Apostila - Proteção - SEP (Rev.0)

PROTEÇÃO - SISTEMA ELÉTRICO DE P R OT EÇ

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Curso Técnico de Eletrotécnica – Morrinhos-GO BIOGRAFIA

Kennio Brito Guimarães Recebeu o título em Engenharia Elétrica pela Universidade do Estado de Minas Gerais – Campus Ituiutaba em 2003. Em 2004 atuou na área de distribuição de energia elétrica pelas empresas: “CematMT e Jalapão/Celg-GO”, no setor de desenvolvimento de projetos. Em 2005 ingressou na empresa “Transener Internacional” na área de proteção de “Sistema Elétrico de Potência”, em Transmissão de Extra Alta Tensão. Atualmente, atua na área de Transmissão de Energia Elétrica pela empresa “State Grid Brazil Holding” como supervisor de proteção, controle e telecomunicação, na divisão de manutenção e comissionamento de novos empreendimentos. Além disto, atua na área pedagógica desde 2004 passando pela “Universidade do Estado de Goiás (UEG) e Escolas Técnicas”, tais como: SENAI (Serviço Nacional de Aprendizagem), CTAA (Colégio Técnico Avançado de Assis) e etc.

Aula Teórica – Proteção - Sistema Elétrico de Potência

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Curso Técnico de Eletrotécnica – Morrinhos-GO PREFÁCIO

Este material tem como finalidade contribuir para a formação técnica dos alunos do “Curso de Eletrotécnica” da Escola SENAI de Morrinhos-GO. Baseado na disciplina de “Proteção de Sistema Elétrico de Potência”, esta apostila foi elaborada elucidando de forma simplificada e prática as teorias e conceitos referente à aplicação do sistema de proteção em diversos tipos de equipamentos na área de geração, transmissão e distribuição. Com a participação de todos os alunos, através de comentários, críticas e sugestões, esta apostila será reformulada ao longo do tempo, de forma a se tornar um material didático para consulta e aperfeiçoamento dos conhecimentos básicos sobre a referida disciplina.


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Curso Técnico de Eletrotécnica – Morrinhos-GO ÍNDICE

1 - Transformadores de Instrumentos.............................................. 05 1.1 -

Transformador de Corrente (TC`s)................................................... 1.1.1 Características Construtivas................................... Construtivas............................................... ............ 1.1.2 Representação Gráfica e Polaridade.................................. 1.1.3 Caracterização de um Transformador de Corrente............

1.2 -

Transformador de Potencial (TP`s)........................................... (TP`s).................................................. ....... 13 1.2.1 Características Construtivas................................... Construtivas............................................... ............ 14 1.2.2 Caracterização de um Transformador de Potencial........... 16

05 07 11 11

2 - Filosofia de Proteção de Sistemas Elétricos.............................. 17 3 - Tratamento Estatístico dos Defeitos...........................................

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4 - Aspectos Considerados da Proteção.........................................

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5 - Análise Generalizada da Proteção..............................................

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6 - Proteção de Sistema Elétrico....................................................... 21 6.1 -

Definição de Classificação dos Relés.............................................. 21

6.2 -

Relé Elementar................................................................................... 22

6.3 -

Qualidade Requeridas de um Relé................................................... 23

6.4 -

Critérios de Existência de Falta e Seus Efeitos.............................. 23

6.5 -

Sistemas de Proteção........................................................................ 24

6.6 -

Funções de Proteção......................................................................... 24

6.7 -

Preceitos............................................................................................. 25

6.8 -

Zonas de Proteção............................................................................. 25

6.9 -

Proteção Principal e Proteção de Retaguarda................................ 27 6.9.1 Proteção Principal.................................. Principal............................................................... ............................. 27 6.9.2 Proteção de Retaguarda..................................................... Retaguarda.................. ................................... 27

6.10 - Proteção de Transformadores.......................................................... 28 6.10.1 - Proteção de transformadores de pequeno porte................ 29 Aula Teórica – Proteção - Sistema Elétrico de Potência

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6.10.2 6.10.3 6.10.4 -

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Proteção de Transformadores de Grande Porte................. 30 Proteção Intrínseca............................................................. Intrínseca.......................... ................................... 32 Proteção Contra Sobrecarga.............................................. 35

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA............................................................................. 36


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1 – Transformadores de Instrumentos

Com o objetivo de redução de perdas, devido às suas grandes extensões, o sistema elétrico de potência exige o uso de correntes e tensões cada vez mais elevadas. Para que sejam controlados e protegidos, estes sistemas utilizam instrumentos de medição e proteção que necessitam receber informações destas grandezas para:   

Alimentar o sistema de proteção e medição com tensão e corrente reduzidas; Proporcionar isolamento entre o circuito de alta tensão e os instrumentos e, cosequentemente, segurança pessoal; Padronizar a fabricação dos instrumentos.

Para a transformação dos valores de corrente e tensão do sistema de potência, são utilizados, respectivamente:  

Transformador de corrente (TC); Transformador de potêncial (TP).

