SISTEMAS DE ENERGIA

SUMRIO

INTRODUO......................................................................................................................... 3 1 CURTOS-CIRCUITOS .................................................................................................. 4

2 COMPONENTES SIMTRICAS ................................................................................... 8 3 DIAGRAMAS DE SEQUNCIA................................................................................... 12 4 CLCULOS DE CURTOS-CIRCUITOS...................................................................... 24 5 SISTEMAS DE PROTEO....................................................................................... 33 6 PROTEO DE REDES DE DISTRIBUIO ............................................................ 50 7 PROTEO DE TRANSFORMADORES ................................................................... 65 8 PROTEO DE SISTEMA DE TRANSMISSO DE ENERGIA ................................. 73 9 PROTEO DE BANCO DE CAPACITORES............................................................ 85 10 AJUSTES DE PROTEO - COORDENAO ......................................................... 86

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS....................................................................................... 90

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INTRODUO

A noo dos perigos de um curto-circuito est presente, desde os pequenos acidentes em aparelhos domsticos, at eventos de grande amplitude, como blackouts. A maioria dos acidentes, defeitos e falhas em sistemas eltricos ocorrem em sistemas com nveis de tenso de distribuio, em decorrncia dos mesmos serem em maior nmero. Com a entrada em vigor em 12/03/91 do Cdigo do Consumidor, aumentou-se a importncia dos sistemas de proteo. Artigo 22 - Os rgos pblicos, por si ou suas empresas, concessionrias, pressionarias ou sob qualquer outra forma de empreendimento, so obrigados a fornecer servios adequados, eficientes, SEGUROS e, quando aos essenciais, contnuos . Este trabalho tem como objetivo abordar os principais conceitos do funcionamento e seletividade da proteo assim como seus equipamentos de proteo adjacentes, visando o seu perfeito funcionamento nas diversas condies.

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PROTEO DE SISTEMAS DE POTNCIA

1 CURTOS-CIRCUITOS

O principal elemento de anlise do sistema eltrico o gerador sncrono, pois sua funo no sistema de manter os nveis de tenso dentro de uma da faixa adequada. Quando ocorre um curto-circuito no sistema, a impedncia vista pelo gerador cai violentamente, em conseqncia o gerador injeta no sistema uma corrente muito grande tentando manter os nveis de tenso, esta corrente caracterizada como sendo a corrente de curto-circuito. O gerador sncrono tem um limite de fornecimento de corrente de curto-circuito que varia ao longo do tempo de falta, devido s caractersticas da gerao e da mquina. Caso os curtos-circuitos no sejam eliminados RAPIDAMENTE, os danos nos equipamentos que integram o sistema podem ser elevados, portanto, as correntes de curto-circuito devem ser conhecidas em todo o sistema eltrico para todos os possveis defeitos.

Os tipos de curtos-circuitos possveis entre condutores so:

Trifsico: Envolvendo as trs fases do sistema;

No curto trifsico, evento de pequena probabilidade nas linhas e subestaes de alta tenso, o sistema permanece equilibrado, com envolvimento apenas da seqncia positiva, apresentando um diagrama seqencial mais simples. Como normalmente estas correntes so crticas para o dimensionamento de equipamentos, estes clculos so importantes.

Bifsico: Envolvendo duas fases do sistema;

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Monofsico-Terra: Envolvendo uma das fases do sistema e o neutro ou terra.

Em determinados casos a corrente do curto fase-terra pode exceder o valor da corrente de curto trifsico, sendo este um evento mais provvel de ocorrncia. Neste caso, a condio de curto desequilibra a rede, e o mtodo de clculo apresentado contorna esta situao com a aplicao das componentes simtricas, envolvendo nos diagramas tanto a seqncia positiva quanto a zero. No estudo do curto fase-terra desenvolvemos ainda os conceitos de tenses nas fases sem curto, denominadas de fases ss, que so muito importantes para a coordenao do isolamento e aplicao de pra-raios.

Bifsico-Terra: Envolvendo duas fases do sistema e o neutro ou terra;

Como a falta se entende por uma condio anormal de operao do sistema, as mesmas podem surgir devido a diversos tipos de problemas:

Problemas de isolao: Casos onde ocorre a ruptura para a terra ou entre as fases e pode aparecer em pontos aleatrios do sistema, podendo ser oriundos de problemas de fabricao, envelhecimento do prprio material ou erro de dimensionamento.

Problemas mecnicos: De ao mecnica oriunda de ao do vento, arvores, desgaste natural e outros.

Problemas eltricos: Intrnsecos da natureza, tais como descargas atmosfricas, sobretenses, surtos de manobra, etc...

Problemas de natureza trmica: Aquecimento dos cabos devido a sobrecarga, o qual diminui a vida til do condutor e prejudica a isolao.

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Problemas de manuteno: Inspees de rede inadequadas, peas de reposio inadequadas, pessoal no qualificado.

Problemas de outra natureza: Vandalismo, queimadas, desmoronamentos e inundaes.

1.1 Forma da Onda de Corrente Durante o Curto-Circuito.

O gerador sncrono o elemento ativo que supre dentro de sua limitao as energias solicitadas pelas cargas, mantendo os nveis de tenso dentro de uma faixa solicitada pelas cargas, de tal forma que no comprometa os elementos a jusante, garantindo a continuidade e a estabilidade do sistema. Quando da ocorrncia de um curto-circuito no sistema a impedncia vista pelo gerador cai violentamente, em conseqncia o gerador tentando garantir as condies de operao, injeta no sistema uma corrente elevada. No instante de um curto-circuito, a corrente limitada apenas pela resistncia quase desprezvel do gerador, podendo atingir valores da ordem de dez vezes a corrente de plena carga. Transcorridos poucos ciclos, a reatncia do gerador reduz a corrente do valor mximo para o seu valor em regime permanente de curto-circuito. Durante este perodo a impedncia classificada como: subtransitria (Xg ), transitria (Xg ) e sncrona (Xg), resultando nas correspondentes correntes. Os estudos de curto-circuito consideram as condies subtransitrias dos geradores, as quais so responsveis pelos maiores nveis de corrente encontrados.

t

xdI

c.c.

xd "I"

xd'I'

"

gE - tenso atrs de uma reatncia subtransitria

"

dX

'

gE - tenso atrs de uma reatncia transitria

'

dX

gE - tenso atrs de uma reatncia sncrona dX

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1.2 Correntes de Curto-Circuito Simtricas e Assimtricas

As correntes assimtricas so as verdadeiras correntes de curto-circuito. So compostas de uma corrente alternada simtrica e de uma componente contnua. A corrente assimtrica sempre inicia do valor zero, portanto a corrente inicial da componente continua tem o mesmo valor, mas sinal oposto ao da corrente alternada simtrica do instante da falta. Assim, genericamente, pode-se fazer a superposio indicada pela expresso:

contnuacomponentesimtricaaassimtric tititi _)()()(

1.2.1 Curto-Circuito Simtrico

Acontece quando a falta ocorre no ponto de tenso mxima, onde desta forma no existe a influencia da componente contnua no sistema, devido s caractersticas de gerao, conforme a figura a seguir:

1.2.2 Curto-Circuito Assimtrico

Acontece quando as faltas ocorrem em valores de tenso diferente da tenso mxima. A figura a seguir exemplifica uma falta que ocorre no instante de tenso igual a zero, resultando numa corrente completamente assimtrica.

1.3 Fator de Assimetria

Normalmente os valores de correntes de curto-circuito calculados so considerados simtricos eficazes. Pode-se calcular o valor eficaz da corrente assimtrica pelo uso direto

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do Fator de Assimetria (F.A.) que definido pela relao entre a corrente assimtrica e a corrente simtrica.

simtrica

aassimtric

II

AF ..

O valor de F.A. obtido em funo da relao X1/R1 do sistema, na qual pode ser obtido atravs do grfico apresentado a seguir:

2 COMPONENTES SIMTRICAS

Normalmente os curtos-circuitos em sistemas eltricos geram desbalanceamentos, os quais dificultam os clculos e as simulaes do defeito. Em 1895 iniciou a idia de criar uma ferramenta analtica que facilitasse estes clculos, desta forma foi idealizado a decomposio do campo magntico estacionrio pulsatrio, gerado pelo estator, em dois campos girando simultaneamente em direes opostas, devido ao fato de que um motor pode girar no sentido horrio ou anti-horrio dependendo do impulso de partida, que faz com que o motor se amarre a um dos dois campos rotativos. Mas s em 1915 que Leblanc imaginou decompor as correntes trifsicas em trs grupos que seriam produzidos por trs campos magnticos, da seguinte forma:

Um campo magntico girando na direo original do sistema.

Um campo magntico girando na direo oposta ao sistema original do sistema.

Um campo magntico esttico pulsante.

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Esta idia somente se tornou uma ferramenta analtica em 1915, devido a Fortescue, propondo a decomposio de qualquer sistema de n fases desequilibradas nas suas respectivas componentes equilibradas.

2.1 Teorema de Fortescue.

O teorema de Fortescue transforma um sistema trifsico de trs fasores desbalanceados em um sistema de trs fasores equilibrados, chamados de componentes simtricas.

Sistema Desequilibrado

Sistema Equilibrado.

21.

11

111

2

2

VaVaVao

aa

aa

VcVbVa

Sistema Equilibrado

Sistema Desequilibrado.

VcVbVa

aa

aa

VaVaVao

.

11

111.

31

21

2

2

Onde: 1201a e 12012a

OBS: O teorema de Fortescue valido para anlise de tenses e correntes.

Exemplo: Calcule os vetores de seqncia para o sistema desequilibrado a seguir.

oVa 30220

oVb 170220

oVc 330400

Soluo:

33040017022030220

.

11

111.

31

21

2

2

aa

aa

VaVaVao

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oVao 18,914,108330400.1170220.130220.1.31

oVa 1055,102330400.1201170220.120130220.1.311

oVa 9,638,251330400.1201170220.120130220.1.312

oVao 18,914,108

oVa 1055,1021

oVa 9,638,2512

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Diagrama de Seqncias (Ser abordado a seguir):

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3 DIAGRAMAS DE SEQUNCIA

Da mesma forma que podemos analisar um sistema trifsico como sendo um sistema monofsico equilibrado e defasado de 120o, para a anlise de seqncia devemos utilizar o diagrama de impedncia especfico de cada componente.

3.1 Gerador

As fontes de tenso no clculo do curto-circuito baseiam-se em modelos de geradores e motores, compostos por uma tenso interna e uma reatncia.

Nestes modelos est implcita a idia de uma reatncia subtransitria em eixo direto, obtida segundo as equaes de Park. As possveis condies de carregamento em uma rede eltrica, e fluxos nos enrolamentos, so representadas atravs de alteraes nesta tenso interna. Comentamos ainda que os motores de induo podem apresentar contribuies para a corrente de curto, principalmente nos sistemas de pequeno porte.

