Capítulo IV Dispositivos de proteção – Parte II€¦ · · 2017-01-18O número que expressa...
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26O Setor Elétrico / Abril de 2010
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Relé direcional de potência Emconcepção,osrelésdirecionaisdepotênciasão
relésqueoperamquandoovalordapotênciaativado
circuitoultrapassaumvalorprefixadoouajustadoena
direção preestabelecida.Atualmente, com o advento
dosrelésdigitais,jáexistemrelés32P,32Q,32S.
Função ANSI
OnúmeroparaafunçãoANSIparaorelédirecional
depotênciaé32.
Direcionalidade
Osrelés32operamemapenasumadireção.
Polarização
Apolarizaçãodorelé32éportensãoecorrente.
Conexão
Asprincipaisconexõesparaorelé32são:30°,60°
e90°.Aconexãomaisusualéa30°.
Unifilar
Orelé32podeserrepresentadoemumesquema
unifilarconformeindicadonaFigura1.
Por Cláudio Mardegan*
Capítulo IV
Dispositivos de proteção – Parte II
Apotêncianominalvistapeloreléédadapela
equaçãoabaixo.
Quando instalado na interconexão com
concessionária,o ajustedeste relé énormalmente
dadoemfunçãodeumpercentualsobreototalda
geraçãooqualécalculadocomoabaixo:
Relé diferencial São relés que operam quando a diferença da
corrente de entrada em relação à corrente de saída
ultrapassaumvalorpreestabelecidoouajustado.
Função ANSI
O número que expressa a função ANSI do relé
diferencial é o 87. Pode receber uma letra adicional
como 87T (diferencial de transformador), 87B
(diferencial de barra), 87G (diferencial de gerador),
87M(diferencialdemotor),etc.
Direcionalidade
Operamdentrodesuazonadeproteção(entreos
TCsdeentradaesaída)emqualquerdireção.
Polarização
Apolarizaçãodorelédiferencialocorreporcorrente.
Conexão/esquemas
Paraarepresentaçãoemesquemasunifilares,vide
Figura2.Paraarepresentaçãoemesquemastrifilares,
videFigura3.
Figura 1 – Representação em unifilar do relé 32 (direcional de potência).
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Figura 2 – Representação em unifilar do relé 87 (diferencial).
Figura 3 – Esquema trifilar do relé 87
Existemdoistiposbásicosderelésdiferenciais:orelé
diferencialamperimétrico,queseconstituiapenasdeumrelé
desobrecorrenteinstantâneoconectado,operandodeforma
diferencial;orelédiferencialpercentualconstituído,alémda
bobinadeoperaçãoumabobinaderestriçãodivididaemduas
metades.
Relé diferencial percentual Comodescritonoparágrafoanterior,existemduasmetadesde
bobina(N2)percorridaspelacorrentemédia(I1+I2)/2queexercem
arestriçãoeadiferençadecorrente(I1–I2)eexerceaoperação
sobreabobina(N1).OesquematrifilardaFigura3mostraesquema
deligaçãoefuncionamento.
Emque:
Io=Correntedeoperação
Ir=Correntederestrição
Io=I1–I2
Ir=(I1+I2)/2
Aequaçãouniversaldosrelés
fica:
C=K1(I1–I2)2–
K2[(I1+I2)/2]2–K3
Fazendo-seinicialmenteK3
=0eparaC=0,tem-sea
declividadedareta:
Levando-seemcontaK3,tem-se:
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ade Quando Ir = (I1 + I2) / 2 tende a zero, atinge-se o valor de
pick-up.
Figura 4 – Característica de operação do relé diferencial.
Figura 5 – Esquema unifilar do relé de subtensão.
Figura 7 – Esquema unifilar do relé 59N.
Figura 8 – Sistema não aterrado (a) antes e (b) após uma falta a terra.
Figura 9 – Esquema trifilar para conectar o relé 59N.
(a) Sistema não aterrado antes CC Fase Terra
Figura 6 – Esquema unifilar do relé de sobretensão.
