Baixe Proteção de barramentos e outras Trabalhos em PDF para Eletrotécnica, somente na Docsity!
Fundamentos da Proteção
Diferencial de Barramentos
Universidade de Brasília – UnB
Departamento de Engenharia Elétrica – ENE
Prof. Kleber Melo e Silva
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Introdução
• Barramentos proporcionam a interligação de vários elementos
do sistema elétrico, de modo que um defeito nesses
componentes ocasionará muitos desligamentos.
• A depender do tipo (transmissão ou distribuição), nível de
tensão, quantidade de vãos e importância da SE para o
sistema o seu barramento pode possuir diferentes arranjos:
- Barra simples.
- Barra simples seccionada.
- Barra principal e de transferência.
- Barra dupla com disjuntor simples a 5 chaves.
- Barra dupla com disjuntor simples a 4 chaves.
- Barra disjuntor e meio.
- Barra dupla disjuntor duplo.
- Anel simples seccionado.
- Etc.
2
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Introdução
• Curtos-circuitos em barramentos correspondem de 6% a 7% do
total de curtos-circuitos no sistema.
3
Causa do Defeito
Tipo e Número de Defeitos (^) Número Total de Defeitos
Porcentagem Total 1 - T 2 - T 3 - T 3 Desconhecido^ de Defeitos
Flashover 20 6 1 - - 27 21,0% Defeito no Disjuntor 16 2 2 - - 20 15,5%
Defeito na Secionadora 19 2 - - 1 22 17,0% Outras Falhas de Isolação 4 1 1 3 - 9 7,0%
Defeito no TC 3 - - - - 3 2,3% Erro de Manobra 8 1 5 1 - 15 11,6%
Esquecimento do Aterramento Temporário 6 1 8 - - 15 11,6%
Contato Acidental 5 - 2 - - 7 5,4% Desmoronamento ou Queda da Estrutura 4 1 - 1 - 6 4,7%
Desconhecida 2 1 - 1 1 5 3,9% Total por Tipo de Falta 87 15 19 6 2 129 -
Porcentagem por Tipo de Falta 67,4% 11,6% 14,7% 4,7% 1,6% - 100,0%
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Alta Impedância
- Pode ser implementada com relés eletromecânicos,
estáticos e numéricos.
- Recebe essa denominação pois o relé impõe uma alta
impedância ao secundário dos TCs.
- O sinal de entrada para o relé é obtido pela conexão em
paralelo dos secundários dos TCs:
- Preferencialmente, os TCs devem ser idênticos.
- Se os TCs forem diferentes (não é muito recomendável):
- Empregam-se TCs auxiliares para compensar as diferenças das relações.
- O TC com a menor classe de exatidão deve ainda suportar uma tensão
maior que a tensão de ajuste em seu secundário sem saturar.
- Requer TCs dedicados à proteção da barra.
- Usar o máximo TAP disponível nos TCs.
- Opera a partir da tensão sobre um resistor de estabilização
(tipicamente de 1000 a 2000 ).
4
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Alta Impedância
- Para evitar uma tensão muito elevada no relé, utiliza-se um
MOV em paralelo com o resistor de estabilização.
- Historicamente, é empregada em barras de configuração fixa
(TCs em paralelo fisicamente). Sendo muito complexa sua
utilização em barramentos com a topologia variável, pois seria
necessário chaveamento dos circuitos secundários dos TCs.
- Proporciona uma proteção rápida e segura:
- Não deve atuar para o curto-circuito externo mais severo, considerando
a saturação total do TC do circuito sobre defeito.
- Os relés numéricos disponibilizam funções adicionais como
monitoramento, oscilografia e proteção por falha do disjuntor.
Além de proteções de retaguarda como 50/51, 50/51Q, etc.