Todos os instrumentos de medição apresentão as seguintes definições básicas: Circuito primário: Circuito conectado ao enrolamento primário do transformador de instrumento, onde se tem o verdadeiro valor da grandeza a ser transformada (circuito de força, geralamente um cabo, um barramento, etc); Circuito secundário: Circuito conectado ao enrolamento secundário do transformador de intrumento, onde se tem o valor proporcional da grandeza do circuito primário, composto por fiações, blocos terminais e instrumentos (amperímetros, voltímetros, relés, etc); Carga do Transformador de instrumeto (TI): Impedância total do circuito secundário; Erro de relação: Diferença entre a relação de transformação medida e relação de transformação nominal; máximo do erro de relação expresso em porcentagem. Classe de exatidão: Valor máximo 1.1 – Transformador de Corrente (TC`s) São dispositivos que têm o enrolamento primário ligado em série com o circuito principal e o enrolamento secundário ligado aos relés e/ou instrumentos de medição, cujo valor de corrente secundária depende da relação de transformação do equipamento (RTC – diretamente relacionado ao número de espiras dos enrolamentos) e do erro de relação. O enrolamento primário dos TC`s é normalmente constituído de um reduzido número de espiras (N1), podendo ser até mesmo o próprio condutor ao qual o TC está conectado. Já o enrolamento secundário possui um número elevado de espiras (N2) e é projetado para uma corrente nominal padronizada em 1 ou 5 A, sendo a corrente primária Aula Teórica – Proteção - Sistema Elétrico de Potência

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nominal estabelecida de acordo com a ordem de grandeza da corrente do circuito em que o TC está ligado. Desta forma, as relações mais comuns encontradas no mercado são: 3000-5 A; 2000-5 A, 1200-5 A; 600-5 A; entre outras.

Fig.01 – RTC de Transformador Transformador de Corrente.

A figura abaixo ilustra um quadro comparativo entre TC`s com relação única e TC`s com relação múltipla.

Fig.02 – Relação Única x Relação Múltipla.


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1.1.1 – Características Características Construtivas O transformador de corrente podem ser construídos de diferentes formas e para diferentes usos, ou seja: a) TC tipo barra É aquele cujo enrolamento primário é constituído por uma barra fixada através do núcleo do transformador. O transformador de corrente de barra fixa em baixa tensão é extensivamente empregado em painéis de comando de elevada corrente, tanto para uso em proteção quanto para medição. O transformador de corrente do tipo barra fixa são os mais utilizados em subestações de potência de média e alta tensões.

Fig.03 – Transformador de Corrente do Tipo Barra Fixa.

Fig.04 – Transformador de Corrente do Tipo Barra Fixa - 230kV.


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b) TC tipo enrolado É aquele cujo enrolamento primário é constituído de uma ou mais espiras envolvendo o núcleo do transformador, conforme ilustrado na figura.

Fig.05 – Transformador de Corrente do Tipo Enrolado.

c) TC tipo janela É aquele que não possui um primário fixo no transformador e é constituído de uma abertura através do núcleo, por onde passa o condutor que forma o circuito primário, conforme se apresenta na figura. São muito utilizados em painéis de comando de baixa tensão em pequenas e médias correntes, ou quando não se deseja seccionar o condutor para instalar o transformador de corrente. Dessa forma empregada, consegue-se reduzir os espaços no interior dos painéis.

Fig.06 – Transformador de Corrente do Tipo Janela.

d) TC tipo bucha É aquele cujas características são semelhantes ao TC do tipo barra, porém sua instalação é feita na bucha dos equipamentos (transformadores, disjuntores, etc.), que funcionam como enrolamento primário, de acordo com a figura. São empregados em transformadores de potência para uso, em geral, na proteção diferencial, quando se deseja restringir ao próprio equipamento o campo de ação desse tipo de proteção.


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Fig. 07 – Transform T ransformador ador de Corrente do Tipo Bucha.

e) TC tipo núcleo dividido É aquele cujas características são semelhantes às do TC do tipo janela, em que o núcleo pode ser separado para permitir envolver o condutor que funciona como enrolamento primário, conforme se mostra na figura. São basicamente utilizados na fabricação de equipamentos de medição de corrente e potência ativa ou reativa, já que permite obter resultados esperados sem seccionar o condutor ou barra sob medição.

Fig. 08 – Transformador de Corrente do Tipo Núcleo Di vido.

f) TC tipo com vários enrolamentos primários É aquele constituído de vários enrolamentos primários montados isoladamente e apenas um enrolamento secundário, conforme a figura. Neste tipo de transformador, as bobinas primárias podem ser ligadas em série ou e paralelo, propiciando a obtenção de várias relações de transformação.

Fig. 09 – Transform T ransformador ador de Corrente do Tipo com Vários Enrolamentos Enrolamentos Primário.


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g) TC tipo com vários núcleos secundários É aquele constituído de dois ou mais enrolamentos secundários montados isoladamente, sendo que cada um possui individualmente o seu núcleo, formando juntamente com o enrolamento primário, um u m só conjunto, conforme se mostra na figura. Neste tipo de transformador de corrente, a seção do condutor primário deve ser dimensionada tendo e vista a maior das relações de transformação dos núcleos considerados.

Fig. 10 – Transforma T ransformador dor de Corrente do Tipo com Vários Núcleos Secundários. Secundários.

h) TC tipo vários enrolamentos secundários secundários É aquele constituído de um único núcleo envolvido pelo enrolamento primário e vários enrolamentos secundários, conforme se mostra na figura, e que podem ser ligados em série ou em paralelo.

Fig. 11 – Transformador de Corrente do Tipo com Vários Enrolamentos Secundários.

i) TC tipo derivação no secundário É aquele constituído de um único núcleo envolvido pelos enrolamentos primário e secundário, sendo este provido de uma ou mais derivações.


