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Capítulo 4 RELIGADOR E SECCIONALIZADOR
4.1 Introdução
Com o advento dos primeiros sistemas de distribuição de energia elétrica, surgiram os fusíveis para protegê-los contra sobrecorrentes indesejáveis.
A maior vantagem dos fusíveis é o preço. No entanto, é um barato que pode se tornar caro , principalmente, quando são empregados na proteção de alimentadores radiais longos, pois, apresentam as seguintes desvantagens:
- Ao fundirem, se faz necessário a ação de uma pessoa para substituí-los, demandando dinheiro e tempo, prejudicando assim a continuidade do serviço.
- Com o envelhecimento, as suas características corrente x tempo podem ser alteradas, levando-os à fusão em valores de correntes inferiores aos admissíveis;
- Não fazem a distinção entre defeitos permanentes e transitórios.
Esta última desvantagem pesa muito, pois, segundo dados estatísticos, a maioria dos curtos-circuitos que ocorrem num sistema de distribuição aéreo de condutores nus , são de natureza transitória. As causas típicas são :
- Galhos de árvores que tocam às fases;
- Pequenos animais ao subirem às estruturas;
- Pássaros maiores ao pousarem nas estruturas ou nos condutores;
- Ventanias fortes que levam os condutores a se tocarem;
- Materiais metálicos que são atirados contra a rede;
- Descargas atmosféricas ou surtos de manobra que provocam disrupção nos isoladores;
- Outras.
É importante comentar que estas causas são inerentes às redes construídas com condutores nus e aéreos. Hoje, a tendência é a construção de redes de distribuição primárias e secundárias com condutores isolados. Com isso, elimina-se boa parte desses problemas, aumenta-se a segurança das pessoas e animais contra choques elétricos e melhora-se, consideravelmente, a continuidade do fornecimento de energia elétrica.
A partir dos problemas das redes aéreas, constituídas por condutores nus, descritos acima, foi desenvolvido um equipamento que realiza, automaticamente, uma seqüência de desligamentos ou disparos e religamentos, a fim de testar se o defeito é permanente ou transitório. Este equipamento, denominado religador , interrompe o circuito quando ocorre um curto-circuito, e religa-o após um pequeno intervalo de tempo (da ordem de segundos ou menos), proporcionando, com isso, alta probabilidade de desaparecimento do defeito.
Após o surgimento do religador, foi desenvolvido o seccionalizador. Este conta o número de disparos do religador. Após um certo número de contagem, previamente ajustado, o seccionalizador, abre seus contatos, isolando o trecho defeituoso.
Neste capítulo serão estudados os princípios de operação de religadores e seccionalizadores, bem como a filosofia de coordenação envolvendo estes e outros equipamentos de proteção, que são empregados para protegerem, contra sobrecorrentes, os sistemas de distribuição.
4.2 Religador
Basicamente, um religador é constituído por um mecanismo automático projetado para abrir e fechar circuitos em carga ou em curto-circuito, comandado por relés de sobrecorrente de ação indireta (alimentados por TCs, geralmente de bucha), que realizam as funções 50 e 51, e por um relé de religamento (função 79).
Atualmente, os dispositivos sensores e de controle de um religador são microprocessadores dedicados que realizam as funções 50, 51 e 79 e muito mais. São os chamados religadores microprocessados ou numéricos de multifunção.
Para extinguir os arcos elétricos inerentes às operações de chaveamento de circuitos em carga ou curto-circuito, os reliagadores usam mecanismos e meios de interrupção similares aos disjuntores. Os meios de interrupção mais comuns são: óleo isolante ; câmara de vácuo ; gás ( SF 6 ). Na atualidade, este último é o mais empregado.
O religador ao sentir uma condição de sobrecorrente, interrompe o circuito, religando-o automaticamnete, após um tempo predeterminado. Se perceber, no momento do religamento, que o defeito ainda persiste, repete a seqüência “disparo x religamento” , até três vezes consecutivas. Após o quarto disparo, o mecanismo de religamento é travado, deixando aberto o circuito.
