guiaprotecao 2008 schneider

Proteo de redes eltricasGuia de proteo

2008

1

Schneider Electric

Guia de proteo

Sumrio

0

Apresentao 2Arquitetura das redes 4

Critrios de escolha 4Exemplos de arquiteturas 5

Aterramentos de neutro 6

Cinco modos de aterramento do neutro 6Neutro isolado 7Aterramento por resistncia 8Aterramento por baixa reatncia 9Aterramento por reatncia de compensao 10Neutro diretamente aterrado 11

Correntes de curto-circuito 12

Introduo aos curtos-circuitos 12Tipos de curtos-circuitos 14Curto-circuito nos terminais de um gerador 16Clculo das correntes de curto-circuito 17Comportamento dos equipamentos durante o curto-circuito 18

Sensores 19

Sensores de corrente de fase (TC) 19Sensores de corrente de fase (LPCT) 21Sensores de corrente residual 22Transformadores de potencial (TP) 23

Funes de proteo 24

Caractersticas gerais 24Lista das funes 26Funes associadas 27

Seletividade 28

Seletividade cronomtrica 28Seletividade amperimtrica 30Seletividade lgica 31Seletividade por proteo direcional 32Seletividade por proteo diferencial 33Seletividades combinadas 34

Proteo das redes 36

Redes com uma entrada 36Redes com duas entradas 38Redes em malha aberta 40Redes em malha fechada 41

Proteo dos barramentos 42

Tipos de falhas e dispositivos de proteo 42

Proteo das ligaes (linhas e cabos) 44

Tipos de falhas e dispositivos de proteo 44

Proteo dos transformadores 46

Tipos de falhas 46Dispositivos de proteo 47Referncias de parametrizao 48Exemplos de aplicaes 49

Proteo dos motores 50


Proteo dos geradores 55


Proteo dos capacitores 60

Tipos de falhas 60Dispositivos de proteo 61Referncias de parametrizao e exemplos de aplicaes 62

Anexos 63

Glossrio 63Referncias bibliogrficas 65ndice dos smbolos 66ndice de termos tcnicos 67

2

Schneider Electric

Apresentao

Guia de proteo

0

Os dispositivos de proteo monitoram permanentemente o estado eltrico dos componentes de uma rede e provocam sua desenergizao (por exemplo, a abertura de um disjuntor), quando estes elementos forem a causa de um distrbio indesejado: curto-circuito, falha de isolaoA escolha de um dispositivo de proteo no o resultado de um estudo isolado, mas uma das mais importantes etapas do projeto de uma rede eltrica.Baseada na anlise do comportamento dos equipamentos eltricos (motores, transformadores) durante as falhas e fenmenos ocorridos, este guia tem por objetivo ajudar a escolher os mais adaptados dispositivos de proteo.

Introduo

Os objetivos visados pelos dispositivos de proteo so mltiplos:b

participar na proteo das pessoas contra os perigos eltricos,b

evitar as deterioraes de material (curto-circuito trifsico em um barramento de mdia tenso pode fundir at 50 kg de cobre em 1 segundo e a temperatura do arco pode ultrapassar em seu centro 10000C),b

limitar as restries trmicas, dieltricas e mecnicas s quais so submetidos estes materiais,b

preservar a estabilidade e a continuidade de servio da rede,b

proteger as instalaes vizinhas (por exemplo, reduzir as tenses induzidas nos circuitos prximos).Para atingir estes objetivos, um sistema de proteo deve possuir as seguintes qualidades: rapidez, seletividade e confiabilidade.No entanto, necessrio conscientizar-se dos limites da proteo: as falhas devem ocorrer antes que a proteo possa agir.A proteo no pode impedir os distrbios; ela somente pode limitar seus efeitos e sua durao. Alm disso, a escolha de uma proteo freqentemente um compromisso tcnico e econmico entre a segurana e a disponibilidade da alimentao na distribuio eltrica.

Estudo das protees de uma rede

O estudo das protees de uma rede divide-se em 2 etapas distintas:b

a definio do sistema de proteo, tambm denominado plano de proteo, b

a determinao das regulagens de cada unidade de proteo, tambm denominada coordenao das protees ou seletividade.

