamente (mais nipido, portanto, mas so usado em esquemas de bloqueio e niio de desligamento, por ser menos seguro que o primeiro). 0
l
{b) TOMATE
(a)LENTE
IZr -V--'-----1-----,--
t{mts)
tl ms) 16
Transactor
FIGURA 8.15
I
'\
rJ· ..
Topes Basacos
Diagrama simplificado do rel8 estatico da General Electric
A Fig. 8.15 e urn diagrama simplificado ilustrando o circuito magnetico envolvido na obten10iio da caracteristica mho (para urn caso de unidade de desligamento em esquema de compara10iio direcional do tipo permissivo). Para uma unidade entre fases 1-2, aplica-se tensiio V12 e corrente (I 1 -I 2 ) atraves de urn circuito memoria (caso ocorra falta sob tensiio nula). A corrente e transformada em tensiio no transactor (tern tapes basicos no secundario). 0 ajuste do alcance da unidade e determinado tanto pelo ajuste do tape basico (Zy) como pelo tape percentual (T) de restri10iio. 0 resistor R e ajustado para que o tape basico tenha seu valor de impediincia sob dado iingulo de fase (aumentando o valor de R, aumenta-se o valor de ).
12
8.3.2.2
8 4
0 Angulo do FoltatMErooo PlCO-BLOCO)
Angulo da Folta( Mtroco BLOCO-Bl.OCO)
FIGURA 8.13
'Tempos de operac;:ao no
metoda bloco-bloco
FIGURA 8.14 Tempos de operac;:ao no metoda pico-bloco
Chamando o iingulo de maxtmo alcance e e o iingulo da impediincia de falta Z F, a caracteristica mho fica definida pela equa10iio: _1o_o_z_r
T
;:;, __z~F'----~ cos(8-)
(8.4)
0 membro esquerdo da equa10iio define o alcance da caracteristica, e e fun10iio da impediincia propria do transactor (Zy) e do tape percentual (T) da tensiio de restri98.o. Nota-se que decrescendo T, aumenta o alcance; ou seja, se T e ajustado em 50%, duplica-se o alcance do rele.
Outras unidades
De modo semelhante siio obtidos outros tipos de unidades: reatancia, direcional, detetores de nivel (como os reles instantaneos de sobrecorrente) etc. Em cada caso, uma simbologia especial indicada pelos fabricantes e empregada nos diagramas logicos. Isso lorna quase impossivel urna tentativa de generaliza,ao, para fins didaticos, pelo que julgamos suficiente, no momento, as informa,oes precedentes. A bibliografia especializada deve ser consultada para obten,ao de maiores detalhes, quando necessaria.
Panorama geral da prote~Qo de um sistema
99
. 5) reles de potencia inversa; para impedir o funcionamento do gerador como motor, etc. Ja a prot~ao contra os defeitos internos compreende, basicamente, os dispositivos seguintes:
CAPITULO 9
PANORAMA
GERAL DA PROTE~AO UM SISTEMA
1) prot~ao diferencia~ contra os curto-circuitos entre elementos de enrolamentos de fases diferentes; 2) prote9ffo contra os defeitos it massa, do estator; 3) prot~iio contra OS defeitos it massa, do rotor; 4) protegao contra os curto-circuitos entre e~piras da mesma fase; 5) prote9iio contra a abertura acidental ou nao dos circuitos de excitagao; etc.
DE
,, 9.1
lntroduc;;ao
No momento critico de urn defeito, a continuidade da ilistribuigao de energia depende muito do correto funcionamento dos dispositivos de prote9ffo existentes. Tern sido fabricados, no correr dos tempos, urn grande numero de reles e de esquemas de prot~ao destinados its partes e equipamentos das instalagoes eletricas, quase esgotando novas ou melhores possibilidades. Entre as prot~oes mais usuais encontramos nos sistemas de potencia, as dos geradores ou alternadores, dos transformadores, dos barramentos e as das linhas. Antes que se faga urn estudo detalhado dessas e de outras protegoes, faremos urn esbo90 geral das mesmas, buscando principalmente mostrar linhas de raciocinio usuais na Area.
9.2
Protec;;ao de geradores
Os dispositivos de protegao usuais podem ser classificados em duas categorias principais e que compreendem: · a) medidas preventivas e dispositivos de protegao contra .os defeitos exteriores ao gerador; b) prot~ao contra os defeitos internos dos mesmos. Ao lado de alguns outros dispositivos nao constituidos por meio de reles, tais como os p:ira-raios, indicadores de circula~o de Oleo, termostatos, etc., os seguintes elementos fazem parte do primeiro grupo: 1) reles termicos, contra as sobrecargas; 2) reles temporizados, a maximo de corrente, contra os curto-circuitos; 3) reles a maximo de tensao, contra as elevagoes de tensao devidas its rnano bras normais no sistema; "
4) reles sensiveis a corrente de seqUencia negativa, para prote9ffo contra funcionamento sob carga assimetrica, ou desequilibrada;
Alem disso, ha ainda que se considerar" outros dispositivos que, niio sendo reles, estao intimamente ligados it protegao do gerador: OS dispositiVOS de rapida desexcitagao, que evitam uma destruigao maior dos enrolamentos devido it tensao pr6pria, e a protegiio contra incendio, que atua na extin9ffo do fogo iniciado devido aos arcos voltaicos dos defeitos.
9.3
Protec;;ao de transformadores
Deve-se considerar basicamente as proteg5es contra as so brecargas e os curto-circuitos.
Na prote9ffo contra os curto-circuitos encontram-se: a) para os grandes transformadores, desempenhando papel importante na continuidade do servigo, i) a prote9ffo diferencial; · ii) a prote9ffo Buchholz; · b) para as pequenas unidades (menores que 1 000 kVA), e para os transformadores de media potencia em sistemas radiais, i) rel~s de sobrecorrente temporizados; · ii) fusiveis. Na prote9ffo contra as sobrecargas, usam-se: a) imagens termicas; b) reles termicos. Embora a construgao dos transformadores tenha atingido nivel tecnico bastante elevado, devem-se considerar duas causas principals de defeito nos seus isolamentos, e resultantes de: a) sobretensiies de origem atmosferica; · b) aquecimento inadmissivel dos enrolamentos devido a sobrecargas permanentes, ou temponlrias repetitivas, mas que, mesmo sendo toler3.veis na exploragao do sistema, conduzem ao envelhecimento prematuro do isolante
-~----
100
Introdufiio d protefiio dos sistemas eletricos
dos enrolamentos e, finalmente, aos curto-circuitos entre espiras ou mesmo entre fases.
9.4
Protec;:ao dos barramentos
A prot~o seletiva dos jogos de barras adquire grande importiincia nas redes eq uipadas com sistemas de prot~ao, tais como a diferencial e por fio-piloto, e que em caS;O de defeito nao podem agir senao sobre trechos de linhas bern delimitados. Nesse caso, a dete9ao de defeito nas barras, se nao fosse especifica, ficaria a cargo da prot~o de reserva, em geral insuficientemente seletiva. Tal inconveniente seria menor se a rede estivesse protegida por meio de reles de distiincia, caso em que a barra poderia ser protegida pela segunda zona do relt\, uma razoavel solu9ao em muitos casos. De urn modo geral, contudo, a importiincia de uma rapida prote9ao de barras e consideravel, pois que freqiientemente prpduzem-se grandes concen-_ tra9iies de energia nesses locais o que conduz, em caso de defeito, a grandes prejuizos materiais e a serias perturba95es a explora9[o do sistema eletrico. Diversos fatores dificultam a generaliza9ao do emprego da prote9ao dos jogos de barras: a) a existencia de seguran9R de servi90 e seletividade absolutas, ja que os desligamentos intempestivos podem ter repercussiies desagradaveis sobre a distribui~;;iio da energia e sabre as -interconexOes; b) no caso de barras mtlliiplas, efou secionadas, a comuta9ao a ser feita automaticamente nos circuitos dos auxiliares, em caso de defeito numa se9[o, toma-se complexa, ja que se exige para cada forma de acoplamento a manuten9[o da seletividade. Assim, a estrutura da prot~ao depende das particularidades de cada caso. Basicamente ha, entre outras, as seguintes possibilidades: a) coloca9ao de reles temporizados tipo minimo de impedancia, nas linhas de alimenta9ao da barra; b) uso de reles de sobrecorrente, em conexao diferencial, ou reles diferenciais compensados, vendo-se a diferen9R entre as correntes que entram e saem da barra.
9.5
Protec;:ao das linhas
Os mais importantes defeitos nas linhas siio devidos aos curto-circuitos, mas a sobrecarga tambt\m precisa ser considerada. Se bern que nas redes de muita alta-tensiio se deva obter a maxima rapidez de desligamento por motivos de manut~n9ao da estabilidade, pode-se admitir, por vezes, em redes menos sensiveis, tempos de desligamento atingindo ate alguns segundos. Sabemos que OS equipamentos de prot~ao sao tanto mais simples quanto menor a exigencia de alta velocidade no desligamento, e a sim-
-
Panorama geral da protefiio de um sistema
101
plicidade e sempre urn objetivo a ser procurado na prot~ao. Sao usuais os recursos a seguir indicados. a) Prot~iio temporizada, com reles de sobrecorrente tempo definido, nos casos de redes radiais, ou nas redes em anel quando o disjuntor de acoplamento se abre instantaneamente, em caso de curto-circuito, tomando a rede radial. Esta e uma tecnica tipicamente europeia. b) Prot~ao temporizada, com reles de sobrecorrente de tempo inverso, nos casos de media tensao, onde a corrente de curto-circuito for largamente superior a corrente nominal do relt\, permitindo a coordena9ao dos tempos de desligamento dos disjuntores sucessivos a partir do mais proximo ao defeito. Podem ter ainda urn dispositivo de desligamento instantiineo, a maximo de corrente, particularmente uti! em redes contendo cabos que nao admitem senao uma carga limitada Esta e uma tecnica predominantemente americana. c) Prote9[o direcional de sobrecorrente temporizada, usada nas redes de ate 20 kV, com alimanta9[o unilateral, mas tendo linhas paralelas fechando-se sobre barramentos comuns, ou no caso de linhas (micas, mas com alimentayiio bilateral. d) Prote9[o com reles de distiincia, para as redes de altas e muito altas-tensiies, bern como redes de media-tensao em malha e com alimenta9iio multilateral. E o padrao de prote9ao usado ultimamente. e) Prot~ao diferencial longitudinal, por fio-piloto, usada nas linhas aereas e em cabos de media e alta-tensao, tendo ate cerca de 10 km de comprimento, e nos quais sao eventualmente inseridos transformadores. Para linhas curtas, de algumas centenas de metros, usa-se a prot~ao -diferencial com urn, semelhante a dos transformadores. !) Prot~ao diferencial transversal, empregada como prote9ao seletiva para os cabos e linhas aereas paralelas, e baseada na diferen9R entre as correntes circulantes em cada linha, em caso de defeito. Ja que ela exige tambem reles direcionais e outros 6rgiios suplementares, s6 seni usada quando niio for razoa vel a prote9ao longitudinal ou a de distiincia. g) Prot~ao contra os defeitos a terra, usada nas linhas aereas e cabos onde, em geral, o incidente mais freqiiente e o defeito monofasico. Dependendo da forma de' liga9a0 a terra, pode aparecer tanto Corrente ativa, da Ordem da nominal ou menor, como correntes capacitivas (rede com neutro isolado) tamhem de baixo valor. Tanto reles simplesmente indicadores do defeito, quanto eliminadores, precisam ser utilizados, havendo esquemas cl:lssicos. A prote9[o contra sobrecarga deve permitir a maxima utiliza9[o da linha, sem que o aquecimento resultante a danifique. Assim, quando a temperatura maxima admissivel for atingida sera dado urn sinal para que sejam tomadas medidas, evitando-se o desligamento propriamente dito. Para isso siio usados reles termicos diversos, tendo constante de tempo igual ou inferior aquela do cabo a proteger. Uma ultima observa9[o diz respeito ao- religamento automatico, muito uti! na presen9R de defeitos tipo auto-extintores, (cerca de 80% dos casos). 0 religamento rapido e feito ap6s alguns decimos de segundo, uma unica vez, e
----·----------------
Introduriio aproteriio dos sistemas eMtricos
102
aplicavel somente a linhas aereas, nunca aos cabos. Em redes de alta e muito alta-tensiio e usado o religamento monopolar, freqiientemente, mas o religamento tripolar e preferido nas linhas muito longas (algumas centenas de quilometros) e tensoes muito elevadas, devido it dificuldade de extint;iio do arco residual realimentado pelo efeito capacitivo entre fases. Nas redes aereas de media-tensiio, com maior incidencia de defeito, e ja que elas costumam ter neutro isolado ou aterrado por meio de resistencia de grande valor ohmico, s6 o religamento automatico tripolar e indicado.
9.6
Panorama geral da protefio de um sistema
Pode ocorrer que a corrente de defeito seja inferior it nominal do sistema? Como resolver urn tal caso? Como fazer a liga9iio rele-disjuntor? Como especificar corretamente cada componente? Constata-se, imediatamente, que a proteyiio envolve sempre: niio s6 o rele, a fia9iio de interconexiio, os transformadores de corrente, o disjuntor c~m seu disparador, etc., como tam hem o proprio sistema em que esta aplicada. E, pois, urn problema complexo, mesmo nos casos de configura9iies simples como esta primeira analisada.
Sintese dos tipos correntes de prote<;:ao de linhas
A crescente complexidade dos sistemas deu origem aos vanos tipos de protet;iio hoje existentes. E possivel reconstituir a sequencia, partindo-se do simples para o complexo, ao mesmo tempo envolvendo perguntas que siio habituais na linguagem do engenheiro de prote9iio, e que o auxiliam na analise de cada caso real. Vamos exemplificar essa forma de raciocinio, para linhas. 9.6.1 Seja, pois, o sistema representado pelo esquema simplificado da Fig. 9.1; pergunta-se: no caso de urna falta no ponto F da linha de transmissiio, que caracteristica devena ter o rele de proteyiio localizado no ponto 1?
1-6---'3:!.:0!:-:.'I~>,_:.S'!_k~V-=..:!S~O!'.H~'----1---
FIGURA 9.1
Sistema radial, urn consumidor
Ora, neste caso o subsistema de transmissiio oferece apenas possibilidade de fomecer energia ao consumidor A, atraves de urn circuito singelo 1-2. Conseqiientemente, no caso da falta em F, basta que seja desligado o disjuntor da linha em 1; ou seja, e suficiente urn rele de sobrecorrente (I!!>) no inicio da linha e atuando o disjuntor, caso seja ultrapassado seu valor de regulagem (I, > I,). Re.solvida esta questiio, no en tanto, outras complementares surgiriam:
Como estabele~~i a liga9iio entre o rele e a linha de alta-tensiio? Direta ou atraves de transformadores de . medida? Em quantas fases devem ser colocados 'as reles? A proteyiio sofreria alterat;iio com o tipo da falta? Se falhar a atuat;iio do rele 1, quem deve suprir a deficiencia? De que maneira e em que tempo?
103
r, It>> 2
1-6----Q..f A'
•
4
B }0--,.-Q>{
L__ _ _ __ _ . J _
,, FIGURA 9.2
•Sistema
,,
radial. diversos consumidores
9.6.2 Seja o segundo esquema conforme a Fig. 9.2; havendo varios consumidores A, B, C, D, servidos pela mesma fonte de alimenta9iio unilateral, como realizar a protet;iio para as varias hip6teses de defeitos indicados seja em F 1 , F 2 ou em F 3 ? Surge de imediato, a ideia de colocar tambem uma proteyiio de sobrecorrente (I;!>) no inicio de cada trecho de linha ajustando-as para as respectivas correntes de defeito vistas pelos reles. A duvida, no entanto, e: se ocorre a falta F 3 , todos os consumidores seriio desligados e niio apenas o consumidor D. Ou seja, niio haveria seletividade nessa solu9iio. Urn modo de complementar a solu9iio seria introduzir tempos de opera~iio crescentes de C para A. Conclusiio: agora 0 sistema de proteyiio sera depende~te de duas variaveis - Corrente e tempo. Uma pergunta adicional seria que tipo de temporizador utilizar e como conjugar esse elemento com o rele? Ou, ainda, esses tempos siio de valor "definido", ou poderiam ser dependentes do valor da corrente? Entiio, neste segundo esquema, ou seja, para urn sistema com alimenta9iio unilateral e diversos consumidores, a prote9iio seletiva e obtida com reles combinando valores de corrente e tempo de opera9iio. Alem disso, surge urn fato novo com a temporiza9iio sucessiva: e a no9iio de "prote9iio de retaguarda", ou de segunda linha De fa to, se ocorre a falta F 3 e o rele em 7 niio opera no tempo T3 , cabe ao rele em 5 operar no tempo T2 • E evidente, no entanto, que com a opera9iio da proteyiio de retaguarda o defeito persiste por mais tempo, ocasionando danos mais graves e, ao mesmo tempo, os consumidores C e D seriarr'
desligados, o que, contudo, no momenta, e o mal menor!
I •
/ntrodu,ao aprote~iio dos sistemas e/etricos
104
Panorama geral da protefiio de um sistema ·
Constata-se, de imediato, que a soluc;ao anterior nao e mais conveniente: os fluxos de corrente assumem combina91ies diversas dependendo nao s6 da localiza9ao e tipo da falta, como da condi9ao de opera9ao pre-falta. Assim, os trechos 5-6 e 5'-6' poderiam ser desligados para a falta F, sen do errado para o trecho 5-6! Deve-se, pois, introduzir urn novo pacimetro discriminador. Por exemplo, a possibilidade de determinado rele medir a distiincia entre sua Iocaliza9ao e a falta, ao mesmo tempo combinando o valor da sobrecorrente e dire9ao do fluxo da corrente e os tempos de atua9ao. Essa e a seletividade permissive!, hoje, com OS reles de disti\ncia dependentes, pois, da Corrente (Jl> ), do tempO (t), do senlido do fluxo (N) e da distiincia do defeito (DQ). Como tivemos oportunidade de discutir, em capitulos anteriores, todo esse ferramental esta a disposi9iiO do engenheiro de prote9lio. Evidentemente, nesta analise que precede as aplica90es, tivemos a inten9a0 de abordar apenas OS casos mais gerais e simples; urn completo estudo de hip6teses de combina91ies de defeitos e esquemas de sistemas e algo impossivel, nos limites de tempo e espa90 disponiveis neste estudo. Como em outras especializa96es, tam bern na prote9ao, cabeci ao engenheiro "criar" solu96es para cada caso particular, utilizando sua capacidade de observa9iio e raciocinio, aliados a conhecimentos previos e a persistente estudo.
Perguntas complementares, semelhantes as do caso anterior, precisariam ser respondidas igualmente, do mesmo modo que nos casos que se seguem.
f FIGURA 9.3
Sistema com dupla gerac;:ao, varies consumidores
9.6.3 Seja agora o esquema da Fig. 9.3; considerando que o sistema tern alimenta9ao bilateral, como fazer a prote9lio seletiva para uma falta F? Uma solu9ao intuitiva seria considerar cada fonte alimentando em urn sentido, de extrema a extrema, e colocar nos diversos consumidores A, B, C e D reles de sobrecorrente (Il>) e respectivos temporizadores (T). 0 problema, porem, e que para a falta F, no trecho 3-4, deveriamos ter T3 < T;, e T4 < T5 ,
por motivos de seletividade. No entanto, se a falta fosse registrada no trecho 1-2 ou 5-6, deveriamos ter T2 < T3 ou T5 < T4 , respectivamente. Ha, pois, urn impasse: as vezes T2 < T3 , Outras vezes T3 < T2 , o que e invi8.vel de realizar-se. na pratica. E, pois, necessario fazer-se uma discrimina9lio do sentido da alimenta9ao; ou seja: o rele deveci decidir se deve operar ou nao, analisando nao s6 o valor da sobrecorrente (Il> )eo tempo (T), como tam bern a dire9ao do fluxo de corrente. A seletividade do sistema e conseguida agora fazendo-se conveniente calibra9ao dos reles impares, alimentados pela fonte esquerda, e dos reles pares, alimentados pela direita, como se as duas fontes fossem independentes, e impondo a condi9lio de que urn rele impar, por exemplo, bloqueia sua atua9ao se a corrente alimentadora vern da direita. Em resumo, faz-se com que, em cada trecho, os reles de extremidade "olhem" para dentro somente, e se a falta ai se encontra, eles atuarao ou, na falha desses, os imediata:mente pr6xnnos, em a9ao de
retaguarda. AI
••
c 5
- - - •• 2
4
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•
0
7
+t 6'
1'
-
8
E
8'
1' FIGURA 9.4
Sistema com dupla alimentac;:ao, duple circuito de transmissao e diversos con-
sumidores
9.6.4 Para finalizar nossas considera96es, seja agora o esquema da Fig. 9.4; considerado o sistema com alimenta9ao bilateral e circuito duplo de transmissao, como protege-lo para uma falta do tipo F indicada, e inclusive se uma das fontes estiver fora de servi9o?
105
•.J.
3!l PARTE Aplicac;oes dos reles aos elementos do sistema.
CAPITULO 10
PROTECAO DAS MAOUINAS ROTATIVAS
10.1
lntroduc;:ao
Nesta 3.• parte sao tratadas as aplica9oes de reles a cada urn dos diversos elementos que compoem o sistema eletrico de potencia. Se bern que haja urn born entendimento enfre os engenheiros de prote¢o sobre o que constitui a prote9ao necessaria e como prove-la, ha ainda muitas diferen9as de opiniao em certas areas. Isso e uma caracteristica intransponivel, se considerarmos queM ainda muita Arte a par da Ciencia que ja se faz presente na area de prote9ao. S6 o tempo fara com que cada engenheiro encontre a sua linha media de verdade. Assim, sera nossa preocupa9ao expor o que M de mais corrente e mais acorde, referido a cada parte do sistema. As possiveis divergencias de opiniiio sao discutidas em cursos mais avan9ados. Neste capitulo sera dada enfase especial a prote9iiO dos geradores sincronos de corrente altemada. A prote9ao de motores, de conversores e de outras maquinas rotativas sera objeto de analise menos profunda aqui, mas objeto de urn estudo especial em outra oportunidade.
10.2
Protec;:ao de geradores
Estabelecemos inicialmente que, salvo especifica¢o em contrario, estamos nos referindo a geradores sincronos de corrente altemada, e localizados em centrais geradoras com operadores. Os geradores constituem as pe9as mais caras no equipamento de urn sistema de potencia, e sao sujeitos a mais tipos de defeitos que qualquer outro equipamento. Assim, o desejo de protege-los contra essas possiveis condi9oes "·· ~:mais, ao mesmo tempo man tendo a prote9ao simples e confiavel, pode resultar em consideraveis divergencias de opiniiio. Isso porque uma opera9iio intempestiva pode ser, as vezes, tiio grave quanto uma falha ou demora de atua¢o da prote¢o. Para que se possa iniciar uma analise, vamos considerar uma media de opini5es, constituindo-se em verdadeiro receitmlrio sabre os tipos razo:iveis de prote9ao, em fun¢o somente da potencia dos elementos. A Tab. 10.1 serve como base de partida. Os fabricantes oferecem sugestoes semelhantes a essa em seus catalogos de produtos.
TABELA 10.1
.lndicac;Oes-base para protec;ao de geradores (critl!rios de potfmcia e de tipo da turbina)
a) Proteyllo do gerador, em geral Tipo de
prote~:tio
Prote~iio
111
das mdquinas rotativas
Em geral, a protec;:iio do gerador indicada
Diferencial Terra restrita Falta entre espiras do estator Sobrecorrente com restri~:tao par tensao Sobrecarga Sobretemperatura (detetor) Corrente de seqti~ncia negativa Perda de carga Antimotoriza~:tlo (perda de vapor) Perda de campo Perda de sincronismo Sobrevelocidade (m8.quinas hidraulicas) Sobretensao (idem) b) Proteyl!o do rotor e mancais Falta a terra Perda- de campo Indicador de vibra~:tao Temperatura do mancal Isolamento do mancal c) ProtetO.o sO atuando alarmes ou desligamento tambem Condi~:tlo
anormal verificada, em fun~:tlo da maquina motriz
Regime nominal MW
<1
;>1
;>10
>100
X
X
X
X X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X X
X
X
X
X
X X
b1oco GT Alta temperatura no mancal Press!o de· 6leo do regulador Falta de agua de refrigera~:tao Alta temperatura do ar no estator Falha de abertura de valvula Rele Buchholz dos transformadores Temperatura do 6leo dos transformadores Falha no regulador de tensio Falta a terra do rotor Falta de campo Baixa tensao nas baterias
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Finalmente,
X
X
X
X
a) b) c) d)
x
e preciso
prover a protec;:iio:
do gerador, propriamente dito; da turbina ou maquina motriz; do conjunto gerador-turbina; dos auxiliares (fonte de corrente continua, etc.).
Hidraulica
10.3
X
Esquematico de uma protec;:ao de gerador
X
x
X
X
x
X
X X X X
Em centrais com operadores existem diferenc;:as de opm1ao sobre o que seria uma protec;:iio suficiente do gerador, principalmente no que se relaciona com as chamadas condic;:oes anormais. Como principia, no entanto, e sempre desejavel urn minimo de automatismos, pois: a) quanto mais equipamento a manter, mais pobre e menos confhivel sera
X
a man uten~ao;
X
b) equipamento automatico pode operar intempestivamente; c) urn operador pode, as vezes, impedir ou evitar o desligamento de uma unidade geradora em horas embarac;:osas.
x
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
x x
X
X
X
X
x
X
X
X
X
X
X
X I
X
b) Desligamento Faltas no estator Curto-circuito nos transformadores Sobretensio e/ou sobrevelocidade
a) funcionar rapido para fa]tas internas, reduzindo OS estragos (proporcionais a J 2 t); b) ser insensive] as fa]tas externas a zona de prote9ii0 estabe]ecida; c) limitar o valor da corrente de defeito para a terra; d) assinalar condic;:oes anormais e mesmo elimina-las quando se tornarem perigosas.
X
a) Alarme Baixo vacuo no condensador Anorm.a.l pressa.o, temperatura au densidade do H Baixa pressao de 6leo no mancal Alta temperatura no enrolamento do transformador do
A falha de isolamento, conduzindo a curto-circuito, e devida normalmente seja a sobretensoes, a sobreaquecimentos (corrente desequilibrada, ventila9iio deficiente, etc.), ou a movimentos do condutor (for9a do curto-circuito, perda de sincronismo, etc.). Ainda mais, a protec;:iio do gerador deve:
X
A vapor; refrigerada a ar H
contra dois tipos de faltas:
a) falha de isolamento, conduzindo a curto-circuitos entre espiras, fase-fase, fase-terra ou trif:1-sica; b) condic;:oes anormais de funcionamento como perda de campo, carga desequilibrada do estator, sobrevelocidade, vibrac;:oes, sobrecarga, etc.
X
X
e feita
Assirn sendo, antes de entrar no detalhamento de cada uma das protec;:oes, vamos mostra-las em conjunto. Na protec;:iio de urn gerador, encontrar-se-a tipos para: a) Estator i) contra curto-circuitos, entre fases, entre espiras e ii) retaguarda,
a massa,
----------
112
/ntrodUfiO Q protefiiO dOS sistemas e/etriCOS
-------------------------
113
ProteffiO das m6auinas rotativas
=:r:::;::=-
iii) contra sobreaquecimento, iv) contra circuito aberto;
/
132 kV
/
b) Rotor i) contra curto-circuito no campo, ii) contra sobreaquecimento do rotor, devido estator; c) d) e) f) g) h) i)
a carga
si~/
desequilibrada no
g-Os4R
aori:>,.,=--f OTQ _WTQ l> TP 59Q--CD-/
Sobretensoes; Perda de excita9ao ejou perda de sincronismo; Superexcita9ao; Vibra9oes; Antimotoriza9ffo; Sobrevelocidade; Subfreqiiencia, etc.