A repetição da seqüência “disparo x religamento”, permite que o religador teste repetidamente se o defeito desapareceu, possibilitando diferenciar um defeito transitório de um permanente.
Geralmente, um regador é projetado para realizar, no máximo, 3 religamentos seguidos por 4 disparos, entretanto, permite ajuste para trabalhar com 1, 2 ou 3, sendo que, após o último previamente ajustado, permanece aberto, até que seja fechado pela ação do operador. Os disparos podem ser rápidos ( ou instantâneos ) e lentos ( ou temporizados ).
Para melhor entendimento da operação, considere-se um religador instalado na saída de num alimentador (Fig. 4.1) e ajustado para desenvolver quatro disparos, dois rápidos (ou instantâneos), seguidos por dois lentos (ou temporizados), conforme a seqüência representada na Fig. 4.2.
R X
IF F
Fig. 4.1 – Religador instalado na saída do alimentador na S/E
t (s)
I (A)
I (^) CARGA
IFALTA
Fig. 4.2 – Seqüência de operação do religador
Neste instante o religador trava, deixando o circuito aberto (bloqueio)
A maioria dos religadores permitem ajustes de disparos segundo curvas de tempos dependentes e/ou de tempos definidos (Fig. 4.5).
t(s)
Fig. 4.4 – Curvas características de religador: tempos dependentes
INST. 1
INST. 2
IFALTA I(A
RET. 1
RET. 2
t1I •
t (^) 2T
t (s)
I (A)
I (^) CARGA
IFALTA
Fig. 4.3 – Seqüência de operação: 2 rápidas + 1 retardada
Bloqueio
t (^) I1 t (^) I1 t2T
tR1 tR
t(s)
Fig. 4.5 – Curvas características de religador: tempos dependentes e definidos
INST. 1
INST. 2
IFALTA I(A)
RET. 1
RET. 2
t1I^ •
t (^) 2T
Resumindo, os religadores permitem os seguintes ajustes: corrente mínima de atuação ; seqüência de operação ; curvas características; intervalo de religamento ; tempo de rearme.
4.2.3 Critérios para ajustes
De modo geral, os religadores atuais possuem TCs nos seus interiores (geralmente TCs de bucha), no entanto, alguns tipos necessitam que seja feita o dimensionamento da relação destes transformadores (RTC), outros não. Quando necessário, deve-se empregar os critérios dados a seguir.
A corrente nominal primária do TC deve ser maior do que a razão entre o curto-circuito máximo (no ponto da instalação) e o fator de sobrecorrente do TC ( FS ). Geralmente, FS=.
FS
I
I
CC,MAX
N ,P ≥^ (4.1)
A corrente nominal primária do TC deve ser maior do que a máxima corrente de carga a ser considerada:
I N ,P ≥ k × ICARGA, MAX (4.2)
Na determinação das correntes mínimas de disparo de religador, usam-se, basicamente, os mesmos critérios empregados para as unidades 51 de fases. A diferença é que, as correntes mínimas de atuação destas unidades são ajustadas com base nas correntes indiretas (correntes secundárias de TCs); no caso dos religadores, geralmente, estas correntes são ajustadas com base nas correntes diretas das fases e neutro ou terra, apesar de seus sensores estarem recebendo correntes indiretas.
1 – Corrente mínima de disparo dos dispositivos sensores de faltas envolvendo as fases
Com base na corrente mínima de atuação ou disparo, previamente ajustada, os sensores de faltas envolvendo as fases (em muitos casos, relés de fases), monitoram as correntes nas fases do sistema. Ao ocorrer uma sobrecorrente igual ou superior ao valor de referência (corrente ajustada), estes atuam e comandam a abertura ou disparo do religador.
O ajuste da corrente mínima de disparo, depende da corrente de carga máxima, no ponto de instalação do religador, e da corrente de curto-circuito dupla fase no final da zona protegida ou monitorada pelos sensores de fases.