A principal componente do sistema o GERADOR, o qual pode ser considerado como o equivalente de um sistema, o equivalente da gerao ou a prpria gerao do sistema. Para a rede em vazio, a tenso usual assume o valor de 1,0 pu. Ao considerarmos as condies de carregamento em uma rede eltrica, necessitamos ajustar as tenses internas, segundo o modelo de gerador ou motor utilizado. Este modelo, proposto para as mquinas segundo as equaes da Park em eixo direto e em eixo em quadratura, estabelece que sob curto circuito, uma razovel representao para o estudo do regime permanente admitir uma fora eletromotriz fixa, atrs de uma reatncia, resultando nas correntes subtransitrias, transitrias e em regime permanente. Este modelo de reatncia varivel explicaria estes diferentes nveis de corrente para uma tenso interna constante.

O circuito equivalente de um gerador trifsico consiste em uma tenso gerada (fem - fora eletromotriz) em srie com uma impedncia interna (Zg).

O mesmo gerador pode ser representado por uma nica fonte de tenso e uma impedncia de fase para cada uma das seqncias.

A reatncia sub-transitria (Xg ) do Gerador Sncrono determinada atravs do valor inicial da corrente eficaz na envoltria da corrente de curto-circuito em funo do valor da tenso eficaz fase a neutro dos terminais do gerador antes do curto-circuito.

''

''

IV

Xg g

XEg ~

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3.1.1 Modelo de Seqncia Positiva do Gerador

jXd - Reatncia Sub-transitria

Ea - Tenso de FASE no terminal do gerador

Ia+ - Corrente de Seqncia Positiva

Fase a

3.1.2 Modelo de Seqncia Negativa do Gerador

Todo defeito que gera desbalanceamentos de fase no sistema gera uma componente de seqncia negativa nas correntes e tenses no sistema. O perodo sub-transitrio praticamente no existe em seqncia negativa, portanto a reatncia do gerador sncrono conhecida por reatncia de seqncia negativa (Xg-).

Va Tenso de fase (*); Ia Corrente de fase (*). jXd Reatncia de Seqncia Negativa

Ia- Corrente de Seqncia Negativa

Xg- - Reatncia de seqncia negativa por fase;

* Valores de ensaio de falta

3.1.3 Modelo de Seqncia Zero do Gerador

X0 - Reatncia de seqncia zero;

E Tenso de fase (*); Io Corrente de fase (*).

3.1.4 Modelo de Seqncia Zero do Gerador Aterrado por Resistncia

Normalmente os geradores so aterrados atravs de impedncia, com a finalidade de reduzir o nvel de curto-circuito fase-terra nos terminais do gerador.

)'.'.( aaa IXjEV

)..( aa IXgjV

00 IEX

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3.2 Transformadores O transformador opera segundo o princpio da induo mtua entre duas (ou mais)

bobinas ou circuitos indutivamente acoplados. O circuito primrio, V1, recebe a energia da fonte e transfere para o circuito secundrio. Dependendo do grau de acoplamento magntico entre os dois circuitos, quase toda a energia recebida da fonte, pelo primrio, transferida por ao transformadora ao secundrio. Neste caso, as duas bobinas ou circuitos esto fortemente acoplados, que o caso do transformador a ncleo comum de ferro.

Normalmente a modelagem tradicional dos transformadores representada por 6 componentes, os quais representam as caractersticas dos enrolamentos e as perdas associadas.

R1 e R2 Resistncias eltricas dos enrolamentos primrios e secundrios;

X1 e X2 Reatncias equivalentes, as quais representam os fluxos dispersos nas bobinas.

Xm

Reatncia equivalente de magnetizao, a qual representa o fluxo resultante no ncleo do transformador, necessrio a operao normal;

Rf

A resistncia eltrica equivalente que representa as perdas no ncleo do transformador (Histerese).

Como durante o curto-circuito a corrente direta que circula pelo transformador muito maior do que pela derivao, e neste caso as perdas podem ser desprezadas, podemos definir o e equivalente do transformador como sendo:

000 )..3.( aa IZnXjV

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De acordo com as normas tcnicas, os fabricantes de transformadores devem especificar os seguintes valores, que so conhecidos como valores nominais , dados de placa ou valores de plena carga do transformador:

- Potncia aparente nominal do transformador;

- Tenso nominal do enrolamento de alta tenso;

- Tenso nominal do enrolamento de baixa tenso;

3.2.1 Impedncia Equivalente ou de Curto-Circuito.

Como o prprio nome diz a impedncia equivalente ou mais conhecida como a impedncia de curto-circuito obtida atravs ensaios no destrutivos e pode ser expressa em porcentagem ou em por unidade (p.u.)

Destacamos que para transformadores trifsicos, as tenses nominais so sempre de linha, a potncia nominal sempre a total do trifsico e a impedncia equivalente a de fase.

Tanto o primrio como o secundrio de um transformador de dois enrolamentos possuem a mesma potncia nominal, porm os enrolamentos de um transformador de trs enrolamentos pode apresentar potncias nominais diferentes. A impedncia de cada enrolamento de um transformador desse tipo pode ser expressa em valor percentual ou por unidade, tomando por base os valores nominais de seus prprios enrolamentos, ou podem ser realizados testes para determinar as impedncias.

As trs impedncias podem ser medidas pelo teste padro de curto-circuito, como segue:

Zps = impedncia medida no primrio com o secundrio curto-circuitado e o tercirio aberto.

Zpt = impedncia medida no primrio com o tercirio curto-circuitado e o secundrio aberto.

Zst = impedncia medida no secundrio com o tercirio curto-circuitado e o primrio aberto.

Se as trs impedncias medidas em ohms forem referidas tenso de um dos enrolamentos, as impedncias de cada enrolamento em separado, referidas a esse mesmo enrolamento, estaro relacionadas da seguinte maneira:

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spps ZZZ

tppt ZZZ

tsst ZZZ

onde, Zp, Zs e Zt so as impedncias dos enrolamentos primrio, secundrio e tercirio, referidas ao circuito primrio, se Zps, Zpt e Zst forem as impedncias medidas e referidas ao circuito primrio. Resolvendo as equaes acima, temos:

)(21

stptpsp ZZZZ

)(21

ptstpss ZZZZ

)(21

psstptt ZZZZ

3.2.2 Ensaios de Seqncia em Transformadores A obteno das impedncias dos transformadores obtida atravs de ensaios de

curto-circuito no destrutivos, na qual a impedncia de seqncia positiva e negativa do transformador por fase a impedncia de curto-circuito.

Seqncia Positiva e Negativa

O ensaio de seqncia positiva e negativa realizado curto-circuitando o enrolamento primrio e energizando gradualmente o enrolamento secundrio at que surja a corrente nominal no enrolamento primrio, desta forma:

n

imAplicado

IV

ZZ.3

Pr Impedncia por fase.

Seqncia Zero

J para a obteno da impedncia de seqncia zero, as trs fases do enrolamento secundrio so aterrados, aplicada uma tenso no primrio e medido a corrente resultante da soma das trs fases no seu secundrio, desta forma obtemos:

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opIEZ0 , onde Iop a corrente por fase do primrio.

Porm, comportamento do transformador em relao as componentes de seqncia depende diretamente do tipo de transformador e a ligao (conexo) do mesmo. Transformador em Y-Y Aterrado

Transformador em Y-Y Isolado

Transformador em Y-D Aterrado

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Transformador em Y-D Isolado

Transformador em D-D

3.2.3 Tipos Construtivos de Transformadores Transformador de Ncleo Envolvido Transformador de Ncleo Envolvente

A forma construtiva do transformador influencia na impedncia de sequncia zero devido a forma como disperso o fluxo magntico.

No transformador de ncleo envolvente, onde cada bobina opera independente, durante um curto-circuito, as correntes de sequncia zero, tero um caminho fechado pelo entreferro, neste caso todo o fluxo de sequncia zero fica confinado dentro do ncleo magntico, em um circuito magntico de baixa relutncia.

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J para o transformador de ncleo envolvido, no existe um caminho de retorno por dentro do ncleo magntico, devido aos fluxos magnticos de cada brao estarem em fase, desta forma os fluxos so forados a circular atravs do leo,ar e ferragens.

3.2.4 Transformadores de Dois Enrolamentos Envolvente

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3.2.5 Transformadores de Dois Enrolamentos - Envolvido

3.2.6 Transformadores de Trs Enrolamentos Envolvente

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3.2.7 Transformadores de Trs Enrolamentos Envolvido

3.3 Linha de Transmisso

A modelagem da seqncia positiva para as linhas de transmisso ser dividida em trs partes, linhas curtas, linhas mdias e linhas longas, devido capacitncia associada, sendo considerado a tenso de operao e a extenso da linha, conforme a tabela abaixo:

Tipo Tenso da Linha Comprimento

V < 150kV 80km

150kV V < 400kV 40km CURTA

V 400kV 20km

V < 150kV 80km L < 200km

150kV V < 400kV 40km L < 200km MDIA

V 400kV 20km L < 100km

LONGA Restante dos casos

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3.3.1 Modelagem de Linhas Curtas:

Modelo Srie.

R Resistncia da Linha

JX Reatncia da Linha

3.3.2 Modelagem de Linhas Mdias:

Modelo T ou P (pi).

Y - Admitncia Total da linha

3.3.3 Modelagem de Linhas Longas:

Modelo T ou P (pi) corrigido.

L Comprimento da linha;

d - Constante de propagao;

y Admitncia Shunt por unidade de comprimento;

z Impedncia Srie por unidade de comprimento.

LLZcorrigidoZ

.

).senh(.

2.

2.

tanh.

L

L

YcorrigidoY

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3.3.4 Modelo de Seqncia Negativa

A impedncia de Seqncia Positiva e Negativa de uma linha de transmisso a mesma, pois tratasse de um elemento esttico.

3.3.5 Modelo de Seqncia Zero

J o modelo de seqncia Zero, depende da forma construtiva da linha, tipo de cabo de cobertura, distncia entre fases, tipo de solo, distncia entre a linha e o solo, tipo de condutor entre outros. Esta impedncia pode variar entre 2 6 vezes o valor da impedncia de seqncia Zero.

3.4 Motores

Devido inrcia do rotor e da carga associada ao magnetismo remanescente do ncleo, os motores de induo, durante a falta, passam a funcionar como geradores, ainda que com curta durao, contribuem para a intensidade da corrente no ponto de defeito, desta forma pode ser modelado da mesma forma.

3.5 Cargas

Para o estudo das condies pr-falta, como por exemplo o estudo do fluxo de potncia na rede, adotamos alguns modelos de carga, como os modelos com impedncia constantes, corrente constante ou potncia constante. Na fase de clculo da corrente de curto circuito, em geral adotamos o modelo de impedncia constante.

