Proteção Diferencial de Transformadores

UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA

Proteção de sistemas elétricos de potência Proteção diferencial de transformadores Guilherme Albino Pagnussatt Corazza Fevereiro de 2011

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SUMÁRIO 1. A PROTEÇÃO DIFERENCIAL.............................................................................................................3 2. O RELÉ DIFERENCIAL PERCENTUAL.................................................................................................5 3. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES..............................................................................................8 3.1. Proteção diferencial no transformador monofásico...............................................................9 3.2. Proteção diferencial no transformador trifásico.....................................................................9 3.3. Regra de ligação dos TC’s ......................................................................................................10

3.3.1. Transformador trifásico sem rotação de fase................................................................11 3.3.2. Transformador  - Y.......................................................................................................11 3.4. Ajuste do relé diferencial......................................................................................................17 4. CORRENTES DE INRUSH...............................................................................................................18 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................................................19









1. A PROTEÇÃO DIFERENCIAL Ao longo do tempo vêm surgindo diversas categorias de proteção que visam impedir condições anormais dos sistemas elétricos de potência. Um tipo de proteção que vem sendo aprimorada é a proteção diferencial. Apesar de ser largamente empregada na proteção de cabos subterrâneos, máquinas síncronas, barras e cubículos, neste trabalho daremos atenção especial à sua utilização na proteção de transformadores. Esse tipo de proteção compara magnitudes elétricas de entrada e saída do equipamento protegido, e atua quando o vetor diferença de duas ou mais magnitudes similares excede um valor predeterminado. Em condições normais de operação, as correntes que atravessam o primário e secundário do transformador possuem formas de onda semelhantes, a menos da relação de transformação. Essas correntes são constantemente monitoradas por transformadores de corrente (TC’s),

acoplados em série com os ramos primário e secundário do

transformador. Os sinais adquiridos pelos TC’s são transferidos para o relé, o qual os pickup), o relé analisará, e, caso estas correntes ultrapassem um valor limiar de operação ( pickup

desligará o sistema. Quase qualquer tipo de relé pode atuar como parte da proteção diferencial – não importa muito o tipo construtivo do relé, e sim a forma como é conectado ao sistema. A maioria das aplicações de relés diferenciais são os relés diferenciais de corrente, mas eles também podem ser do tipo diferenciais de tensão, operando com o mesmo princípio daqueles de corrente; a diferença está no fato que o sinal operado é derivado de uma tensão em uma resistência em paralelo. Um simples exemplo de uma montagem de proteção diferencial está na figura 1.1. O secundário dos transformadores de corrente (TC’s) são interconectados e a espira de

um relé de sobrecorrente é conectada entre esses. Apesar de as correntes I 1 e I 2 poderem ser diferentes, considerando que ambos os TC’s tenham relações de

transformação e

conexões apropriadas, então, sob condições normais de carga ou quando há uma falta fora da zona de proteção considerada, as correntes do secundário irão circular entre os dois TC’s e não passarão pelo relé de sobrecorrente.

Num caso hipotético em que o

transformador tenha relação de transformação 1:1, as correntes vistas pelos TC’s seriam









corrente no relé diferencial seria proporcional ao vetor diferença entre as correntes que entram e saem do elemento protegido, que, no caso da falha interna à zona de proteção |I 1| + |I 2|; se a corrente que passa pelo relé diferencial exceder os parâmetros seria I

estabelecidos o relé atuará.

Figura 1.1

Proteção diferencial – balanço de corrente

A ligação na figura 1.1 é largamente utilizada. Entretanto, essa ligação pode apresentar problemas quando ocorrem curtos-circuitos fora da zona de proteção, mas muito próximo ao TC. De acordo com KINDERMANN (2006) esses problemas se dão devido a:    

casamentos imperfeitos entre TC’s; saturação dos TC’s; carregamento (burden) burden ) nos secundários dos TC’s, que causam saturação no

núcleo; outros problemas inerentes ao equipamento protegido.

Essas situações geram erros nos TC’s, que podem provocar a atuação indevida dos

relés diferenciais.









2. O RELÉ DIFERENCIAL PERCENTUAL O funcionamento da proteção diferencial baseia-se baseia-s e na 1ª Lei de Kirchhoff, ou seja I entrada entrada =I saída saída + I relé relé

(2.1)

I relé relé = I entrada entrada - I saída saída

(2.2)