5
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Alta Impedância
- Esquema Básico – Relés Estáticos
6
4
5
6
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Alta Impedância
- Curto-Circuito Externo com Saturação Total do TC
10
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Alta Impedância
- Curto-Circuito Externo com Saturação Total do TC
11
( ) ( ) R CT L
V I + I + I R + kR
1 2 3
Nessa situação, a corrente resultante do paralelo dos TCs 1, 2 e 3 flui pelo TC4, podendo levar o seu núcleo à saturação. A tensão sobre o relé será, basicamente, a queda de tensão na soma de RL com RTC. Assim, deve-se escolher o ajuste Vset de tal forma que o relé não opere para essa situação. Além disso, vale ressaltar que nessa situação o MOV praticamente não conduz, pois a tensão sob ele será bem menor que a sua tensão nominal.
k = 1
k = 2
Curto-Circuito 3
Curto-Circuito 1
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Alta Impedância
12
10
11
12
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Alta Impedância
13
V R Vset
VR ,max Vnom , MOV
Nessa situação, a corrente resultante do paralelo dos TCs é a que vai ser aplicada ao relé. Caso o MOV não fosse instalado, a tensão nos terminais do relé seria muito alta, a ponto de ocasionar a perda de isolamento no seus terminais. Contudo, o MOV passará a conduzir e limitará a tensão sobre o relé em sua tensão nominal. Nesse caso, o sinal de tensão é não senoidal. Tipicamente, escolhem-se MOVs com tensões nominais de 1 a 2kV. No caso de relé numéricos, a atuação é avaliada a partir do módulo do fasor tensão estimado para o 60Hz sob o resistor de estabilização. Assim, o valor obtido da tensão será bem inferior ao valor máximo do sinal de tensão.
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Alta Impedância
- Exemplo 1 : Considere o sistema da Figura abaixo,
cujos dados de curto-circuito são apresentados na
tabela a seguir. Realize o ajuste do relé 87Z, com base
nas informações dos TCs e de R
s
apresentados.
14
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Alta Impedância
15
Curto-Circuito Circuito 1 Circuito 2 Circuito 3 Circuito 4
10512 , 0 − 84 , 0 A
Correntes de Contribuição para Curto-Circuitos na Barra
Dados dos TCs:
RTC = 240
Dados do Relé 87Z:
MOV 1 , 3 kV
5 A
2 ,
nTC
I
9247 , 7 − 84 , 6 A 8885 , 0 − 84 , 6 A 10407 , 2 − 84 , 0 A
9030 , 6 − 80 , 8 A 8077 , 7 − 81 , 6 A 7715 , 5 − 81 , 6 A 8925 , 9 − 80 , 8 A
Rs = 2000
R sec, TC = 0 , 75
RL = 1 , 5
C 800
13
14
15
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Alta Impedância
- Curto-Circuito 1 na Linha 3 – Imediatamente à Frente do TC
19
Vr Vset
RESTRIÇÃO
0 20 40 60 80 100 120
0
200
400
Tempo (ms)
Tensão(V)
(^) vr - Fase A Vr - Fase A Vset
0 20 40 60 80 100 120
0
200
400
Tempo (ms)
Tensão(V)
vr - Fase B Vr - Fase B Vset
0 20 40 60 80 100 120
0
200
400
Tempo (ms)
Tensão(V)
vr - Fase C Vr - Fase C Vset
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Alta Impedância
- Curto-Circuito 3 na Barra
20
Vrb Vset
Forma de onda não senoidal devido à atuação do MOV. Deverá ser praticamente igual para qualquer curto que elevar a tensão até a V nom do MOV.
TRIP
0 20 40 60 80 100 120
0
1000
2000
Tempo (ms)
Tensão(V)
vr - Fase A Vr - Fase A Vset
0 20 40 60 80 100 120
0
1000
2000
Tempo (ms)
Tensão(V)
vr - Fase B Vr - Fase B Vset
0 20 40 60 80 100 120
0
1000
2000
Tempo (ms)
Tensão(V)
vr - Fase C Vr - Fase C Vset
Após 8,33 ms :
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Alta Impedância
- Curto-Circuito 1 na Barra
21
ra set
V V
Forma de onda não senoidal devido à atuação
do MOV. Deverá ser praticamente igual para qualquer curto que elevar a tensão até a Vnom do MOV.
TRIP
Após 21 ms :
0 20 40 60 80 100 120
0
1000
2000
Tempo (ms)
Tensão(V)
vr - Fase A Vr - Fase A Vset
0 20 40 60 80 100 120
0
200
400
Tempo (ms)
Tensão(V)
vr - Fase B Vr - Fase B Vset
0 20 40 60 80 100 120
0
200
400
Tempo (ms)
Tensão(V)
(^) vr - Fase C Vr - Fase C Vset
19
20
21
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Baixa Impedância
- Implementada com relés numéricos.
