Proteção de Sistemas Elétricos - Apostilas -  Engenharia Eletrônica_Part1, Notas de estudo de Engenharia Elétrica. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)
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Proteção de Sistemas Elétricos - Apostilas - Engenharia Eletrônica_Part1, Notas de estudo de Engenharia Elétrica. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)

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Apostilas de Engenharia Eletrônica sobre o estudo da Proteção de Sistemas Elétricos, Funções básicas de um sistema de proteção, Propriedades básicas de um sistema de proteção, Níveis de atuação de um sistema de proteção,...
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Apostila de Proteção de Sistemas Elétricos Prof. Marcos A. Dias de Almeida Natal, fevereiro de 2000

G

Apresentação: Esta apostila foi confeccionada com base nas notas de aulas da disciplina Proteção de Sistemas Elétricos do curso de graduação em Eng. Elétrica da UFRN, portanto, tem como objetivo principal, servir de roteiro para os alunos que estão cursando a disciplina. É composta de oito capítulos. Os quatro primeiros, que constituem a maior parte do curso, versam sobre a proteção de sistemas aéreos de distribuição. Os quatro últimos, dão uma introdução sobre as filosofias das proteções direcional, distância, diferencial e digital. No apêndice A, está feita uma revisão da teoria de cálculo de curto-circuito em sistemas de distribuição radial.

No apêndice B, são dados alguns conceitos básicos de transformador de corrente para serviço de proteção. Em anexo, são dadas as curvas tempo x corrente geralmente usadas durante o curso, no estudo de proteção de sobrecorrente de sistemas aéreos de distribuição.

Índice por capítulo: Capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS Pág.

1.1 Introdução 1-1 1.2 Funções básicas de um sistema de proteção 1-1 1.3 Propriedades básicas de um sistema de proteção 1-1 1.4 Níveis de atuação de um sistema de proteção 1-1 1.5 Correntes simétricas e assimétricas 1-2 1.6 Curto-circuito (estudo qualitativo) 1-3 Tab. 1.1 Estatística de faltas 1-3 1.6.1 Comportamento de corrente de curto-circuito 1-3 1.6.2 Fatores de assimetria 1-4

Capítulo 2 CHAVES-FUSÍVEIS PARA PROTEÇÃO DE ALIMENTADORES

E TRANSFORMADORES Pág.

2.1 Introdução 2-1 2.2 Chaves-fusíveis 2-1 Tab. 2.1 Chaves fusíveis mais usadas no Brasil 2-3 2.3 Dimensionamento de chaves-fusíveis 2-3 2.4 Elos-fusíveis 2-4 Tab. 2.2 Correntes nominais e admissíveis de elos H e K e as respectivas chaves 2-5 2.5 Dimensionamento de elos-fusíveis 2-6 2.5.1 Elo-fusíveis para proteção de transformador 2-6 Tab. 2.3 Elos-fusíveis para proteção de transformadores de distribuição 2-7 2.5.2 Elos-fusíveis para proteção de circuitos primários 2-7 Tab. 2.4 Coordenação de elos K e H 2-8 Tab. 2.5 Coordenação de elos T e H 2-8 Tab. 2.6 Coordenação de elos K 2-9 Tab. 2.7 Coordenação de elos T 2-9 2.6 Exercício de aplicação 2-10 2.7 Exercício proposto 2-10

Capítulo 3 APLICAÇÃO DE RELÉS DE SOBRECORRENTE NA PROTEÇÃO

DE ALIMENTADORES Pág.

3.1 Introdução 3-1 3.2 Relés de sobrecorrente 3-1 3.2.1 Curvas características 3-1 3.2.2 Unidades instantânea (50) e temporizada (51) 3-3 3.2.3 Esquema básico de ligação 3-4 3.3 Determinação de relação de TC 3-5 3.4 Critérios para ajustes da corrente mínima de atuação 3-5 3.5 Ajuste de curvas corrente x tempo das unidades temporizadas 3-8 3.6 Seletividade relé x relé 3-9 3.7 Seletividade relé x elo-fusível 3-9 3.8 Exercício de aplicação 3-10 3.9 Exercício proposto 3-17

Capítulo 4 RELIGADOR E SECCIONALIZADOR Pág.

4.1 Introdução 4-1 4.2 Religadores 4-2 4.2.1 Aplicação e especificação 4-3 4.2.2 Seqüências de operação 4-3 4.2.3 Critérios para ajustes 4-5 4.3 Coordenação religador x elo-fusível do lado da carga 4-7 4.4 Coordenação religador x elo-fusível do lado da fonte 4-8 4.5 Coordenação relé x religador 4-10 4.6 Coordenação religador x religador 4-12 4.7 Seccionalizadores 4-13 4.7.1 Função de proteção 4-14 4.7.2 Aplicação 4-15 4.7.3 Características funcionais 4-15 4.8 Coordenação religador x seccionalizador 4-16 4.9 Coordenação seccionalizador x seccionalizador 4-17 4.10 Coordenação religador x seccionalizador x elo-fusível 4-17 4.11 Coordenação e seletividade 4-17 4.12 Exercício proposto 4-18

Capítulo 5 INTRODUÇÃO À PROTEÇÃO DIRECIONAL Pág.

5.1 Introdução 5-1 5.2 Equação característica de um relé direcional 5-2 5.3 Relé do tipo corrente - corrente 5-2 5.4 Relé do tipo tensão – corrente 5-3 5.5 Conexões de relés direcionais 5-4 5.6 Esquema de ligação de um relé sobrecorrente direcional (proteção de fase) 5-6

Capítulo 6 INTRODUÇÃO À PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA Pág.

6.1 Introdução 6-1 6.2 Plano R – X 6-3 6.3 Relé de distância tipo impedância 6-3 6.4 Relé de distância tipo mho 6-6 6.5 Relé de distância tipo reatância 6-7 6.6 Outras características de relés de distância 6-7

Capítulo 7 INTRODUÇÃO À PROTEÇÃO DIFERENCIAL Pág.

