Proteção SEP Vol2 - Geraldo Kindermann - 2a ed

(Parte 2 de 7)

tf> Ocorre uma sobretensão em 1 ou 2 fases que se mantém por certo tempo provocando a operação da unidade de sobretensão temporizada. Note que os contatos das unidades temporizadas estão em paralelo, portanto qualquer tmidade que atua provoca o disparo do disjuntor.

Os TPs podem também serem conectados em /j. para a ligação dos relés entre fases.

Apresentou-se aqui a proteção de sobretensão relés de sobretensão eletromecânicos para possibilitar um melhor entendImento do funcionamento físico do equipamento, mas atualmente utilizam-se relés

Zona de Proteção 1 digitais multifunção, em que a função 59 já está incorporada. Geralmente, a função 59 no relé digital é de tempo definido.

Num relé de sobretensão eletromecânico é interessante obter a relação de tensão de atuação (pick-up) e a tensão de desoperação (drop-out), conforme expressão 1.2.2.

e plck-up 10)

x

R 1. (0/ = tensão de atuação 100 tensao de desoperaçao drop-out

( l.2.2)

Note que a expressão 1.2.2, deve-se principalmente ao relé eletromecânico, em que o fluxo magnético mínimo gerado pela sobretensão que é suficiente para acionar a alavanca fechando os contatos é bem maior que o fluxo magnético gerado por uma tensão menor que consegue soltar a alavanca do relé, abrindo-se os seus contatos. Pela expressão 1.2.2 este valor é sempre maior que 100%. Note que este problema intrínseco do relé eletromecânico leva a um valor bem superior a 100%.

Quando ocorre uma sobretensão temporária que provoca a operação do relé de sobretensão instantâneo, pode muitas vezes permanecer o contato fechado mesmo com o retomo da tensão nominal do sistema. Por isso, devese sempre ter o cuidado para que a tensão de desoperação seja maior que a tensão nominal do sistema, assim garante-se o restabelecimento do relé de sobretensão instantâneo. O relé de sobretensão digital não tem este problema, porque a relação de tensão do pick-up e drop-out é praticamente 100%.

A sobretensão no sistema elétrico pode provocar os seguintes problemas:

@ Arcos elétricos entre condutores de uma linha transmissão;

@ Arcos elétricos nos isoladores;

@ Aumento da corrente de fuga nos pára-raios;

@ Esforços maiores na isolação dos transfonnadores;

@ Esforços maiores na isol.ação dos geradores síncronos;

@ Aumento dos esforços na isolação elétrica dos equipamentos.

12 Capítulo I

1.3 Relé de Subtensão o relé de subtensão, função de proteção 27, opera quando a tensão diminui abaixo de um valor pré-ajustado. Construtivamente é idêntico ao relé de sobretensão, mas sua operação ocorre somente quando há uma redução da tensão elétrica no circuito no qual está instalado.

As características e esquemas de ligação são os mesmos da proteção de sobretensão. A curva de temporização desse relé é mostrada na figura l.3.l.

I-Rel\h: S"hlc). I-

I'" ;e

§ .. o

.. 70

• o lO 20 30 eo

eo 100

10 Porento' lln lndn

Figura 1.3.1 -Curva de Temporização do Relé de Subtensão

Os relés de subtensão são idênticos aos relés de sobretensão, mostrado na figura 1.2.1, com bobina magnetizante com vários taps para possibilitar a escolha do percentual (%) da tensão ajustada para a qual o relé u:á atuar. A atuação é por ação da desoperação (drop-out) da alavanca. Na operação normal do sistema, a tensão nominal produz um fluxo magnético

Zona de Proteção 13 que mantém atraída a alavanca (armadura) do relé, confonne ilustrado na figura l.3.2.

Taps ~~---4-b--------~

Bobina Magnetizante do Relé 271

-

--+

----"" t, Eixo

Mola Alavanca

Figura 1.3.2 -Relé de Subtensão Instantâneo (271) nâo Operado

A mola neste caso se mantém pennanentemente tracionada. Quando a tensão elétrica do circuito diminui abaixo de um valor ajustado, o fluxo magnético diminui e solta a alavanca. A mola que está tracionada puxa a alavanca de volta fechando o contado do relé, isto é, concretizando a operação propriamente dita do relé de subtensão 27. Ver figura l.3.3 .

