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Iniciação a Proteção
Petrobras © SENAI-SP, 2. Trabalho editorado pela Escola Antonio Souza Noschese, especificamente para o Curso de Eletricistas, Turma PETROBRAS
SENAI Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Escola Antonio Souza Noschese Av. Almirante Saldanha da Gama, 145 Santos – SP CEP – 11030 401
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Antonio Carlos S. Pontes da Costa –Técnico de Ensino Aurélio Ribeiro – Instrutor Orientador E-mail Home page
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Sumário
- Proteção de Sistemas Elétricos -
- Introdução -
- Filosofia de Proteção de um sistema de Energia Elétrica -
- Aspectos considerados na Proteção -
- Analise da Proteção -
- Características gerais dos equipamentos de proteção -
- Características funcionais do releamento -
- Características dos Relês -
- Quanto a Forma Construtiva -
- Quanto ao Desempenho -
- Quanto as Grandezas Elétricas -
- Quanto a Forma de Acionamento - Quanto a Temporização
- Atuação do relé de proteção -
- Relés conforme sua construção –
- Eletromecânico -
- Estático -
- Microprocessados -
- Ação Direta -
- Subcorrente Primária -
- Fluidodinâmico -
Proteção de Sistemas
Elétricos
Introdução Todo e qualquer sistema elétrico está sujeito a um defeito transitório ou permanente, apesar das precauções e dos cuidados tomados durante a elaboração do projeto e a execução das instalações, mesmo seguindo as normas mais severas e as recomendações existentes. Esses defeitos poderão ser desastrosos ou não dependendo do sistema de proteção. Em resumo, os sistemas de proteção podem ser definidos como os sistemas aos quais estão associados todos os dispositivos necessários para detectar, localizar e comandar a eliminação de uma condição anormal de operação de um sistema elétrico. A eficácia de um esquema de proteção é tanto maior quanto melhor forem atendidos os seguintes princípios: Filosofia de Proteção de um sistema de Energia Elétrica Exploração de um sistema de energia elétrica Em proteção ao intento de garantir economicamente a qualidade do serviço e assegurar uma vida razoável as instalações, os concessionários dos Sistemas de Energia Elétrica defrontam-se com as perturbações e anomalias de funcionamento que afetam as redes elétricas e seus órgãos de controle. Se admitirmos que, na fixação do equipamento global, já foi considerada a previsão de crescimento do consumo, três outras preocupações persistem para o concessionário. a.) elaboração de programas ótimos de geração b.) constituição de esquemas de interconexão apropriados; c.) utilização de um conjunto coerente de proteções Estes três aspectos devem ser considerados na análise da proteção
Aspectos considerados na Proteção Na proteção de um sistema elétrico devem ser examinados três aspectos: 1.) operação normal; 2.) prevenção contra falhas elétricas; 3.) e a limitação dos defeitos devido as falhas
A operação normal presume:
- inexistência de falhas do equipamento
- inexistência contra falhas elétricas
- e inexistência de incidentes ditos “segundo a vontade de Deus” Sendo pois fútil – se não antieconômico – pensar-se em eliminar por completo as falhas, segundo as estatísticas que apresentamos, providências devem ser tomadas no sentido de prevenção e õu limitação dos efeitos das falhas. Algumas providências na prevenção contra as faltas são;
- previsão de isolamento adequado
- coordenação de isolamento
- uso de cabos para-raios e baixa resistência de pé de torre
- apropriadas instruções de operação e manutenção, etc. A limitação dos efeitos das falhas inclui:
- limitação da magnitude da corrente de curto-circuito(reatores); projeto capaz de suportar os efeitos mecânicos e térmicos das correntes de defeito
- existência de circuitos múltiplos(duplicata) e geradores de reserva; existência de releamento e outros dispositivos, bem como disjuntores com suficiente capacidade de interrrupção; meios para observar a efetividade da medidas acima (oscilógrafos e observação humana);
- finalmente freqüentes análises sobre as mudanças no sistema (crescimento e desdobramento das cargas) com os conseqüentes reajustes dos relés, reorganização do sistema operativo, etc. Verifica-se pois que o releamento é apenas uma das várias providências no sentido de minimizar danos aos equipamentos e interrupções nos serviços, quando ocorrem falhas elétricas no sistema, justifica-se a ênfase do presente estudo.
