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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Elaborao de um Guia para a Seleo de Rels em Redes Isoladas
Ribamar Nelson Ferreira
VERSO FINAL
Dissertao realizada no mbito do Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotcnica e de Computadores
Major Energia
Orientador: Professor Doutor Hlder Filipe Duarte Leite
Setembro de 2012
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ii
" A vida, nos nossos dias, no se compreende sem a eletricidade.
Cada vez esta conquista maior campo de ao e faculta maiores comodidades."
Ezequiel de Campos, 1924
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iii
Ribamar Nelson Ferreira, 2012
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iv
Resumo
Em sistemas eltricos de energia (SEE) a preservao de qualidade e continuidade de
servio essencial. Por vezes a continuidade de servio afetada pela ocorrncia dos mais
variados defeitos, responsveis pela ocorrncia de avarias nos geradores, transformadores,
linhas e outros componentes do sistema.
O sistema eltrico de energia dotado de sistemas de proteo prprio que assume um
papel importante no funcionamento e explorao da rede eltrica. O sistema de proteo
apesar de no evitar defeitos, fundamental para minimizar a sua propagao.
As redes isoladas so redes de dimenso relativamente pequena, possuindo pouca carga e
alimentada por geradores sncronos de pequena dimenso. Sendo redes eletricamente fracas,
sistema de proteo desempenha o papel preponderante. Assim, indispensvel uma aposta
em sistema de proteo eficaz, para a melhoria de continuidade de servio.
Esta dissertao visa a elaborao de um documento que sirva de guia para seleo de
rels de proteo para redes eltricas isoladas. Assim, este trabalho sugere solues de rels
de proteo multifunes de tecnologia digital para a proteo de pequenas redes eltricas
isoladas.
Palavras-Chave: Curto-circuito, Mdia Tenso, Qualidade de Servio, Redes isoladas, Rel de proteo, Rede
de Distribuio, Rede area, Rede subterrnea, Sistemas de proteo.
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v
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vi
Abstract
In power systems preservation of quality and continuity of service is essential.
Sometimes the continuity of service is affected by the occurrence of various defects,
responsible for the occurrence of faults in generators, transformers, lines and other system
components. The electric power system is equipped with protection systems which itself
plays an important role in the operation of the power grid. The protection system does not
prevent defects, but it is essential to minimize its spread.
The isolated networks are networks of relatively small size, low power and having
fed by small diesel generators. Being electrically weak networks, protection system plays the
leading role. Thus, it is essential to have a bet on effective protection system, to improve
service continuity.
This thesis aims drafting a document that serves as a guide for selection of
protective relays for isolated grids. Thus, this work suggests solutions multifunction
protection relays of digital technology for the protection of small isolated grids.
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vii
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viii
Agradecimentos
Ao meu orientador, Professor Doutor Hlder Filipe Duarte Leite, pela dedicao, apoio e
disponibilidade manifestada ao longo da realizao da dissertao.
Ao DEEC, o meu agradecimento pelo apoio prestado.
A minha famlia pelo carinho, motivao e inspirao, tornando possvel a realizao do
meu percurso acadmico.
Agradeo a todos os docentes que me ajudaram na minha vida acadmica.
Aos colegas e amigos e todos que de uma forma direta ou indireta contriburam para a
realizao deste trabalho.
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ix
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ndice
Resumo ............................................................................................. iv
Abstract ............................................................................................. vi
Agradecimentos ................................................................................. viii
ndice ............................................................................................... x
Lista de Figuras .................................................................................. xii
Lista de tabelas .................................................................................. xv
Abreviaturas e Smbolos ....................................................................... xvi
Captulo 1 .......................................................................................... 1
Introduo ........................................................................................................ 1 1.1 - Consideraes Iniciais ................................................................................. 1 1.2 - Motivao e Objetivos ................................................................................ 2 1.3 - Estrutura da Dissertao ............................................................................. 2
Captulo 2 .......................................................................................... 3
Redes Isoladas: Caraterizao ................................................................................. 3 2.1 - Introduo .............................................................................................. 3 2.2 - Caratersticas das redes isoladas em relao tenso e estrutura topolgica ............. 4 a) - Nveis de Tenso ..................................................................................... 4 b) - Funo ................................................................................................. 5 c) - Estrutura Topolgica ................................................................................ 5 2.3 - Redes de Distribuio em Mdia Tenso ........................................................... 6 2.4 - Subestao e Posto de transformao ............................................................. 7 2.4.1 - Subestao ........................................................................................... 8 2.4.2 - Posto de transformao .......................................................................... 13 2.5 - Resumo ................................................................................................ 18
Captulo 3 ......................................................................................... 19
Sistemas de proteo em redes eltricas de energia ................................................... 19 3.1 - Introduo e Consideraes Gerais ............................................................... 19 3.2 - Evoluo das Protees ............................................................................. 20 3.3 - Constituio e princpios de funcionamento dos sistemas de proteo .................... 22 3.3.1 - rgos de entrada do sistema de proteo ................................................... 22 3.3.2 - Rels de proteo ................................................................................. 23
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xi
3.3.3 - Classificao dos rels de proteo ............................................................ 24 3.3.4 - rgos de acionamento .......................................................................... 33 3.3.5 - Fontes de alimentao auxiliar ................................................................. 34 3.4 - Requisitos do sistema de proteo ............................................................... 34 3.4.1 - Zonas de proteo e redundncias ............................................................. 34 3.4.2 - Seletividade ........................................................................................ 35 3.4.3 - Sensibilidade ....................................................................................... 36 3.4.4 - Rapidez .............................................................................................. 37 3.4.5 - Segurana ........................................................................................... 38 3.4.6 - Fiabilidade .......................................................................................... 38 3.4.7 - Economia............................................................................................ 39 3.5 - Resumo ................................................................................................ 39
Captulo 4 ......................................................................................... 40
Potncia de Curto-Circuito versus Sistemas de proteo ............................................... 40 4.1 - Introduo ............................................................................................. 40 4.2 - Potncia de curto-circuito em redes isoladas .................................................. 41 4.3 - Pequenos geradores sncronos e suas caratersticas ........................................... 43 4.3.1 - Aspetos construtivos e princpio de funcionamento ........................................ 43 4.4 - Influncia do Baixo Potncia de Curto-Circuito nos sistemas de Proteo em redes
isoladas ................................................................................................ 46 4.6 - Resumo ................................................................................................ 47
Captulo 5 ......................................................................................... 48
Guia para Seleo de Rels de Proteo em Redes Isoladas ........................................... 48 5.1 - Introduo ............................................................................................. 48 5.2 - Aplicao de tecnologia digital na proteo da rede eltrica ............................... 48 5.2.1 - Arquitetura de um rel digital .................................................................. 49 5.3 - Proteo Digital de Gerador Sncrono ............................................................ 51 5.3.1 - Funo de proteo para o gerador ............................................................ 53 5.4 - Proteo digital de transformador de potncia ................................................ 59 5.4.1 - Funo de proteo para o transformador.................................................... 60 5.5 - Proteo digital dos Barramentos ................................................................. 64 5.5.1 - Funo de proteo para barramento ......................................................... 64 5.6 - Proteo digital de linhas e cabos ................................................................ 67 5.6.1 - Funo de proteo para as sadas ............................................................. 67 5.7 - Proteo digital para banco de condensadores ................................................ 69 5.7.1 - Funo de proteo de proteo para banco de condensadores ......................... 70 5.8 - Resumo ................................................................................................ 71
Captulo 6 ......................................................................................... 73
Concluso e trabalhos Futuros ............................................................................... 73 6.1 - Concluses ............................................................................................ 73 6.2 - Trabalhos Futuros .................................................................................... 73 6.2.1 - Impacto da penetrao de fontes renovveis no sistema de proteo em redes
isoladas ................................................................................................ 74
Referncias ....................................................................................... 75
Anexo A ............................................................................................ 78
Classificao das Funes de Proteo pela Nomenclatura ANSI/IEEE ............................... 78
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xii
Lista de Figuras
Figura 2.1 - Exemplo de esquemas de operao utilizados em redes de distribuio de mdia tenso (redes isoladas). ....................................................................... 6
Figura 2.2 - Exemplo de pequena subestao/posto de seccionamento mdia tenso ........ 10