87T
AVRro--/
40
Na Fig. 10.1 e mostrada, esquematicamente, usando-se a simbologia ASA, a prote9ao tipica de uma unidade-bloco gerador-transformador de grande porte (120MW).
64A
64
10.4
Protec;:ao diferencial do estator contra curto-circuito
A prote9aO diferencial longitudinal e recomendada para maquinas acima de 1 MVA e obrigat6ria acima de 10 MVA. Niio s6 a potencia, como a fun9ao· do gerador no esquema e seu custo, sao fatores de decisao. Em maquinas inferiores a 10 MVA, e usual encontrar-se reles de sobrecorrente com restri9iio por tensiio (rele n.' 51 VASA). A prote9iio diferencial atua na ocorrencia de curto-circuito entre duas fases. No caso do neutro do gerador ser aterrado diretamente ou atraves de resistencia de baixo valor, a prot~iio funciona igualmente para faltas a terra; no entanto, e pratica geral prever dispositivo de prote9a0 particular contra defeitos terra, se a impediincia de aterramento e grande, 0 que e mais usual. Diversas conex5es sao possiveis, confOrme o enrolamento do gerador seja em estrela ou em tridngulo, tenha ou niio as tres pemas do neutro disponiveis, seja ligado ou niio em bloco, etc. Como exemplo, citamos a Fig. 10.2. Sao usados reles diferenciais percentuais de alta velocidade (para diminuir o dano do arco sobre as laminas do nucleo, de dificil repara9ao), alimentados por transformadores de corrente especificados, no minimo, para 1,25 vezes a corrente nominal do gerador, e classe 10 H ou L 200 (ou 10 C 50, segundo ABNT). 0 ajuste dadeclividade do rele e usualmente para 10% (ate 20%), eo valor inicial costuma ser ajustado para 5% do regime nominal do TC (ou seja, para 0,25 A para TC com secundario de 5 A). Transformadores auxiliares podem compensar a forma de acoplamento do transformador principal, na conexao em bloco, bern como eventuais diferen9as nas rela9oes de transforma9ao dos TC disponiveis.
a
64I
40~
Fl GU RA 1 0.1
Protec;:ao tfpica de um bloco turbogerador-transformador
B Rele Buchholz OS Sobrevelocidade VT Vftcuo na caldeira 40 Rele falha no campo 46 Rele seqi.i~ncia negativa 59 Rele sobretensiio 64 A Rele falta a terra no campo 64 R Rele falta a terra restrito 8 7 S Rele diferencial, trafo servi<;:o 87 I Rell: diferencial bloco G T
WT 0T A VR 51 511 64 641 87 87 B
Temperatura do enrolamento Temperatura do 6leo Regulador de tensiio Rele de sobrecorrente Idem, de intertravamento Rele S.C. falta a terra Rele S.C. instantineo Rete diferencial do gerador Rele diferencial da barra
A prote9iio diferencial (rele n.' 87-ASA), auxiliada por urn rele auxiliar (n.' 86-ASA), inicia simultaneamente (veja a Fig. 10.3): a) desligamento dos disjuntores principal e de campo (bern como do neutro, se houver); b) frenagem da turbina; c) its vezes, a abertura de C0 2 da prote9iio contra incendio; d) alarmes 6ptico e acustico; e) sinaliza9iio no paine!; f) eventual transferencia dos auxiliares da central (se ligados nesse gerador) para a fonte de reserva, etc. H:i algumas rente; assim:
recomenda~Oes
especiais sobre os transformadores de cor-.
---------------------------
IntrodufliO aprote~iio dos sistemas etetricos
114
f1 f.!
'';f:jh~----,-1 r Gerador
I
0
1
52
--j--,
-
: E t: : 0
10.5
I _J
-
E l
-4
FIGURA 10.2
a) cada rele deve ser alimentado por TC exclusivos dessa prote<;iio e colocados o mais perto possivel dos terminais do gerador; b) a fia~iio entre os TC e os reles deve ser curta e simetrica; c) a liga~iio dos TC, em estrela, it terra (eletrodo) deve ser feita s6 no !ado da fase; e a interliga~iio entre os varios TC deve ser feita com fio de mesma seviio que os de fase.
I I
E
1..---
115
Prote,i/o das mDquinas rotativas
Protec;:§o diferencial percentual de gerador
Protec;:ao diferencial do estator contra curto-circuito entre esp1ras
Quando as grandes maquinas rem fases subdivididas, por motivos construtivos, o defeito de curto-circuito entre espiras e detetado por simples reles de sobrecorrente ligados em conexiio diferencial transversal. E prote~iio sempre aconselhavel nos arranjos bloco-gerador-transformador, mas em desuso nas unidades niio em bloco (isolathento modemo melhorando, e o defeito tendendo rapidamente para fase-fase, que e detetavel pela prote~o diferencial longitudinal). 0 ajuste tipico do re!e e para COrrente de desequilibrio maior OU igual a 5% da corrente nominal do gerador. A atua~iio da-se sobre os mesmos elementos que os da prote~iio longitudinal (que niio pode ser dispensada). A Fig. 10.4 mostra urn tipo de conexiio, mas ha diversas outras possibilidades.
~t ~
6XC
3~0 10• v•o 1'--
~~~0
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~. ~nt-t.
FIGURA 10.3
Atuac;:ao da protec;:ao do gerador
D Rele diferencial E Rele terra restrita 0 Rele sobrecorrente L Rele perda de carga F Rele perda de campo (S.C.) FY Idem (tipo admitAncia) FD Detetor de fogo G Rele sobretensao do neutro
R T TD V N
N FB FL
Rele terra no rotor Rele temperatura do estator Detetor temperatura estator Rele so bretensao ReU: seqti~ncia negativa Idem, alarme Disjuntor de campo Perda de campo
FIGURA 10.4
Protet;ao de fase dividida de gerador
-- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - c - -
116
lntroduriio a proteriio dos sistemas e/etricos
10.6
Protec;:ao diferencial do estator contra falta terra
a
0 aterramento do neutro de urn gerador atraves de alta impediincia tern as seguin tes finalidades;
a) b) c) d) e)
limitar os esfor9os meciinicos; limitar os danos no ponto de defeito; proteger contra as descargas atmosfericas; limitar as sobretensiies transit6rias; necessidade de obter correntes para releamento seletivo das faltas fase-
Proteriio das rrulquinas rotativas
uma resistencia, urn transformador de distribui9ao com resistor de carga, uma reatiincia ou urn transformador de potencial (Fig. 10.5). Com a corrente do neutro limitada na ordern de 250 A, reles e disjuntores de alta velocidade sao requeridos; com 5-20 A ou menos, como e mais usual, reles de a9ao mais lenta sao suficientes. Quanto mais alta a impediincia do neutro, entretanto, maior o risco de criar outra falta no enrolamento devido a tensao de ressonancia com a capacitiincia do estator para a terrae o equipamento conectado a ele. A pratica moderna e usar urn transformador tipo distribui~o monof3.sico, com resistor de carga, nao excedendo cerca de 45 kVA: No caso de urn gerador nao conectado em bloco, o valor da impediincia do resistor de aterramento e dado por z = v;ft X I, onde:
-terra.
V, tensao entre fases do gerador;
Em geral, nesse tipo de aterramento, os reles diferenciais niio sao suficientemente sensiveis e seguros contra desligamentos intempestivos devidos a faltas extemas it sua zona de prote9iio. No caso do bloco gerador-transformador, mostrado na Fig. 10.1, e que constitui pratica modema, com o enrolamento do estator terminando no enrolamento de baixa-tensiio do transformador, urn sensivel rele de sequencia zero pode ser usado para proteger contra todas as faltas it terra E usual projetar-se esse rele para ser insensivel its correntes de terceiro harmonico e ter urn ajuste da ordern de 15% em rela9ao ao regime da impediincia do neutro. Onde urn rele de tempo inverse e us ado, ajusta-se-o para picape sob 5 ~~ do regime da
I, valor da maxima corrente de terra permitida (5-20 A).
irnpedfrncia do neutro, e atuado em 0,5 s sob dez vezes o regime da impedfrncia
do neutro. Nos raros casos ern que o gerador e isolado da terra, sao usados detetores eletrost:iticos para esta prote9iio, ja que as correntes de falta it terra correspond em aos baixos valores de correntes capacitivas alimentadas atraves das fases sadias. Devido aos efeitos destrutivos de uma falta it terra (condutor para o niicleo), em conseqiiencia da alta temperatura do arco, a corrente de falta e usualmente limitada por uma impediincia colocada no neutro do gerador, e que pode ser R
0
S
T
,. ., rn . ·~-
;''"'";,;;.
':"'
FIGURA 10.5
Protec;:ao do estator
a terra
Reio
Resistw de carga
com transformador de distribuic;:Bo no neutro
117
Em geral a prote9iio cobre cerca de 80-90% do enrolamento, ficando o restante, a partir do neutro, desprotegido. Isso, no entanto, nao e grave ja que sao muito menos provaveis as faltas nesse trecho do enrolamento.
10.7
Protec;:ao de retaguarda do estator por . me1o de reles de sobrecorrente
Se nao existem TC conectados nas extremidades do neutro dos enrolamentos do estator em estrela, ou se o neutro nao e acessive~ os dispositivos de prote9iio podern ser atuados somente pela corrente de curto-circuito suprida pelo sistema, conforme a Fig. 10.6. Tal prote9iio e efetiva somente quando o disjuntor est:i fechado ou existe outra fonte extema. Se o neutro do gerador nao e aterrado, uma sensivel e rapida prote9a0 de sobrecorrente pode ser provida; port\m, se o neutro e aterrado, urn releamento de sobrecorrente direcionai deve ser usado para maiores sensibilidade e velocidade. Em cada caso, reles de sobrecorrente direcionais devem ser usados para prote9iio de fase. Se relt\s de sobrecorrente com restri9iio de tensiio, nao-direcionais, sao usados para prote9iio de retaguarda contra falta extema, eles tambem servem para proteger contra faltas nas fases do gerador. No entanto, nenhuma das anteriores formas de releamento serao tao boas como os reles diferenciais percentuais e nao devem ser usadas exceto quando o custo para tornar acessivel os terrninais do neutro, e instalar neles TC e reles diferenciais, nao puder ser justificado. Urn tipo de rele usado eo de sobrecorrente, ajustado para 1,3-1,4I, x 4-10 s; e preferivel usar reles de tempo definido, para fins de coordena9il:o, com o· cuidado de regular para COrrente inferior a COrrente minima de defeito perrnanente. A temporiza9ao do rele deve ser, no maximo, igual ao tempo que o fabricante garante para suportar a corrente de defeito. E sempre preferivel usar tres TC, ao inves de dois, e tao pr6ximos aos terminais do enrolamento quanto possivel.
r I
118
lntrodufiiO Q protec:iio dos sistemas eletricos
Prote~5o
A Fig. 10.6(b) mostra urn tipo de prot~iio contra sobrecarga, associado
119
das mliquinlis rotativas
usinas sem operadores. A Fig. 10.7 mostra uma forma de liga9iio dos detetores em ponte de Wheatstone e urn ·rete direcional, em forma preferencial.
a prote9iio de sobrecorrente com temporiza9iio. Os fabricantes fornecem curvas de sobrecarga em fun9iio do tempo; exemplo: 3s x 4000A; 2s x 5000A; 1 s x 7000A, para I.= 700A.
Fonte C A
-5
R••istor
s!lrie
FIGURA 10.7
2 •111f4:f=j;.__ _ __ j
Para geradores are 30 MW podem ser usados reles tipo replica ou de imagem terrnica, sem detetores como acima, e que podem ser energizados a partir de TC que transformam a corrente do estator, e, por varia~ao da resistSncia, fazem atuar alarrnes. Dispositivos suplementares podem monitorizar a temperatura do ar de refrigera9iio ou o oleo dos mancais, sendo regulados para alarrne a 5-10 'C, acima das temperaturas julgadas norrnais.
(b)
FIGURA 10.6 {a) Protec;ao de retaguarda por meio de reles de sobrecorrente, e (b) protec;ao contra sobrecarga e protec;:ao de sobrecorrente temporizada. associadas
10.8
Prote<;:ao estator
contra
circuito
aberto
Protevao contra sobreaquecimento do estator-detetor em ponte
no
10.10
Prote<;:ao contra sobretensao
E recomendada para geradores acionados por turbinas hidraulicas ou a gas, sujeitas a sobrevelocidade, e conseqiiente sobretensiio, na perda de carga.
Urn circuito aberto ou junta de alta resistencia no enrolamento do estator e muito dificil de detetar antes que considenivel dano tenha ocorrido. Niio e a pnitica prover-se tal prote9iio, ja que em maquinas bern construidas raramente isso ocorre. No en tanto, o releamento de seqUencia negativa para prote9iio contra correntes desequilibradas pode conter urn sensivel alarme para alertar o operadar, nesse caso. ·
5
l l l
1-ALTERNADOR 2-TP 3- RELE DE MAXIMA TENSA.o TEMPORIZADO 4- DISPOSITIVO ADICIONAL {FILTRO)
,, 10.9
I
Prote<;:ao contra sobreaquecimento do estator
0 sobreaquecimento do estator pode ser causado por sobrecarga ou por falha no sistema de refrigera9iio. Alem da prot~iio de sobrecarga temporizada, mostrada na Fig. 10.6(b), e costume colocar bobinas detetoras de temperatura ou termopares nas ranhuras do enrolamento do estator de maquinas maiores que 1 500 k VA (pelo menos seis bob in as, bern distribuidas) para acionar urn sistema de alarme para os operadores. ou provocar uma redu~iio de carga em
I
I \
5- DISJUNTOR PRINCIPAL 6- DISJUNTOR DE CAMPO
"
I
I
h··
.'
FIG U AA 10.8
Protevao contra sobretensao do gerador
A prote9iiO e freqiientem:nte garantida pelo regulador de tensao; caso contnirio, ela e provida por urn rele de sobretensao temporizado com picape em cerca de 1,10 Un e a unidade instantanea com picape entre 1,3-1,5 Un. 0
120
a
IntrodUfiiO ProtefiiO dos siste11UIS e/etricos
121
Protefiio das m4quinas rotativas ,-----,/~-
rele deve ser alimentado por T P que nao o alimentador do regulador de tenslio. Em geral, a opera9ao do rele introduz resistencia adicional no circuito de campo, por exemplo, em 0,5 s; se persiste a sobretenslio (cerca de mais 8 s) devem ser atuados os disjuntores principal e do campo do gerador (em cerca de 4 s, no maximo, por exemplo). A Fig. 10.8 mostra urn esquema em que urn dispositivo adicional toma o rele insensivel a varia9lio da frequencia.
Excitotriz
......\
@eerador 1 I I I
I
-=f~l
I
.Jl8-f-~l
I
40V
I I I I
10.11
A perda de sincronismo dos altemadores sincronos pod~ ser devida seja a urn defeito de excita9ao (abertura involuntaria do disjuntor de campo; rompimento de urn condutor; ou por defeito no sistema de regula9ao) ou a uma causa exterior (curto-circuito na rede; desligamento de urn importante consumidor de carga indutiva; ou conexao a uma longa linha em vazio). Na pnitica, no entanto (e salvo para conversores de frequencia indu9ao-sincronos usados na interconexao de dois sistemas, caso em que a prot09ao contra perda de sincronismo existe no !ado sincrono), nao e usual o emprego dessa prote9ao, ja que ela e assegurada pela obrigatoria prot09ao de perda de campo discutida adiante.
10.12
- ________ ..'
Prote<;:ao contra perda de sincronismo
Prote<;:ao do rotor contra curto-circuito no campo
Como o circuito de campo opera nao-aterrado, urna primeira falta nao provocaria dano ou mesmo afetaria a opera9ao do gerador. No entanto, essa falta pode aumentar o esfor90 para a terra em outros pontos do campo quando tensoes sao induzidas no campo devido a transitorios no estator. Assim, a probabilidade de ocorrer urn segundo aterramento aumenta. E se esse segundo defeito ocorre realmente, parte do enrolamento do campo e curto-circuitado, criando urn desequilibrio de fluxo no entreferro e gerando for9as magneticas desequilibradas no rotor, capazes de deformar 0 eixo e, por vibra9a0, chegar a quebra dos mancais ou ro9amento do rotor contra o estator, dentro de 30 min a duas horas, por exemplo. 0 extenso dano resultante e oneroso e deixa a maquina fora de servi90 por Iongo tempo. Em centrais com operador, salvo em caso de grandes vibra96es detetadas, s6 ha alarme no primeiro contato a terra. A prot09ao preferida consta de urn rele de sobretensao com inje9lio por fonte auxiliar (continua ou altemada), colocado entre o circuito de campo e terra (escova no eixo, no caso do rele de corrente altemada). A Fig. 10.9(a) mostra urn esquema com rele de corrente continua (com picape regulado para 1,5% da tenslio de campo); a Fig. 10.9(b) mostra esquema com rele de corrente altemada (neste caso o rele deve ser menos sensive~ para evitar intempestividade devida a capacitancia para a terra).
.._
,..,
I
I
I
(o) Par CC
FIGURA 10.9
10.13
I I
u
lbl Por .CA
Prote9ao de CC no campo do gerador
Prote<;:ao contra aquecimemo do rotor devido a correntes desequilibradas do estator
As principais condi9oes que provocam danosas correntes desequilibradas no estator sao: a) abertura de urna fase de uma linha ou falta de contato de urn polo do disjuntor; b) falta desequilibrada proxima a central, e nao prontamente removida pelos reh\s normais; c) falta no enrolamento do estator. A componente de sequencia negativa da corrente desequilibrada do estator induz uma COrrente de frequencia dupla no rotor. Se 0 grau de desequilibrio e suficientemente grande, severo sobreaquecimento pode ser provocado nas partes estruturais do rotor, o que tende a afrouxar as cunhas e aneis de reten9lio do enrolamento. 0 tempo durante 0 qual 0 rotor pode suportar esta condi9a0 e inversamente proporcional ao quadrado da ~orrente de sequencia negativa, isto e, K = I~t onde: K = 7-30, para turbina a vapor, K = 40-60, para turbina hidraulica, e I em amperes e t em segundos (Fig. 10.11).
Em geral o fabricante fomece a curva (K = Iit) do gerador, permitindo ajustar a caracteristica do rele de tempo inverso (alimentado por filtro de sequencia negativa) imediatamente abaixo daquela curva. · 0 rele pode atuar o disjuntor ou apenas operar urn alarme em pequenos desequilibrios, sendo regulado para / 2 = 8-40%/t> com retardo para prever desequilibrios de pequena dura9lio. Por exemplo, M reles em que uma primeira
Introdu~Qo
122
Q protefio dos
sistemas eletricos
l
10.14 I -
ALTERNADOR
2 -
TC
:S - TC
Fll.TRO SEQ, NEGATIVA
!5 -
RELE SEQ. NEGATIVA
6 - AMPERfMETRO DE DESEQUI-
LfBRIO 7 -
FIGURA 10.10
Prote<;:ao contra perda de excita<;:ao ou de campo
Quando urn gerador sincrono perde a excita9iio, ele acelera ligeiramente e opera como urn gerador de indu9iio; ou seja, puxa corrente reativa da rede, ao inves de fomecer. Mesmo durante o curto tempo em que isso ocorre, M urn desequilibrio magnetico na maquina, resultando em sobreaquecimento perigoso (especialmente, se o rotor e de p6los lisos, sem enrolamento amortecedor, o que s6 e toleravel durante 2-3 min). Por sua vez, a sobrecorrente no estator, devida tambem a COrrente reativa que e puxada da rede, pode atingir 2-4[, durante a marcha assincrona provocando seu aquecimento, embora mais len· tamente que o verificado no rotor. Alem disso, alguns sistemas niio podem tolerar a opera9[o continuada do gerador sem ou com baixa excita9iio, e a instabilidade pode ocorrer nos mesmos (especialmente se niio M reguladores de tensiio automaticos de a9iio rapida) devido a larga redu9i!.0 de tensiio, conseqiiente da inversi!.O do fluxo de reativo. Entiio, urn equipamento de prote9[o rapido e automatico deve atuar sobre os disjuntores principal e de campo do gerador faltoso, nesse caso, ja que o operador somente em alguns sistemas niio-criticos teria 2-3 min de espera para atuar manualmente, desligando o gerador ejou apelando para uma fonte de excita9[o auxiliar, se houver. Reles de subcorrente conectados ao circuito de campo foram usados extensamente, porem o mais seletivo tipo de rele de perda de excita9iio e urn rele diredonal de distancia alimentado pela tensiio e corrente alternadas do gerador principal.
AUXIL.IARES
4 -
123
ProtefiiO das m/Jquinas rotativas
ALARME
Protec;:Bo do rotor contra corrente desequilibrada do estator
unidade da sinal quando I 2 > 0,151 1 e desliga com temporiza9iio de 2-20s por atua9[o de uma segunda unidade quando I 2 > 0,301 1 • A Fig. 10.10 mostra urn esquema tipico de prote9[o contra corrente assimetrica (componente de seqUencia negativa) no estator. Ele pode atuar s6 urn alarme ou, em segundo estilgio, atuar o disjuntor, separando da rede o gerador, conforme regulagem acima. t
Smin
• 2 601
so \1,
\0
5
(a)
FIGURA 1 0.12
2 K=7
0,2
FIGURA 10.11
0,5
2
-
.!.g_
'·
Protecao contra carga desequilibrada do estator (seqUllncia negativa)
!b)- RELE PUM BBC
Prote<;:§o contra perda de excitac;:ao do gerador
Na Fig. 10.12(a) estiio indicadas no diagrama R-X diversas caracteristicas de perda de excita9[o e a caracteristica de opera9iio de urn tipo de rele de perda de excita9[o. Quaisquer que sejam as condi9iies iniciais, quando a excita9[o e perdida, a equivalente impedancia de carga vista pelo gerador tra9a urn percurso
/ntrodu~/io
124
f.rote~iio
Q protefjiO dos Sistemas efetriCOS
10.16
do primeiro para o quarto quadrante que e penetrado, em caso de severa redu~o ou mesmo perda da excita~iio. Entiio, circundando esta Ultima regiiio com a caracteristica do rele, ele operara quando o gerador come~a a deslisar e desliga-o antes que seja danificado. Se o gerador for desligado rapidamente, pode retomar ao servi~o; caso contnlrio, se trabalhou sem excita¥3.o algum tempo, precisa ser examinado cuidadosamente antes de religa-lo a rede. A Fig. 10.12(b) mostra a liga~iio de urn rele contra perda de excita~o (tipo PUM, da Brown-Boveri). Para o rele, o gerador, cuja excita~iio foi suprimida, e visto como uma reatancia indutiva. Enquanto a mRquina est:a em sincronismo, essa reatiincia corresponde a sua reatancia sincrona x. ; se a maquina sai de sincronismo, paralelamente com o aumento de deslizamento, a reatancia se aproxima do valor da reatancia transitoria X~. Tal rele foi construido de modo a funcionar tao logo o valor da r~tancia medida se encontre no interior de urn circulo, cujo centro e colocado sobre o eixo negativo de reatancia e cujas intercessoes com ele podem ser escolhidas em fun~o de x. e X~, por meio dos orgaos de ajuste do rele. Verifica-se na Fig. 10.12(b) que ha uma compara~o entre os conjugados de tensao e de corrente magnetizante, sendo este ultimo somado ou subtraido daquele, resultando opera~iio do rele ou nao, respectivamente, se o sentido da corrente reativa e para o gerador ou para .a rede. Para atender varios problemas (por exemplo, curto-circuito bifasico proximo ao gerador ou marcha sincrona sem excita~o, etc.), e usual deslocar-se o circulo da origem, regulando-se o rele como indicado:
10.17
Protec;:ao contra vibrac;:ao
Protec;:ao contra. motorizac;:ao
a
E feita com vistas turbina e nao ao gerador. Assim, o fabricante indica tempos critiCOS de Opera~o ap6s OS quais pode haver Serio risco para a turbina (na turbina a vapor, aquecimento do rotor; na hidraulica, cavita~o; no motor diesel, pode incendiar o oleo nao queimado; etc.) ou indesejavel carga para a rede resultante do gerador operando como motor e tracionando o. conjunto gerador-turbina, se 0 fluxo (vapor ou agua) paralisa, por qualquer razao, na turbina. Como se !rata de urn fen6meno simetrico, usam-se reles monofasicos de potencia in versa, regulados para cerca de 0,5-3% da potencia nominal, respectivamente, para .turbina hidraulica e a vapor, e temporizados are minutos (veja as instru~oes do fabricante).
10.18
Protec;:ao contra sobrevelocidade
E fornecida com a turbina ou com regulador de velocidade, na forma de uma chave centrifuga, por exemplo. Pode ser tambem usado urn rete de sobrefreqiiencia. 0 ajuste, em qualquer caso, e da ordem de 110% (turbina a vapor) a 140% (turbina hidraulica), conforme instru9oes do fabricante. A atua~o e sobre 0 fluxo de vapor ou agua, freios e disjuntores do gerador.
10.19
A temporiza~ao destina-se a permitir a auto-sincroniza~o; de fato, em caso de marcha assincrona da maquina excitada (por exemplo, devido aos transitorios do sistema), o vetor impediincia oscila fora do circulo, podendo provocar · funcionamento intermitente do rete (em geral, pois, e adicionado ao rele urn integrador de impulsoes, para a discrimina~o ). Essa temporiza~o e comandada por urn rete de tensiio minima, em geral ajustado para 0,7 Un.
Protec;:ao contra sobreaquecimento dos manca1s
0 sobreaquecimento pode ser detetato por urn rete atuado, seja por urn bulbo termometrico colocado em urn orificio do mancal, ou por detetor de temperatura, tipo resisrencia, embutido no inancal. Pode haver tambem urn controle sobre o fluxo do oleo de refrigera~o. Em geral s6 M atua~o de alarme, em cen trais com operadores.
Protec;:ao contra aquecimento do rotor devido sobreexcitac;:ao
a
E feita indiretamente pelo equipamento de prote~ao contra sobreaqu~ cimento do estator, ou pela caracteristica de limita~§.o da excita~o do eqUIpamento regulador de tensiio.
125
A prote~o do rotor contra sobreaquecimento devido a correntes desequilibradas no estator, minimiza ou elimina a vibra~o, dispensando prote~o especifica. Em turbinas a gas, de alta rota~o, costuma haver registradores para dete9iio de possiveis faltas progressivas.
a. Turboalternador circulo de impediincia: x. e 0,5 X~ temporiza~o: 2 s b. Alternador de polos salientes circulo de impediincia: 0,8 x. e 0,5 X~ temporiza~o: 2 s.
10.15
das mQquinas rotativas
10.20 · Protec;:ao de retaguarda contra falta l
'-'!i l
:~
J .·····•·
extern a Os geradores devem ter provisao contra continuidade de fornecimento de corrente de curto-circuito a uma falta em elemento do sistema adjacente, e nao eliminada por falha do releamento primario respectivo.
126
JntrodUffiO d prolefliO dOS Sistemas eJ~triCOS
Em geral, reles de sobrecorrente satisfazem para faltas a terra, enquanto para faltas fase-fase e preferivel urn rele de sobrecorrente com restri~ao por tensiio, ou rele de distancia (uma zona s6). E costume usar reles de prot~o de retaguarda do mesmo tipo que o usado no correspondente releamento primario.
10.21
Outras prote<;:oes diversas
Ha ainda outras prote~oes mecllnicas, contra fogo, etc., bern como dos pr6prios auxiliares da central, mas que niio seriio analisados nesta primeira etapa. Mesmo a prot~iio de subfreqiiencia, sera deixada para urn t6pico especial, em cursos mais avan~ados, por interessar mais ao sistema que ao gerador (sistemas de rejei~iio ou de conserva~iio de carga).