AFigura4mostraacaracterísticadorelédiferencial.
Relé de subtensão Sãorelésqueoperamquandoatensãodosistemacaiabaixode
umvalorpreestabelecidoouajustado.
Função ANSI
OnúmeroqueexpressaafunçãoANSIdorelédesubtensãoéo27.
Polarização
Apolarizaçãodorelédesubtensãoéportensão.
Conexão
A conexão do relé de subtensão é apresentada no esquema
unifilardaFigura5.
27
59
Relé de sobretensão Sãorelésqueoperamquandoa tensãodosistemaultrapassa
umvalorpreestabelecidoouajustado.
Função ANSI
OnúmeroqueexpressaafunçãoANSIdorelédesobretensão
éo59.
Polarização
Apolarizaçãodorelédesobretensãoéportensão.
Conexão
Aconexãodorelédesobretensãoéapresentadanoesquema
unifilardaFigura6.
Relé de sobretensão de sequência zero Sãorelésqueoperamquandoa tensãodosistemaultrapassa
umvalorpreestabelecidoouajustadonaocorrênciadeumafalta
a terra. Na prática, este relé é utilizado no secundário de TPs
conectados em estrela aterrada-delta aberto, ou utilizando-se
de recursos de firmware, em que a tensão de sequência zero é
calculadaapartirdastensõesdefase.
Asuaaplicaçãoémais frequenteemsistemasnãoaterrados,
paraadetecçãoeeliminaçãodefaltasaterra.Deve-se,preferen-
cialmente,desligarasfontes.
Função ANSI
OnúmeroqueexpressaafunçãoANSIdorelédesobretensão
desequênciazeroéo59N.
Polarização
Apolarizaçãodorelé59Néportensãodesequênciazero.
Conexão
Aconexãodoreléde59Néapresentadanoesquemaunifilar
daFigura7.
Demonstra-seaseguirovalorqueaparecenorelé59Nemum
sistemanãoaterradoquandosubmetidoaumafaltaaterra.
59N
(b) Sistema não aterrado depois CC Fase Terra na fase “a”
Aformatrifilardeconectarorelé59NéapresentadanaFigura9.
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ade Assim, pode-se provar que a tensão que aparece entre os
terminaisXeYéigualatrêsvezesatensãofase-neutrodosistema.
Vejaademonstraçãoaseguir.
Tese:VXY=3VFN
VXY=3Vao=3x(1/3)[Va+Vb+Vc]
VXY=Va+Vb+Vc
Va=0.0|0.0°;Vb=VFF|–60.0°;Vc=VFF|–120.0°
VXY=Va+Vb+Vc=0.0|0.0°+VFF|–60.0°+VFF|–120.0°
VXY=VFF(1|–60.0°+1|–120.0°)
VXY=VFNx√3x√3
VXY=3xVFN
Relé de bloqueio Sãorelésquerecebemsinaisdedesligamentodeoutrosrelés
e atuam sobreodisjuntor. Sua funçãoébloquearo religamento
dodisjuntornocasode falta,poisodisjuntor somentepode ser
religadoapósestereléserresetadoe,assim,somenteseráreligado
por pessoa especializada e autorizada.Normalmente, apenas os
relés de sobrecorrente são direcionados para este relé (50, 51,
50/51,50/51N,67,87).
Função ANSI
OnúmeroANSIparaestafunçãoéo86.
Polarização
Nãopossui.
Conexão
A representaçãodo relédebloqueioemesquemasunifilares
podeservisualizadanaFigura10.
Figura 10 – Representação do relé de bloqueio em esquemas unifilares.
Figura 11 – Foto de um relé de bloqueio
Relé de distância Umrelédedistânciapodeterestafunçãodesempenhadapor
umrelédeimpedância(ouohm),admitância(oumho–ocontrário
deohm),reatânciaoureléspoligonais.
Estereléutilizaestenomevistoque,quandoháumafaltaem
umalinha,aimpedânciadalinhavistapelorelémudaedepende
dadistânciaondefoiafalta.