7.1 Introdução 7-1 7.2 Relé diferencial percentual 7-1 7.3 Característica de operação do relé percentual 7-2 7.4 Requisitos para a proteção diferencial de transformador 7-2 7.5 Esquemas de proteção diferencial de transformador 7-4 7.6 Influência de correntes harmônicas na proteção de transformador 7-9

Capítulo 8 INTRODUÇÃO À PROTEÇÃO DIGITAL Pág. 8.1 Generalidades 8-1 8.1.1 Desenvolvimento histórico 8-1 8.1.2 Tecnologia convencional versus digital 8-1 8.1.3 Perfil profissional do engenheiro de proteção 8-2 8.2 Sistemas digitais integrados 8-6 8.3 Filtros de relés de proteção 8-7 8.3.1 Algoritmos de filtros digitais 8-7 8.3.2 Algoritmo de Fourier de um ciclo 8-10 8.4 Proteção digital de linhas de transmissão 8-11 8.4.1 Algoritmo de relé de sobrecorrente 8-11 8.4.2 Algoritmo de relé direcional de sobrecorrente 8-13 8.4.3 Algoritmos de relés de distância 8-14

Apêndice A CURTOS-CIRCUITOS EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO RADIAL

A.1 Introdução A-1 A.2 Descrição do problema A-1 A.3 Determinação de correntes de curto-circuito A-3 A.4 Curto-circuito trifásico A-5 A.5 Curto-circuito bifásico A-6 A.6 Curto-circuito bifásico-terra A-6 A.7 Curto-circuito fase-terra A-7 A.8 Curtos-circuitos através de impedância A-8 A.9 Elevação de tensões nas fases sãs devido ao curto-circuito fase-terra A-10 A.10 Comparação entre os módulos das correntes de curtos-circuitos A-11 A.10.1 Curto-circuito trifásico versus fase-terra A-12 A.10.2 Curto-circuito trifásico versus bifásico-terra A-12 A.10.3 Curto-circuito trifásico versus bifásico A-12 A.11 Exercício de aplicação A-13 A.12 Exercício proposto A-16

Apêndice B TRANSFORMADOR DE CORRENTE PARA PROTEÇÃO

B.1 Introdução B-1 B.2 Características B-2 B.3 Tipos construtivos B-6 B.4 Fenômeno da saturação B-6 B.5 Ligações delta e estrela B-7 B.6 Comportamento em regime permanente B-8

Anexo : Curvas tempo x corrente ----------------------------------------------- Bibliografia ------------------------------------------------------------------------

1-1

Capítulo1 ASPECTOS GERAIS DA PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS

1.1 Introdução Este capítulo tem como objetivo apresentar aspectos gerais e as principais propriedades da proteção de sistemas elétricos de potência. A proteção de qualquer sistema elétrico é feita com o objetivo de diminuir ou evitar risco de vida e danos materiais, quando ocorrer situações anormais durante a operação do mesmo. Geralmente, os sistemas elétricos são protegidos contra sobrecorrentes (curtos-circuitos) e sobretensões (internas e descargas atmosféricas). A proteção contra curtos-circuitos, que é o objetivo deste curso, é feita, basicamente, empregando-se fusíveis e relés que acionam disjuntores. O equipamento fundamental para proteção contra sobretensões é o pára-raios

1.2 Funções básicas de um sistema de proteção Dentre as funções de um sistema de proteção as principais são: • Salvaguardar a integridade física de operadores, usuários do sistema e animais; • Evitar ou minimizar danos materiais; • Retirar de serviço um equipamento ou parte do sistema que se apresente defeituoso; • Melhorar a continuidade do serviço; • Diminuir despesas com manutenção corretiva; • Melhorar os índices DEC (duração de interrupção equivalente por consumidor) e FEC (freqüência de

interrupção equivalente por consumidor)

1.3 Propriedades básicas de um sistema de proteção

As principais são: • Confiabilidade: probabilidade do sistema de proteção funcionar com segurança e corretamente, sob todas

as circunstâncias. • Seletividade : o sistema de proteção que possui esta propriedade é capaz de reconhecer e selecionar as

condições que deve operar, a fim de evitar operações desnecessárias. • Velocidade : um sistema de proteção deve possibilitar o desligamento do trecho ou equipamento

defeituoso no menor tempo possível. • Sensibilidade : um sistema de proteção deve responder às anormalidades com menor margem possível de

tolerância entre a operação e não operação dos seus equipamentos. Por exemplo, um relé de 40 A com 1% de tolerância é mais sensível do que outro de 40 A com 2%.

1.4 Níveis de atuação de um sistema de proteção De modo geral, a atuação de um sistema de proteção se dá em três níveis que são conhecidos como principal, de retaguarda (socorro) e auxiliar. a) Proteção principal : Em caso de falta dentro da zona protegida, é quem deverá atuar primeiro. b) Proteção de retaguarda : é aquela que só deverá atuar quando ocorrer falha da proteção principal.

1-2

b) Proteção auxiliar : é constituída por funções auxiliares das proteções principal e de retaguarda, cujos os objetivos são sinalização, alarme, temporização, intertravamento, etc.

Na Fig. 1.1, pode-se observar os diversos níveis da proteção de um sistema elétrico (geração,

transmissão e distribuição). As zonas de proteção (retângulos tracejados) que se interceptam funcionam como proteção principal ou de retaguarda, a depender da localização da falta.

1.5 Correntes simétricas e assimétricas

Diz-se que uma corrente é simétrica, quando as envoltórias da onda desta corrente são simétricas em relação ao eixo dos tempos, caso contrário, é considerada assimétrica. Em algumas situações, como nos casos dos curtos-circuitos, as ondas de correntes, inicialmente, são assimétricas, depois se tornam simétricas (Fig. 1.2).

i (t)

t

Componente assimétrica

Componente simétrica

Envoltórias

Componente exponencial

Fig. 1.2 – Corrente elétrica, onde podem ser vistas a componente assimétrica, com sua exponencial, e a componente simétrica