10.22
Prote<;:ao dos motores
As prescri~oes referentes aos motores pequenos siio bern estudadas em publica~oes como o "National Electrical Code". Aqui seriio analisadas, sucintamente, as prote~oes de motores sincronos, de indu~o, conversores sincronos, etc., em locais com operadores. Basicamente, para motores grandes devem ser previstas prote~es contra curto-circuito no enrolamento do estator; contra sobreaquecimento do estator; contra sobreaquecimento do rotor; contra perda de sincronismo; contra subtensiio; contra perda de excita~iio; contra falta a terra no campo. a)
Prote~iio
contra curto-circuito no enrolamento do estator
A prote~o de sobrecorrente e o tipo basico usado: fusiveis (motor ate 600 V), disparadores de a~iio direta e reles atuando sobre disjuntores (2 200 V e acima). Deve ser feita uma distin9iio entre os chamados motores para servi9o essencia! ou niio. Nos motores de servi9o niio-essencial costuma-se usar reles de sobrecorrente de tempo inverso, com unidade instantanea, em cada fase. 0 ajuste dos reles de tempo in verso de fase e feito para cerca de 41,, com retardo para ultrapassar o tempo de partida; a unidade instantanea e ajustada para a corrente de rotor bloqueado. Os reles de terra de tempo inverso sao ajustados para cerca de 0,21, OU 10% da maxima COrrente de fa[ta a terra disponivel, se menor que aquela; sua unidade instantanea ajusta-se entre 2,5-101, (pode ser dispensada, em caso de risco de desligamento intempestivo). Ainda, para faltas a terra pode ser usado urn rele especial, denominado "sensor de terra" alimentado por TC tipo bucha abra9ando os Ires condutores de fase. Releamento diferencial percentual e · recomendado para· os grandes motores, como 2 200-5 000 V, acima de 1 500 HP, e acima de 5 000 V com potencia tam bern acima de 500 HP.
ProteffiO dos mOquinas rotativas
127
Para os motores de servi9o essencial e costume omitirem-se os reles de sobrecorrente de tempo inverso de fase, como descrito anteriormente, evitando-se desligamentos intempestivos por outras causas que niio o curto-circuito. b) Prote9iio contra sobreaquecimento do estator Todos os motores necessitam prote9iio contra sobreaquecimento resultante de. sobrecarga, rotor bloqueado ou correntes desequilibradl\S. Para isso siio colocados elementos de sobrecarga em cada condutor de fase (melhor que s6 em duas, isto aceitavel para motores abaixo de 1 500 HP). Em motores niio de servi90 essencial, menores que 1 500 HP, usam-se reles de sobrecarga tipo replica, reles de sobrecorrente de tempo inverso, ou disparadores de a~o direta E preferivel o rele tipo replica por acompanhar melhor a curva de aquecimento do motor. Para motores de servi90 continuo o ajuste e feito para 1,151,·; para motores com fator de servi9o de 115% o ajuste e para 1,251,; para outros fatores de servi9o ou outras condi9oes, niio exceder o ajuste de 1,40 I,. Motores acima de 1 500 HP utilizam geralmente detetores de temperatura tipo resistencia, embutidos nas ranhuras do estator e atuando urn rele de sobrecorrente simples. Tamoom, nesses grandes motores, pode haver reles de balan9o de corrente, ajustados para 25% ou menos de desequilibrio entre as fases. Quanto aos motores de servi90 essencial, deve-se procurar minimizar as possibilidades de desligamento desnecess{uio. Assim, os reles de sobrecorrente de tempo inverso s6 atuam alarme para sobrecarga alem de 1,151,, enquanto a unidade instantanea e ajustada para 2-31, em caso de rotor bloqueado. c) Prote9iio contra sobreaquecimento do rotor No§ motores indu9iio tipo gaiola, usam-se reles tipo replica ou de sobrecorrente de tempo inverso. Nos motores de rotor bobinado e uti! consultar o fabricante. Nos motores sincronos a prote~o dos enrolamentos amortecedores, durante a partida, deve ser prevista, principalmente se o motor parte em carga; se usados reles de balan90 de corrente, a prote~o global fica garantida, incluida a partida. Ainda nos motores sincronos deve ser usado rele termico para proteger o enrolamento do campo contra prolongada sobreexcita9iio alertando o operador. d) Prote9iio contra perda de sincronismo Todos os motores sincronos partindo em carga devem poder remove-la, bern como a excita9iio, em caso de perda de sincronismo, e reaplica-la quando permissive!. e) Prot~o contra subtensiio
Exceto os motores de servi90 essencial, os demais usam como prote~o contra subtensiio o rele monofasico tipo tempo inverso ate 1500 HP e o rele trifasico para motores maiores.
,., 128
lntrodu~ao
aprote~lio dos sistemas eletricos
Prote~lio
129
das mliquinas rotativas E
f) Prote9iio contra perda de excita9iio
E usada se o motor niio tern prote9iio contra perda de sincronismo e regulador de tensiio automatico; e feita por reles de subcorrente temporizado, colocados no campo. g) Prote9iiO contra falta
X
a terra no campo
E identica a dos geradores, e usada se o tamanho ou importancia do motor indicar.
FIGURA 10.14
A pior hip6tese verifica-se para urn curto-circuito nos terminals do gerador
10.23
Aplica<;:6es sabre prote<;:ao de gerador
(x = 1,0). Logo, substituindo os valores, vern
E
13 800
z,
z,j3
lp=x·~=l·--=5A,
A fim de esclarecer melhor alguns pontos da prot09iio de geradores, siio apresentados a seguir ajustes de reles diversos. don de PROBLEMA !. Urn gerador ligado em estrela, com neutro aterrado atraves de uma impedi'lncia Z,, tern os seguintes dados: potencia nominal: P = 60 MVA; tensiio nominal: U = 13,8 kV; reatancia subtransit6ria de eixo direto: X~= = 0,24 pu. Pede-se calcular:
a) o valor da impedancia Z, capaz de limitar em 5 A o valor da corrente de falta fase-terra no estator; b) a maxima corrente de curto-circuito nos terminais de salda do gerador.
z, = 1 594 n, ja que fixamos em 5 A a maxima Corrente permissive! no gerador (pratica razoavel). b) Analise da maxima COrrente de curto-circuito Embora normalmente a /a trifasica para curto-circuito nos terminais do gerador seja a pior hip6tese, vamos calcular tambem Ia fase-fase para comprova9iio. Seja U bt~.~e = 13,8 kV,
SOLV(:AO
a) Calculo da impe>!iincia de aterramento
N 1m.~e =
z, Logo
I•.
60 MVA.
Nb
= -- =
"" J3u•
60 x 10 3 r:; = 2510,22A. ._;oxl3,8
i) Curto-circuito fase-terra (Fig. 10.15) IF=
FIGURA 10.13
I~N =
E
A COrrente de falta fase-terra. no estator e limitada pela impedi'lncia do neutro (as impedancias de sequencia positiva e negativa do gerador, siio consideradas despreziveis face a de aterramento). A Corrente de curto-circuito fase-terra e dada por
5 A (fixada).
-LF
••••••
FIGURA 10.15
ii) Curto-circuito fase-fase (fases B e C) (Fig. 10.16).
onde I F• corrente falta fase-terra; x, percentagem do enrolamento afetada pelo curto, medida a partir do neutro; E, tensiio fase-neutro e igual a U/j3; Z,, impedancia de aterramento do neutro (limitadora).
E sabido
que IFB =-!Fe=
j3E
z +z . I
2
{
I
'
130
/ntrodUfiiO Q ptolefiiO dos riste1TIIlS eJdtrlcos
. _ 1 Fc
Prote~iio
c) Calcular a corrente primaria minima de opera~ao (!) do rele escolhido acima, sendo conhecidas as curvas de excita~o dos TC, conforme a Tab. 10.2. d) Calcular a por~ao do enrolamento do estator do gerador que e efetivamente protegida pelos relf~s diferenciais anteriormente mencionados, no caso de falha fase-terra. Comentar o resultado .
FIGURA 10.16
Logo
J3 + 0,24 pu,
I FB = 0,24
TABELA 10.2
E sabido
que xE
IF =
ou
xz,
1 1. = X~ = 0,24 = 4,166 pu,
I,=10460A.
Tabela dos TC {item 2c)
lex (amperes)
lex (amperes)
V (volts)
V (volts) TCI
TC2
40 60 80 !00 120 140 !60 180 200 220 240
11,0 13,0 15,5 17,5 19,5 21,0 23,0 24,5 26,0 28,0 30,0
7,5 10,0 12,5 14,5 16,5 18,0 20,0 21,5 23,0 25,0 26,5
260 280 300 320
31,5 33,5 35,5 38,0
28,0 30,0 31,5 33,5
ou
iii) Curto-circuito trifasico
131
das mizquinas rotativas
TCI
TC2
340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540
40,0 43,0 47,0 51,0 56,0 63,0 71,5 81,0 105,0 135,0 185,0
35,5 38,0 40,5 44,5 48,0 53,0 61,0 75,0 95,0 130,0 180,0
560 580 600
250,0 340,0 430,0
250,0 340,0 435,0
FIGURA 10.17
SOLU<;;AO Confirma-se, pois, a hip6tese do pior curto-circuito ser o trifasico. Assim, esse valor sera usado nos problemas que se seguem, como pior hip6tese.
PROBLEM A 2. Deseja-se proteger o gerador do Problema 1 contra falhas no enrolamento do estator, utilizando-se reles diferenciais ASEA, tipo RYDHA, de alta impedancia ou niio-percentuais. 0 catalogo do fabricante indica que esses reles sao ajustaveis para as tensoes de 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50 e 70 V, todos exigindo corrente minima de opera~o de 16,5 rnA. Pede-se a) Desenhar urn esquema unifilar do circuito de corrente altemada correspondente. b) Escolher, dentre os reles disponiveis, aquele indicado para o caso, sabendo-se ainda que: resistencia do cabo mais Iongo entre o rele e os TC vale R, = 0,643 Q; resistencia intema dos TC: R, = 1,35 0; a rela~iio dos TC e: RTC = 600:1.
a) Esqu·ema unifilar do circuito CA
••
Zn
-
-f1r
Rc
Ij
X
X
FIGURA 10.18
ondeR,, resistencia secundaria do TC = 1,35 0, R,, resistencia dos condutores de liga~iio = 0,643 0, X, reatancia de magnetiza~iio dos TC, R, bobina do rele diferencial (87 ASA) de alta impedancia, indicado.
.
132
lntrodut;iio
aprotepjo dos sistemas eletrlcos
b) Oilculo do ajuste do rele Uma norma fundamental da prote¢o diferencial e que o rele deve ficar inoperante, mesmo para o maior valor passive! da corrente de curto-circuito, para uma falta extema a zona protegida. 0 rele em questiio e ajustado para urn valor de restric;iio VR, tal que niio opere para o valor de defeito extemo maximo calculado. Assim, mesmo para urn C-C trifasico que tivesse o valor de 10 460 A, como calculado no ponto Fi, na ausencia do valor real maximo de defeito extemo, a ten sao (eA - eB) aplicada aos terminals do rele deveria ser zero, para urn a falta que fosse extema Fe, idealmente. Por outro !ado, na pior hip6tese, se o TC cujo cabo de ligac;iio tern a maior resistencia satura (x 2 = 0), teremos entre A e B o maior valor passive! de tensiio, para uma falta extema. De fato, o circuito equivalente e:
-----------------------------------------------------------------133
Protet;iio das mizquinos rotativas
naquele caso, corretamente. Isso garante a segunda norma da prote¢o diferencial: o rele deve operar para a falta interna. c) Oilculo da corrente primaria (I,) de operac;iio Segundo o catalogo do rele, essa corrente primaria minima de operac;iio e dada pela expressiio abaixo (e da ordem de 2% da relac;iio de transformac;iio dos TC):
onde IR, corrente de opera~iio do rele (dado do fabricante), I;x' somat6rio das correntes de excita~iio dos TC, por fase, na tensiio de ajuste VR. Portanto, devemos inicialmente i) Levantar as curvas (V x I,j dos TC (Tab. 10.2); ii) Calcular as correntes primarias correspondentes, usando o seguinte circuito equivalente para falta intema:
-,pi ••
•I
Rc B
•• ••
" -l!; , I ,,. -,. . t '··j ' t t···
,.
~.
Fe
!'x
lr,.,
FIGURA 10.19
;;;
1'
Verifica-se que se urn TC satura, e lembrando que a corrente de magnex, e pequena (desprezivel), a COrrente de falta I./RTC circulara na malha indicada, donde a tensiio nq rele (VR1 conforme indicado no cata!ogo do fabricante, tiza~iio circulando em
•I
I
'
zn
lptt
A
r L
FIGURA 10.20
VR
I,
= VA- V8 = RTC (R, + R,) =
10460 600 (1,35
+ 0,643) = 34,74 V.
Do circuito deduziremos para a falta intema Fi: Jst
Admitimos que R 87 l> (R, + R,), donde I, 2 = I, 1 ; assim I, 2 ira circular pelo TC2 saturado, gerando a tensiio V,. a menos de urn pequeno erro conservative. Este valor seria urn pouco menor, realmente, se consider:issemos a pequena corrente I R que circula na bobina de alta impedi\ncia do rele. Para garantir que o rele niio opere, mesmo para falta externa Fe, e usual adotar-se ainda urn fator de seguran~a da ordem de uns 50%. Ou seja, dentre os ajustes possiveis, fornecidos pelo fabricante do rele, adotaremos VR = 50V.
V,. para C-C intemo (Fi) e da ordem de algumas vezes maior que o da falta extema (Fe); logo, mesmo adotando VR =50 V, o rele operara,
Nota. 0 valor de
=I~ +It'
ls2=I;+I2,
e Logo, Mas, como (I 1 de catalogo1 vern
I.=I. 1 +I. 2 , I,= I, 1 + I, 2
I,.+ I, 2 I, 1
+ I 2)
+ I, 2
=(I~+ I~)+
I 1 + I 2 ).
= (1'1 +I~)+ (I 1
+ I 2).
= I R (minima corrente de operac;iio do rele: dado
134
IntrodufiO
aprotefiO dos sistemas eletricos
Locando-se as curvas (V x I,x), ou interpolando na Tab. 10.2, e entrando com o valor V = 50 V (ajuste do rele, fixado anteriormente), tiram-se
1'1 = 12 rnA
i
e
como a porcent3.gem de enrolamento que fica protegida, vern q = 100-198,
1'2 = 8,8 rnA.
q = -98%,
E como foi dada a minima corrente de opera<;iio do rele I R = 16,5 rnA, vern em (10.1)
I,= 600[(12
135
ProtefiiO das nuiquinas rotativas
+ 8,8) + 16,5]
X
10- 3 ,
ou I,,m<• = 22,38A
indicando que nada no enrolamento e protegido, para falta fase-terra, pelo rele e necessaria colocar rele de neutro para proteger o enrolamento do gerador contra aquele tipo de falta (veja o Problema 3). Outra forma de raciocinio para soluciio do problema e a seguinte: a queda de tensiio no resistor do neutro, devido a corrente primilria minima de atuaciio (ou de picape) do rele e diferencial. Logo,
que e a minima corrente primilria capaz de fazer o rele operar para uma falta intema (Fi). No caso, como RTC = 600, resultou ser 22,38/600 ~ 3,7~~ ao inves dos 2% esperados. Logo, para os curto-circuitos fase-fase e trifasico calculados no Problema 1 (suposta a falta nos terminais do gerador), o rele opera corretamente.
U=
z. · IR · RTC =
(1594 x 9,9) V,
13800
v.
d) Porcentagem do enrolamento protegido no defeito fase-terra Ja vimos que xE
x
z.
z. J3
U
IF=-=-·-A e tambem on de
, __
-;,
IF= I.·RTC, Im = (corrente de picape minima)= 16,5 rnA.
Logo
FIGURA 10.21
e que corresponde a
U
X
fi
p 13 800 -x--· 100
- · - = I ·RTC
z.
ou seja
x
R
Logo
z.J3 I.·-U- x RTC.
=
i
6U =J,n,RTCX Zn
p 100
X
J3 13800 J3 =
IR = 16,5
X
RTC = 16,5
1 594
X
9,9,
on de Seja p% a porcentagem do enrolamento niio-protegido; ou seja, no trecho x a partir do neutro esta aplicado p% ou p/100 da tensiio E. Isso equivale dizer que p/100 = x, se p e dado em porcentagem. Logo Levando
a eq ua<;iio
Assim sen do, p = 198,00 > 100%, indicando que, realmente, o rele niio protege para falta fase-terra.
PROBLEMA 3. A proteciio contra faltas fase-terra do gerador do .Problema 1 foi feita com urn rele ASEA, (n. 0 59 ASA), conectado atraves de urn filtro de terceiro harmonico FT H, conforme a Fig. 10.22. Se o rele 59R foi ajustado para operar com 5L!L V, segundo instruciies do catalogo (e que determina o ajuste em cerca de 5% Un do rele), pede-se calcular:
zJ3
-
600 = 9,9A.
P% = x·IOO.
de x, vern
p%=I·T·100·RTC, 0
X
p%- 16,5
. X
10
-3
X
600
X
1594j3 , X 13 8 10
P% = 198%,
considerando
q
=
(100-p %),
X
100,
a) Qual deveria ser a tensiio VF, na entrada do filtro, quando o gerador funciona normalmente (ou seja, quando se tern 180Hz no circuito do filtro e relt), para que o rele operasse intempestivamente? b) Idem, quando existe uma falta il terra no estator (ou seja, no circuito do filtro e rele h:i. 60Hz). Comparar o resultado com o do item anterior.
----------------------------------------
136
Prote~iio
Introdw;iio Q proteriio dos sistemas e!etricos
137
das mdquinas rotativas
Por outro !ado,
SOLU<;AO
XL2
e
z2 = 52,62
f----8---
___.,.-
~
I I I I
VF
(Zz)
'
iI :
~!:-I
I
'
I I I
I
FIGURA 10.22
i
l
z2 r-----------,
IJ
Logo, Zs9R
e
z,
=
X
= 0,000130
6
X
10
= 130,
Z 1 'Z 59 x
=
+ z 59 R 1
152/-89,05
J30f::2l! 86
.
= zVR = eq
e 886,38~
+ j'J52,2 = 2,52- j152,18 n.
A corrente na entrada do filtro I
X
e
5/Sl 152,2/-89,05
R
(388,9/-90)(306,37/73,7)
+ Z 59x
= 0,033/89,05 A.
VR ==
z.,
A queda no filtro V
= R + jXL1 = 86 + j882,2 = 886,38/84,43° n -iX, = -i130 n.
zeq = z
Z1
i
0,78 = 882,2Q.
Entiio, a impedancia-paralelo equivalente
'Z
59 1 ----'-----'-=-='------":=::=:7:--:-=--::-::==
128,03/-47,80 + j486,25 n.
En tao,
Transformando os valores de L e C, vern
180
Z
z.,
= 930,62/31,5 = 793,48
FIGURA 10.23
X
v.
E a impedancia equivalente seni
J,
Zeq
XLl = 2n
= 36,3/176,19
= 2n(60)6,82 = 388•9 Q, XL1 = 2nfL, = 2n(60)(0,78) = 294,05 n, X£ 2 = 2nfL 2 = 2(60)(1,11) = 418,46Cl, Z 59 x = R + jXL 1 = 86 + j294,05 = 306,37 /73,7•, z, = -j388,9 = 388,9/-90 n z2 = 52,62 + j418,46 = 421,76/82.83 n.
I
a) Tensiio V, na entrada do filtro (sem falta)
X
+ j2,41
10 6
1 = 2nfC
X,
'I(Zsgl
L ___ .J 59R
FTH
= 2n
= 1256,5/87,6 n.
VR:
I
I
I
10 6 180 X 6,82
= 1255,38 Q
b) Tensiio V, para f = 60Hz (caso de falta no estator) Calculando para 60 Hz, vern sucessivamente
es..n..
:o,reH
I I
I
1...------------.....l
1 X,= 2nfC
1,11
= Vx + i·z 2 = 5/Sl + (0,033/89,05)(1256,5/87,6)
V,
I
I
I
(Z{)
I I I I
'
I
6 82}\(' :
I
X
r---,
I I I
t,nH
152,62-C\.
'
180
+ j1255,38
= -36,21 r------------1
X
Assim, a tensiio na entrada do filtro sera
A'
r-----1>-----------'Y""YYYT"(Y'-~~
= 2nfL 2 = 2n
5/S). 930,62/31,5
= 0,0054/-31,5 A.
e
= i · z 2 = (0,0054/-31,5)(421,76/82,83) = 2,266/51,33,
e a tensiio na entrada do filtro sen\ VF = i · z 2 + VR = 2,266/51,33 + 5/S)., VF = 6,419 + j1,769 = 6,66/15,41 v.
Compara9iio dos resultados Os calculos anteriores permitem as seguintes conclusoes. 1. 0 FT H ofereoe alta impedancia para as tensoes de 3.• harmonica (Vp/Vx = 36,3/5 "' 7), e baixa impedancia para as tensoes de faltas terra do estator (f = 60Hz):
a
138
I
JntrodUfiiO Q protefiiO dOS SiStemas el~JrlCOS
2. 0 FTH barra completamente a frequencia de 3.' harmonico 1 a qual surge na opera9iio normal da miquina, mas permite a atua9iio do rele 59R para falta a terra sem harmonicos (f = 60Hz). 3. Na pnitica, a amplitude de corrente (ou tensiio) de 3.' harmoilico e muitopequena, comparada com a da frequencia fundamental; assim sendo, como a corrente de curto-circuito fase-terra e da ordem de 5 A, a corrente devida ao 3.' harmonico e muito pequena em relayiio a COrrente de falta. Em consequencia, ap6s as devidas considera9oes de relayiio de transforma9iio e da alta impedancia do FTH, a tensiio VF resultante da corrente que circula no neutro, e insuficiente para sensibilizru; o rele (VR), quando da circulayiio do 3.' harmonico, somente sensibilizando o rele quando realmente houver a falta a terra. (Neste caso, o FT H oferece baixa impedancia). 0 rele e ajustado para Jj, pouco a baixo de VF calculado; com isso garante-se a opera9iio e, ao l!'esmo tempo, impede-se o desligamento intempestivo que poderia ocorrer com VR da ordem de grandeza de Vp.
139 PROBLEMA 5. Urn gerador possui as seguintes caracteristicas:
potencia nominal P = 160 MVA; tensiio nominal U = 15 kV; reatancia transit6ria de eixo direto X~ = 0,29 pu; reatancia sincrona de eixo direto X, = 0,82 pu. II
Deseja-se protege-lo contra perda de excitayiio por meio de urn rele da General Electric, tipo CEH, de caracteristica mho deslocada. 0 catalogo do fabricante fomece as seguintes informay(jes (veja a Fig. 10.25): 1) tape de deslocamento (off-set) - pode ser variado, sem varia9iio do diametro da caracteristica, atraves de tapes de 0,5-4 n, em degraus de 0,5 !l; 2) tape de restri9iio - pode-se variar o diametro da caracteristica, sem variayiio do off-set, atraves de tapes de 1-100 %. com base na tensiio fase-neutro,' em degraus de 1 %; 3) o tape para diametro (d) desejado da caracteristica, em ohms fase-neutro secundario, e dado por
PROBLEMA 4. Explicar a sequencia de opera9iio no circuito de corrente-continua, conforme esquema dado no catalogo do rele ASEA, tipo RYDHA, quando existe uma falta no enrolamento do estator do gerador do Problema 1. SOLU<;AO. Explica9iio da sequencia de opera9iio no circuito DC do rele 87 ASA +
scl rcl A
OD
. 500 tape(%)=
a'
I
Sabe-se ainda que os TC possuem relayiio RTC = 600/5 e os TP tern rela9iio RTP = 15 OOO/j3/120/j3 ou RTP = 125:1. Pede-se calcular:
B
TO
i) o off-set e desenha-lo na Fig. 10.27; ii) o diametro d da caracteristica e desenha-lo na Fig. 10.27; iii) o valor do tape(%) para o diiimetro d desejado .
tO
...
. ..• .;
87C
N
"1 ·;;
·a
13iandeirola 4A
3D
• 0
~
0
0
·~
0
0
·a•
~
4C
SOLU(:AO. Ajuste do. rele mho (perda d~ excitayiio, 40 ASA)
<
4E
4F
FIGURA 10.24
Se ha uma falta em qualquer das fases do enrolamento do estator, o rele 87 (A, B ou C) atua fechando seu contato (A, B ou C), acarretando a energizayiio do rele auxiliar 87 C-X que, alem de derrubar a bandeirola, fecha os contatos indicando: 3A-3D, 4C-4B, 4D-4E, 4F-4G,
abertura do disjuntor 52; abertura do disjuntor de campo 41; atua9iio na parada da maquina; dispara o alarme da esta9iio, alertando o operador para o defeito.
FIGURA 10.25
Cfllculo do deslocamento (off-set) do rele mho
a) Calculo do deslocamento (off-set) do rele mho (Fig. 10.26) 0 A = reatancia transit6ria (X~) OK<>< (X' /2)
d
= dift'metro do circulo mho.
·-t><
'
' '
140
lntrodu~iio Q protefOO
.I
dos sistemas etetrlcos
141
Protefiio das mdquinas rotativas
X
c) Calculo do valor do tape(%) para o diametro d Segundo o cata!ogo, vern
----fo~--------~~•
500 = 500 = 55,1 9'1 tape ( '1) ;,. 1, = d 9,07
I
Logo,
tape= 55%.
Observariio. Basta, agora, transpor esses Yalores para a Fig. 10.27, como pedido, e ajustar no rele os valores offset= 2Q, tape =55%.
FIGURA 10.26
j_x
Como I =-P-= 160000 =6170A " flu j3 x 15 ' logo
e
Off- Set: 2 ..n...
---'-'----- R
T
RTC = 6 000/5 = 1200:1, RTP = 15 000/}3/120/}3 = 125:1.
I
0 valor da impedancia-base na propria base do gerador e
zb =
kV 2 15 2 MVA = 160 = 1,406n.
FIGURA 10.27
b
E que e vista pelo rele como , RTC 1200 Zb = Zb · RTP = 1,406 x = 13,500 n.
125
il I
PROBLEMA 6. Ajustar a prote9iio antimotoriza9iio de um gerador de 192 MVA - 18 kV acionado por turbina a vapor, usando reles GGP53B (General Electric). 0 fabricante da turbina informou que a potencia de motoriza9ii0 necessaria, sob rota9iio nominal, e de 4 000 kW.
As reatancias transit6ria e sincrona do gerador sao vistas pelo rele, assim. 13,5(0,29) = 3,915 n, xd '" = z~ · xd P" = 13,5(0,82) = umo n.
SOLU(:AO. Do catalogo do rele direcional de porencia, trifasico, verifica-se que o mesmo:
0 catalogo indica como calcular o deslocamento da caracteristica
i) tern corrente de picape minimo de 0,025 A, sob tensiio nominal (ajustavel ate 0,3 A); ii) a temporiza9iio (impedindo desligamento intempestivo, devido a re-
x~
'" =
z~ · x~
Off-set =
,, =
~ X~"' = 3 ·~15
= 1,9575 n.
Como os tapes variam de 0,5 ate 4, em multiplos de 0,5, escolhe-se Off-set = 2n. b) Calculo do diametro da caracteristica
vers5es de potf:ncia por ocasiao de sincroniza~5es e outras
oscila~5es
do sistema),
e feita entre 1,5-30 s, atraves de um ajustador, tal que, aproximadamente, no DT = 10 equivale at= 30s (ou 20s no DT = 7; e lOs no DT = 4). iii) o ajuste da handeirola pode ser feito no tape 0,2 ou 2 A, respectivamente, dependendo se a cOtTente na bobina de acionamento do disjuntor e menor ou maior que 2 A.