Função ANSI
OnúmerodafunçãoANSIquerepresentaorelédedistânciaéo21.
Polarização
Apolarizaçãoéporcorrenteetensão.
Conexão
ConformeesquemaunifilarapresentadonaFigura12.
A Figura 11 mostra um relé de bloqueio típico. Os relés
de bloqueio possuem uma boa quantidade de contatos NA
(normalmenteabertos)eNF(normalmentefechados)parapoderem
realizar as lógicas de contato. Nos relés digitais e nos IEDs, a
funçãodebloqueiopodeserfeitapeloprópriorelé.
Figura 12 – Esquema unifilar do relé 21.
Figura 13 – Esquemático do princípio de funcionamento do relé 21.
Relé de distância do tipo impedância ou OHM
Estetipodedispositivodeproteçãoéumrelédesobrecorrente
comrestriçãodetensão,conformepodeserobservadonaFigura
13,quemostraesquematicamenteoprincípiodefuncionamentodo
relédedistânciadotipoimpedância,cujaequaçãodeconjugadoé
dadapor:
Os termos negativos K2 I2 e K3 representam as restrições de
tensãoedemola.
Nolimiardeoperação,ouseja,C=0aequaçãoacimafica:
Desprezando-seoefeitodemola,tem-seK3=0
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Figura 14 – Relé de distância tipo impedância.
Figura 15 – Temporizações das zonas de proteção.
Figura 16 – Valor de pick up e slope (declividade) do relé de distância.
Emumplano cartesiano complexoZ=R+ jX=Constante
significamóduloconstante.Assim,olugargeométricocujomódulo
éconstanteéumcírculo.VejaFigura14.
comprimentosl1,l2,l3,dentrodecadazonadeproteçãoeosrespectivos
temposdeatuaçãodet1,t2et3.AFigura15mostraestastemporizações.
Éimportantenotarquearegiãodeconjugadopositivo(atuação)
ficadentrodoscírculosdecadazonadeproteção.Assim,orelé
operarásemprequeaimpedânciaformenorqueovalorajustadoe
pelafotot1<t2<t3.
Levando-seemcontaagoraoefeitodamola,noiníciodafalta
àtensãotendeparazeroeacorrenteaumenta,logoaimpedância
(V/I=Z)tendeazero.
A linha de transmissão mostrada na Figura 14 mostra um relé
dedistânciado tipo impedância,quepossui trêszonasdeproteção,
correspondendoàsrespectivasimpedânciasZ1,Z2eZ3osrespectivos
AFigura16mostraovalordopickupdorelédeimpedânciae
asuarespectivadeclividade.
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ade Vale a pena lembrar que um relé de distância normalmente
apresenta três partes principais (a) unidade de partida; (b) três
unidades de impedância ajustáveis (Z e temporização) indepen-
dentes (Zona 1, 2 e 3); e (c) unidades auxiliares (sinalização,
bloqueiodecontatos,etc.).
Relé de distância do tipo reatância
Estetipodedispositivodeproteçãoéumrelédesobrecorrente
comrestriçãodirecional,dessaforma,aequaçãodoconjugadoé
expressapor:
C=K1I2–K2VIcos(θ-τ)–K3
Utilizando-seτ=90°,aequaçãoacimaresultaem:
C=K1I2–K2VIsen(θ)–K3
NolimiardeoperaçãoC=0edesprezando-seinicialmenteo
efeitodemola(K3=0),tem-se:
K1I2=K2VIsen(θ)
Acurvacaracterísticadesterelé,noplanoR-X,érepresentada
porumaretaparalelaaoeixoR,conformeindicadonaFigura17.
A aplicação deste relé apresenta algumas restrições pelo
fato dele apresentar uma característica aberta, sendo sensível às
oscilaçõesdosistema.Entretanto,devidoàsuacaracterística,este
relétorna-seindependentedaresistênciadearco.VideFigura18.
Figura 17 – Característica do relé de reatância.
Figura 19 – Relé de distância com característica inclinada.
Figura 18 – Relé de reatância com falta por arco.