'. Bobina Magnetizante do Relé 271

{rn-i:,

Eixo Figura 1.3.3 -Relé de Subtensão Instantâneo (271) Operado

O relé de subtensão (27) é utilizado em várias situações na proteção do sistema elétrico, muitas vezes combinado com outros relés. Por exemplo, utiliza-se o relé de sobrecorrente com monitoramento (pennissivo) por subtensão. Isto significa que a atuação da proteção é combinada, isto é, o disjuntor só receberá disparo se houver atuação dupla, do relé de

14 Capítulo I sobrecorrente 51 e elo relé ele subtensão 271. O esquema apresentado na figura 1.3.4 mostra como se realiza a operação desta proteção.

BARRA \

~--

LT TP \ t-@

Figura 1.3.4 -Diagrama U nifilar e Esquemático em DC da Proteção de Sobrecorrente com Supervisão do Relé de Subtensão (51/27)

O esquemático em De está apresentado na figura 1.3.5.

Figura 1.3.5 -Esquemático em DC da Proteção de Sobrecorrente com Supervisão do Relé de Subtensão (51/27)

Na representação numérica da ANSI (apêndice A), o relé de sobrecorrente temporizado com monitoramento de subtensão é denominado por 51/27.

Outra variante, muito utilizada é a denominada de proteção por relé de sobrecorrente com restrição de tensão. Neste caso, o torque de atuação no relé de sobre corrente eletromecânico é dependente da tensão, que pode ser por subtensão ou sobretensão. Por exemplo, a figura 1.3.6 mostra o diagrama uni filar desta configuração por restrição de subtensão.

Zona de Proteçào 15

BARRA ou 51

Figura 1.3.6 -Relé de Sobrecorrente com Restrição de Subtensão O esquemático em DC está apresentado na figura 1.3.7.

+ I 5215oou51

I52a

Figura 1.3.7 -Esquemático em DC

O torque no relé de sobrecorrente eletromecâ.nico, ou seja, a sua corrente de atuação depende do tap escolhido e varia em função do valor da tensão elétrica aplicada após atuação do relé 27. Isto é, a corrente de ajuste do relé de sobrecorrente varia de acordo com a tensão elétrica aplicada e pode ser dada pela expressão 1.3.1.

IOjuste500u51 = Tap 50 ou 51 .f(V27) (1.3.1)

Para o relé digital ou eletrônico, a corrente de ajuste varia de acordo com a expressão 1.3.2.

Iojuste 50 ou 51 = Iajustado no 50 ou 5J • f (V27) (1.3.2) Em que:

16 Capítulo I f(V-t Representa uma função que varia de acordo com o valor da tensão sobre o relé 27.

A corrente de ajuste do relé de sobrecorrente 50 ou 51 pode ser vlsualizada, por exemplo, na figura 1.3_8.

lajuste do relé de sobrecorrente

Tap Ajustado

-----------.

v Tensão Nominal

Figura 1.3.8 -Curva do Iajuste versus tensão V

Note-se que com o abaixamento da tensão aumenta-se a sensibilidade do relé de sobrecorrente, esta característica é útil em vários esquemas de proteção, principalmente os utilizados na partidas de máquinas rotativas.

A proteção por relé de sobre corrente com restrição (dependência) de tensão é denominada de 50V ou 51Y.

O relé digital de multi função contém várias funções incorporadas, inclusive a de subtensão 27 e a de sobretensão 59. A característica de atuação com respeito à tensão e à temporização são mostradas na figura 1.3.9_

Neste caso o relé opera quando a tensão sai da faixa de operação mostrada na figura 1.3_9, inclusive as temporizações podem ser diferentes para as funções 27 e 59_

Zona de Proteção 17 t Tempo l'

Atuação ~

27 59 Tensão Figura 1.3.9 -Característica de Atuação do Relé de Tensão 27 e 59

IA Proteção de Sobretensão para a Terra de Sistemas Isolados

Num sistema isolado ou ateITado com uma alta impedância, geralmente para a proteção de defeito à terra, utiliza-se a tensão de seqüência zero obtida por 3 TPs ligados em b,. aberto. A figura 1.4.1. ilustra esse esquema de ligação.

