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PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA Volume CONTEÚDO Zona de Proteção Proteção Diferencial Teleproteção Proteção de Transformador Nomenclatura ANSI/IEC ISBN 85-900853- [] 9 1788590 085362 Geraldo Kindermann - PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA 3) Geraldo Kindermann PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA Volume UFSC EEL LabPlan Agradecimentos O autor agradece em especial a Ao Professor Rubipiara Cavalcante Fernandes, por ler cuidadosamente e dar importantíssimas contribuições ao texto. Aos engenheiros Everton Pizolatti Medeiros e Giovanni Baptista Fabris da ELETROSUL, pelas discussões e contribuições técnicas. o Marcos Fischborn, pela elaboração da capa e Mauricio Sperandio pelo assessoramento de informática. Aos inúmeros alunos, da Graduação e Pós-graduação, que contribuíram com desenhos. Agradecimento em especial ao LABPLAN, principalmente aos professores, técnicos, analistas, mestrandos e doutorandos, que de um modo ou de outro sempre estiveram presentes na motivação, contribuição e assessoramento na elaboração do livro. Prefácio Tendo recebido nos cursos e palestras várias manifestações de apoio e receptividade de alunos, professores, técnicos e engenheiros, no que diz respeito à aceitação dos meus livros, e devido principalmente a carência de bibliografia, foi o que me motivou a escrever esse livro de PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA — Volume 2. Creio ser este livro mais uma contribuição, principalmente para a graduação da Engenharia Elétrica e de técnicos que queiram se aprofundar e conhecer a arte e a filosofia de proteção. O livro foi escrito numa sequência lógica, em linguagem simples e técnica, de modo a ser uma fonte de consulta acessível aos técnicos da área da Engenharia Elétrica. Todos os capítulos têm abrangência que cobre e atende os requisitos para proporcionar um bom conhecimento na área de proteção. O conteúdo desse volume 2 está focado na Teleproteção e Proteção de Transformadores. Devido à complexidade da proteção de sistemas elétricos de potência, este livro cobre somente uma parte. Portanto, pretende-se dar continuidade do conteúdo no livro de Proteção de Sistemas Elétricos de Potência, 3º volume, nos assuntos referentes a Proteção de Barras, de Reatores, de Capacitores, e de Máquinas Síncronas. O Autor Índice Geral Capítulo I- ZONA DE PROTEÇÃO 1.1] Zona de Proteção 12 Relé de Sobretens: 1.3 Relé de Subtensão.. sa cosa 1.4 Proteção de Sobretensão para a Terra de Sistemas Isolados . Capítulo II — RELÉ DIFERENCIAL 2.1 Relé Diferencial... 2.2 Relé Diferencial Comum 23 Rel6Diferencial Percential sc. ssomssssseosessassaramsnarasaransseriam mnsas 22 Capítulo III - TELEPROTEÇÃO 3.1 Teleproteçã: 4.25 Proteção do Transformador .... APÊNDICE A NOMENCLATURA DA PROTEÇÃO..... BIBLIOGRAFIA. ZONA DE PROTEÇÃO [ 1.1 Zona de Proteção Conforme apresentado no item 3.33 da referência [46], a proteção de primeira defesa é feita pela proteção principal (primária) e em segunda instância pela proteção secundária, que pode ser local por meio da proteção cm réplica ou remotamente por meio da proteção de retaguarda (back-up). Dependendo da importância e do porte do sistema elétrico, pode-se constituir a proteção principal em réplica (redundância), ou seja, classificada em proteção primária e alternativa. Neste caso as proteções são idênticas, ou seja, existem duas proteções desempenhando funções idênticas com hierarquias iguais trabalhando com teleproteção. Os equipamentos da