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Fig. 12 – Transforma T ransformador dor de Corrente do Tipo com Derivação no Secundário.

1.1.2 - Representação Representação Gráfica e Polaridade Polaridade Convencionalmente, é adotada a representação mostrada na figura a seguir e a maneira como as bobinas primárias e secundárias são enroladas no núcleo magnético são simbolicamente indicadas pelas marcas de polaridade (pontos);

Fig. 13 – Representação de Polaridade de TC.

Como regra, temos que a corrente primária I1 entra pela polaridade e a corrente secundária I2 sai pela polaridade e assim, temos I1 e I2 em fase. 1.1.3 - Caracterização de um Transformador de Corrente De acordo com a ABNT, os valores nominais principais que caracterizam os transformadores de corrente são os seguintes:         

Corrente nominal e relação nominal; Nível de isolamento; Freqüência nominal; Carga nominal; Classe de exatidão; Fator de sobrecorrente nominal (somente para TC de proteção); Fator térmico nominal; Corrente térmica nominal; Corrente dinâmica nominal.

Os TC's para serviço de medição devem retratar fielmente a corrente a ser medida. É imprescindível que apresentem erros de fase e de relação mínimos dentro de suas respectivas classes de exatidão. Segundo as normas da ABNT e ANSI, os Aula Teórica – Proteção - Sistema Elétrico de Potência

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transformadores de corrente devem manter sua exatidão na faixa de 10 a 100% da corrente nominal, ou seja: 0,1Inominal ≤ Icarga ≤ InominalTC Os TC’s de medição devem manter sua precisão para correntes de carga normal, enquanto os TC’s de proteção devem ser precisos até o seu erro aceitável para corrente de curto-circuito de 20 x In. Para medição, em caso de curto-circuito, não há necessidade que a corrente seja transformada com exatidão. É até melhor que em condições de curto-circuito, o TC sature, proporcionando assim, uma auto-proteção aos equipamentos de medição conectados no seu secundário. Os núcleos magnéticos dos TC’s de medição são de seção menor que os de proteção para propositadamente saturarem durante o curto-circuito quando a corrente atinge valores altos. Essa saturação limita o valor da sobretensão aplicada nos equipamentos de medição. Outro detalhe muito importante é que quando o secundário de um TC se abre, tendo corrente no primário, o TC rapidamente satura, e gera uma sobretensão que pode chegar ao nível de milhares de volts. Além disso, segundo a norma ABNT/NBR 6856, 6856, onde fixa as características de desempenho de transformadores de corrente (TC’s) destinados a serviço de medição e proteção, os enrolamentos apresentam as seguintes cargas nominais:

Fig. 14 – Cargas Nominais de Transformador Transformador de Corrente.


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Exemplo: Segue abaixo a curva de saturação de um TC de uma determinada subestação de energia elétrica de 230kV (Dados obtido do DATA BOOK fornecido pelo fabricante).

Fig. 15 – Curva C urva de Saturação de Transformador Transformador de Corrente.

1.2 – Transformador de Potencial (TP`s) São dispositivos que possuem o enrolamento primário ligado em derivação com o circuito principal e reproduz em seus enrolamento secundário uma tensão cujo valor é função da tensão primária e da relação direta das quantidades de espiras dos enrolamentos. Os transformadores de potencial são equipamentos que permitem aos instrumentos de medição e proteção funcionarem adequadamente sem que seja necessário possuir tensão de isolamento de acordo com a da rede à qual estão ligados. Na sua forma mais simples, os transformadores de potencial possuem um enrolamento primário de muitas espiras e um enrolamento secundário através do qual se obtém a tensão desejada, normalmente padronizada em 115 V ou 115 / √3 V. Dessa forma, os instrumentos de proteção e medição são dimensionados em tamanhos reduzidos com bobinas e demais componentes de baixa isolação. Os transformadores de potencial são equipamentos utilizados para suprir aparelhos que apresentam elevada impedância, tais como voltímetros, relés de tensão, bobinas de tensão de medidores de energia, etc. São empregados indistintamente nos sistemas de proteção e medição de energia elétrica. A figura abaixo ilustra um transformador de potencial de subestação de energia elétrica. Aula Teórica – Proteção - Sistema Elétrico de Potência

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Fig. 16– Instalação de um conjunto de TC e TP.

1.2.1 – Características Características Construtivas Os transformadores de potencial são fabricados de conformidade com o grupo de ligação requerido, com as tensões primárias e secundárias necessárias e com o tipo de instalação. O enrolamento primário é constituído de uma bobina de várias camadas de fio, submetida a uma esmaltação, em geral dupla, enrolada em um núcleo de ferro magnético sobre o qual também se envolve o enrolamento secundário. Já o enrolamento secundário ou terciário é de fio de cobre duplamente esmaltado e isolado do núcleo e do enrolamento primário por meio de fitas de papel especial. Os transformadores de potencial podem ser construídos a partir de dois tipos básicos: TP's indutivos e TP’s capacitivos. a) TP Tipo Indutivo São dessa forma, construídos basicamente todos os transformadores de potencial para utilização até a tensão de 138 KV, por apresentarem custo de produção inferior ao do tipo capacitivo. Os transformadores de potencial indutivo são dotados de um enrolamento primário envolvendo um núcleo de ferro-silício que é comum ao enrolamento secundário, conforme se mostra na figura.