G

Proteção do gerador

Proteção das barras de saída do gerador

Proteção dos transformadores elevadores

Proteção das barras de alta-tensão

Proteção das linhas de transmissão

Proteção das barras de alta-tensão

Proteção do transformador abaixador

Proteção das barras de baixa-tensão

Proteção de alimentador

Fig. 1.1 – Proteção de um sistema de elétrico em alta-tensão

1-3

1.6 Curto-circuito (estudo qualitativo) Esta seção tem por objetivo fazer um estudo qualitativo dos diversos tipos de curtos-circuitos e da natureza das correntes que se originam destas faltas inerentes aos sistemas elétricos. Em sistemas elétricos trifásicos e aterrados, os curtos-circuitos podem ser de quatro tipos:

• Trifásico; • Bifásico; • Bifásico-terra; • Fase-terra

De acordo com o tempo de duração, estas faltas podem ser classificadas em: • Transitórias, passageiras ou de curtas durações; • Permanentes

Em sistemas de distribuição aéreos primários, de condutores nus, aceita-se a estatística de

ocorrências de faltas, dada na Tabela 1.1 . Tab. 1.1 Estatística de faltas

Classificação Tipos de faltas Probabilide de ocorrência

(%) Permanente

(%) Transitória

(%) Trifásica 2 95 5 Bifásica 11 70 30 Fase-terra 79 20 80 Outros 8   As principais causas destas faltas são :

• Galhos de árvores que tocam os condutores; • Falhas de isoladores (rachaduras, sujeira, maresia, etc.); • Atos de vandalismos (tiros, objetos jogados sobre os condutores, etc.); • Batidas de automóveis nas estruturas; • Pequenos animais ao subirem nas estruturas (pássaros, ratos , gatos, etc.); • Sobretensões de manobras e descargas atmosféricas; • Erros humanos (aterrar a linha durante uma operação de manutenção e, depois, energiza-la sem

desfazer o aterramento); • Outros

1.6.1 Comportamento de corrente de curto-circuito No domínio do tempo a corrente de um curto-circuito, pode ser dividida em duas partes :

• Transitória (assimétrica); • Regime (simétrica)

Durante o período transitório, em torno de 0,1s (6 ciclos de 60Hz), essa corrente é assimétrica,

conhecida como corrente dinâmica. Passado este período, a corrente entra em regime permanente, tornando-se simétrica. Devido a estas características, é comum representá-la pela equação abaixo.

τ −

+= t

0MCURTO eIwtcosII (1.1)

1-4

Onde: IM : Valor máximo da componente simétrica, que permanece no circuito até a extinção do curto-circuito (componente em regime); I 0 : Componente que cai exponencialmente de acordo com a constante de tempo circuito τ , que é função dos parâmetros do mesmo:

R x

(1.2)

Os parâmetros X e R , dependem do local da falta e das componentes de seqüências positiva, negativa e zero das impedâncias envolvidas no curto-circuito. Na Eq. 1.1, quando a componente exponencial tende a zero, a corrente de curto-circuito entra em regime. Para cada tipo de curto-circuito, o valor eficaz desta componente em regime é calculado através da teoria de componentes simétricas (circuitos de seqüências).

O valor da componente dinâmica (assimétrica), na prática, é determinado multiplicando-se o valor eficaz da componente em regime pelo fator de assimetria (fa) calculado ou estimado no ponto da falta.

IfI REGIME ,CURTOa ASSIM,CURTO ×= (1.3) 1.6.2 Fatores de assimetria Os valores dos fatores de assimetria calculados para as correntes de curtos-circuitos, em sistemas elétricos de potência, variam com o tempo e com a constante de circuitoτ. É comum serem tabelados ou dados através de curvas características. A Tabela 1.2 apresenta os fatores de assimetria em função da relação X/R , para um tempo de meio ciclo de 60Hz (8,3ms ). Tab. 1.2 Fatores de assimetria

X/R fa X/R Fa X/R fa Até 0,25 1,000 2,30 1,085 6,80 1,360

0,30 1,004 2,40 1,090 7,00 1,362 0,40 1,005 2,50 1,104 7,25 1,372 0,50 1,006 2,60 1,110 7,50 1,385 0,55 1,077 2,70 1,115 7,75 1,391 0,60 1,008 2,80 1,123 8,00 1,405 0,65 1,009 2,90 1,130 8,25 1,410 0,70 1,010 3,00 1,140 8,50 1,420 0,75 1,011 3,10 1,142 8,75 1,425 0,80 1,012 3,20 1,150 9,00 1,435 0,85 1,013 3,30 1,155 9,25 1,440 0,90 1,015 3,40 1,162 9,50 1,450 0,95 1,018 3,50 1,170 9,75 1,455 1,00 1,020 3,60 1,175 10,00 1,465 1,05 1,023 3,70 1,182 11,00 1,480 1,10 1,025 3,80 1,190 12,00 1,500 1,15 1,026 3,90 1,192 13,00 1,515 1,20 1,028 4,00 1,210 14,00 1,525 1,25 1,029 4,10 1,212 15,00 1,550 1,30 1,030 4,20 1,220 16,00 1,560 1,35 1,033 4,30 1,225 17,00 1,570 1,40 1,035 4,40 1,230 18,00 1,580

1-5

1,45 1,037 4,50 1,235 19,00 1,590 1,50 1,040 4,60 1,249 20,00 1,600 1,55 1,043 4,70 1,255 22,50 1,610 1,60 1,045 4,80 1,260 25,00 1,615 1,65 1,047 4,90 1,264 27,75 1,625 1,70 1,050 5,00 1,270 30,00 1,630 1,75 1,055 5,20 1,275 35,00 1,636 1,80 1,060 5,40 1,290 40,00 1,648 1,85 1,063 5,60 1,303 45,00 1,653 1,90 1,065 5,80 1,310 50,00 1,659 1,95 1,068 6,00 1,315 55,00 1,660 2,00 1,070 6,20 1,324 60,00 1,680 2,10 1,075 6,40 1,335   2,20 1,080 6,60 1,350  

Os valores assimétricos das correntes de curtos-circuitos são empregados para determinação da capacidade de ruptura ou de interrupção dos dispositivos de proteção (chaves-fusíveis, disjuntores; religadores, etc.). Já os valores simétricos , são usados no estudo de seletividade e coordenação de equipamentos de proteção.