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4 CLCULOS DE CURTOS-CIRCUITOS

O sistema mais simples e barato de transmitir e distribuir energia eltrica sem duvida o sistema radial. Neste sistema a energia flui num s sentido, isto , da fonte para o consumidor. O sistema mais sofisticado o anel, cuja caracterstica suprir o consumidor com mais de uma alternativa, de modo a manter a continuidade dos servios. Os curtos-circuitos no sistema em anel e radial so calculados pelas tcnicas de componentes simtricas. O sistema radial apresenta caractersticas especificas, apresentando expresses prprias, vlidas somente para este sistema, tais como:

Curto-Circuito Trifsico: bcc IZEI .

13

Curto-Circuito Bifsico: bcc IZEI ..

23

12

Curto-Circuito Fase-terra: bo

tcc IZZZEI .)(.3

211

Curto-Circuito Bifsico-terra: btcc I

ZZZZZ

EI .

( 02021

2

Considerando uma Impedncia de aterramento:

bfo

tmcc IZZZZEI .).3(.3

211

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3XZ f O valor de X depende de cada concessionria (Valor em ).

Como normalmente os sistemas estudados apresentam diferentes nveis de tenso, para agilizarmos os clculos adotamos o sistema por unidade, mais conhecido como p.u, onde correspondem simplesmente a uma mudana de escala das principais grandezas eltricas (tenso, corrente, potncia e impedncia).

b

bb S

VZ

2

b

bb V

SI

.3

b

bb I

SV

.3

bv

bn

n

bvvn S

SVVZZ ..

2

Para calcular o curto circuito em um ponto qualquer (ponto P), reduzimos o sistema ao seu equivalente de Thvenin, obtendo-se ento a corrente de curto, tambm denominada de corrente de falta.

Eth ~

PZthIf

Embora geralmente desprezemos as condies operativas da rede, tambm denominadas de condies pr-falta, sob o ponto de vista conceitual importante consider-las, o que ser feito aplicando o princpio da superposio. Normalmente, em sistemas de grande porte o efeito das condies pr-falta no muito significativo, porm, em sistemas com baixas potncias de curto-circuito, sua incluso no clculo pode ser importante.

4.1 Clculos do curto circuito

Curto circuito em uma rede eltrica considerando as condies pr-falta.

E1 ~ E2~

P

I

Z1 Z2

I

A rede composta por dois sistemas equivalentes interligados no ponto P.

Na condio pr-falta temos uma corrente:

Onde:

oEE 111

oEE 222

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21

21ZZEEI

Em um determinado ponto P, em regime permanente, temos a tenso:

121

21111 ZZZ

EEEIZEE

221

221 EZZ

ZEEE

21

12112111ZZ

ZEZEZEZEE

21

1221ZZ

ZEZEE

Supondo um curto circuito no ponto P, com tenso operativa E, temos:

E1 ~ E2~

P

I1

Z1 Z2

I2If

21f III

1

11 Z

EI

2

2

1

1f Z

EZEI

2

22 Z

EI

Utilizando o teorema de Thvenin, a corrente de curto I, tambm pode ser obtida por:

th

thf Z

EI

onde:

EE th

21th Z//ZZ

(impedncia de Thvenin vista do ponto P)

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Eth ~

PZthIf

2

2

1

1

21

21

21

1221f Z

EZE

ZZZZ

ZZZEZEI

4.2 Princpio da superposio

A resoluo desta rede pode ser feita utilizando-se o princpio da superposio:

th

thf Z

EI

Rede pr-falta (regime permanente, condio operativa)

E1 ~ E2~

E

I

Z1 Z2

I

Rede s com a corrente de curto

If

If2If1

E1 ~ E2~

f21

2f IZZ

ZI1

f21

1f IZZ

ZI2

21

2

211

21

21

2

2

2

1

1f ZZ

EZZZ

ZEZZ

ZZE

ZEI

1

SISTEMAS DE ENERGIA

21

2

21

21ZZ

ZZ.ZZE

211

1221f ZZZ

ZEZEI1

212

1221

21

1

2

2

1

1f ZZZ

ZEZEZZ

ZZE

ZEI

2

Tenso no ponto P:

th21

1221

21

21

2

2

1

1 EZZ

ZEZEZZ

ZZZE

ZEE

Com a superposio:

1f1 III

III2f2

E1 ~ E2~If

If2If1

II

Vejamos o clculo de I1:

1

1

211

12211211

211

1221

21

211 Z

EZZZ

ZEZEZEZEZZZ

ZEZEZZEEI

Analogamente, temos: 22

2 ZEI

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No caso desta rede simples, vimos que equivalente calcularmos o curto por ambos caminhos, no entanto, em redes mais complexas, envolvendo clculos matriciais, mais conveniente seguirmos o mtodo b, pois mais fcil obter o equivalente de Thvenin na barra de curto, sendo a tenso de Thvenin obtida de um programa de fluxo de potncia.

4.3 Exerccios de Curto-circuito:

Para os exemplos 1, 2 e 3 ser considerado:

Equivalente do sistema (Fornecido pela Concessionria, ONS ou Distribuidora). Seqncia Positiva: 10+j24 [ ];

Seqncia Negativa: 10+j24 [ ];

Seqncia Zero: 18+j94 [ ]; Considerar como potncia base 100MVA 23kV

Transformador: Linha:

Tenso: 23/0,480kV Z+=0,1902+j0,3871 [ /km]

Potncia: 10MVA Zo=0,3679+j1,8503 [ /km] Z+=10% L=1,0 [km] Zo=8%

4.3.1 Exerccio 1 Transformador Estrela Aterrado na AT e BT:

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4.3.2 Exerccio 2 Transformador em Delta na AT e Estrela Aterrada na BT:

4.3.3 Exerccio 3 Transformador Estrela Aterrado na AT e Delta na BT:

4.3.4 Exerccio 4 Fontes mltiplas:

4.3.5 Exerccio 5 Transformador Estrela, Delta, Estrela aterrada na AT e BT: Equivalente do sistema (Fornecido pela Concessionria, ONS ou Distribuidora). Seqncia Positiva: 10+j24 [ ];

Seqncia Negativa: 10+j24 [ ];

Seqncia Zero: 18+j94 [ ]; Considerar como potncia base 100MVA 23kV

Transformador:

Tenso: 23/0,480/1kV

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Potncia: 10MVA

Zps =j1,8pu Zpt =j2,7pu Zst =j1,2pu J na potncia base de 100MVA 23kV Zpso=j1,9pu Zpto=j2,6pu Zsto=j1,0pu

SISTEMAS DE ENERGIA

4.3.6 Exerccio 5 Sistema Industrial:

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5 SISTEMAS DE PROTEO

Atualmente, com o aumento da demanda e a grande preocupao com a qualidade e confiabilidade no fornecimento de energia eltrica, as concessionrias vm adotando sistemas de proteo cada vez mais complexos e de maior sensibilidade.

Entre os dispositivos de proteo mais utilizados esto os rels, que possuem como principais caractersticas, sensibilidade, seletividade, velocidade e confiabilidade, qualidades indispensveis para que, no se conseguindo proteger totalmente, ao menos sejam minimizados os danos causados aos equipamentos e interrupes no fornecimento de energia.

A proteo dos Sistemas Eltricos de Potncia feita por esquemas de proteo que, por sua vez, so basicamente comandados por rels. A funo primordial desses rels identificar os defeitos, localiz-los da maneira mais exata possvel e alertar a quem opera o sistema, efetuando o disparo de alarmes, sinalizaes e comandando a abertura de disjuntores de modo a tentar isolar o defeito, mantendo o restante do sistema em operao normal, sem que os efeitos desse defeito prejudiquem sua normalidade. Portanto, so os rels os elementos mais importantes do sistema de proteo. Eles so sensores que vigiam as condies de operao do Sistema Eltrico. Havendo alguma anomalia, por exemplo, um curto-circuito, a corrente de curto-circuito sensibiliza o rel e este opera enviando um sinal para a abertura do disjuntor. Com a abertura, o trecho defeituoso desconectando do sistema. Neste caso o sistema continua a operar com a mesma configurao anterior, apenas sem o trecho defeituoso.

O estudo e a prtica de Proteo por Rels no constituem uma cincia exata. Muito de arte e bom senso estaro sempre associados tcnica empregada. Assim, a experincia assume um aspecto significativo para qualquer profissional que trate do assunto.

Entende-se como coordenao de rels e sistemas de proteo, o estudo e aplicao de ajustes e esquemas no sentido de se garantir os requisitos bsicos de seletividade e velocidade, e garantir tambm que haja sempre uma segunda ou terceira proteo que detecte a mesma anormalidade como retaguarda (dependabilidade do sistema de proteo) sem, no entanto, comprometer a seletividade.

5.1 Filosofia da Proteo. a tcnica de selecionar, coordenar e aplicar vrios equipamentos e dispositivos

protetores a um sistema eltrico, de forma a guardar entre si uma determinada relao, tal que uma anormalidade no sistema possa ser isolada e removida, sem que as outras partes do mesmo sejam afetadas.

Devido a complexidade e natureza do problema, proteo tambm conhecida por alguns autores como "A ARTE" de proteger.

5.2 Benefcios da Proteo Um sistema de proteo devidamente projetado e ajustado apresenta inmeras vantagens, as quais enumeramos a seguir:

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Menores danos aos materiais (condutores) e equipamentos (transformadores);

Menores custos de manuteno (combustvel, transporte, mo-de-obra e etc);

Reduo do nmero de desligamentos;

Maior segurana;

Melhoria da imagem da empresa junto aos consumidores;

Reduo no tempo das interrupes;

Aumento do faturamento;

Facilidade na busca e pesquisa de defeito;

Menor queima de elos fusveis em cascata;

Facilidade de manobra.

5.3 Definies A seguir as principais definies utilizadas em sistemas de proteo, seguidas de uma breve descrio.

Sistema de proteo Sistema ao qual esto associados todos os equipamentos necessrios para detectar,

localizar, iniciar e completar a eliminao de uma falta ou de uma condio anormal de operao de um sistema eltrico.

Equipamento de proteo. Qualquer um dos componentes necessrios ao desempenho da funo completa de

um sistema de proteo.

Estabilidade de um sistema de proteo Qualidade pela qual um sistema de proteo permanece inoperante sob quaisquer

condies, a no ser aquela para a qual foi especialmente destinado a operar.

Limite de estabilidade de proteo Valor(es) limite(s) de qualquer grandeza eltrica de alimentao ou de influncia,

para o(s) qual(is) um sistema de proteo inoperante em todas as condies, exceto naquelas para as quais foi especialmente concebido.

Ligao residual Ligao dos enrolamentos secundrios de um transformador de instrumentos para se

obter a soma fasorial de todas as correntes de fase ou de todas as tenses fase-terra em um sistema trifsico.

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Sensibilidade Valor(es) mnimo(s) da(s) grandeza(s) de alimentao necessria(s) para provocar a

operao de um rel em condies especificadas.