Na medida do possível, usam-se os critérios apresentados a seguir:
a) Quando o riligador for instalado ao longo da rede, a corrente de disparo por fase , deverá ser maior que a máxima corrente de carga medida ou convenientemente avaliada multiplicada pelo fator de crescimento de carga ( k ).
I D, FASE ≥ k × ICARGA MAX (4.3)
b) Quando o riligador for instalado numa subestação, a qual não possui equipamento de proteção para transferência , sua corrente de disparo por fase deverá ser maior que a somatória da máxima corrente de carga do circuito em estudo com a máxima corrente de carga do outro circuito que, eventualmente, venha a ser transferido, multiplicada pelo fator de crescimento de carga ( k ).
I D, FASE ≥ k × ∑ ICARGAMAXDOSCIRCUITOS (4.4)
terra mínimo ser o mais provável de ocorrer, o religador deverá ser ajustado sempre para ser sensível a este valor.
3 – Outros ajustes
As curvas de temporização de fase e neutro ou terra deverão ser escolhidas de modo a atender a coordenação com demais equipamentos de proteção a montante e a jusante, bem como os cabos de energia do alimentador.
A seqüência de operação do religador deverá ser ajustada de acordo com as necessidades do circuito. As operações rápidas deverão eliminar os curto-circuitos fugitivos ou transitórios sem que haja queima do elo-fusível protetor. As operações temporizadas permitirão a fusão do elo-fusível quando ocorrer um curto-circuito permanente no trecho protegido.
Os tempos de religamentos (intervalos de religamentos) deverão ser definidos em função da coordenação com as demais proteções instaladas a montante e a jusante.
O tempo de rearme será: TREARME ≥ 1,1 x (tempo total de todas operações de abertura para a corrente de disparo) + 1,15 x (somatória dos tempos de intervalo de religamento).
4.3 Coordenação religador x elo-fusível do lado da carga
O estudo de coordenação religador x elo-fusível do lado da carga (Fig. 4.6) é muito freqüente. A coordenação está assegurada quando:
a) Para todos os valores de curto-circuito possíveis no trecho do circuito protegido pelo elo-fusivel, o tempo mínimo de fusão do elo-fusível deve ser maior do que o tempo de abertura do religador na curva rápida multiplicada por um fator k.
t (^) FUS. > k x t (^) ABERT. OP. RÁPIDA (4.9)
Onde, k é o fator que leva em conta a elevação da temperatura do elo-fusível durante os intervalos de tempos de abertura rápida do religador. É comum considerar: k=1,2 para 1 operação rápida; k=1,5 para 2 operações rápidas.
b) Para todos os valores de defeitos possíveis no trecho do circuito protegido pelo elo-fusóvel, o tempo máximo de interrupção do elo-fusível deve ser menor que o tempo mínimo de abertura do religador na curva retardada.
t (^) INT. < t (^) ABERT. OP. RET. (4.10)
A faixa de coordenação religador x elo-fusível é determinada por essas duas regras. A ( a ) determina o limite máximo (corrente máxima), enquanto a ( b ) estabelece o limite mínimo (corrente mínima), conforme pode-se observar na Fig. 4.7, onde: “ A” é curva rápida ; “ k x A” é “ A” deslocada ; “ B” é a retardada.
R
I
Fig. 4.6 – Religador na saída do alimentador e elo-fusível do lado da carga
S 1
S 2
∆
Trecho protegido do elo-fusível S
Por segurança, a faixa de coordenação não deve incluir as correntes dos pontos limites ( I 1 e I 2 ), conforme pode ser observado na Fig. 4.7.