Analise da Proteção Basicamente em um sistema de proteção encontram-se os seguintes tipos de proteção.
- (^) proteção contra incêndio
- proteção pelos relés ou releamento e por fusíveis
- proteção contra descargas atmosféricas e surtos de manobra
Características gerais dos equipamentos de proteção Há dois princípios gerais a serem obedecidos, em seqüência:
- Em nenhum caso a proteção deve dar ordens, se não existe defeito na sua zona de controle (desligamentos intempestivos podem ser piores que a falha de atuação)
- Relês eletromagnéticos;
- Relês eletrodinâmicos
- Relês de indução;
- Relês térmicos;
- Relês eletrônicos ( estado sólido)
- Relês digitais (microprocessados)
Quanto ao Desempenho Todo e qualquer elemento de proteção deve merecer garantia de eficiência do desempenho de suas funções. Os relês devem apresentar os seguintes requisitos básicos quanto ao seu desempenho:
- Sensibilidade;
- Rapidez;
- Confiabilidade.
Quanto as Grandezas Elétricas Basicamente, um relê é sensibilizado pelas grandezas da freqüência, da tensão e da corrente a que está submetido. Tomando estas referências podemos construir relês que sejam ajustados para outros parâmetros elétricos da rede, assim sendo, podemos classificar os relês como:
- Relês de tensão;
- Relês de corrente;
- Relês de freqüência;
- Reles direcionais de potência e corrente;
- Relês de impedância.
Quanto a Temporização Apesar de se esperar a maior rapidez possível na atuação de um relê, normalmente pôr questões de seletividade entre os vários elementos de proteção, é necessário permitir aos relês uma certa temporização para o comando de trip, logo podemos classificar os reles pelo tempo de atuação:
- Relês instantâneos;
- Relês temporizados com retardo dependente ( tempo inverso);
- Relês temporizados com retardo independente ( tempo definido).
Quanto a Forma de Acionamento Os relês podem acionar os equipamentos de interrupção de dois diferentes modos, pelos quais são comumente conhecidos:
- Relês de ação direta;
- (^) Relês de ação indireta ( TC´s , TP´s).
Atuação do Relê de Proteção A finalidade principal do relê é detectar uma anomalia (defeitos) e comandar os dispositivos de proteção, desligando e isolando a área protegida. Os relês são ajustados para valores nominais de tensão e corrente, sempre ligado a um transformador de corrente (TC) ou de tensão (TP). Sua identificação é por numero que vai de 1 a 100. Os componentes internos do relê são: Elementos sensíveis, que percebe a grandeza a ser controlada. Elemento de comparação, que compara a grandeza controlada, com o valor de ajuste. Elemento de comando , que executa os comandos, ex. desarme do disjuntor, sinalização, etc.
Relés conforme sua construção:
Eletromecânico
- Robustez;
- Simplicidade construtiva para funções simples;
- Durabilidade (40 a 50 anos);
- Baixo custo de aquisição;
- Impossibilidade de autodiagnóstico;
- (^) Alto custo de manutenção;
- Dificuldade construtiva para funções mais complexas.
Estático
- Bons recursos para funções mais complexas;
- Baixo tempo de operação e rearme;
- Baixo custo de manutenção;
- Maior fragilidade ao meio ambiente;
- Ausência de autodiagnóstico;
- Maior custo de aquisição_._
Microprocessados
- Baixo custo de manutenção;
- Autodiagnóstico;
- Bom desempenho global;
- Recursos para otimização, interface e serial/paralelo;
- Menor dimensão;
- Maior fragilidade.