Subalcance Condio de um esquema de proteo que consiste em detectar falta em apenas

parte do trecho de linha ou de um equipamento.

Sobrealcance Condio de um esquema de proteo que consiste em detectar faltas alm do

trecho de linha ou de um equipamento.

Sobrecurso Fenmeno que consiste em um rel de proteo continuar respondendo, por inrcia,

a ao da grandeza de alimentao de entrada, mesmo aps esta ter desaparecido.

Proteo principal Sistema ou parte de um sistema de proteo do qual se espera a iniciativa de operar

em resposta a uma condio de falta, eliminando-a dentro de sua zona protegida.

Proteo de retaguarda Sistema ou parte de um sistema de proteo destinado a operar como substituto da

proteo principal, quando de uma falha desta, ou de sua incapacidade de operar.

Proteo de retaguarda local Proteo de retaguarda destinada deteco e eliminao da falta no prprio local.

Proteo de Retaguarda remota Proteo de retaguarda destinada deteco e eliminao da falta em linhas ou

barras adjacentes ou subestaes remotas.

Proteo percentual Proteo em que existe uma relao percentual entre as grandezas de operao e

restrio, independendo do valor absoluto das mesmas.

Esquema de transferncia de desligamento direto e religamento direto

Esquema no qual um sinal enviado para provocar a abertura direta de um disjuntor numa extremidade remota, no sendo necessria qualquer operao dos rels de proteo dessa extremidade remota.

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Esquema de transferncia de desligamento por extenso de zona Esquema no qual a deteco de uma falta pela primeira zona de proteo de

distncia de qualquer extremidade desse trecho de linha protegido provoca a emisso de um sinal (s) extremidade(s) adjacentes(s), cuja recepo estende instantnea ou temporizadamente o alcance da primeira zona das protees de distncia dessa(s) extremidades(s) para um alcance alm do trecho protegido.

Esquema de transferncia de desligamento por acelerao de zona Esquema no qual a deteco de uma falta pela primeira zona de uma proteo de

distncia de qualquer extremidade desse trecho protegido, provoca a emisso de um sinal (s) extremidade(s) adjacente(s), cuja recepo elimina a temporizao de qualquer zona de medio das protees de distncia dessa(s) extremidade(s).

Esquema de transferncia de desligamento por Sobrealcance permissivo. Esquema no qual, quando da deteco de uma falta, um rel ajustado para detectar

faltas dentro e alm do trecho protegido, envia um sinal s outras extremidades, cuja recepo provoca a abertura do disjuntor de cada extremidade condicionado ao do rel com caracterstica direcional que detectar faltas dentro e alm do trecho protegido.

Esquemas de bloqueio Esquema no qual a deteco de uma corrente de falta para fora de qualquer

extremidade da seo protegida acarreta a emisso de um sinal que bloqueia a abertura em todas as outras extremidades.

Esquema de desbloqueio com sinal de desligamento Esquema no qual um sinal permanente de bloqueio emitido de cada extremidade

do trecho protegido, sendo que esse sinal deixa de ser emitido e um segundo sinal de desligamento emitido quando da deteco, por uma das extremidades de uma corrente de falta para dentro desse trecho.

Esquema pr comparao direcional Esquema de proteo no qual so comparados os sentidos da corrente em cada

extremidade do trecho protegido.

Esquema pr comparao de fase Esquema de proteo no qual as grandezas comparadas so os ngulos de fase

entre as correntes e/ou tenses nas extremidades do trecho protegido.

Esquema diferencial por fio piloto Esquema de proteo diferencial no qual a corrente diferencial igual a soma

algbrica das correntes que fluem para o trecho protegido, atravs do fio piloto.

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Esquema de proteo contra falha de disjuntor Esquema de proteo concebido para abrir o disjuntor de retaguarda para eliminar

uma falta, se a disjuntor previsto para eliminar seletivamente essa falta deixar de abrir.

Corrente de PICK-UP Mnima corrente necessria para a partida do rel.

5.4 Rels

A evoluo da tecnologia de proteo esta dividida em trs diferentes tipos de rels, usando configuraes e funcionamento distintos, que podem ser classificados quanto ao aspecto construtivo em:

Rels Eletromecnicos: Os primeiros rels de proteo construdos e existentes em diversos sistemas at os dias de hoje. Rels Estticos (Transistores): Surgiram em meados de 1965. Os primeiros rels apresentaram diversos tipos de problemas operacionais.

Rels Digitais (Microprocessador): Surgiram em meados de 1982 e como plano de fundo surgiu a complexidade do sistema de proteo.

A tecnologia de construo dos rels evolui, mas a filosofia da proteo sempre a mesma, ou seja, o objetivo do rel proteger o sistema com garantia de:

Sensibilidade

Seletividade

Velocidade

Confiabilidade

Estabilidade

Operacionalidade

Mantenabilidade a caracterstica da proteo de permitir a manuteno rpida e precisa, reduzindo-se ao mnimo o tempo fora de servio e os custos de manuteno.

5.4.1 Rels Eletromecnicos

Os rels eletromecnicos so os rels tradicionais. Eles so projetados e construdos com predominncia dos movimentos mecnicos provenientes dos acoplamentos eltricos e magnticos. Os movimentos mecnicos acionam o rel, fechando os contatos correspondentes. Em relao ao princpio bsico de funcionamento, o rel eletro-mecnico atua fundamentalmente de dois modos:

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Atrao eletromagntica

Induo eletromagntica

Rels de Atrao Eletromagntica:

So os rels mais simples e seu princpio de funcionamento idntico ao do eletrom. Neste caso, sempre um mbolo ou uma alavanca ser movimentado. Estes rels se dividem em duas categorias:

Rels de mbolo: so os rels que quando energizados, a corrente eltrica que passa na sua bobina de magnetizao produz um campo magntico, que atrai (desloca) um mbolo. Um contato eltrico conhecido como contato NA (normalmente aberto) solidrio ao mbolo, fecha os contatos ativando o circuito de disparo do disjuntor. Rels de alavanca: rels de alavanca, brao ou charneira atrada, um rel que tem mais

sensibilidade do que o rel de mbolo. Neste rel a alavanca articulada. O seu contato mvel responsvel pela ativao do desencadeamento da operao de abertura do disjuntor.

Os rels operam quando a corrente no secundrio do TC for maior que uma corrente de ajuste do rel, isto , quando a corrente no secundrio do TC tiver um certo valor, esta corrente produzir na bobina de magnetizao do rel, um campo magntico suficiente para acionar o mbolo ou alavanca, causando a operao do rel. Portanto, a operao do rel feita pelo valor do campo magntico que colocaria o rel no incio da operao, ou seja, a fora magntica exatamente igual fora mecnica de reteno, a qual chamada universalmente de Limiar de Operao do Rel. Assim, o limiar de operao do rel o estado em que a fora resultante que atua na parte mvel nula. Neste momento os mecanismos dos rels esto soltos, isto , flutuando, mas sem se mover. Portanto, se a corrente de operao do sistema eltrico for levemente maior que a corrente de ajuste, isto , a do limiar de operao, a alavanca teoricamente deveria se mover.

Na prtica, isto pode no ocorrer devido influncia dos elementos intrnsecos da prpria natureza que so:

Atrito nos mancais dos eixos, que do rotao ao brao da alavanca, ou atrito do mbolo do rel.

Elasticidade no repetitiva e no perfeita da mola de reteno.

Efeito da temperatura, que produz dilatao diferenciada nas diversas peas e mecanismos do rel.

Presso atmosfrica, que muda a densidade do ar que envolve o rel.

Umidade do ar, provocando maior acelerao na corroso dos metais usados no rel.

Corroso nos elementos metlicos do rel.

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Rels de Induo Eletromagntica

Rel de induo eletromagntica ou rel motorizado funciona utilizando o mesmo princpio de um motor eltrico, onde um rotor (tambor ou disco) gira. O giro do rotor produz o fechamento do contato NA do rel, que ativa o circuito ou mecanismos que provocam abertura do disjuntor.

H dois tipos bsicos de rels de induo: o tipo com retardo usando um disco de alumnio como rotor e o de alta velocidade (instantneo), usando um rotor com a forma de um copo cilndrico. O tipo de disco recebe o torque motor da bobina ou bobinas de operao do rel e o torque de reteno do conjunto mola e im de freio, enquanto os do tipo de alta velocidade possuem apenas bobina de operao e mola de reteno.

O im de freio produz torque de reteno quando o disco acionado pela bobina de operao. O torque provido pelo im uma funo da velocidade do disco que, por sua vez, funo do torque da bobina de operao. As foras resultantes destas duas unidades do ao rel tipo induo uma caracterstica de tempo inverso que o resultado do torque de reteno combinado provido pelo im, o torque motor produzido pela bobina de operao, e a saturao na bobina de operao.

Princpio de Funcionamento:

Dois fluxos adjacentes cortam o rotor, induzindo cada um uma corrente no rotor. As duas correntes interagem na tentativa de criar um fluxo igual e oposto ao fluxo que lhes deu origem, devido a isto aparece uma fora entre o rotor e a estrutura com os plos estacionrios. O torque proporcional aos dois fluxos 1 e 2 e ao seno do ngulo entre eles; o ngulo determinado pelo projeto da estrutura polar (bobina de sombreamento) e a fora sobre o rotor proporcional ao quadrado do fluxo total produzido pela bobina de operao.

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Se a corrente da bobina for senoidal,

1= 1. sen (wt) (1)

2= 2.cos (wt+ ) (2)

Onde

o fluxo mximo produzido,

a defasagem provocada pela bobina de sombreamento e w a freqncia de corrente aplicada em radianos por segundo.

Devido indutncia desprezvel no rotor, as correntes induzidas i 1 e i 2 estaro praticamente em fase com as tenses e 1 e e 2 induzidas no rotor e as foras F1 e F2 so opostas e iguais quando 1 e 2 so iguais e em fase, sendo resultante uma fora F a qual move o rotor.

F= w2. 1. 2. [sen (wt+ ). cos wt sen wt. cos (wt+ )] (3) Simplificando;

F=w2. 1. 2. Sen

(4)

De acordo com as colocaes anteriores pode-se obter algumas concluses, primeiro como a fora da equao (4) no funo do tempo, conclui-se que a fora sobre o disco constante, embora a grandeza de entrada aplicada ao rel seja senoidal. Segundo, a fora proporcional ao seno de ngulo entre os dois fluxos. Observa-se tambm que a fora proporcional ao quadrado da freqncia.

O tempo de retorno do rel com disco de induo bem alto, pois, aps a operao e tendo desaparecido o torque de operao, s o contratorque da mola disponvel para girar o disco de volta para o batente, opondo-se a este movimento do im. O tempo de retorno requerido pode variar entre 1 e 2 minutos se o dial de tempo estiver no ajuste mximo.