- Recebe essa denominação pois o relé numérico impõe uma
baixa impedância ao secundário dos TCs.
- Correntes são amostradas individualmente e somadas
digitalmente:
- Correções de diferenças de relações de TCs feita internamente
(dispensa uso de TCs auxiliares).
- Não há necessidade de TCs dedicados e de conectar em paralelo
fisicamente seus secundários.
- Algoritmos numéricos aumentam a segurança para curtos-
circuitos externos com saturação de TC.
- Lógicas sofisticadas de identificação de zonas:
- Não é necessário chaveamentos de circuitos secundários de TCs.
- Lógica digital baseada no estado de seccionadoras e disjuntores incluem
ou removem correntes do cálculo diferencial.
22
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Baixa Impedância
- Historicamente, é principalmente empregada em barras cuja
configuração permita uma grande combinação de topologias.
- Como ela mede individualmente cada corrente dos circuitos
conectados à barra, permite a implementação da proteção de
barra distribuída.
- Atualmente, tem sido empregada para todos os tipos de
configuração.
- Disponibiliza funções adicionais:
- Monitoramento e oscilografia digital para cada circuito conectado à
barra.
- Registro de eventos com sincronização GPS.
- Proteção de falha de disjuntor.
23
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Baixa Impedância
24
N
k
Iop Ik 1
N
k
Ires Ik 1
N
k
res Ik N
I
1
N
N
k
res k
I I
1
Ires =max( I ˆ 1 , I ˆ 2 ,, I ˆ N )
Iop SLP Ires Iop Imin
Corrente de Operação
Corrente de Restrição
Lógica de Trip
22
23
24
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Baixa Impedância
- Exemplo 1: Seja o sistema ilustrado na figura abaixo.
Verifique a operação do relé 87B para o caso de um curto-
circuito monofásico na barra, cujos valores de correntes
vistas nos secundários dos TCs são apresentados na tabela
a seguir.
28
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Baixa Impedância
29
Corrente Relé R1 Relé R2 Relé R3 Relé R
Ia
Ib
Ic
2 , 774 − 69 , 1 A
0 , 448 − 116 , 4 A
0 , 455 125 , 6 A 0 , 069 − 40 , 5 A
0 , 068 80 , 9 A
0 , 546 − 85 , 9 A
0 , 013 173 , 4 A
0 , 014 − 69 , 2 A
0 , 417 − 77 , 7 A
0171 , − 63 , 2 A
0 , 187 52 , 4 A
2 , 652 − 83 , 3 A
Correntes nos Secundários dos TCs
Dados dos TCs:
RTC 1 = 240
RTC 2 = 1200
RTC 3 = 1500
RTC 4 = 240
Ajustes do Relé 87B:
I min = 0 , 3 pu
SLP = 0 , 5
N
k
op k
I I
1
N
k
res Ik N
I
1
I 2 n , TC 1 = 5 A
I 2 n , TC 2 = 1 A
1 A 2 , 3
nTC
I
I 2 n , TC 4 = 5 A
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Baixa Impedância
30
TC1:
RTC 1 = 240 6 ,^25 A
max 2 , max 1 =
RTC
RTC I
I
nTC norm
TC2:
RTC 2 = 1200 1 , 25 A
max 2 , max 2 =
RTC
RTC I
I
nTC norm
TC3:
RTC 3 = 1500 1 ,^0 A
max 2 , max 3
RTC
RTC I
I
nTC norm
TC4:
RTC 4 = 240 6 , 25 A
max 2 , max 4 =
RTC
RTC I
I
nTC norm
Cálculo das Correntes de Normalização
28
29
30
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Baixa Impedância
31
87B – Fase A:
0 , 444 69 , 1 pu 6 , 25
1
1 ,sec 1 , = −
norm
Ra R anorm I
I
I
0 , 437 85 , 9 pu 1 , 25
2
2 ,sec 2 , = −
norm
Ra R anorm I
I
I