Ação direta
- (^) Robustez;
- Simplicidade construtiva para funções simples;
- Baixo custo de aquisição;
- Impossibilidade de autodiagnóstico;
- Alto custo de manutenção.
a.) Subcorrente Primária
Seu principio de funcionamento acontece em função de um campo eletromagnético criado pela corrente que circula na bobina localizada no pólo do disjuntor. Quando circula uma corrente alta pela bobina haverá atração do núcleo com intensidade suficiente para movimentar o mecanismo de desligar o disjuntor
b.) Fluidodinâmico (Relé de ação direta com retardo a liquida )
- Robustez;
- Simplicidade construtiva para funções simples;
- Baixo custo de aquisição;
- Impossibilidade de autodiagnóstico;
- Alto custo de manutenção;
79 - Rele de religamento automático. Opera para religar automaticamente um circuito
Relé de Sobrecorrente Como o próprio nome já indica, são todos os relés que atuam para uma corrente maiorque a do seu ajuste. Relés são dispositivos que vigiam o sistema, comparando sempre os parâmetros do sistema com o seu pré-ajuste. Ocorrendo uma anomalia no sistema, de modo que o parâmetro sensível do relé ultrapasse o seu ajuste, o mesmo atua. Por exemplo, no caso de re1é de sobrecorrente, quando a corrente de curto-circuito ultrapassa a corrente de ajuste do sensor do relé, o mesmo atua instantaneamente ou temporizado, conforme a necessidade.
Relés Eletromecânicos Os relés eletro-mecânicos são os relés tradicionais, os pioneiros da proteção, elaborados, projetados, projetados e construídos com predominância dos movimentos mecânicos provenientes dos acoplamentos elétricos e magnéticos. Os movimentos mecânicos acionam o relé, fechando os contatos correspondentes. Em relação ao princípio básico do funcionamento, atua de dois modos:
- Atração eletromagnética
- Indução eletromagnética A analise será realizada apenas no relé de Indução eletromagnética.
Indução Eletromagnética Relés de indução eletromagnética ou relé motorizado, funciona utilizando o mesmo principio de um motor elétrico, onde um rotor (tambor ou disco) gira. O giro do rotor produz o fechamento do contato NA do relé, que ativa o circuito ou mecanismo que provoca a abertura do disjuntor. Ou seja, é baseado sobre a ação exercidas por campos magnéticos alternativos (circuito indutor fixo) sobre as correntes induzidas por esses campos em um condutor móvel constituído por um disco. Ver Fig. 4.1. Há vários tipos de relés que utilizam a interação eletromagnética dos dois fluxos, produzindo um torque que provoca o giro do rotor. Estes relés são:
- Relé de disco de indução por bobina de sombra;
- Relé tipo medidor de kWh;
- Relé tipo cilindro de indução;
- Relé tipo duplo laço de indução;
- etc... Internamente os relés deste tipo têm o mesmo principio de funcionamento. Por este motivo, apenas o primeiro relé da relação anterior será analisado com mais profundidade no item a seguir.
Relé de Disco de Indução e Bobina de Sombra A ligação deste relé está apresentado na Fig. 4.1 e Fig. 4.2.
O des enho da Fig. 4.1 foi colocad o nesta posi ção par a mel horar a dist ribuição dos
fluxos na região dentada, exatamente onde está a bobina de sombra (anel curto- circuitado), mas na realidade o núcleo magnético do relé esta a 90° em relação ao desenho. A Fig. 4.2 mostra claramente a posição do núcleo magnético em relação ao disco (rotor).
Cada corrente de curto-circuito produz um torque, e como, a distância entre o
contato fixo e móvel para uma regulagem é fixa, pode-se traduzir uma equação
simbólica do relé, que pode ser dada por:
Onde:
K = Constante que depende da cada posição da alavanca
entre os contatos fixo e móvel do relé.
A alav
anca de
tempo é
mostr ada
na Fig.
4.5(a).
Para uma posiçã o da alav anca de tempo, a expres são (4.13) prod uz no gráfi co tem po x corrente, uma curva com característica inversa. Veja Fig. 4.5(b). A cada posição da alavanca de tempo, corresponde uma expressão (4.13), onde apenas muda o valor de K. O traçado de diversas curvas de tempo x corrente do re1é, pode ser visto na Fig. 4.6. Na abscissa é colocado o múltiplo(M) em vez da própria corrente de curto-circuito. Note que o re1é de indução apresentado na Fig. 4.1 e Fig. 4.2 é energizado através de uma só bobina magnetizante e por isso ele tem uma só grandeza de atuação. Neste caso ele não é direcional. Isto, também pode ser visto pela expressão (4.12), onde o torque motor (τ) depende do modulo da corrente, de curto-circuito, e, portanto não é adequado para proteger um sistema e1étrico em anel. Este relé ICM2 é largamente usado em sistema radial, ou em tronco radial proveniente de um sistema radial. Mesmo assim, ele pode ser utilizado para proteger um sistema em anel, desde que seja aplicado e monitorado por um relé direcional.