proteção primária e da alternativa podem ser em réplica do mesmo fabricante ou de fabricantes diferentes. No caso de haver duas proteções, em que não há redundância, ou seja, uma trabalha com teleproteção (proteção primária) c a outra com escalonamento por 2 Capítulo 1 Zona de Proteção 3 zonas (proteção secundária), por exemplo. Neste caso, a proteção principal e a 1º zona da proteção secundária podem ser inclusive concorrentes. Os relés de proteção primária constituem a primeira linha de defesa, caso esta falhar, os relés da proteção alternativa, devem atuar, assim constituindo a segunda linha de defesa do sistema elétrico. Cada proteção principal e alternativa é efetuada cobrindo linhas ou trechos de linhas ou equipamentos do sistema, cuja cobertura é denominada de zona de atuação ou zona de seletividade da proteção. Em relação à proteção principal, deve-se efetuar a proteção considerando: e que haja superposição nas zonas de atuação dos relés da proteção principal; e cada disjuntor esteja coberto (contido) em pelo menos por duas zonas de atuação dos relés da proteção principal; e sempre entre cada elemento ou conjunto de equipamentos deve existir pelo menos um disjuntor. Para exemplificar a figura 1.1.1 mostra a zona de atuação das proteções principais de partes de um sistema elétrico. Note que quando ocorre um defeito dentro de uma determinada zona, os relés que constituem a proteção principal, devem desligar todos os disjuntores dentro de sua receptiva zona de atuação. Deste modo, para um defeito localizado dentro da superposição de duas zonas, todos os disjuntores das duas zonas devem ser desligados. Este esquema funciona adequadamente, mas tem um inconveniente que ocorre quando existir um defeito dentro da superposição de duas zonas, e num local onde a abertura de alguns disjuntores é desnecessária. Por exemplo, se um defeito ocorrer no ponto k do esquema da figura 1.1.1, desligaria os disjuntores 1,2,3,4€e 5, enquanto que somente o desligamento do disjuntor 1 da barra A seria o suficiente. O inconveniente desse desligamento seria retirar um elemento não defeituoso do sistema elétrico. Entretanto a probabilidade da ocorrência desse defeito é muito pequena dado que a zona de superposição é muito pequena e está próxima do disjuntor. Proteção do T Gerador e Ex Transformador Proteção do Gerador Proteção de Zonas de Aluação da Proteção Proteção de Linhas de Transmissão N Figura 1.1.1 - Zona de Atuação da Proteção Principal Um relé pode ter zona de atuação em que uma parte pertence à proteção principal e a outra parte pertence à proteção de retaguarda. Como exemplo, pode-se citar o caso da proteção convencional (escalonada por zona sem teleproteção) feita com a utilização de relés de distância (21), em que a 2º zona tem 20% da LT na proteção principal e 50% da próxima LT coberta pela proteção de retaguarda da 1º zona do relé a jusante da próxima barra. é Capítulo T Zona de Proteção 7 A fim de reduzir os custos e a quantidade de TCs utilizados na conjugação dos entrelaçamentos das proteções de barras, as empresas adotam esquemas de proteções em que as ligações ficariam- como as apresentadas na figura 1.1.5. Proteção é Diferencial Proteção Diferencial do Gerador e Transformador a o RA ÃO Ra Proteção de Linha de Transmissão Proteção Diferencial de Barra Figura 1.1.5 — TCs com 2 Enrolamentos no Secundários no Entrelaçamento das Zonas de Proteção com a Proteção de Barras. Note que com esta configuração economizou-se 7 TCs. 1.2 Relé de Sobretensão Os relés de sobretensão operam quando a tensão elétrica ultrapassa