De momo geral, em um sistema elétrico, as sobrecorrentes são originadas por sobrecargas e curtos- circuitos. Neste último caso, podem atingir valores elevados, causando danos consideráveis ao sistema. Portanto, é fundamental o estudo quantitativo e qualitativo dos diversos tipos de curtos-circuitos para o desenvolvimento de um sistema de proteção adequado.

Continuação da Tab. 1.2 Fatores de assimetria

2-1

Capítulo2 CHAVES-FUSÍVEIS PARA PROTEÇÃO DE ALIMENTADORES E TRANSFORMADORES

2.1 Introdução

Classicamente, os sistemas de distribuição primários, aéreos, trifásicos e aterrados, constituídos por

condutores nus, têm os seus sistemas de proteção de sobrecorrentes constituídos por chaves-fusíveis , religadores , relés em conjunto com disjuntores e seccionalizadores ou chaves seccionadoras automáticas.

Por razões didáticas, este Curso será iniciado pelo estudo das chaves-fusíveis e seus respectivos elos. Nos itens que seguem serão vistos o princípio de funcionamento de chave-fusível, as suas características para especificação, o dimensionamento de elos-fusíveis e a filosofia de coordenação entre os mesmos.

2.2 Chaves fusíveis

Aqui serão abordados os principais tipos de chaves-fusíveis, suas características para especificação, princípio de funcionamento e critérios de dimensionamento. As chaves-fusíveis são dispositivos eletromecânicos que têm como função básica, interromper o circuito elétrico quando ocorrer a fusão do elo-fusível. Possuem as seguintes características para especificação :

• Tensão nominal; • Nível básico de isolamento para impulso (NBI); • Freqüência; • Corrente nominal; • Corrente de interrupção (capacidade de interrupção); • Corrente de curta-duração

Sob o ponto de vista de proteção, a característica mais importante é a corrente de interrupção, que deve ser especificada com base no valor assimétrico da corrente do maior curto-circuito no ponto de instalação da chave . De acordo com sua aplicação as chaves-fusíveis são classificadas em dois tipos: distribuição e força.

a) Chaves-fusíveis de distribuição São identificadas pelas características inerentes aos sistemas de distribuição: • NBI de sistemas de distribuição (para a classe de tensão 15kV: 95 ou 110kV); • Mecanicamente, são construídas para montagem em cruzetas; • Tensões nominais de sistemas de distribuição. No Brasil, as mais comuns são: 11,4kV, 13,2kV, 13,8kV ( estas são consideradas da classe 15kV) e 34,5kV.

b) Chaves-fusíveis de força De modo geral, são empregadas em subestações para proteção de barramentos, transformadores, bancos de capacitores, e "bypass" de disjuntores. Possuem NBI para classes de tensões mais elevadas (69kV, 138kV, por exemplo), cujos os Níveis Básicos de Isolação (NBI) são 350kV e 650kV, respectivamente. Geralmente, as capacidades de interrupção são superiores às das chaves-fusíveis de distribuição. Mecanicamente , são construídas para montagens em estruturas de subestações. De maneira geral, as chaves-fusíveis empregadas até 25kV, são ditas de distribuição. Acima deste valor, são consideradas de força. Entretanto, essa regra não é rígida.

2-2

Baseado na construção, as chaves-fusíveis podem ser do tipo aberta ou fechada:

a) Tipo fechada : O cartucho e as garras estão montados dentro de uma caixa protetora de material isolante.

b) Tipo aberta : O cartucho e as garras não possuem caixa protetora.

Quanto ao modo de operação, podem ser:

a) De expulsão; b) Imersas em óleo; c) Limitadora de corrente No Brasil, são fabricadas e largamente empregadas as chaves-fusíveis de expulsão, monofásicas, com

cartucho em fibra isolante, abertas, não repetitivas e indicadoras, conhecidas também como "chaves Matheus" . O princípio de funcionamento se baseia na extinção do arco elétrico formado dentro do cartucho ou canela, devido a abertura do circuito após a fusão do elo-fusível. O arco irá queimar o tubinho e/ou paredes do cartucho, produzindo gases desionizantes (CO2 , nitrogênio, etc), que irão extinguí-lo. Além disso, a expansão destes gases no interior do cartucho, dá origem a uma intensa diferença de pressão interna, que irá expulsar os mesmos pela parte inferior. Isto origina um empuxo para cima (princípio da ação e reação) , que desconecta o contato superior do cartucho do contato da chave, fazendo-o girar através de uma junta articulada. Após a operação da chave, o cartucho fica "pendurado", indicando a operação ("canela arriada"). Daí, dizer-se que a chave tem a propriedade indicadora ou sinalizadora visual .

Os principais componentes de uma chave-fusível tipo expulsão são : • Elo-fusível (liga de material condutor); • Cartucho ou canela (tubo de fibra isolante); • Isolador (porcelana ou resina epoxi); • Base ou dispositivo de fixação (aço zincado).

É importante observar que este tipo de chave-fusível não deve ser empregado para manobra de circuito com carga, pois são do tipo "seca" , isto é, os seus contatos não possuem meios de interrupção de arco (óleo, SF6 , etc.). A abertura de circuito com carga leva a um desgaste prematura dos contatos da chave. Além disso, pode provocar danos físicos e risco de vida à pessoa que está realizando a operação de abertura, principalmente nos dias chuvosos. Isto acontece porque, no momento da abertura, o arco elétrico pode envolver a cruzeta e, estando esta aterrada, vai originar um curto-circuito fase-terra, que, por sua vez, poderá produzir tensões de passo elevadas. Foram desenvolvidos alguns acessórios para essas chaves que, quando instalados, possibilitam, com segurança, a abertura de circuitos com carga. Um desses acessórios, bastante utilizado, é o "gancho" próprio para o "load buster". Existem chaves que sãor equipadas com câmara de extinção de arco.

Geralmente, o cartucho e o elo-fusível são intercambiáveis, isto é, podem ser substituídos por outros do mesmo fabricante ou de outros.

A instalação da chave na cruzeta, forma um ângulo de aproximadamente 70o , em relação à horizontal para, através da ação da gravidade, facilitar o giro do cartucho após a operação.