- Atrito nos mancais da rotação do disco;
- Elasticidade não repetitiva e não perfeita da ação da mola de retenção;
- Efeito da temperatura, que produz dilatação diferenciada nos diversos componentes do relé;
- Pressão atmosférica, que muda a densidade do ar que envolve o relé;
- (^) Umidade do ar, provocando, maior aceleração na corrosão dos metais usados no relé;
- Corrosão nos elementos metálicos do relé;
- Envelhecimento dos elementos.
Múltiplo maior que 1,5 (M>1,5): O fabricante garante que o tempo de atuação ocorre sobre a curva ajustada. Para evitar que o relé atue entre os múltiplos 1 e 1,5, deve-se ajustar o relé para que atue satisfazendo a inequação:
O re1é de sobrecorrente de tempo inverso pode ter diferentes inclinações nas suas curvas. As inclinações mais conhecidas estão na Fig. 4.8.
AJUSTE DA CORRENTE DE ATUAÇÃO DO RELÉ DE SOBRECORRENTE DE TEMPO INVERSO
O ajuste da corrente de atuação é feito escolhendo o Tap sobre a bobina
magnetizante do relé. No Tap correspondente, o relé fica no seu limiar de
operação, desta forma a corrente de atuação do relé corresponde ao seu Tap.
O ajuste da corrente de atuação do relé corresponde ao seu TAP é novamente
mostrado na Fig. 4.10.
RELÉ DE SOBRECORRENTE TEMPORIZADO COM ELEMENTO INSTANTÂNEO
É
um relé de sobr ecorre nte tempor izad o que incorpor a no seu circuit o uma unida de
insta ntânea . Este relé é conh ecido pelo numer o 50/51.
No caso do relé eletro mec ânico , no circui to magn étic o, por exem plo, é inco rpora da uma alav anca (cha rneir a, arma dura , braç o) para a atua ção do elem ento insta ntân eo. Ver Fig. 4.11.
Na Fig. 4.11 é apresentado um relé de sobrecorrente eletromecânico de disco de indução, cuja unidade instantânea é constituída pela alavanca. No eixo do disco de indução do relé há um contato móvel (Fig. 4.5), cujo contato fixo está em paralelo com o contato fixo da unidade instantânea. Qualquer fechamento destes contatos corresponde a atuação do relé, que provoca a ativação do dispositivo de abertura do disjuntor. O ajuste da corrente de atuação é exatamente como está explicado anteriormente. Já o ajuste de corrente da unidade instantânea é feito para uma corrente maior. Em relação ao esquema apresentado na Fig. 4.11, o ajuste do instantâneo é feito em relação ao Tap escolhido do relé correspondente a sua unidade temporizada.
Portanto o desempenho da atuação do relé 50/51, em função do Tempo x Múltiplo é
mostr ado na Fig.
Depe nde ndo do fabric ant
Tipos de Proteção
Reles de Proteção de Sobrecorrente Os Reles de Proteção de Sobrecorrente aplicáveis em cabinas primárias podem ser divididos em dois grupos: Os do tipo Primário (utilização dos TC´s incorporados no próprio relê) e os do tipo secundário ou indiretos ( utilização dos TC´s montados independentes dos Reles).
Relê Primário Este tipo de relê é normalmente utilizado em subestações de consumidor de pequeno e médio portes ( 3.000KVA), Nesses relês, a corrente de carga age diretamente sobre a bobina de acionamento, cujo deslocamento do embolo, imerso no campo maqnético formado pôr essa corrente, faz movimentar o mecanismo de acionamento do disjuntor.
Os reles primários utilizados são divididos em dois grupos dependentes de suas características construtivas, os do tipo fluidodinâmicos e os estáticos( eletrônicos).
Reles Secundários São os reles cuja informação de corrente e envianda via TC´s de proteção montados independentemente dos mesmos, e na maioria das vezes utilizam de uma fonte auxiliar de tensão para o acionamento do sistema de desligamento do disjuntor e alimentação do mesmo.