A 8 C

~-.--.-----~.~

+ ~------~------~

vA

R + F -unçao

Figura 1.4.1 -Relé de Sobretensão Conectados nos Terminais do b,. Aberto

Neste tipo de sistema elétrico, quando ocorre um defeito em relação à terra, haverá um desequilíbrio de tensão com a conseqüente geração de

18 Capítulo I tensão de seqüência zero. Assim, conforme descrito na referência [5], na ligação em A abelio aparecerá uma tensão de seqüência zero com o valor de

JVo que ativa o relé de sobretensão 59. Apesar de o relé ser de sobretensão esta função de proteção é denominada de 64 pela ANSI, dita também de proteção de terra ou de contato à terra.

Por exemplo, no circuito de 13,8 kV dos serviços auxiliares de uma subestação, proveniente do terciário ligado em /').. do transformador de potência de 3 emolamentos, utiliza-se a proteção de sobretensão mostrada na figura 1.4.l. Note que neste caso, em funcionamento normal, a tensão no secundário dos TPs é de 115/.J3 = 6,4 V.

Em termos fasoriais, tem-se:

Y. = 6,4LO° V

Yb = 6,4L -120V

Vc = 6,4L -240V

A tensão sobre o relé 59 é:

VRelé59 = Va + Vb + Yc = zero

Portanto em funcionamento normal do sistema elétrico a tensão no relé 59 é nula. Havendo um defeito à terra, no sistema elétrico isolado, as tensões desequilibradas geram tensões de seqüência zero iguais e em fase no secundário dos TPs, e o relé 59 ficará submetido a

VRelé59 = 3Vo = 3x 6,4 = 199,2V

Desse modo o relé 59 deve ser ajustado com uma tensão bem menor, por exemplo:

VAjustedoRelé59 = Vno min ai <3Vo

Na prática, na figura 1.4.l, é necessário colocar em paralelo com o relé 59 uma resistência elétrica (R) de estabilização, principalmente para minimizar as sobretensões advindas da própria operação do relé e também para atenuar possíveis problemas de ferro-ressonância tão comum neste tipo de circuito.

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I 2.1 Relé Diferencial o relé diferencial é um dispositivo de proteção de um equipamento que se baseia no princípio da comparação de corrente elétrica de entrada e saída, podendo haver várias possibilidades de conexões, sendo simbolicamente representada pela figura 2.1.1.

ientrada • Elemento

Protegido

Figura 2.1.1 -Plincípio da Proteção Diferencial

A ftmção de proteção fundamenta-se na 1 a Lei de Kirchhoff aplicada ao equipamento, isto é

20 Capítulo I

(2.1.1 ) o dispositivo de proteção vai atuar do seguinte modo:

a) Se ientrdda =: i..ida , a corrente irei'; =: O, e o relé não atua, isto é, o elemento protegido não apresenta defeito.

b) Se i.ntrnda -isaida ::; I.juste do relê' a proteção não atua porque a diferença de corrente é menor que a corrente de ajuste do relé.

c) Se ientrada -isaida > I uste do relé' a proteção atua porque a diferença de corrente é maior que o ajuste no relé. Neste caso há um defeito no elemento protegido.

A comparação das correntes elétricas é feita por meio de TCs. A proteção diferencial é largamente empregada na:

• Proteção de transformadores de potência

• Proteção de cabos subterrâneos

• Proteção de máquinas síncronas

• Proteção de barras • Proteção de cubículos metálicos

• Proteção de linhas de transmissão curta A proteção diferencial é denotada pelo número de função 87.

Apresentam-se a seguir várias possibilidades do emprego da proteção utilizando o relé 87.

12.2 Relé Diferencial Comum

É uma proteção em que se utiliza um relé de sobrecorrente 50 ou 51, fazendo a função 87. A figura 2.2.1 mostra o esquema genérico desta proteção, em que os TCs têm relação 1: 1.

Relé Diferencial

Íenrrada ( secundário)

Elemento Protegido

Relé

Ísaída (secundário;

Figura 2.2.1 -Proteção Diferencial Comum na Operação Normal do Sistema Elétrico

No caso da figura 2.2.1 em que o sistema elétrico está operando normalmente, isto é, alimentando uma carga, as con-entes de entrada e saída são iguais é o relé não opera. Note que a proteção diferencial pode ser empregada em sistemas elétricos radiais e em anéis, sendo que sua zona seletiva de atuação é entre os dois TCs.

A figura 2.2.2 apresenta o caso de um curto-circuito fora da zona protegida pelos dois TCs.