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Fig. 17– Transform Tr ansformador ador de Potencial.

Fig. 18– Transformador de Potencial Potencial Indutivo - 230kV.

b) TP Tipo Capacitivo Os transformadores deste tipo são construídos basicamente com a utilização de dois conjuntos de capacitores que servem para fornecer um divisor de tensão e permitir a comunicação através do sistema carrier . São construídos normalmente para tensões iguais ou superiores a 138 KV e apresentam como esquema básico a figura. A figura mostra um transformador de potencial capacitivo, detalhando as suas partes componentes.


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Fig. 19– Transformador de Potencial Capacitivo - 230kV.

1.2.2 – Caracterização de um Transformador de Potencial Os valores nominais que caracterizam um transformador de potencial são:      

1,2.

Tensão primária nominal e relação nominal; Nível de isolamento; Freqüência nominal; Carga nominal; Classe de exatidão; Potência térmica nominal. Os TP’s são enquadrados em uma das seguintes classes de exatidão: 0,3 – 0,6 –


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2 – Filosofia de Proteção de Sistemas Elétricos

Em oposição ao intento de garantir economicamente a qualidade do serviço e assegurar um vida razoavél às instalações, as concessionárias dos sistemas de energia elétrica defrontam-se com as perturbações e anomalias de funcionamento que afetam as redes elétricas e seus órgãos de controle, como por exemplo o ONS (Operador Nacional do Sistema Elétrico). Além dos problemas causados pelas pertubações e anomalias no setor elétrico, quatro outras preocupações persitem para as concessionáias, tais como:    

Previsão de crescimento do consumo de energia elétrica; Elaboração e programas ótimos de geração; Constituição de esquemas de interconexão apropriados; Utilização de um conjunto coerente de proteções.

Como relação ao programa de geração podemos dizer que os estudos/projetos devem prêver uma utilização econômica dos grupos geradores disponíveis no sistema interligado nacional (SIN), além de um repartição adequada geograficas dos grupos em serviço, evitando as sobrecargas indesejaveis em transformadores e linhas de transmissão. Já o esquema de interconexão, a condição ideal é realizar a interligação de todo o sistema elétrico brasileiro em forma de malha, evitando com isso possíveis apagões provenientes de anomalias no setor elétrico. Para atenuar os efeitos das perturbações no setor elétrico, deve-se utilizar um conjunto coerente de proteções para assegurar, o melhor possível, a continuidade de alimentação dos usuários e garantir a integridade das instalações elétricas. Para tanto, é necessário crias uma série de medidas e ações para informar os operadores em caso de perigo imediato e não imediato, e retirar de serviço a instalação se estiver sob um curto-circuito ou qualquer anomalia que possa causar um dano maior nos equipamentos pertecentes à instalação.


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3 – Tratamento Estatístico dos Defeitos

As estatísticas conhecidas nem sempre são completamente coerentes com a realidade de determinada concessionárias, segundo as diversas fontes de consulta, porém as informações são bastante útil para as fases de planejamentos. No entanto, deve-se ter cuidado de lembrar nas análises, por exemplo, que a incidência de certos tipos particulares de defeito dependem da localização, ou seja, em lugares extremamente secos, como áreas desérticas, as faltas à terra são mais raras, ao passo que em outros locais elas constituiem a maioria. Como exemplo, segue abaixo o histograma relacionando o número de pertubações ocorrido no SIN (Sistema Interlidado Nacional) entre 1990 a 2000, e os tipos de pertubações ocorridos.

Fig. 20– Gráfico Estatístico de Desligamento Forçado.


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4 – Aspectos Considerados da Proteção

Na proteção de um sistema elétrico, devem ser examinados três aspectos:   

Operação normal; Prevenção contra falhas elétricas; E a limitação dos defeitos devidos às falhas.

Com relação a operação normal podemos dizer que está relacionado a inexistência de falhas no equipemanto, e a inexistência de erros humano. Já com relação a prevenção de falhas podem tomar as seguintes ações: Utilização de isolamento adequado; coordenação do isolamento; uso de cabos pára-raios e baixa resistência de pé de torre e apropriadas instrunções de operação e manutenção. A limitação dos efeitos das falhas está relacionado diretamente com a diminuição da corrente de curto-circuito através da instalação de banco de reatores por exemplo. Além disso, os projetos deverão ser capazes de suportar os efeitos mecânicos e térmicos das corrente de defeitos e as instalações deverão prêver prêver circuitos multiplos (duplicata) e geradores de reserva, existência de releamento e outros dispositivos, bem como disjuntores com suficiente capacidade de interrupção, e um sistema ou meios de registrar as perturbações (Oscilografos). Além dos pontos mencionados anteriormente, não podemos esquecer que com o crescimento das instalações ou do setor elétrico, e com o aumento do consumo de energia elétrica, tanto os setores de geração, transmissão e distribuiçao deverão constantemente realizar estudos sobre as mudanças no sistema (crescimento e deslocamento das cargas) para reajustarem as devidas proteções para não ocorer atuação indevida ou incorreta. Portanto, verifica-se que o releamento é apenas umas das várias providências no sentido de minimizar danos aos equipamentos e interrupções no serviço, quando ocorrem falhas elétricas no setor elétrico.


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5 – Análise Generalizada da Proteção

Basicamente, em um sistema encontra-se os seguintes tipos de proteção:   

Proteção contra incêndio; Proteção pelos relés, ou releamento, e por fusíveis; Proteção contra descarga atmosféricas e surtos de manobra.