Ainda o catalogo indica o calculo do diametro
!I
=
(Xd "'-off-set)
=
u,o1o-2 = 9,o7on.
0 ajuste, pois, consiste basicamente em fixar o DT (em geral DT = 10) e verificar se a potf:ncia reversa corresponde a urn valor superior ao picape mi-
nimo do rele.
142
Prote~iio
lntrodufiio tl proterlio dor drte17UU elltricor
das mtiquinas rotativas
143
A corrente nominal do gerador e I
•G
=
192000 = 6150A. 18
p
.j3 U = .j3 X
Escolhamos TC de 8 000/5 A, e suponhamos disponiveis TP de 18 600/120 V. Ora, a corrente primaria disponivel pela potencia reversa capaz de motodzar 0 gerador e IMp=
p
r:;
y 3U
4000
= r:;
y 3
X
18
I'
t ;,-
= 128 A.
;2
Ou, no secundario do TC (rele), IMp
IM,
(
128
= RTC = 800015 = 0,08 A~ 0,025 A.
Como vemos, se,M motoriza9iio, resulta urn valor bern maior que a corrente de picape minimo, garantindo a atua9[o do rele, como desejado, mesmo fazendo-se a corre9iio resultante do fato de a tensiio do gerador (18 kV) ser urn pouco menor que a dos TP associados. De fato teriamos 18000 x 120 = 116 V, 18 600
FIGURA 10.28
o que conduziria ao nosso valor de picape do rele,
!;~
x 0,025 = 0,026 A
Logo, pode ser deixado o ajuste em DT = 10 e RTC = 8 000/5 como pretendido. EXERCICIOS 1. Urn gerador conectado em triiingulo, conforme a Fig. 10.28, e protegido por meio de reles diferenciais·percentuais. Pede-~e .completar as ligac;Oes indicadas, de modo a tornar estavel a prote9[o diferencial, respeitadas as marcas de polaridade indicadas. 2. 0 gerador da Fig. 10.29 esta protegido por meio de reles diferenciais percentuais com sensibilidade de 0,1 A e declividade 10%. 0 resistor de aterramento limita a COrrente de falta a terra em 400 A. Sea maquina esta conduzindo 800 A de carga, em que porcentagem do enrolamento do gerador o rele detetara faltas a terra, supondo que OS TC de 1 000-5 A permane9am precisos? · 3. Urn gerador trifasico de 62 500 kV A, X~ = 13,8 %, x. = 114%, 14 kV, e protegido por meio de rele de perda de excita9[o tipo mho da GE. Pede-se escolher os TP e TC e ajustar o rele, conhecendo-se as seguintes informac;Oes extraidas do catalogo respectivo:
a) tape de deslocamento ou off-set, ajustavel entre 0,5-4 !l, em multiplos de 0,5 Q;
-BOOA
R
R
FIGURA 10.29
b) tape de restri9iio, ajustitvel entre 0-100%, em multiplos de 1%; c) a rela9iio entre o tape de restri9iio e o diametro d da caracteristica e: tape(%) = 500/d. Representar, no diagrama R-X, a solu9iio encontrada.
145
Proterio de transformadores
CAPiTULO 11 ·
PROTE(:AO DE TRANSFORMADORES ·
transformadores de aterramento; transformadores para retificadores; transformadores para fornos a arco, etc.; estaremos particularmente preocupados apenas com os dois primeiros tipos, neste primeiro estudo de carater mais geral. Analisaremos, pois, aspectos das prot09oes por meio de reles: diferencial, sobrecorrente, a gas e massa-cuba (ou de carcaya ou derivayiio).
11.2 1 1 .1
I
:
lntroduc;:ao
Ao contrario dos multiplos tipos de defeito suscetiveis de aparecer nas maquinas rotativas, os transformadores podem ser sujeitos apenas a curto-circuitos nos enrolamentos, sobreaquecimento e circuito aberto. Realmente, a construyiio dos transformadores atingiu nivel tecnico tao elevado que os mesmos podem ser colocados entre os elementos das instalayoes eletricas que apresentam maior seguranya de serviyo. Na pratica, nao M proteyiio especifica contra circuito aberto; alem de raros, nao sao danosos por si mesmos. Quanto a proteyiio termica, mesmo em subestayaes sem operador, normalmente s6 controla alarmes ou bancos de ventiladores. Assim, o que deve preocupar, basicamente, e a proteyiio contra curto-circuito interno e a proteyiio de retaguarda contra faltas externas. Os curto-circuitos resultam de defeitos de isolamento que, por sua vez, siio constituidos por sobretensoes, de origem atmosferica ou manobras, e por sobreaquecimento inadmissivel dos enrolamentos. As sobrecargas repetitivas, permanentes ou temporarias, conduzem a urn envelhecimento prematuro dos isolantes dos enrolamentos e, finalmente, a curto-circuitos entre espiras, entre fases, etc. Basicamente, grandes transformadores usam a proteyiio diferencial (percentual ou por acoplador linear) e prote91io Buchholz (gas). Pequenas unidades e transformadores de media potencia com alimentayiio unilatera~ podem contentar-se com a proteyiio atraves de reles de sobrecorrente temporizados ejou por fusiveis. Reles termicos e imagens termicas constituem a proteyao para sobrecarga. A proteyiio de retaguarda e feita, geralmente, por meio de reles de sobrecorrente e/ou por fusiveis. Neste estudo estaremos preocupados com transformadores tipo po!Cncia (acima de 500 kVA); abaixo disso, sao analisados nas protey5es dos sistemas de distribuiyiio e industriais, objeto de outros estudos. Ainda que seja normal analise da proteyiio de: transformadores de potencia; autotransformadores; transformadores reguladores;
Protec;:ao contra curto-circuito interno nos enrolamentos
E feita preferencialmente por meio de reles diferenciais percentuais e de reles Buchholz ou a gas. 0 rele diferencial e recomenda vel para todo banco trifasieo acima de 1 000 kVA e economico acima de 5 000 kVA. Sempre que a proteyiio de sobrecorrente, para transformadores abaixo de 1 000 kVA, nao de a necessaria sensibilidade, reles diferenciais devem substitui-los. Para autotransformadores, adota-se o criteria do tamanho fisico equivalente, com base na expressiio a seguir, para definir o tipo de proteyiio indicado. kVA•""" x
(1- ~~}
onde v.,. e VAT sao os valores nominais das tensoes dos !ados de baixa e alta-tens§.o, respectivamente. 11.2.1
PROTE<;:AO DIFERENCIAL PERCENTUAL- (ASA 87) ' E capaz plio s6 de eliminar todos- OS tipos de curto-circuito internos, inclusive.. entr.e espiras,.como tambem os defeitos devidos.a .. areos. nas buchas. Nessa montagem diferencial comparam-se as correntes na entrada e na saida do elemento protegido, sendo que o rele, dito diferencial, opera quando atravessado por uma corrente cuja diferenya entre entrada e saida ultrapassa ceFto- valor ajustado e denominado corrente diferencial. No caso de transformadores, aparecem outras correntes diferenciais, que nao de defeito, devidas principalmente: a) a corrente de magnetizayiio inicial; b) aos erros pr6prios dos transformadores de medida colocados em cada !ado do transformador; c) ao nao-perfeito ajuste das relayoes de transformayiio dos transformadores de medida; d) a possivel ligayiio do transformador de porencia em tapes diferentes, etc.
Em conseqiiencia, s6 devem ser usados reles compensados ou diferenciais percentuais que possam compensar tais diferenyas. A Fig. 11.1 mostra o esquema de conexao das bobinas de operayiio e restriyiio, eom a resposta a defeito interno
146
lntrodutiio lz protefiio dos sistemas eMtricos
Prote9fio de transformodores
147
1,6
'•
I 0,8
L-~-~-~~---,--
(o)
I
FIGURA 11.1
2 3 ~IH (b)
4=In
I1+I2
~=IH
IIP
Protecao diferencial do transformador
(operac;lio) e extemo (niio-operac;lio), bern como as caracteristicas de disparo do rele para diversas possibilidades de ajuste da declividade entre 10 e 50%, para urn rele Brown-Boveri, tipo TG. A conexiio dos TC obedece a uma regra empirica segundo a qual os TC colocadoscno.lado estrela do transformador de poti!ncia devem ser conectados em-triiingulo,.e os. TC do !ado triiingulo do transformador devem ser ligados em-esu:ela.-
Em gera~ sempre que ha uma diferen9a de corrente maior que 10-15% entre as saidas dos TC de ambos os !ados do transformador, e prudente usar transformadores de corrente auxiliares, para melhor compensa9iio. Neste caso, a regra acima e transferida para o TC auxiliar; ou seja, os dois TC principais sao ligados em estrela e todos os pontos neutros interligados e aterrados em urn unico e mesmo ponto. Unia observa9iio importante e que o rele.deve.sempreset::.<&l<;>cado~!l.tre du~_CI:)!l!ll'Qe~.:Jri!!lg_ll_lcJ___(§l'i!Uios
(0)
(b)
FIGURA 11.2 Conexao de pr~tecao diferencial em transformador. [(a) (b) segundo passo]
Primeiro passe;
secundarias circulem entre os TC como requerido para falta externa (isto sem passar pel a bo bin a de opera9ao do rele).
e.
Urn quarto passo seria verificar que o rele, assun alimentado pelos TC, opera para faltas internas, corretamcnte.
IT- ou..dCLtran~Qr.mad.Qr
AuKiliares em ll
de for9a), para.niio.operar errado com falta_extema ~!terra (recordar que a conel!.iiQ _ :trii!!JgJJllLpr_ende_a_coiiij>:®~nte_oe.s~qii~a.zerc;, ). -- ----- ~---- ---~A interconexiio dos TC com o rele e feita em tres passos, respeitados dois requisitos basicos e na seguinte prioridade:
Principal
.k)
a) o rele diferencial niio deve operar para carga ou para falta extema; b) e, o rele diferencial deve operar para falta interna suficientemente severa. A Fig. 11.2(a) e (b) e a Fig. 11.3 mostram os passos descritos a seguir. Primeiro passo: admitir, arbitrariamente, o sentido do fluxo das correntes nos enrolamentos do transformador, em que dire9iio se desejar, observando porem, 0 requisito imposto pelas mareas de_polaridade, segundo 0 qual correntes fluem em dire9oes opostas nos enrolamentos do mesmo_ nuclel>~=-~- -~ Segundo passo: admitir que as correntes que fluem nos termiilais secundarios do transformador e no seu primario, na dire9iio da falta extema (e para a qual o rele niio deve funcionar), niio fluem para a terra pelo neutro do enrolamento em estrela (ou seja, as correntes trifasicas somam zero, vetorialmente). Terceiro passo: ligar o jogo de TC em triangulo (ou estrela), segundo a regra empirica citada, e depois ligar o outro jogo de TC tal que suas correntes
FIGURA 11.3 passo)
Roteiro para conexao de prote98o diferencial de transformador. (Terceiro
Se o transformador tern tres enrolamentos, o principio geral e o mesmo: combina-se urn dos enrolamentos com cada urn dos outros. Na pratica hit diversas possibilidades de conexiio, cada uma apresentando vantagens e desvantagens.
lntrodurio aprolefiio dos siltemos eletricos
148
Proteriio de transformadores
149
A Fig. 11.4(a) mostra uma dessas possibilidades (rele Brown-Boveri, tipo TG, com apenas duas bobinas de restri98-o), enquanto a Fig. 11.4(b) mostra outra possibilidade melhor (rele Westinghouse, tipo CA-4, com tres bobinas de restri9ao).
.
A
. ...
D1ferenc1al
Ia) DESSENSIBILIZA~Ao
tal !bl FIGURA 11.4
FIGURA 11.5
(b) RESTRiyA.o ·DE HARM0~.JICOS
M6todo de compensac;::ao contra corrente de magnetizac;::ilo inicial do trans-
formador
Proteyilo diferencial de transformadores de trl!ls enrolamentos
E hoje exigido que o rele diferencial percentual usado na prote98-o de transformadores tenha em conta o efeito da corrente de magnetiza98-o inicial do transformador .. De fato, e sabido que no momenta da energiza9ao do transformador, dependendo das condi9i)es de magnetismo remanente ou da _posi.a,o do ciclo de tensao, urna corrente de magnetiza.a,o inicial de ·grande valor (ate 10-15 I.J e capaz de operar reles diferenciais comuns. · Alguns metodos sao encontrados, na prittica, para evitar urn tal desligamento intempestivo. Os principais sao: a) Temporiza98-o do rele, durante a magnetiza9ao inicial. Urn retardo de
0,2 s seria suficiente. 0 metodo, no entanto, nao e bom,ja que. entre outr.as raz5es,
exige-se normalmente na prittica a utiliza¢o de reles de alta velocidade (no minima se o transformador: tern tensiio acima de 15 kV, qualquer potencia; ou tern porencia acima de 2 000 kV A, qualquer tensao;-ou-em qualquer outro caso, por motivos de estabilidade); a temporiza9io anularia a vantagem·
d) Restri.a,o de harmonicas - em que o rele e capaz de distinguir entre urna corrente de curto-circuito e de magnetiza9ao, pelo fato de que naq uela nao hit harmonicas preponderantes. 0 esquema basico consiste em realizar-se urn rele tipo balan9Q, em que urn dos bra9os (bobina de opera9ao) recebe s6 a com~onente fundamental da corrente~ enquanto o outro bra90 (bobina de restri.a,o) recebe as componentes fundamental e harmonicas, devidamente .retificados. Assim, em caso de curto-circuito o rele opera (ausencia de harmonicas na bobina de restri98-o), e em caso de magnetiza9ao inicial fica bloqueado (os harmonicas refor9am o conjugado de restri98-o). Este e atualmente o melhor --- -- --·-e 0 mais utilizado metoda. A Fig. 11.5 (a) e (b) representa esquemas, respectivamente, dos metodos de dessensibiliza98-o e de restri98-o de harmonicas.
11.2.2 PROTE<;:AO DE SOBRECORRENTE (ASA 51) Para a prote9Ao contra curto-circuito de transformadores de mediae pequena e menor, ou como prote~ao de retaguarda para falta extema, reles de sobrecorrente primitrios ou secunditrios sao empregados, em vez dos diferenciais. Uma prote98-o mais simples, usada para transformadores empregados para alimenta9ao de redes de baixa-tensao, e constituida por fusiveis de grande capaCcidade de rutura, tipo elo, instalados nas tres fases. ·/ Tres TC, urn em cada fase, e pelo menos dais reles de fase e urn de terra, siio exigidos de cada !ado do banco que e ligado atraves de urn disjuntor a fonte de corrente de curto-circuito. Por seguran9a, e particularmente nos transformadores estrela-triangulo, e preferivel sempre usar tres reles de fase e urn de neutro. /' potencia, em que a importancia econOmica
I 2 " '· _!0 .,,/
150
Introdu~Qo Q prote~iio
dos sistemas elitricos
Cada rele de sobrecorrente deve ter: a) urn elemento de tempo inverso cuja corrente de picape e ajustada urn pouco acima da maxima corrente de carga (seja 1,50 IJ e suficientemente ~empo rizado para ser seletivo com o releamento dos elementos do ststema ad]acente durante faltas externas. b) urn elemento instantiineo cuja corrente de picape e ftxada ligeiramente acima, seja da maxima corrente de curto-circuito para falta externa ou da corrente de magnetizac;lio, a que for maior. Se ha mais que uma possivel fonte de alimentac;iio da corrente de defeito, e necessilrio que pelo menos alguns dos reles de sobrecorrente sejam direcionais, tanto para obtenc;iio de boa protec;lio, quanto por mottvos de seletiVldade para as faltas externas. 11.2.3
PROTE<;:AO POR MEIO DE RELE DE PRESSAO E/OU DE GAS (ASA 63)
Prote~lio
de transformadores
151
colocada na climara coletora de gas, enquanto o outro contem uma lamina que e operada pe!a rapida circula9a0 do oleo no tubo. 0 primeiro elemento dete!fl as faltas incipientes, por acumula9lio de gas (aciona o alarme), enquanto o segundo deteta curto-circuito (aciona 0 disjuntor) que provoca rapida expanslio do oleo entre o tanque e o conservador. 11.2.4
PROTE<;:AO POR DERIVA<;:AO OU MASSA-CUBA
a
Em sistema com neutro aterrado, proteyliO do transformador pode ser feita isolando-se seu tanque da terra, exceto por uma liga91io atraves de urn TC, em cujo secundario coloca-se um rele de sobrecorrente. Tal prote9lio, contudo, nao responde as faltas entre espiras (de pequena probabilidade) ou nos terminals do transformador, mas e muito barata (Fig. 11.7). A proteyliO atua sobre OS disjuntores.
0 rele de presslio e destinado a responder rapidamente a urn aumento anormal na presslio do oleo do transformador, devido ao arco, resultante de uma falta interna; tal rele e insensivel as lentas variayoes causadas, por exemplo, pela varia9lio de carga [Fig. 11.6(a)]. Constitui assim valiosa suplementaylio aos reles diferenciais ou de sobrecorrente, para faltas dentro do tanque. Caso o transformador tenha o tanque conservador de oleo, alent de aproveitar-se a transmisslio da onda de presslio no oleo, usa-se tambem o rele detetor de gas. De fato, em caso de faltas incipientes, ha forma9lio de gas que, apos certo tempo, fecha urn contato acionando o alarme, antes que a deteriora9lio do isolamenlo provoque dano maior. A analise periodica de gas revela, em quahdade, se e caso de defeito eletrico (gas combustive!), e em quantidade a extenslio da falta, recomendando ou nlio a remo9lio de servi9o do transformador [Fig. 11.6(b)].
PR Centelhoclor
FIGURA 11.7
Protec;::ao por derivat;:i'io ou massa-.cuba de transformador
conserve dor
11.3 Sucho
2%
Tonque do
Tronsformodor
Disporo( presscio)
lal PREss.Ao {b) BUCHHOLZ
FIGURA 11.6
Prote9i'io par- meio de rele de gas
0 chamado rele Buchholz e uma combinac;iio feliz do rele de pressao com o rele detetor de gas. Ele e composto de dois elementos, montados no tubo que liga o tanque do transformador ao conservador; urn dos elementos e uma boia
Protec;ao contra sobrecarga (ASA 26)
Destina-se a proteger o isolante de seus enrolamentos contra os estragos provocados por aquecimento inadmissivel. Geralmente os transformadores dispoem de urn indicador da temperatura, tipo termometro, no topo do oleo, 0 qual por meio de tubo capila:r podera acionar um contato de alarme (80 •q outro contato. para liga:r os ventiladores (60 •q e ainda umoutro para ligar as bombasde circula9lio do oleo(65 •q, por exemplo, Se 0 transformador e do tipo que permite ate 55 "C de e!evayaO de temperatura do enrolamento. Quando desejado, o transformador pode ser eq uipado seja com urn detetor de temperatura do enrolamento, tipo resistencia (o resistor e uma bobina nlio-indutiva, de cobre, com 10 n sob 25 •c, por exemplo) alimentado por urn TC; ou seja, trata-se de uma ·imagem termica colocada dcntro do oleo e refletindo a temperatura do ponto mais quente. Esse indicador ou imagem possui tres con-
152
ProtefiiO de. transformadores
/ntrodUfiiO d pTotefiiO doS sistemas e/etriCOS
tatos normalmente ajustados para operar com, respectivamente, 80-85 e 105 •c em transformadores com eleva~o de temperatura no enrolamento de 55 •c, sendo OS dais primeiros para atuar 0 equipamento de ventila~O e 0 ultimo para alarme ou disparo do disjuntor. Podem ser ainda usados reles termicos, diretos ou secundarios, que tern urn dispositive de disparo instantaneo ou fracamente temporizado regulavel que, em associa~iio com urn elemento temporizado, podem servir como prote~iio de curto-circutio em certos casos (prote~o combinada). Por exemplo, em reles Brown-Boveri, tem-se as seguintes constantes de tempo: reles diretos, tipo HT, 15,30 e 45 min; reles secundarios, tipo ST, 20; 30; 40; 60; 80 e 110 min.
11.4
I
I
I
I
II
:i
I I I
I
I
t.-l--.J '
L--------~-----
I I I
---'
3
J..
!
I
.1.---~-----' FIGURA 11.9
Desligamento remota de disjuntor AT do transformador
Para isso, o rele diferencial do banco atua sobre o disjuntor do !ado de menor tensiio, em caso de defeito, e inicia o desligamento do disjuntor distante pela provoca~iio de urn curto-drcuito franco junto ao transformador, gra~as ao fechamento de uma chave trifasica de aterramento, acionada por mala. Assim, a corrente de curto-circuito torna-se visivel ao disjuntor distante, o qual desliga a linha (Fig. 11.9). A desvantagem desse metoda e o tempo Iongo exigido (ate meio segundo); por isso, as vezes, a a~o da chave de aterramento e substituida por fios piloto (aciio em cerca de tres ciclos). Atualmente tal pn\tica esta caindo em desuso: com o aumento da carga terminal s6 raramente pode-se dispensar o disjuntor de AT, o qual, apesar da elevaciio do custo da instala~ao, elimina os problemas gerados pela chave de aterramento.
j
I
C,.3
I I
~
Protec;:ao de_ retaguarda
0 transformador deve ter prote~o contra sobreaquecimento perigoso causado pela circula~o prolongada de correntes de falta em urn elemento adjacente do sistema. Essa prote~o j;i e satisfeita se houver uma prot~o de retaguarda realizada por outros meios; por exemplo, no sistema unitario gerador-transformador, a prot~o do gerador executa isso. Em unidades de pequena e media porencia, protegidos por meio de reles de sobrecorrente e/ou por fusiveis, niio Messa prot~ao. No entanto, em grandes unidades, normalmente dispondo de reles diferencial e Buchholz, os defeitos externos siio resolvidos, em retaguarda, por meio de reles de sobrecorrente temporizados, nas tres fases e neutro. (Fig. 11.8).
153
11.6
Aplicac;:oes sobre protec;:ao de transformador
PROBLEMA I. E dado urn transformador trifilsico, de dois enrolamentos, com comutador de tapes colocado do !ado de menor tensiio. Sao conhecidos:
potencia, 20 000 kV A; tensiio, 150/42-60 kV; grupo de conexiio, yd5; relaciio dos TC, 80/5 A e 250/5 A; classe de exatidiio dos TC, ABNT B2,5 F20 C100. Pede-se: tra~ar os esquemas trifilar e vetoriais para urn rele tipo DMS, da Brown-Boveri.
7
FIGURA 11.8
11 .5
Prote<;:Bo de retaguarda do transformador. par meio de rele de sobrecorrente
Desligamento remote
Quando uma linha de transmissiio termina em urn imico banco de transformadores, e pratica freqiiente omitir-se 0 disjuntor do !ado de alta-tensiio, por motivos de economia, e fazer urn desligamento transferido sabre o disjuntor no inicio da linha.
SOLU(:AO
.o rele DMS e do tipo diferencial percentual compensado contra a COrrente de magnetiza~ao, capaz de proteger contra curto-circuitos em geral, inclusive entre espiras. Ope$· entre 20-50 ms. A solu~o esti{·lliOStrada na Fig. 11.10, onde foi julgado conveniente o emprego de urn TC -auxiliar de rela~o 4,81/2,66. PROBLEMA 2. E dado urn transformador trifasico de dois enrolamentos conectado em triangulo-estrela aterrado (alta e baixa-tensiio), que deve se;
154
lntrodufOO tl prote~ffo dos sistemas e!etricos
ProtefOo de
transformodores
155
Logo, as R TC escolhidas serao RTCL
= 1000/5 = 200
RTC8 = 200/5 = 40.
b) Escolha dos tapes do rele u
w
v
)_
;_ 15OK
~
4,81
.t
·~·: BT
' ~~~
~v -
601 5
•'
- 1~-r..., I
4,81/2,66
It
IL._. -
I
t
'/
I
FIGURA 11.10
167
As correntes nos relf:s sedio
I I
I,L =
·-· j
j3 · I,L = j3
x 4,65
Entao, flxando-se o tape TL
V'
8,05 A (TC em triiingulo),
=
I,8 =I"'= 4,18 A (TC em estrela).
4,60
~:: . TL = ::~~
= X
8,7 A, resulta para Tn 8,7
=
4,64 A ou
TH = 4,6 A.
c) Oilculo do erro de ajuste (mismatch)
,lr·
'
930
= 200 = 4,65,
I"'= 4Q = 4,18 ·
TH =
t
I,L
'i
A
250~
I,
'= RTC
j 87 ASA
(
! ~I
I~ l
I
As correntes nos secundarios dos TC sao
-
, fw-
Segundo o catalogo do rele, tal erro deve ser ioferior a 15 %, e e calculado pela formula seguinte:
'
Problema n. 0 1-esquema trifilar da proteyao diferencial
protegido por urn rele diferencial percentual tipo HU, da Westinghouse. I )o transformador conhece-se: Lado estrela (L-baixa) P = 20000 kVA VL=12400V R TC = 1 200/5 = 240 (maxima)
Lado triangulo (H-alla)
onde S e o menor dos dois termos do numerador.
P = 20000 kVA VH = 69000 v R TC = 600/5 = 120 (maxima)
Logo,
SOLU(:AO
a) Escolha dos TC As correntes nominais prim8.rias do transformador sao
" fiu
I
=
J3
=
930 A,
-
20000 J3 X 69
=
167 A.
"L
1
"H-
20000 X 12,4
=
8,05/4,18;8,7/4,6
X
100
=
1,~~~~90
X
100
=
~:~3
X
100
=
< 15%.
Comentarios. A bobina de opera9ao e composta de uma unidade diferencial (DU) que imped_e a opera9iio para faltas externas, e a unidade de restri9ao de harmonicas (HRU) que impede a opera9iio por correntes de magnetiza9iio.
Pede-se escolher os ajustes do rele.
p
<%
= 1,6%
Do reh\ conhece-se tapes (Tn = TL): 2,9;3,2;3,5;3,8;4,2;4,6;5,0 e 8,7A, erro de ajuste (mismatch), 15%, sensibilidade, 30%.
I=---·
e%
0 rele e disponivel com sensibilidade de 0,30 ou 0,35 vezes o tape, e admite respectivamente erro de ajuste (mismatch) ate 15 ou 20% (exemplo: ± 10~~ do trocador de tapes e 5% de erro do proprio TC). Em geral, basta usar o rele com sensibilidade 30%, donde os TC poderem ser da classe ASA 10H ou L. 0 fabricante fornece indica96es para veriflcar o desempenho dos TC aplicados. Caso, no cilculo acima, •% fosse maior que 15%, tentar-se-ia Tn = 5,0, por exemplo, e se recalcularia. PROBLEMA 3. E dado urn transformador trif!tsico de 40 MVA, tres enrolamentos com tensoes H = 161kV (estrela), I= 69kV (estrela) e L = 12,4kV
(triiingulo para 10 MV A).
156
JntrodUflio
aprotef/io d08 riatemor e/itricor C
Pede-se ajustar para ele urn rele tipo HU, da Westinghouse, e verificar o desempenho dos TC escolhidos, sabendo-se que a resistencia da fia\)io vale RL = 0,5 n, e que os TC s6 alimentam o rele (Z A = 0).
Lado H().)
Lado I().)
Lado L (1:1)
I. S('lcc.,'fin rln Tr:
SOLUt;AO
kVA
0 catiilogo do fabricante fornece as instrucoes para ajuste, semelhante ao Problema 2, indicando o calculo do erro de ajuste entre cada dois enrolamentos:
e%
=
2.