5.4.2 Rels Estticos

Rels estticos so rels construdos com dispositivos eletrnicos, especficos aos objetivos da proteo. Nestes rels, no h nenhum dispositivo mecnico em movimento, todos os comandos e operaes so feitos eletronicamente.

Atravs da utilizao de diodos, tiristores, associao de resistores e capacitores, construram-se dispositivos que propiciam maior rapidez e preciso nos rels de proteo, menor carga ligada aos TC s TP s, alm de uma maior facilidade de manuteno pela eliminao de muitas partes mveis com tecnologia eletromecnica.

A partir da segunda metade dos anos 60 e com nfase nos anos 70, iniciou-se a macia utilizao de tecnologia eletrnica com componentes semicondutores, inclusive com circuitos integrados, a chamada tecnologia esttica, na confeco de rels de proteo.

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Os dispositivos eletromecnicos, nessas protees, se restringiram a partes muito especficas como os contatores de sada, onde o chaveamento de circuitos exigia algo mais robusto. E mesmo assim, no na totalidade dos casos.

Todas as funes de proteo, das mais simples s composies mais complexas foram concebidas e fabricadas com a tecnologia esttica, com macia utilizao de circuitos integrados, acopladores, conversores, fontes DC/DC e filtros. Vrias geraes de rels estticos, cada gerao incorporando novas tecnologias, se sucederam desde o fim dos anos 60 at os anos 80.

Rels chamados rels analgicos so aqueles nos quais as quantidades AC medidas (dos TP s e TC s) so manipuladas na forma analgica e subseqentemente convertidas em ondas quadradas de tenso (binrio). Circuitos lgicos e amplificadores operacionais comparam amplitudes e ngulos de fase das ondas quadradas ou sinais retificados, para tomar decises. So tpicos da tecnologia esttica.

Neste tipo de rel existe um circuito eletrnico (hardware) dedicado. Qualquer regulagem efetuada pela mudana fsica do parmetro de algum componente, tal como:

Variao no reostato.

Variao na capacitncia.

Mudana do lao no circuito.

A maioria dos rels estticos agem sobre um rel auxiliar que ao fechar o seu contato provoca a abertura ou ativa a abertura do disjuntor.

O termo esttico foi originado em confronto aos rels eletromecnicos, j que o rel esttico caracterizado essencialmente pela ausncia de movimentos mecnicos.

Um rel esttico usa tecnologia de semicondutores para executar suas funes de proteo, desta forma no possui movimento mecnico. Tambm pode usar elementos magnticos ou pticos.

Os primeiros rels estticos colocados a operar no sistema eltrico causaram muitos problemas, produzindo operaes indevidas, sendo na poca, em grande maioria, novamente substitudos pelos antigos, mas confiveis, rels eletromecnicos. Estes problemas ocorreram principalmente porque os rels estticos, sendo eletrnicos, ficaram com sensibilidade muito apurada, e qualquer transitrio ou pequeno harmnicos comum ao sistema eltrico de potncia, j era suficiente para a sua operao. Aps, com a adequada colocao de filtros, estes problemas foram em parte contornados.

Hoje, o avano rpido da tecnologia fsica da eletrnica, possibilitou a utilizao de rels digitais microprocessados. Devido a este fato reduziu precocemente a era dos rels estticos. Mesmo assim, no setor de energia eltrica, ainda hoje, temos mais de 50% de rels eletromecnicos.

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5.4.3 Rels Digitais

A filosofia da proteo da distribuio muda com o passar do tempo e difere de uma concessionria para outra; algumas vezes, de uma rea para outra dentro da mesma concessionria.

A vantagem dos rels digitais a mesma de um microcomputador, ou seja, no h necessidade de variao fsica nos parmetros dos elementos do circuito (hardware), mas todos os comandos so efetuados pelo software. O software transforma o nosso desejo em uma cadeia de operaes em linguagem de mquina onde, atravs de portas lgicas, se processa a atuao do hardware do circuito.

Os rels microprocessados proporcionam melhorias tcnicas e economias no custo sob vrios aspectos:

Lgicas programveis para reduzir e simplificar a fiao;

Fornecem proteo para faltas na barra;

Falha de disjuntor;

Os rels tm funes de medio para reduzir ou eliminar a necessidade de medidores;

Reduzem o custo de manuteno fornecendo as funes de autoteste;

Fornecem informaes de eventos remotos;

Localizao da falta para ajudar os operadores no restabelecimento do servio de eletricidade.

Os rels microprocessados podem ser coordenados facilmente com outros dispositivos de sobrecorrente. As caractersticas dos rels so usualmente definidas por equaes matemticas. Essas equaes modelam as caractersticas eltricas e fsicas. Ns podemos ajustar os rels microprocessados para emular as caractersticas de reset do disco de induo (temporizado) ou de rels de estado slido com reset instantneo.

As entradas de tenso e corrente so isoladas, filtradas e amostradas. Ento elas so colocadas em escala e convertidas em quantidades digitais para o microprocessador. O programa do microprocessador filtra os dados, cria as caractersticas do rel e controla as sadas do rel.

Um sistema de distribuio de energia eltrica apresenta mudanas de caractersticas devido a manobras programadas para projetos de construo ou aes de manuteno, manobras de emergncia para reparos ou transferncias de carga sazonais. As reconfiguraes resultantes do sistema duram desde algumas horas, at meses. Muitas reconfiguraes so repetidas e os seguintes problemas podem acontecer:

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Importantes mudanas na carga ou desequilbrio;

Grandes variaes no regime de falta, devido a alteraes na fonte e alimentador;

Problemas de coordenao com diferentes equipamentos de proteo;

Aumento do regime de falta no condutor, cabo ou equipamento.

Mltiplos Grupos de Ajustes Rels de distribuio avanados trabalham as reconfiguraes do sistema com

mltiplos grupos de ajustes. Um grupo de ajustes especfico pode ser habilitado por comando via porta de comunicaes, ou entradas opto-isoladas de seleo de grupo de ajustes. Lgica Programvel

Os engenheiros projetistas de rels desenvolveram lgicas programveis pelo usurio para rels digitais avanados. Essas lgicas manejam os esquemas de proteo futuros, alm da multiplicidade dos esquemas de proteo que protegem os sistemas das diferentes concessionrias. Com esses novos rels, h menos necessidade de equipamentos adicionais na medida que os esquemas de proteo so aprimorados. A fora da lgica programvel advm dos operadores lgicos AND, OR, inverso e temporizao dos elementos do rel, usando equaes lgicas da lgebra Booleana. Os elementos do rel so combinados para formar lgica condicional para funes internas e contatos de sada. As combinaes dos elementos do rel podem ser feitas atravs de temporizadores independentes. Os elementos do rel, tais como, elementos de sobrecorrente, estados do rel de religamento e entradas digitais so usados nesta lgica programvel. A lgica programvel substitui os temporizadores discretos, rels auxiliares, diodos e interligaes externas. Estes rels so extremamente rpidos e tambm so muito susceptveis a interferncias eletromagnticas, advindo necessidade dos filtros. So normalmente modulares e necessitam de fonte de alimentao.

Proteo de Falha de Disjuntor Muitos rels microprocessados so equipados com temporizadores internos que, em

conjunto com a condio de TRIP do rel, podem ser usados para prover uma proteo de falha de disjuntor. No caso de ocorrncia de no desligamento quando de um comando dado por uma proteo, haver necessidade imediata de desconectar outros disjuntores cujos circuitos alimentam diretamente o disjuntor defeituoso. Estes outros disjuntores podem estar na mesma subestao ou em uma subestao remota.

Proteo Principal e Proteo Retaguarda

Para se garantir o requisito bsico de confiabilidade (dependabilidade) para o Sistema de Proteo, h necessidade para a maioria dos casos, da existncia de uma segunda proteo, pelo menos, para a deteco da mesma falha no componente protegido. Origina-se deste aspecto os conceitos de Proteo Principal e Proteo Retaguarda:

Proteo Principal

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aquela que, por especificao e escolha de projeto, tem condies de detectar uma anormalidade para a qual foi concebida, no componente protegido, contemplando os requisitos de seletividade, confiabilidade e velocidade.

Dependendo da importncia do componente protegido, pode existir projetos com duas protees principais, que no caso de serem iguais so denominadas duplicadas ou principal + alternada . O que caracteriza o fato de serem principais o atendimento aos

requisitos bsicos de velocidade, seletividade e confiabilidade.

Proteo de Retaguarda

aquela que, tambm por especificao e escolha de projeto, tem a finalidade de ser a segunda ou terceira proteo a detectar uma mesma anormalidade em um dado componente do sistema de potncia, atuando o respectivo disjuntor quando da falha da proteo principal ou quando de falha do disjuntor.

Para se garantir a seletividade, a proteo de retaguarda utiliza, geralmente, de temporizao intencional para que haja tempo de atuao da proteo principal. Apenas no caso de falha da principal, aps uma temporizao ajustada, que atuaria a proteo de retaguarda.

Uma proteo de retaguarda pode estar instalada no mesmo local da proteo principal. Neste caso denominada de retaguarda local . Ou pode estar instalada em um outro componente adjacente quele original. Neste ltimo caso denominada de retaguarda remota .

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5.4.4 Vantagens e Desvantagens dos diversos tipos de rels

Eletromecnicos - Vantagens

Durabilidade e Robustez: Com a devida Manuteno, um rel eletromecnico pode apresentar tempo de vida til superior de 40 anos.

Tolerncia e Altas Temperaturas de Operao: A temperatura ambiente de instalao da proteo ou a temperatura de operao no so fatores crticos para o bom funcionamento desses rels.

Baixa Sensibilidade a Surtos Eletromagnticos: H necessidade de uma energia de surto relativamente grande para danificar um rel eletromecnico. Os surtos normais que ocorrem em uma instalao eltrica, em geral, no afetam as protees eletromecnicas.

Confiabilidade: Em decorrncia do desenvolvimento contnuo da tecnologia de construo desses rels, ao longo de dezenas de anos, tem-se como resultado dispositivo de alta confiabilidade, seja do ponto de vista de segurana contra operaes desnecessrias como ponto de vista de dependabilidade.

Eletromecnicos - Desvantagens

Custo: Uma proteo eletromecnica tem um custo que pode ser considerado, hoje, elevado em funo da tecnologia que envolve dispositivos de alta preciso, inclusive no aspecto mecnico, que demandam infra-estrutura e mo-de-obra especializada na sua fabricao. Ainda mais para funcionalidades mais complexas, a composio e o ajuste de elementos eletromecnicos apresenta custos elevados.

Custo da Instalao e Cablagens. O uso de rels eletromecnicos no permitiu usufruir a maior parte dos recursos hoje existentes de comunicaes (digitais, em fibras ticas), demandando instalaes onerosas e pesadas quanto a painis e cablagens.

Preciso. Quanto mais preciso um dispositivo eletromecnico, maior seu custo, em funo dos necessrios recursos de eletromagnetismo e da mecnica fina.