4.4 Coordenação religador x elo-fusível do lado da fonte
Esta situação é mais freqüente em subestações de distribuição, onde as saídas são equipadas com religadores e a proteção do transformador é feita com elo-fusível de força, no primário do mesmo (Fig. 4.8). Neste caso, a coordenação está garantida quando:
a) O tempo mínimo de fusão do elo-fusível for maior que o tempo de abertura do religador (curva retardada) multiplicada pelo fator ( k ), para o curto-circuito trifásico no ponto de instalação do religador (Fig. 4.9).
t (^) FUS. > k x t (^) ABERT. OP. RET. (4.11)
Onde k , é o fator que leva em conta a elevação da temperatura do elo-fusível durante os intervalos de tempos de abertura rápida do religador. É comum considerar: k=1,8 para 2 operações rápidas + 2 retardadas; k=2,0 para 1 operação rápida + 3 retardadas.
t(s )
Fig. 4.7 – Coordenograma : religador x elo-fusível do lado da carga
I (A)
B
A
k x A
Elo-fusível S
Curva de recozimento de condutor
k x tA
t (^) B
Curva de fusão
Curva de interrupção
tA
I 1 I 2
Faixa de coordenação
Faixa de seletividade Faixa de descoordenação
4.5 Coordenação relé x religador
É comum a realização desse estudo em duas situações: relés como proteção geral de um barramento do qual derivam vários alimentadores protegidos por religadores (Fig. 4.10) ou , no caso de relés ligados à saída de alimentador e religador conectado a jusante (Fig. 4.11). Esta última situação, é menos provável.
A coordenação relé x religador está assegurada quando as seguites critérios são satisfeitos:
1 o^ ) A curva de tempo do relé estiver mais de 0,2 s acima da curva retardada do religador (Fig. 4.12), para todos os valores de corrente de curto-circuito na zona de proteção do religador.
tATUAÇÃO, RELÉ > t (^) DISP. RETARD. RELIG. + 0,2s (4.12)
2 o^ ) A soma dos avanços do relé, em porcento, durante as operações de disparo do religador, menos os rearmes do relé, em porcento, durante os intervalos de religamento do religador, for inferior a 80%.
É importante ressaltar que este critério só deve ser verificado quando o tempo de rearme ou restabelecimento do relé é considerável.
D R
R
S 1
S 2
∆
S 3
I
Fig. 4.11 – Relés na saída do alimentador e religador a jusante
Fig. 4.10 – Relés como proteção de retaguarda para os religadores
R
I
S 1
S 2
∆
R
R
R
D
Para melhor entendimento, considere-se o caso da Fig. 4.10, em que os relés de fase do disjuntor e o sensores de fase do religador estão ajustados, por exemplo, nas curvas 5 , A e B , respectivamente, dadas na Fig. 4.12.
1 a^ Critério : De acordo com as curvas está atendido.
2 a^ Critério : A verificação deste, é feita como a seguir:
Considerando os relés eletromecânicos e ajustados na curva 5 , será arbitrado um tempo de rearme ou restabelecimento igual a 10 s : tREARME RELÉ = 10 s
Para um curto-circuito trifásico de 1200 A , das curvas, têm-se: tATUAÇÃO RELÉ = 0,60 s ; t (^) DISP. INST. RELIG. = 0,1 s ; t (^) DIP. RETARD. RELIG.= 0,3 s
∆t=0,30 s , no ponto mais crítico 0,
0,
1200 I (A)
t(s)
0,
Fig. 4.12 – Coordenograma : relé x religador
B
5
t (s)
I (A)
ICARGA
1200
Fig. 4.13 – Seqüência de operação do religador: 2 rápidas + 1 retardada
Bloqueio
0,10 0,10 0,
0,5 3,
- Caso a corrente de disparo dos religadores sejam diferentes, poderão ser utilizadas curvas de operação retardadas, dependendo do nível de curto-circuito, ou ainda curvas de operações diferentes, atendendo o critério do item b.
4.7 Seccionalizadores
Os seccionalizadores são dispositivos projetados para operarem em conjunto com um religador, ou com um disjuntor comandado por relés de sobrecorrente dotados da função de religamento (função 79). Portanto, devem ser ligados a jusante destes equipamentos, conforme pode ser observado na Fig. 4.16.
Atualmente os sistemas de controle dos seccionalizadores são digitais ou microprocessados, que realizam multifunções: proteção, medição (correntes, potências, fator de potência, etc.), registros de eventos (número de interrupções, tempo de duração de interrupções, natureza da interrupção, etc.). Estas informações são colhidas do circuito ao qual estão conectados, através de redutores de corrente e tensão (TCs e TPs).