Definio do sistema de proteo

Esta etapa inclui a escolha dos elementos de proteo e da estrutura geral do conjunto, de modo coerente e adaptado rede.O sistema de proteo composto de uma cadeia dos seguintes elementos (fig. 1):b

sensores de medio corrente e tenso fornecem as informaes de medio necessrias deteco das falhas,b

rel de proteo, encarregado da monitorao permanente do estado eltrico da rede at a elaborao dos comandos de eliminao das peas defeituosas e seu comando pelo circuito de trip,b

dispositivos de interrupo com a funo de eliminao de falha: disjuntores, interruptores com base fusvel, contatores com base fusvel.

O plano de proteo

define os dispositivos de proteo contra as principais falhas que afetam as redes e as mquinas:b

os curtos-circuitos, fase-fase e fase-terra,b

as sobrecargas,b

as falhas prprias de mquinas rotativas.Para estabelecer um plano de proteo, devem ser considerados os seguintes parmetros:b

a arquitetura e o tamanho da rede e seus diferentes modos de operao, b

os esquemas de aterramento, b

as caractersticas das fontes de corrente e suas contribuies em caso de falha, b

os tipos de cargas, b

a necessidade de continuidade de servio.

Determinao das regulagens das unidades de proteo

Cada funo de proteo deve ser regulada para fornecer a melhor performance na operao da rede e para todos os modos de funcionamento.Os valores de regulagem adaptados so resultantes de clculos completos baseados nas caractersticas detalhadas dos componentes da instalao. Este tipo de estudo normalmente efetuado utilizando softwares especializados, que indicam o comportamento da rede durante uma falha e fornecem os valores das regulagens para cada funo de proteo relacionada.

DE5

7357

Fig. 1: sistema de proteo

Sensor

Interrupo

Medio

Comando

Rel deproteo

Tratamento

3

Schneider Electric

Apresentao

Guia de proteo

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Contedo do guia

Este guia destina-se a qualquer pessoa encarregada do projeto das protees de uma rede.Divide-se em 2 partes:b

parte 1: estudo de rede,b

parte 2: soluo por aplicao.

Estudo de rede

Parte terica que detalha as bases necessrias ao estudo de um plano de proteo e trata as seguintes questes:b

arquitetura das redes eltricas: quais so as principais estruturas de redes eltricas utilizadas em mdia tenso?b

regimes de neutro: quais so os diferentes modos de aterramento das redes de mdia tenso? Como realizar uma escolha adaptada?b

correntes de curto-circuito: quais so suas caractersticas, como so calculadas e como os dispositivos eltricos reagem s mesmas?b

sensores de medio: como utilizar transformadores de medio de corrente e de tenso?b

funes de proteo: quais funes substituem as protees e quais so suas classificaes segundo a codificao ANSI?b

seletividade das protees: quais so os mtodos utilizados para assegurar uma efetiva eliminao das falhas?A determinao precisa das regulagens das protees no tratada neste guia.

Soluo por aplicao

Parte prtica que apresenta os tipos de falhas prprios a cada aplicao: b

redes, b

barramentos,b

linhas e cabos,b

transformadores,b

motores,b

geradores,b

capacitores,e os dispositivos de proteo adaptados a cada falha, com recomendaes de regulagem e exemplos de aplicao.

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7358

Fig. 1: plano de proteo

495151N

5151NA

B

DE5

7304

Fig. 2: exemplo de aplicao para motor

38/49T

266349T

M

121427D27R4648 - 51LR49RMS5151G6687T

4

Schneider Electric

Arquitetura das redes

Critrios de escolha

0

A soluo de proteo de um sistema eltrico depende de sua arquitetura e de seu modo de operao.Este captulo fornece uma descrio comparativa das estruturas tpicas de redes eltricas.

Arquitetura das redes eltricas

O conjunto dos componentes de uma rede eltrica pode ser organizado segundo diferentes estruturas, cuja complexidade determina a disponibilidade da energia eltrica e o custo do investimento.A escolha da arquitetura ser conseqentemente feita para cada aplicao baseando-se no critrio tcnico-econmico.