Dessa forma, pode-se notar que, quando as correntes de entrada e saída forem iguais, a corrente no relé será igual a zero, e dessa forma ele não atuará, pois o elemento protegido não apresenta defeito. Já quando a corrente de entrada é diferente da corrente de saída, isso pode indicar que há algum defeito, e se essa diferença entre as correntes for maior que a corrente de pickup estabelecida, o relé atuará. TC’s, mesmo tendo sido produzidos com as mesmas especificações, não terão

correntes secundárias idênticas para a mesma corrente no lado primário devido a pequenas diferenças nas suas características de magnetização. É possível então que as duas correntes sejam diferentes, mas não haja defeito no transformador; essa diferença é considerada no momento de parametrização do relé, e por esse motivo o relé não envia o comando ao disjuntor para abrir (sinal de trip) para qualquer diferença entre os sinais de entrada e saída, mas somente para um vetor diferença com magnitude maior que o valor de pickup. Normalmente chama-se de relé diferencial comum quando a proteção diferencial é feita com um relé de sobrecorrente com função 50 (sobrecorrente instantânea) ou 51 (sobrecorrente temporizada) que realiza a função 87 – a função diferencial. Outro tipo de esquema que surgiu e segue os princípios básicos dessa filosofia de proteção diferencial é a proteção diferencial percentual, que tem o esquema de proteção baseado na interação de duas bobinas: 

Bobina de restrição, que tem uma derivação central. O campo magnético gerado nesta bobina de restrição atua atraindo um êmbolo produzindo um torque negativo, isto é, contrário ao torque de operação.



Bobina de operação, cujo campo magnético atrai um êmbolo que produz o torque positivo.

A corrente na bobina de operação é proporcional a ( I 1 – I 2). Se N é o número de N espiras da bobina de restrição, então o total de ampères-espiras é igual a I 1( N /2) mais









Esta prática percentual é comumente aplicada para a proteção de transformadores de potência com capacidade superior a 2,5 MVA.

N R: N op:

Figura 2.1

Bobina de restrição Bobina de operação

Relé diferencial percentual

O torque de restrição do relé aumenta conforme a magnitude de ( I 1 + I 2), prevenindo assim qualquer sinal de trip desnecessário devido a um erro dos TC’s.

Figura 2.2

Esquema da proteção diferencial aplicada a transformador monofásico

O esquema de proteção diferencial aplicado a um transformador monofásico é mostrado na figura 2.2. Esse esquema mostra a conexão dos TC’s nos

ramos primário e

secundário do transformador. As relações de transformação dos TC’s 1 e 2 são respectivamente 1 : n1 e 1 : n2, e a relação de transformação do transformador de potência











Costuma ocorrer que as correntes no primário dos TC’s não são iguais, pois

normalmente N 1 ≠ N 2. Portanto, para que as correntes nos secundários sejam iguais, é necessário que os TC’s possuam relação de tapes,

possibilitando realizar a igualdade

N 1 / N N 2 = n2 / n1, fazendo com que i1S = i2S. Já definimos que I relé relé = I entrada entrada - I saída saída; daí tira-se

que a corrente de operação id é:

    

(2.3)

Já a corrente de restrição será, como dito anteriormente, uma média das correntes de entrada e saída. No caso, tem-se:

    

(2.4)

Dessa forma, o torque resultante que age no balancim do relé diferencial percentual é dado pela expressão a seguir:

No limiar (

                                                  

Fazendo-se

) de operação do relé 87, tem-se:

, tem-se

(2.5)









Figura 2.3

Característica de operação de um relé diferencial digital

Para relés eletromecânicos, a característica de operação tem apenas um fator K, ou seja, apenas uma inclinação única. Entretanto, nos relés digitais é possível parametrizar mais de uma inclinação, para valores diferentes de correntes de restrição. Isso ocorre para evitar que, quando há correntes de grande magnitude, o relé dispare um trip indevidamente devido a possíveis saturações dos TC’s.

Nota-se na figura 2.3 que a reta não passa pela origem, apesar de a equação 2.6 descrever uma reta que passa por essa. Isso se deve à ação do efeito restaurador da mola da bobina de restrição, que não é levado em consideração na equação 2.5. Esse efeito evita que o relé opere para pequenas correntes diferenciais, resultantes de pequenos defeitos no equipamento, mas que não prejudicam o funcionamento deste.

3. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES Os transformadores de potência são equipamentos de extrema importância, pois









3.1. Proteção diferencial no Transformador Monofásico

Como discutido no capítulo primeiro, na uti lização da proteção diferencial os TC’s devem compensar as diferenças numéricas das correntes primárias e secundárias do transformador.

Figura 3.1

Proteção diferencial percentual no transformador monofásico

No esquema da figura 3.1 deve-se observar as r egras para a ligação dos TC’s: 1.1.1.1.

As ligações dos TC’s devem seguir as mesmas sequências das marcas

de polaridade das bobinas primárias e secundárias do transformador. 1.1.1.2.

Os terminais dos TC’s com marcas de polaridade devem se conectar às

bobinas de restrições do relé 87. 1.1.1.3.