Mecanicamente, se comportam como chaves de manobras automáticas projetadas para aberturas ou fechamentos, com carga (possuem meios de interrupção de arco: SF 6 , câmara de vácuo), no local ou remotamente (através de unidades remotas interligadas por sistemas de comunicação). Não possuem
∆t > 0,20 s , no ponto mais crítico t
t
I (^) CURTO NA ZONA DE PROT. DO RELIG.. 2. (^) I (A)
t(s)
Fig. 4.15 – Coordenograma : religador x religador
Curva retardada do Relig. 2
Curva retardada do relig. 1
R S S 1
S 2
∆
S 3
I
Fig. 4.16 – Seccionalizador ligado a jusante do religador
F
Seccionalizador
capacidade de interrupção de correntes de curtos-circuitos. As interrupções destas correntes são feitas pelo religador ou disjuntor de retaguarda, comandado por relés com as funções 50, 51 e 79.
4.7.1 Função de proteção
A função de proteção realizada pelo seccionalizador se desenvolve de forma bastante simples e criativa. Isto é, a cada vez que o interruptor de retaguarda efetua um disparo ou abertura (desligamento do circuito), interrompendo a corrente de falta, o seccionalizadore “conta” a interrupção; após atingir o número de contagens previamente ajustado (uma, duas ou, no máximo, três), o seccionalizador abre os seus contatos, sempre com o circuito desenergizado pelo interruptor de retaguarda, isolando o trecho defeituoso sob sua proteção, do restante do sistema.
Para melhor esclarecimento, considerem-se as seguintes condições para o circuito representado na Fig 4.16 : uma falta permanente F , na zona de proteção do religador e do seccionalizador; o religador está ajustado para quatro disparos; e o seccionalizador está ajustado para três contagens. Portanto, o seccionalizador deverá isolar a área defeituosa (toda a área a jusante), logo após o religador efetuar o terceiro desligamento (Fig. 4.17).
É importante observar, conforme foi dito anteriormente, que no momento da abertura do seccionalizador (após a terceira contagem), o circuito está desenergizado pelo religador. Portanto, o mesmo irá limpar a área defeituosa sem a necessidade de interromper a corrente de curto-circuito. Isto é uma “malandragem” bastante inteligente, pois, não é necessário dotar o seccionalizador de alta capacidade de interrupção de curto-circuito, o que torna-o mais barato do que um religador ou disjuntor.
De acordo com o princípio de operação do seccionalizador, deve ficar claro que o seu funcionamento, como dispositivo de proteção, depende de duas condições básicas:
a) Na sua retaguarda deverá estar instalado um interruptor que realize disparos e religamentos automáticos;
b) Os dispositivos sensores desses interruptores deverão atuar para todos os curtos-circuitos na zona de proteção do seccionalizador, comandando, portanto, as aberturas e fechamentos desses interruptores e, consequentemente, levando o seeccionalizador a desenvolver as suas contagens, que, transcorrido o número previamente ajustado, abrirá seus contatos, isolando o trecho defeituoso.
Se o interruptor ligado à retaguarda do seccionalizador não possuir a função de religamento, este irá funcionar como uma chave automática de manobra, sem a função de proteção, podendo ser aberto ou fechado com carga, no local ou remotamente.
t (s)
I (A)
I (^) CARGA
IFALTA
Fig. 4.17 – Princípio de coordenação religador x seccionalizador
1 a^ cont. 2 a^ cont. 3 a^ cont.
Momento da abertura do seccionalizador
4.8 Coordenação religador x seccionalizador
Os seccionalizadores não possuem curva característica de atuação do tipo tempo x corrente. Portanto, não há necesidade de se preocupar com o estudo de coordenação de curvas. A coordenação com o religador fica assegurada desde que as condições a seguir sejam satisfeitas.