2-3

A Tabela 2.1 fornece as chaves mais usadas no Brasil na classe 15kV : Tab. 2.1 Chaves-fusíveis mais usadas no Brasil

Tensão Nominal

NBI

Corrente

Observação

(kV)(kV) Nominal

(A)

De interrupção Assímetrica

(kA)

15 95 50 1,2 * 15 95 100 2 * 15 95 100 4 ou 5 * 15 95 100 8 ou 10 * 15 110 200 4 ou 8 * 15 110 300 10 *

* Pode ser equipada com ganchos próprios para "Load Buster" (dispositivo que permite abrir a chave-fusível em carga).

2.3 Dimensionamento de chaves-fusíveis

Para especificar uma chave-fusível, é necessário o dimensionamento da capacidade de interrupção e da corrente nominal. Para isso, deve-se conhecer as correntes de carga e de curto-circuito máximas no ponto de instalação da mesma.

Deverão ser observados os critérios a seguir : a) A corrente nominal da chave deverá serigual ou maior do que a corrente de carga máxima, no ponto de

instalação da mesma, multiplicada por um fator k ;ou superior ao valor da corrente admissível do fusível empregado, também multiplicada por K.

IkI MAX,CCH,N ×≥ (2.1) Onde :

IN,CH : Corrente nominal da chave;

IC, MAX : Corrente de carga máxima no ponto de instalação; K : Fator de segurança, comumente tomado com valor 1,5 . Mas, pode ser qualquer valor entre 1 e 2

O fator de segurança K, é empregado para levar em conta situações de remanejamento de carga, de sobrecarga ou o próprio crescimento de carga do circuito. O seu valor é tomado de acordo com a condição de operação do circuito, geralmente, para o caso mais desfavorável ou mais freqüente. Para o caso de crescimento de carga, o fator K é determinado pela expressão :

n)a1(k += (2.2)

Onde : n : número de anos do planejamento (em sistemas de distribuição é comum se empregar dois anos : n=2); a : taxa de crescimento anual do sistema. É mais comum ser utilizado o critério de corrente admissível do fusível empregado, ou seja:

2-4

FUS,ADMCH,NOM IkI ×≥ (2.3) Onde: I NOM, CH : Corrente nominal da chave

I ADM ,FUS : Corrente admissível do fusível. K : fator de segurança, geralmente é tomado com o valor 1,5 . b) A corrente de interrupção da chave deverá ser igual ou superior ao maior valor assimétrico da corrente

de curto-circuito no ponto de instalação da mesma.

)I( maiorI ASSIM,CURTOCH,INT ≥ (2.4) Onde: I INT, CH : Maior corrente que a chave é capaz de interromper ser sofrer danos (capacidade de interrupção) I CURTO, ASSIM : Maior corrente de curto-circuito, valor assimétrico, no ponto de instalação.

2.4 Elos-fusíveis

Os elos-fusíveis são a parte ativa da chave-fusível, ou seja, são os elementos sensores que detectam

a sobrecorrente e juntamente com o cartucho, interrompem o circuito. Não devem fundir com a corrente de carga do equipamento ou do circuito protegido e devem obedecer as curvas características tempo x corrente fornecidas pelos fabricantes. Os elos-fusíveis são identificados por sua corrente nominal e tipo, devendo ainda aparecer (geralmente no botão) o nome ou marca do fabricante. São constituídos das seguintes partes:

• Botão com arruela; • Elemento fusível; • Tubinho; • Rabicho

São classificados em dois grandes grupos: distribuição e força. a) De distribuição :

Tipo K - Elos-fusíveis rápidos;Tipo T - Elos-fusíveis lentosTipo H - Elos-fusíveis de alto surto (high surge), de ação lenta para surtos de corrente (a corrente transitória de magnetização de transformador, por exemplo) . São fabricados somente para pequenas correntes nominais. Geralmente, são usados para proteger transformadores de pequenas potências (até 75 kVA) e pequenos bancos de capacitores.

Correntes nominais normalmente padronizadas para esses elos-fusíveis: • Valores preferenciais para os tipos K e T : 1, 2, ,5 , 6 , 10 , 15 , 25 , 40 , 65 , 100 , 140 e 200 A • Valores não preferenciais para os tipos K e T: 8 , 12 , 20 , 30 , 50 e 80 A . • Valores para os tipo H : 1 , 2 , 3 , 5 A .

Os elos-fusíveis K e T , geralmente admitem correntes 50% acima da nominal (corrente admissíve l). Por exemplo, o elo de 10K admite uma corrente de 15A . Isto é, permite uma sobrecarga.

2-5

NOMADM I5,1I ×= (2.5) Onde : IADM : Corrente admissível INOM : Corrente nominal Na Tabela 2.2, estão dadas as correntes nominais e admissíveis dos elos K e H mais comuns, com as respectivas chaves. b) De força : • Tipo EF - Elos-fusíveis rápidos; • Tipo ES - Elos-fusíveis lentos

Tab. 2.2 Correntes nominais e admissíveis de elos H e K e as respectivas chaves-fusíveis

Elo-fusível

Chave-fusível : corrente nominal

(A)

Corrente nominal (A)

Corrente admissível

(A)

Tipo H

1 1 2 2 3 3 5 5

Tipo K

50 6 9 8 12

10 15 12 18 15 22,5 20 30 25 37,5 30 45

40

60

50 75 100 65 97,5

80

120

100 150 200 140 190 200 200

O funcionamento do elo-fusível, se baseia na fusão do elemento fusível (geralmente de liga de estanho ou prata) por efeito Joule, quando a corrente passante está superior a corrente admissível. A maioria

2-6

dos elos atingem o ponto de fusão em uma temperatura próxima de 230o C. Para a corrente admissível, o elo trabalha com temperatura em torno de 100o C . Devido o arco elétrico, em tensões elevadas (classe 15kV, ou superiores, por exemplo), a fusão do elo geralmente não interrompe o circuito. Para interrompe-lo efetivamente, torna-se necessário a extinção do arco. Isso é feito por gases desionizantes produzidos no interior do cartucho, em conseqüência da queima do tubinho e/ou das paredes internas do próprio cartucho. A energia liberada pelo arco vai depender do tempo, da tensão e da corrente. Se o cartucho não for adequado, dependendo da energia, pode ocorrer "inchaço", explosões ou outros danos mecânicos.

