Proteção De Sistemas Elétricos De Potência - Mamede (1), Notas de estudo de Cultura

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Capa: Márcio André

Produção digital: Hondana

CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO-NA-FONTE SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ. M231p

Mamede Filho, João - Proteção de sistemas elétricos de potência /João Mamede Filho, Daniel Ribeiro Mamede. - [Reimpr.]. - Rio de Janeiro: LTC, 2013. il.; 28 cm Inclui bibliografia e índice

ISBN 978-85-216-2012-

1. Sistemas de energia elétrica - Proteção. 2. Relés de proteção. I. Mamede, Daniel Ribeiro II. Título.

11-3924. CDD: 621.3191CDU: 621.

Material

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1.6.2. 1.6.2. 1.6.2. 1.6.2. 1.6.2. 1.6.2. 1.6.2. 1.6.2. 1.6. 1.6. 1.6. 1.6.

1.7.1. 1.7.1. 1.7. 1.7.2. 1.7.2. 1.7.2. 1.7. 1.7.

SUMÁRIO

ELEMENTOS DA PROTEÇÃO

INTRODUÇÃO

ESTRUTURA BÁSICA DE UM SISTEMA DE PROTEÇÃO

FALHAS DE UM SISTEMA DE POTÊNCIA

Estatísticas das interrupções Custos das interrupções

REQUISITOS BÁSICOS DE UM SISTEMA DE PROTEÇÃO

DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO

Relés eletromecânicos de indução Relés eletrônicos Relés digitais

CARACTERÍSTICAS DOS RELÉS DE PROTEÇÃO

Funções de proteção Características construtivas e operacionais Quanto à forma construtiva Relés fluidodinâmicos Relés eletromagnéticos Relés eletrodinâmicos Relés de indução Relés térmicos Relés eletrônicos Relés digitais Desempenho Grandezas elétricas Temporização Forma de acionamento

TIPOS DE PROTEÇÃO DOS SISTEMAS ELÉTRICOS

Proteção de sobrecorrentes Sobrecargas Curtos-circuitos Proteção de sobretensões Sobretensões por descargas atmosféricas Sobretensões por chaveamento Defeitos monopolares Proteção de subtensões Proteção de frequência

2.3.2. 2.3.2. 2.3.2. 2.3.2. 2.3.2. 2.3.2. 2.3.2. 2.3.2.

3.1.2. 3.1.2. 3.1. 3.1. 3.1.4. 3.1.4. 3.1.4. 3.1.4. 3.1.4. 3.1.4. 3.1.

3.2.2. 3.2.2. 3.2.2. 3.2. 3.2.3. 3.2.3. 3.2.3.

3.3.2. 3.3.2. 3.3.2. 3.3. 3.3.3. 3.3.3.

Erro de ângulo de fase Classe de exatidão Tensões nominais Cargas nominais Polaridade Descargas parciais Potência térmica nominal Tensões suportáveis

RELÉS DE PROTEÇÃO

RELÉS DE SOBRECORRENTE (50/51)

Introdução Tipos de relés de sobrecorrente não direcionais Relés de sobrecorrente primários Relés de sobrecorrente secundários de indução Relés de sobrecorrente secundários estáticos Relés de sobrecorrente secundários digitais Características construtivas Características funcionais Unidades de sobrecorrente de fase Unidades de sobrecorrente de neutro Relés de sobrecorrente com função contra falha do disjuntor Faixas de ajuste dos relés de sobrecorrente de fase e de neutro Relé de sobrecorrente digital com restrição de tensão (50/51 V)

RELÉ DIFERENCIAL DE CORRENTE (87)

Introdução Relés diferenciais de indução Relés diferenciais de sobrecorrente Relés diferenciais com restrição percentual Relés diferenciais com restrição percentual e por harmônica Relés diferenciais digitais Funções operacionais Curvas operacionais Ajustes das funções de um relé diferencial de corrente

RELÉ DIRECIONAL (67)

Introdução Relé de sobrecorrente de indução Relé direcional de sobrecorrente de fase Relé direcional de sobrecorrente de neutro Relé direcional de potência Relé de sobrecorrente direcional digital Unidade direcional de fase Unidade direcional de neutro

3.3.3.

3.4.6. 3.4.6. 3.4.6. 3.4.6. 3.4. 3.4.7. 3.4.7. 3.4.7. 3.4.7. 3.4.7. 3.4.7. 3.4.7. 3.4.7. 3.4.7. 3.4.7.

3.5.1. 3.5.1. 3.5. 3.5.2.

3.7.1. 3.7.1. 3.7. 3.7.2. 3.7.2. 3.7.2.