O número de contagens do seccionalizador deve ser ajustado para uma unidade a menos do que o número de disparos do religador :
O tempo de ressete do seccionalizador deverá ser maior do que o intervalo de tempo de operação do religador, compreendido entre a primeira e a última contagem do seccionalizador:
Para melhor entendimento, considere-se o religador com a seqüência de operação dada na Fig.4.18. Assim sendo, tem-se:
- N o^ de cont. do SECC. = 4 – 1= 3 ;
- Tempo ressete SECC. > tR1 + t1I + tR2 + t (^) 2T
- As correntes ajustadas para os sensores de fase e terra do seccionalizador, de preferência, devem ser iguais as correntes ajustadas para os sensores de disparos de fase e terra do religador de retaguarda, respectivamente.
no^ de cont. do SECC. = n o^ de disparos do RELIG. - 1
Tempo de ressete do SECC. > ∆ t de op. do RELIG. entre a 1 a^ e a última cont. do SECC.
t (s)
I (A)
I (^) CARGA
IFALTA
Fig. 4.18 – Seqüência de operação do religador: 2 rápidas + 2 retardadas
Bloqueio
t (^) I1 t (^) I1 t2T
tR1 tR
t2T
tR
Abertura do seccionalizador
1 a^ cont 2 a^ cont. 3 a^ cont.
I SENSOR DE FASE DO SECC. = I DISP. DE FASE DO RELIG.
I SENSOR DE TERRA DO SECC. = I DISP. DE TERRA DO RELIG.
4.9 Coordenação seccionalizador x seccionalizador
Quando houver mais de um seccionalizador ligado ao mesmo circuito, é necessário se fazer o estudo de coordenação entre eles. Isto é possível ajustando-se, cada seccionalizador, instalado a jusante, com uma contagem a menos. Isto é, caso se tenha três seccionalizadores em cascata, o primeiro, mais a montante deverá ser ajustado para três contagens, o do meio para duas contagens, e o último (mais na ponta do sistema), para uma contagem. Tudo isso, considerando que o religador está ajustado para quatro operações de disparos. Então, a instalação de seccionalizadores em um mesmo circuito radial, fica limitada a, no máximo, três unidades.
4.10 Coordenação religador x seccionalizador x elo-fusível
Estes são os equipamentos básicos da proteção de alimentadores primários radiais e aéreos. Portanto, é bastante comum a necessidade do estudo de coordenação entre eles.
O que se faz na prática é, primeiramente, o estudo de coordenação entre os elos-fusíveis e o religador. Em seguida, trabalha-se a coordenação entre o religador e o seccionalizador. Separadamente, quando se obtém a coordenação religador x elo-fusível e religador x seccionalizador, automaticamente, consegue-se a coordenação e/ou seletividade religador x seccionalizador x elo-fusível.
4.11 Coordenação e seletividade
Até aqui muito se falou em seletividade e coordenação, entretanto, ainda não está clara a diferença entre estes dois conceitos ou filosofias. Então está na hora de se esclarecer as diferenças entre elas.
A proteção seletiva é projetada e ajustada de tal forma que para qualquer tipo de falta, permanente ou transitória, o dispositivo mais próximo desta deverá atuar e isolar o defeito antes do dispositivo de retaguarda.
A Proteção coordenada , é projetada e ajustada de forma a permitir o restabelecimento automático para faltas transitórias e seletividade para faltas permanentes.
Características de sistema seletivo :
- As interrupções geralmente são de longa duração;
- É freqüente as reclamações de consumidores do tempo de restabelecimento;
- Necessita de maior número de pessoas para operar o sistema.
Características de um sistema coordenado :
- As interrupções geralmente são de curta duração;
- Os consumidores de um modo geral reclamam da quantidade de interrupções;
- Requer menor quantidade de pessoas para operar o sistema.
É comum nos sistemas de distribuição se ter o sistema combinado , que aplica as filosofias do coordenado e do seletivo, pois, na prática raramente se consegue um sistema totalmente coordenado.
Por último, pode-se dizer que todo sistema coordenado é também seletivo, no entanto, a recíproca não é verdadeira.