Figura 2.3 - Exemplo de sala de comando de uma subestao ..................................... 11
Figura 2.4 - Exemplo de esquema simplificado de uma subestao (redes isoladas) ........... 13
Figura 2.5 - Interruptor-seccionador corte no ar e modular de corte em SF6 ................... 16
Figura 2.6 - Disjuntor mdia tenso de corte em SF6 ................................................ 16
Figura 2.7 - Transformador trifsico de distribuio imerso em leo ............................. 16
Figura 2.8 - Quadro Geral Baixa Tenso do posto de transformao .............................. 17
Figura 2.9 - Ligao terra no posto de transformao ............................................. 17
Figura 3.1 - Evoluo das protees ..................................................................... 21
Figura 3.2 - Esquema de um subsistema de proteo ................................................ 22
Figura 3.3 - rgos constituintes do rel de proteo ............................................... 23
Figura 3.4 - Rel elementar de atrao eletromagntica [11] ..................................... 25
Figura 3.5 - Rel de induo Eletromagntica ......................................................... 25
Figura 3.6 - Corrente induzido conjugado desenvolvido no disco do rel ........................ 26
Figura 3.7 - Princpio de funcionamento de rel esttico ........................................... 27
Figura 3.8 - Rel de tecnologia digital .................................................................. 27
Figura 3.9 - Curva caraterstico tempo instantneo .................................................. 29
Figura 3.10 - Curva caraterstico tempo definido ..................................................... 30
Figura 3.11 - Curva Caraterstico tempo inverso e tempo inverso com mnimo definido ...... 30
Figura 3.12 - Curva caraterstica dos trs grupos de tempo dependente ......................... 31
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xiii
Figura 3.13 - Caraterstico tempo combinado ......................................................... 32
Figura 3.14 - Exemplo de sala de baterias de uma subestao ..................................... 34
Figura 3.15 - Zonas de proteo [5] ..................................................................... 35
Figura 3.16 - Diferentes zonas de atuao de um rel ............................................... 35
Figura 3.17 - Seletividade por zonas de proteo [13] ............................................... 36
Figura 4.1 - Esquema unifilar de Thevenin da rede a montante (grupo gerador) ............... 41
Figura 4.2 - Esquema unifilar simplificado de grupo geradores ligados em paralelo ........... 42
Figura 4.3 - Geradores acionados por motores diesel [14] ........................................ 43
Figura 4.4 - Corte mquina sncrona de polos salientes e polos lisos [15] ........................ 44
Figura 4.5 - Exemplo de mquina sncrono operando como gerador [3] .......................... 45
Figura 5.1 - Modelo de organizao dos sistemas de proteo, comando e controlo das subestaes de distribuio [19] ................................................................... 49
Figura 5.2 - Constituio de um rel digital de proteo [9] ........................................ 50
Figura 5.3 - Esquema unifilar de ligao de pequenos e mdios geradores rede [11] ........ 51
Figura 5.4 - Esquema representativo de sistema que envolve o funcionamento do gerador .. 51
Figura 5.5 - Ligao de neutro do gerador terra .................................................... 52
Figura 5.6 - Esquema unifilar de proteo de pequeno gerador sncrono com ligao direto ao barramento ................................................................................. 58
Figura 5.7 - M-3425 Rel digital multifuno para a proteo do gerador sncrono [23] ...... 59
Figura 5.8 - Princpio de funcionamento do rel Buchholz .......................................... 61
Figura 5.9 - Proteo de transformador por rel digital Multifunes [24] ....................... 62
Figura 5.10 - TPU TC420 Rel digital multifuno para a proteo do transformador ......... 63
Figura 5.11 - Esquema de proteo de barramento ................................................... 66
Figura 5.12- TPU B420 Rel digital multifuno para a proteo de barramento ............... 66
Figura 5.13 - TPU S420 Rel digital multifuno para a proteo de linhas e cabos subterrneos ........................................................................................... 68
Figura 5.14 - Tringulo de potncia ..................................................................... 69
Figura 5.15 - Esquemtica de uma unidade de condensador tpico [13] e banco de condensadores ......................................................................................... 70
Figura 5.16 - TPU C420 Rel digital multifuno para a proteo de banco de condensadores ......................................................................................... 71
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xiv
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Lista de tabelas
Tabela 2.1 Equipamentos dos postos de transformao areos [8] .............................. 14
Tabela 2.2 Potncia dos transformadores [8] ........................................................ 14
Tabela 2.3 Potncia instaladas dos transformadores ............................................... 15
Tabela 3.1 Evoluo das protees .................................................................... 21
Tabela 3.2 Valores de e k segundo norma IEC 60255-3 .......................................... 31
Tabela 3.3 Valores tpicos de eliminao de defeitos (tempo de atuao das proteces) . 37
Tabela 5.1 - Defeitos e proteces do gerador [22] ................................................... 58
Tabela 5.2 - Principais defeitos de um transformador ............................................... 63
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xvi
Abreviaturas e Smbolos
ANSI American National Standards Institute
AT/MT Alta Tenso para Mdia Tenso. Representa as subestaes de Alta Tenso
para Mdia Tenso
AT Alta Tenso
BT Baixa Tenso
DST Descarregador de Sobretenso
Fe Fora eletromagntica
Fm Fora mecnica da mola
f Frequncia
IED Intelligent Electronic Device
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IEC International Electrotechnical Commission
Corrente de curto-circuito mnimo
Coeficiente de sensibilidade
kV kilovolts
km kilometro
MT Mdia tenso
MT/BT Mdia Tenso para Baixa Tenso. Representa os postos de transformao de
mdia Tenso para Baixa Tenso
MVA Mega volt-ampere
P Potncia Ativa
PT Posto de Transformao
Q Potncia Reativa
QGBT Quadro Geral de Baixa Tenso
S Potncia aparente
SPCC Sistema de Proteo Comando e Controlo
Scc Potncia de curto-circuito
SEE Sistema Eltrico de Energia
TI Transformador de Intensidade
TT Transformador de Tenso
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Captulo 1
Introduo
1.1 - Consideraes Iniciais
A dependncia da sociedade moderna energia eltrica torna indispensvel o
cumprimento da nobre misso dos sistemas eltricos de energia - garantia de qualidade e
continuidade de servio. O sistema de proteo desempenha papel preponderante no
cumprimento dessa misso.
Os principais defeitos que ocorrem numa rede de distribuio de energia eltrica so:
Curto-circuito;
Sobrecarga;
Sobretenso;
Subtenso;
Variao de frequncia;
Desequilbrio de cargas;
Oscilao de potncia.
A ocorrncia de um defeito num Sistema Eltrico de Energia poder causar danos nos
fornecedores e utilizadores de energia e ainda, provocar interrupo no fornecimento da
energia eltrica, pelo que este dever ser detetado, localizado e rapidamente eliminado.
Para a eliminao dos defeitos indispensvel um sistema de proteo eficaz. O sistema
de proteo projetado de acordo com as caratersticas e os requisitos do sistema de
energia, sendo constitudo essencialmente pelos seguintes rgos:
rgo de medida (TI e TT);
Rel de proteo;
rgo de acionamento (disjuntor).
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2
1.2 - Motivao e Objetivos
Ao contrrio do que acontece na europa, onde a maior parte das redes eltricas so
interligadas, ainda existem um nmero muito significativo de pases continentais e ilhas
(Madeira, Aores, Creta, Canarias, Chipre, entre outras) e localidades onde as redes so
isoladas (no dispem de ajuda de redes vizinhas que a possam socorrer em situaes mais
criticas). tambm o caso da maioria das redes eltricas dos pases africanos, onde as redes
so isoladas e dispersas por grandes cidades (grandes centros de consumo).
As redes isoladas so redes de dimenso relativamente pequena, com poucas cargas,
geralmente alimentada por geradores sncronos de pequena potncia, quando comparado
com as redes interligadas. Sendo redes eletricamente fracas, esto muito suscetveis a
variaes de frequncia resultantes de desequilbrio entre carga e produo.
Apesar da evoluo tecnolgica na rea de sistemas de protees, muitas destas redes,
mais concretamente as redes eltricas dos pases africanos, s utilizam sistemas de protees
baseados em rels eletromecnicos.
objetivo desta dissertao, elaborar um guia para a seleo de rels digitais de
proteo para as redes eltricas isoladas. Apresentando requisitos necessrios para facilitar a
migrao da tecnologia de proteo eletromecnica para a tecnologia digital. Aproveitando
assim, as vantagens e as valncias oferecidas por rel digital.
A instalao de rels de tecnolgica digital pode contribuir para melhoria da continuidade
de servio e, consequentemente, da qualidade de servio prestada.
1.3 - Estrutura da Dissertao
Esta dissertao constituda por seis captulos e um anexo.
O Capitulo 1, o atual captulo feito uma breve introduo aos assuntos que iro ser
abordados nos restantes captulos.
O Capitulo 2, apresentam-se as redes eltricas isoladas e suas principais caratersticas.
Tambm so descritos postos de transformao e subestaes.
O Capitulo 3, dedicado descrio do sistema de proteo em redes de energia
eltricas, so igualmente descritos neste captulo os requisitos e a constituio de um
sistema de proteo.
O Capitulo 4, centra-se na descrio de potncia de curto-circuito em redes eltricas
isoladas e a sua influncia em sistemas de proteo.
O Capitulo 5, consiste na elaborao de guia para a seleo de rels digitais em sistemas
eltricos isolados.
O sexto e ltimo Capitulo, apresentam-se as concluses mais importantes que possvel
retirar do trabalho desenvolvido, propondo-se tambm possveis trabalhos futuros.
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Captulo 2
Redes Isoladas: Caraterizao
Neste captulo ser descrita a constituio de uma rede isolada genrica, na sua estrutura
topolgica, modo de explorao e nveis de tenso. Sero igualmente caraterizadas as
subestaes e os postos de transformao.
2.1 - Introduo
O sistema eltrico de energia (SEE) definido como sistema que converte em energia
eltrica outras formas de energia, transportando a energia desde os locais de gerao at aos
pontos de consumo, com finalidade de garantir os seguintes requisitos, segundo [1]:
Controlar o equilbrio entre potncia ativa e reativa;
Fornecer energia ao mais baixo custo, respeitando o ambiente;
Satisfazer padres mnimos de fiabilidade e estabilidade da tenso e frequncia.
SEE constitudo por instalaes de servio destinado produo, transporte e
distribuio de energia eltrica. No caso das pequenas redes isoladas (caso de pequenas ilhas
ou algumas redes de pequena dimenso), esta definio pode-se restringir apenas produo
e distribuio, no havendo necessidade de efetuar transporte de energia, devido
proximidade entre o local da gerao e o centro de consumo.
As redes isoladas so pequenas redes individuais, com poucas cargas, alimentadas por
mquinas de pequena dimenso quando comparada com as redes interligadas, no dispem
de ajuda das redes vizinhas que as possam socorrer em situaes mais criticas. comum
encontrar, em redes com estas caratersticas, um grupo gerador de emergncia, fazendo o
papel de reserva. As redes isoladas tm especificidades que as caraterizam, uma delas a
baixa potncia de curto-circuito (devido pouca gerao).
Normalmente as redes isoladas, so redes vulnerveis a severas perturbaes e pouca
capacidade de promover uma explorao econmica dos meios de produo da energia
-
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eltrica. Numa rede com estas caratersticas a sada de um grupo gerador poder provocar
um forte desequilbrio na gerao-carga do sistema, e consequentemente pode fazer com que
a variao da frequncia atinja valores inaceitveis caso no haja reserva girante suficiente
[2].