So disponveis as seguintes opes:b

redes com arquitetura radialv

radial simples,v

radial dupla,v

em derivao dupla,v

em alimentao dupla com barramentos duplos.b

redes em malhav

em malha aberta,v

em malha fechada.b

redes que incluem uma produo interna de energiav

com grupos de produo local,v

com grupos de substituio.A tabela abaixo resume as caractersticas principais destas estruturas e sua comparao.Diferentes exemplos de arquiteturas so ilustrados na pgina seguinte.

Arquitetura Utilizao Vantagens InconvenientesRadial

Radial simples

Processos que no exigem continuidade de alimentaoEx.: fbrica de cimento

Estrutura mais simplesFcil de protegerCusto mnimo

Pequena disponibilidade de alimentaoTempo de interrupo eventualmente longo na falhaUma nica falha provoca a interrupo da alimentao radial

Radial dupla

Processos contnuos: siderurgia, indstria petroqumica

Boa continuidade de alimentaoManuteno possvel dos barramentos do painel principal

Soluo custosaFuncionamento parcial do barramento em caso de manuteno

Derivao dupla

Redes estendidasExpanses futuras limitadas

Boa continuidade de alimentaoSimplicidade das protees

Requer funes de automao

Barramentos duplos

Processos com grande continuidade de servioProcessos com muita variao das cargas

Boa continuidade de alimentaoFlexibilidade de utilizao: transferncias sem interrupoFlexibilidade de manuteno

Soluo custosaRequer funes de automao

Em malhaMalha aberta

Redes muito estendidasExpanses futuras importantesCargas concentradas em diferentes reas de um local

Menos custosas que a malha fechadaSimplicidade das protees

Interrupo da alimentao de um segmento por falha durante a reconfigurao da malhaRequer funes de automao

Malha fechada

Redes com grande continuidade de servioRedes muito estendidasCargas concentradas em diferentes reas de um local

Boa continuidade de alimentaoSem necessidade de funes de automao

Soluo custosaComplexidade do sistema de proteo

Produo interna de energiaProduo local

Processos industriais com auto-produo de energiaEx.: indstria de papel, siderurgia

Boa continuidade de alimentaoCusto de energia (energia recuperada do processo)

Soluo custosa

Substituio (normal/segurana)

Setores industrial, comercial e de serviosEx.: hospitais

Boa continuidade de alimentao dos alimentadores prioritrios

Requer funes de automao

5

Schneider Electric

Arquitetura das redes

Exemplos de arquiteturas

0

Radial simples Radial dupla

Legenda:NF: normalmente fechadoNA: normalmente abertoTodos os dispositivos de interrupo sem legenda so normalmente fechados.

DE5

5361

DE5

5362

Derivao dupla Barramento duplo

DE5

5363

DE5

5364

Malha aberta Malha fechada

DE5

5365

DE5

5366

Produo local Produo de substituio (normal/segurana)

DE5

5367

DE5

5368

NFouNA

NA

NA

NF

NA

NFouNA

NF

NA

NF NA

NF NA

NA NF

NFouNA

NF NA NA NF

NF NF NF NFNF NA

NFouNA

NF NF NF NFNF NF

NFouNA

GG

NFouNA

NFouNA

NF

NA

G

normal/segurana

6

Schneider Electric

Aterramentos de neutro

Cinco modos de aterramento do neutro

0

A escolha do aterramento do neutro das redes MT e AT foi por muito tempo o alvo de controvrsias apaixonadas, devido ao fato de que impossvel encontrar uma nica soluo para os diferentes tipos de redes. A experincia adquirida permite hoje efetuar uma escolha adequada em funo das restries prprias de cada rede. Neste captulo so comparados os diferentes tipos de aterramento do neutro, que se distinguem pelo modo de conexo do ponto neutro e pela tcnica de operao.

Impedncia de aterramento

O potencial do neutro pode ser aterrado por cinco diferentes mtodos, de acordo com o tipo (capacitivo, resistivo, indutivo) e o valor (zero ao infinito) da impedncia ZN de conexo entre neutro e terra:b

ZN =

:

neutro isolado

, isto , sem conexo de aterramento intencional,b

ZN uma

resistncia

com valor mais ou menos elevado,b

ZN uma

reatncia

, geralmente, com valor baixo,b

ZN uma

reatncia de compensao

, destinada a compensar a capacitncia da rede,b

ZN = 0: o neutro ligado

diretamente terra

.