100(l,R/I,,)-(TH/T,)_
s
0
400/5 (N = 80)
40000 --=334A 69j3 600/5 (N = 120)
143
= 1,78A
80
465 = 2,32 A 200 (sob 10 MVA) 40 I.,= 2,78j3 IRL = 10 X 2,32
= 3,08A
= 4,82A
8,7
Tape desejado
ZT,
TH
=
IR IL
TL-
T = T I
N INT = proporciio das espiras totais usadas, relacao do TC para enrolamento total, numero de espiras do TC usadas, classe de tensiio usada no TC com precisao 10L, em volts, carga total do TC, em ohms, e assim calculada:
ZTA = 1,13 RL
= 2,88 Tape escolhido
I
+ ~ + z., 0 5
9,30
s 3,08 2,9 --
TL = 8,7
IRr _ Tr 100 IRL
TL
s 4,82 4,6 ---
100 9,30 8,7 0,518
IRL- TL
100 IRH
s
TR
9,30 8,7 100 3,08 2,9 3,00
100 0,640- 0,630 100 0,518-0,528 100 3,02-3,00 0,630 0,518 3,00 1,6%<15% -1,9%< 15% 0,67% 15% 4. Desempenho do TC
3,4RL + 3,4
X
0,45
T
0,5 +
0,45 , 0 29
0,45 3,4RL+r 3,4
1,86(!
EXERCICIOS 1. Considere o transformador da Fig. 11.11, no qual as conexoes foram feitas tal que sob condi\)io de corrente normal de carga (s6 corrente de sequencia
T,
100 4,82 4,6 0,630
TC conectado em triangulo
ZT/:1 = 3. ZTA ; T = tape do rele, em cada caso, RL = resistencia da fiacao entre TC e rele, em ohms, Z A = outras cargas, em ohms, eventualmente servidas pelos TC. Quanto a escolha das relac5es dos TC, e recomendado que elas gerem as correntes secundilrias Is, entre enrolamentos, n3.o superior a relat;iio 3, j3. que os tapes disponiveis sao limitados em 8,7/2,9 = 3. E se qualquer corrente I, for menor que tres vezes a outra, o tape 8,7 deve so;r escolhido para ela, como base de partida. · 0 ajuste pode ser tabelado como a seguir.
J
IRH- TH
I.,
IL
= 4;52 T1 = 4,6
TH = 2,9
3. Erro de ajuste em % 100
!.!._
L
= 8 7 4,82
' 9,30
TC conectado em estrela
= 9,3A
Tape escolhido
= 8 7 3,08
= = = = ZT =
= 465A 12,4j3 1 000/5 (N = 200)
334 = 2,78 A 120
IR (sob MVA, = 40) IRR = 1,78j3
onde
NP NT N VCL
10000
Sele~Yao dos tapes:
I, I, =N -
Quanto ao desempenho dos TC, o erro niio deve ser superior a 10% sob condi\)io de maxima corrente de falta simetrica externa, ou de oito vezes o tape do rele. Urn metodo preciso de determinar o erro de rela\)io e a utiliza\)io das curvas de fator de corre\)io da rela\)io. No entanto, urn metodo menos preciso, mas satisfat6rio, utiliza a classifica\)io ASA, e, nesse caso, para urn TC classe 10L, usual na pratica, o desempenho e considerado adequado se
Np VeL --wG >
40000 - - = 143A 161j3
I,=-uj3 TC escolhido
X
0,45 4,60 1,80(!
0,5
+-
80 240 = 0,333
120 120 = 1,00
0,333 X 800 100 = 2,67
1,0
0,15 1,13RL+T 1,13
X
0,5
+0,15 -
~:~ = 0,833
X 200 0,833 X 200 = 2,00 100 = 1,67 100
N·V
=____K_______ff_~z?
lQQ
,;;.-
T'
Sim
8,70
0,58(!
Sim
Sim
'I
.I
158
Introdu~iio
aprotefiiO dos sistemas e/etricos
positiva!), as correntes no primilrio estiio adiantadas de 30' em rela9iio its correntes secundarias. Pede-se esbo9ar urn diagrama de fasores de sequencia positiva e negativa das correntes nos enrolamentos, comentando sabre o va_lor e o
sentido relativo da defasagem angular.
_,,
CAPITULO 12
0
b
o'
_,,
2
PROTE<;:AO DE BARRAMENTOS
3
_,,
4
PRIM.
6
b'
,.
5
0
SEC
FIGURA 11.11
2. Urn transformador trifasico conectado, triftngulo-estrela, tern rela9iio de tensiio de linha 0,4/11 kV, tendo os TC do !ado 400 V na rela9iio 500-5 A. Qual deve ser a rela9iio dos TC no !ado 11 kV? Justificar. 3. Na Fig. 11.11, supor que a alimenta9iio seja feita pelo !ado a'b'c'. Nessa hip6tese, esbo9ar as conexoes para o rele diferencial percentual, e mostrar os fluxos das correntes no rele para o caso de uma falta externa fase-terra em uma linha no !ado estrela. Comentar o resultado.
12.1
lntrodU<;;ao
A prote9iio seletiva dos jogos de barras adq uire grande importii.ncia nas redes equipadas com sistemas do tipo diferencial, e por fio-piloto, os quais, em caso de defeito, niio podem agir senao sobre trechos de linha bern delimitados. Nesses casos, a dete9iio dos defeitos que afetam as partes entre tais zonas delimitadas, niio fora a prote9iio especifica de barra, ficaria a cargo da prote9iio de retaguarda, cujo tempo de opera9iio poderia criar problemas de seletividade. Portanto, uma prote9iio rapida e especifica dos jogos de barras toma-se indispensavel para o equipamento de uma rede, respondendo as modernas exigencias. Isso e menos grave, no entanto, se as instala~Oes sao equipadas com prote98.o de distii.ncia, caso em que a segunda zona podera eliminar os defeitos de barra, ainda razoavelmente. Apesar disso, e de modo geral, a importii.ncia de uma prote9iio de barras de a9iio nipida e consideravel, pois que ha neias, freqiientemente, grande concentra9iio de potencia, o que conduz a grande dano para o equipamento e serias perturba9oes para a oper~iio, em caso de defeito. Costuma-se ouvir que uma barra niio tern caracteristicas de defeito peculiares, e, por isso, seria passive! de receber bern uma prote9iio do tipo diferencial, desde que tivesse TC disponiveis. No entanto, tam bern e afirmado que se trata, fundamentalmente, de urn problema de desempenho do transformador de corrente, como veremos.
Diversas condi9oes devem ser satisfeitas nesta prot09iio; a) deve ser rapida, para limitar
interiores;
0
dano, particularmente em instala95es
b) deve ser muito estavel, isto e, niio tender a operar para faltas externas a zona ou devidas a manobras voluntarias de grande porte, na propria esta9iio; c) deve ter opera9iio confiavel, ja que sua falha de opera9iio pode causar extenso dano ao equipamento, perigo para o pessoal e interrup9iio do fornecimento;
d) deve permitir testes peri6dicos, manuais ou automaticos, para verifica9iio da atua9iio dos reles sob condi9iio de falta interna, ja que tais faltas siio raras (uma em quinze anos de instala9iio, por exemplo), e os equipamentos ficariam inativos por Iongo tempo;
160
/ntrodUfiJO d protefiO dos sfsterruzs e/itriCOS
e) deve permitir continua supervisao dos circuitos dos TC e de disparo; t) deve haver cuidado especial no treinamento dos pr6prios operadores ja que as estatisticas mostram que, aproximadamente, 50% das faltas sao atribuidas a falhas de isolamento do equipamento e a arcos devidos a descargas atmosfericas; 35%, a erros humanos; 15%, a causas diversas - queda de objetos, falha em disjuntores, etc.; g) finalmente, os reles devem ser projetados para maxima estabilidade eletrica (definida pelo maximo valor de corrente devida a falta externa que niio opera o rele, e que e cerca de cinqiienta vezes o regime do TC) e mecanica (condi~oes locais - temperatura, umidade, poeira, etc.)
12.2
•''
161
12.3
Prote<;:ao diferencial de barras
Como vimos anteriormente, a conexiio diferencial podera ser aplicada com reles de sobrecorrente simples, com reles de sobretensao ou com reles diferenciais percentuais. 12.3.1
RELEAMENTO DIFERENCIAL COM RELJ~S DE SOBRECORRENTE
Sistemas de prote<;:ao de barras
Fundamentalmente pode-se dizer que os reles para dete~iio de todos os tipos de faltas nas barras se baseiam na lei de Kirchhoff: as correntes entrando e saindo da barra devem somar zero, vetorialmente, a menos que haja urn defeito interno. Assim, o sistema diferencial e o mais usado, raziio porque nos deteremos urn pouco mais em sua analise. Contudo, em alguns casos, adiciona-se a esse sistema mais as seguintes possibilidades: prote~o pelos reles de retaguarda; prote~o por dispersiio pela carca~ ou de massa-.cuba; e prote~o por compara~o direcional. Ora, a prote~iio diferencial depende da soma das correntes no secundario dos TC ser zero quando a soma das correntes primarias entrando e saindo da barra e nula; nesse caso nenhuma corrente diferencial e produzida e o rele fica inoperante para falta externa e carga normal. No entanto, durante uma falta externa o TC no alimentador defeituoso "ve" uma corrente que e a soma das correntes em todos os outros TC ao redor da barra, porem, a diferen~ nas condi~oes magneticas dos TC pode afetar seus desempenhos tal que, em TC com nucleo magnetico, as correntes secundarias podem niio somar zero como desejavel. Mesmo com TC identicos, com nucleos suficientemente grandes para impedir satura~o sob maxima corrente de defeito, as condi~oes transit6rias devidas a componente de corrente continua podem provocar desequilibrio e falsa opera~iio no releamento diferencialmente conectado. Algumas tentativas foram feitas, no sentido de corrigir essa situa~iio: a) a temporiza~o da prot~o, hoje dificil. De fato, o crescimento dos sistemas e, conseqiientemente, as pesadas correntes de defeito existentes, exigem reles de alta velocidade, por motivos de estabilidade; b) 0 uso de reles diferenciais percentuais, 0 que tambem nao e uma solu~o completa, como veremos;
c) o uso de TC sem nucleo magnetico (acopladores lineares, da Westinghouse); d) e, recentemente, o uso de dispositivos detetores baseados em raio laser, etc.
FIGURA 12.1
Proteyi.'io de barra com rele de sobrecorrente conectado diferencialmente
A Fig. 12.1 mostra o esquema-base correspondente, para o qual algumas regras basicas devem ser apontadas. a) todos os TC devem ter a mesma rela~o nominal; b) a interconexiio deve ser tal que para corrente de carga ou para corrente de falta externa, nenhuma corrente deve fluir na bobina do rele (supostos TC sem erro de rela~o ejou fase); c) determinar se algum TC pode saturar, do que resultaria corrente diferencial capaz de provocar opera~ao intempestiva. Os fabricantes informan. o valor da maxima densidade de fluxo (B) tolenivel no nucleo do TC. Devido a constante de tempo da componente de COrrente continua, quanto mais perto da fonte estiver a barra, maior sera a satura~o dos TC; faz grande diferen~a a corrente de falta ser limitada por impediincia de linha (constante de tempo = = 0.01 s) ou de gerador (constante de tempo = 0,3 s); d) usar fia~iio de grosso calibre (minimo 10 AWG) e simetrica na interconexiio dos TC e reles (diminui a carga no TC e evita o desequilibrio de queda de ten sao na fia~ao); e) escolher os regimes dos TC, tal que a maxima magnitude da corrente de falta externa seja menor que cerca de vinte vezes os regimes dos TC. Se os TC sao do tipo bucha, usar a mais alta rela~iio de espiras; t) para impedir a opera~o do rele no caso de circuito aberto no TC, o picape do rele e freqiientemente niio menor que o dobro da corrente de carga do circuito mais pesadamente carregado; g) preferir· rele de tempo in verso aos instantiineos, por serem menos sensiveis as componentes de corrente-continua e harmilnicos da corrente diferencial resultantes do erro dos TC devido a satura~iio; h) se permissive!, a temporizaciio (0,2 a 0,5 s) da atuaciio e iitil para deixar ultrapassar a corrente de erro devida aos transit6rios;
162
lntrodu~ao
aprote~iio dos sistemas elltricos
i) evitar, tanto quanto possivel, o uso de TC auxiliares (caso algum TC niio pudesse ter a mesma rela(:iio dos demais); · j) interligar todos os neutros dos TC com fio isolado, e de mesmo calibre que os de fase e aterrar em urn mesmo e unico ponto. E born levar essa jun(:iio para aterrar no paine! do rele diferencial onde e feita a conexiio ao neutro das bobinas conectadas em estrela (evitar intempestivos desligamentos pela corrente circuJante no circuito diferenciaJ, devido as diferentes resistencias entre OS pontos de aterramento, durante pesadas faltas). 12.3.2 RELEAMENTO DJFERENCIAL PERCENTUAL E uma antiga solu(:iio ao problema da satura(:iio dos TC nas faltas externas.
163
Proteriio de ba"amentos
12.3.4 RELEAMENTO DJFERENCIAL COM RELE DE SOBRETENSAO Sob condi(:iio de pesada falta externa o TC na fase defeituosa pode saturar e, se isso ocorre, sua saida pode ser deficiente e, assim, a soma das correntes secundarias de todos OS TC nao sera nula. A resultante COrrente de desequilibrio lluira no rele, provocando sua atua(:iio e desligamento da barra. No entanto, se o rele opera na base de tensao, ao inves de corrente, a satura(:iio do TC no alimentador defeituoso nao provocara confusao ja que a tensiio atraves dos TC sera limitada a queda RI nos condutores do TC saturado e resistencias dos enrolamentos secundarios, o que e uma tensao relativamente baixa. E se o TC nao satura, a tensiio no rele sera aproximadamente nula porque e conectado atraves de tensiies de polaridade opostas. (Fig. 12.3).
0 equipamento e disponiveJ para tempos de opera9ii0 da ordem de 3-6 cicios,
mas nao e conveniente onde for requerida opera9iio em alta velocidade. Costuma-se usar reles com multiplas bobinas de restri9iio (tipo CA-4, da Westinghouse), evitando-se fazer paralelismo
ij
.
Thynfe
RELEAMENTO DIFERENCIAL COM ACOPLADORES LINEARES
Em TC com nucleo de ferro, o numero de circuitos·permissiveis em uma barra e limitado pelo fato de que o rele recebe a corrente diferencial menos a soma das correntes de excita(:iio de todos os TC da barra. Alem disso, as altas constantes de tempo possiveis nos modernos sistemas de potencia prolongam os transit6rios, tal que a estabilidade do rele para pesadas faltas externas pode ser dificil de se obter, especialmente no caso de rele diferencial de terra. Com TC toroidais sem nucleo de ferro (denominados linear couplers, pela Westinghouse), as condi9i>es transit6rias sao eliminadas e niio ha corrente de magnetiza9iio, nem limite de satura(:iio magnetica (Bmoxl, nem problema de impedancia dos condutores de interconexao. Sao conectados como na Fig. 12.2.
Rete's 59 e 51
FIGURA 12.3
Protec;:ao de barra com rele diferencial
Por outro !ado, durante uma falta na barra, todos os TC estariio empurrando suas correntes atraves do rele, tal que a tensiio atraves do mesmo sera igual a impedancia do rele vezes a total corrente secundaria da falta menos as correntes de magnetiza(:iio dos TC. Isso sera uma tensiio muito mais alta, cerca do valor da tensiio de circuito aberto no secundario dos TC, e operara o rele. A minima tensiio que pode ser apresentada ao rele durante uma falta interna e, usualmente, muitas vezes 0 maximo valor para uma falta externa, tal que e facil determinar urn ajuste seletivo para o rele, que e comumente ajustado para atuar com o dobro do valor da maxima falta externa, ou metade da tensao de satura9iio do menor TC. Para faltas a terra, urn ajuste mais baixo pode ser necessaria se 0 sistema e aterrado por impedftncia. Para esse sistema ser eficiente e preciso que a resistencia dos circuitos secundarios dos TC seja baixa, isto e, a fia9iiO entre OS TC e 0 ponto de jun9iiO deve ser tao curta quanto possivel e TC toroidais (tipo bucha) devem ser usados. Todos os TC devem ter a mesma rela9iio e devem ser evitados os TC auxiliares
FIGURA 12.2
Protec;:ao de barra com acopladores lineares
Tais acopladores tern uma saida de 5 V/1 000 A, gra9as a declividade (0,5%) da caracteristica linear E.\"
X
I ex.
A precisiio e da ordem de 1 %. A rela9iiO entre a maxima Corrente de falta externa (bloqueio) para a minima corrente de falta interna (atua(:iio)e cerca de 25: (I M,/I m< "' 25). Caso contrario, exige adicional rele de terra 0 numero de circuitos em cada barra pode chegar a 15, dependendo da sensibilidade do rele.
de ajuste por introduzirem assimetrias. A capacitancia e a indutancia em serie com o circuito retificador que ali-
menta o rele de sobretensiio (59 ASA), constitui urn circuito ressonante-serie para a freqiiencia fundamental, aumentando a seletividade de resposta do rele. Como a resistencia efetiva da bobina do rele de tensiio e muito alta (cerca de 3 000 Q), urn elemento limitador de tensiio (Thyrite) e colocado em paraleln com o bni90 retificador, protegendo-o. Ainda urn rele de sobrecorrente, em serie com o elemento limitador de tensao, prove alta velocidade de opera(:iio
' 164
IntroduffiO
aprotefiiO dos sistemas etetricos
ProtefiiO de hiUTtlmentos
para faltas na barra envolvendo correntes de alta magnitude (seu picape e fixado alto para evitar opera9iio para falta externa). 12.3.5
cujo secundario alimenta urn rele de sobrecorrente instantil.neo, sempre que ocorre uma falta a terra da barra ou seu equipamento associado (Fig. 12.6). E usada especialmente nos barramentos de subesta~es extemas, do tipo blindado, em armarios (metal-clad switchgear). 0 rele de sobrecorrente atua sabre urn re!e auxiliar que, par sua vez, atua sabre todos OS disjuntores Jigados a barra.
PROTEt;:AO DIFERENCIAL COMBINADA
Dependendo do arranjo encontrado, podem ser combinadas as prote~oes de barra e transformador (Fig. 12.4). E evidente contudo, certas desvantagens resultantes da economia conseguida. ·
0
Anncirio
r-
1
'
I
... ---- -,
.._......_/'-...,.[ ' ' 'Rele' ' L----
I I
'
IRele L __ _
12.4
-
Relet 51 ASA
lsolador_
i' :' --"
FIGURA 12.6
Protec;:ao massa-cuba de barramento em armarios metAl ices
_J
12.6
FIGURA 12.4
165
por
compara<;:ao
direcional
Durante urn falta intema a energia flui na dire9i\o da barra em todos os circuitos a ela conectados; durante uma falta extema o fluxo e para a barra em todos os circuitos exceto no alirnentador faltoso. Baseado nisso, alguns esquemas siio usuais. No entanto, o esquema de compara9i\o direcional e de dificil aplica~iio em grandes sistemas, especialmente em redes de cabos (efeito capacitivo comparavel com o valor da minima corrente de falta a terra), quando e necessaria a restri9i\o par tensiio ou por meio de reles direcionais de sequencia negativa (menos afetados, pais a corrente capacitiva dos cabos tern pequeno conteudo de sequencia negativa).
Protec;::ao diferencial combinada barra-transformador
Prote<;:ao de retaguarda
:E a mais antiga forma de prote9i\o de barra; ela e feita pelos reles distantes dos circuitos alimentadores da propria barra (Fig. 12.5); ou seja, a barra e incluida dentro da zona de prote~iio de retaguarda desses reles. E prote9i\o lenta, por exemplo, atuada pela segunda zona dos reles de distil.ncia.
Prote<;:ao
i I I
1 2.7
Aplica<;:oes sobre prote<;:ao de barra
PROBLEMA. No esquema a seguir a prote~iio de barras de 69 kV e feita par meio de urn rele ae tensao, tlpo PVDUC da General Electric, ligado diferencialmente. Todos os disjuntores siio do tipo FK-439-69-1500, cujas caracteristicas sao: FIGURA 12.5
12.5
Protec;::ao de retaguarda de barramento
Prote<;:ao de massa ou dispersao pela carca<;:a
Nesta forma de prote~iio a estrutura de suporte do barramento e seu equipamento ·de manobra e isolado da terra, exceto atraves do primario de urn TC
capacidade continua de corrente, 1200 A; capacidade de interrup9i\o maxima, 14 500 A; TC tipo bucha, com N = 240 espiras no secundario, E,
= 300 V para
18 = 0,06 A (ponto-de-joelho), R 5 = 1,09 Q (a 95°), curva de excita9i\o- anexa. Pede-se ajustar o rele (unidades 87L e 87H) para niio-opera9iio com a falta extema indicada, bern como calcular a minima corrente primaria capaz de pperar o reli: no caso de uma falta intema, sabendo que a resisrencia medida da fia9i\o e RL = 0,51 n.
166
Jntroduriio 0 proteriio dos sistemas eletricos
SOLU(:AO
•s
Proterlio de ba"amentos
Resulta, pois,
lOCO
CARGA
VR
205
,....-A--..
167
,.
I " Cs : :5001/ : le: 0 106A : ( JOELHO)
14 500
= 2(1,09 + 0,51) 240 = 205 v
(abaixo do joelho !).
Como VR < 300 V, esta correta a especifica¢o do rele PVDll, segundo o catalogo, e que tern ajustes 75/300 V (60Hz).
I
I
b) Ajustes da unidade de corrente (87H)
'' '
·-·,
i
0,01
'Iu
10
0,1
0.05
f
RL
VR (Volta)
i TtiYRITE!
I 3CC
200
c) Clilculo da minima falta interna capaz de operar o rele (I min)
/
/ /
------------------
/
GOO
/
........ ;...... ' ( - ...- _..
;
' \ THYRJTE
: I
200
~~_w~uL~~-L~~LL~~~~IsrH 0,06 OIIA t 1•3
(59)
e THY
FIGURA 12.7
0
seguinte calculo
/min =
(1:1, + I,+ l,)N
(amperes),
on de
,--- I
(51)
0 catalogo indica
400
......--=--- _..,__ ___ .:_ ___ ---;
Entrando com VR na curva do rele, vide catalogo, conclui-se que urn ajuste de 1,3 A na unidade 87H seria seguro. Como o ajuste minimo do rele e 2 A. usa-se este ajuste (o rele admite ajustes 2/50 A, em 60Hz). Notar que se "a > 350 V, seria usada outra curva dada no catalogo do fabricante.
Prote<;:Eio de barras
1:1,, somat6rio das correntes de excita¢o (I,) dos TC, correspondente ao valor "a ja calculado (se todos os x disjuntores sao iguais, vern x ·IJ e, no caso, para "a = 205 V vern I, = 0,05 A e ha x = 5 disjuntores;
I,
a) Ajuste da unidade de tensiio (87L) 0 catitlogo do fabricante indica o ajuste da unidade de alta impedancia, como segue:
11 ,
=
Va/2 600, corrente na unidade 87L (circuito ressonante), em amperes, conforme o catalogo; corrente no limitador (Thyrite), em fun9ao de VR ; no caso, 11 = 0,06 A (veja a curva no catalogo).
Logo, !min
) = ( x ·I. + 2 VR 600 + I,
N
= ( 5 x 0,05 + 2205 + 0,06) 240 = 93 A. 600
Essa e, pois, a sensibilidade do rele.
on de VR, ajuste de picape da unidade 87L (volts); Rs, resistencia do enrolamento secundArio do TC, e da fia~o ate a jun~o
B (ohms); RL, resistencia da fia9iio desde o ponto de jun9iio (B), suposto no TC mais distante, are 0 rele (usar RL para faltas entre fases e 2RL para falta
a
terra), em ohms; IF' maxima Corrente de falta externa (calcular a falta trifasica e a fase-terra; na ausencia de c3lculo, adotar a mAxima capacidade de rutura
do disjuntor), em amperes; N,
nUmero de espiras do enrolamento secund8.rio do TC. ou seja.
de transforma¢o do TC tipo bucha; 2,
multiplicador usado como fator de
seguran~a.
rela~ao
Prote~ao
CAPITULO 13
PHOTEc;Ao DE Ll N HAS
Uma pr(>t..,ao de linhas deve garantir que todo defeito seja eliminado tao rapidamente quanto possivel, sendo tambt\m desligada uma unica se~o, de minima extensao possivel. Os defeitos mais importantes a eliminar sao os curto-circuitos entre fases e a terra. Entre OS multiplos sistemas de prote~o possiveis, alguns constituem hoje solu~es~padrao nos varios tipos de redes. Assim, uma classifica~ao grosseira das redes, pode ser feita com base na tensao: rede ou linha de transmissiio- acima de 69 kV, fomecendo em grosso; rede de subtransmissao - entre 13,8 e 115 kV, fomecendo a granel; rede de distribui~o - entre 2,2 e 34,5 kV, fomecendo a granel aos consumidores diversos. Na prote~o de linhas sao usadas diversas classes de reles; em ordem crescente de complexidade podem-se citar reles de sobrecorrente instantiineos, reles de sobrecorrente de tempo inverso e(ou definido, reles de sobrecorrente direcionais, reles de balan~ de corrente, reles de distiincia e reles piloto (fio piloto, onda portadora e microonda). Ou seja, basicamente ha prot..,ao com reles de sobrecorrente e de distiincia.
de linhas
169
Ainda e muito empregado tambt\m em subesta~es, para prot..,ao de retaguarda contra faltas extemas. A prote9iio de sobrecorrente costuma envolver dois ou tres reles de fase e urn de terra, e tern curvas tempo-<:orrente de formas diversas, atendendo usos especificos. 13.1.1
CURVAS TEMPO-CORRENTE
A prote9iio instantiinea de sobrecorrente (3 Hz ou menos) e utilizada comumente para suplementar a prote~o de tempo inverso. 0 tempo de opera~o das unidades de sobrecorrente-tempo varia com a magnitude da corrente. Dessa forma, ha dais ajustes a serem feitos: a) picape - (corrente minima capaz de iniciar o movimento do sistema portador do cantata m6vel) - ajustado por meio de tapes ,de deriva~o na bobina de corrente. b) alavanca de tempo (DT) - estabelece a distiincia entre os cantatas fixo e m6vel, deterrninando o tempo de opera~o para urn dado tape e magnitude da corrente. As caracteristicas de resposta dos reles de sobrecorrente sao locadas em fun~o de tempo (segundos) versus multiplos da corrente de tape, para cada posi~o da alavanca de tempo. Ha, pais, uma familia de curvas, cujas declividades mais usuais sao denominadas, par exemplo: tempo tempo tern po tempo . tempo
minima definido (tipo C0-6, Westinghouse); moderadamente inverso (C0-7); inverso (C0-8); muito inverso (C0-9); extremamente inverso (C0-11). t (51
RELfs WESTINGHOUSE
tis)
13.1
Protec;:ao de sobrecorrente
0 releamento de sobrecorrente e 0 mais simples e mais barato, porem, 1: o mais dificil de se aplicar e tambt\m aquele que mais rapidamente requer reajustes, ou mesmo substitui~o, a medida que o sistema e modificado. E usado basicamente para prote~o de falta fase e terra em circuitos de distribui~o de concessiomirios e sistemas. industriais, e· em circuitos de subtransmissio onde a
prot..,ao de distiincia nao possa ser justificada economicamente. Como prote~o de falta a terra, no entanto, esse tipo de releamento e usado ate mesmo em linhas de transmissiio (que usam reles de distiincia como prot~ao de fase); e ainda usado como prote~o de retaguarda em linhas cuja prote~o primaria e feita por fio piloto, por exemplo.
par~
m_:2
C0-6
0$3 s
C0-7
0,75
CO· 9 CO·II
3,0 10,0
co-s
e~__5J
2.s
~~----------------~2to~-m MULTIPLO 00 PICAPEiml
FIGURA 13.1
Declividade das curvas tempo-corrente
Se urn tempo comum (p;2 s) for escolhido para multiplo de tape igual a 20, os tempos de opera~o, para m = 2, seriio respectivamente: 0,33.; 0,75; 2,5; 3,0 · e 10 s para os reles da serie CO da Westinghouse (veja a Fig. 13.1). A Fig. 13.2 mostra a familia de curvas para o rele C0-8 da Westinghouse, a titulo de exemplo.
