TCC-Proteção de Sistemas Elétricos de Potência aplicado na Subestação Carajás 225 MVA

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(Parte 1 de 7)

Proteção de Sistemas Elétricos de Potência aplicado na Subestação Carajás 225MVA

1 Antônio Marcelino, Bruno R. Pucci, Darly B.R. Neto, Diogo J. dos Santos

Proteção de Sistemas Elétricos de Potência aplicado na Subestação Carajás 225MVA

2 Antônio Marcelino, Bruno R. Pucci, Darly B.R. Neto, Diogo J. dos Santos

Proteção de Sistemas Elétricos de Potência aplicado na Subestação Carajás 225MVA

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial para conclusão do Curso de Engenharia Elétrica ao Instituto Unificado de Ensino Superior Objetivo. Orientador: Asley Stecca Steindorff

Antônio Marcelino, Bruno R. Pucci, Darly B.R. Neto, Diogo J. dos Santos

Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Aplicados a Subestação Carajás

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Unificado de Ensino Superior Objetivo como requisito parcial para a Conclusão do Curso de Engenharia Elétrica

Goiânia, dia, mês e ano

Prof. (titulação)(orientador)

Exemplo:

Prof. (titulação)(membro da banca)

Examinador Examinador

“O valor do homem é determinado, em primeira linha, pelo grau e pelo sentido em que se libertou do seu ego”

Albert Einstein

1 - INTRODUÇÃO GERAL 8 1.1 – Problematização 8 1.2 – Objetivos 9 1.2.1 – Objetivos Especificos 9 1.3 - Justificativa 9 2 - INTRODUÇÃO A FILOSOFIA DE PROTEÇÃO 10 3 - ELEMENTOS COMPONENTES DO SISTEMA DE PROTEÇÃO 13 3.1 – Transformadores para Instrumentos 13 3.1.1 – Transformador de Corrente 13 3.1.1.1 – Saturação de TC 14 3.1.1.2 - Procedimento para seleção de transformadores de corrente 14 3.1.1.3 - Cálculo do Burden do Transformador de Corrente 15 3.1.1.4 - Estatística da assimetria 15 3.1.2 - Transformador de potencial 16 3.1.3 – Exemplo de Aplicação de TC e TP 18 3.2 – Relés de Proteção 20 3.2.1 - Relés Eletromecânicos 20 3.2.1.1 - Relés de Atração Eletromagnética 21 3.2.1.2 - Relés de Indução Eletromagnética 21 3.2.1.3 - Relé Primário 2 3.2.1.4 - Relé Secundário 2 3.2.1.5 - Relé de Atuação Direta 23 3.2.1.6 - Relé de Atuação Indireta 23 3.2.2 - Relés Eletrônicos ou Estáticos 23 3.2.3 - Relés Digitais 24 3.2.4 - Relés Numéricos 24 3.3 – Equipamentos de Manobra 25 3.3.1 - Disjuntores de Alta Tensão 25 3.3.1.1 - Unidade de comando 25 3.3.1.2 - Sistema de Acionamento 25 3.3.1.3 - Unidade interruptora 26 3.3.1.4 - Sinalização e Estado Disjuntor 26

3.3.2 - Chaves de Alta Tensão 27 3.3.2.1 - Tipos Construtivos 27 3.3.2.2 - Mecanismo de Operação 27 3.3.2.3 - Sinalização e Estado da Chave 28 3.3.3 - Condições de Manobra 28 4 – INTRODUÇÃO A PROTEÇÃO DE EQUIPAMENTOS 30 4.1 – Introdução a Proteção de Barras 30 4.2 – Introdução a Proteção de Transformadores 30 4.2.1 – Proteção Diferencial 31 4.2.2 – Proteção Diferencial Percentual 3 4.2.4 – Exemplo de Aplicação 37 4.3 – Proteção de Sobrecorrente 38 4.3.1 – Conceitos Básicos 38 4.3.2 – Ajuste de Tempo de Operação 39 4.3.3 – Exemplo de Aplicação 41 4.3.3.1 - Cálculo da unidade de fase – Sobrecorrente Temporizado (51) 42 4.3.3.2 - Cálculo da unidade de fase – Sobrecorrente Instantâneo (50) 45 4.3.3.3 - Cálculo da unidade de Neutro – Sobrecorrente Temporizado (51N) 45 4.3.3.4 - Cálculo da unidade de Neutro – Sobrecorrente Instantâneo (50N) 47 4.3.3.5 – Resumo geral das unidades 50/51 e 50/51N 48 4.4 – Introdução a Proteção de Linhas 50 4.4.1 – Relé de distância (21) 50 4.4.2 – Relé de Distância Eletromecânico 53 4.4.3 – Relé de Distância à impedância 5 4.4.3.1 – Relé de distância à impedância modificada 58 4.4.4 - Relé de distância à reatância 58 4.4.5 – Relé de distância à admitância 60 4.4.6 – Relé de Distância Digital 61 4.4.6.1 – Unidade de medida de distância 62 4.4.6.2 – Unidade de supervisão para frente e para trás 62 4.4.7 – Exemplo de utilização do Relé de Distância para Proteção de Linhas 63 4.4.7.1 - Dados das linhas de transmissão 63 4.4.7.2 – Definição do grau de confiabilidade proteção de distância 67