Os fabricantes de elos-fusíveis fornecem, por bitola, curvas características tempo x corrente de fusão e interrupção, conhecidas como:

• Curvas de tempos mínimos de fusão; • Curvas de tempos máximos de fusão; • Curvas de tempos totais de interrupção

As curvas de tempos mínimo e máximo de fusão são determinadas em ensaios de fusão de várias amostras, feitos com baixa tensão para não haver formação de arco. As curvas de tempos totais de interrupção, ou tempos máximos de aberturas, são determinadas por ensaios efetuados sob 15kV, havendo, portanto a ocorrência de arco elétrico. A ABNT postula também que as curvas de tempos totais podem ser obtidas das curvas de tempos máximos de fusão mediante a adição de tempos de arco (em torno de 10ms). Para a coordenação ou seletividade de elos-fusíveis são usadas as curvas de mínimos tempos de fusão e de máximos tempos totais de interrupção.

2.5 Dimensionamento de elos-fusíveis

Na distribuição aérea primária, a maior aplicação de elo-fusível é na proteção de transformadores e ramais. Para cada caso existem critérios a serem observados, que serão apresentados nos parágrafos seguintes.

2.5.1 Elos-fusíveis para proteção de transformador Os elos-fusíveis de proteção de transformador, devem satisfazer aos seguintes requisitos:

a) Operar para curtos-circuitos no transformador ou na rede secundária; b) Suportar continuamente, sem fundir, a sobrecarga permissível ao transformador. Para

transformador de distribuição, admite-se uma sobrecarga de duas vezes a sua carga nominal. c) De acordo com a curva de tempos máximos admissíveis para sobrecorrentesem transformador,

deverá fundir num tempo inferior a 17s , com correntes de 2,5 a 3 vezes a corrente nominal do transformador;

d) Não deverá fundir para a corrente transitória de energização do transformador, estimada em 8 a 12

vezes a sua corrente nominal (para transformador com potência até 2MVA). Considera-se este transitório com duração em torno de 0,1s.

e) Deve coordenar com as proteções à montante e a jusante do transformador; f) Deve coordenar com a curva térmica do transformador. Para facilidade de aplicação, os catálogos de fabricantes fornecem tabelas com os elos-fusíveis

apropriados para proteção de transformadores de distribuição (Tabela 2.3).

2-7

Tab. 2.3 Elos-fusíveis para proteção de transformadores trifásicos de distribuição

Potência do

Transformador trifásico

Transformador 6,6 kV 13,8 kV 22 kV (kVA) Corrente

(A) Fusível Corrente

(A) Fusível Corrente

(A) Fusível

15 1,31 1H 0,63 1H 0,39 - 30 2,62 3H 1,26 2H 0,79 - 45 3,94 5H 1,88 3H 1,18 1H 75 6,56 8K 3,14 5H 1,97 2H

112,5 9,84 10K 4,71 6K 2,95 5H 150 13,12 15K 6,28 8K 3,94 5H 225 19,68 20K 9,41 10K 5,90 6K 300 26,24 30K 12,55 15K 7,87 10K

2.5.2 Elos-fusíveis para proteção de circuitos primários O dimensionamento de elos-fusíveis para proteção de circuitos primárias, leva em conta os critérios de corrente e seletividade.

a - A corrente nominal do 1o elo-fusível de um ramal, no sentido da carga para a fonte, deverá ser igual ou maior do que 1,5 vezes o valor máximo da corrente de carga medida ou convenientemente avaliada no ponto considerado .

MAX , CARGAELO ,NOM I5,1I ×≥ (2.6)

b- Os demais elos-fusíveis instalados à montante do anterior, deverão obedecer aos critérios a seguir: b.1- A capacidade nominal do elo-fusível deverá ser igual ou maior do que 1,5 vezes o valor máximo da corrente de carga medida ou convenientemente avaliada no ponto de instalação; b.2 - A capacidade nominal do elo-fusível protetor deverá ser, no máximo, um quarto (1/4) da corrente de curto-circuito fase terra mínimo no fim do trecho protegido por ele; b.3 - O elo protegido, deverá coordenar com o elo protetor, pelo menos, para o valor da corrente de curto-circuito fase-terra mínimo no ponto de instalação do elo protetor.

c - Quando existir três ou mais elos-fusíveis em cascata, poderá se tornar impraticável a obediência aos critérios anteriores. Portanto, deverá ser sacrificada a perfeição da coordenação, mantendo-se, porém, a seletividade. d - Para maior facilidade de coordenação de elos-fusíveis, deverá ser evitado o uso de elos tipo H como proteção de circuitos, ficando restrito à proteção de transformadores de distribuição. Para proteção de circuitos deverão ser empregados apenas elos tipo K ou T. e - Para ampliar a faixa de coordenação e reduzir o número de elos utilizados, recomenda-se optar, sempre que possível, pela utilização de elos-fusíveis preferenciais . f - Para a coordenação de elos, deve-se utilizar as Tabelas de Coordenação (2.4 , 2.5 , 2.6 e 2.7) fornecidas pelos fabricantes. Na falta destas, podem-se determinar os valores limites de coordenação pelas curvas tempo x corrente. Para isso, a coordenação é considerada satisfatória quando:

2-8

“O tempo total de interrupção do fusível protetor não exceder 75% do mínimo tempo de fusão do fusível protegido” .

