Sistemas Elétricos de POtência

Sistemas Elétricos de POtência

(Parte 1 de 10)

Universidade Estadual de Campinas

Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computacao Departamento de Sistemas de Energia Eletrica

Protecao de Sistemas de Energia Eletrica

Prof. Fujio Sato

Campinas, janeiro de 2005 (Terceira versao)

Sumario

1.1 Introduc~ao1
1.2 Dimens~ao do problema2
1.3 Curtos-circuitos6
1.3.1 As consequencias dos curtos-circuitos8
1.3.2 Condic~oes anormais de operac~ao9
1.4 Con gurac~ao do sistema eletrico10
1.4.1 sistema radial10
1.4.2 sistema em anel1
1.4.3 Arranjos de barras1
2.1 Introduc~ao15
2.2 Ideia basica deu ms istema de protec~ao16
2.3 Transformadores de instrumento18
2.3.1 Transformadores de corrente19
2.3.2 Transformadores de potencial25
2.4 Caractersticas funcionais dos reles de protec~ao28
2.5 Redundancia do sistema de protec~ao31

2P rincıpios basicos de protecao de sistema eletrico 15

3.1 Introduc~ao32
3.2 Detecc~ao das faltas3

3P rincıpios de operacao de reles de protecao 32

4.1 Reles eletromecanicos36
4.2 Reles eletronicos37

4 Tipos construtivos de reles de protecao 36

5.1 Introduc~ao39
5.2 Fusveis, religadores, seccionadores e reles de sobrecorrente40
5.3 Rele de sobrecorrente direcional48
5.3.1 Caracterstica de operac~ao e ligac~oes dos reles de fase49
5.3.2 Caracterstica de operac~ao e ligac~ao do rele de terra51
5.4 Reled ed istancia52
5.4.1 Princpio de operac~ao do reled ed istancia53
de distancia sob condic~oes de curtos-circuitos54
5.4.3 Respostas dos reles de distancia fase65
5.4.4 Respostas dos reles de distancia terra69
5.4.5 Tipos de caractersticas de reles de distancia72
5.4.6 Equac~ao do conjugado73
5.4.7 Linhas multi-terminais78

5P rotecao de linhas de transmissao 39 5.4.2 C alculos das correntes e das tens~oes no ponto de aplica c~ao dos rel es i

5.4.9 Unidade mho79
5.4.10 Gra co representativo do alcance das zonas79
5.4.1 Analise das atuac~oes81
5.5 Reled ed istancia com teleprotec~ao82
5.5.1 OPLAT82
5.5.2 Microonda83
5.5.3 Disparo versus bloqueio83
5.5.4 Esquemas de teleprotec~ao83

5.4.8 Equa c~oes de ajustes .. ........... ........... ... 78

6.1 Condic~oes que levam um transformador a sofrer danos86
6.1.1 Queda da isolac~ao86
6.1.2 Deteriorac~ao da isolac~ao86
6.1.3 Sobreaquecimento devido a sobre-excitac~ao87
6.1.4 Oleo contaminado87
6.1.5 Reduc~ao da ventilac~ao87
6.2 Correntes de excitac~ao e de inrush87
6.2.1 Componente de magnetizac~ao da corrente de excitac~ao87
6.2.2 Componente de perdas da corrente de excitac~ao89
6.2.3 Corrente total de excitac~ao90
6.2.4 Corrente de inrush90
6.3 Esquemas de protec~ao de transformadores de potencia94
6.3.1 Tipos de falhas em transformadores de potencia94
6.3.2 Detecc~ao eletrica das faltas94
6.3.3 Detecc~ao mecanica das faltas105
6.3.4 Reles termicos105

6P rotecao de transformadores de potencia 86

7.1 Tipos de defeitos107
7.2 Tipos de esquemas de protec~ao107
7.2.1 Protec~ao diferencial do gerador108
7.2.2 Protec~ao diferencial do conjunto gerador-transformador108
7.2.3 Protec~ao contra terra-enrolamentos do estator109
estator112
7.2.5 Protec~ao contra terra-enrolamento do rotor113
7.2.6 Protec~ao contra correntes desequilibradas114
7.2.7 Protec~ao contra sobreaquecimentos115
7.2.8 Protec~ao contra motorizac~ao117
7.2.9 Protec~ao contra perda de excitac~ao117
7.2.10 Protec~ao contra sobretens~oes118
7.2.1 Protec~ao contra sobrevelocidades19

7P rotecao de geradores sıncronos 107 7.2.4 Prote c~ao contra curto-circuito entre espiras dos enrolamentos do i