Dificuldades e critrios de escolha

Os critrios de escolha envolvem diversos aspectos:b

tcnicos (funo da rede, sobretenses, corrente de falha etc),b

de operao (continuidade de servio, manuteno),b

de segurana, b econmicos (custos de investimentos, operacionais),b prticas locais ou nacionais.Duas consideraes tcnicas importantes so particularmente contraditrias:Reduo do nvel das sobretensesSobretenses muito elevadas so a causa de avaria dieltrica dos isolantes eltricos, com curtos-circuitos como conseqncia.As sobretenses tm diversas origens:b sobretenses por relmpagos, a que todas as redes areas so expostas at o ponto de fornecimento do usurio, b sobretenses internas rede, provocadas por manobras e certas situaes crticas (ressonncias),b sobretenses resultantes da fuga terra propriamente dita e de sua eliminao.Reduo da corrente de fuga terra (Ik1) (fig. 1)Uma corrente de falta muito elevada provoca uma srie de conseqncias:b danos causados pelo arco no ponto da falha; especialmente, queima dos circuitos magnticos das mquinas rotativas,b suportabilidade trmica das blindagens de cabo,b dimenses e custos da resistncia de aterramento,b induo nos circuitos de telecomunicaes vizinhos,b perigo para as pessoas, por elevao do potencial de peas condutoras expostas.Infelizmente, a otimizao de uma destas exigncias provoca automaticamente a degradao da outra. Assim, dois mtodos tpicos de aterramento do neutro acentuam este contraste:b o neutro isolado, que elimina o fluxo de corrente de fuga terra no neutro, mas causa sobretenses elevadas,b o neutro diretamente aterrado, que reduz ao mnimo as sobretenses, mas provoca uma corrente de falha elevada.Com relao s consideraes de operao, dependendo do modo de aterramento do neutro adotado, observa-se:b a possibilidade ou no de funcionamento na ocorrncia de uma primeira falha que persiste,b o valor das tenses de contato desenvolvidas,b a maior ou menor dificuldade de colocao em operao da seletividade das protees.Conseqentemente, a melhor escolha a soluo intermediria, isto , neutro aterrado por impedncia.

DE5

7201

Fig. 1: esquema equivalente de uma rede com fuga terra

ZN CCCIk1

Sntese das caractersticas dos regimes de neutroCaractersticas Aterramento de neutro

isolado compensado resistncia reatncia diretoReduo das sobretenses transitrias + + + + +Limitao das sobretenses 50 Hz + + +Limitao das correntes de falha + + + + + Continuidade de servio (autorizao do no desligamento na primeira falha)

+ +

Proteo seletiva simples + + +Dispensa de pessoal qualificado + + +

7Schneider Electric

Aterramentos de neutro Neutro isolado 0

Princpio de conexoNo h nenhuma conexo eltrica intencional entre o ponto neutro e a terra, exceto dispositivos de medio ou de proteo.

Tcnica de operaoNeste tipo de rede, uma falha fase-terra somente provoca uma baixa corrente atravs das capacitncias fase-terra das fases sem falha (fig. 1). demonstrado que Ik1 = 3 C Vb V a tenso fase-neutro,b C a capacitncia de uma fase em relao terra,b a freqncia angular da rede com = 2 fA corrente de falha Ik1 pode ser mantida, em princpio, por um longo perodo sem causar danos, pois ultrapassa somente alguns ampres (aproximadamente 2 A por km para um cabo unipolar de 6 kV com seco de 150 mm2, com isolao PRC e capacitncia de 0,63 F/km). Logo, no necessrio intervir para eliminar esta primeira falha, o que confere a esta soluo a vantagem essencial de manter a continuidade de servio.Mas isto provoca conseqncias:b a isolao deve ser monitorada permanentemente e uma falha ainda no eliminada deve ser obrigatoriamente indicada por um dispositivo de monitorao da isolao (CPI) ou por uma proteo de sobretenso residual (ANSI 59N) (fig. 2),b a procura posterior da falha requer, de um lado, um equipamento automtico complexo para permitir a identificao rpida do alimentador em falha e, de outro, de pessoal qualificado para oper-lo,b se a primeira falha no foi eliminada, ao ocorrer uma segunda falha em outra fase, haver um verdadeiro curto-circuito bifsico terra, o qual ser eliminado pelas protees de fase.