Manuteno Especializada. A manuteno de rels e dispositivos eletromecnicos exige capacitao especfica e muita experincia de campo e de laboratrio. Conseqentemente, pode ser considerada uma manuteno cara. A possibilidade de obsoletismo associada a falta de componentes de reposio muito grande. Os fabricantes das protees eletromecnicas j no possuem especialistas na manuteno desses rels eletromecnicos.

Limitao de Funcionalidades. Funcionalidades requeridas para reduo de custos de manuteno e garantia da confiabilidade no so, na maior parte dos dispositivos eletromecnicos, possveis de serem implantados. E tambm quanto s funes de proteo desejada, quanto mais elaborada a funo,

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mais complexa a proteo eletromecnica. E quanto mais complexa, menor a sua confiabilidade ou sua velocidade.

Considerando as vantagens e desvantagens citadas, ainda existem aplicaes, onde a proteo eletromecnica necessria, pelo menos at o presente. So aplicaes em ambientes agressivos e componentes eletrnicos, estticos ou microprocessados, onde o custo da preparao do ambiente para modernas tecnologias exigiria investimento desproporcional ao benefcio esperado.

Eletrnicos - Vantagens

Menor Custo. Se comparadas com as eletromecnicas com as mesmas funes.

Maior Velocidade. Como conseqncia direta da tecnologia empregada, foi possvel a fabricao de rels muito rpidos, que finalmente chegaram a atender as exigncias de determinados sistemas e situaes crticas.

Baixo Consumo e Menor Carga. As dificuldades observadas no passado quanto ao consumo de energia das protees eletromecnicas e quanto carga imposta nos lados secundrios dos transformadores de instrumentos (TP s e TC s) passaram a no mais existir para terminais com protees de tecnologia esttica.

Facilidade de Manuteno. A manuteno tornou-se mais simples e direta. Isto se refletiu diretamente nos custos de manuteno. A manteabilidade foi incrementada com circuitos de autoteste naqueles rels de gerao mais recente.

Confiabilidade. A experincia no uso de rels estticos ao longo de 15 a 25 anos, nos Sistemas Interligados Brasileiros, demonstrou que essas protees so to ou mais confiveis que as eletromecnicas.

Ao sair de uma tecnologia eletromecnica convencional, partindo para uma nova tecnologia esttica no incio dos anos 70, foram necessrios anos de experincia e de capacitao e formao de mo-de-obra especializada para fazer frente aos desafios.

Rels com tecnologia esttica esto, hoje, aplicadas na proteo da maior parte das linhas de transmisso de Extra Alta Tenso do nosso Pas. Para linhas de Alta Tenso, ainda existe uma parte significativa de protees eletromecnicas (tecnologia mista) instaladas.

Eletrnicos - Desvantagens

Maior Sensibilidade a Surtos. Componentes eletrnicos exigem menor energia de surto que os eletromecnicos para se danificarem. Instalaes nas subestaes e usinas tiveram que ser melhoradas quanto proteo para surtos desses tipos de rels.

Envelhecimento. Os rels estticos possuem componentes que perdem suas caractersticas num prazo de 8 a 20. Capacitores eletrolticos tm que ser substitudos a cada 8 anos em mdia. Circuitos inteiros de medio podem

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perder sua caracterstica em 20 ou 25 anos, o que pode demandar na necessidade de troca da proteo. Para os sistemas brasileiros, este um aspecto muito srio.

Limitaes de Funcionalidades. Funcionalidades requeridas de proteo continuaram difceis de serem implementadas nos rels estticos. Basicamente, o uso de componentes e sistemas eletrnicos para a execuo da funo desejada, se complexa, torna-se dificultoso e caro.

Tecnologia Digital - Vantagens

Apenas coma evoluo tecnolgica na rea de processadores a partir de meados dos anos 80 que a produo digital evoluiu de fato. E, nos ltimos 10 anos, com a acentuada evoluo dos microprocessadores, cada vez mais potentes e cada vez mais baratos, houve a consolidao comercial dos chamados rels digitais (numricos).

Custo: Cada vez menor, inversamente proporcional ao mercado atendido. Sendo que a poro cada vez mais significativa deste custo relaciona-se ao software emular da funo de proteo. E o fato de ser ter funcionalidades agregadas, o custo global de superviso, controle e proteo se torna significativamente mais baixo.

Funcionalidades Agregadas: Uma proteo digital pode agregar um conjunto de outras funes que no passado eram feitas por dispositivos separados. Assim, muito comum, hoje em dia, ter-se proteo de linha, transformador ou de alimentador com funes de Medio, Localizao de Defeitos, Oscilografia, Registro de Eventos, Monitoramento do Disjuntor e Falha do Disjuntor.

Tamanho: Como as funcionalidades so realizadas por software e no por dispositivos eletromagnticos ou eletrnicos e, tambm em funo de agregao de outras funes numa mesma proteo, j no h necessidade de grandes painis como aqueles bastante conhecidos nas subestaes convencionais. Alguns racks substituem vrios painis d proteo, comando, controle e superviso.

Comunicaes: A comunicao de dados em ambiente digital uma tecnologia j suficientemente evoluda e diretamente aplicvel na rea de Proteo. Todas as tecnologias hoje disponveis (sistemas digitais de comunicao, seja com rdios digitais ou com fibras pticas, processadores de comunicao, rede de fibras, Lan, WAN, etc.) permitem uma integrao da proteo com outras funes e permitem facilidades inimaginveis no passado.

Integrao com Superviso e Controle, com Acesso Remoto: Em decorrncia das funcionalidades agregadas e as facilidades de comunicao, principalmente com o uso de rede de fibras pticas dentro de uma subestao, tem-se a integrao da superviso, comando, controle e proteo. Esta rede local pode se comunicar com uma ampla (WAN), outras redes ou diretamente com qualquer centro ou pessoa atravs de meios de comunicao. Esses meios pode ser: fibra ptica, rdio digital, rdio analgico, onda portadora, satlite, linha dedicada, canais controlados ou at mesmo atravs de telefone ou celular automaticamente discados para ligao automtica com computador remoto ou acionamento de Pager.

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Custo de Instalao: Para uma nova subestao, observa-se que, com o uso de fibras pticas, se reduz substancialmente os cabos de comando e controle de cobre. Principalmente se a Arquitetura contemplar processamento distribudo, com aquisio de dados e comandos junto aos bays .

Interface Homem x Mquina: Como todo computador, a interao entre o humano e a proteo digital, juntamente com todas as informaes agregadas (seqncia de eventos, oscilografia, localizao de defeitos) e tambm com superviso e controle, torna-se rpida e amigvel, com facilidades e flexibilidades para ajustes e ensaios impossveis de serem pensados no passado. Seja localmente ou remotamente, seja para acompanhamento do desempenho, reajustes e outras intervenes.

Flexibilidade e Sofisticao a Baixo Custo: Tudo o que pode ser feito por um computador digital, pode ser feito por uma proteo numrica. Assim, funcionalidades de proteo antes impossveis de serem realizadas a custo razoveis so possveis com rels numricos.

Facilidades para Auto-Monitorao e Auto-Teste: Um computador pode ser programado para monitorar continuamente vrios subsistemas do seu hardware e software e introduzir lgicas e procedimentos para garantir a

confiabilidade necessria e desejada para a proteo. Circuitos de autoteste implantados em computadores (rels numricos) so muito mais flexveis e poderosos que aqueles dedicados, desenvolvidos para rels estticos dos anos 80.

Confiabilidade: Conseqncia direta da contnua monitorao das prprias condies de funcionamento e tambm da implementao de circuitos tolerantes a falhas. H uma reduo sensvel de atuaes acidentais, onde uma falha ao rel provoca desligamento indesejado do disjuntor.

Tecnologia Digital Desvantagens

Sensibilidade a Surtos: Tanto os rels com tecnologia esttica como os rels digitais necessitam de proteo especial e blindagem para surtos eletromagnticos nos circuitos que chegam e saem da proteo. Surtos de baixa energia j so suficientes para danificar os modernos circuitos digitais. Assim, nos projetos e na instalao, cuidados especiais so tomados para se separar a parte suja (Cablagens ligadas a TP s, TC s, comandos de disjuntores, alimentao CC) que esto sujeitos a surtos, com a parte limpa que so os sinais que vo para os conversores e circuitos digitais.

Sensibilidade a Temperaturas Elevadas: Todo dispositivo digital sensvel a altas temperaturas. Apesar do avano da tecnologia, apenas os componentes especialmente desenvolvidos para tal suportam temperaturas antes suportadas pelos dispositivos eletromecnicos.

Software no Portvel e as Vezes no Atualizadas: Os algoritmos emuladores de funes de proteo so desenvolvidos em linguagem assembler ou, mais recentemente, em linguagem de alto nvel como o C . Esses cdigos so exclusivos para cada tipo de processador e ambiente de

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processamento e no so portveis (apesar de que est ocorrendo tendncia no sentido de se buscar portabilidade). Alguns rels digitais do passado possuem algoritmos no muito adequados, e no podem ser alterados.

6 PROTEO DE REDES DE DISTRIBUIO

6.1 Introduo

Os consumidores de energia eltrica so afetados por perturbaes no sistema de distribuio mais freqentemente do que por perturbaes no sistema de transmisso. Isso decorre da maior proximidade do sistema de distribuio das rvores, das atividades humanas e da prpria carga. Durante anos, a superviso, controle e proteo da distribuio permaneceram relativamente inalterados. Os investimentos para aperfeioamentos da superviso, controle e proteo tm sido aplicados primeiramente nos sistemas de transmisso, uma vez que uma perturbao em uma linha de transmisso afeta um maior nmero de pessoas se comparado a uma perturbao em uma rede de distribuio, na maioria dos casos. As concessionrias esto atualmente comeando a aprimorar a capacidade de superviso e controle de seus sistemas de distribuio atravs da automao da distribuio e sistemas SCADA.

6.2 Chaves Fusveis

O funcionamento do fusvel baseia-se no princpio segundo o qual uma corrente que passa por um condutor gera calor proporcional ao quadrado de sua intensidade. Quando a corrente atinge a intensidade mxima tolervel, o calor gerado no se dissipa com rapidez suficiente, derretendo um componente e interrompendo o circuito.

Para nveis de tenso de distribuio inferiores a 34,5kV seu uso bastante generalizado, j para nveis de tenso de subtransmisso de 22 a 88kV sua aplicao razovel em linhas radiais.

Os elos fusveis tm a caracterstica inversa na relao tempo x corrente, isto , quanto maior a corrente de curto-circuito, menor o tempo de fuso do elo.