8.1 Correntes de curtos-circuitos121
8.2 Corrente de inrush121
8.3 Equipamentos de protec~ao121
8.3.1 Chave fusvel/elo fusvel122
8.3.2 Disjuntor/rele124
8.3.3 Religador automatico126
8.3.4 Seccionador128
8.4 Protec~ao de transformadores de distribuic~ao130
8.4.1 Elos fusveis padronizados130
8.4.2 Curtos-circuitos no lado y e correntes no lado 131
8.4.3 Caso-exemplo136

8P rotecao de redes de distribuicao 121 i

1 Estados de operac~ao2
2 Expectativa de vida dos reles de protec~ao5
3E voluc~ao dos reles5
4T ens~oes e correntes durante os curtos-circuitos6
5S istema n~ao aterrado7
6 Curto-circuito monofasico num sistema n~ao aterrado8
7 Curto-circuito monofasico num sistema efetivamente aterrado8
8 Curva sobrecarga no transformador de potencia10
9 Curva de sobreexcitac~ao de transformador de potencia1
10 Sistema radial12
1 Sistema em anel12
12 Arranjos de barras13
13 Sistema de protec~ao16
14 Diagrama uni lar17
15 Diagrama tri lar de um sistema de protec~ao18
16 Circuito equivalente do TC21
17 Diagrama fasorial do TC2
18 Caractersticas de magnetizac~ao de um TC tpico23
19 Transformador de Potencial Capacitivo26
20 Circuito Equivalente aproximado de um TPC27
21 Circuito Equivalente reduzido de um TPC27
2 Con abilidade do sistema de protec~ao29
23 Zonas de protec~ao30
24 Tempos de operac~ao de um sistema de protec~ao31
25 Protec~ao de sobrecorrente de um motor3
26 Caracterstica de um rele detector de nvel34
27 Relec omparac~ao de m,agnitudes para duas linhas paralelas34
28 Princpio da comparac~ao diferencial35
29 Comparac~ao de fase para faltas numa linha35
30 Reled ed istancia36
31 Comprimento da linha39
32 Sistema de distribuic~ao41
3 Curva caracterstica de um fusvel42
34 Esquema de protec~ao de sobrecorrente43
35 Diagrama uni lar45
36 Coordenac~ao entre as unidades temporizadas de Rg e Rr46
37 Coordenac~ao entre os reles de fase47
38 Coordenac~ao entre os reles de terra48
39 Caracterstica de operac~ao49
40 Diagrama de ligac~ao 90050
41 Diagrama fasorial50
42 Caracterstica de operac~ao51

Lista de Figuras iv

4 Impedancia vista por um reled e distancia53
45 Diagrama de blocos54
46 Sistema simpli cado5
47 Circuito de sequencia positiva para um curto-circuito trifasico5
monofasico60
50 Conex~oes do reled ed istancia com TC’s em delta65
51 Conex~oes do reled ed istancia com TC’s em estrela6
52 Conex~oes do reled ed istancia terra71
53 Linhas paralelas com acoplamentos mutuos72
54 Caractersticas das zonas de operac~ao73
5 Caracterstica da unidade ohm74
56 Caracterstica da unidade retancia75
57 Caracterstica da unidade mho76
58 Caracterstica da unidade impedancia7
59 Efeito do infeed nos ajustes das zonas dos reles de distancia78
60 Alcance das zonas79
61 Alcance das zonas no diagrama R-X80
62 Diagrama esquematico de corrente contnua81
63 Areas n~ao protegidas pelas 1as zonas82
64 OPLAT83
65 Esquema comparac~ao direcional com bloqueio84
6 Esquema transferencia de disparo permissivo de sobrealcance85
67 Tens~ao aplicada e fluxo na condic~ao de regime8
68 Metodo gra co para determinac~ao da corrente de magnetizac~ao89
69 Fluxos no transformador durante condic~oes transitorias92
70 Metodo gra co para determinac~ao da corrente de inrush93
71 Corrente de inrush tpica de um transformador93
72 Esquema simpli cado do rele diferencial96
73 Curto-circuito externo96
74 Curto-circuito interno96
75 Rele diferencial-percentual97
76 Inclinac~oes caractersticas98
7 Rele diferencial com circuito para desensibilizar a operac~ao98
78 Rele diferencial percentual com restric~ao por harmonicas9
79 Ligac~oes corretas dos TCs101
80 Ligac~oes incorretas dos TCs101
81 Curto-circuito fase-terra interno102
82 Curto-circuito fase-terra externo103
84 Protec~ao diferencial do gerador109
85 Gerador aterrado atraves de um transformador de distribuic~ao110