Em muitos casos, as redes isoladas so consideradas como uma opo economicamente
vivel para satisfazer as necessidades energticas. So normalmente utilizadas em locais
como:
Zonas de baixa densidade populacional, onde o custo de instalao de uma rede
pblica se torna muito alto;
Locais onde no seja vivel o fornecimento de energia eltrica atravs dos grandes
grupos Alternadores/geradores, como por exemplo: ilhas;
Aldeias rurais longe de grandes redes eltricas;
Industrias longe de grandes centros de consumo.
O sistema produtor das redes isoladas baseia-se essencialmente na explorao de centrais
equipadas com geradores sncronos de funcionamento contnuo, utilizando o gasleo e o fuel
como combustvel [2].
2.2 - Caratersticas das redes isoladas em relao tenso e
estrutura topolgica
Para o estudo das protees, as caratersticas das redes que mais influenciam as
correntes de curto-circuito so:
Composio da rede (area e/ou subterrnea);
Potncia de curto-circuito no barramento da subestao;
Comprimento da linha;
Nveis de tenso.
Segundo [3], as redes eltricas podem ser classificadas segundo os trs critrios
seguintes:
a) - Nveis de Tenso
A tenso nominal de uma rede eltrica pode variar das dezenas de volts at aos milhares
de volts. As redes isoladas de pequena dimenso, sem necessidade de rede de transporte, so
usadas dois nveis de tenso:
Baixa tenso, tenso inferior a 1000 volt (V), com valores tpicos (valores eficazes em
corrente alternada) de 400 V tenso entre fases e 230 V tenso entre fase e neutro.
Mdia tenso, nas redes de distribuio urbana ou rural usa-se: 6kV, 10kV, 15kV e 30 kV.
Nas redes industriais so 6 Kilovolt (kV). Por razes econmicas, a maioria dos alternadores
-
existentes nas centrais so em geral constitudos para este nvel de tenso, tenso entre 1 e
45 kV, em funo da sua potncia.
b) - Funo
As redes isoladas so essencialmente redes de distribuio, com funo de levar a energia
at junto dos consumidores, domsticos e industrias (geralmente pequenas industrias). Para
estas redes usam-se dois nveis de tenso: a baixa tenso, a qual esto ligados os aparelhos
de consumo e a mdia tenso que alimenta os postos de transformao.
c) - Estrutura Topolgica
Objetivo principal de qualquer rede eltrica assegurar a transmisso de energia desde
as instalaes de produo at aos consumidores finais [3], garantindo continuamente as
melhores condies de explorao da rede, em situao normal ou de perturbao, com
garantias de melhor qualidade de servio.
Um aspeto de fundamental importncia na explorao de redes eltricas a sua
fiabilidade. Os elementos da rede esto naturalmente sujeitos a avarias que originam
interrupes no fornecimento de energia, se no houver redundncia. A redundncia implica
aumento dos custos de investimento, havendo que estabelecer um compromisso entre estes
custos e os benefcios que acarretam, o qual se reflete na estrutura topolgica da rede [3].
A topologia de uma rede de distribuio definida por um conjunto de parmetros que
so estabelecidos com base em estudos tcnicos. De acordo com [4], a soluo adotada para
a topologia da rede dever cumprir os seguintes objetivos:
Garantir a segurana de pessoas e bens;
Garantir nveis de qualidade de servio predefinidos;
Atingir os nveis de rentabilidade econmica desejados.
As redes de distribuio devero ainda satisfazer os seguintes requisitos:
Adequar-se densidade de clientes/consumo (MVA/km2);
Adequar-se s caratersticas geogrficas e s restries impostas pela construo
humana ou envolvente natural;
Adequar-se s condies climatricas.
As redes isoladas sendo essencialmente redes de distribuio em MT e BT, quase nunca
tm redundncia ativa, ou seja, so exploradas radialmente. Assim, as redes isoladas podem
ser de estrutura radial ou de estrutura emalhada (em anel) com explorao radial.
-
6
2.3 - Redes de Distribuio em Mdia Tenso
As redes de distribuio em Mdia Tenso (MT) so constitudas por linhas areas e cabos
subterrneos. As subestaes, postos de seccionamento e de transformao e instalaes de
iluminao pblica, so as principais infraestruturas que integram a rede eltrica.
Quanto topologia, as redes de distribuio podem ser areas ou subterrneas, so
solues com custo de instalao e nveis de qualidade de servio distintos, de acordo com
[5], as redes subterrneas so implementadas em ambientes urbanos com comprimentos
mdio entre os 3 e 10 km, enquanto as redes areas so utilizado maioritariamente em zonas
rurais e apresentam comprimentos entre 10 e 35 km.
As redes de distribuio areas esto mais expostas a foras de naturezas diversas, como
tal, apresentam menor fiabilidade quando comparada com redes subterrneas, constitudos
por cabos subterrneos.
Relativamente ao modo de explorao e configurao, as redes de distribuio
apresentam diversos esquemas de explorao, sendo os mais destacados, estrutura radial e
anel aberto.
A Figura 2.1 ilustra esquemas de operao habitualmente utilizados em redes de
distribuio de mdia tenso em SEE isolado.
PTn1
PTn..
PTn..
Abertura do Anel
Alimentao do PT n1
Alimentao dos restantes PTs
ANEL ABERTO
RADIAL
MTMT
MTMT
Figura 2.1 - Exemplo de esquemas de operao utilizados em redes de distribuio de mdia
tenso (redes isoladas).
-
As redes radiais, podendo tambm ser designadas como redes em antena, so
caraterizadas por possurem um nico ponto de alimentao. As linhas da rede vo
ramificando. Por serem monoalimentadas, a realimentao dos consumidores na ocorrncia
de defeitos fica condicionada. Existe apenas um caminho para o fluxo de potncia entre a
gerao e o consumidor. Quando existe um curto-circuito, a corrente tem somente uma
origem e um sentido, sempre do gerador para o local do defeito. Para o sistema de proteo
esta caraterstica torna mais fcil a coordenao e mais barato o sistema. As redes de
distribuio areas radiais, so ideais para zonas de muita baixa densidade de carga e de
grande disperso de consumo.
De modo geral, as principais caratersticas do sistema eltrico radial so:
Baixo custo de instalao e explorao;
Estrutura topolgica mais simples;
Menor fiabilidade;
Menor continuidade de servio;
Maior queda de tenso;
Coordenao fcil;
Sistema de proteo mais simples;
Baixa densidade de clientes/consumo.
As estruturas da rede em anel aberto, com explorao radiais so dotadas de duas linhas
ou dois caminhos distintos de alimentao. Apenas uma alimentao utilizada em condies
normais, ficando o outro caminho para alimentao dos consumidores em caso de defeito ou
indisponibilidade do primeiro. Deste modo, apresenta maior continuidade de servio,
consequentemente maior fiabilidade. So particularmente utilizada nas redes de distribuio
subterrneas em reas urbanas com elevada densidade de carga ou na alimentao de cargas
que exigem maior continuidade de servio. Tal como nas redes radiais, em redes exploradas
em anel aberto, o fluxo da corrente quer em regime de funcionamento normal ou anormal
(em defeito) da rede apresenta um nico sentido.
Como se pode constatar na Figura 2.1, esta estrutura s pode ser conseguida mediante a
utilizao se instalao de transformao de energia. Uma das vantagens da utilizao de
corrente alternada no SEE que se torna possvel alterar o valor da tenso com a utilizao
do transformador, assunto que ser tratado na seco seguinte.
2.4 - Subestao e Posto de transformao
Por razes de ordem econmica, tcnica e de segurana, o SEE constitudo por nveis de
tenso distintos, nveis de tenso esses que se vo adaptando de acordo com as necessidades.
Para a obteno desses nveis de tenso, indispensveis ao bom desempenho de sistema
-
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eltrico, so utilizados instalaes de transformao de energia (subestao e posto de
transformao), cujo elemento principal o transformador de potncia (mquina esttica).
2.4.1 - Subestao
Em [6], uma subestao definida como instalao de alta tenso destinada aos
seguintes fins:
Transformao da corrente eltrica por meio de um ou mais transformadores
estticos, quando o secundrio de um ou mais desses transformadores se destina a
alimentar postos de transformao ou outras subestaes;
Transformao da corrente por retificadores, onduladores, conversores ou mquinas
conjugadas;
Compensao do fator de potncia por compensadores sncronos ou condensadores.
Os nveis de tenso padronizados para as subestaes AT/MT so: 60/30 kV, 60/15 kV ou
60/10 kV e para uma potncia de transformao mxima de 2 40 MVA. Considera-se ainda
um nmero previsto de painis de linha de AT e MT para interligao rede - 6 painis de AT,
12 painis de 30 kV, 20 painis de 15 kV e 24 painis de 10 kV [7].
As redes isoladas pelas suas caratersticas, dimenso e especificidades, so utilizadas
nveis de tenso mais baixos, e por conseguinte, as subestaes neste tipo de rede apresenta
nveis de tenso baixo quando comparadas com as subestaes mais comuns encontradas nas
redes interligadas.
Para as redes isoladas de pequena dimenso, sem necessidade de rede de transporte,
podemos encontrar subestao de tipo MT/MT, onde os circuitos apresentam mesmo nvel de
tenso, uma vez que a gerao e distribuio so feitas em MT. Subestao com estas
caratersticas podem servir como posto de corte e seccionamento ou para elevar a tenso.
Em redes eltricas isoladas comum encontrar subestaes de pequenas dimenses com
seguintes nveis de tenso: 0,4/15 kV; 6/10 kV; 10/15 kV; 30/10 kV; 30/15 kV entre outas.
Estas instalaes podem ser integradas nas reas rurais, urbanas ou semiurbanas em redes de
distribuio.
Principais constituintes de uma subestao e suas funes
A conceo de uma subestao deve satisfazer em simultneo os princpios bsicos, como
a segurana geral de pessoas e bens, facilidade de explorao e manuteno. A proteo
garantida por dispositivos capazes de detetar os diferentes tipos de defeitos que ocorrem no
sistema, isolando as partes em defeito a fim de garantir continuidade de servio.