Dimensionar os TC’s de modo que as correntes secundárias que passam

pelas bobinas de restrições sejam iguais em módulo e ângulo, ou seja, Î ps = Îss . As regras a) e b) garantem que as correntes que passam nas bobinas do relé tenham









transformador monofásico. Quando os transformadores trifásicos não possuem defasagem implícita, pode-se adotar qualquer tipo de ligação no secundário dos TC’s, Y ou , sendo que a mais utilizada é a Y. Entretanto, quando o transformador de potência está ligado com a conexão

- Y existirá uma defasagem entre as correntes de linha do lado de alta e

a do lado de baixa. A corrente de linha do lado

pode estar adiantada ou atrasada em 30º,

60º, 120º, 150º e 180º em relação às correntes de linha do lado Y. Essa rotação angular depende de como estarão conectados os enrolamentos do lado

do transformador.

Esse deslocamento angular produz dois problemas: a) Diferenças nas correntes no relé diferencial 87, que dependendo do seu ajuste pode operar para as condições de carga do transformador. b) Defasamento nas correntes das bobinas de restrição do relé 87, prejudicando a sua característica de desempenho. A regra fundamental para o funcionamento do relé 87 é que na condição normal de operação ou de curtos-circuitos trifásicos fora da zona de proteção, seja atendida a expressão 3.2.1.

              

(3.2.1)

Já que as correntes devem ter mesmo módulo e fase, então os TC’s devem

compensar tanto a relação de transformação do transformador, como a rotação angular provocada pela conexão

- Y.

3.3. Regra de ligação dos TC’s

Primeiramente é necessário realizar as ligações básicas dos enrolamentos primários e secundários do transformador. Conecta-se assim as linhas de transmissão nas marcas de









3.3.1. TRANSFORMADOR TRANSFORMADOR TRIFÁSICO SEM ROTAÇÃO DE FASE Os transformadores trifásicos sem rotação de fase necessitam apenas do ajuste de magnitude das correntes, sendo que a ligação dos TC’s não precisa compensar nenhuma

rotação angular. Os transformadores sem rotação angular são aqueles ligados em: 

Y-Y



-



- zig-zag

Para conectar os TC’s nesses transformadores, basta ligá -los

em Y ou

em ambos

os lados e fechar as bobinas dos relés 87 em Y, conforme a figura 3.2. Caso o transformador seja do tipo Y – Y aterrado é necessário que os TC’s sejam conectados em , ou os relés atuarão para faltas monofásicas fora da zona de proteção.

3.2

Transformador Y

Y com deslocamento angular de 0º











Tabela 3.1 – Conexões e Deslocamento Angular dos transformadores transformadores

Deslocamento angular

Conexões

0º

30º

Dd2

Dz2









150º

180º









-120º

-60º









1. Os secundários dos TC’s deverão estar conectados em Y no lado

do transformador de

potência. 2. Os secundários dos TC’s deverão estar conectados em

no lado Y do transformador de

potência. A figura 3.3 mostra uma ligação para um transformador

- Y. Entretanto, essa

ligação é genérica, e serve para transformadores com relação de transformação 1:1 apenas, pois só leva em consideração as ligações dos TC’s e o sentido das correntes.









ia = iA + ib ib = iB + ic ic = iC + ia

  

iA = ia – ib iB = ib – ic iC = ic – ia

As correntes no secundário do transformador nos lados de alta e de baixa do transformador não são iguais, dessa forma precisa-se adequar a conexão dos TC’s. Faz -se isso de duas formas possíveis: no lado Y do transformador;



Ligando os TC’s em



Utilizando outro conjunto de TC’s auxiliares intermediários em qualquer

lado visando adequar as correntes nas bobinas de restrição dos relés r elés 87. Seguindo os passos à risca, teremos a seguinte ordem de montagem:











Figura 3.6

Conexões dos TC’s no lado Y do transformador de potência









bobinas de restrição o mais próximo possível das condições de operação do transformador de potência. O múltiplo do tap na bobina de restrição é dado pela expressão 4.1.

      

(4.1)

O tap de operação será a diferença do tap da bobina de restrição primária e o da bobina de restrição secundária. Depois de considerar os erros intrínsecos no cálculo dos múltiplos é ainda necessário dar uma margem de segurança. Geralmente usa-se 5%. O erro total ( mismatch) é dado pela expressão 4.2.

                

(4.2)









b) A corrente de inrush ou de magnetização do transformador possui forte conteúdo de harmônicas, e o aspecto dessa corrente é variado. Nos primeiros 6 ciclos (0,1 segundos) a corrente apresenta-se bastante distorcida em decorrências das fortes harmônicas, mas estas decaem rapidamente. As correntes de inrush ocorrem nas 3 fases do lado da fonte de alimentação do transformador, portanto na proteção diferencial, os TC’s do lado fonte são submetidos a

estas correntes, podendo fazer a proteção diferencial atuar. Para evitar que a proteção diferencial atue no instante de energização do transformador, pode-se: a) Bloquear a operação do relé diferencial por 0,1 segundo durante a energização do transformador; b) Usar atenuadores de transitórios; c) Utilizar relés diferenciais com retenção de harmônicas;

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