Corrente Nominal:

Corrente do ELO Corrente da Chave 1 a 50A Base A - 100A

51 a 100A Base A - 100A

101 a 200A Base C - 300A

Corrente de Carga:

aIcIn arg

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Capacidade de Interrupo:

Capacidade de Interrupo assimtrica da Chave Icc mximo no ponto da chave

Tenso Eficaz:

A tenso mxima eficaz compatvel com a tenso nominal de operao do sistema

ELOS TIPO "K" e "T"

Os elos tipo "K" tem caractersticas rpidas e os elos tipo "T" caractersticas lentas. Os elos "K" e "T" de mesma capacidade, tem pontos (valores) idnticos para corrente de fuso nas curvas de tempo x corrente. Os elos tipo K e T admitem sobrecarga de 1,5 vezes os seus valores nominais, sem causar excesso de temperatura.

Por outro lado, a fuso dos elos tipo K

e T

se d com 2 vezes os seus valores nominais. O elo fusvel "K" mais rpido com corrente elevada do que o elo "T" de mesma capacidade.

Na implantao de elos com a finalidade de proteo escolhe-se um grupo, excluindo-se o outro. Isto porque no existe seletividade entre elos preferenciais e no preferenciais adjacentes.

Como o nmero de elos fusveis preferenciais superior ao nmero de elos no preferenciais, adota-se normalmente os elos preferenciais em sistema de distribuio porque aumenta a flexibilidade de operao.

* Elos fusveis preferenciais tipo K

ELO FUSVEL CORRENTE NOMINAL CORRENTE

ADMISSVEL

CORRENTE FUSO

* 6 6 9 12 8 8 12 16 * 10 10 15 20 12 12 18 24 * 15 15 22,5 30 20 20 30 40 * 25 25 37,5 50 30 30 45 60 * 40 40 60 80 50 50 75 100 * 65 65 97,5 130 80 80 120 160 * 100 100 150 200

Para um mesmo elo fusvel, temos a curva de tempo mnimo de fuso (T.mn.F) e a curva de tempo mximo de fuso (T.mx.F). Um elo fusvel "nunca deve fundir antes do T.mn.F e nem aps o T.mx.F.

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O fabricante estabelece uma faixa de tolerncia onde pode ocorrer a fuso, que chamada de "faixa de operao" do elo fusvel.

NOTA:

Quanto menor for a Icc (corrente de curto-circuito), maior ser o tempo de fuso do elo fusvel. Quanto maior for a Icc (corrente de curto-circuito), menor ser o tempo de fuso do elo fusvel.

ELOS FUSVEIS DA CATEGORIA K

10 2 3 4 5 7 100 2 3 4 5 7 1000 2 3 4 5 7 10000 2 3 4 5 7

10 2 3 4 5 7 100 2 3 4 5 7 1000 2 3 4 5 7 10000 2 3 4 5 7CURRENT (A )

SECONDS

2

3

4

5

7

10

20

30

4050

70

100

200

300

400500

700

1000

2

3

4

5

7

10

20

30

4050

70

100

200

300

400500

700

1000

.01

.02

.03

.04

.05

.07

.1

.2

.3

.4

.5

.7

1

.01

.02

.03

.04

.05

.07

.1

.2

.3

.4

.5

.7

1

TIME-CURRENT CURVE S @ Voltage By

1

1. 6K FU Tipo 6KMinimum melt.

2

2. 10K FU Tipo 10KMinimum melt.

3

3. 15K FU Tipo 15KMinimum melt.

4

4. 25K FU Tipo 25KMinimum melt.

5

5. 40K FU Tipo 40KMinimum melt.

6

6. 65K FU Tipo 65KMinimum melt.

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COMPARATIVO ENTRE OS TIPOS K e T

10 2 3 4 5 7 100 2 3 4 5 7 1000 2 3 4 5 7 10000 2 3 4 5 7

10 2 3 4 5 7 100 2 3 4 5 7 1000 2 3 4 5 7 10000 2 3 4 5 7CURRENT (A)

SECONDS

2

3

4

5

7

10

20

30

40

50

70

100

200

300

400

500

700

1000

2

3

4

5

7

10

20

30

40

50

70

100

200

300

400

500

700

1000

.01

.02

.03

.04

.05

.07

.1

.2

.3

.4

.5

.7

1

.01

.02

.03

.04

.05

.07

.1

.2

.3

.4

.5

.7

1

1

1. FU TIPO 6K FU Tipo 6KMinimum melt.

2

2. FU TIPO 6T FU Tipo 6TMinimum melt.

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O elo fusvel deve suportar em regime permanente a carga mxima. Sua corrente nominal no deve ser superior a um quarto da mnima corrente de falta no trecho a ser protegido, se possvel considerando o fim do trecho para qual proteo de retaguarda.

min.41

. tIccIeInK

nCK100

%1 , onde:

In = Corrente nominal do trecho;

Ie= Corrente nominal do elo;

Icc tmin = corrente de fase terra mnimo no final do trecho protegido;

C% = Taxa de crescimento anual;

N = numero de anos previsto;

4 = Fator de segurana

A corrente nominal do elo fusvel no deve exceder a corrente nominal da chave fusvel.

Um fusvel de coordenao dever ser escolhido sempre com um "Valor nominal mximo possvel".

Seja compatvel com a ampacidade (limite trmico) dos condutores protegidos pelo fusvel;

Usar somente elos de mesma linhagem (preferenciais) a fim de ampliar a faixa de coordenao;

Para evitar a queima desnecessria ocasionada por surtos de descargas atmosfricas, alem de garantir a seletividade com a proteo dos transformadores, utilizar no mnimo elos de 10 A na rea rural e 15 A na rea urbana, K ou T.

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6.2.1 Coordenograma da Proteo Seletiva Fusvel x Fusvel.

Toda coordenao da proteo desde que operativa pode ser analisada pelas curvas dos equipamentos envolvidos na coordenao, o chamado "Coordenograma", conforme mostra o coordenograma abaixo:

FUSVEL PROTETOR

FUSVEL PROTEGIDO

OU DE RETAGUARDA T. MX. FP

T. MX. FR

T. MN. FR

T. MN. FR

FAIXA DE TOLERNCIA DE 33%.

T (s)

Icc (A)

T. MN. FP

T. MX. FP

6.2.2 Condio de Coordenao

A partir do coordenograma fusvel x fusvel fcil observar a regra de condio de coordenao. "O tempo mnimo de atuao do fusvel protegido/retaguarda (T. Mn. FR) dever ser maior que o tempo mximo de atuao do fusvel protetor (T. Mx. FP) com uma tolerncia de 33% de tempo".

Matematicamente podemos expressar da seguinte forma:

33,1.

.

FRTFPT MinMx

Alm da condio bsica expressa anteriormente, devemos adotar alguns critrios para que a coordenao fusvel x fusvel atenda a todos os requisitos suficientes.

O fusvel de retaguarda deve coordenar com o fusvel protetor, para o valor de mxima corrente de curto-circuito no ponto de instalao do fusvel protetor.

Devido o curto-circuito fase-terra ser o mais freqente e o mais provvel de ocorrer, o elo protegido (retaguarda) normalmente coordenado com o elo protetor, pelo menos para o valor da corrente de curto-circuito fase-terra, no ponto de instalao do elo protetor.

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TABELA DE COORDENAO PARA ELOS FUSVEIS TIPO K

ELO FUSVEL PROTEGIDO OU DE RETAGUARDA ELO FUSVEL

PROTETOR 10K 15K 25K 40K 65K 100K 140K 200K 6K 190 510 840 1340

2200

3900 5800 9200 10K

300 840 1340

2200

3900 5800 9200 15K

430 1340

2200

3900 5800 9200 25K

660 2200

3900 5800 9200 40K

1100

3900 5800 9200 65K

2400 5800 9200 100K

2000 9100 140K

4000

Exerccios: Determine os elos fusveis do tipo K , para os sistemas a seguir:

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6.3 Religadores

um dispositivo interruptor automtico, que abre e fecha os seus contatos repetidas vezes, nos defeitos transitrios e bloqueia nos defeitos permanentes. A operao do religador no se limita apenas a sentir e interromper defeitos na linha e efetuar os religamentos. O religador dotado tambm de um mecanismo de temporizao. Assim que o religador sente um defeito na linha, o mesmo dispara rapidamente, dentro de 0,03 a 0,04 segundos (para os religadores digitalizados este tempo pode ser ajustado). Essa interrupo rpida reduz ao mnimo as possibilidades de danos ao sistema, evitando ao mesmo tempo a queima de fusveis entre o local do defeito e o religador. O religamento dar-se- dentro de 1 a 2 segundos, representando uma interrupo mnima do servio devido a abertura rpida. (para os religadores digitalizados este tempo pode ser ajustado).

Aps 1 (uma) ou 2 (duas) interrupes rpidas, o religador automaticamente passa para o disparo temporizado, proporcionando maior tempo para eliminar defeitos permanentes e, sua combinao com as interrupes rpidas, permite coordenao com outros dispositivos de proteo existentes.

Considerando que 80 a 95% das faltas so transitrias a importncia dos religadores aumenta sensivelmente, caso queiramos obter um timo custo x benefcio. Vantagens do religador.

Economia, com menor deslocamento de pessoal para reposio de elos fusveis;

Melhor seletividade de defeito;

Facilidade de manobras;

Melhor imagem da empresa;

Menos queima de elos fusveis;

Minimizao dos efeitos malficos s redes pelos curtos-circuitos;

Maior faturamento;

Menores danos aos condutores e transformadores.

6.3.1 Classificao dos Religadores. Os religadores so classificados em diferentes classes como monofsicos ou trifsicos, com controle hidrulico ou eletrnico, com meio de interrupo do arco eltrico a vcuo, a leo ou a gs SF6.

Controle Hidrulico.

Nos religadores com controle hidrulico, o leo tem as seguintes finalidades:

Isola as partes energizadas;

Executa as funes de contagem e temporizao do mecanismo de temporizao;

Estabelece o intervalo de religamento;

Estabelece o bloqueio do religador, quando um determinado nmero de operaes for completado.

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Controle Eletrnico

As informaes para o controle eletrnico so obtidas a partir dos transformadores de corrente tipo bucha, montados internamente. O circuito eletrnico controla as funes de disparo e religamento do mecanismo do religador, onde so usados circuitos impressos, constitudos de componentes estticos, ou atravs de microprocessadores.

Os principais benefcios do controle eletrnico so: Flexibilidade e versatilidade, sendo que um tipo de controle eletrnico pode ser utilizado em vrios tipos de religadores.

6.3.2 Critrios para Coordenao e Seletividade

Num estudo de coordenao e seletividade da proteo procura-se atender a segurana e a continuidade do servio em sistemas que possuem caractersticas limitantes, tais como: corrente de carga, corrente de curto-circuito mximo e mnimo, corrente de partida de motores, de energizao de transformadores e banco de capacitores, limites trmicos dos condutores, ndices estatsticos de probabilidade de defeitos, caractersticas dos consumidores, etc.