A subestao pode ser uma instalao mista, com aparelhagens montada no exterior do
parque e no interior do edifcio de comando.
-
1. Parque exterior
No parque exterior de aparelhagem encontra-se normalmente instalados um ou mais
transformadores de potncia, disjuntores, seccionadores, barramentos, linhas, os
equipamentos complementares de MT, tais como as baterias de condensadores (podem ser
instalados no interior, numa sala prpria), os descarregadores de sobretenses, os
transformadores auxiliares e as impedncias limitadoras de corrente de defeito terra.
Barramentos
Os barramentos tm a funo de interligar as entradas existentes como se fosse um ponto
comum (barramento de entrada da subestao), que por ligao intermdia de um
transformador ou mais transformadores, se obtm uma tenso diferente tambm ligada a um
ponto comum (barramento de sada da subestao). Para as pequenas instalaes,
normalmente de baixa potncia e reduzido nmero de linhas, utilizam-se barramentos
simples.
Disjuntor
Dispositivo eletromecnico que protege os circuitos contra sobreintensidades (curto-
circuitos ou sobrecargas). O corte efetuado de forma automtica, separando dois contactos
numa cmara de corte, que possui material dieltrico com excelentes propriedades de
extino do arco eltrico voltaico. O dieltrico pode ser: o gs hexafluoreto de enxofre (SF6),
pequeno volume de leo ou tecnologia recente em vcuo.
Seccionador
destinado a interromper ou estabelecer a continuidade de um condutor. um
equipamento de corte visvel mas que no possui poder de corte em carga. O corte visvel
importante e fundamental na segurana de pessoas. Na posio aberta, garante uma
distncia de isolamento que satisfaz requisitos de segurana especificados.
Isolador
Responsvel pelo afastamento das partes em tenso, das suas estruturas de suporte. O
tamanho do isolador reflete no nvel de tenso em jogo. Quanto menor o nvel de tenso
menor o tamanho do isolador.
Transformador
O transformador de potncia o elemento responsvel pela alterao de tenso numa
subestao. O secundrio de transformador conta com regulao de tomadas de carga
-
10
(possibilidade seleo do enrolamento consoante a carga imposta). Nveis de tenso tpicos
de uma subestao em redes isoladas: 6/10 kV; 10/15 kV; 30/10 kV; 30/15kV.
Transformadores de medida
O transformador de corrente (TI) e transformador de tenso (TT) so responsveis pela
leitura de corrente e tenso, a partir dessa leitra avaliada a necessidade ou no de
abertura do disjuntor.
Descarregadores de sobretenso
Os Descarregadores de Sobretenses (DST) so usados para proteger equipamentos e
instalaes, das eventuais descargas atmosfricas e de sobretenses de manobra. So
classificados pela sua capacidade de descarga de corrente para a terra.
Rede de terras
A rede geral de terra de uma subestao deve ser concebida de forma a construir uma
rede equipotencial, reduzindo os riscos de tenses de passo e de contacto e limitando-as a
valores no perigosos, em caso de defeito a terra, as suas ligaes sero formados por:
Terra de proteo, destinada a contribuir para a segurana das pessoas nas
proximidades de um objeto metlico da instalao suscetvel de colocao acidental
sob tenso em caso de defeito de isolamento;
Terra de servio, destinada a influenciar o comportamento da rede em caso de
defeito a terra;
Cabo de guarda, para proteo da instalao contra descargas atmosfricas diretas.
A Figura 2.2 ilustra o exemplo de um pequeno poste de seccionamento comum em
pequenas redes eltricas isoladas.
Figura 2.2 - Exemplo de pequena subestao/posto de seccionamento mdia tenso
-
2. Edifcio de comando
O edifcio de comando ser constitudo por uma sala dotado de sistema de proteo,
comando e controlo (SPCC), para assegurar o comando e superviso da subestao, no local e
a distncia, atravs das funes de proteo e automatismo. A Figura 2.3 mostra uma sala de
comando onde est instalado o quadro metlico que com as respetivas celas de MT.
SALA DE COMANDO
Figura 2.3 - Exemplo de sala de comando de uma subestao
O quadro metlico inclui todos os painis de sada MT, Baterias de condensadores,
reactncias de neutro e transformadores de servios auxiliares.
Sadas MT
A cela de Linha MT permite fazer a distribuio da alimentao do sistema eltrico pelas
vrias linhas de mdia tenso que compem um dado sistema dado que esto penduradas
no barramento de MT da Subestao. A cela de linha MT tem a particularidade de permitir,
ora alimentar a rede, ora alimentar o prprio barramento seja atravs de um produtor isolado
ou do fecho em anel da prpria rede. Este tipo de configurao confere ao painel de linha
uma grande versatilidade que ter de ser levada em linha de conta no estudo de coordenao
para a sua proteo, avaliada mais adiante.
Retificador
Cela onde se aloja o equipamento que converte a alimentao a tenso alternada em
tenso continua, que ir carregar as baterias de tenso contnua.
-
12
Bateria de tenso contnua
Serve para alimentar os circuitos de comando e proteo porque estes funcionam a
tenso contnua. Faltando a energia as baterias asseguram o comando funcional da
subestao durante o tempo da capacidade das baterias, tal como, a alimentao das
unidades de proteo e o comando dos motores dos rgos comandveis.
Bateria de Condensadores
A cela de bateria de condensadores responsvel pela ligao do barramento de mdia
tenso a um ou mais bancos de baterias de condensadores que tm como funo permitir a
compensao do fator de potncia do sistema a que se encontra ligado ora de uma forma
manual ora de uma forma automtica e programada no tempo.
Transformador de Servios Auxiliares
A cela de transformador de servios auxiliares assegura a ligao do barramento de mdia
tenso a um transformador MT/BT responsvel por alimentar todo o sistema de baixa tenso
existente na subestao.
Comunicaes
Armrio onde se acomoda o equipamento de telecomunicaes, que permite que a
subestao seja comandada remotamente, sem a presena fsica de tcnicos.
Interbarras
A cela de interbarras permite a ligao de dois semibarramentos. A explorao do SEE
poder assim optar por um sistema de barramento nico ou de dois semibarramentos.
Numa rede eltrica isolada, o edifcio central compreende todos os elementos acima
referidos, assim em resumo podemos encontrar os seguintes elementos numa subestao:
Sala de Mquinas;
Sala de comando;
Parque exterior da Subestao;
Parque de refrigerao e combustvel;
Armazns
Sala de bateria
-
A Figura 2.4 ilustra um exemplo de esquema simplificado de uma subestao de pequena
dimenso em redes eltricas isoladas.
6kV
10kV
0,4 kV 1406 kVA1300 kVA1500 kVA1300 kVA
906 kVA
Sn=3150 kVA
0,4 kV
625 kVA
Sn=5000 kVASn=5000 kVA
Neutro Impedante
Neutro Isolado
3Io=1000 AZo = 10
Sn=630 kVA
Figura 2.4 - Exemplo de esquema simplificado de uma subestao (redes isoladas)
2.4.2 - Posto de transformao
O Posto de transformao (PT) definido segundo [6], como instalao de alta tenso
destinada a transformao de corrente eltrica por um ou mais transformadores estticos,
quando a corrente secundaria de todos os transformadores for utilizada diretamente nos
recetores, podendo incluir condensadores para compensao do fator de potncia. De acordo
com a definio, no necessrio qua a tenso secundaria esteja no domnio de baixa tenso
(BT), mas sim, que essa corrente alimente diretamente os recetores (cargas de elevada
potncia alimentadas at 6 kV).
Normalmente, as principais transformaes MT/BT, so: 30/0,4 kV; 10/0,4 kV;
6,6/0,4kV; 6/0,4kV e 5/0,4 kV.
Atendendo a definio acima referida, os PTs so inseridos nas redes prximos dos
centros de consumo, nas zonas rurais, urbanas e semiurbanas, zonas industriais, loteamentos
e urbanizaes.
-
14
Assim, os PTs podem ser classificados por seguinte: i. Quanto instalao
De interior - em edifcio prprio ou em edifcio para outros usos;
De exterior.
ii. Quanto ao modo de alimentao
Radial;
Em anel aberto;
Com dupla derivao.
iii. Quanto ao tipo de servio prestado
Pblicos;
Privado.
Com o intuito de simplificar e facilitar o projeto dos PTs, encontra-se normalizado os
seguintes tipos:
1) Postos de exterior, areos, PT-A:
Geralmente os transformadores (imersos em leo) so montados em postes de beto,
apoiados numa plataforma. So identificados pela forma como feita a sua conexo a rede
area MT: Tipo A - ligao direta;
Tipo AS - ligao feita atravs de seccionador;
Tipo AI (AI1-1poste e AI2-2postes) - ligao feita atravs de interruptor-seccionador.
As Tabelas 2.1 e 2.2 mostram respetivamente os equipamentos que constituem diferentes
postos de transformao area e as suas potncias nominais.
Tabela 2.1 Equipamentos dos postos de transformao areos [8]
Tipo de PT Proteo contra
sobretenses
Seccionador Interruptor-
Seccionador
A - - AS - AI -
Tabela 2.2 Potncia dos transformadores [8]
Tipo de PT Potncia kVA
A 25 50 100 - -
AS 25 50 100 - -
AI - - - 160 250
Os postos de transformao areos so utilizados em redes areas, geralmente em zonas
rurais. Deve-se evitar a sua implementao em locais frequentados pelo pblico. O local
escolhido deve permitir a obteno, de boa terra e garantir que os valores das resistncias de
terra no sofram grandes alteraes ao longo do tempo. So tipos de PTs que por questes
esttico e urbanstico se deve ponderar a sua utilizao.