um valor pré-ajustado. Recebe a denominação de função 59 pela nomenclatura ANSI. Ver apêndice A. Os relés de sobretensão podem ser classificados em: a) Aspectos construtivos + Eletromecânico; + Eletrônico; + Digital, b) Tempo de atuação + Instantâneo; + Temporizado. o Definido; o Tempo inverso, O relé de sobretensão eletromecânico, em relação ao aspecto construtivo, é idêntico ao relé de sobrecorrente tanto para a unidade instantânea quanto para a unidade temporizada. A unidade instantânea e a temporizada de tempo inverso estão apresentadas respectivamente nas figuras 1.2.1 e 1.2.2. O conjugado (torque) do relé de sobretensão é dado pela expressão 1.2.1. 2 Trorque = KV — kmota (1.2.1) Em que: V > é a tensão elétrica na bobina magnetizante do relé de sobretensão. 8 Capítulo I Zona de Proteção espiras “gs Bobina SE. Magnetizante do Relé 591 espiras “ Bobina Magneiizante do Relé 597 Figura 1.2.2 — Relé de Sobretensão Temporizado (59T) As unidades têm taps para possibilitar a escolha do ajuste mais indicado para a respectiva proteção instantânea e temporizada a ser adotada para o sistema elétrico em estudo. No relé de sobretensão temporizado de tempo inverso escolhe-se uma curva Tempo x Tensão, conforme família de curvas disponibilizadas pelo fabricante apresentadas, na figura 1.2.3, por exemplo. Dependendo do porte e da importância do sistema elétrico a proteção de elevação de tensão pode ser efetuada utilizando-se um ou mais relés de sobretensão. Por exemplo, num sistema de grande porte, pode-se utilizar 3 relés de sobretensão, conectados entre fases ou entre fase e terra. A figura 1.2.4 mostra uma ligação com relés de sobretensão (59) entre fase c terra. T | eo! H Ê E" Reló de Sobretensão —] Ê 5 í 2 “e| 1! E 1 Ê 1h heat RA Curva de Tempo px 41 2345678910 NA 7, / ZUVA/ oa : y f FAVA / f PARK E AVAN / 7 + 10 = a Tm an as Sum So TED 15 MO Ho MO 0 160 180 200 Porcento do valer do Tap ajustado no 59 Figura 1.2.3 — Curva Tempo x Tensão do relé de Sobretensão TIT | Digjuntor Rd TPs | B (com) Ly ESA Figura 1.2.4 — Ligação dos Relés de Sobreiensão Instantâneos e Temporizados 12 Capítulo T Zona de Proteção 13 [13 Relé de Subtensão O relé de subtensão, função de proteção 27, opera quando a tensão diminui abaixo de um valor pré-ajustado. Construtivamente é idêntico ao relé de sobretensão, mas sua operação ocorre somente quando há uma redução da tensão elétrica no circuito no qual está instalado. As características e esquemas de ligação são os mesmos da proteção de sobretensão. A curva de temporização desse relé é mostrada na figura 13.1. : no Reeté de Sulsentado Si ir H HIBE ass E TT Ps it T ERES SORTE NRESE SUE Pricecntor do vaias de “a niustado Figura 1.3.1 — Curva de Temporização do Relé de Subtensão Os relés de subtensão são idênticos aos relés de sobretensão, mostrado na figura 1.2.1, com bobina magnetizante com vários taps pata possibilitar a escolha do percentual (%) da tensão ajustada para a qual o relé irá atuar. A atuação é por ação da desoperação (drop-out) da alavanca. Na operação normal do sistema, a tensão nominal produz um fluxo magnético que mantém atraída a alavanca (armadura) do relé, conforme ilustrado na figura 1.3.2. ES Proaie— —— | E É es | USD vo! Bobina | Mota Pt Magnetizante. | Ie do Relé 271 | Alavanca “Eixo Figura 1.3.2 — Relé de Subtensão Instantâneo (271) não Operado A mola neste caso se mantém permanentemente tracionada. Quando a tensão elétrica do circuito diminui abaixo de um valor ajustado, o fluxo magnético diminui e solta a alavanca. A mola que está tracionada puxa a alavanca de