4.4.7.3 – Definição das zonas 68 4.4.7.4 – Cálculo das zonas 69 4.4.7.5 – Cálculo das resistências de falta 69

4.4.7.6 – Correntes de curto-circuito 1Φ, fase-terra em 85% da LT Carajás – Anhanguera I – Z1 70 4.4.7.7 – Correntes de curto-circuito 3Φ, fase-fase em 85% da LT Carajás – Anhanguera I – Z1 71 4.4.7.8 – Correntes de curto-circuito 1Φ, fase-terra na barra de Anhanguera 230kV – zona 2 72 4.4.7.9 – Correntes de curto-circuito 3Φ, fase-fase na barra de Anhanguera 230kV – zona 2 73 4.4.7.10 – Correntes de curto-circuito 1Φ, fase-terra na barra de Anhanguera 230kV – zona 3 73 4.4.7.1 - Correntes de curto-circuito 3Φ fase-fase na barra de Anhanguera 230kV – zona 3 74 4.4.7.12 - Correntes de curto-circuito 1Φ, fase-terra em 50% da LT 230kV ANH-CJA I – zona 4 75

1 - INTRODUÇÃO GERAL

O objetivo de um Sistema Elétrico de Potência (SEP) é fornecer energia elétrica às várias cargas existentes em uma área de serviço. Quando adequadamente projetado e operado, ele deve atender aos seguintes requisitos:

• Deve fornecer energia praticamente em todos os locais exigidos pelos consumidores;

• A carga alimentada necessita de potência ativa e reativa, variáveis com o tempo. O sistema deve estar apto a fornecer essa demanda variável;

• A energia fornecida deve obedecer a certas condições mínimas, relacionadas com a qualidade. Três fatores básicos determinam essa qualidade; a) freqüência constate; b) tensão constante; c) alta confiabilidade;

• O sistema deve fornecer energia com custos mínimos, tanto econômicos como ecológicos. Para atender os requisitos supracitados, os sistemas se armaram de diversos recursos e métodos, como a interligação dos sistemas elétricos, novos projetos e manutenção de cada componente do SEP, e por último, porem não menos importante, a utilização da teoria da Proteção dos Sistemas Elétricos de Potência, que visa controlar e minimizar os efeitos de quaisquer faltas que possam ocorrer.

A Subestação (SE) Carajás, se insere neste sistema de proteção. Com 225MVA de potência, seu objetivo principal é aliviar a sobrecarga dos transformadores da SE Anhanguera e SE Xavantes que atualmente estão com 20% de sobrecarga. No presente momento, a SE Carajás aliviou somente cargas ligadas no sistema de 13.8kV da SE Atlântico, mas futuramente com a entrada das Linhas de Transmissão (LT) de 138kV do vão Goyá – Atlântico – Independência - Campinas poderá aliviar cargas nas SE Anhanguera e SE Xavantes. Outra futura linha de transmissão, a LT Palmeiras – Carajás com tensão de 230kV, aliviará também o transformador da SE Palmeiras que também se encontra com 20% de sobrecarga.

1.1 - Problematização

Atualmente, o consumidor de energia elétrica está cada vez mais exigente com a qualidade do produto adquirido por ele, ou seja, a energia elétrica. Dessa forma, as técnicas de Filosofia de Proteção aplicadas em Sistemas de Potência desempenham papel fundamental para atender os requisitos destes consumidores, a fim de prover energia elétrica sem variações de tensão ou freqüência, quer seja por oscilações, quer seja por interrupções.

Tendo conhecimento destes fatos, elaboram-se as seguintes questões: a) Quais etapas devem ser seguidas para se implementar um esquema de proteção adequado? b) Como aplicar estes estudos de proteção em situações reais (subestações)?

1.2 -Objetivos

O objetivo deste estudo é apresentar os conceitos teóricos de Filosofia de Proteção aplicados na Subestação Carajás, com foco nos ajustes dos relés e demais equipamentos de proteção.

1.2.1 - Objetivos Específicos a) Apresentar a teoria e cálculos para dimensionar os Transformadores para Instrumentos; b) Apresentar definições técnicas dos equipamentos de proteção, cálculos e ajustes necessários para o estudo da Proteção e Coordenação; c) Descrever os cálculos dos ajustes da Proteção da Barra 230 kV; d) Descrever os cálculos dos ajustes da Proteção Diferencial do Trafo IV; e) Descrever os cálculos dos ajustes da Proteção de Sobrecorrente do Trafo IV; f) Descrever os cálculos dos ajustes da Proteção da Linha, do Vão Anhanguera I;

1.3 - Justificativa

Esperams mostrar o estudo e as características de parte da subestação Carajás com foco nos ajustes dos relés e demais equipamentos de proteção, relacionando estes cálculos com as técnicas de Filosofia de Proteção abordadas nas obras literárias de Engenharia Elétrica e de Sistemas de Potência.