-
2) Postos instalados no interior, a sua dimenso depende do tipo de
alimentao e da potncia:
PT-CA: CA1 e CA2 - transformador (imerso em leo) alimentado atravs de linhas
areas - instalados em cabine alta.
PT-CB: - transformador (imerso em leo) alimentados atravs cabos subterrneas -
instalados em cabine baixa, possui duas variantes consoante a disposio das suas
celas em U (CBU) ou em L (CBL).
Tabela 2.3 Potncia instaladas dos transformadores
Tipo de PT Potncia (kVA)
CA1 160 250
CA2 - CBU- CBL 400 630
Constituio do posto de transformao
O equipamento fundamental de um posto de transformao o transformador, mas,
atendendo aos nveis de tenso envolvida e segurana necessria, utilizada um conjunto de
aparelhagem adicional com funo de seccionamento, contagem e proteo quer de pessoas,
quer dos prprios equipamentos e bens.
Em geral, um posto de transformao constitudo essencialmente por trs
equipamentos:
1. Aparelhagem de MT - interrupo, seccionamento e proteo;
Interruptor - destina-se a ligar ou desligar o circuito em carga, dotado de poder de corte
garantido e tem duas posies, uma de abertura e outra de fecho, nas quais se mantem na
ausncia de aes exteriores.
Seccionador - aparelho destinada a interromper ou estabelecer a continuidade de um
condutor ou isol-lo de outros condutores, no tem poder de corte, no deve ser manobrado
em carga. Quando utilizado para proteo de pessoas, a separao dos contactos deve ser
visvel e facilmente verificvel do local de manobra.
Interruptor - seccionador, interruptor em que a separao dos contactos visvel,
geralmente dotado de poder de corte reduzido, mas suficiente para a manobra em carga.
-
16
A figura 2.5 apresenta o seccionador e o Interruptor-seccionador corte no ar e modular de
corte em SF6.
Aparelhagem de corte no ar Uso interior In at 400A Un at 36kV Icc ate 16 kA/3s
Aparelhagem modular de corte em SF6 Uso interior Interuptor- seccionador de corte em SF6 Manuteno necessria reduzida Un at 36 kV In at 636 A Icc at 25 kA
Figura 2.5 - Interruptor-seccionador corte no ar e modular de corte em SF6
Disjuntor o interruptor no qual a abertura do circuito se produz automaticamente, em
condies predeterminadas.
Disjuntor MT de corte em SF6 Uso interior Utiliza principio Auto pneumtico de
duplo corte em SF6 Simplicidade de instalao e manobra Un at 36 kV In at 2.500A Icc at 25 kA
Figura 2.6 - Disjuntor mdia tenso de corte em SF6
2. Um ou mais transformadores de potncia, responsveis pela transformao da tenso;
Transformadores trifsicos de distribuio Uso interior e exterior Imersos em leo mineral Un at 36 kV Sn de 50 ate 6300 kVA
Figura 2.7 - Transformador trifsico de distribuio imerso em leo
-
3. Quadro geral de baixa tenso (QGBT), de onde partem os diversos ramais da rede de
BT.
PT publico: Quadro Aberto(CA2) interruptor na entrada 5 sadas por triblocos 1 sada iluminao publica PT privado: quadro fechado configurao em funo da instalao
Figura 2.8 - Quadro Geral Baixa Tenso do posto de transformao
Proteo das pessoas contra contacto acidentais
Os equipamentos usados nos postos de transformao so concebidos de forma a impedir
que as partes sob tenso estejam diretamente acessveis a quem tem acesso a ele, como
consequncia de uma avaria esses nveis de tenso podem encontrar-se em partes dos
equipamentos que habitualmente no esto sob tenso.
Terra de servioTerra de proteo
Figura 2.9 - Ligao terra no posto de transformao
As ligaes terra so utilizadas nas redes e instalaes eltricas, seja para influenciar o
comportamento da rede em caso de defeito terra - terra de servio, seja para contribuir
para a segurana das pessoas nas proximidades do local do defeito e bens - terra de proteo
[8]. i. Terra de servio
A terra de servio tem como funo estabelecer um potencial de referncia, de forma a
garantir, por exemplo, que o neutro dos sistemas monofsicos tenha uma resistncia igual a
zero e potencial nulo. Como exemplo de terra de servio, tem-se a ligao terra dos pontos
neutros ou dos condutores neutros das redes de distribuio de energia eltrica em baixa
tenso.
-
18
Segundo [6], a terra de servio definida como:
Circuito de terra a que so ligados unicamente pontos dos circuitos eltricos para
influenciar as suas condies de explorao, quer limitando o potencial dos
condutores em relao ao solo, quer permitindo o funcionamento das protees;
Os pontos neutros ou terminais dos circuitos de alta tenso ligados diretamente a
circuitos exteriores zona de influncia da terra de proteo;
Nas instalaes existe normalmente uma terra de servio por cada transformador, qual
se devem ligar os pontos neutros dos circuitos polifsicos.
Para os PTs areos, a ligao terra do neutro de baixa tenso ser feita, pelo menos em
duas sadas, no primeiro ou primeiros apoios de cada sada da rede de distribuio, devendo a
rede ser executada com condutores isolados em feixe at aos apoios e onde localizaremos
eltrodos da terra de servio [8].
ii. Terra de proteo
Tm como objetivo limitar as tenses perigosas que possam ser aplicadas a uma pessoa
que venha a ficar em contacto com esses elementos, e favorecer a interveno dos
dispositivos de proteo, melhorando as condies de segurana.
Ainda de acordo com [6], a terra de proteo definida como o circuito de terra a que
so ligados todos os elementos condutores da instalao normalmente sem tenso ou com
tenses no perigosas mas sujeitas a uma passagem fortuita de corrente que provoque
diferenas de potencial perigosas e no previstas entre esses elementos.
Nas instalaes dever sempre existir uma, e uma s, terra de proteo, qual se devem
ligar: suportes metlicos dos aparelhos, redes, ferragem de apoio e fixao dos quadros,
canalizaes metlicas, estrutura metlica dos edifcios e as bainhas metlicas dos cabos MT
e BT, enrolamentos secundrios dos transformadores de medida, para-raios de MT.
Para os PTs areos, as massas da aparelhagem de MT sero ligadas entre si e aos pontos
de ligao do poste ou dos postes, consoante se trate de PT tipo AI-1 ou AI-2 [8].
2.5 - Resumo
Neste captulo, foram caraterizadas as redes isoladas, com especial ateno a nveis de
tenso e estrutura topolgica. Foram tambm feitas abordagens sobre sistemas de terra,
fazendo referencia aos diferentes tipos de sistema de terras nas subestaes e nos postos de
transformao. Finalmente, na ltima seco deste captulo, abordou-se a proteo de
pessoas contra contactos acidentais e segurana dos sistemas de terras.
-
Captulo 3
Sistemas de proteo em redes eltricas de energia
Sero apresentadas neste captulo a evoluo tecnolgica das protees, a constituio e
princpio de funcionamento de sistemas de proteo, e por fim, os requisitos do sistema de
proteo.
3.1 - Introduo e Consideraes Gerais
Segundo [9], o objetivo fundamental de um sistema de proteo o de promover uma
utilizao e explorao segura do sistema eltrico de energia (SEE).
Os sistemas eltricos de energia, esto frequentemente sujeitos a perturbaes tais
como:
Sobreintensidade curto-circuito e sobrecarga;
Variao do nvel de tenso - sobretenso e subtenso;
Variao do valor de frequncia.
Alguns equipamentos que integram o sistema eltrico de energia, so sensveis a
pequenas perturbaes e defeitos. Por isso, o funcionamento do sistema sob estas anomalias,
podem conduzir a danos graves aos fornecedores e aos utilizadores de energia, se no forem
rapidamente corrigidos. Torna-se necessrio proteger os equipamentos para garantir a
segurana e continuidade de servio no fornecimento de energia.
As principais funes de um sistema de proteo podem ser resumidas nos seguintes
pontos:
Vigiar o funcionamento da rede;
Detetar a ocorrncia de situaes anmalas;
Limitar o impacto das situaes anmalas;
Promover uma explorao segura do SEE;
Promover a qualidade e continuidade de servio.
O sistema de proteo deve ser sensvel a diversas situaes de perturbao, tais como:
Defeitos de isolamento originando diversos tipos de curto-circuito;
As sobretenses que tambm podem causar danos nos isolamentos;
-
20
As condies anormais de operao associadas a sobrecargas de longa durao, a
ligao ou corte simultneo de cargas de valor elevado;
Sobretenso de manobra associado a abertura das linhas longas.
A escolha da configurao da rede est relacionada com o tipo de consumidores que as
redes devem servir, caraterizando estes pelo nvel de potncia instalada e pelo grau de
exigncia da qualidade de servio, a qual depende do tipo de atividade do consumidor. Pode-
se concluir que a escolha das caratersticas do sistema de proteo, depende de diversos
fatores entre os quais se incluem a estrutura da rede, a potncia eltrica veiculada e o tipo
de consumidores alimentados [9].
3.2 - Evoluo das Protees
Os dispositivos de proteo sofreram ao longo dos ltimos anos, alteraes significativas
quanto s tecnologias utilizadas no seu fabrico, as quais evoluram a partir das antigas
unidades eletromecnicas, dcadas 30 60 para as atuais digitais numricas (a partir dos
anos 80) passando por tecnologia intermedirias como foram por exemplo, as protees
esttico, dcadas 70, atualmente em fase de extino.
Todavia, importante salientar que apesar da evoluo tecnolgica das protees a
maioria das funes de proteo por elas utilizadas e desenvolvidas, permanece ainda hoje
em uso corrente, disponveis e aperfeioadas. As tecnologias mais recentes dos modernos
dispositivos de proteo digital permitem a implementao de mais recursos operacionais e
mltiplas funes simultaneamente.