Um estudo de proteção leva em conta as seguintes considerações principais: a) Elétricas: Está relacionada com às características do sistema de potência (Natureza das falhas, sensibilidade, regimes e características gerais dos equipamentos, condições de operação e etc); b) Econômicas: Está relacionado com a importância do equipamento a ser protegido (Custo do equipamento principal versus custo relativo do sistema de proteção); c) Fisicas Está relacionado com a facilidade de manutenção, acomodação dos equipamentos (relés e redutores de medidas e etc), distância entre pontos de releamento etc. É importante dizer que o sistema de releamento minimiza:    

O custo de reparação dos estragos; A propabilidade 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 relações públicas, enquanto o equipamento está fora de serviço.


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6 – Proteção de Sistema Elétrico

Uma proteção é aplicada para detectar as anomalias que ocorrem na instalação protegida, desligando-a e protegendo-a contra os efeitos da deterioração que poderiam ocorrer da permanência da falha ou defeito por tempo elevado. Além dos defeitos da deterioração, podem ocorrer também instabilidades no Sistema de Potência no caso de falhas sustentadas por tempos acima de determinados limites. Assim, o Sistema de Proteção deve detectar a anomalia e remover o componenete do Sistema Elétrico sob falha, o mais rápido possível e de preferência, somente o componente sob falha. 6.1 – Definição de Classificação dos Relés São equipamentos ou instrumentos especialmente projetados e devidamente aplicados para detectar condições anormais, indesejáveis e intoleráveis no sistema elétrico e prover, simultânea ou parcialmente, os seguintes eventos: 

 

Pronta remoção de serviço (desligamento) dos componentes sob falha, ou dos componentes sujeitos a danos, ou ainda dos componentes que de alguma forma possam interferir na efetiva operação do restante do sistema; Adequadas sinalizações, alarmes e registros para orientação dos procedimentos humanos posteriores; Acionamentos e comandos complementares para se garantir confiabilidade, rapidez e seletividade na sua função de proteção.

Há uma grande variedade de relés atendendo às diversas aplicações, porém eles podem ser reduzidos a um pequeno número de tipos didaticamente falando. Sendo assim podemos classificar os relés, basicamente:        

Quanto às grandezas físicas de atuações: Elétricas, mecânicas, térmicas, óticas e etc; Quanto à natureza da grandeza a que respondem: Corrente, tensão, potência, frequência, pressão, temperatura, etc; Quanto ao tipo construtivo: Eletromecânicos (Indução), mecânicos (centrífugo), eletrônicos (fotoelétrico), estáticos (Efeito Hall), digitais (Microprocessado) e etc; Quanto à função: Sobrecorrente, subcorrente, tensão ou potência, direcional de corrente, diferencial, distância, sobretensão, subtensão, etc. Quanto à forma de conexão do elemento sensor: Direto no circuito primário ou através de redutores de tensão e corrente (TP`s ou TC`s); Quanto ao tipo de fonte para atuação do elemento de controle: Corrente alternada ou contínua; Quanto ao grau de importância: Principal (por exemplo relé de sobrecorrente 51 ANSI) ou intermediário ( por exemplo relé de bloqueio 86 ANSI); Quanto ao posicionamento dos contatos (com circuito desenergizado: Normalmente aberto ou fechado;


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Quanto à aplicação: Máquinas rotativas (Gerador) ou estáticas (Transformadores), linhas aéreas ou subterrâneas, e aparelhos em geral (Motores e etc); Quanto a temporização: Instantâneo (sem retardo proposital) e temporizado (mecânica, elétrica, ou eletronicamente, por exemplo).

6.2 – Relé Elementar Seja um circuito monofásico, contendo uma fonte de tensão (V), alimentando um carga (Z), do que resulta uma circulante (I) (Ver figura abaixo). Nesse circuito foi introduzido um relé elementar, do tipo eletromecânico: Uma estrutura em charneira, composta de um núcleo fixo e uma armadura móvel à qual estão solidários o contato móvel e uma mola, o que obriga o circuito magnético ficar aberto em uma posição regulável. O núcleo é percorrido por um fluxo proporcional à corrente do circuito, circulando na bobina do relé, e isso faz com que seja possível que o contato móvel feche um circuito operativo auxiliar (Fonte de corrente contínua, nesse caso), alimentando uma alarme (lâmpada) e/ou o disparador do disjuntor colocado no circuito principal, sempre que Fe > Fm. Por motivo de projeto, o valor (I) deve limitado e assim, sempre que excede um valor prefixado (Ia – demoninado corrente de atuação do relé), o circuito deve ser interrompido, por exemplo, pelo fornecimento de um impulso de operação (Iop) enviado à bobina do disparador o disjuntor, ou pelo menos, ser assinalada aquela ultrapassagem por um alarme (Lâmpada e/ou buzina).

Fig. 21– Esquemático do Relé Elementar.