volta fechando o contado do relé, isto é, concretizando a operação propriamente dita do relé de subtensão 27. Ver figura 1.3.3. “digo À) Magnetizante / / alavanca do Relé 27] / as Po LI) Eixo Figura 1.3.3 — Relé de Subtensão Instantâneo (271) Operado O relé de subtensão (27) é utilizado em várias situações na proteção do sistema elétrico, muitas vezes combinado com outros relés. Por exemplo, utiliza-se o relé de sobrecorrente com monitoramento (permissivo) por subtensão. Isto significa que a atuação da proteção é combinada, isto é, o disjuntor só receberá disparo se houver atuação dupla, do relé de 14 Capítulo 1 Zona de Proteção 15 sobrecorrente 51 e do relé de subtensão 271. O esquema apresentado na figura 1.3.4 mostra como se realiza a operação desta proteção. Mo; LT BARRA Figura 1.3.4 — Diagrama Unifilar e Esquemático em DC da Proteção de Sobrecorrente com Supervisão do Relé de Subtensão (51/27) O esquemático em DC está apresentado na figura 1.3.5. + es MPE —"$UOU, Figura 1.3.5 — Esquemático em DC da Proteção de Sobrecorrente com Supervisão do Relé de Subtensão (51/27) Na representação numérica da ANSI (apêndice A), o relé de sobrecorrente temporizado com monitoramento de subtensão é denominado por 51/27. Outra variante, muito utilizada é a denominada de proteção por relé de sobrecorrente com restrição de tensão. Neste caso, o torque de atuação no relé de sobrecorrente cletromecânico é dependente da tensão, que pode ser por subtensão ou sobretensão. Por exemplo, a figura 1.3.6 mostra o diagrama unifilar desta configuração por restrição de subtensão. Dl te x BARRA Vema= (50) ou51 TP Figura 1.3.6 — Relé de Sobrecorrente com Restrição de Subtensão O esquemático em DC está apresentado na figura 1.3.7. mãíããmã + =— 500u51 52 BA ape DAR pisa Figura 1.3.7 — Esquemático em DC O torque no relé de sobrecorrente eletromecânico, ou seja, a sua corrente de atuação depende do tap escolhido e varia em função do valor da tensão elétrica aplicada após atuação do relé 27. Isto é, a corrente de ajuste do relé de sobrecorrente varia de acordo com a tensão elétrica aplicada e pode ser dada pela expressão 1.3.1. Luso so ous1 = TaPsow si “E (Vos) (13.1) Para o relé digital ou eletrônico, a cotrente de ajuste varia de acordo õ com a expressão 1. Tsççs Lato ra UM) (1.3.2) Em que: 18 Capítulo | tensão de sequência zero. Assim, conforme descrito na referência [5], na ligação em À aberto aparecerá uma tensão de segiiência zero com o valor de 3Vo que ativa o relé de sobretensão 59. Apesar de o relé ser de sobretensão esta função de proteção é denominada de 64 pela ANSI, dita também de proteção de terra ou de contato à terra. Por exemplo, no circuito de 13,8 kV dos serviços auxiliares de uma subestação, proveniente do terciário ligado em A do transformador de potência de 3 enrolamentos, utiliza-se a proteção de sobretensão mostrada na figura 1.4.1. Note que neste caso, em funcionamento normal, a tensão no secundário dos TPs é de 115/43 = 66,4 V. Em termos fasoriais, tem-se: V, =66,420º V V, =66,42-120º V V,=66,42-240º V À tensão sobre o relé 59 é: = zero Vretés9 = Va + Vb + Vo Portanto em funcionamento normal do sistema elétrico a tensão no relé 59 é nula. Havendo um defeito à terra, no sistema elétrico isolado, as tensões desequilibradas geram tensões de segiência zero iguais e em fase no secundário dos TPs, e o relé 59 ficará submetido a Vretéso =3V9 = 3x66,4=199,2V Desse modo o relé 59 deve ser ajustado com uma tensão bem menor, por exemplo: Vajuste do Reté 59 = Vnominal <3Vo Na prática, na figura 1.4.1, é necessário colocar em paralelo com o relé 59 uma resistência elétrica (R) de estabilização, principalmente para minimizar as sobretensões advindas da própria operação do relé e também para atenuar possíveis problemas de ferro-ressonância tão comum neste tipo de circuito. 