PROTEGIDO ELO , FUS MINPROTETOR ELO ,INT t75,0t ×≤ (2.7)

Em um sistema elétrico radial , o elo-fusível mais próximo do local da falta (F) é chamado de protetor (proteção principal), e o elo na retaguarda deste, é conhecido como protegido (proteção de retaguarda) (Fig 2.1) . Explicando melhor, para todas as faltas no trecho AB, protegido por 1, este deverá queimar antes do 2 . Tab. 2.4 Coordenação de elos K e H

Elo protegido Elo protetor 8K 10K 12K 15K 20K 25K 30K 40K 50K 65K 80K 100K 140K 200K 1H 125 280 380 510 650 840 1060 1350 1700 2200 2800 3900 5800 9200 2H 45 220 450 650 840 1060 1350 1700 2200 2800 3900 5800 9200 3H 45 220 450 650 840 1060 1350 1700 2200 2800 3900 5800 9200 5H 45 220 450 650 840 1060 1350 1700 2200 2800 3900 5800 9200 8H 45 220 450 650 840 1060 1350 1700 2200 2800 3900 5800 9200 Tab. 2.5 Coordenação de elos T e H

Elo protegido Elo protetor 8T 10T 12T 15T 20T 25T 30T 40T 50T 65T 80T 100T 140T 200T 1H 400 520 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 2H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 3H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 5H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 8H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200

S

S

Font e

F

Elo protegido

Elo Protetor

Fig. 2.1 – Elos protetor e protegido

A

B

1

2 IF

Corrente de falta

2-9

Tab. 2.6 Coordenação de elos K Elo protegido Elo

protetor 8K 10K 12K 15K 20K 25K 30K 40K 50K 65K 80K 100K 140K 200K 6K 190 350 510 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 8K 210 440 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 10K 300 540 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 12K 320 710 1050 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 15K 430 870 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 20K 500 1100 1700 2200 2800 3900 5800 9200 25K 660 1350 2200 2800 3900 5800 9200 30K 850 1700 2800 3900 5800 9200 40K 1100 2200 3900 5800 9200 50K 1450 3500 5800 9200 65K 2400 5800 9200 80K 4500 9200 100K 2000 9100 140K 4000 Tab. 2.7 Coordenação de elos T

Elo protegido Elo protetor 8T 10T 12T 15T 20T 25T 30T 40T 50T 65T 80T 100T 140T 200T 6T 350 680 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 8T 375 800 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 10T 530 1100 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 12T 680 1280 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 15T 730 1700 2500 3200 4100 5000 6100 9700 15200 20T 990 2100 3200 4100 5000 6100 9700 15200 25T 1400 2600 4100 5000 6100 9700 15200 30T 1500 3100 5000 6100 9700 15200 40T 1750 3800 6100 9700 15200 50T 1750 4400 9700 15200 65T 2200 9700 15200 80T 7200 15200 100T 4000 13800 140T 7500

2.6 Exercício de aplicação

2-10

Para o sistema de distribuição dado na Fig. 2.2, pede-se fazer o dimensionamento dos elos-fusíveis e das respectivas chaves. Para o caso dos elos, observar a coordenação entre eles. Resolução: a) Dimensionamento dos elos-fusíveis dos transformadores

No dimensionamento dos elos foi utilizada a Tabela 2.3 . b) Dimensionamento dos elos-fusíveis dos ramais Para isso, é necessário se conhecer as correntes de carga e de curtos-circuitos, conforme estão dadas na Fig. 2. 3. ♦ Critério de corrente • INOM, ELO 4 ≥ 1,5 x 6,3 ⇒ INOM, ELO 4 ≥ 9,45 A ⇒ 10K , 12K , 15K … • INOM, ELO 4 ≤ 1/4 x 125 ⇒ INOM, ELO 4 ≤ 31,25 ⇒ 10K, 12K, 15K, 20K, 15K, 30K ♦ Critério de coordenação • Pela tabela de coordenação de elos K e H (Tabela 2.4), verifica-se que no ponto 4 deve ser instalado o elo

12K , pois coordena com o 5H (ponto 1) para a corrente limite de 220A , satisfazendo aos critérios de corrente e coordenação. Como o 12K coordena com o 5H, então, automaticamente, coordenará com os elos 2H e 3H.

• No ponto 5, será colocado o elo 20K, pois satisfaz ao critério de corrente e coordena com o 12K até o limite de corrente de 320A (vê Tabela 2.6).

c) Dimensionamento das chaves-fusíveis De acordo com os critérios dados nas Equações 2.3 e 2.4 e as Tabelas 2.1 e 2.2, a chave com a especificação a seguir satisfaz a todos os pontos. • Corrente nominal = 50 A;

S/E

Fig. 2.2 – Exercício de aplicação de elo e chave -fusível

S S

S

S

S

500kVA

150kVA

75kVA

30kVA

45kVA

33,5 A

6,3 A

12,6 A

6,3 A 2 1

3

5

4

Transformador de distribuição

13,8 kV

2-11

• Capacidade de interrupção = 1,2 kA; • Tensão nominal = 13,8 kV; • Classe de tensão 15 kV; • NBI = 95 kV;

Na Fig. 2.3, tem-se o resumo do exercício resolvido. É importante que após o dimensionamento dos

elos-fusíveis, eles sejam alocados no diagrama unifilar do sistema, conforme foi feito.

2.7 Exercício proposto

Dimensionar e especificar os elos-fusíveis e as respectivas chaves do sistema de distribuição dado abaixo.

ICC, φ

ICC,2φ

ICC,3φ

S/E

Fig. 2.3 – Exercício de aplicação de elo e chave -fusível

S S S

S

S

75kVA

30kVA

45kVA

2H

3H

5H 12K

20K

33,5 A

6,3 A

12,6 A

6,3 A

810

778

565

275

245

170

210

185

125

230

206

130

335

310

225

2 1

3

5

4

Legenda

Curto trifásico

Curto bifásico

Curto fase-terra

S/E

S

S

S

S

75kVA

125kVA

155 A

25 A

450

390

300

300

260

200

380

329

230

60

52

50

carga

carga

3-1

Capítulo 3 APLICAÇÃO DE RELÉS DE SOBRECORRENTE NA PROTEÇÃO DE ALIMENTADORES 3.1 Introdução

O relé é definido como sendo um dispositivo sensor que comanda a abertura do disjuntor quando surgem, no sistema elétrico protegido, condições anormais de funcionamento.

O modo geral de atuação de um relé pode ser sintetizado em quatro etapas: • O relé encontra-se permanentemente recebendo informações da situação elétrica do sistema protegido sob

a forma de corrente, tensão, freqüência ou uma combinação dessas grandezas (potência, impedância, ângulo de fase, etc.);

• Se, em um dado momento, surgirem condições anormais de funcionamento do sistema protegido tais que venham a sensibilizar o relé, este deverá atuar de acordo com a maneira que lhe for própria.