Sabemos dos princípios da conversão eletromecânica que a força eletromagnética (Fe) desenvolvida através do entreferro (δ) pelo fluxo no núcleo, e provocada pela corrente I na bobina do relé segundo a fórmula de Picou, neste tipo de estrutura, é 

=



×






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Onde K leva em conta a taxa de variação da permeância do entreferro, o numero de espiras, e ajusta as unidades convenientemente. Por outro lado, existe a força da mola (Fm), oponto-se ao deslocamento da armadura. Portanto, há no relé orgãos motores (bobina); orgãos antagonistas (mola, gravidade) e orgãos auxiliares (contatos, amortecedores e etc). 6.3 – Qualidades Requeridas de um Relé Para cumprir sua finalidade, os relés devem:       

Ser tão simples (confiabilidade) e robustos (efeitos dinâmicos da corrente de defeito) o quanto antes; Ser tão rápidos (razões de estabilidade do sistema) o quanto possível, independentemente do valor, natureza e localização do defeito; Ter baixo consumo próprio (especificação dos redutores de medidas); Ter alta sensibilidade e poder de discriminação (a corrente de defeito pode ser inferior à nominal, e a tensão quase anular-se); Realizar contatos firmes (evitando centelhamento e recochetes que conduzem a desgastes prematuro); Manter sua regulagem independentemente da temperatura exterior, variações de frequência, vibrações, campos externos e etc; Ter baixo custo.

6.4 – Critérios de Existência Existência de Falta e Seus Efeitos Por definiçao, defeito ou falta é o termo usado para denotar um acidental afastamento das condições normais de operação. Assim, um curto-circuito ou um condutor interrompido constituiem uma falta. Um defeito modifica mais ou menos profundamente as tensões e as correntes próprias ao orgãos considerados. Logo, as grandezas atuantes sobre os relés deverão se ligadas, obrigatoriamente, àquelas alterações de módulo e/ou argumento das correntes e tensões. De fato, um curto-circuito traduz-se por:  

 

Altas correntesr e quedas de tensão (Na maioria das vezes); Variação da impedância aparente: Corresponde à relação de tensão por corrente no local do relé. A variação é brusca e maior na ocasião de defeito do que nas simples variação de carga. Logo, é um bom critério discriminativo; Aparecimento de componentes simétricas: Sequência negativa e sequencia zero ou homopolar, ambas de corrente e tensão em curtos desequilibrados; Acentuadas diferenças de fase (ângulo) e/ou amplitude entre a corrente de entrada e corrente de saída de um elemento da rede.


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6.5 – Sistemas de Proteção Conjuntos de relés e dispositivos de proteção, outros dispositivos afins, equipamentos de teleproteção, circuitos de corrente alternada e corrente contínua, circuitos de comando e sinalização, disjuntores, etc. que associados, têm por finalidade proteger componentes ou partes do sistema elétrico de potência quando de condições anormais, indesejáveis ou intoleráveis. Quando se fala em Sistemas de Proteção, usualmente se entende tal sistema como “Relé de Proteção”. Na realidade um Sistema de Proteção consiste, além dos relés de proteção, também de outros subsistemas que participam do processo de remoção da falha. Tais subsistemas são mostrados na figura a seguir:

Fig. 22 – Sistema Si stema de Proteção.

6.6 – Funções de Proteção Entende-se como função de proteção um conjunto de atributos desempenhados por um sistema de proteção, para fins previamente estabelecidos e definidos, dentro de uma determinada categoria ou modalidade de atuação. Um relé ou dispositivo de proteção pode ter uma ou mais funções de proteção incorporadas (a chamada proteção “multifuncional”). Requisitos Básicos de um Sistema de Proteção: 



 

Seletividade: É a capacidade do Sistema de Proteção prover a máxima continuidade de serviço do Sistema Protegido com um mínimo de desconexões para isolar uma falta no sistema. Confiabilidade: É a habilidade do relé ou do Sistema de Proteção atuar corretamente quando necessário (dependabilidade) e evitar operações desnecessárias (segurança). Velocidade: Característica que garante o mínimo tempo de falha, para um mínimo de danos ou instabilidade no componente ou sistema protegido. Economia: No sentido de se ter máxima proteção ao menor custo, considerando sempre o aspecto custo X beneficio, que é a essência da Engenharia.


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Simplicidade: Característica que considera a utilização mínima de equipamentos e circuitos na execução da Proteção. Mantenabilidade: É a capacidade da proteção permitir manutenção rápida e precisa, reduzindo-se ao mínimo o tempo fora de serviço e os custos de manutenção.

6.7 – Preceitos Os seguintes preceitos são generalizados para qualquer Sistema de Proteção:  

  



A Proteção deve desligar o mínimo necessário de componentes para isolar a falha ou anormalidade, no mínimo de tempo possível (seletividade velocidade); A Proteção deve ter sensibilidade suficiente para cobrir a maior parte possível do universo de possibilidade de falhas e anormalidades no componente ou sistema protegido (dependabilidade); A Proteção não deve atuar desnecessariamente (segurança); Deve haver, sempre, uma segunda Proteção, local ou remota, para a detecção de uma mesma anormalidade (dependabilidade); Um esquema mais simples de proteção, desde que cobertos os requisitos básicos, apresenta uma menor probabilidade de atuação desnecessária (simplicidade incrementando a segurança, com economia); Quanto mais caro o Sistema de Proteção, mais se justifica o investimento na confiabilidade (dependabilidade) do Sistema de Proteção (economia = custo X beneficio).