VantagemA vantagem essencial a continuidade de servio do alimentador em falha, pois a corrente de falha muito baixa possibilita o no desligamento (trip) automtico na primeira falha; uma interrupo somente ser necessria na segunda falha.

Inconvenientesb A no eliminao das sobretenses transitrias atravs do aterramento uma deficincia maior se as sobretenses forem elevadas.b Alm disso, em caso de aterramento de uma fase, as outras atingem uma tenso fase-fase em freqncia industrial (U = 3 V ) em relao terra, o que refora a probabilidade de uma segunda falha. O custo de isolao mais elevado, pois a tenso fase-fase permanece aplicada entre fase e terra durante um tempo que pode ser longo, pois no h trip automtico. b A monitorao da isolao obrigatria, com sinalizao da primeira falha.b requerido um servio de manuteno com equipamento adequado para procura rpida da primeira falha de isolao.b A colocao em operao de protees seletivas na primeira falha delicada.b H riscos de sobretenses criadas por ferrorressonncia.

ProteoA deteco do alimentador em falha pode ser feita atravs de uma proteo direcional de fuga terra (ANSI 67N) (fig. 3).O esquema demonstra que a discriminao feita por comparao do ngulo de defasagem entre a tenso residual e as correntes residuais, de um lado, do alimentador em falha e, de outro, de cada alimentador sem falha.A medio da corrente efetuada por um toride e o nvel de trip regulado: para no disparar intempestivamente, em um valor inferior soma das correntes capacitivas de todos os outros alimentadores.Isto provoca dificuldades de deteco em redes com tamanho limitado, isto , com algumas centenas de metros de cabo.

Aplicaes uma soluo freqentemente utilizada nas redes industriais ( 15 kV) que necessitem de continuidade de servio.Tambm utilizada nos sistemas de distribuio eltrica, tais como da Espanha, da Itlia e do Japo.

DE5

7202

Fig. 1: corrente de falha capacitiva em rede isolada

V

Ic

CCCIk1

DE5

5203

Fig. 2: dispositivo de monitorao da isolao

CPI

DE5

7204

Fig. 3: deteco por proteo direcional de fuga terra

A 67N

IrsdA IrsdB

B 67N

Ik1

V0

IrsdA

V0IrsdB

V0

8 Schneider Electric

Aterramentos de neutro Aterramento por resistncia 0

Princpio de conexoUma resistncia conectada intencionalmente entre o ponto neutro e a terra.

Tcnica de operaoNeste tipo de esquema, a impedncia resistiva limita a corrente de fuga terra Ik1, permitindo um bom fluxo das sobretenses. Conseqentemente, protees devem intervir automaticamente para eliminar a primeira falha. Nas redes que alimentam mquinas rotativas, o valor da resistncia determinado para obter uma corrente Ik1 de 15 a 50 A. Porm, necessrio que esta baixa corrente seja IRN 2 Ic (com Ic: corrente capacitiva total da rede) para reduzir as sobretenses de operao e permitir uma deteco simples.Nas redes de distribuio, so adotados valores mais elevados (100 A a 300 A) mais fceis de detectar e que permitem a eliminao das sobretenses decorrentes de descargas atmosfricas.

Vantagensb Este esquema um bom compromisso entre uma corrente de falha baixa e a eliminao das sobretenses.b Ele no exige o emprego de materiais com nvel de isolao entre fase e terra dimensionado para a tenso fase-fase.b As protees so simples, seletivas e a corrente limitada.

Inconvenientesb A continuidade de servio do alimentador em falha degradada e, em caso de fuga terra, esta deve ser eliminada o mais rpido possvel (trip na primeira falha).b O custo da resistncia de aterramento cresce com a tenso e a corrente limitada.