Os sistemas de proteo tm evoludo desde as simples proteo por fusveis ou rels de
mxima intensidade com tempo escalonado, passando pelas protees direcionais,
diferenciais e de distncia, baseada inicialmente em rels eletromecnicos e que depois
passaram a integrar rels estticos, que so muito mais rpidos e eficazes. Com a
possibilidade da converso das grandezas analgicas em digitais, deu-se mais um passo na
evoluo dos Sistemas de Proteo (SP), com a construo de rels digitais [9].
Apenas para dar uma ideia geral da evoluo das diferentes tecnologias de protees, a
Figura 3.1 mostra etapas e progressos alcanados nas protees.
-
1900 1960 1980 1985 2009
Protees Eletromecanicas
Protees Estaticas
Protees Digitais
Protees Numericas
Sem telecomando Capacidade de telecomando
Evoluo t
ecnologica
Figura 3.1 - Evoluo das protees
A evoluo acima referida trs muitas vantagens e alguns inconvenientes, que sero
resumidos na Tabela 3.1. Tabela 3.1 Evoluo das protees
Tecnologia Vantagens Desvantagens
Protees Eletromecnicas Durabilidade e Robustez;
Tolerncia a altas temperaturas;
Baixa sensibilidade a surtos eletromagnticos.
Custo de instalao;
Preciso;
Manuteno;
Limitao de funcionalidades.
Uma nica funo de proteo;
Protees Estticas Maior velocidade;
Fcil manuteno;
Fiabilidade.
Envelhecimento precoce;
Sensibilidade a surtos eletromagnticos e a temperaturas elevadas.
Protees Digitais Telecontrolo remoto; "Watchdog";
Fiabilidade igual ou superior as anteriores tecnologias;
Multifunes.
Capacidade de processamento reduzida;
Memria limitada;
Software no portvel;
Sensibilidade a surtos eletromagnticos e a temperaturas elevadas.
Protees Numricas Telecontrolo remoto; "watchdog";
Multifunes;
Microprocessador de elevado rendimento;
Capacidade de memria elevada;
Fiabilidade.
Software no Portvel;
Sensibilidade a surtos eletromagnticos e a temperaturas elevadas.
-
22
3.3 - Constituio e princpios de funcionamento dos sistemas
de proteo
Os sistemas de proteo (SP) so projetados de acordo com as caratersticas e os
requisitos do SEE onde vo ser inseridos, so constitudos essencialmente pelos seguintes
rgos: rgo de entrada, rel de proteo, rgo de acionamento e fonte auxiliar de
alimentao, tal como mostra a figura 3.2.
Disjuntor Rel
Circuito Protegido
TI
TT
Bateria
Sinal de corrente
Sinal de tenso
Sinal de disparo
TSA Transformador de
Servio Auxiliar
Figura 3.2 - Esquema de um subsistema de proteo
A proteo realizada por um conjunto de equipamentos, sendo os principais, os
transformadores de medida (cujas grandezas do lado secundrio devero ser uma imagem fiel
das grandezas supervisionadas), os rels e os disjuntores.
3.3.1 - rgos de entrada do sistema de proteo
Os transformadores de medida servem para converter para a gama dos rels, a tenso e a
corrente do sistema. Os transformadores de intensidade (TIs) e transformadores de tenso
(TTs) so bastante importantes na constituio dos SP, porque garantem o isolamento
galvnico entre os circuitos de potncia e o circuito de proteo.
Por isso, importante uma elevada preciso e uma transformao eficaz para o bom
desempenho de sistemas de proteo. Geralmente, o secundrio dos transformadores de
intensidade so de 1 A ou 5 A e transformadores de tenso 110 ou 120V respetivamente [10].
-
A escolha dos TIs e TTs depende de muitos fatores, tais como:
A localizao,
Funo,
Nvel de tenso
Ligao nos diferentes tipos de proteo.
3.3.2 - Rels de proteo
O rel o elemento principal de um sistema de proteo, que serve para monitorizar o
funcionamento do sistema eltrico, ou seja, vigiar as grandezas como: tenso, intensidade de
corrente, frequncia ou uma combinao dessas grandezas (fluxo de potncia, impedncia,
ngulo de fase, entre outras) e, face a condies anormais, atue sobre aparelhagem de corte
(Disjuntor) de modo a isolar o defeito. Esta ao deve ser feita com a rapidez suficiente para
impedir o alastramento de danos, desligando apenas a alimentao dos equipamentos
defeituosos e, assim, restringir ao mnimo as zonas afetadas do sistema.
Os rels so basicamente constitudos por trs rgos distintos, como ilustra a Figura 3.3,
cada bloco representa uma etapa a ser executado pelo rel.
rgo de
Converso
rgo de
Medida
rgode
Sada
REL DE PROTEO
Sinal de entrada(simples ou Mltiplo)
Sinal de sada (simples ou Mltiplo)
Figura 3.3 - rgos constituintes do rel de proteo
rgo de converso, converte os sinais ou grandezas de entrada antes de serem
processados.
rgo de medio, onde so processadas as comparaes de nveis entre as
grandezas supervisionadas e as suas referncias ajustadas ("setting point"), assim
como, uma unidade auxiliar de temporizao e sinalizao, quando aplicvel.
-
24
rgo de Sada, a qual permitir o interface de rel com a sua unidade recetora de
comando e ou de controlo (bobinas de abertura ou de fecho de disjuntores, ou rels
auxiliares de controlo, sinalizao, alarmes).
3.3.3 - Classificao dos rels de proteo
i. Classificao quanto ao princpio de funcionamento
Quer os rels principais quer os rels suplementares, de acordo com as caratersticas
tecnolgicas ou construtivas podem ser: eletromecnicos (atuando de acordo com os
princpios da converso eletromecnica de energia), estticos (cujos elementos so
semicondutores no programveis), digitais (baseados em microprocessadores) e numricos
(possvel de programar).
A. Rels eletromecnicos
Os rels de tipo eletromecnico baseiam-se na atuao de foras produzidas devido s
interaes eletromagnticas entre intensidades de corrente e fluxos. Estas foras so criadas
por variaes das intensidades de corrente e tenses, ou atravs duma combinao das
variveis de entrada (tenso e intensidades de corrente) ou armazenamento de energia em
alguns dos seus elementos constituintes. A atuao dessas foras movimenta algumas partes
mecnicas do rel originando a sua atuao.
Os rels eletromecnicos so rels tradicionais, subdividem-se em rels de atrao
eletromagntica e de induo eletromagntica.
Rel de atrao eletromagntica
A Figura 3.4 mostra um circuito monofsico, contendo uma fonte de tenso que alimenta
uma carga Z, do que resulta uma corrente circulante I. No circuito foi introduzido um rel
elementar, do tipo eletromecnico: uma estrutura em charneira, composto por um ncleo
fixo e uma amadura mvel a qual esto solidrios, o contacto mvel e a mola, que obriga o
circuito magntico a ficar aberto numa posio regulvel. O ncleo percorrido por um fluxo
proporcional corrente do circuito, circulando na bobina do rel, e isso faz com que seja
possvel que o contacto mvel feche um circuito operativo auxiliar, neste caso uma fonte de
corrente contnua alimentando um alarme ou/e o disparador do disjuntor colocado no
circuito principal, sempre que [11].
A Figura 3.4 apresenta algumas caratersticas construtivas e operacionais desse tipo de
rel.
-
CA
ZCarga
Disjuntor
Fonte Ncleo
Circuito Operativo
Mola
Contacto
Disparador
Armadura
Alarme
Bobina
Fe
Fm
Iop
I
Figura 3.4 - Rel elementar de atrao eletromagntica [11]
Pelo princpio de converso eletromecnica sabe-se que a fora eletromagntica ( )
desenvolvida atravs do entreferro () pelo fluxo no ncleo, e provocada pela corrente I na
bobina do rel neste tipo de estrutura dada pela expresso:
(1)
Onde K depende da taxa de variao da permencia do entreferro, nmero de espiras. Por
outro lado existe uma fora da mola( ) opondo-se ao deslocamento da armadura [11].
Rels de induo eletromagntica
O funcionamento deste tipo de rel baseado na ao exercida por campos magnticos
alternativos (circuito indutor fixo), sobre as correntes induzidas por esses campos num
condutor mvel constitudo por um disco ou corpo metlico, como ilustrado na figura 3.5.
Contacto Fixo EixoBobina
Nucleo
Anel de desfasagem
Contacto Move
Disco
Figura 3.5 - Rel de induo Eletromagntica
-
26
i2 i2
i1
i1 F2
F1
i2 i1
Figura 3.6 - Corrente induzido conjugado desenvolvido no disco do rel
O fluxo varivel induz uma tenso da forma:
(2)
Que aplicada ao disco metlico de resistncia R, faz circular uma corrente de forma:
(3)
A fora dada pela expresso: .
O rel de induo eletromagntica atua a partir do binrio gerado sobre um disco, pela
interao entre fluxo magnticos, estes gerados pelas correntes obtidas ou geradas pela
tenso dos transformadores medida, TI e TT [11].
Atualmente, os rels eletromecnicos sendo os mais obsoletos, esto a ser substitudos
por rels eletrnicos e digitais efetuando-se essa substituio com maior evidncia nas redes
de tenso mais elevada.
B. Rels estticos ou eletrnicos
Fruto de desenvolvimento dos semicondutores e o aparecimento de dispositivos
eletrnicos, como por exemplo componentes discretos e circuitos integrados, fazem com que
as funes e caratersticas j disponveis com os rels eletromecnicos sejam melhoradas. Os
rels estticos so extremamente rpidos porque no possuem partes mveis, tendo assim,
tempo de resposta baixa [11].
Neste tipo de rel, o rgo de converso constitudo por pontes retificadoras com ou
sem filtragem, convertendo sinais analgicos convencionais em pulsaes tipo ondas
quadradas, o rgo de medida constitudo por exemplo, por um circuito Trigger Schmitt
realizando a comparao entre o sinal medido e o de referncia obtendo-se um sinal binrio
que amplificado no rgo de sada por forma a obter-se ou no ordem de disparo a enviar
ao disjuntor.