Para a instalao de elos fusveis ou de religadores nas derivaes, necessrio que se conhea o nvel de corrente de curto-circuito a que estes dispositivos estaro sujeitos, a fim de se escolher convenientemente alguns parmetros destes dispositivos, tais como: capacidade de interrupo, tempo de atuao, seqncia de operao, sensibilidade e corrente de carga.

Correntes de Curto-Circuito:

Anlise 1 - Mxima corrente de curto-circuito (primeiro equipamento de proteo aps RL). Anlise 2 - Pontos onde temos os menores nveis de curto-circuito nos ramais.

Estes pontos so utilizados para determinar a sensibilidade dos dispositivos de proteo.

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6.3.3 Chaves Repetidoras

O funcionamento das Chaves Fusveis Repetidoras bem semelhante ao funcionamento das Chaves Fusveis convencionas quanto ao aspecto de dimensionamento e especificaes, mas quanto o aspecto de coordenao deve ser levado em conta o tempo total de interrupo para os defeitos de carter permanente devido a sua forma de operao, na qual deve ser considerado como tempo de interrupo a soma do tempo de fuso de cada um dos estgios.

6.4 Proteo de Sobrecorrente

Como o prprio nome j indica, so todos os rels que atuam para uma corrente maior que a do seu ajuste. Ocorrendo uma anomalia no sistema, de modo que o parmetro sensvel do rel ultrapasse o seu ajuste, o mesmo atua.

Formas de Ajustes:

Tracionamento na mola

Variao de entreferro

Mudana de tap s na bobina magnetizante

Variao de elementos no circuito

Controle por software.

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Os trs indicadores que podem dar as informaes necessrias que permitem distinguir entre as correntes de carga e de curto circuito so os seguintes:

Tenso;

Corrente;

ngulo entre a corrente e a tenso.

As correntes de curto circuito so geralmente maiores que as correntes de carga; as tenses do sistema durante o curto circuito so menores que as normais, e o ngulo de atraso da corrente em relao tenso , em geral, maior parra corrente de curto circuito do que para corrente normal. Por essa razo, os rels de proteo de sobrecorrente direcionais usam a tenso e a corrente como grandezas caractersticas de entrada. Uma vez que as correntes de falta esto geralmente atrasadas, o ngulo entre a tenso e a corrente, alem de indicar o tipo de corrente, mostra a direo da corrente de falta. Quanto localizao do rel, faltas prximas provocam altas correntes, baixa tenso, enquanto defeitos mais distantes provocam correntes menores e tenses no to baixas.

6.4.1 Rel de Sobrecorrente com Elemento Instantneo (50/50N) um rel que funciona instantaneamente no caso de excessivo valor de corrente ou

de brusco aumento do mesmo, indicando assim uma falha no equipamento ou no circuito sob proteo. preciso esclarecer que a palavra "instantneo" usada com significao de "sem temporizao proposital", pois na realidade um rel de atuao instantnea demora algum tempo para operar. O elemento instantneo poder ser bloqueado de acordo com a convenincia.

6.4.2 Rel de Sobrecorrente Temporizado

um rel com caracterstica de tempo definido ou inverso e que atua quando a corrente num circuito exceder a um valor determinado.

REL DE TEMPO INVERSO Nos rels de tempo inverso, a temporizao ou retardo de atuao varia

inversamente com a corrente, isto , quanto maior a corrente de atuao menor o tempo de retardo. As curvas caractersticas inversas de um rel de sobrecorrente so a sua caracterstica de tempo x corrente obtida em ensaios de laboratrio. Estas curvas so normalizadas e geralmente fornecidas pelos fabricantes nos catlogos dos equipamentos.

A curva caracterstica do rel no depende do valor de TAP e sim dos mltiplos da corrente de TAP , sendo geralmente expressa em termos de tempo x mltiplo do valor de TAP. No eixo vertical esto os tempos expressos em segundos(s) e no eixo horizontal as correntes de acionamentos em mltiplos do TAP escolhido, e este passa a ser o valor para o qual o rel comea a atuar.

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As curvas caractersticas de tempo so denominadas de:

Normalmente inverso;

Muito inverso;

Extremamente inverso.

Estas diferentes caractersticas so aplicadas proteo de linhas de transmisso ou de alimentadores sob vrias condies de seletividade com os equipamentos de proteo adjacentes.

A relao entre tempo e corrente estabelecida por norma como a IEC 255-4 pode ser expressa por:

t(i) = k .

i

- 1 Onde:

t(i) = tempo de operao em segundos k = mltiplo de tempo

i = mltiplo da corrente de ajuste

e = constantes especficas de cada tipo de curva

O ajuste da declividade da curva tempo x corrente determinado pelas constantes

e conforme a seguir:

Curvas tempo x corrente

Normalmente inversa 0,02 0,14 Muito inversa 1,0 13,5

Extremamente inversa 2,0 80,0 Tempo longo inverso 1,0 120,0

A utilizao de funes de sobrecorrente de fase e de terra para a proteo de linha de radial simples e econmica. A proteo de sobrecorrente serve apenas para detectar curtos-circuitos e casos de desbalano envolvendo a terra.

SISTEMAS DE ENERGIA

Existe uma configurao mais econmica que pode ser utilizada sem diminuir a sua eficincia.

Para o correto ajuste dos reles de sobrecorrente existe a necessidade de se calcular os valores tericos de curto-circuito no comeo e no fim da linha, com a finalidade de se obter as condies criticas de correntes no sistema.

RELS DE FASE - Proteo para defeitos entre fases. As falhas que no envolvem a terra (defeitos bifsicos ou trifsicos) so detectadas

exclusivamente pelos rels de fase (50/51ABC), pois no existe a circulao de corrente pelo circuito residual do lado secundrio dos TC s. Os mesmos devem ter sensibilidade para detectar curtos-circuitos e no devem atuar para correntes de carga. Como so ligados aos secundrios dos TC s de linha, sua sensibilidade limitada pelos TC s.

Os elementos instantneos (50) dos rels de sobrecorrente de fase so ajustados para detectar defeitos prximos, normalmente de valores elevados, os quais podem gerar desgastes prematuras e danificar alguns componentes do sistema.

O ajuste de corrente mnima de atuao dos rels de sobrecorrente de fase deve levar em conta a carga mxima possvel da linha protegida, isso , a corrente mnima de atuao deve ser superior a corrente de carga mxima possvel, considerando inclusive situaes de sobrecarga, desde que se respeitando o limite operacional do condutor

RELS DE NEUTRO - Proteo para defeitos entre fases envolvendo a terra. As falhas que envolvem a terra (defeitos bifsicos-terra ou fase-terra) so detectados

principalmente pelo rel de neutro, isso no significa que a proteo de fase no possa operar. O rel de neutro pode ser ajustado bem sensvel pelo fato do mesmo no detectar condies de cargas trifsicas equilibradas, desde que se respeitando a seletividade.

SISTEMAS DE ENERGIA

10 2 3 4 5 7 100 2 3 4 5 7 1000 2 3 4 5 7 10000 2 3 4 5 7CURRE NT (A )

SECONDS

2

3

4

5

7

10

.01

.02

.03

.04

.05

.07

.1

.2

.3

.4

.5

.7

11

1. 50/51-Rel de Fase IAC-51 TD=1.000CTR=80 Tap=6.A Inst=2500A TP@5=0.393s

2

2. 50/51N-Rel de Neutr IAC-51 TD=4.000CTR=80 Tap=0.8A No inst. TP@5=1.4014s

6.4.3 Tempo Independente

Nos rels de tempo independente, a temporizao ou retardo de atuao no depende da intensidade de corrente. Na figura a seguir representada a caracterstica de um rel de tempo independente.

O rel d a partida quando a corrente ultrapassa o mltiplo da corrente nominal ajustado e desliga no tempo previamente ajustado, no importando em quantas vezes foi ultrapassado o valor da corrente de partida.

SISTEMAS DE ENERGIA

6.4.4 Tempo Definido O rel de tempo definido um rel que funciona em um tempo previamente ajustado,

independente da intensidade de corrente.

OBSERVAO IMPORTANTE: O tempo total de extino do defeito o tempo que o disjuntor leva desde o recebimento da ordem de disparo do rel at a completa extino do arco. Praticamente costuma-se adotar 0,3 a 0,5 segundos como tempo de coordenao.

O tempo de sobrepercurso (overtravel) o tempo que o rel, devido inrcia, continua o movimento na direo de fechamento do contato aps cessar a corrente de atuao. adotado alm dos tempos acima citados, um fator de segurana da ordem de 0,1 a 0,2 segundos.

6.5 Zonas de Proteo

A filosofia geral de proteo de um sistema eltrico dividi-lo em zonas de proteo de modo que, quando da ocorrncia de uma anormalidade, haja o mnimo de desligamentos possveis, preservando o mximo de continuidade dos servios.

SISTEMAS DE ENERGIA

6.6 Curva de Danificao Um cuidado adicional que se deve ter ao ajustar qualquer proteo de rede de distribuio, quanto ao tempo de extino de defeito, o qual deve ser inferior ao tempo de danificao do condutor.

7 PROTEO DE TRANSFORMADORES

As protees do transformador tm em vista duas finalidades bsicas:

Isolar o transformador do sistema, quando da ocorrncia de um defeito no mesmo.

Proteg-lo contra sobrecarga ou curto-circuitos, nos circuitos por ele alimentados.

Normalmente o dimensionamento da proteo de um transformadores baseado no custo benefcio e na capacidade de assumir riscos, desta forma podemos dividir em trs grupos bsicos de proteo.

Transformadores de potncia 12,5 MVA

Funo 87 Rel diferencial, com caracterstica de atuao percentual;

Funo 50/51 - sobrecorrente de fase, 3 na Alta Tenso;

Funo 50/51N - sobrecorrente de fase, 1 na Alta Tenso;

Funo 50/51 - sobrecorrente de fase, 3 na Baixa Tenso;

Funo 50/51N - sobrecorrente de fase, 1 na Baixa Tenso;

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Funo BF - deteco de falha de disjuntor

Deteco de falta de potencial CC;

Funo de auto-teste para hardware de rels.

Transformadores com potncia 1 MVA e 12,5 MVA

Funo 50/51 - sobrecorrente de fase, 3 na Alta Tenso;

Funo 50/51N - sobrecorrente de fase, 1 na Alta Tenso;

Funo 50/51 - sobrecorrente de fase, 3 na Baixa Tenso;

Funo 50/51N - sobrecorrente de fase, 1 na Baixa Tenso;

Funo BF - deteco de falha de disjuntor

Transformadores com potncia 1 MVA

Elos Fusveis

7.1 Elos fusveis O elo fusvel deve admitir uma determinada sobrecarga no transformador, desde que

esta no comprometa a vida til do transformador e deve suportar a corrente de energizao do transformador na ordem de 8 a 12 vezes a corrente nominal do transformador num tempo aproximado de 0,1s.

O elo deve ser seletivo com os equipamentos de proteo instalados a montante e a jusante e tambm com a