43 Diagrama de liga c~ao ..... ........... ........... ... 52 48 Circuitos de sequencias positiva e negativa para um curto-circuito bif asico . 57 49 Circuitos de sequencias positiva, negativa e zero para um curto-circuito 83 Curto-circuito fase-terra externo considerando TCs com liga c~oes incorretas 103 v

87 Detector de terra-enrolamento do rotor114
8 Detector de temperatura116
excitac~ao119
90 Protec~oes do grupo gerador/transformador120
91 Curto-circuito trifasico no lado de baixa e correntes no lado de alta134
92 Curto-circuito bifasico no lado de baixa e correntes no lado de alta134
93 Curto-circuito monofasico no lado de baixa e correntes no lado de alta135
94 Sistema de distribuic~ao secundaria136
95 Curtos-circuitos no lado de baixa e correntes no lado de alta137

86 Prote c~ao de fase-dividida ... ........... ........... ... 113 89 Trajet orias das impedancias equivalentes e caracter stica do rel e perda de vi

1 Sistema eletrico de potencia

1.1 Introducao

Ser a que algu em, olhando para a lampada acesa no teto de seu quarto, j a teve a curiosidade de questionar de onde vem a energia el etrica que ilumina o ambiente? Provavelmente que sim. Se esta pergunta fosse feita h a cerca de 80 anos atr as a resposta seria diferente da de hoje. Naquela epoca pod amos a rmar categoricamente que a energia el etrica provinha de uma determinada usina, pois, o sistema el etrico operava isoladamente, isto e, oq ue au sina gerava era transportada diretamente para o centro consumidor. Hoje, esta resposta n~ao teria sentido, pois a necessidade de grandes \blocos" de energia e de maior con abilidade fez com que as unidades separadas se interligassem formando uma unica rede el etrica, o sistema interligado.

Um sistema interligado, apesar de maior complexidade na sua opera c~ao e no seu planejamento, al em da possibilidade da propaga c~ao de perturba c~oes localizadas por toda a rede, traz muitas vantagens que suplantam os problemas, tais como: maior n umero de unidades geradoras, necessidade de menor capacidade de reserva para as emergencias, intercambio de energia entre regi~oes de diferentes sazonalidades, etc. Esta pr atica e adotada mundialmente e especi camente no Brasil iniciou-se no nal da d ecada de 50. Atualmente no Brasil existem dois grandes sistemas interligados: o sistema da regi~ao Sul/Sudeste/Centrooeste e o sistema da regi~ao Norte/Nordeste. Estas duas regi~oes est~ao interligadas por uma linha de transmiss~ao de 500 kV com capacidade para transportar cerca de 1000 MW. A loso a b asica de opera c~ao desta interliga c~ao e a de produzir o m aximo de energia no sistema Norte/Nordeste durante o per odo marcante de cheias naquela regi~ao (especialemte no Norte, em Tucuru ) e exportar para o Sudeste, onde est~ao localizados os grandes reservat orios do pa s, acumulando agua. Nos per odos secos, o fluxo se inverte. O \linh~ao", com comprimento de 1270 km parte de uma subesta c~ao em Imperatriz, no Maranh~ao, atravessando todo o estado de Tocantins e chega em Bras lia. A nalidade de um sistema de potencia e distribuir energia el etrica para uma multiplicidade de pontos, para diversas aplica c~oes. Tal sistema deve ser projetado e operado para entregar esta energia obedecendo dois requisitos b asicos: qualidade e economia, que apesar de serem relativamente antagonicos ep oss vel concili a-los, utilizando conhecimentos t ecnicos e bom senso.

A garantia de fornecimento da energia el etrica pode ser aumentada melhorando o projeto, prevendo uma margem de capacidade de reserva e planejando circuitos alternativos para o suprimento. A subdivis~ao do sistema em zonas, cada uma controlada por um conjunto de equipamentos de chaveamento, em associa c~ao com sistema de prote c~ao e con gura c~oes de barramentos que permitam alternativas de manobras, proporcionam flexibilidade operativa e garantem a minimiza c~ao das interrup c~oes.

Um sistema de potencia requer grandes investimentos de longa matura c~ao. Al em disso, a sua opera c~ao e o a sua manuten c~ao requer um elevado custeio. Para maximizar o retorno destes gastos e necess ario oper a-lo dentro dos limites m aximos admiss veis.