IntrodufiiO aprotefiiO dos ristemas etetricos
170
Na tecnica europeia, principalmente, ha ainda uma caracteristica denominada tempo definido, semelhante a do C0-6, e constante de uma reta paralela ao eixo horizontal e outra perpendicular, indicando que o rele opera com tempo definido, uma vez atingida a corrente de ajuste. RELE
Proteflio de linhos
13.1.2.1
171
Aplicac:iio da unidade direcional
Denominemos corrente posit iva (I pas) a corrente na direcio fonte-carga, e corrente negativa a de sentido oposto ou de retroalimenta,a:o. Nesse caso, havera necessidade de discrimina91io direcional em urn ponto do sistema sempre que for empregada:
u..,)
prote~iio instantanea, se !neg> 0,8/pos; prOtf!9iiO temporizada, se I neg > 0,2~ I pos.
6
Ou seja: o crit6rio b8.sico para determinar onde deve ser usada uma unidade direcional e que se a !alta na direc:iio de niio-atuac:iio torna-se mais critica para o ajuste do rele do que a falta na direc:iio de atuac:iio, a unidade direcional
5
deve ser usada.
1l 0 z
" Ill "'
4
.
13.1.2.2 Ajuste da unidade instantiinea Costuma ser ajustada entre 125-135% da max1ma corrente simetrica de falta aplicada no extrema afastado do trecho a proteger, ou seja, no inicio do trecho seguinte (falta trifasica para reles de fase).
2
13.1.2.3
2
7
MtkTIPLOS
FIGURA 13.2
10
15
20
DO TAPE DE CORRENTE
Curvas tempo-corrente tfpicas
Quanta ao uso tipico das declividades, citam-se: a) tempo definido - em pequenos sistemas, onde a gera91io pode variar consideravelmente;
Ajuste da unidade temporizada
Ajusta-se o tape do rele de fase para cerca de 1,5 ate o dobra da corrente de plena carga (ja considerada a sobrecarga permissive!). Caso seja usada uma unidade direcional, e a corrente de carga na dir~ao de niio·atua~ao, ajusta·se o tape tal que nao seja excedido o regime nominal do rele. Ajusta-se o tape do rele de terra para cerca de 10-30% da corrente de plena carga, ou como a experiencia aconselhar alterar. A posi91io da alavanca de tempo (D T) deve ser escolhida de tal forma que o rele, uma vez ajustado; nlio atue para faltas nas partes adjacentes do sistema antes que os reles adjacentes tenham tido oportunidade de operar. 0 intervalo de tempo de coordena91io entre a atua91io de dais reles, chamado degrau de temporiza9lio, deve ser suficiente para acomodar:
b) tempo inverso - em sistemas industriais (partida de grandes motores) e mesmo de concessionarios (redes em anel; prote91io de terra; prote91io de retaguarda, etc.); c) tempo extremamente inverso - em subsistemas de distribui91io onde ha necessidade de coordena91io com fusiveis, hem como problemas de "carga fria" (restaura91io do sistema ap6s longa desenergiza91io)-
tempo de opera9iio do disjuntor (0,1 s para disjuntor de 6 Hz); sobrepercurso do rele (0,1 s usualmente); erros devidos ao calculo das correntes de falta, do ajuste do rele e da transforma,ao da corrente.
13.1.2
13.1.2.4 Locafiio e valor da corrente de falta
PRINCIPIOS DE AJUSTE E COORDENA<;:AO
Ha Ires maneiras disponiveis para obten91io de opera9iio seletiva do releamento: a) magnitude da grandeza medida (isto e, a Corrente e maxima no pon!O de falta); b) temporiza91io da atua9lio; c) dir091i0 do fluxo da Corrente de faJta.
Na pratica, e da ordem de 0,4 s (entre 0,3-0,5 s).
A sele91io das localiza9oes de falta e condi9oes do sistema para calculo da corrente de defeito e uma poderosa chave no sucesso da coordena91io. Consideremos o esquema da Fig. 13.3. Com rela91io ao ajuste do rele 1, sao importantes as loca9oes: falta n.• 1, ou de extremidade proxima; falta n.• 2, ou do rele adjacente;.
172
[ntrodUfiJO iJ prote9fio dos sistemas eJetricos
~~
n
1
r------'1-·?~(;----------HCJ FIGURA 13.3
Protefiio de linhas
z
Quanto a consideragiio ou niio da resistencia de arco, e usual considera-la para ajuste das unidades de tempo in verso, e niio usar para ajuste das unidades instantilneas. Tam hem a indugao mutua de linhas paralelas deve ser considerada para as faltas fase-terra. b) 0 segundo passo no ajuste dos reles de sobrecorrente de tempo inverso e ajustar a temporizagiio (DT) para obten9[o de seletividade com os reles dos elell!entos imediatamente adjacentes do sistema. Nesse caso, o. ajuste deve ser para a condigao de maxima corrente que pode fluir na loca9[o do rele; ou seja, na Fig. 13.5, para urn curto-circuito ocorrendo justamente alem do disjunior (2) do elemento adjacente. Para ajuste do rele de fase, adotar a falta trifasica, e par11 o rele de terra adotar a falta fase-terra, ambas sob condigiio de gera9[o maxima.
){
Locay6es tfpicas de corrente de falta
falta n.O 3, ou do rele de extremo adjacente; falta n." 4, ou no extremo do alcance do instantilneo do rele adjacente. As condigiies-chave do sistema sao: maxima gera9[o (serve para ajuste do D_T); minima geragiio (serve para testar desempenho da protegiio de retaguarda); anormal arranjo de linhas para o qual a coordenagiio ainda e requerida. Usando as correntes de falta trifasicas para coordenagiio, deve ser lembrado que as correntes fase-fase siio cerca· de 86% daqueles valores(JFF"' .j3/2I 3 ,;J. U sam-se geralmente as impediincias transitorias (X~) para o calculo do curto-circuito. A melhor tecnica e o uso de !res reles de fase e urn de neutro (este vendo a corr.'nte residual), com ~justes como antes indicado, e tendo unidades de tempo inverso e instantilneos devidamente coordenadas em cascata. 13.1.2.5
Filosofia dos ajustes
FIGURA 13.5
)
i
Ha dois passos basicos no ajuste: fixagiio do picape do rele; ajuste da alavanca de temporizagiio (DT).
13.1.2.6 Resisti!ncia de terra e de arco
i) o rele opere para curto-circuitos na sua propria linha; ii) garanta prote9[o de retaguarda para curto-circuitos em elementos imediatamente adjacentes do sistema, sob certas circunstilncias. Por exemplo, se 0 elemento adjacente e uma Se9iiO de linha, 0 rele e ajustado para atuar sob uma corrente urn pouco menor do que a que ele recebe para urn curto-circuito no extremo afastado desta adjacente se9iio de linha, sob condigiio de geragiio minima, ou outra segiio partindo da mesma barra e que fizesse a menor corrente fluir na loca9[o do rele que esta sendo ajustado. A Fig. 13.4 ilustra isso. Foltoil0min ou DNmin
~'"'"" •• "''" ..,. oiuot~;--IBl'-1-ITl------'~.ffiH FIGURA 13.4
Ajuste da temporizayao
Outro aspecto a considerar no segundo passo e o degrau de temporiza9[o entre reles em cascata: e usual adotar-se 0,4 s, para plano de manutengiio normal. Na cascata, comega-se de jusante (rele mais distante da fonte) para montante, crescendo os tempos de atuagiio de degrau em degrau.
E classico
a) 0 primeiro passo, pois, e escolher o picape do rele tal que:
---
173
Ajuste da prote9Bo de retaguarda
Para urn rele de fase, a falta fase-fase ( = .}3/21 3 ,;J sob geragiio minima e escolhida (salvo risco de operar sob condigiio de carga maxima); para urn rele de terra, a falta fase-terra e adotada.
calcular-se a resistencia de arco pela formula de Warrington: R
area
=
8 750L J1.4
(ohms),
on de I, valor eficaz da corrente no arco (amperes), abaixo de1000A; L, comprimento do arco (pes).
Se. on de v, t,
L0 ,
h{l
condi9[o de vento L = 3vt + L 0 ,
velocidade do vento transversal (milhasfhora); tempo apos inicio do arco (segundos); comprimento inicial do arco (pes), isto e, a mais curta distilncia entre condutores ou atraves dos isoladores.
Urn dado referente a urn sistema de alta-tensiio (132-400 kV), mostra que, em valores primarios, a resistencia de arco para faltas entre fases e da ordem de 2 n, e para falta fase-terra cerca de 0,7 Q. Na ausencia de cabos-terra ou para altas resistencias de pe-de-torre, valores acima de 5 Q sao comuns, podendo ser muito maiores se o solo for seco ou rochoso. Assim, com rela9ao a influSncia da resistencia de terra, variando em largos limites, a solugiio e a medida direta
174
Introdurlio d proteriio dos sistemas e/etricos
no local considerado. Na pratica, em primeira instancia, pode ser desprezada essa considera98o.
13.1.2.7
Efeito dos circuitos em anel
Nas redes modemas os aneis constituirao a regra geral, enquanto as linhas radiais serao as exce9iies previstas. No entanto, por dificuldades de ajrrste, muitas vezes a configura9[o da rede e em anel, mas opera como radial (disjuntor aberto, salvo em emergencia). Em geral o ajuste e feito por tentativas e a ideia geral, em urn caso simples como o da Fig. 13.6 (gera9ao unica), e usar unidades direcionais em cadeia dupla, altern an do OS reles, salvo aqueles junto a fonte e que nao precisam ser direcionais.
L~.,
'·A·tt-~-·--· ' ' j___l_ __l t~ I~
' 2 ._L. ~
Proteriio de linhas
175
defeito deslocadas. A Fig. 13.7 mostra que o rele operara para faltas triflisicas ate cerca de 70% do com prim en to da linha e 55% para faltas fase-fase. Como vantagem, as unidades instantaneas reduzem o tempo de opera9[o para a maioria das faltas sob baixo custo adicional. 13.1.2.9 Disparo por meio de corrente alternada ou por capacitor Algumas instala9iies, particularmente sistemas de distribui9[o, nao podem justificar a aquisi9[o e manuten9ao de .baterias e seu equipamento de carregamento unicamente para uso do equipamento de prote9ao de urn ou dois circuitos. Assim, o disparo por meio de corrente alternada pode ser usado. Urn tipo de disparo por meio de corrente alternada utiliza urn reator que fica ligado permanentemente em serie com a bobina de cada rele de sobrecorrente no circuito secundario do TC. 0 disjuntor tern uma bobina de disparo independente para cada rele. E preciso que a queda de tensao atraves do reator seja suficientemente alta, durante o curto-circuito, para atuar o mecanismo de disparo se o rele fechou o contato (I"> I.). A Fig. !3.8(a) ilustra o metoda.
1! r:c 0
Curv.as de 5eletividade
FIGURA 13.6
13.1.2.8
Protecao do sistema em anel
Uso das unidades instantaileas
Reles de sobrecorrente instantaneos sao' aplicaveis sempre que a magnitude da COrrente de falta sob condi9[o de gera9a0 maxima triplica a medida qUe a posi9ao da falta desloca-se do ~extremo da linha para a loca9[o do rele. Ou seja, se existe impedancia ponderavel entre os extremos do trecho protegido. Por exemplo, urn transfonnador. Caso contnirio, is toe, se o rete "vf:" praticamente a mesma impedancia para defeito no inicio e no fim da linha, nao adianta colocar duas unidades instantaneas em serie: pode-se bloquear a mais proxima da fonte, ja que nao haveria discrimina9ao entre elas. A Fig. 13.7 esclarece.
(a} Oisparo por Reotor
F-IGURA 13.8
Ajuste da unidade instantanea
0 picape do rele instantaneo mostra-se ser 25% maior que a magnitude da corrente para uma falta trifasica no extremo da linha; o rele nao deveria operar sob muito menos i:orrente sob pena de sobrealcance em caso de correntes de
por Capacitor
Disparo do disjuntor par CA
0 disparo por c~pacitor, outra modalidade usada, utiliza a energia armazenada em urn capacitor permanentemente carregado para atuar o mecamsmo
da bobina de disparo. E: metodo melhor que o anterior, mas fornece apenas urn impulso e nao uma for9a permanente como aquele [Fig. 13.8(b)]. 13.1.2.10
FIGURA 13.7
[b) O~paro
Aplicafoes sobre proteriio de sobrecorrente de linhas
EXEMPLO I. Urn transformador de 20MVA, trifasico, admitindo sobrecarga de 30%, alimenta urn barramento de 11 kV atraves de urn disjuntor. Do barramento, atraves de disjuntores, saem varios alimentadores. Os TC do transformador (52-2) e alimentadores (52-I) tern rela9iies I 000/5 A e 4D0/5 A, respectivamente, e alimentam reles de sobrecorrente tipo C0-8, da Westinghouse (tapes disponiveis 4, 5, 6, 8, 10, 12 e 16 A), cuja curva tempo-corrente e conhecida (Fig. 13.2). 0 rele do alimentador mais carregado (51-1), onde ocorre urn defeito trifasico de 5 000 A, esta regulado para 1,251" x 0,3 s. Usando urn degrau de tempo de 0,5 s entre os reles em cascata, pede-se calcular os demais ajustes da prote9ao.
~---------------------
------
176
Proteffio de linhas
SOI.U(:AO. 0 esquema-base e o da Fig. 13.9.
177
Para o alimentador, como nao sabemos a distribuiQiio de carga exata, usamos .o regime do TC. Entiio, se o rele esta ajustado para 1,25 I., resulta a corrente vista pelo rele 51-1: I, 51 _ 1 = 1,25 x 5 = 6,25 A. Logo, o tape sera tape 51 _ 2 = 8 A.
FIGURA 13.9
Exemplo de ajuste de rel8s de sobrecorrente
A corrente de defeito e "vista" pelo rele 51-1, como
A corrente de sobrecarga no transformador e p 20000 InT = 1,3 r;; = 1,3 r;; y3U y3xll
I,"s1-1 1360A,
que corresponde a urn multiplo de tape:
e a corrente nominal no secundario do rele do transformador e 1360 =--=--=681A. RTC 1 000/5 '
'"T
Logo, o rele 51-2 deve ser ajustado no tape 8 A.' Para a corrente de defeito de 5 000 A, passa no rele 51-2: I
m = I," = 628,5 = 7,8. tape
InT
I
= I,a = 5000 = 25A '"T RTC 1 00\)/5 .
A isso corresponde urn multiplo do tape para o rele 51-2:
I"'T 25 mT= =-=312A tape 51-2 8 ' · 0 tempo de opera9iio do rele 51-2, sen\ o correspondente ao tempo ajustado do rele 51-1, adicionado ao degrau de temporizaQiio fixado: t,_2 = 0,3
+~ 0,8 s.
Entrando nas curvas do rele C0-8, com t d:o,8 em = 3,12, tira-se o ajuste da alavanca de tempo: · DTT = 1.
mw·-.. :rr: ~2
SIN
FIGURA 13.10
m
Ajuste de reles de sobrecorrente
Logo, o ajuste do rele 51-2 e_ tape = 8 A
e
DT = 1.
5000 =~= =625A RTC 400/5 ' '
Logo, entrando nas curvas do rele C0-8, com t = 0,3 s e m = 7,8, resulta o ajuste para a alavanca de tempo: DT = 1.
Entao, o ajuste do rele 51-1 sera tape = 8 A
e
DT = 1.
a
Observarao. A proteQiio e coordenaQiio contra faltas terra (rele 51N) e feita analogamente, sendo o ajuste do rele de terra feito, por exemplo, para 0,1-0,3I. (sempre inferior a I.). Como exercicio, sugere-se ajustar reles de terra (tapes de 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 A) do tipo C0-8, para corrente de falta a terra de 850 A, ajuste para 0,3 I., adotando os mesmos TC. Comentar o resultado. EXEMPLO 2. No esquema unifilar da Fig. 13.11, a linha de transmissao A-B, 88 kV, 31 km de comprimento, tern impedancia 0,5 Qjkm. 0 gerador G, represen-tando o equivalente do sistema, tern X~ = 0,10 pu na base de 100 MVA e 88 kV. A subestaQiio abaixadora B, de 88/3,8 kV tern ttis transformadores de 12 MVA cada, e a subesta9ao abaixadora C, de 88/13,2 kV tern tt-es transformadores de 8 MVA cada. 0 disjuntor 52 e para 600 A e tern TC nas buchas -com rela<;Oes 120/100/60:1 A. A unidade temporizada do rele de sobrecorrente (51) de fase tern tapes de 4, 5, 6, 8, 10, 16 A, enquanto a unidade instantiinea (50) e regulada continuamente entre 4-100 A.
Pede-se calculai: a) devera -b) c) d)
a relaQiio em que o transformador de corrente do disjuntor da barra A ser ligado; o tape da unidade temporizada do rele 51 da barra A; a alavanca ou dispositivo de tempo do rele 51 da barra A; a graduaQiio da unidade instantiinea do rele 50 da barra A.
178
Introdu~lio
aprolefilO dos sistemas eletricos
Proteriio de linhas
Sabe-se ainda que:
179
c) Ajuste do DT do rele 51-A
i) o rele temporizado da barra B, para urn curto-circuito trifasico nessa barra, opera em 20 ciclos; ii) o tempo de abertura do disjuntor da barra B e de 5 ciclos; iii) deve-se considerar uma margem de tempo de 20 ciclos para a gradua~ao do rele 51 da barra A; iv) o rele de sobrecorrente e do tipo C0-8 da Westinghouse (Fig. 13.2)
BSkV
r---f--{]0---
Para urn defeito na barra do extrema da linha, o rele 5 L-A deve atuar ap6s temporiza~ao: · t =
3 x 12 MVA
t,B
~
=
ou
~
3
X
12
+3
X
I ~ _P_ ~
j3U
n
ohm 0.5 km ~ 15,5 Q,
X LT(ohms)/ohms-base
=
kV 2 X 10 3 ~VA,
88 2
X
10 3
100 000 ~ 77 '5 Q.
15,5
rela~iio
8 ~ 60 MV A, 60000
J3
X
88
~ 395 A.
RTC ~ 100:1 ou 500-5A.
Sabemos que e precise ter fcc
Jn
K >tape> 1,5 Rrc'
2-5, na pratica. Entiio, provisoriamente, I.
tape > 1,5 RTC, > 1,5 ou
X
Ora,
xpuLT .
X LT(JJU) = 77,5 =
b) Ajuste de tape do rele 51-A
~
45 ciclos "" 0,75 s.
Logo,
A carga total maxima que pode passar no disjuntor e de
onde K
31 km
X LTCpu)
e
a) Escolha da RTC do disjuntor 52-A
Logo, escolhe-se a
~
0,10, resta calcular
ohm-base~ SOLU('AO
+ ts
tempo-corrente do rele, e deduz-se o DT. Sabemos que E
XLT
Segundo exemplo de sobrecorrente
t52B
m(m ~ ti'") ape do tape escolhido. Depois, com me t, entra-se . nas curvas
Como X puG
FIGURA 13.11
+
20 + 5 + 20
Calcula-se, pais, a Icc no extrema da linha, e que correspondeni a urn certo multiple
B
I,
uma
tape~
395 , ""5,92 A, 500 1
6 A.
E
ou
02
' pu,
1 0,1 + 0,2 ~ 3,33 pu,
I""~ X G +XLT
P,
Icc
=
Ipu
X ]base=
Jf)ZI
fi ub'
100 000 r:; V 3 X 88 Entiio, no secundario do TC ter-se-a I" ~ 3,33
X
~
3,33
X
658
~
2 200 A.
I" 2 200 I,"~ RTC ~ 100 ~ 22 A.
0 multiple correspondente e m =
I
22 6
~ = -
tape
~
3,65.
Entrando, pois, na Fig. 13.2, com m ~ 3,65 e t ~ 0,75 s, resulta DT ~ 1,5. Como Ultima verificafY3.0 devemos constatar se tape <
lees
K
~
22
2a5 ~
Logo, e razoavel o tape ~ 6 A escolhido.
11 a 5 A.
180
lntrodUfOO lJ protefiiO dos Sistemas eJetriCOS
Prote~iio
d) Ajuste da unidade instantilnea
z,
Sabemos que ela deve operar usualmente para curto-circuitos trifasicos (assimetricos) ate 80% da linha, ou seja, 80%Icr,, = 80%
X
(1,6
DT = 1,5
e
(b)
I' I
ft
I = 28 A.
Prote<;:ao de distancia
Para as redes de alta e muito alta-tensiio, bern como para as redes de media-tensiio em malha e com alimenta~o multilateral, a prote~o de distilncia tornou-se padriio, ja h{t muitos anos atras. De fato, alem de garantir tempos de desligamento curtos, em caso de defeito no trecho protegido, garante ainda a prote~o das barras e linhas vizinhas ·em tempo curta usando as demais zonas de ajuste disponiveis. E alem disso, independente de fios piloto entre as extremidades. Em resumo, trata-se de uma prote~o temporizada em que o escalonamento e tambem fun~o da impediincia ao inves da corrente apenas. Realmente, como foi afirmado precedentemente o mais positivo e confiavel tipo de prote~o compara a corrente entrando no circuito com a corrente que dele sai. No entanto, em linhas de transmissiio e alimentadores niio s6 o comprimento, como a tensiio ou o arranjo da linha; freqiientemente tomam este principia antieconomico. Assim, urn rele de distilncia ao inves de comparar a corrente de linha no local do rele com a corrente no extrema do trecho protegido, compara a corrente local com a tensiio local na fase correspondente ou suas component~ convenientes. 0 releamento de distilncia deve ser sempre preferido quando o releamento de sobrecorrente revelar-se Iento ou niio-seletivo. Ademais, reles de distilncia sao menos afetados pela magnitude da corrente de defeito e pela varia~o da capacidade geradora e configura~o do sistema. 13.2.1
PRINCIPIO DE MEDIDA DA IMPEDANCIA
Para uma falta no extrema da linha a tensiio no local do rele sera a queda Z 1 da linha. Segue-se que a rela~o da ten sao para a corrente para uma falta no extrema afastado, sera V/I = Z, on de Z e a impediincia da linha [Fig. 13.12(a)]. Para uma falta intema (FJ a se~iio protegida da linha e V/I < Z. Como Z e proporcional ao comprimento da linha entre o rele e a falta, Z e tambem uma medida da distilncia it falta; justificando a denomina~o do rele d.e distilncia. Assim, pode ser visto que a compara~iio da corrente local com a tensiio local e uma altemativa de compara-la com a corrente no extrema afastado. Contudo, isso n3.o 6 tao exato, porque a tensiio varia gradualmente com a locat;io
da falta, enquanto a corrente na extremidade inverte para uma falta alem do
,
-'·
(O)
FIGURA 13.12
13.2
181
--..,...--·
22) = 28,2A.
X
Logo, basta regular I = 28 A, por exemplo. Resumindo, o rele 50-51 em A e regulado para tape = 6 A,
____
de llnluzs
AJ'Uste ""Fe
Rere
.
Principia da medida dos reles de distancia
TC naquele extrema da linha; resultando, pois, uma brusca descontinuidade que toma a seletividade facil e automatica. Por outro !ado, veremos que o rele de distilncia tern outras vantagens, que sobrepujam mesmo essa considera~iio, tais como a prot~o de retaguarda e a elimina~o dos canais piloto. Entrementes, com a finalidade de medir a mesma distilncia em todas as faltas envolvendo mais de uma fase [Fig. 13.12(b)] o rele de distilncia compara o potencial entre as duas fases faltosas com a diferen~a vetorial de suas correntes; por exemplo, para uma falta (b-e), o rele mede Z 1 = V,,/(1,-I,), que e a impediincia de sequencia positiva da linha entre o rele e a falta. Similarmente, para faltas fase-terra o rele mede a impediincia de uma semelhante malha, agora ao Iongo do condutor da linha faltosa; passando pela falta e voltando pelo percurso na terra ate o neutro do sistema. Assim, para uma falta (c-terra) o rete mede Z 1 = V,,/(1,-I,); porem, ja que a corrente I, no percurso pela terra e inacessivel, ao rele e dada a corrente equivalente, que e uma fun~o da corrente residual (J,) do TC, eo rele da fase C mede V,/(1,- KI,), que e tam bern z,.
13.2.2 AJUSTE DOS RELI~S DE DISTANCIA 0 ajuste ohmico ou alcance do rele, pode ser controlado seja pelo circuito de corrente de opera~iio, pelo circuito de tensiio de restri~o ou por antbos. Como o potencial decresce do normal durante a falta enquanto a corrente cresce, segue-se que urn alto nivel de conjugado pode ser obtido com tapes de deriva~iio no circuito de corrente e deixando o circuito de tensiio sozinho.
a) 0 ajuste da primeira zona e feito para
onde Z,, impediincia secundaria da linha (ohm); zp, impediincia primaria da linha (ohm), e da ordem de 0,5 njkm ou 0,8 n; /milha; R TC e R T P, rela~o dos transformadores de corrente e tensiio, respectivamente (em geral X-5 A e Y-115 V);
182
Introdu~iio Q prote~io
K,
dos sistemos eletricos
percentagem da linha a ser coberta ou alcance de cada zona em percentagem do comprimento total (km). Em geral, K = 0,90 para a prirn-eira zona.
Se um rele de reatancia e usado, calcula-se o ajuste para o valor da reatancia ao inves da impedancia da linha. . _ As linhas de transmissao aereas tern, aproximadamente, OS segumtes angulos de fase (9) para faltas entre fases (as ilngulos de fase para falta a terra dependem do terreno): kV 50Hz 60Hz
11
45' 50'
33 55' 60'
132 70'
72'
275 75' 76'
10 kvz. Z% kVA
quanta menor a carga; assim, para os casos normais de carga n3.o existe perigo
de falsa No a perda sistema,
opera9iio. en tanto, sob certas condi9oes de opera9iio de urn sistema, pode ocorrer de sincronismo entre unidades geradoras, resultante de oscila9oes do possiveis por diversas causas. X X
•\
caroeter.-stica de
~
rele'
' '
'' '''
'
(ohm),
onde kV (entre fases) e kVA sao as bases de Z% dado. A primeira zona niio e temporizada. b) 0 ajuste da segunda zona deve ser t~ que o rele nao deve sobrealcan9ar a primeira zona do rele da seyao adjacente. E usual o ajuste para k = 1,20 ~ 1,50, com temporiza9iio ate 0,5 s (salvo em linhas mul!itermmrus, a serem anahsadas posteriormente). c) Para a terceira zona, essencialmente de prote9iio de retagua~da (preven9iio de dario ao equipamento e risco do pessoal), o aJuste deve cobnr toda a se9iio adjacente; a temporizayiio costuma ser da ordem de 1,0 s. 13.2.3
183
0 extrema do vetor representativo de z, no plano R-X, pode cair em qualquer quadrante, dependendo das dire9iies dos fluxos de palencia ativa e reativa. Poderia, pois, fazer operar algum rele, caso penetrasse na sua caracteristica representada no plano R-X. Verifica-se pela expressao que z, e tanto maior
400 81' 82'
As vezes z e dado como impedancia au reatancia percentual; entao, o valor ohmico sera . Z =
Protef5o de linhas
COMPORTAMENTO DA PROTE<;:AO NA PERDA DE SINCRONISMO
Quando um gerador au mesmo uma usina sai de sincronismo com o~ demais todas as liga9oes entre eles devem ser abertas para manter o serv1yo e per~itir que aqueles geradores perturbados sejrun re-sincronizados. ~al separaylio, no entanto, deve ser feita somente nos locais em que a capac1dade de gera9iio e as cargas de cada !ado do ponto de separayiio se ajustem de modo a niio haver interrup9iio do servi9o; au seja, as cargas e gera9iio remanescentes de cada trecho devem equilibrar-se. Os reles de distancia podem. ser. usados nessa fun9iio, adicionalmente ao seu papel de proteyiio ~e curt~-~Irc~1t~. '" Sabemos que em operayiio normal do sistema o rele de distilnCia ve a tensao nOrmal do circuito e a corrente de carga; "ve", pois, uma impedtmcia de carga (Z,) assim determinada:
R
'.