Existem relésqueapresentamcaracterísticaangular.Derivam
damesmaequaçãoabaixo:
C=K1I2–K2VIcos(θ–τ)–K3
Fazendo-seC=0eK3=0
K1I2=K2VIcos(θ–τ)
Esta equação é uma reta na forma de 2a = r cos(θ – τ).
DependendodovalordarelaçãoK1/K2,tem-seumafamíliaderetas
inclinadasnoplanoR-X.
Pode-semostrarqueumadadacargadepotênciaS=P+jQ,
podeserrepresentadanoplanoR-Xnaforma:
Assim,éimportanteavaliarocomportamentodacarga,poisse
ocorreumaperturbaçãoavariaçãodaimpedânciadacargapoderá
penetrar na zona de atuação do relé de distância do tipo ohm,
podendocausarumdesligamentoindevido.Osrelésdedistância
comcaracterísticasangularespodemsermaisconvenientesnessas
condições, porém, operarem em condições de curto-circuito.
Existem relés que combinam características para poder tirar as
vantagensdecadatipodecurva.
Relé de distância do tipo admitância
Este tipo de dispositivo de proteção é um relé direcional com
restriçãoportensão.Aequaçãodeconjugadoédadapor:
C=K1VIcos(θ–τ)–K2V2–K3
No limiardeoperação (C=0) edesprezando-seo efeitode
mola(K3=0),tem-se:
K1VIcos(θ-τ)=K2V2
Dividindo-seambososmembrosporK2VI,tem-se:
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Figura 20 – Característica do relé de admitância ou tipo mho.
Figura 21 – Relé de distância tipo mho com falta e por arco.
EmumplanoR-X,aequaçãoacimarepresentaumcírculode
diâmetroK1/K2quepassapelaorigem,comomostradonaFigura
20.O ângulo t é, por construção do relé, o ângulo demáximo
torquedorelée,obviamente,acaracterísticadeconjugadonulo
ficaa90°dalinhademáximotorque.
Devidoàsuacaracterística,orelédeadmitânciaémaispropício
queorelédeimpedânciaparafaltasporarco.VejaFigura21.
Pode-sedemonstrarqueodiâmetrodocírculoéproporcional
aovalorobtidode(K1/K2).V2.Issosignificaqueparafaltaspróximas
dorelé(começodalinha)ovalordeVépequenoepodeocorrer
maufuncionamentooufalhadorelédevidoauma“zonamorta”.
Assim,significaquehánecessidadedeumcomprimentomínimo
delinha.Estefatofazserinteressanteajustar-searelaçãoK1/K2ou
haverumatensãomínimaparaoperaçãodorelé.Mesmonocaso
deumcurto-circuito franco (metálico),emqueV=0,naprática
terá um valor de resistência de arco, que corresponde a valores
da ordem de 4% da tensão nominal, o que normalmente será
suficienteparaoperarorelé.
Lista-seaseguiralgumascaracterísticasdorelémho:
Constitui-seumreléinerentementedirecional;
OcupaumamenoráreanoplanoR-X,oqueotornaadequado
paralinhaslongasdealtatensão,sujeitasaseverasoscilaçõesde
potência;
Acomodaadequadamentefaltasporarco.
Principais pontos a serem considerados na aplicação de
relés de distância
Apresenta-se a seguir alguns dos principais pontos a serem
observadosquandodaaplicaçãoderelésdedistância:
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Figura 24 – Característica tempo x corrente do 51 V em função do valor da tensão.
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Faltasmuitopróximasdorelé(tensãomuitobaixa);
Elevadaimpedânciadecurto-circuito;
Faltadetransposiçãooutransposiçãoinadequada;
Oscilaçãodepotência;
EfeitodasaturaçãodeTCs;
Impedânciamútua;
Resistênciadearco;
Derivaçõesdelinhas;
Efeitoinfeed/outfeed;
Variaçõesdetemperaturaambienteecondiçõesderesfriamento
doscondutores(direçãoevelocidadedovento).