Elemento Protegido

Bobina de i2 =: i magnetização do

~ relé de sobrecorrente

Figura 2.2.2 -Defeito Fora da Zona Protegida

Supondo o sistema em anel, as correntes que suprem o cUlto-circuito vêm dos dois lados como mostra figura 2.2.2, mas como o defeito ocorreu fora da zona protegida pela proteção diferencial, os dois TCs vêm a mesma corrente i I , e o relé não opera.

Já a figura 2.2.3 apresenta um curto-circuito interno à ligação diferencial.

Elemento Protegido

Figura 2.2.3 -Defeito Dentro da Zona Protegida

Capítulo I

Se o sistema for radial a conente 12 = O, e se for em anel a conente 12 será uma conente de curto-circuito. A conente que passa pela bobina magnetizante do relé será i + i2 e a proteçâo atuará.

É importante observar que o uso das ligações anteriores é freqüente. Apesar das ligações anteriores serem usadas, elas apresentam problemas na oconência de elevado curto-circuito fora da zona seletiva, mas muito próximo ao TC. Isto se dá devido a:

• não ser perfeito o casamento dos TCs;

• saturação dos TCs;

• carregamento -(burden) nos secundários dos TCs, que causam saturação no núcleo;

.• outros problemas inerentes ao equipamento protegido.

As situações acima produzem enos nos TCs, podendo provocar a atuação indevida do relé de sobreconente que está fazendo a função de proteção 87.

Para contornar esses problemas é melhor utilizar o relé diferencial percentual.

12.3 Relé Diferencial Percentual

Relé Diferencial 23

Este esquema de proteção utiliza um relé diferencial percentual apresentado na figura 2.3.1.

1 TC Elemento TC i2 "~ ~ "~ ~ . I Protegido "[ L

1 I i2

N1 BOBINA DE

BOBiJ'IADE N2 ki2 OPERAÇÃO

RESTRlÇÃO I

12 1-!' ~"C +

! ~ I 1 MOLA EIXO

Figura 2.3.1 -Relé Diferencial Percentual Note-se que:

Ir-

• Se o elemento protegido for um cabo subtenâneo, uma máquina síncrona ou uma linha de transmissão curta, as conentes I e

12 serão iguais.

• Se o elemento protegido for um transfonnador, as conentes i I e i2 serâo determinadas pelas relações de h·ansfonnação do transfonnador e que deverão ser compensadas pelas relações de transfoffilação dos TCs e, se necessário, pelo emprego de TCs auxiliares.

O esquema de proteção diferencial percentual apresentado pela figura 2.3.1 baseia-se na interação de duas bobinas, que são:

• Bobina de restrição, que tem uma derivação central. O campo magnético gerado nesta bobina de restrição atua atraindo um êmbolo produzindo um torque negativo, isto é, contrário ao torque de operação.

24 Capítulo I

• Bobina de operação, cujo campo magnético atrai um êmbolo que produz o tOl·que positivo.

O relé 87 irá operar se o torque positivo (rJ for superior ao tOl·que negativo (rJ.

O funcionamento básico do relé diferencial percentual da figura 2.3.1 baseia-se nos torques gerados nas bobinas de restrições e de operação. Para analisar melhor o funcionamento, apresentam-se os itens a seguir.

a) Operação normal do sistema elétrico ou defeito fora da zona protegida.

Este é o caso em que as conentes seClmdárias nos TCs do esquema da figura 2.3.1 são iguais (i =i2). Nota-se que a bobina de restlição é composta de duas partes emoladas no mesmo sentido, portanto as conentes i I e i 2 produzem um campo magnético concordante que atrai com bastante força o êmbolo, produzindo um forte tOl·que negativo. Já na bobina de operação, a corrente resultante é i -i2 = O, ou seja, o torque será nulo. Assim, o forte torque negativo (restrição) garantirá a não operação do relé b) Defeito interno entre os dois TCs.

Quando o defeito (curto-circuito) é interno, ou seja, dentro da zona

limitada pelos dois Tes, as correntes i e i2 dirigem-se ao ponto do defeito. Neste caso, tem-se a inversão da corrente i2 como mostra a figura 2.3.2.

Para dar ênfase ao funcionamento deste relé, supõe-se que a corrente

12 tenha o mesmo valor em módulo da corrente i I' deste modo, o campo magnético gerado pela corrente i2, na meia bobina de restrição, tem sentido oposto ao campo criado pela corrente i' assim, o campo magnético de restrição resultante é nulo, conseqüentemente não existe torque de restlição.

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