{0
I bl
l
' ' ''
FIGURA 13.13
Principia da protet:;:ao contra oscilay5es e perda de sincronismo
a) Caso seja necess8.rio ou conveniente separar o sistema em partes, visando
a posterior recuperayiio par re-sincroniza9iio, ha urn metoda completamente confiavel a adotar [ veja a Fig. 13.13(a)]. 0 relerunento compreende duas unidades do tipo impedancia angular, uma unidade de sobrecorrente e diversos reles auxiliares, ligados a uma s6 fase (ja que o fenomeno e equilibrado). A Fig. 13.13 mostra uma superposiyiio das caracteristicas das unidades angulares e da caracteristica de perda de sincronismo para uma locayao correspondente a uma interligayiio com a fonte geradora. As unidades angulares dividem o plano em !res regioes A, B e C. Quando a impedancia de carga (Z,) varia durante a perda de sincronismo, o ponto representativo desta impedilncia move-se ao Iongo da caracteristica da regiao A para a regiao B e dai para C, au de C para B e A, dependendo de quallado gerador esta mais acelerado. Quando o ponto figurativo cruza a caracteristica de opera9iio de uma unidade angular, esta fecha urn cantata para atuar urn rele auxiliar. A medida que o ponto se desloca de uma regiao para outra, uma cadeia de reles auxiliares permissivos e atuada (uma cadeia em cada direyiio ABC au CBA), em sequencia. Se a terceira regiiio e penetrada, o ultimo rele auxiliar atua sabre o disjuntor, promovendo a desejada separayiio das partes do sistema. A funyiio da unidade de sobrecorrente e impedir o des. ligamenta intempestivo durante as ajustes de paralelismo entre geradores, nas ' condi9oes de carga normal, e correspondente a pontos diametralmente opostos da caracteristica mostrada na Fig. 13.13. De fato, reiativamente pequenas correntes fluem durante esses ajustes de sincronizac;io sob carga leve, se comparado com o alto fluxo de corrente que ocorre se os geradores se colocarn em oposiCS:o
de fase (180') correspondente
a regiilo B. Assim, o picape da unidade de sabre-
I'
r_
184
lntrodu~io
d prote~io dos ll~temas elltrloos
corrente pode ser escolhido para distinguir entre os ajustes normals e a condi~o de perda de sincronismo. A escolha dos permissiveis pontos de separa~o do sistema, pode ser associada ao uso de urn programa denominado rejeiriio de carga, atuado por meio de reles de subfreqiiencia E preciso que estes reles sejam calibrados de modo a desligar cargas ou circuitos menos priorimrios, quando a separa~o e feita, antes que ocorra completa perda de sincronismo da gera~ilo, com conseqiiente perda do sistema global ou parte dele, por desequilibrio entre gera~o e carga em cada parte. b) Entretanto, se por vezes o desligamento e exigido em certas loca~oes, e preciso que somente nelas isso ocorra. Se os relt\s de distancia em quaisquer outros locais apresentam a tendencia de atuar, urn suplementar equipamento deve ser usado para bloquea-los, nessa hip6tese, bern como durante as oscila~oes, devidas, por exemplo a curto-circuitos distantes, com vistas it manuten~o da estabilidade global do sistema. 0 metodo usado, conforme a Fig. 13.13(b), e bastante engenhoso: a sele~o baseia-se no fato de que a varia~o da impedancia entre a condi~o de opera~o e a condi~o de curto-circuito e instantanea, ao passo que essa varia~o durante a perda de sincronismo e lenta. 0 metodo usado para reconhecer a diferen~a consiste em envolver a caracteristica do rele de distancia, medindo defeito, com uma caracteristica de rele de bloqueio. Quando 0 ponto figurativo da carga passa por s, e atuado urn temporizador de bloq ueio que abre o circuito de disparo do rele de distancia; no curto-circuito, no entanto, esse rele auxiliar nilo tern tempo de atuar, e o rele de distancia atua quando o ponto figurativo percorre o trecho TP. Para esse ajuste silo muito l1teis, imprescindiveis mesmo, as informa~oes obtidas com os aparelhos registradores de eventos (osci16grafos ou osciloperturb6grafos) que mostram nilo s6 a forma das oscila~oes, como o desempenho da prote~o ajustada. Todos OS dados necessarios ao estudo das oscila~oes silo obtidos dos programas de calculo de estabilidade.
13.2.4 EFEITO DE UM CAPACITOR-SERlE NAS LINHAS Urn capacitor-serie colocado na linha pode contrariar as prernissas basicas sobre as quais silo baseados OS re!es de distancia e direcionoi.s; isto e, que: (1) a rela~ilo da tensilo para a corrente na loca~o do rele e urna rnedida da distancia da falta, e, (2) que as correntes de falta estiio aproxirnadarnente em oposi~o de fase sornente para faltas em !ados opostos da loca~o do rele. Em consequencia, o rele poderia sobrealcan~ar. Urn capacitor-serie introduz urna descontinuidade na rela~o da tensiio para corrente, e particularmente na componente reatancia dessa rela~o, it medida que uma falta seja deslocada da loca~o, do rele na dire~o do capacitor-serie e rnesmo alern dele. Pode-se visualizar esse efeito, locando-se os pontos de impedancia no diagrama R-X [Fig. 13.14(a)]. A medida que a falta e rnovida do !ado do rele em rela~iio ao capacitor, para o outro extremo B, a reatancia capacitiva e subtraida da reatancia acurnulada da linha entre o rele e a falta. I'
hotlflo d• llnh••
186
;x ,
•
~TC
Capaoi1or
1
1\
....
l.------,
~-
~----'fiAesistor
__ .... -:,_
OiSJUn1or N,A R
to)
FIGURA 13.14
(
'
)
Prote¥§0 de linha com compensa9ao por capacitor-s~rie
Conseqiientemente, a falta pode parecer estar muito rnais proxima it Ioca~iio do rele ou mesmo antes dessa loca~ilo. Uma forma como esses capacitores silo usados, minimiza o efeito adverso sobre os rele~ de d_istancia [Fig. 13.14(b)]. Urn unico banco e escolhido para comp~nsar nao mrus que metade da reatancia da se~o de linha considerada; se ma1s alto grau de compensa~iio for usado, os capacitores silo divididos em dois ou mais bancos localizados em diferentes locais ao Iongo da linha. Tambem um gape-centelhador de grafite especial, protegido por um resistor, e colocado no banco de modo a centelhar imediatamente quando ocorre uma falta e assirn curto-circuitar o ban~ (a cada meio ciclo urn jato de ar extingue o arco) protegendo-o, enquanto .c1rcula a corrente de defeito. Em outras palavras: 0 banco permanece em. serv~~ norma~men.te,_ e e curto-circuitado durante a falta, retornando_ a~ serVI?? ta? log~ seJa ehmmado o arco (pouco mais que meio ciclo). Isso ehmma, p01s, a' falsa 1mpressiio" que o capacitor "daria" ao rele de distancia. Embora os capacitores-serie constituam um problema adicional para a prote~iio, sabemos que eles silo usados pelas seguintes razoes fundamentals: _a) aument~ a estabilidade do sistema: diminuindo a reatancia indutiva da hnha, perm1tmdo aumentar a potencia transferivel sobre a mesma; b) atuam como reguladores automaticos de tensiio, atenuando as varia~es de tensilo_ pro~enientes das varia~oes lentas ou rapidas da carga; c) im~un~z~ _as perdas a!iv~s, q~a~do ~arioscircuitos operam em paralelo, . Ja que. a d1stnbm~ao das potenc1as e fe1ta mversamente proporcional its resistetlcias dos circuitos; d) a repent~na modifica~iio de urn sistema (curto-circuito; desligamentos) provoca oscll~~oes ,u~ podem ocasionar a perda da estabilidade, por nipido a~mento da trnpedanCia de transferencia entre as barras receptoras e transmtssoras. Com o conveniente chaveamento dos bancos em tais momentos · pode-se minorar essa altera~o de impedancia de transierencia, garantindo ~ estabilidade.
187
186
Prote<;:ao por meio de releamento piloto
13.3
Constitui o melhor tipo de prote9lio de linha onde e requerida alta velocidade de atua9lio da prot09lio com desligamento simultlineo dos disjuntores terminais (isso permite religamento automatico de alta velocidade, podendo-se carregar o sistema de transmisslio mais proximamente de seu limite de estabilidade, promovendo maximo retorno do investimento). E sistema principa!mente usado em linhas multiterminais que complicam o emprego de reles de distlincia convencionais. Os diversos metodos da chamada "prote9lio 100 %" do trecho de linha sao discutidos em cursos mais avan9ados. E ainda usado quando as linhas sao muito curtas para usar o rele de distancia (alto erro de medida), ou quando cargas criticas requerem alta-velocidade de desligamento. E pois, usado tanto em transmissao como em distribui9ao. 13.3.1
de (1,61 .+ j~)% na base de 50 MVA, e o trec~o subseqiiente tern impedancia de (2,68 + }10)% na mesma base, usando-se reles tipo GCX da General Electric ' alimentados por TC de rela9ao 300-5 A. Pede-se os ajustes dos reles de fase correspondentes de acordo com as instru96es do catalogo do fabricante. SOLl' (' AO. Trata-se de urn rele de distancia composto de duas unidades de rea.tancia (zonas I ~ II) e uma unidade mho (zona III, direcional), alem de uma umdade de temponza9lio. Os alcances minima e maximo sao dados na Tab. 13.1. )\ resposta das unidades, para fins de escolha dos tapes, e mostrada na Fig. 13.15. TABELA 13.1
Unidade
Modelo do alcance
Alcance minima (ohm) xmln ou z,,ll
Faixa de alcance (ohm} X,;
Reata.ncia
Padrllo cur to
0,25; 0,50; 1,00
0,10; 0,20; 0,40
0,25 a 10 0,10 a 4
2,50 1,00
2,50 a 10 1,00 a 4
RELEAMENTO COM FlO PILOTO
E usado em circuitos de baixa-tensao enos de alta-tensao quando o sistema E tambi:m usado na prote9lio
carrier ou de onda portadora nao for economico.
de cabos de energia de alta atenua9ao. Em resumo, em linhas curtas (ate 20 milhas) i: o mais economico dos releamentos de alta velocidade. Sua desvantagem principal i: a exposi9ao dos fios piloto; alem disso, nao prove intrinseca prote9lio de retaguarda. 13.3.2
RELEAMENTO CARRIER OU DE ONDA PORTADORA
E o melhor e o mais usado tipo de releamento em linhas de alta-tensil.o (a partir de 34,5 kV). Consiste inteiramente em equipamento-terminal, sob completo controle 'do usuario; logo, muito confilivel. Ali:m disso, pode prestar outros servi9os: telefone, desligamento remota, etc. Ha dois tipos basicos desse releamento: por compara9lio de fases; por compara9ao direcional, mais largamente usado, inclusive aceitando linhas multiterminais mais facilmente. 13.3.3
Aele GCX
Mho
Padr~o
cur to
6.0 a 70' 60 a 70'
. a) Clilculo da reatlincia primaria fase-neutro (ohms), da primeira se9lio da hnha (zona I). 10 · kV 2 10 x 1542 /(p,= kVA:·X%= 50000 x6=28,5Cl. b) Calculo da reatlincia secundaria fase-neutro vista pelo rele instalado no inicio do prhneiro trecho. X
=X 81
pt
RTC = 28 S 300/5 _ RTP ' 154000/115 -l, 3 Cl.
RELEAMENTO POR MICROONDA
E urn sistema-radio que exige visibilidade direta entre as torres repetidoras; e completamente dissociado da linha de transmissao, sem OS problemas de atenua~Oes que afetam o carrier nos cabos de energia. E bastante mais oneroso, justificando-se onde os outros sistemas nao sao aplicaveis, e principalmente se outros servi9os sao exigidos (telecomunica96es, telecomando, telemedi9ao, alem da teleprote9lio).
13.4
z.
Angulo de c_(<)
EXEMPLO 1. Deseja-se proteger o trecho AB de uma linha de transmissao ABC de 154 kV, sabendo-se que o primeiro trecho representa uma impedancia
} TGPO'~ ••
x:.!..
Aplica<;:oes de prote<;:ao com reles de distancia
T
R
FIGURA 13.15
Exemplo de .ajuste de rel9 de distancia tipo GCX da G.E.
188
lnlriJdu~lo II p10t~lo dot,,,.,., elltrl«~r
Supondo a zona I cobrindo K = 90% da se9io, vern X 8 = 0,90 · X 81 = 0,90 x 1,3 = 1,17 n.
Essa reatdncia cabe na faixa de alcance do rele (0,25-10 n); alem disso e pela recomenda9io do fabricante, escolhe-se o maior Xml• tabelado, e menor que X 8 X min = 1' 0 no alcance padriio (seu •emprego e usual). Logo, o Calculado '· se;a ~ tape do primeiro trecho sera ajustado para, aproxtmadamente,
'li
as distdncias que serao protegidas, bern como seus respectivos tempos de atua9lio
Analogamente, calcula-se para a reatdncia de 10%: 2 _IOkVt. 0 .RTC=IOx154 x x~= lHl. Xs2- kVA b X% RTP 50000 IO 1340 2' Admitindo que a zona II cobrira ate 50% da segunda se9io e adotando Xm1, e= I, conforme instru<;Oes, o tape sera -
lOOXml• = X 81 + 0,5X 82 1,3
1,0 + 0,5 X 2,17
X
(diagrama distdncia-tempo); b) idem, com rela9lio aos valores primaries; c) diagrama R-X das diversas zonas de atua9lio, com os circulos caracteristicos (valores primaries); d) calcular .os valores das caracteristicas eletricas do item b, que sao realmente vistos e medidos pelo rete; e) calcular as resistencias de ajuste do rele, de acordo com as informa<;Oes do catollogo do fabricante (prote9lio de fase).
®
SS,Ikm
I
E
·~·m
I
®
SOLU(:AO. Segundo o catalogo do rele, para tens1Ses acima del45 kV, os reles tern caracteristica de impedilncia-combinada; como esta ultima e usada quando e desejavel a compensa9lio de arco voltaico, usaremos a primeira. 0 angulo de curto-circuito (ou angulo da linha) vale
0 angulo ·de impedilncia da linha e calculado a partir de
+ j6) + (2,68 + jiO) = 16,6/J.i,
X' = arc tg 0,4l "'• -= 70° , = arc tg R' ou 'I' 0 15 (este valor ja eliminaria o uso da caracteristica de condutdncia, s6 indicado para ,p• .;;; 60°). ' Os ajustes do rele, ou seja, os alcances das suas diversas zonas, variam de projetista para projetista, em fun9lio de diversos fatores. Vamos adotar, pois, o esquema de ajustes a seguir, aconselhados no catalogo do rele (Fig. 13.17).
-" 'l'k
ou seja, II = 75°.
Tam hem - Jokvt. 0 • RTC = to x 1542 x 16 6 x ~ = 3 53/1in. Zs,- MVA• Z% RTP 50000 ' 1340 ' Supondo que a terceira zona alcan9ara pelo menos 10% da terceira se9io (desconhecida, no caso), e escolhendo na tabela o angulo de conjugado maximo , = 60° (para melhor acomoda9lio da resistencia de arco voltaico) eo Zm,, = 2,5 da unidade padrao, resulta o tape para a zona III:
t
• •••
_ 100·Zm1,·cos(0-<) _ 100 x 2,5 x cos(75-60) 7iu liZ I 1 x 3 53 '
'
=
2,!%, 6 °
ou seja, escolhe-se o tape 62%. Em resumo, serao escolhidos para as zonas I, II e III, respectlvamente, os · tapes 85%, 42% di2%.
1-
80°/o(£''-..8)
8!5°/oiP.-cx ) tl[
S3
D
I
53.2km
FIGURA 13.16
d) Calculo do ajuste para a terceira se9io (zona III).
'
e
B 58,1 km
100 = 42% "
ou seja, o tape 42% e escolhido.
Z = (1,6
EXEMPLO 2. Urn rele de distdncia tipo R3Z27 da Siemens instalado em A, conforme a Fig. 13.16, devera proteger o primeiro trecho da linha indicada, sentido de atua9iio de A para B, do sistema triflisico 345 kV, 60 Hz. · Os condutores tern impedilncia R' + jX' = (0,15 + j0,41) njkmjcondutor. Os T P tern rela9lio 300 000/100 V e os TC silo de 400/5 A (tipo 10H200). Sabendo-se que se deseja uma medi9lio sem compensa9io de arco voltaico, pede-~e para o rele instalado em A: a) esquema caracteristico das zonas de atua9lio do rele no que se refere
= 100·Xm,• = 1,00 100 = 855% Xsl 1,17 x ' o,
ou seja, para o tape 86% (ajustes a cada 1% siio disponiveis no rele). c) Calculo do ajuste para a segunda se9lio (zona II).
7;1 -
189
tz 4 A
~
jM• _j
t•
L
IV
2,!5s
0,4•
n
90°/o(l-2)
....•
.IOOu s
01 I>!
I-B-4
j" FIGURA 13.17
----•
£ckml
Introdu~lio
190
aprotefliO dos sistemas eletricos
Prote9lio de linhas
a) Assim sendo, a primeira zona de atua9ao do rele pr_otege 90% do trecho 1-2 (10 :;, de margem de seguran9a, levando em conta que a resistencia do arco voltaico seja dessa ordem). 0 tempo de atua9ao da primeira zona e o tempo proprio do rele, cerca de 50 ms. En tao calcula-se o alcance da zona I: Z1
= 90 %(1-2) = 0,90 x 58,1 = 52,3 km,
= 10 %(2-3) = 0,10 x 53,2 km = 5,32 km, = 100%(1-2) + 90%(2-3) = 58,1 + (53,2-5,3)"" 106km.
l-
191 v
'v
3,5g
40J\.
'n
tr
....... :t
t
t----lv
52~
'lv
""""t
!I
~ 0,4g
2.5g
0,4g
•
2
A segunda zona de atua9ao protege 80-85% do trecho (1-a). Adotomos 15% de margem de seguran9a, resultando
4
5
lcotmJ
FIGURA 13.18
Zn = 0,85(1-a) = 0,85 x 106 = 90,1 km.
lgualmente, para a terceira zona, recalcula-se agora a partir de 2:
c) 0 correspondente diagrama R-X, em valores ohmicos primarios, em escala convemente (1 em= 100) e mostrado na Fig. 13.19
= 10%(3-4) = 0,1 x 58,1 = 5,81 km, l' -a'= 100%(2-3) + 90%(3-4) = 53,2 + (58,1-5,8) = 105,5 km, = 0,85(1' -a') = 0,85 x 105,5 = 89,7 km.
a'
400-5A
Igualmente,
+ 58,1-89,7 = 21,6 km, 100%(1-2) + 100%(2-3) + 100%(3-4)-/3, 58,1 + 53,2 + 58,1-21,6 = 147,8 km.
f3
= 53,2
l"-/3
= =
'fil• r
il'C' !
_L
Por sua vez, a terceira zona protege 80% (l"- /3), com 20% de mar gem de seguran9a, ou seja, seu alcance sera
Tfl
na segunda zona, na terceira zona, na quarta zona, na quinta zona,
tm
=tn + 0,4 s,
t1v = tm + 2,5 s, tv = t 1v + 3,5 s.
z = J R 2 + X 2 = J 0,15 2 + 0,41 2
=
FIGURA 13.19
d) Os valores realmente vistos pelo rele (valores ohmicos secundarios) sao calculados assim (veja a Fig. 13.19):
z
J 0,1906 = 0,44 0/km.
=
'
z
RTC, 'RTP
on de RTC
Logo, na prirneira zona,
--=
zl', = 0,44
x 52,3 = 23 o, = 0,44 x 90,1 = 400, zvm = o,44 x 118,2 = 52 o.
A Fig. 13.18 resume esses calculos.
'til•·
t, = 50ms, tn = t1 + 0,4 s,
b) Os val ores ohmicos primarios "vistas" pelo rele sao
zv"
-
I
Quanto aos tempos de atua9ao, teremos, como usual, na prirneira zona,
,.. 300
- -000 -v
-+---------, {+-·-·---,
.L·-·-··~··..J
Zm = 0,8(1"- /3) = 0,8 x 147,8 = 118,2 km.
~'"
·~-·,
I
R TP
400/5 300 000/100
1 37,5
=--·
Logo, os valores para calibra9ao do rele serao 23 = 37,5 = 0,60,
192
lnii'Odu~lo d pro~lo
40 = 37,5
= 1,1 Cl,
52 Z,m = 37,5
= 1,4 Cl.
z.u
dor rlllflllllll e/ltrlcor
ProlefliO de linhaa
E como as regras-bornes estao montadas em serie, basta ajustar
r;; =
consultar o catalogo do fabricante, onde e indicado esse calculo segundo a expressao 2Z,
2 · Z,m 2 x 1,4 rDI = C,. C3 = 0,5 X 1 = 5,6 0 ou r~ 1 =
rm-ri1 -r1·= 5,6-2-2,4
=
1,2!1.
A Fig. 13.20, correspondente a regra de homes, esta indicando como obter esse valor, pela sel~o dos shunts convenientes:
r=---·
c,. c,
i 'I
r 11 -r1 = 4,4-2,4 = 20.
Para a terceira zona, vern igualmente
e) CtUculo das resistancias de ajuste do rele
E preciso
193
onde C1 e C 3 sao as constantes do rele, cujos valores sao
c, =
0,1; 0,2; 0,5; 1; 2;
C3 = 1 (shunt de 50 mO), = 2 (shunt de 100 mO), = 3 (shunt de 200 mO);
'I : 1+0,2+0,4+0,8 :2.4 Ohms
o fator 2 leva em conta o retorno da corrente. 0 ajuste e feito por tentativas, combinando-se Z, de cada zona, com os disponiveis valores de C1 e C 3 , e selecionando-se na regua de homes do rele os shunts convenientes. Por exemplo, seja
f'n = 0.4+1,6=2,0
,.
0
c, = 0,1, c. = 1. Enti!o, viria
2 X 0,6 r, = C · C = 0,1 X 1 = 12 O. 1
FIGURA 13.20
3
Vern agora
c,
= 0,5,
c. =
2 X 0,6 r 1 =0,S X =2,40
1
1.
(<7,30),
Como a regua de homes apresenta urn valor fixo de 1 n, basta selecionar OS demais shunts para ajustar r1 , correspondente ao alcance que o relt\ "vera" em sua primeira zona, · r 1 = 1 +0,2 +0,4 + 0,8 = 2,40.
Como observa9iio fina~ procederia-se analogamente para o ajuste dos demais trechos, se assim fosse desejado. EXEMPLO 3. 0 sistema da Fig. 13.21, deve ser protegido por meios de reles de distancia, tipo KD-4 da Westinghouse. Pede-se ajustar a prote9ilo de fase para a prirneira e a segunda zonas, correspondentes ao disjuntor 52-1, sabendo-se que os TC de bucha disponiveis tern rela9ilo 50 a 600-5 A. SOLU(:AO SEA
"'"' ·--
s • 52-~
SEC
73km 266,8 MCM
140km 397,5 MCM
ISBkV
Para as demais zonas e obrigat6rio manterem-se os mesmos valores de C 1 = 0,5 e C3 = 1. Vinl, pois, 2· Z,8 2 x 1,1 'n = C 1 · C3 = 0,5 x 1 = 4•40·
•
r•m = 0,4+ o,s =1,2 Ohme
2' Z,1
Observando-se a regua de homes do rele, Fig. 13.20, verifica-se que se todos os shunts estivessem abertos, a maxima resistencia de ajuste possivel seria 7,3 n. Logo essa escolha nao foi boa. Tentamos outra vez com
Ohms
l38k y
ZE r•o 215Mtl
S4,15kV
12,s?•t. ~IGURA
13.21
-·- """ ISSI!.V
194
Introdu~iio
lz proteriio dos sistemas e!etricos
Segundo o catatogo do rele, seu autotransformador (T) tern tres tapes (S = 1, 2, 3) no enrolamento principal e, no enrolamento terciario (M), tern mais quatro tapes que podem modificar S em multiplos de 3%. Assim, o alcance original (T = 0,87 a 5,8) pode ser expandido dentro de ± 1,5% desde 0,737 ate 21,3 Q, conforme a Tab. 13.2, esta fornecendo os ajustes do rele em fun91io de urn valor z, calculado. a) Oilculo da impedancia da linha SEA-SEB Zohm
=
Protertlo de linhas
195
b) Calculo dos ajustes da primeira zona Entrando como valor de Z, calculado, na Tab. 13.2, o valor mais proximo e 1,86, e que corresponde aos seguintes valores a serem ajustados no rele: T = 2,03,
S = 1,
Z
_
1
tg
X
"R
=
tg
65'.
Segundo o fabricante, o rele vern ajustado de fabrica para condi9iio de conjugado mAximo em
e = 75°,
e nao precisa ser modificado para angulos
de linha iguais ou maiores que 65' (see calculado fosse inferior a 65', dever-se-ia ajustar parae = 60', somente para a primeira zona: 0 catalogo indica 0 calculo). Os val ores-base escolhidos foram 100 MVA e 138 kV; resulta a impediin-. cia-base kV 2 138 2 z, = MV~, = !OO = 190,44Q. Assim, a impedancia (ohms primarios) do trecho SEA-SEB sen\ Z o hms = Z pu 'Zb ase = (0,00294053
X
73)
X
190,44
=
corrente prim8.ria nominal seja maier que a corrente de carga prevista e maier
que I /20 Seja pois RTC = 300-5 A = 60:1, na ausencia de outros dados. Tamb6;;;'xRTP = l38000/j3/115/J3 = 1200:1. Entfio, se ajustarmos a primeira zona para urn ponte de equilibria co-. brindo K = 90% do trecho a proteger, a impedancia secundaria "vista" pelo
%
= 40,8796
X
0,9
i:~~~:
X
100
=
+ 1,012%,
cund8.rio desse transformador, correspondente ao tape de menor impedancia;
isso para evitar-se que o alcance da segunda zona "veja" alem do secundario do transformador, descoordenando-se com a prote91io de sobrecorrente deste. No caso, o transformador de 25 MVA tern impedancia z,, = 0,1237pu ou seja z,, = 0,4948 puna base de 100 MVA ou z,, = 94,2297 Q. Calculando K 2 Z, vern K,Z = 0,7
72,394 = 50,6760Q,
X
ou seja, o pretendido ajuste da segunda zona (K 2 = 0,70) nao sobrealcan9ara o secund8.rio do transformador, como se desejaria. A impedi\ncia total de ajuste da segunda zona e, pois,
Zv
=
40,8796 + 50,6760
=
91,555 Q primarios,
ou, referido aos terminais do rel6,
Z,u =
=
A linha de 140 km, em cabo 397,5 MCM, tern impedancia Z 1 = 0,002715 2 pu/km (base 100 MV A). Como Zb = 190,44, resulta a impedclncia·- em ohms-prim:lrios: Zohms = = (0,00271532 X 140) X 190,44 = 72,394 Q. Quanto ao alcance da segunda zona, como adotamos K 1 = 0,90 para a primeira zona, vamos adotar K~ = 0,70 (ou seja K 2 = 1,70). E preciso tomar cuidado, no en tanto, ja que M urn transformador abaixador entre SEB e SED. E necessaria que K 2 Z seja menor que a i~pedftncia entre o primftrio e o se-
rele sera
z,1
2 03 1 • X = 1 86238 Q 1 + 0,09 ' .