Uma das ocorrencias com maior impacto no fornecimento da energia el etrica e o curtocircuito (ou falta) nos componentes do sistema, que imp~oe mudan cas bruscas e violentas na opera c~ao normal. O fluxo de uma elevada potencia com uma libera c~ao localizada de uma consider avel quantidade de energia pode provocar danos de grande monta nas instala c~oes el etricas, particularmente nos enrolamentos dos geradores e transformadores. O risco da ocorrencia de uma falta considerando-se um componente isoladamente e pequeno, entretanto, globalmente pode ser bastante elevado, aumentando tamb em a repercuss~ao numa area consider avel do sistema, podendo causar o que comumente e conhecido como blackout.

EMERGÊNCIA RECUPERAÇÃONORMAL Controle de emergência

Controle preventivo

Controle de recuparação

Transições resultantes de contingências Transições resultantes de ações de controle

Figura 1: Estados de opera c~ao

A Figura 1 mostra o que se denomina estados de opera c~ao. Um sistema el etrico de potencia comumente opera no seu estado normal-seguro. Algumas contingencias simples podem levar os istema ao perar numa regi~ao insegura, entretanto, controles preventivos adequados traz novamente ar egi~ao segura com certa tranquilidade. S~ao relativamente raras as ocorrencias que levam o sistema ao estado de emergencia, geralmente causadas por contingencias m ultiplas graves. Neste estado, o sistema sofre um colapso que pode afetar uma grande parte do sistema interligado, necessitando de controles de emergencia ed er ecupera c~ao pelas a c~oes integradas dos Centros de Controle das empresas afetadas, para recompor o sistema.

1.2 Dimensao do problema

O gerenciamento de um sistema el etrico de potencia deve cobrir eventos com intervalo de tempo extremamente diversi cado, desde v arios anos para planejamentos, at em icros-

Equipamentos Qtde

Terminais de linhas (138 kV a 750 kV) 2461 Grupos geradores 319 Transformadores de potencia 714 Barramentos 872 Reatores 244 Banco de capacitores 116 Compensadores s ncronos 59 Compensadores est aticos 13

Tabela 1: Equipamentos instalados no sistema interligado brasileiro at e 1994 segundos para transit orios ultra-r apidos . Os eventos mais r apidos s~ao monitorados e controlados localmente (por exemplo, rel es de prote c~ao) enquanto que a dinamica mais lenta dos sistemas (regime quase-estacion ario) e controlada de forma centralizada (por exemplo, centros de controle).

As estrat egias de expans~ao e opera c~ao de um sistema el etrico s~ao organizadas hierarquicamente conforme ilustrado a seguir: Planejamentos de Recursos e Equipamentos:

planejamento da gera c~ao : 20 anos planejamento da transmiss~ao e distribui c~ao : 5 a 15 anos

Planejamento de Opera c~ao: programa c~ao da gera c~ao e manuten c~ao : 2 a 5 anos

Opera c~ao em Tempo Real:

planejamento da gera c~ao : 8 horas a 1 semana despacho : continuamente prote c~ao autom atica : fra c~ao de segundos

Dados de 1994 mostram que o sistema interligado brasileiro possui os seguintes equipamentos de transmiss~ao e gera c~ao de grande porte, mostrados na Tabela 1.

A Tabela 2 mostra que estes componentes sofreraram desligamentos for cados causados por v arios tipos de ocorrencias.

As linhas de transmiss~ao s~ao os componentes que mais sofrem desligamentos for cados.

Logicamente isto era de se esperar, pois, perfazendo um total de mais de 86.600 km, elas percorrem vastas regi~oes e est~ao sujeitos a todos os tipos de perturba c~oes naturais, ambientais e operacionais. Assim sendo, este tipo de componente necessita ser protegido por um sistema de rel es de prote c~ao e ciente e de atua c~ao ultra-r apida, os denominados

Equipamentos Qtde %

Linhas de transmiss~ao 4380 67,54 Grupos geradores 678 10,45 Transformadores de potencia 502 7,74 Barramentos 93 1,43 Reatores 62 0,96 Banco de capacitores 612 9,43 Compensadores s ncronos 118 1,82 Compensadores est aticos 40 0,62

Tabela 2: Desligamentos for cados em 1994

Tipo Qtde

Eletromecanico 3281 Est atico 1409 Digital 10

Tabela 3: Rel es de distancia utilizados no sistema interligado brasileiro at e 1994 rel es de distancia. As linhas de transmiss~ao do sistema interligado brasileiro s~ao protegidas pelos rel es de distancia, conforme os tipos construtivos mostrados na Tabela 3.

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