Proteção de distância típica
Apresenta-seaseguir,naFigura22,umaproteçãodedistância
típica para proteção de 100% de uma linha de transmissão,
utilizando-sedoisrelésigualmenteajustados,“olhando”umparao
outro.Existemoutroscritérios.
Relé de sobrecorrente com restrição (ou supervisão) de tensão
Anteriormentefoimostradoquequandoocorreumcurto-circuito
emumgerador,acorrentedefaltaamortecerapidamente,podendo
mesmoacontecerqueacorrentedecurto-circuitopermanentefique
abaixodacorrentenominaldogerador.Comoentãoprotegereste
equipamento,tendoquepermitiracirculaçãodecorrentenominal
e ao mesmo tempo conseguir proteger na condição de curto-
circuito?Foidestaformaquesurgiuaproteçãodesobrecorrentecom
supervisãoourestriçãodetensão.Naprática,oqueestaproteçãofaz
édeslocaracaracterísticadorelédesobrecorrenteparaaesquerda
horizontalmente(noplanocartesianotxI,emfunçãodovalorda
tensão.AFigura24ilustraoexposto.
Função ANSI
O número da função ANSI que representa o relé de
sobrecorrentecomrestriçãodetensãoéo51V.
Figura 22 – Proteção de distância típica.
Polarização
Apolarizaçãoéporcorrenteetensão.
Conexão
ConformeesquemaunifilarapresentadonaFigura23.
Figura 23 – Representação em esquema unifilar do relé 51 V.
EmrelésnuméricosdigitaiseIEDs,arestriçãonormalmenteé
feitapormeiodaaplicaçãodeumfatorsobreovalordopick-up,
comosegue:
IPICK-UPRESTRIÇÃO=IPICK-UP51xFator
AFigura25ilustraumreléqueapresentaestacurvatípica.Para
oexemplo,vê-sequeovalordofatoré0,25paravaloresdetensão
de 0% a 25% da tensão nominal. Entre 25% e 100% da tensão
nominalobedeceacurvadaFigura25(ouseja,ovalorpµdatensão
correspondeaofator).Acimade100%datensãoofatorésempre1.
35O Setor Elétrico / Abril de 2010
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Figura 25 – Fator aplicado em função do valor da tensão para relés digitais e IEDs.
Figura 26 – Esquema unifilar do relé de frequência.
Relé de frequência Sãorelésqueoperamquandoafrequênciadosistemacai(relé
de subfrequência) abaixoouultrapassa (relé de sobrefrequência)
umvalorpreestabelecidoouajustado.
Função ANSI
OnúmeroqueexpressaafunçãoANSIdorelédefrequênciaéo81.
Polarização
Apolarizaçãodorelédefrequênciaéportensão.
Conexão
A conexãodo reléde frequência é apresentadano esquema
unifilardaFigura26.
Aplicação
Aaplicaçãodesterelééfeitaemsistemasemqueexisteapossibilidade
dehaveraperdaparcialdegeraçãoeaindaqueestasperdasnãopossam
ser toleradasporcerto tempo.Outraaplicaçãodestaproteçãoé feitaem
sistemasemqueháanecessidadederejeiçãodecargas(loadshadding),com
oobjetivodedescartarcargasdeformaarecuperarafrequênciadosistema.
*CLÁUDIO MARDEGAN é engenheiro eletricista formado pela Escola Federal de
Engenharia de Itajubá (atualmente Unifei). Trabalhou como engenheiro de estudos
e desenvolveu softwares de curto-circuito, load flow e seletividade na plataforma do
AutoCad®. Além disso, tem experiência na área de projetos, engenharia de campo,
montagem, manutenção, comissionamento e start up. Em 1995 fundou a empresa
EngePower® Engenharia e Comércio Ltda, especializada em engenharia elétrica,
benchmark e em estudos elétricos no Brasil, na qual atualmente é sócio diretor. O
material apresentado nestes fascículos colecionáveis é uma síntese de parte de um
livro que está para ser publicado pelo autor, resultado de 30 anos de trabalho.
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