Realizao do aterramento do ponto neutrob Se o neutro da rede for acessvel (existncia de enrolamentos acoplados em estrela com neutro acessvel), a resistncia de aterramento pode ser conectada entre neutro e terra (fig. 1) ou atravs de um transformador monofsico com carga resistiva equivalente (fig. 2).b Quando o neutro no for acessvel (enrolamento em tringulo) ou quando o estudo do plano de proteo demonstrar ser necessrio, um ponto neutro artificial criado por um gerador conectado no barramento, que consiste de um transformador especial com reatncia muito baixa.v transformador em estrela-tringulo com neutro primrio diretamente aterrado e tringulo fechado em resistncia de limitao (isolao de BT, logo, a soluo menos onerosa) (fig. 3),v transformador em estrela-tringulo com resistncia de limitao (isolao de AT) entre o ponto neutro do primrio e a terra, e tringulo fechado em si mesmo; esta soluo menos utilizada (fig. 4).

ProteesPara detectar uma corrente de falha Ik1 que baixa, so requeridas protees diferentes das de sobrecorrente de fases (fig. 5).Estas protees terra detectam a corrente de falha:b diretamente na ligao do neutro terra 1,b na rede, ao medir a soma vetorial das 3 correntes utilizando:v 3 sensores de corrente de fase que alimentam as protees 2,v um toride 3: mtodo mais preciso a ser utilizado preferivelmente.A regulagem do nvel feita em funo da corrente de falha Ik1 calculada, no considerando as impedncias de fonte e de ligao em relao impedncia RN e considerando 2 regras:b regulagem > 1,3 vezes l capacitiva da rede a jusante da proteo,b regulagem da faixa de 10 a 20% da sobrecorrente de fuga terra.Alm disso, se a deteco for realizada por 3 TCs, a regulagem situar-se-, na viso das tecnologias atuais, em uma faixa de 5 a 30% do calibre dos TCs para considerar a incerteza ligada:b assimetria das correntes transitrias,b saturao dos TCs,b disperso da performance.

AplicaesRedes de MT de distribuio eltrica pblica e instalaes industriais.

DE5

7205

Fig. 1: Aterramento com neutro acessvel: resistncia entre neutro e terra

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5200

Fig. 2: Aterramento com neutro acessvel:resistncia no secundrio de um transformador monofsico

DE5

5206

Aterramento com neutro no acessvel:Fig. 3: resistncia de limitao no secundrio

Fig. 4: resistncia de limitao no primrio

DE5

7208

Fig. 5: solues de proteo terra

Ic

Ik1RN IRN

RN

RN

RN

51N

51G 51G1 2 3

RN

9Schneider Electric

Aterramentos de neutro Aterramento por baixa reatncia 0

Princpio de conexoUma reatncia intercalada voluntariamente entre o ponto neutro e a terra.Para as redes de tenso superiores a 40 kV, prefervel utilizar uma reatncia a uma resistncia, devido s dificuldades de realizao relacionadas emisso de calor em caso de falha (fig. 1).

Tcnica de operaoNeste tipo de esquema, a impedncia indutiva limita a corrente de fuga terra Ik1, permitindo uma boa eliminao das sobretenses. Mas, conseqentemente, as protees devem intervir automaticamente para eliminar a primeira falha.Para reduzir sobretenses de operao e permitir uma deteco simples, necessrio que a corrente ILN seja muito maior que a corrente capacitiva total da rede Ic.Nas redes de distribuio, so adotados valores elevados (300 a 1000 A), fceis de detectar, que permitem a eliminao das sobretenses de relmpagos.

Vantagensb Este esquema permite limitar a amplitude das correntes de falha.b Permite a execuo de protees seletivas simples, se a corrente de limitao for muito maior que a corrente capacitiva da rede.b A bobina, de baixa resistncia, no dissipa uma potncia trmica elevada, o que reduz seu dimensionamento.b Em alta tenso, o custo desta soluo mais vantajoso do que com resistncia.

Inconvenientesb A continuidade de servio do alimentador em falha degradada: em caso de fuga terra, esta deve ser eliminada o mais rpido possvel (trip na primeira falha).b Na eliminao das fugas terra, sobretenses elevadas podem ocorrer devido s ressonncias entre a reatncia e a capacitncia da rede.