=
Logo, o erro cometido na aproxima91io feita sen\
40,8796 Q.
Para a conversiio em ohms-secundarios, deve-se escolher a R TC tal que a
RTC zv. K1. RTP
R = 0,03.
c) Calculo da impedancia da linha SEB-SEC
ou seja, =
e
ou seja, o rele tera urn alcance de 101,2% do desejado, o que e ainda muito razo8.vel.
_ 1 0,00265867 _ 0,00125627 - 2116320 ' '
0
~ 1±M
=
Z 1 = 0,00294053 pu/km = 0,00125627 + j0,00265867. Logo, o ilngulo da linha e
L = 0,09
A esse valor tabelado corresponde realmente, conforme o catalogo, uma impedancia de
Zpu X Zbase'
A linha de 73 km, em cabo 266,8 MCM, tern impedancia (base 100M VA)
M = +0,09,
=
RTC Z, · RTP
=
91,555
60 1 200
=
4,577 Q.
d) Calculo dos ajustes da segunda zona X
60 = 1,8396 Q. 1 200
Da Tab. 13.2, para o valor mais proximo de Z,u, e que e 4,62, vern
T
=
4,06,
S
=
1,
M
=
0,12,
L
=
0
e
R
=
0,09.
---
-
--·
I
,I
196
Introdu~iio Q prote~iio
dos sistemas eletricos
Protefiio de linhas
197
A isso corresponde (/ .IdAO
I
c<"l
7
1 c<"lO'l
'\/
JdAO
N
TS
z= 1+M -
c<"li..DO'l,O'lf.Ot.d'
0000000000000 o~
o~o~
o~o~o~o~o"o"
4,06 x 1
= 1- o12 = 4,6136 n, '
e o erro de 0/
/o
= 4,6136 4 577
X
100 =
'
+ 1 0/ /o•
e) Fixa91io das temporiza9oes Adotaremos para a segunda zona a temporiza9iio de 0,3 s, feita por meio de urn temporizador TD-5, consideradas outras informa9oes nao fornecidas no enunciado.
~
+
EXERCICIOS
I I I I I I I I I I I
I~
1. Uma linha utiliza 40 ~ de compensa9[o com capacitores-serie, conforme a Fig. 13.22. Pede-se representar em urn diagrama R-X, tomando a loca91io do rele como origem, o trecho de linha com os capacitores inseridos, bern como urn rele mho ajustado para j0,90. Considerar a loca91io dos capacitores no inicio e meio da linha, respectivamente, comentando os resultados de opera91io ou niio do rele. A
;Jc
D
0,2
-t
j 1,0
- j0,40
~~~~~~co~~~f5~?§ ;o:t<~ IL").. U")...
I!')
ll"'l..
.n"
Lt"l..
It')..
!.0"
r.o" c.o"I.O"' r-"
...."'
0
I
FIGURA 13.22
2. Deseja-se proteger uma linha trifasica de 69 kV, extensao de 8,045 m, com urn rele de reatancia tipo GCX, da General Electric. A maxima corrente de carga e de 450 A, e a impediincia da linha corresponde a (0,087 + j0,50) 0/km. Pede-se o ajuste do rele, para o caso de levar-se a prote9iio de segunda zona ate urn valor de 1,5 0 secundarios e a· terceira zona a 2, 75/80° 0.
0
NI..D,......<.C,......t'--e<"lO'l<:Dc<"l,......O'l
r-..r-.coCOO'lO'lOO,........Nc<"lc<"l "7"., ,.....;' _ .. ,......"' ,......" ....,"
c<"l (.0•0') c<")
C''t C't C''t
r-.-
c-f
C'f"
U")
O'l
C!1, c<"l., "<~'<., ~.. '
C'f c-.s" ~
O'l
N"'
c..f
Ll")-
'!1, lf't tr:l., r-..,
------'":"'-'7"--"7"
:ll. c:. 8. :g_ g)_ ::;_ :=:_ 2q, I I I I I 0'":"'':""'--"7"--
3. Urn sistema de transmissiio de 380 kV, trifasico, singelo, consta de quatro trechos de linha com 100; 50; 150 e 200 km de extensiio, respectivamente. A impedancia especifica da linha e de 0,2 0/km. Para reles de impediincia colocados no inicio do trecho de 50 km, e supondo 8 = T = 80°, pede-Se: a) esquema caracteristico das zonas de atua91io do rele, no que se refere as distancias, e valores de impediincias primarias correspondentes, bern como tempos de atua91io, que seriio protegidas. b) tra9ar os circu!os de impediincia no diagrama R-X para as zonas de atua9iio do rele.
I Coordena9lio da prote9io de um sistema
CAPITULO 14
COORDENAc;:Ao DA PROTEc;:Ao DE UM SISTEMA 14.1
lntrodU<;:ao
Urn sistema eletrico deve ser equipado com diversos dispositivos protetores, estrategicamente situados, destinados a protege-lo efetiva e seguramente contra todos os defeitos de isolamento ou outros funcionamentos anormais. Nos capitulos anteriores foram apresentados muitos desses dispositivos, principalmente reles, aos quais se juntam os fusiveis, os disparadores de a~ao direta, etc. Os fusiveis e disparadores sao encontrados, particularmente, nos sistemas eletricos industrials. Tais dispositivos niio atuam independentemente; ao contr3.rio, suas carac~ teristicas de opera~ao devem guardar entre si uma determinada rela~ao, de modo que uma anormalidade no sistema possa ser isolada e removida sem que as outras partes do mesmo sejam afetadas. Isto e, os dispositivos protetores devem ser coordenados para opera~ao seletiva. Nessas condi~oes, podemos dizer que as finalidades da coordena~ao seriam: a) isolar a parte defeituosa do sistema, tao proximo quanta passive! de sua origem, evitando a propaga~o das conseqiiencias; b) fazer esse isolamento no mais curto tempo, visando a redu~ao dos danos. Sao usados para isso, tanto dispositivos detetores, como os fusiveis, os disparadores, e os reles que vigiam constantemente os circuitos, como tambem dispositiVOS interruptores que desligam OS circuitos quando necessaria. Um primeiro passo nesse estudo, seria a determina~iio das condi~Oes de opera9a0 (nominais, maxima e minima, de sobrecarga), de defeito (diversas correntes de curto-circuito), e mesmo de situa~oes excepcionais como partida de motores, magnetiza~o dos transformadores, etc. Necessita-se, pais, de urn perfeito conjunto de informa~oes iniciais, obtidas nas placas dos equipamentos, catalogos, medi~oes diretas no campo ou dadas pelos fabricantes.
14.2
(
Principios de coordenac;:ao
Costumamos dizer que dois dispositivos em s6rie, ou cascata, estao coordenados se seus ajustes sao tais que ao segundo dispositivo, mais proximo da
I
.I
199
fonte, e permitido eliminar a falta caso 0 primeiro, mais proximo do defeito, falhe na atua~iio. Denomina-se tempo ou degrau de coordena~ao o intervalo de tempo que separa as duas hipoteses anteriores, e que deve cobrir pelo menos o tempo proprio do disjuntor, mais o tempo proprio do rele e uma certa margem de tolerancia; por exemplo, em sistemas industrials (disjuntores de 8Hz), tal degrau e da ordem de 0,4-0,5 s. Naturalmente, na busca de uma perfeita coordena~ao devemos respeitar a) certas diretrizes para ajuste dos dispositivos; b) as limita¢es de coordena~ao fixadas pelos c6digos; c) o desempenho termico e dinamico dos equipamentos envolvidos; etc. Isso conduz o projetista a analisar, por vezes, muitos fatores aparentemente contraditorios, polemicos mesmo, tendo em vista aspectos de seguran~a, economia, simplicidade, previsao de expansao, flexibilidade, facilidade de manuten~ao e custo, por exemplo. E pois nossa inten9iio, apenas delinear o problema geral da coordena~o, deixando consciente e deliberadamente ao leitor a busca da imprescindivel aprendizagem propria e analise de risco em suas decisoes futuras.
'I
.!!
14.3
!
A geometria da protec;:ao
E assim denominada a superposi~iio, em urn mesmo plano (tempo-corrente, corrente-tensiio, resistf:ncia-reatancia, etc.), das caracteristicas do sistema e dos dispositivos de prote~iio, com a finalidade de examinar o comportamento destas em rela~o aq uelas. A principal. vantagem e uma clara visualiza~iio do comportamento dos diversos dispositivos. face as condi~oes existentes no sistema. Nesse trabalho utilizamos particularmente os pianos tempo-corrente, no ajuste da prote~o de sobrecorrente, e resistencia-reatancia no ajuste da prote<;iio de distancia. Para melhor esclarecer esse tipo de trabalho, iremos desenvolver a seguir urn processo de coordena~iio, aplicado apenas a dispositivos de sobrecorrente, aproveitando para apresentar concomitantemente algumas diretrizes de ajuste e limita~oes de normas, para mostrar urn raciocinio-roteiro a que comumente se sujeitam os projetistas de prote~ao. Ainda mais, vamos desenvolver a verifica~o gnifica de tal coordena9iio, complementando as no96es adquiridas nos capitulos anteriores, por ser urn metodo bastante usual, simples e claro.
14.4
Metoda de verificac;:ao grafica de coordenac;:ao da protec;:ao de sobrecorrente
Seja o sistema dado pelo diagrama unifilar da Fig. 14.1 para o qual pretendemos ajustar a prote~o de fase, utilizando reles de sobrecorrente tipo IAC-51, da General Electric.
Coordena~io
200 Fonte
I
-l-
""' 1051600A
259/6:SOA
-+~•·
FIGURA 14.1
'"" "'
"'
-<8•·
Esquema unifilar do sistema
a) Caracteristica do sistema 0 primeiro passo na sele¢o dos ajustes de dispositivos de prote~o e o calculo das correntes de curto-circuito. Para isso, deve-se obter previamente outras informa~oes como: tipo, comprimento e bitola dos condutores; potencia, tensiies, impedilncias dos motores e transformadores; rela~o de transforma~o e carga dos transformadores de instrumento; modelo, tapes disponiveis, curvas tempo-corrente dos reles, etc. No caso presente, escolhendo-se as bases de 15 000 MV A e 2,4 kV, obtem-se as sej,intes correntes trifasicas de curto-circuito: f.~· J •• ' "" ,,J ""'ti\f<\... ·--+ L g :::; J<;. " /.Mlo
'
1000 HP tn= 240A lp : 1440A
2,5MVA-s,s•to I:S,8-2,4kV
15MVA-6o/o :s4,5 -1:s.e kV
"""
'
.,.
ISOLA
I( V"V
201
'
11·t
da prote~io de um sistema
TAB ELA 14.1
I
••
I
••
r--:::
I
: f •• ~ ••'
••
Fator
Icc assiml:trica
34,5 kV 13,8 2,4
361 000 A 51500 9020
1,6 1,6 1,5
577 000 A 82400 13 500
b) Uso da folha-padriio KE-336E Trata-se de uma folha transparente em escalas logaritmicas nos eixos horizontal (corrente) e vertical (tempo), semelhante itquelas em que os fabricantes fornecem as curvas caracteristicas de seus dispositivos, permitindo o trabalho de superposi~o direta das mesmas, com auxilio de urn "copiometro" ou retroprojetor. Nessa folha (veja a Fig. 14.3) costuma-se: vinarcar as correntes nominais na parte superior, as correntes de curto-circuito na parte inferior; -tra~ar no canto superior direito o diagrama unifilar do sistema em estudo; -marcar outras informa~es (correntes de partida, de magnetiza~iio, etc.), como adiante citado; Anarcar o nivel de tensao de referencia (o menor, em geral), junto it escala de correntes de curto'circuito.
'
"
~
Icc siml:trica
I
~
I
Barra
:I
1-:::
1\
•••
I•
... •
I
'
I
FIGURA 14.2
c) de
Localiza~o
D
..l
Curvas tempo corrente do rele lAC 51
dos transformadores no plano I x t
Os transformadores devem obedecer os limites de sobrecarga e correntes normalizados.
magnetiz~o
i) Ponto ANSI
Jet 1>6 P..
Corresponde ao maximo valor de corrente simetrica de curto-circuito que o transformador pode suportar durante certo tempo (Tab. 14.2), determinado pelas Normas Tecnicas ANSI (antiga ASA).
202 ,oo
""'
IntrodUfiiO
..
'
, •
"
0
~
'"" .,
!500
""'
1000
'""'
.
TII51NA
~-
~
~
I,= _P_ =
""
.
!3.8 kv
16
Como e usual escolher-se a men
'
'
~) Ttf~: I =ro
'
'"" 4160
l+t\-H--t+!Hj~~-1= ,. -"' DT
~·A A2,5
or= 2
ASA 15MVA
as interpolac;5es, viria
'
'
'
I.= Bloq.
Loca-se, pois, o ponto representativo do transformador em (60 000 A x .J ,) Igualmente, para o transformador de 2,5 MYA, com Z% = 5,5 %, fazend,,.,e
DT= 4 I= 8
A
TAP: a
20+16,61 3+4 2 "x -2-s,
,J.-fo~-++++'l'*H+'1"'""'-1-+-Pf.l•=' i• 'l~,+.,.+.-l-"l-1'""----,.,+_+11-+++++-i-++.-tJ27~~[ ~ }o.4. :: 0,
•'
60000A.
'
8 ' l1
4
~ '1 =
X
l/4
!5
i
.j3
16,61, = 252 x 16,6 = 4 160 A.
• ••
"
15000 = 252 A. X 34,5
.j3 U
Logo, a maxima Corrente permissive] durante 4 s (Z% = 6 %) e
4 100/S 200 iO l
'
203
Para o transformador de 15 MYA, vern
,.
.
CoordenafiiO da proteriio de urn sistema
21
''
~
~
""'
""
aprolefiO dos sistemt/3 eMtrlcos
ou seja
18,3/,
0,4
Logo,
FOil<> Coord.
'
X
2500 18,3 ;-;; = 18,3 V 3 X 13,8
3,5 S. 105 = 1 920 A,
X
que, referido it ten sao de 2,4 kY, fornece 1 920 x
1
}~8
= 10 900 A.
' Loca-se-o, pois, em (10 900 A x 3,5 s).
ii) Correntes de magnetizat;iio
E preciso que os reles niio atuem na energiza9iio dos transformadores. Na falta de dados do fabricante, vamos admitir que a corrente de magnetizaQiio L. ~ l seja de 8/, com dura9iio de 0,1 s; vira b !M.\)1\. f'WU ·
{.'J:}o
fi.IGURA 14.3
TABELA 14.2
Impedi\ncia % do transformador
T15MYA:
Verificac;:ao grafica de seletividade
'I
Tabela ANSI
Icc max simCtrico, em multiplo de I, (A)
15000
..[3 X que, referido it barra de 2,4 k Y, da
Tempo admissivel, em segundos
201 x
2 3 4 5
81,=8x
T2,5 MVA: ou 843 x
34,5
=201A,
'd)'MJ}->
fW
;wwJ rx ~
0(__..--
~JQ - I O.J.
e
34 5 • = 28 800 A, ~ -" '('(Y' ' 2,4 2 500 ~,oJv ~JJI 81 0 = 8 X = 843 A, .j3 X 13,8
~4, 8 =
4810A.
vJ:f. 1I? }
Introdu~ifo tl prote~lio dor
204
list"'"" ell!trlcos
Locam-se, entii.o, os valores das correntes de magnetiza\'lio nos pontos de coordenadas (28 800 A x 0,1 s) e (4 810 A x 0,1 s). Ent:io, a curva do rele protetor de cada transformador deve-se localizar acima do ponto de magnetiza\'lio e abaixo do porlto ANSI, correspondentemente (veja a Fig. 14.4). d) Localiza\'lio do motor no plano I x t
E usual fazer-se a coordena~o para o ramal que contem o maior motor. Consultando-se o catalogo do fabricante, ou realizando oscilogramas, obrem-se os valores medias correspondentes a partida do motor (corrente e tempo): IP = 1440 A,
I
I'
II
tP = 1 s.
Como esse par de coordenadas sera o limite esquerdo na folha-padrii.o, e ja que I, do motor e de 240 A, vamos usar o multiplo 100 na escalade correntes, tra9ando uma vertical a partir de 240 A (parte superior da Fig. 14.3) e locando as coordenadas de partida (a partir de 1 440 A na parte inferior da Fig. 14.3). Esse pori to representativo do motor (1440 A X I s) e a base para 0 tra9ado sucessivo das curvas tempo-corrente dos reles 1 a 5, e que ficarii.o a direita do
":oordenQfio da prote~io de um sistema TABELA 14.3
~ Rele
I
2 3 4 5
I I
e)
Localiza~o
Tabela de conversao de
tanes (V,.=2.4 kV)
4A
5A
6A
SA
lOA
12A
320 640 920 3 680 4600
400 800 I 150 4600 5 750
480 960 1380 5 520 6900
640 280 1840 7 360 9 200
800 1600 2 300 9 200 11500
960 1920 2 760 11040 13 800
I
16A
RTC
1280 400/5 2 560 800/5 3680 200/5 14 720 800/5 18 400 400/5
v 2,4 2,4 13,8 13,8 34,5
Realmente, suponhamos que os transformadores possam permitir uma sobrecarga de ate 133 %. Ainda mais, conhecemos das Normas Tecnicas que: o dispositivo de
prote~o
lado, no maximo, para 2,5 I ,. 2
do ramal secundario do transformador e regu;
o dispositivo de prote\'lio de sobrecorrente do primario do transformador e regulado da forma que segue.
mesmo. !'I
206
TABELA 14A
dos tapes dos reles no plano I x t
No catalogo do rele IAC-51, verifica-se que M os seguintes tapes disponiveis: 4, 5, 6, 8, 10, 12, e 16 A. Em bora nao seja obrigat6rio, e uti! loca-los na folha-padriio, em barretas, organizando previamente uma tabela de calculo. Esta e obtida, para cada tape, em fim~o da rela\'lio do transformador de carrente (RTC), da tensii.o da barra em apre90 (V) e da tensii.o da barra de referencia escolhida (V, = 2,4kV), por meio da expressii.o K = RTC x
v
1/.
x tape.
0 dispositive primario de sobrecorrente ajusta-se para:
H3. dispositive protetor de
sobrecorrente no secundA-rio?
.;;4 1, 1 seZ%=6a10%
Sim
~6 J,. 1 seZ%<6% ~ 2,51111
NAo
E, pais, necessaria calcular-se os valores 1,33; 2,5; 4,0 e 6,0I,r para cada transformador e locar as barretas corresponden:tes na Fig. 14.3:
h
Por exemplo, para o tape 4 A do rele n.' 1. vi ria K 4'=400 5
X
2,4
2,4
X
4=320A
TABELA 14.5
e para o tape 16 A do rele n.' 4 K •16
=
800 5
X
13 8 2,4•
X
133%
250%
400%
600%
15MVA(34,5kV) 2,5 MVA(13,8kV)
335 140
630 252
I 000
420
1500 630
252 105
15 MVA( 2,4kV) 2,5 MVA( 2,4kV)
4820 805
9050 1445
14400 2410
21600 3620
3630 600
'
16 = 14 720 A.
Resulta, pais, a tabela a seguir (Tab. 14.3). Na Fig. 14.3, tais barretas foram locadas, convenientemente, para facilitar a escolha dos tapes (nem sempre seriio os mais pr6ximos aos valores nominais). I) Localiza~o das barretas para os transformadores
Semelhantemente, convem tra9ar as barretas representativas dos trans' formadores, para as condi9oes pre-fixadas e normalizadas.
g)
Localiza~o
I,,
da curva do rele n. • 1
Trata-se do rele de sobrecorrente protetor do motor. Logo, sua curva deve ficar acima . do ponto correspondente ils condi9Des de partida (I p x t p ), com aIguma margem.
206
lntrodufiio Q prote~iio .dos siste11UIS eMtrlcos
Vamos admitir que neste estudo estabel~amos o degrau de temporiza(:io de 0,4 s entre os reles em cascata. Isso equivale,. aproxiruadamente, ao seguinte: tempos do disjuntor de 8Hz e rele tolerancia de fabrica(:io seguran_,. do projetista Total
.. .I I
Entao, como o rele do motor nao tern que esperar nenhum dispositivo jusante operar, basta adotar t = 0, 10 + 0, 17 = 0,27 s acirua das coordenadas de partida, obtendo-se o primeiro ponto de coordena(:io PC-1, da Fig. 14.3. Para o tra~ado da curva do rele n. 0 1, lan~amos mao das curvas tempo-corrente, fomecidas pelo fabricante em papel transparente e das mesmas dimensoes que a folha-padrao KE-336 (Fig. 14.2). Como faremos superposi(:io das duas folhas, e uti! usar um copiometm (caixa com liimpada interior e vidro na tampa) ou um retroprojetor, ou mesmo uma outra superficie transparente como a vidra_,. de uma janela. Ora, como o transformador de 2,5 MVA admite sobrecarga de 133%, a curva do rele deverS. passar a direita dos pontos 133% e de coordena(:io n. o 1. Verifica-se; pois, que na barreta do rele n. o 1, e na prumada de 133 %, serviriam apenas os tapes 10-12 ou 16 A. Escolhamos o tape n.o 12. Em seguida colocamos a folha virgem sobre a folha de curvas (I x t) do rele, tal que ajustando as linhas verticais e horizontais, o multiplo 1 da folha do rele fique exatamente por baixo da prumada correspondente ao tape 12 A. Em seguida, basta decalcar, a lapis, sobre a folha virgem uma curva de DT que passe imediatamente acima do primeiro ponto de coordena(:io, ou seja DT = 1! (interpolado entre DT = 1 e DT = 2). A unidade instantiinea do rele e sempre ajustada em fun(:io da corrente assimetrica, ou seja, cerca de 1,5 x I = 1,5 x 1440 A = 2 160 (fator 1,5 por • I ser a barra de tensiio inferior a 5 kV). PSeja I ••• = 2 400 A, e tracemos a vert1ca correspondente are cortar a curva de DT ja tra~ada, e cujo final pode ser apagado (antes de passar tinta nanquim, se for o caso). Esse ajuste de 2 400 A cobre tamhem possiveis sobrecorrentes resultantes de varia~oes de tensao da rede, alem de ajustar-se o instantiineo do rele em 30A, pois que IraJRTC = 2400 + + 400/5 = 30 A. (0 rele tern disponibilidade de ajuste entre 20-80 A). En tao, o rele n. o 1 fica assiru ajustado: tape 12A; h)
Localiza~ao
j
DT = 1:1:;
I= 30 A.
da curva do rele n. o 2
0 rele n. 2 esta no secundario do transformador de 2,5 MVA. Logo, sua curva deve passar entre os correspondentes pontos de magnetiza(:io e ANSI ja locados. Para achar o segundo ponto de coordena~ao (PC2), basta marcar 0,4 s acima da intercessiio de DT = 1! e I ••• = 2 400 A. Em seguida, como foi dito anteriormente, o ajuste do dispositivo de sobrecorrente no secundario do transformador niio deve ultrapassar 2,5I •. Logo, 0
I
""0,13 s ""0,10 s ""0,17 s ""0,40s
Coordenaflio da protefiio de um sistema
207
observando-se as barretas do T2,5 MVA e do rele n. 0 2, verifica-se que satisfazem apenas os tapes inferiores a 8, a esq uerda da prumada de 2,5/", mas niio inferiores a 6 (para niio cruzar as caracteristicas dos reles n.'" 1 e 2), ou seja, entre 133% e 250%I •. Fixa-se, pois, o tape 8 A, e fazendo novamente a superposi(:io das curvas, colocando o multiplo 1 da Fig. 14.2 sob a prumada do tape 8 A escolhido, decalca-se a curva de DT = 2 passando iruediatamente acima de PC2, na Fig. 14.3. Resulta, pois, o ajuste em tape 8 A e DT = 2. Quanto a unidade instantiinea do rele n. 0 2, ficara bloqueada ja que a impediincia existente entre os reles 1 e 2 e insuficiente para uma discrimina~iio segura de tempo de funcionamento entre eles. No caso, ha apenas um trecho de cabo, de baixa impediincia (por exemplo cerca de 0,2 0/km, para cabo 250 MCM de se~iio), desprezivel face a impediincia representada pelo motor; e melhor, pois, deixar inoperante essa unidade instantiinea. Como verifica~ao, a curva do rele n. 0 2 esta entre os correspondentes pontos de magnetiza(:io e ANSI do T2,5 MVA. i) Localiza(:io da curva do rele n. 0 3 Como o rele n. 0 2 deve "ver" qualquer curto-circuito na barra de 2,4 kV, inclusive a I •
a
16 000 I = 200/5
X
2,4 13,8 "" 70 A.
En tao, o ajuste do rele n. o 3 sera tape
= 8 A,
DT
= 3,
I
= 70 A.
j) Observa~ao sobre a conexao triilngulo-estrela dos transformadores Constata-se que o ajuste dos reles do transformador, ou seja, o posicionamento das curvas correspondentes, deve ficar determinado como na Fig. 14.4. No en tanto, se a conexao do transformador e triiingulo-estrela, resulta que uma falta fase-terra no !ado estrela (secundario), e vista no !ado primario com valor de apenas 58%. En tao, e prcciso deslocar o ponto ANSI 58% para a esquerda, e fazer a verifica~iio de enquadramento. Na realidade, 0,58 x 10 900 =
208
lntrodu~io Q protefio dos
_.r- Pooto
ANSI
t
2 •5 MVA
Pootodo magneflzo¢0o
o,ts
sistemaS e/etricos
o
-o
0,58 I 2
2
71~~
Detalhes de ajuste de curvas de reles
= 6 500A ainda esta acima da curva do rele n.' 3, confirmando a afirmativa anterior, dispensando considera9iio sobre especifica prote9[o de falta a terra. I) Localiza9[o das curvas do rele n." 4 e 5 A prumada sobre I = 16 000 A, intercepta a curva de DT = 3 do rele 3; marcando 0,4 s acima, obrem-se PC4 para ajuste do rele n.' 4, em tudo semelhante ao rele n.' 2. Procedendo, pois, semelhantemente, chegar-se-ia aos ajustes Rele 4: tape = 6 A Rele 5: tape= 6A
DT= 3 DT = 4
I = bloqueado, I = 80
m) Resumo dos ajustes TABELA 14.6
Ajuste Tape (A)
DT
12 8 8
11/4
Instant~neo
(A)
Rele l
2 3 4
6 6
·s
14.5
30
2 3 3
Bloqueado
4
80
70 Bloqueado
Conclusoes
A bibliografia consultada indica uma serie de outras regras para ajuste de fusiveis, disparadores e
reli~s.
suficiente detalhe, deixando-se ao leitor o trabalho de aprofundar no assunto, na medida de suas necessidades futtiras. Quanto a coordena9ao de reles de distancia, basta observar as regras citadas nos capitulos anteriores. E importante dizer-se que cada projetista, escrit6rio uma dessas formas de solu9ao do problema de coordena9[o da prote9ao, de modo didatico mas certamente nao-completo.
_ 0,58
cargo
FIGURA 14.4
209
tecnico, ou concession:irio tern suas pr6prias regras de bolso, e que precisam ser consultadas conveniente e oportunamente. Nossa inten98:0 foi apenas mostrar
~ ~ 3
Coordena9iio da prote9iio de um sistema
No entanto, as linhas gerais foram descritas. com
Bibliograjia
'!
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