6.8 – Zonas de Proteção A filosofia geral de proteção de um sistema elétrico é dividi-lo em “zonas de proteção” de modo que, quando da ocorrência de uma anormalidade, haja o mínimo de desligamentos possível, preservando o máximo de continuidade dos serviços. O sistema é dividido em zonas de proteção para:         

Geradores; Transformadores; Barras; Linhas de Transmissão e Subtransmissão; Dispositivos e Sistemas de Compensação Reativa; Circuitos de Distribuição; Transformadores de Distribuição; Motores; Outras cargas.


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Fig. 23 – Zonas de Proteção.

A separação das zonas se dá através da localização de Disjuntores e Transformadores de Corrente que alimentam os relés de proteção. As figuras a seguir mostram detalhes dessa fronteira de zonas:

Fig. 24 – Limites de Zona – Exemplo 1.

Fig. 25 – Limites de Zona – Exemplo 2. Aula Teórica – Proteção - Sistema Elétrico de Potência

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No exemplo 1 tem-se a utilização de TC’s de ambos os lados do disjuntor. No exemplo 2 os TC’s de um lado apenas do disjuntor. Nesse segundo caso, verifica-se uma “zona morta” entre o disjuntor e o equipamento TC sem aparente cobertura. Há esquemas especiais para cobrir essa zona morta, para instalações importantes (geralmente em Extra Alta Tensão). 6.9 – Proteção Principal e Proteção de Retaguarda Para se garantir o requisito básico de confiabilidade (dependabilidade) para o Sistema de Proteção, há necessidade para a maioria dos casos, da existência de uma segunda proteção, pelo menos, para a detecção da mesma falha no componente protegido. Resultam deste aspecto os conceitos de Proteção Principal e Proteção de Retaguarda: 6.9.1 – Proteção Principal É aquela que, por especificação e escolha de projeto, tem condição de detectar uma anormalidade para a qual foi concebida, no componente protegido, contemplando os requisitos de seletividade, confiabilidade e de velocidade. Dependendo da importância do componente protegido, pode existir projeto com duas proteções principais, que no caso de serem iguais são denominadas “duplicadas” ou “primária + alternada”. O que caracteriza o fato de serem “principais” é o atendimento aos requisitos básicos de velocidade, seletividade e confiabilidade. Mais recentemente no Brasil optou-se por duplicar relés ou funções principais para proteção de linhas de transmissão de Extra Alta Tensão (níveis de tensão iguais ou superiores) como exigência da Aneel para novas instalações. 6.9.2 – Proteção de Retaguarda É aquela que, também por especificação e escolha de projeto, tem a finalidade de ser a segunda ou terceira proteção a detectar uma mesma anormalidade em um dado componente do sistema de potência, atuando o respectivo disjuntor quando da falha da proteção principal. Para garantia da seletividade a proteção de retaguarda utiliza temporização intencional para que se aguarde a atuação da proteção principal. Apenas no caso de falha da principal, após uma temporização ajustada, é que atuaria a proteção de retaguarda. Retaguarda Local Uma proteção de retaguarda pode estar instalada no mesmo local da proteção principal. Neste caso é denominada de “retaguarda local”.


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Retaguarda Remota Ou pode estar instalada em um outro componente adjacente àquele original. Neste caso é denominada de “retaguarda remota”:

Fig. 26 – Conceito de Proteção Principal e Retaguarda. R etaguarda.

6.10 – Proteção de Transformadores Transformadores são máquinas de operação estática que por meio de indução eletromagnética transfere energia de um circuito, chamado primário, para um ou mais circuitos denominados, respectivamente, secundário e terciário, sendo, no entanto, mantida a mesma freqüência, porém com tensões e correntes diferentes. Dentre os equipamentos podemos citar:      

Transformadores; Autotransformadores; Transformadores de aterramento; Transformadores reguladores; Transformadores de fornos; Transformadores retificadores.

Classificação: 

Pequeno porte: - Potência até 7,5 MVA - Tensão até 34,5 KV


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PROTEÇÃO - SISTEMA ELÉTRICO DE P R OT E ÇÃ O 

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Grande Porte: - Potência acima 10 MVA - Tensão superior a 34,5 KV

Condições anormais:    

Curto-Circuito; Sobretemperatura; Sobrepressão; Sobreexcitação

Proteções utilizadas u tilizadas:: Basicamente, as proteções utilizadas em transformadores podem ser classificadas, segundo a norma n orma ANSI, como: Função (ANSI) 24 26 27 30 49 50 51 59 60 63 67 71 86 87

Descrição Sobreexitação (V/HZ) Sobretemperatura (Óleo) Subtensão Anunciador de alarme Sobretemperatura (Emrolamento) Sobrecorrente instantâneo Sobrecorrente temporizado Sobretensão Desbalanço de tensão ou corrente Pressão de gás (Buchholz) Sobrecorrente direcional Acúmulo de gás Auxiliar de bloqueio Diferencial

Fig. 27 – Código ANSI – Proteção de Transformadores.

6.10.1 – Proteção de transformadores de pequeno porte Para transformadores cuja potência é inferior a 3MVA, o sistema de proteção podem ser classificado em:  

Proteção por fusível na AT (Alta tensão) e relés de sobrecorrente na BT; A proteção de retaguarda é realizada pela proteção da SE remota.


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Fig. 28 – Esquema de Proteção de Transformadores Transformadores com Potência Inferior a 3MVA.

Já para transformadores cuja potência é está entre 3MVA e 10MVA, o sistema de proteção podem ser classificado em:  

Proteção por relés de sobrecorrente de fase e neutro com característica de tempo inverso; A utilização de relés de sobrecorrente no lado de BT (51/51G) e do relé de gás (63) é opcional;

Fig. 29 – Esquema de Proteção de Transformadores com Potência entre 3MVA e 10MVA.