Relé direcional de potência digital

RELÉ DE DISTÂNCIA (21)

Introdução Tipos de relés de distância Esquemas lógicos de proteção Critérios para definição dos alcances das zonas de atuação Critérios de coordenação Relé de distância eletromecânico Unidade ôhmica Relé de distância à impedância Relé de distância de admitância (MHO) Relé de distância de reatância Relé de distância digital Unidades de sub e sobretensão Unidade de medida de distância Unidade de supervisão para frente e para trás Unidade de detecção de falha do fusível Unidade de detecção de falta Unidade de detecção de oscilação de potência Unidade de oscilografia Unidade de sobrecorrente direcional Sistemas de teleproteção Características técnicas

RELÉ DE SOBRETENSÃO (59)

Relé de sobretensão eletromecânico Unidade de sobretensão temporizada (59T) Unidade de sobretensão instantânea (59I) Relés de sobretensão digitais Características construtivas

RELÉ DE SUBTENSÃO (27)

Relé de subtensão eletromecânico Relé de subtensão digital Relé de subtensão trifásica

RELÉ DE TENSÃO (27/59)

Relé de tensão eletromecânico Unidade temporizada Unidade instantânea Relé de tensão digital Características construtivas Unidade de sobretensão Unidade de subtensão

RELÉ DE RELIGAMENTO (79)

Relé de religamento eletromecânico Relé de religamento estático

4.4.1. 4.4.1. 4.4.1. 4.4. 4.4.2. 4.4.2. 4.4.2. 4.4.2. 4.4. 4.4.3. 4.4.3. 4.4. 4.4. 4.4. 4.4.6. 4.4.6.

5.3.1. 5.3.1.

Proteção por fusível Proteção de transformadores de redes aéreas de distribuição Proteção de transformadores de redes subterrâneas de distribuição Proteção de transformadores de subestações de consumidor Proteção por relés de sobrecorrente Unidade temporizada de fase Unidade instantânea de fase Unidade temporizada de neutro Unidade instantânea de neutro Proteção por relé diferencial de sobrecorrente Transformadores com dois enrolamentos Transformadores com três enrolamentos: primário, secundário e terciário Proteção por relés de sobretensão Proteção por imagem térmica Proteções intrínsecas Proteções intrínsecas do tipo térmico Proteções intrínsecas do tipo mecânico

BARREIRA CORTA-FOGO

PROTEÇÃO DE GERADORES

INTRODUÇÃO

PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE CORRENTE

PROTEÇÃO CONTRA FALTAS NA REDE ELÉTRICA

Relé de sobrecorrente Relés de sobrecorrente convencionais (sem restrição) Relés de sobrecorrente temporizados de fase dependentes da tensão (51V)

PROTEÇÃO CONTRA SOBRECARGA

PROTEÇÃO CONTRA CARGAS ASSIMÉTRICAS (46)

PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE EXCITAÇÃO

PROTEÇÃO CONTRA MOTORIZAÇÃO

PROTEÇÃO CONTRA SUB E SOBRETENSÃO

PROTEÇÃO CONTRA SOBREVELOCIDADE

PROTEÇÃO CONTRA SOBREFREQUÊNCIA

PROTEÇÃO CONTRA DEFEITOS À TERRA DO ESTATOR

PROTEÇÃO CONTRA DEFEITOS À TERRA DO ROTOR

PROTEÇÃO CONTRA FALTA DE TENSÃO AUXILIAR

PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

6.2.1. 6.2.1. 6.2.1. 6.2.1. 6.2. 6.2.

6.3.2. 6.3.2.

PROTEÇÃO DE USINAS TERMELÉTRICAS

Proteções do motor do gerador Proteção no ponto de conexão com a rede pública de energia

AJUSTE RECOMENDADO DAS PROTEÇÕES

PROTEÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS

INTRODUÇÃO

PROTEÇÃO CONTRA SOBRECORRENTES

Proteção contra sobrecorrente de fase e neutro Unidade temporizada de fase Unidade instantânea de fase Unidade temporizada de neutro Unidade instantânea de neutro Relés diferenciais de sobrecorrente Proteção de distância

PROTEÇÃO ATRAVÉS DE DETECTORES DE TEMPERATURA

Relé de imagem térmica Detectores térmicos bimetálicos ou termostatos Detectores térmicos à resistência dependente da temperatura Detectores de térmicos a termistor

PROTEÇÃO CONTRA SUB E SOBRETENSÃO

PROTEÇÃO CONTRA PARTIDA PROLONGADA

PROTEÇÃO CONTRA ROTOR BLOQUEADO

Proteção contra rotor bloqueado na partida Proteção contra rotor bloqueado em regime normal de operação

PROTEÇÃO POR PERDA DE CARGA

PROTEÇÃO CONTRA DESEQUILÍBRIO DE CORRENTE

PROTEÇÃO CONTRA FUGA DE CORRENTE À TERRA

PROTEÇÃO CONTRA PERDA DE EXCITAÇÃO/SINCRONISMO

PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

AJUSTE RECOMENDADO DAS PROTEÇÕES

PROTEÇÃO DE SISTEMADE DISTRIBUIÇÃO

INTRODUÇÃO

8.4.2. 8.4.2. 8.4.2. 8.4.2.