São utilizados em instalações onde necessitem de maior confiabilidade do sistema de proteção, pois apresentam um excelente desempenho funcional e de operações, comparando-os aos reles de ação direta ( primários). São empregados basicamente, quanto aos aspectos construtivos dois tipos de reles secundários: os eletromecânicos e os microprocessados, conforme as figuras a seguir:
Funções de Proteção dos Reles de Sobrecorrente Os Reles de Proteção de Sobrecorrente tem basicamente as seguintes funções de proteção.
Temporizada( 51): tem como função o desligamento do disjuntor dependente da intensidade de corrente de sobrecarga e do tempo de duração da mesma, conforme podemos verificar na curva característica mostrada a seguir. Instantânea (50) tem como função o desligamento do disjuntor instantaneamente sendo, sensibilizado pela intensidade de corrente de curto-circuito do circuito. O tempo de atuação bem como o valor de sensibilização de corrente podem ser ajustados, dependendentemente do circuito a ser protegido e características do sistema de proteção.
Características de Tempo x Corrente de Reles Microprocessados
Relê de Proteção Diferenci al Usualmente utilizamos reles diferenciais percentuais de corrente na proteção de transformadores de capacidade igual ou superior a 2,5MVA, sendo utilizada também este tipo de proteção em barramentos, geradores e motores.
Podemos observar conforme diagrama acima que a zona de proteção é compreendida entre os transformadores de corrente.
Relê Direcional (67)
As redes de distribuição e as linhas de transmissão radiais são
normalmente protegidas pôr relês de sobrecorrente temporizados. Porém,
quando esses sistemas são alimentados pelas duas extremidades, ou
apresentam configuração em anel , há necessidade de implementar relês
de sobrecorrente temporizados incorporados e elementos direcionais, isto
é, que são sensibilizados ou não pelo sentido em que flui a corrente ( relês
direcionais de corrente) ou a potência( relês direcionais de potência).
Podemos observar para que haja a direcionalidade que devemos ter
informação de tensão e de corrente.
Na proteção direcional existem praticamente três tipos de ligações
convencional quando são utilizados relês direcionais polarizados pôr
tensão – corrente. Cada uma dessas ligações corresponde a um relê
direcional específico, com ângulo máximo de torque diferente. Nos
relês digitais, pode-se ajustar o ângulo conforme a necessidade do
projeto.
a)
Conexão 30º
A
co
rre
nte
de
op
era
çã
b)
c)
Cone
xão
A
corre
nte de
opera
ção Ia
está
adiant
ada
da
tensã
o de
polari
zação
Vbc
de um
ângul
o de 90º elétricos.
Relês de Distância
O valor da corrente de curto-circuito em linhas de transmissão, varia de
acordo com a impedância medida desde a fonte até o ponto de defeito.
Observamos assim a dificuldade do emprego da proteção pôr
sobrecorrente temporizada, pois uma falta ocorrida no final da linha
provocaria uma corrente de falta no começo da linha bem menor do que
se ocorresse no começo da linha, havendo assim no primeiro caso um
tempo de atuação bem maior que no segundo caso, tempo o qual pode
ocasionar graves conseqüências aos sistema.
Em função disto, devemos empregar reles de distância, cuja atuação é
proporcional à distância entre o ponto de instalação do relê e o ponto de
defeito.
Outra forma de entendermos o funcionamento do relê é que o mesmo
relaciona a tensão de entrada com a corrente de entrada, resultando na
expressão V/I. Sabe-se também, que numa linha de transmissão a
impedância Z é diretamente
proporcional à distância entre o ponto de falta e o ponto de instalação do
relê, origem do nome do relê.
Existem na realidade, vários relês baseados neste princípio, a saber:
**- Relê de impedância (OHM);
- Relê de reatância;
- Relê de admitância (MHO).**
A aplicação de um ou outro relê está condicionado à característica do
sistema no qual irá operar, ou seja:
- Relê de impedância: indicado à proteção de linhas de transmissão de
comprimento médio para o seu nível de tensão. No caso de uma linha de
transmissão de 230KV, pode-se considerar como média aquela de comprimento próximo a 200 Km.