6.10.2 – Proteção de Transformadores de Grande Porte Para transformadores cuja potência é superior a 10MVA, o sistema de proteção pode ser classificado conforme figura abaixo: Aula Teórica – Proteção - Sistema Elétrico de Potência

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

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2 Enrolamentos

Fig. 30 – Esquema de Proteção de Transformadores com Potência superior de 10MVA com Dois Enrolamentos. 

3 Enrolamentos

Fig. 31 – Esquema de Proteção de Transformadores com Potência superior de 10MVA com Três Enrolamentos. Aula Teórica – Proteção - Sistema Elétrico de Potência

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Já para autotransformadores cuja potência é superior a 10MVA, o sistema de proteção pode ser classificado em:

Fig. 32 – Esquema E squema de Proteção de Autotransformadores Autotransformadores com Potência superior de 10MVA com Três Enrolamentos.

6.10.3 – Proteção Intrínseca Dente as proteções intrínsecas podemos destacar: 

Relé Buchholz É a combinação feliz do relé de pressão com o relé detector de gás. Ele é composto de dois elementos, montados no tubo que liga o tanque do transformador ao conservador. Um dos elementos é uma bóia colocada na câmara coletora de gás, enquanto o outro contém uma lâmina que opera pela rápida circulação de óleo no tubo. O primeiro elemento detecta as faltas incipientes, por acumulação de gás, enquanto o segundo detecta curto-circuito, no qual provoca rápida expansão do óleo entre o tanque e o conservador.


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Fig. 33 – Esquemático Esquemático do circuito do Relé de Gás - Buchholz

Os gases dissolvidos no óleo indicam a origem da falha e provoca a operação do relé de gás Buchholz. Alguns dos gases formado nos transformadores são: - O hidrogênio: É gerado por corona ou descargas parciais; - O Etileno (C2H4): Está associado com a degradação térmica do óleo. Traços de etano e metano são gerados a partir de 150°C. Geração significante de etileno começa por volta de 300°C; - Monóxido de Carbono e Dióxido de Carbono: É gerado pelo sobreaquecimento da isolação composta por celulose (Papel Kraft); - Acetileno (C2H2): É produzido em quantidade significante por arco elétrico no óleo A figura abaixo ilustra uma figura de uma relé de gás e pressão (Buchholz) utilizado em transformadores ou reatores.


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Fig. 34 – Relé de Gás e Pressão - Buchholz 

Válvula de Alívio de Pressão / Dispositivo de Alívio de Pressão Este dispositivo tem por finalidade proteger o tanque do transformador contra sobrepressões críticas que possam surgir no seu interior. Genericamente, as válvulas de segurança baseiam-se em um dispositivo projetado para suportar pressões até um limite de segurança para o tanque do transformador, a partir do qual se rompe um diafragma, por exemplo, liberando o excesso da pressão.

Fig. 35 – Válcula de Alívio de Pressão


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6.10.4 – Proteção Contra Sobrecarga So brecarga Destina-se a proteger o isolante de seus enrolamentos contra os estragos provocados por aquecimento inadmissível. Geralmente os transformadores dispõem de um indicador da temperatura, tipo termômetro, no topo do óleo, o qual por meio de tubo capilar poderá acionar um contato de alarme ou contato de desligamento (Trip), e ainda, outro contato para acionar os ventiladores e para ligar as bombas de circulação do óleo. Quando desejado, o transformador pode ser equipado com um detector de temperatura do enrolamento, tipo resistência alimentado por um TC, ou seja, trata-se de uma imagem térmica colocada dentro do óleo refletindo a temperatura do ponto mais quente do enrolamento. Esse indicador ou imagem possui três contatos normalmente ajustados para operar em transformadores com elevação de temperatura no enrolamento. Sendo os dois primeiros para atuar o equipamento de ventilação e o último para alarme ou disparo do disjuntor. Podem ser ainda, usados relés térmico, diretos ou secundários que tem um dispositivo de disparo instantâneo ou fracamente temporizado e regulável, que em associação com um elemento temporizado, podem servir como proteção de curto- circuito em certos casos.

Fig. 3 – Proteçã Proteção o Contra Contra Sobreca Sobrecarga rga


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Curso Técnico de Eletrotécnica – Morrinhos-GO REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

1. Apostila: Filosofia de Proteção . Virtus Consultoria e Serviços Ltda; 2. Apostila: Proteção de Transformadores . Virtus Consultoria e Serviços Ltda; 3. Manual de Transformador ABB ; 4. Catálogo de Produtos de Transmissão Transmissão PLP Brasil ; 5. João Mamede Filho. Manual de Equipamentos Elétricos . 3ª Edição. Editora LTC. 2005; 6. José Roberto R. Cândido, Carlos André S. Araújo, Araújo, Flávio Câmara de Souza, et al. Proteção de Sistemas Elétricos . 2ª Edição. Editora Interciência. 7. Amadeu C. Caminha. 8ª Reimpressão. Editora Edgard Blücher Ltda. Introdução à Proteção dos sistemas Elétricos. 8. Rui Menezes de Moraes. Moraes. Paper – Filosofia de Proteção de Sistemas Elétricos. Elétricos.


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Apostila - Proteção - SEP (Rev.0)

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