9.2.1. 9.2.1. 9.2.1. 9.2.1. 9.2.1. 9.2.1. 9.2.1. 9.2.1. 9.2. 9.2.2. 9.2.2.

PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA

Aspectos gerais Sistemas de teleproteção Sistema de comparação de fase Sistema de transferência de sinal de atuação Sistema de comparação direcional Sistema de prolongamento ou aceleração de zona

PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE LINHA

FALHA DE DISJUNTOR

PROTEÇÃO DE SOBRETENSÃO

PROTEÇÃO DE BARRAMENTO

INTRODUÇÃO

PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE BARRAMENTO

Proteção diferencial de barramentos aéreos Barramento simples no primário e barramento simples no secundário Barramento principal e transferência Barramento simples seccionado Barramento simples seccionado com geração auxiliar Barramento duplo, 1 disjuntor/4 chaves Barramento duplo a 2 disjuntores Barramento duplo e disjuntor e meio Barramento em anel Proteção diferencial de barramentos em cubículos Proteção do tipo barra isolada com aterramento em único ponto Proteção do tipo bloqueio

ESTUDO DA PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE BARRAMENTO

Proteção do tipo diferencial monofásico Proteção do tipo diferencial trifásico Proteção diferencial de alta impedância Proteção diferencial de tensão com acopladores lineares Proteção diferencial combinada

PROTEÇÃO DE CAPACITORES

INTRODUÇÃO

PROTEÇÃO CONTRA SUB E SOBRETENSÕES

Proteção contra sobretensões por descargas atmosféricas

10.3.2. 10.3.2.

Proteção contra sub e sobretensões de origem interna

PROTEÇÃO CONTRA SOBRECORRENTES

Proteção de capacitores de baixa tensão Proteção de capacitores de média e alta tensões Proteção de capacitores através de fusíveis Proteção de capacitores através de relés digitais

PROTEÇÃO CONTRA CORRENTES TRANSITÓRIAS DE

ENERGIZAÇÃO

Operação de um único banco de capacitores Operação de um banco de capacitores em paralelo com outros

EXEMPLO DE APLICAÇÃO

CABOS DAS LINHAS DE TRANSMISSÃO

TRANSFORMADOR

GERADORES

CÁLCULO DAS IMPEDÂNCIAS DAS LINHAS DE TRANSMISSÃO

Reatância de sequência positiva Resistência de sequência positiva Reatância de sequência zero Resistência de sequência zero

LINHA DE TRANSMISSÃO LT1 (40 KM) – CIRCUITO DUPLO

Impedância de sequência positiva Impedância de sequência zero

LINHA DE TRANSMISSÃO LT2 (30 KM) – CIRCUITO SIMPLES

Impedância de sequência positiva Impedância de sequência zero

7 LINHA DE TRANSMISSÃO LT3 (20 KM) – CIRCUITO SIMPLES

Impedância de sequência positiva Impedância de sequência zero

IMPEDÂNCIA DO TRANSFORMADOR

IMPEDÂNCIAS DOS GERADORES

Impedância de sequência positiva Impedância de sequência zero

CORRENTES DE CURTO-CIRCUITO TRIFÁSICAS

Componentes geradas somente pela fonte equivalente (sistema da concessionária)