0 , 417 77 , 7 pu 1 , 0
3
3 ,sec 3 , = −
norm
Ra R anorm I
I
I
0 , 424 83 , 3 pu 6 , 25
4
4 ,sec 4 , = −
norm
Ra R anorm I
I
I
1 , 711 pu
IopA = IR 1 a , norm + IR 2 a , norm + IR 3 a , norm + IR 4 a , norm =
( ) 0 , 431 pu
IresA = IR 1 a , norm + IR 2 a , norm + IR 3 a , norm + IR 4 a , norm =
IopA I min
IopA SLP IresA
TRIP
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Baixa Impedância
32
87B – Fase B:
0 , 072 116 , 4 pu 6 , 25
1
1 sec, 1 , = −
norm
Rb R bnorm I
I
I
0 , 05480 , 9 pu 1 , 25
2
2 ,sec 2 , =
norm
Rb R bnorm I
I
I
0 , 014 69 , 2 pu 1 , 0
3
3 ,sec 3 , = −
norm
Rb R bnorm I
I
I
0 , 03052 , 4 pu 6 , 25
4
4 ,sec 4 , =
norm
Rb R bnorm I
I
I
0 , 0005 pu
IopB = IR 1 b , norm + IR 2 b , norm + IR 3 b , norm + IR 4 b , norm =
( ˆ ˆ ˆ ˆ ) 0 , 170 pu 4
IresB = IR 1 b , norm + IR 2 b , norm + IR 3 b , norm + IR 4 b , norm =
IopB I min
I (^) opB SLP IresB
RESTRIÇÃO
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Baixa Impedância
33
87B – Fase C:
0 , 073123 , 6 pu 6 , 25
4
1 ,sec 1 , =
norm
Rc R cnorm I
I
I
0 , 055 40 , 5 pu 1 , 25
2
2 ,sec 2 , = −
norm
Rc R cnorm I
I
I
0 , 013173 , 4 pu 1 , 0
3
3 ,sec 3 , =
norm
Rc R cnorm I
I
I
0 , 027 63 , 2 pu 6 , 25
4
4 ,sec 4 , = −
norm
Rc R cnorm I
I
I
ˆ ˆ ˆ ˆ 0 , 0003 pu 1 , 2 , 3 , 4 ,
opC Rcnorm Rcnorm Rcnorm Rcnorm
I I I I I
( ) 0 , 168 pu
IresC = IR 1 c , norm + IR 2 c , norm + IR 3 c , norm + IR 4 c , norm =
IopC I min
opC resC
I SLP I
RESTRIÇÃO
31
32
33
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.
0
Corrente de Restrição (pu)
Corrente de Operação (pu)
87B - Fase A 87B - Fase B 87B - Fase C
Diferencial de Baixa Impedância
- Curto-Circuito 3 EXTERNO COM SATURAÇÃO DO TC
37
TRIP
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.
0
Corrente de Restrição (pu)
Corrente de Operação (pu)
87B - Fase A 87B - Fase B 87B - Fase C
Diferencial de Baixa Impedância
38
- Curto-Circuito 3 EXTERNO COM SATURAÇÃO DO TC
SLP1 = 0,
SLP2 = 0,
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Baixa Impedância
39
- Elemento Diferencial Instantâneo
SLP = 0,3 (Relé mais sensível) SLP = 0,7 (Relé menos sensível )
A proteção opera quando:
37
38
39
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Baixa Impedância
40
- Elemento Diferencial Instantâneo
Corrente de restrição suavizada (ires)
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Diferencial de Baixa Impedância
41
- Elemento Diferencial Instantâneo
Início falta Interna
Corrente
( p
u
)
2-
1-
2-
1-
0
5
10
15
70 80 90 100 110 120 130 140
Tempo (ms)
20
Operação 1-de-
JT 1
Operação 2-de- 25
SL P.
t≤JT 12
JT 2
i * op i r es
Curto interno
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
FE
2-
1-
Corrente
(
p
u
)
0
5
10
15
Início Falta Externa
70 80 90 100 120 130 140
SL P.
i * op i r es
Diferencial de Baixa Impedância
42
- Elemento Diferencial Instantâneo
Curto externo
40
41
42
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Proteção Distribuída
- Concebida mediante uso de relés numéricos.
- Tipicamente, instala-se uma unidade distribuída para
monitorar cada vão ligado ao barramento.