19 RELÉ DIFERENCIAL [2.1 Relé Diferencial O relé diferencial é um dispositivo de proteção de um equipamento gue se bascia no princípio da comparação de corrente elétrica de entrada e saída, podendo haver várias possibilidades de conexões, sendo simbolicamente representada pela figura 2.1.1. icntrada i ide Elemento ma coceira cqmagpeeo i [Sn Protegido Figura 2.1.1 - Princípio da Proteção Diferencial A função de proteção fundamenta-se na 1º Lei de Kirchhoff aplicada ao equipamento, isto é 20 Capítulo IL Relé Diferencial a i i TC j Docarada = Logiên + Licjá | lenmada anal Elemento Ea Taida ; E Protegido a Le — Lago — Tita CL . O dispositivo de proteção vai atuar do seguinte modo: | : : o a i saída a) Se Ima = Logs » à corrente Ly =0, e O relé não atua, isto é, o e ae (secundário) elemento protegido não apresenta defeito. elé b) Se Tato — Luas < Tojugê gortéo à proteção não atua porque a diferença de corrente é menor que a corrente de ajuste do relé. o) Sei de corrente é maior que o ajuste no relé. Neste caso há um defeito no elemento protegido. >1 a proteção atua porque a diferença a ajuste do relé > entrada A comparação das correntes elétricas é feita por meio de TCs. A proteção diferencial é largamente empregada na: + Proteção de transformadores de potência Proteção de cabos subterrâneos Proteção de máquinas síncronas Proteção de barras .. + + Proteção de cubículos metálicos + Proteção de linhas de transmissão curta A proteção diferencial é denotada pelo número de função 87. Apresentam-se a seguir várias possibilidades do emprego da proteção utilizando o relé 87. 2.2 Relé Diferencial Comum É uma proteção em que se utiliza um relé de sobrecorrente 50 ou 51, fazendo a função 87. A figura 2.2.1 mostra o esquema genérico desta » proteção, em que os TCs têm relação 1:1. Figura 2.2.1 - Proteção Diferencial Comum na Operação Normal do Sistema Elétrico No caso da figura 2.2.1 em que o sistema elétrico está operando normalmente, isto é, alimentando uma carga, as correntes de entrada e saída são iguais é o relé não opera. Note que a proteção diferencial pode ser empregada em sistemas elétricos radiais c em anéis, sendo que sua zona seletiva de atuação é entre os dois TCs, A figura 2.2.2 apresenta o caso de um curto-circuito fora da zona protegida pelos dois TCs. 1: Lim Elemento I, Pt a % Protegido t i defeito ; se Bobinade L=1 E magnetização do relé de sobrecorrente Figura 2.2.2 - Defeito Fora da Zona Protegida Supondo o sistema em anel, as correntes que suprem o curto-circuito vêm dos dois lados como mostra figura 2.2.2, mas como o defeito ocorreu fora da zona protegida pela proteção diferencial, os dois TCs vêm a mesma corrente Í,, e o relé não opera. Já a figura 2.2.3 apresenta um curto-circuito intemo à ligação diferencial, 24 Capítulo TI + Bobina de operação, cujo campo magnético atrai um êmbolo que produz o torque positivo. O relé 87 irá operar se o torque positivo (r,) for superior ao torque negativo (1). O funcionamento básico do relé diferencial percentual da figura 2.3.1 baseia-se nos torques gerados nas bobinas de restrições e de operação. Para analisar melhor o funcionamento, apresentam-se os itens a seguir. a) Operação normal do sistema elétrico ou defeito fora da zona protegida. Este é o caso em que as correntes secundárias nos TCs do esquema da figura 2.3.1 