2 - INTRODUÇÃO À FILOSOFIA DE PROTEÇÃO

Sistemas de proteção são sistemas aos quais estão associados todos os dispositivos necessários para detectar, localizar e comandar a eliminação de um curto-circuito ou uma condição anormal de operação de um sistema elétrico, diminuindo os danos aos equipamentos defeituosos, com conseqüente redução do tempo de indisponibilidade e menor custo de reparo.

A eficácia de um esquema de proteção é tanto maior quanto melhor forem atendidos os seguintes princípios:

Sensibilidade - capacidade do sistema de proteção atuar nas condições anormais do para o qual foi projetado;

Seletividade – a proteção deve ter a capacidade de restringir a área de interrupção ao mínimo necessário para isolar completamente o elemento defeituoso, ou seja, um curto-circuito em um ponto do sistema não deve afetar outras partes;

Coordenação – os relés estão coordenados se seus ajustes são tais que, ao segundo dispositivo, é permitido eliminar a falta caso o primeiro falhe na atuação.

Segurança – a pronta atuação dos esquemas de proteção diminui os efeitos destrutivos dos curtos-circuitos, aumentando a segurança pessoal;

Confiabilidade – o esquema de proteção deve ter operação correta e precisa somente nas condições para as quais foi projetado, não devendo atuar para qualquer outras condições.

Velocidade – é a capacidade do sistema desligar o trecho ou equipamento defeituoso no menor tempo possível.

Segundo Caminha (1977), a principal função de um sistema de proteção é a de causar rápida retirada de operação de qualquer elemento de um sistema, quando ele sofre um curto-circuito, ou quando operar sob condições anormais que possa causar dano ou interferir na operação do sistema. Além disso, outra atribuição do sistema de proteção é indicar a localização e o tipo da falta, possibilitando a análise das características de mitigação da proteção adotada.

O dispositivo elétrico que sente a anormalidade no sistema e comanda a retirada do elemento defeituoso é o relé. De acordo com Kindermann (2005), os relés são os elementos mais importantes do sistema de proteção, uma vez que estes equipamentos são capazes de identificar os defeitos, alertar a quem opera o sistema, e promover a abertura de disjuntores de modo a isolar a falha. Dessa forma, pode-se dizer que os princípios que regem a Filosofia de Proteção estão relacionados com a teoria dos relés.

Os relés de proteção contra falta, permitem distinguir logicamente a diferença entre correntes de curtos-circuitos e de carga normal e, em alguns casos, distinguir diferentes locais de falta.

Os três indicadores que dão as informações necessárias que permitem distinguir entre as correntes de carga e de curto-circuito são: a) tensão, b) corrente e c) ângulo entre a corrente e a tensão.

As correntes de curto-circuito são geralmente maiores que as correntes de carga; as tensões do sistema durante o curto-circuito são menores que as normais, e o ângulo de atraso da corrente em relação à tensão é em geral maior para correntes de curto-circuito do que para corrente normal. Por essa razão, os relés de proteção contra falta usam a tensão e a corrente como grandezas características de entrada. Uma vez que as correntes de falta estão sempre atrasadas, o ângulo entre a tensão e a corrente, além de indicar o tipo de corrente, mostra a direção da corrente de falta. A razão entre a tensão e a corrente determina a distância entre o local do relé e a falta. Quanto à localização do relé, faltas próximas provocam correntes grandes, baixas tensões, enquanto defeitos mais distantes provocam correntes menores e tensões não tão baixas.

Ocorrendo uma anomalia no sistema, de modo que o parâmetro sensível do relé ultrapasse o seu ajuste, o mesmo atua.

De modo geral, a atuação de um sistema de proteção se dá em três níveis, que são conhecidos como: proteção principal (ou primária), de retaguarda e auxiliar. A proteção principal é aquela que deverá atuar primeiro, enquanto que a proteção de retaguarda se encarregará da proteção no caso de a proteção primária falhar na eliminação da falta. “Nestas condições, é desejável que o releamento de retaguarda seja arranjado independentemente das possíveis razões de falha do releamento primário”. Geralmente, a fim de atender este requisito, é comum que a proteção de retaguarda fique localizada em uma subestação diferente de onde está instalada a proteção principal.

Duas regras básicas devem ser observadas pelos equipamentos de proteção, a saber: se não há defeito, a proteção não deve atuar, uma vez que desligamentos desnecessários podem ser piores que a falha de atuação e caso haja defeito na zona de controle do relé, as ordens devem ser precisas [9].

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