- As unidades distribuídas são conectadas à unidade
central utilizando cabos de fibra óptica e fazendo-se uso
de protocolos de comunicação, a exemplo do IEC 61850.
- Utilizada em novas instalações com barramentos com
vários vãos conectados.
- Soluções modernas disponibilizadas pelos fabricantes.
- Apresenta uma grande flexibilidade para expansão do
barramento.
- Aumenta-se a segurança na instalação central, uma vez
que a mesma não mais irá concentrar as conexões de
todos os secundários dos TCs.
46
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Proteção Distribuída
47
Unidade Central
Unidade Distribuída
Unidade Distribuída
Unidade Distribuída
Unidade Distribuída
Unidade Distribuída
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Proteção Distribuída
48
- Exemplo de Solução Comercial
46
47
48
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Arranjos Típicos de Barramentos
- Barra simples.
- Barra simples seccionada.
- Barra principal e de transferência.
- Barra dupla com disjuntor simples a 5 chaves.
- Barra dupla com disjuntor simples a 4 chaves.
- Barra disjuntor e meio.
- Barra dupla disjuntor duplo.
- Anel simples seccionado.
- Etc.
49
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Barra Simples
- Usada em SEs de distribuição.
- Baixa flexibilidade de operação.
- Falta no barramento irá desconectar todos os vãos.
- Tipos de proteção tipicamente empregadas: remota (barra
remotas ou utilizando a proteção dos transformadores ligados á
barra), local com intertravamento lógico ou diferencial.
50
TCs Distintos TCs Com Mais de Um Núcleo (Pedestal)
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Barra Simples Seccionada
- Características
- Usada normalmente em SEs de distribuição e de transmissão de
mais baixa tensão.
- Limitação da flexibilidade de operação.
- Seccionamento por disjuntor ou seccionadora.
- Falta no barramento poderá desconectar todos os vãos, a
depender de como as seções das barras são interligadas.
51
49
50
51
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Barra Simples Seccionada
- Exemplo de Manobra – Liberação do Disjuntor D
55
Configuração Normal de Operação da SE
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Barra Simples Seccionada
56
- Exemplo de Manobra – Liberação do Disjuntor D
1. Fechamento da seccionadora de bypass do disjuntor D3.
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Barra Simples Seccionada
57
- Exemplo de Manobra – Liberação do Disjuntor D
1. Abrir o disjuntor D3 e suas seccionadoras.
55
56
57
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Barra Simples Seccionada
- Exemplo de Manobra – Liberação do Disjuntor D
58
- Operação após a liberação do disjuntor D3:
- A PL3 continuará monitorando a corrente e a tensão da LT3.
- A PL3 não terá um disjuntor específico para enviar um trip , uma vez
que o disjuntor D3 está com bypass fechado e nesse arranjo de
barramento não há um disjuntor de transferência.
- Um curto-circuito na LT3 poderia ser extinto pelo uso da proteção
de falha do disjuntor da zona B (BFB), mesmo sem ser de fato
identificada a falha, acarretando o desligamento dos disjuntores D
e DT.
- De acordo com o esquema de proteção BFB, um comando de TDD
poderia ser enviado diretamente para o terminal remoto da LT3, a
fim de garantir a extinção do curto-circuito.
- Essa situação não é comum em sistemas de AT e EAT, sendo
recomendado a utilização de outro tipo de arranjo para o
barramento.
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Barra Principal e de Transferência
- Características
- Empregada em SEs de distribuição e de transmissão, tipicamente
até 230 kV.
- A barra de transferência (BT) opera normalmente sem potencial
(ou seja, desconectada da barra principal).
- Aumento significativo da flexibilidade de manobras.
- Permite a liberação do disjuntor de cada vão para manutenção,
mantendo o vão respectivo alimentado pela BT.
- A proteção de cada vão deve poder atuar tanto no disjuntor do
seu vão quanto no disjuntor de interligação de barras (ou de
transferência) DT.
- Falta na barra principal (BP) provocará o desligamento de todos
os vãos.
- Falta na BT deverá desconectar apenas o vão transferido.
59
Prof. Kleber Melo e Silva - UnB
Barra Principal e de Transferência
60
58
59
60