ELEMENTOS DA PROTEÇÃO

1.1 INTRODUÇÃO

Na operação dos sistemas elétricos de potência surgem, com certa frequência, falhas nos seus componentes que resultam em interrupções no fornecimento de energia aos consumidores conectados a esses sistemas, com a consequente redução da qualidade do serviço prestado. A falha mais comum em qualquer sistema de potência é o curto-circuito, que dá origem a correntes elevadas circulando em todos os elementos energizados, tendo como resultado severos distúrbios de tensão ao longo de todo o sistema elétrico, ocasionando, muitas vezes, danos irreparáveis ao sistema e às instalações das unidades consumidoras. Além do curto-circuito, a sobrecarga é outro fator de anormalidade nos sistemas de potência que pode originar danos materiais significativos. Além desses, existem outros dois fenômenos, não menos severos, que podem ocorrer nos sistemas elétricos: as sub e sobretensões com diferentes origens, de descargas atmosféricas e manobras, entre outras. Algumas vezes estão associadas aos curtos-circuitos. Os curtos-circuitos, as sobrecargas e as sub e sobretensões são inerentes ao funcionamento dos sistemas de potência, apesar das precauções e cuidados tomados durante a elaboração do projeto e a execução das instalações, mesmo seguindo as normas mais severas e as recomendações existentes. Essas anormalidades poderão ter consequências irrelevantes ou desastrosas, dependendo do sistema de proteção preparado para aquela instalação em particular. A principal função de um sistema de proteção é assegurar a desconexão de todo sistema elétrico submetido a qualquer anormalidade que o faça operar fora dos limites previstos ou de parte dele. Em segundo lugar, o sistema de proteção tem a função de fornecer as informações necessárias aos responsáveis por sua operação, de modo a facilitar a identificação dos defeitos e a sua consequente recuperação. De modo geral, a proteção de um sistema de potência é projetada tomando como base os fusíveis e os relés incorporados necessariamente a um disjuntor, que é, na essência, a parte mecânica responsável pela desconexão do circuito afetado com a fonte supridora. O fusível representa uma gama numerosa de dispositivos que são capazes de interromper o circuito ao qual estão ligados, sempre através da fusão de seu elemento metálico de proteção. São normalmente empregados nos sistemas de distribuição de média tensão e muito raramente nos sistemas de alta tensão, devido à sua baixa confiabilidade e à dificuldade de se obter sistemas seletivos. Os leitores poderão obter informações técnicas sobre construção e funcionamento de fusíveis no livro do autor Manual de Equipamentos Elétricos , 3ª edição. Já os relés representam outra gama de dispositivos, com as mais diferentes formas de

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construção e funções incorporadas, para aplicações diversas, dependendo da importância, do porte e da segurança da instalação considerada. Os relés sempre devem atuar sobre o equipamento responsável pela desconexão do circuito elétrico afetado, normalmente o disjuntor ou o religador. A detecção de um defeito em um sistema elétrico é obtida, de forma geral, pela aplicação de um dos seguintes critérios:

Elevação da corrente. Elevação e redução da tensão. Inversão do sentido da corrente. Alteração da impedância do sistema. Comparação de módulo e ângulo de fase na entrada e na saída do sistema. Para melhor compreensão das características de funcionamento de uma estrutura de proteção, descreveremos algumas definições de termos clássicos utilizados no cotidiano dos técnicos que trabalham nesse segmento:

Corrente nominal : é o valor da corrente secundária que pode circular permanentemente no relé. Corrente de ajuste : é o valor da corrente ajustada no relé, acima da qual o relé atuará. Corrente de acionamento : é o valor da corrente que provoca a atuação do relé de proteção. Corrente máxima admissível : é o valor máximo da corrente que pode suportar os componentes do relé, tais como bobinas, contatos, elementos eletrônicos etc., durante um tempo especificado. Consumo : é o valor da energia solicitada pelo relé aos equipamentos de medida aos quais está conectado, durante o seu funcionamento. Potência nominal : é o valor da potência que é requerida pelo relé e fornecida pelos transformadores de potencial e de corrente. Tensão nominal : é o valor da tensão para o qual foi isolado o dispositivo. Tensão de serviço : é a tensão do sistema ao qual o relé está conectado. Tensão máxima admissível : é o valor da tensão máxima a que pode ficar submetido o relé em operação. Temporização : é o valor do tempo, normalmente em segundos, ajustado no relé, para o qual o mesmo atuará.

1.2 ESTRUTURA BÁSICA DE UM SISTEMA DE PROTEÇÃO

De forma geral, o esquema básico de funcionamento de um relé de proteção pode ser entendido pela ilustração da Figura 1.1, que descreve os seus diversos componentes.

a) Unidade de entrada

Corresponde aos equipamentos que recebem as informações de distúrbios do sistema elétrico, tais como transformadores de corrente e de potencial, e enviam esses sinais à unidade de conversão do relé de proteção. As unidades de entrada também oferecem uma isolação elétrica entre o sistema e os dispositivos de proteção, evitando que tensões e correntes elevadas sejam conduzidas a esses dispositivos.

b) Unidade de conversão de sinal

É o elemento interno aos relés que recebe os sinais dos transformadores de corrente e de potencial e os transforma em sinais com modulação adequada ao nível de funcionamento dos relés. A unidade de conversão é própria da proteção com relés secundários – estudaremos esse assunto mais adiante. Na proteção com relés primários não existe a unidade de conversão, já que a