• A atuação do relé é caracterizada pelo envio de um sinal que resultará em uma ação de sinalização (alarme), bloqueio ou abertura de um disjuntor (ou nas três ao mesmo tempo).

• A abertura ou disparo do disjuntor, comandada pelo relé , irá isolar a parte defeituosa do sistema.

Neste capítulo será visto, inicialmente, informações sobre relés de sobrecorrente, e depois, a aplicação destes para proteção de sistemas primários de distribuição. 3.2 Relés de sobrecorrente Conforme o próprio nome sugere, têm como grandeza de atuação a corrente elétrica do sistema. Isto ocorrerá quando esta atingir um valor igual ou superior ao ajuste previamente estabelecido (corrente mínima de atuação).

No caso de serem usados para proteção de circuitos primários (classe 15kV, por exemplo), são ligados de forma indireta através de transformadores de corrente. 3.2.1 Curvas características Quanto ao tempo de atuação, possuem curvas características de dois tipos: de tempo definido e de tempo dependentea) De tempo definido

Uma vez ajustados o tempo de atuação (ta) e a corrente mínima de atuação (IMIN,AT), o relé irá atuar neste tempo para qualquer valor de corrente igual ou maior do que o mínimo ajustado (Fig.3.1).

I(A)

t(s)

IMIN,AT

ta

Fig. 3.1 – Curva característica de tempo definido

3-2

b) De tempo dependente

O tempo de atuação do relé é inversamente proporcional ao valor da corrente. Isto é, o relé irá atuar em tempos decrescentes para valores de corrente igual ou maior do que a corrente mínima de atuação ( corrente de partida ou starting current) (Fig.3.2). As curvas de tempo dependente são classificadas em três grupos: Normalmente Inversa (NI), Muito Inversa (MI) e Extremamente Inversa (EI), conforme mostra a Fig. 3.3 .

Essas curvas são definidas, por norma, a partir de equações exponenciais do tipo:

1 I

I

TMSk t

2k

S

1

− 

  

× = (3.1)

Onde: k1 e k2 : constantes que, dependendo do valor recebido, irão definir os grupos (NI, MI ou EI): § K1 = 0,14 e K2=0,02 ⇒ CURVA NORMALMENTE INVERSA; § K1 = 13,5 e K2=1 ⇒ CURVA MUITO INVERSA; § K1 = 80 e K2=2 ⇒ CURVA EXTREMAMENTE INVERSA;

I(A)

t(s)

IMIN,AT

ta

Fig. 3.2 – Curva característica de tempo dependente

I(A)

t(s)

Fig. 3.3 – Curvas características normalmente inversa (NI), muito inversa (MI) e extremamente inversa (EI)

NI MI EI

3-3

I : corrente que chega ao relé através do secundário de um TC; IS : corrente de ajuste ou de partida (starting current); TMS : os valores numéricos atribuídos a TMS fazem as curvas se deslocarem ao longo do eixo dos tempos. Estes valores geralmente variam de 0,01 a 1, com passo de 0,01 (Fig.3.4).

Comumente os catálogos dos fabricantes fornecem dez curvas por grupo, conforme exemplo mostrado na Fig.3. 4 . Nesta figura, estão dadas curvas NI de um determinado relé, cuja a equação é:

1 I I

TMS14,0 t

02,0

S

− 

  

× = (3.2)

Por norma, essas curvas são traçadas para valores do múltiplo (m) variando, geralmente, de 1,5 a 20, em um sistema de eixos ortogonais com escala log x log. 3.2.2 Unidades instantânea (50) e temporizada (51) Geralmente os relés de sobrecorrente são compostos por duas unidades: instantânea e temporizada. Nos esquemas elétricos que representam equipamentos de proteção, estas recebem os números 50 e 51, respectivamente (Fig. 3.5). Neste caso, o relé tem as funções 50 e 51. Se o relé está ligado para proteção de fase, as suas unidades são conhecidas como 50 e 51 de fases . No caso de está realizando a proteção de neutro ou terra, fala-se em unidades 50 e 51 de neutro ou terra. A unidade 50, atua instantaneamente ou segundo um tempo previamente definido. Já a unidade 51, pode atuar com curvas de tempo dependente ou de tempodefinido.

SI I

m =

t(s)

Fig.3. 4 – Curvas características normalmente inversa (NI)

TMS=0,1

TMS=1,0

1,5 20

3-4

As unidades temporizadas ou de tempo dependente permitem dois tipos de ajustes: corrente mínima de atuação e curva de atuação. As unidades instantâneas trabalham com dois ajustes: corrente mínima de atuação e tempo de atuação (tempo previamente definido). Antigamente, estas unidades (eletromecânicas) não permitiam o controle de tempo, isto é, atuavam num temp o muito pequeno (da ordem de milisegundos), sem nenhum ajuste. Hoje, os relés digitais possibilitam ajustes de tempo de atuação destas unidades. 3.2.3 Esquema básico de ligação O esquema básico tradicional de proteção de um alimentador radial, trifásico e aterrado, na saída de subestação, utiliza três relés de fase e um de neutro ou terra, ligados através de três transformadores de corrente, comandando um disjuntor (52), conforme está mostrado na Fig.3.5.

Os relés de fase irão proporcionar proteção ao alimentador contra os curtos-circuitos que envolvam, principalmente, as fases (trifásico e bifásico). O relé de neutro ou terra dará proteção contra os curtos para a terra (fase-terra e bifásico-terra). A vantagem desse esquema é que, para qualquer tipo de curto-circuito, haverá, no mínimo, dois relés sendo percorrido pela corrente de curto. Atualmente, com o emprego de relés digitais, os quatro relés do esquema da Fig. 3.5 são substituídos por um único que realiza as funções 50 e 51 de fase e terra. Além disso, desempenham outras funções tais como: medição de corrente, registros de dados, de perturbações, etc. São conhecidos como relés de multifunções.

Para a carga

52

Relés de fases

13,8kV

SUBESTAÇÃO

Fig. 3.5 – Esquema básico da proteção de sobrecorrente da saída de um alimentador primário radial

69kV

50 51

50 51

50 51

Relé de Neutro

TCs

50 51

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