A figura 3.7 traduz o princpio de funcionamento de um rel do tipo esttico ou
eletrnico.
-
Circuito operativo (bobina disjuntor, alarme, sinalizao)
Figura 3.7 - Princpio de funcionamento de rel esttico
O sinal fornecido por um transformador de medida aplicado aps ter sido retificado, por
um transstor. Quando esse sinal supera o nvel de polarizao fornecido pela fonte A, o
transstor conduz e a corrente produzida pela fonte P estabelece o circuito pelo rel B. Pela
excitao do rel B, atravs de um dos seus contactos, alimentado um rel auxiliar BA cuja
misso enviar a ordem de abertura ao disjuntor, de sinalizao e de alarme
correspondentes.
A tecnologia esttica apresenta algumas vantagens comparado com o rel convencional
eletromecnico, tais como:
Baixo custo;
Dimenses mais reduzidas;
Consumo reduzido;
Maior flexibilidade permitindo um melhor ajustamento dos respetivos parmetros de
regulao em funo da variao da configurao do SEE ou das cargas, mais exatos e
seguros dentro das tolerncias especificadas para os parmetros de regulao.
C. Rels digitais
O desenvolvimento de microprocessadores permitiu que um novo e significativo passo
tenha sido dado no domnio das protees de SEE. Os rels digitais so rels eletrnicos
controlados por microprocessadores.
A Figura 3.8 ilustra rel digital multifuno, ainda possui funo de medio e de
controlo. Rele Digital
Figura 3.8 - Rel de tecnologia digital
-
28
Os rels digitais possuem excelentes caratersticas de funcionamento tais como [9]:
Possibilidade de modificao automtica dos seus parmetros de regulao em funo
das alteraes do SEE;
A grande utilizao de tecnologias digitais em algumas funes do SEE, tais como
medies, comunicao, telemedidas e controlo;
A possibilidade de serem programados para executarem funes distintas para alm
da funo de proteo;
Capacidade de autoteste, ou seja, programados para monitorizar continuamente o
seu estado de funcionamento colocando-se fora de servio se ocorrer alguma
anomalia, e enviando de imediato um sinal de alarme para o centro de controlo. Esta
performance do rel digital aumenta a sua fiabilidade assim como do SEE onde est
integrado, porque diminui a probabilidade do rel no atuar por avaria numa situao
de defeito.
Os rels digitais so considerados o futuro de sistemas de proteo, mas ainda h muito a
evoluir com esta tecnologia de proteo.
Atualmente, a maioria dos rels instalados so de tipo eletromecnico, no permitindo
utilizar grande parte das vantagens da tecnologia digital.
D. Rels Numricos
O princpio bsico de funcionamento de operao dos rels numricos consiste numa
amostragem peridica dos sinais de entrada, atuando nas sadas com o intuito de proteger e
controlar o sistema no qual estes rels esto inseridos. Depois do sinal de entrada ser
amostrado, so realizados clculos que permitem converter os valores das sucessivas
amostragens num valor final que corresponda s grandezas do sinal de entrada.
O carcter multifuncional de grande parte destes rels levou a que fossem designados
atualmente por Dispositivos Eletrnicos Inteligentes (IEDs). Para que todas as funcionalidades
sejam utilizadas de forma adequada e personalizada ao sistema, os IEDs disponibilizam uma
plataforma de programao lgica de forma a tornar ainda mais flexvel para o operador a
utilizao e implementao das suas funcionalidades. Assim, garante-se um maior nvel de
personalizao das funes de proteo, tendo em vista satisfazer os requisitos do sistema
que se pretende proteger.
ii. Classificao quanto ao tipo de resposta
O tempo de atuao fundamental para a preservao dos equipamentos do SEE e para a
coordenao da proteo. Embora se espera que o rel atue mais rapidamente possvel, por
questo de seletividade, torna-se necessrio permitir aos rels uma certa temporizao antes
da ordem de abertura do disjuntor. O tempo de atuao do rel pode ser instantneo ou
temporizado, este ltimo com tempo definido ou tempo inverso.
-
a) Rel instantneo
Sero considerados como tais, aqueles que no apresentam atraso intencional no tempo
de atuao. frequente utilizar protees de tempo instantneo nas redes radiais,
coordenadas atravs de atraso uniforme (a proteo deteta o defeito e d indicao
instantnea para abertura do aparelho de corte).
tempo
grandeza
to
gmin
Figura 3.9 - Curva caraterstico tempo instantneo
O atraso existente devido inercia natural do mecanismo de funcionamento e das suas
caratersticas construtivas. Este tipo de temporizao no pode ser utilizado em esquemas
seletivos, com os valores das correntes de curto-circuito nos diferentes pontos da rede.
b) Rels Temporizado
Sero considerados como tais, aqueles que permitirem controlo no seu tempo de
operao. Para o efeito de coordenao so induzidos atrasos propositados para permitir a
atuao das protees que tenha menor atraso definido.
Rel de tempo definido (constante) ou independente
Uma vez regulado o tempo de atuao (to) e a corrente mnima de atuao ( ), o rel
ir atuar neste tempo para qualquer valor de corrente igual ou maior do que o mnimo
ajustado, ou seja, o tempo de atuao constante independentemente da magnitude da
grandeza que ele sensvel. A figura 3.10 apresenta a curva de temporizao com atraso
independente.
-
30
tempo
grandeza
to
gmin
Figura 3.10 - Curva caraterstico tempo definido
Rels de tempo dependente ou inverso
Os rels temporizados com atraso dependente so os mais utilizados em SEE. A Figura
3.11, mostra a curva temporizado normalmente inversa, cujo atraso funo do valor da
grandeza a qual sensvel. O tempo de atuao do rel inversamente proporcional
magnitude da grandeza que o sensibiliza.
tempo
grandezagmin
to
Figura 3.11 - Curva Caraterstico tempo inverso e tempo inverso com mnimo definido
O rel ira atuar em tempos decrescentes para valores de corrente igual ou maior do que a
mnima de atuao (corrente de partida ou starting current), ou seja garantido que a sua
atuao mais rpida para correntes mais elevadas.
As curvas de tempo dependente so classificadas em trs grupos: Normalmente Inversa
(NI), Muito Inversa (MI) e Extremamente Inversa (EI).
-
tempo
grandeza
NIMI EI
Figura 3.12 - Curva caraterstica dos trs grupos de tempo dependente
Para os rels de tempo inverso com a intensidade de corrente, o tempo de atuao
(temporizao) vem definido na norma IEC 60255-3 (1989-05) por:
( )
(
)
(6)
Onde:
T o tempo de atuao em segundos,
K e so constantes,
TMS o time multiplier setting (multiplicador de tempo)
IPK a corrente de disparo do rel, a corrente mnima que provoca o disparo.
Os valores de e k para os trs curvas mais frequente vem apresentados na Tabela 3.2.
Tabela 3.2 Valores de e k segundo norma IEC 60255-3
Tipo de curva k
Normalmente inverso 0,02 0,14 Muito inverso 1,0 13,5
Extremamente inverso 2,0 80,0
Rels de caratersticas combinadas
Esta caraterstica resulta da combinao de formas acima referidas, no caso do rel de
mxima intensidade, uma combinao de duas caratersticas, temporizado com elemento
instantneo.
-
32
tempo
grandezagmin
Figura 3.13 - Caraterstico tempo combinado
iii. Classificao quanto a grandeza a que so sensveis
Rels de corrente
So aqueles cuja grandeza caraterstica de atuao ou de acionamento uma corrente
fornecida ao rel, seja diretamente ou atravs de um transformador de corrente da rede
[10], so sensveis ao valor eficaz da intensidade de corrente eltrica, atuam para uma
corrente maior que a corrente qual foi regulado. Atuao do rel pode ser instantnea ou
temporria, conforme a necessidade. De todo o tipo de rels o mais utilizado, tornando o
seu uso obrigatrio, em consequncia das anomalias da corrente eltrica que circula numa
instalao.
Rels de tenso
So rels sensveis ao valor eficaz da tenso do circuito que monitorizam. A sua grandeza
caraterstica de acionamento uma tenso obtida, seja diretamente ou atravs de um
transformador de tenso da rede e compara seu valor com o valor ajustado para operao.
Geralmente, a tenso numa instalao estvel, ao contrrio da corrente. S atinge valores
elevados aquando da ocorrncia de fenmenos externos instalao, como, por exemplo,
descarga atmosfrica ou perturbao na gerao.
Rels direcionais
So aqueles que respondem ao fluxo nominal de potncia ou corrente. Tm sensibilidade
direcional em relao ao sentido do fluxo de energia. Este tipo de rels tem usualmente
caratersticas temporizadas para impedir operao indesejvel durante as momentneas
reverses de energia, como, por exemplo, quando dos "surtos" de potncia sincronizante dos
geradores ou das reverses de energia quando ocorrem curto-circuitos [3].
Rels de distncia
Rels sensveis a uma variao de impedncia, em particular uma variao da reactncia
ou da resistncia. Como esses parmetros so proporcionais distncia, da a origem do
nome do rel. Na verdade o rel v o parmetro da linha ou sistema e no a distncia
propriamente dita [12].
-
Rels frequncia
Rels sensveis variao de frequncia na rede, comparando-a com o valor regulado
para operao. Assim, se houver uma queda de frequncia para um valor abaixo da
frequncia nominal, fecha-se o contacto de rel e disparado o disjuntor.
iv. Rels suplementar
Os rels suplementares, por sua vez, podem ser classificados de acordo com a sua funo
na parte lgica da proteo. Assim consideram-se:
Rels temporizadores
A funo desses rels diferir a ao de um outro rel, sendo esse valor de retardo
regulvel e independente das variaes das grandezas eltricas da rede. So rels que
recebendo sinais lgicos dos medidores introduzem um determinado atraso na sua atuao.