são iguais (1,=1,). Nota-se que a bobina de restrição é composta de duas partes enroladas no mesmo sentido, portanto as correntes i, e 1, produzem um campo magnético concordante que atrai com bastante força o êmbolo, produzindo um forte torque negativo. Já na bobina de operação, a corrente resultante é Í À, =0, ou seja, o torque será nulo. Assim, o forte torque negativo (restrição) garantirá a não operação do relé 87. b) Defeito interno entre os dois TCs. Quando o defeito (curto-circuito) é interno, ou seja, dentro da zona limitada pelos dois TCs, as correntes le i, dirigem-se ao ponto do defeito. Neste caso, tem-se a inversão da corrente L como mostra a figura 2.352, Para dar ênfase ao funcionamento deste relé, supõe-se que a corrente i, tenha o mesmo valor em módulo da corrente Ta deste modo, o campo magnético gerado pela corrente i,, na meia bobina de restrição, tem sentido oposto ao campo criado pela corrente i,, assim, o campo magnético de restrição resultante é nulo, consequentemente não existe torque de restrição. Já a corrente resultante |, +1, = 2i,, passa totalmente pela bobina de operação, produzindo um elevado torque positivo. Note que neste caso, O Relé Diferencial 25 torque de operação é grande e o torque de restrição é nulo, ficando desse modo, garantida a operação do relé. Elemento Protegido 7 LH BOBINA DE BOBINA DE N2 li s OPERAÇÃO RESTRIÇÃO T T+ r— fi | === EIXO 5 MOLA BATENTE Figura 2.3.2 - Defeito Interno Esta é grande vantagem desse relé, que se traduz em: + Defeitos extemos, o relé fortifica a restrição e enfraquece a operação, garantindo a não atuação do relé. + Defeitos intemos, o relé enfraquece a restrição e fortiífica a operação, garantindo a atuação do relé. O relé diferencial percentual (87) apresentado na figura 2.3.1 é representado pelo esquema da figura 2.3.3, em que aparece a bobina de operação c a bobina de restrição separada em duas partes. Passa-se a obter a expressão analítica de operação do relé diferencial percentual, considerando que as correntes 1, e À, estão referenciadas de acordo com as figuras 2.3.1 0 2.3.3. 4 Na bobina de restrição, age a corrente resultante que é dada por 1+ Í, 2 E asempusaaço E 26 Capitulo TI Elemento Protegido > Eua TOUS mp = L Bobinas de festrições Figura 2.3.3 - Relé Diferencial Percentual (87) Para simplificar, utiliza-se apenas a média dos módulos individuais, isto é L+L corrente de restrição — 2 I cujo torque de restrição será dado por 2 4 Na bobina de operação, a corrente resultante é, id I aperação e para simplificar utiliza-se Locução = 1, =L operação cujo torque de operação é dado por 2 z “eo ED ção) ce (ly 15) Portanto, desprezando-se a restrição da mola restauradora, o torque resultante que age no balancim do relé diferencial percentual é dado pela expressão 2.3.1. Relé Diferencial 27 Truésy = Poperação — Tresunição L+1 (2.3.1) No limiar (ras g= 0) do relé 87, tem-se: ê 0=K (=) Kb 1) Uva (2.32) Fazendo-se, a = (2.3.3) Fazendo-se, y=L,-I, e x= dt, , tem-se a expressão 2.3.3, reescrita como sendo a expressão 2.3.4, que é uma equação de uma reta que passa pela origem dos cixos cartesianos y —x. y=ax : (2.3.4) Fazendo-se o gráfico da expressão 2.3.3 de E T, em função de 1 +1 2 tem-se a figura 2.3.4. 2 Em que: K, Eis a a=taga= Ve » que é chamado de inclinação, ou declividade (s/ope) da 1 reta do limiar de operação do relé 87. O efeito da mola de restauração do relé só aparecerá para pequenas correntes de defeito, neste caso, sua ação está representada na figura 2.3.4, em que a reta não passa pela origem, mas tem um pequeno desvio. 