Rels auxiliar
Rel cuja funo excitar o circuito de disparo dos disjuntores. Estes rels tm de ter
poder de fecho, o que no acontece nos restantes (sejam eles medidores ou suplementares).
Muitas das vezes os rels auxiliares destinam-se apenas interligao dos elementos da
proteo, no necessitando neste caso de exibir poder de fecho.
Rels de sinalizao
Geralmente utilizado para sinalizar e registar a operao das protees.
3.3.4 - rgos de acionamento
O disjuntor um dispositivo de manobra capaz de estabelecer, conduzir e interromper
correntes normais e anormais especificadas do sistema. Num sistema de proteo, o disjuntor
tem a funo de interromper a corrente de curto-circuito do sistema e isolar a parte do SEE
sob defeito, retirando o elemento com defeito do circuito. composto basicamente por um
circuito de controlo, pelos contactos, por um sistema de abertura dos contactos, por um
sistema de extino do arco eltrico e por um sistema de fecho dos contactos.
As operaes de abertura e de fecho so realizadas a partir de um comando, que pede ser
dado por um rel ou por um operador.
Na proteo do SEE existem diversos tipos de disjuntores, que diferem essencialmente
pelo dieltrico utilizado e sua aplicao na cmara de extino do arco eltrico:
Disjuntor a sopro magntico, usado em MT at 24 kV.
Disjuntor a leo (grande e pequeno volume), aplicado na MT e AT at 230kV.
Disjuntores a vcuo, aplicado em MT
Disjuntores de ar comprimido, embora possam ser usados em toda a gama de tenses,
so mais utilizados na AT e MAT.
Disjuntores Gs SF6 mais moderno e com melhores caratersticas, a tendncia
atual nas reas de AT e MAT.
-
34
3.3.5 - Fontes de alimentao auxiliar
Consiste em vrias baterias formando uma associao at chegar tenso nominal de
operao do circuito de corrente contnua (DC) na ordem de 115 a 125 Volts.
O circuito de comando de abertura ou fecho do disjuntor alimentado em corrente
contnua, isto torna o controlo independente das tenses e correntes do sistema eltrico que
sofrem constantemente variaes e mudanas no seu estado. Uma sala especial dedicada ao
banco de baterias, Figura 3.14, por causa das reaes eletroqumicas internas das baterias
que podem gerar gases explosivos venenosos [12].
Banco de Baterias
Figura 3.14 - Exemplo de sala de baterias de uma subestao
O banco de baterias responsvel pelo auxlio em corrente contnua dos servios
auxiliares da subestao. O seu carregador consiste numa ponte retificadora projetada
especialmente para o efeito.
3.4 - Requisitos do sistema de proteo
Os critrios bsicos que norteiam o projeto e implementao de sistemas de proteo
so: velocidade de atuao, seletividade e coordenao, sensibilidade, fiabilidade e
segurana. Assim, sero descritos estas caratersticas funcionais essenciais devido a sua
importncia.
3.4.1 - Zonas de proteo e redundncias
Para a garantir a melhor coordenao e execuo do sistema de proteo, necessrio
definir as zonas de proteo. Geralmente, para os defeitos que afetam diretamente os
equipamentos, como os curto-circuitos, uma zona de proteo corresponde a um
equipamento especfico do sistema (linha, barramento, transformador, motor).
Normalmente, existe sempre alguma sobreposio entre zonas de proteo, que por
vezes, visa proporcionar uma ou mais reservas de atuao face eventualidade de
funcionamento incorreto da proteo responsvel, em primeira mo, pelo equipamento
-
respetivo (proteo primaria) ou dos disjuntores por ela comandados. A Figura 3.15 mostra
um pequeno sistema com as zonas de proteo correspondentes.
Proteo do gerador
Proteo de barramento de saida
do gerador
Proteo do transformador
Proteo de linha de transmisso
Proteo de barramento
Proteo de saidas
Proteo do transformador
Proteo de barramento
Figura 3.15 - Zonas de proteo [5]
A sobreposio de zonas de proteo vizinhas, garante que nenhuma parte do sistema
fique sem proteo. Por vezes, tal sobreposio visa garantir uma duplicao redundante,
quando os equipamentos do sistema o justificam. A redundncia implica que a unidade de
proteo dever servir de backup unidade existente a jusante. Um equipamento de
proteo deve cobrir diversas zonas, efetuando proteo primria na sua zona, onde deve
atuar primeiro e mais rapidamente. A Figura 3.16 mostra que o rel A realiza proteo
primria na zona A, e proteo secundria ou backup nas zonas B e C.
Zona A Zona B Zona C
A B C
Figura 3.16 - Diferentes zonas de atuao de um rel
A coordenao entre a proteo primria e secundria realizada atravs de um atraso
na atuao de backup. O atraso dever ser o mnimo possvel, mas que permita a correta
atuao da proteo primria [13].
3.4.2 - Seletividade
A seletividade a propriedade que o sistema de proteo deve possuir de modo a isolar
apenas o equipamento defeituoso quando da ocorrncia de um defeito, com o objetivo de
minimizar a perda de funcionalidade do sistema de energia [13]. Este requisito exige que a
cada zona de proteo se associem disjuntores terminais que permitam o referido isolamento
-
36
especfico. Com ela, pretende-se garantir que, em caso de defeito, atue a proteo que
esteja localizada mais prximo do local onde ocorreu esse defeito. Assim, ser possvel
minimizar as consequncias e os reflexos sentidos pelos utilizadores do sistema. Observa-se
na Figura 3.16, um exemplo de eliminao seletiva de defeito.
Proteo do gerador
Proteo de barramento de
sada do gerador
Proteo do transformador
Proteo de linha de
transmisso
Proteo de barramento
Proteo de sadas
Proteo do transformador
Proteo de barramento
Figura 3.17 - Seletividade por zonas de proteo [13]
No caso de um curto-circuito no transformador, as protees devem ordenar a abertura
dos disjuntores mais prximo do defeito (disjuntores imediatamente a montante e a jusante
do transformador). Para garantir maior segurana, cada disjuntor est includo em duas zonas
de proteo vizinhas. A seletividade uma das caratersticas funcionais mais importantes dos
sistemas de proteo, a no atuao ou a atuao indevida deste mecanismo de proteo,
pode conduzir a uma interrupo desnecessria em certas zonas da rede.
3.4.3 - Sensibilidade
As protees devem ser suficientemente sensveis para operarem nas condies de
defeito associadas as menores intensidades de corrente de curto-circuito na sua zona de
atuao, e permanecerem estveis nas condies mximas de carga (no atuar nas condies
de carga que originam as mximas intensidades de corrente).
As protees devem atuar no s em caso de defeitos francos (na sua zona de atuao),
como tambm no caso de defeitos resistivos, quaisquer que sejam as condies da rede e
sempre que as caratersticas dos defeitos caem no seu campo de medida [13].
A sensibilidade da proteo deve ser tal que quando, da ocorrncia de curto-circuito
resistivo esta opere na parte final da sua zona de atuao. usualmente expresso atravs do
fator de sensibilidade ( ) definida na equao 5 como:
-
(5)
Em que: Corrente de curto-circuito mnimo (calculada para o curto-circuito
franco no extremo mais afastado da linha, e sob condio de gerao mnima)
Menor corrente que faz operar a proteo (valor mnimo de corrente de
acionamento exigido pelo fabricante do rel)
A seletividade e a sensibilidade so requisitos fundamentais de sistemas de proteo, muitas
vezes em conflito. A seletividade deve ser considerada como prioritria, como um requisito
fundamental do projeto do sistema de proteo, enquanto a sensibilidade ser um objetivo a
maximizar.
3.4.4 - Rapidez
O sistema de proteo deve atuar to rpido quanto possvel de modo a reduzir os danos
nos equipamentos devido ao funcionamento inadequado, aquecimento ou instabilidade do
sistema, quando da ocorrncia de um defeito. A rapidez do sistema permite ainda reduzir o
intervalo de tempo em que a tenso assume valores diferentes do nominal, assim como,
manter a estabilidade do sistema. de referir que o tempo mximo admissvel pela
manuteno da estabilidade, para a eliminao de um defeito numa rede primria, depende
de diversos fatores, sendo o mais importante o valor da tenso nos barramentos das centrais
e subestaes durante o defeito.
A Tabela 3.3. mostra os tempos tpicos de eliminao de defeitos para diferentes nveis
de tenso da rede, onde se pode verificar que os tempos decrescem com o aumento do nvel
de tenso. Tabela 3.3 Valores tpicos de eliminao de defeitos (tempo de atuao das protees)
300 - 500 kV 100 - 120ms
110 - 220 kV 150 - 300ms
6 - 15 kV 1,5 - 30s
Um sistema de proteo eficaz quando a sua atuao seletiva e rpida, ou seja,
quando tem uma atuao correta. O tempo total de eliminao de um defeito depende do
tempo de atuao das protees somado ao tempo de atuao dos disjuntores, contado desde
a ordem de abertura at extino do arco ( ).
(6)
-
38
De salientar que, com o aparecimento no mercado de equipamentos modernos e
sofisticados o tempo de eliminao de defeito tem vindo a decrescer. Assim, o sistema
equipado com estes aparelhos melhora significativamente a sua rapidez [13]. Os rels rpidos
devem ser associados a disjuntores rpidos, de modo a dar um tempo de operao total
pequeno [11].
3.4.5 - Segurana
O sistema de proteo no deve operar sob condies em que no esteja previsto que
atue, ou seja, ele deve operar fielmente no caso da ocorrncia de um curto-circuito na sua
zona de atuao. A segurana das protees depende, por um lado, da sensibilidade ( ), e
por outro lado, da sua coordenao (temporizao, regulao da intensidade).
Uma operao incorreta poder dever-se:
Instalao incorreta
Deteriorao do equipamento
Geralmente, a segurana est em contradio com a rapidez e sensibilidade das
protees. Por exemplo, uma proteo segura no deve atuar devido a um pico de corrente
de arranque de um motor de induo.
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