Realizao do aterramento do ponto neutrob Se o neutro for acessvel (enrolamentos ligados em estrela com neutro acessvel), a reatncia de aterramento poder ser conectada entre neutro e terra.b Quando o neutro no for acessvel (enrolamento em tringulo) ou quando o estudo do plano de proteo demonstrar ser necessrio, um ponto neutro artificial criado por uma bobina de ponto neutro (BPN) conectada no barramento, que realizado por uma bobina zigzag com neutro acessvel (fig. 2). A impedncia entre as duas partes do enrolamento, essencialmente indutiva e fraca, limita a corrente a valores superiores a 100 A. A adio de uma resistncia de limitao entre o ponto neutro da bobina e a terra permite reduzir a amplitude da corrente de falha (isolao de AT).

Proteesb A regulagem da proteo situa-se na faixa de 10 a 20% da sobrecorrente de falha.b A proteo menos restritiva que no caso do aterramento por resistncia, considerando que ILN mais elevado, pois Ic inferior corrente limitada.

AplicaesRedes MT de distribuio eltrica pblica (correntes de muitas centenas de ampres).

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7209

Fig. 1: realizao de aterramento com neutro acessvel

Ic

Ik1ILNLN

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5210

Fig. 2: realizao de aterramento com neutro no acessvel

LN


Aterramentos de neutro Aterramento por reatncia de compensao 0

Princpio de conexoUma reatncia ajustada na capacitncia fase-terra total da rede intercalada entre o ponto neutro e a terra de modo que, na presena de uma fuga terra, a corrente na falha fique prxima de zero (fig. 1).

Tcnica de operaoEste sistema permite compensar a corrente capacitiva da rede.Conseqentemente, a corrente de falha a soma das correntes que percorrem os seguintes circuitos:b o aterramento por reatncia,b as capacitncias das fases sem falha em relao terra.Estas correntes so compensadas desde que:b uma seja indutiva (no aterramento),b a outra seja capacitiva (nas capacitncias das fases sem falha).Logo, elas se adicionam em oposio de fase.Na prtica, a baixa resistncia da bobina faz circular uma pequena corrente resistiva de alguns ampres (fig. 2).

Vantagensb Este sistema diminui as correntes de falha, mesmo se a capacitncia fase-terra for alta: eliminao espontnea das fugas terra no permanentes.b As tenses de contato so limitadas ao local da falha.b A manuteno em servio da instalao mantida mesmo durante uma falha permanente.b A primeira falha indicada pela deteco da passagem da corrente na bobina.

Inconvenientesb O custo da reatncia de aterramento pode ser elevado devido necessidade de modificar o valor da reatncia para adaptar a compensao.b Durante o tempo da falha, necessrio assegurar que a corrente residual que circula no apresente perigo para as pessoas e o bens.b Os riscos de sobretenso transitria na rede so elevados.b A presena de pessoa de superviso necessria.b A execuo das protees seletivas na primeira falha delicada.

ProteoA deteco da falha baseia-se no componente ativo da corrente residual. Conseqentemente, a falha provoca a circulao de correntes residuais no conjunto da rede, mas somente o circuito em falha percorrido por uma corrente residual resistiva.Alm disso, os dispositivos de proteo devem considerar as falhas auto-extinguveis repetitivas (falhas recorrentes).Quando a reatncia do aterramento e a capacitncia da rede estiverem ajustadas(3 LN C 2 = 1)b a corrente de falha ser mnima,b ser uma corrente resistiva,b a falha ser auto-extinguvel.A reatncia de compensao denominada bobina de extino, ou bobina de Petersen.

AplicaoRedes de distribuio de MT com valor de Ic elevado.

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7211

Fig. 1: fuga terra em rede com reatncia de compensao terra

DE5

5212

Fig. 2: diagrama vetorial das correntes na fuga terra

Ic

Ik1

ILN + IR

R LN

V0tenso residual

ILcorrente na reatncia

Iccorrente capacitiva

Ik1

IR

11Schneider Electric

Aterramentos de neutro Neutro diretamente aterrado 0

Princpio de conexoUma ligao eltrica de impedncia zero realizada intencionalmente entre o ponto neutro e a terra.

Tcnica de operaoSe o neutro for aterrado sem impedncia de limitao, a corrente de falha Ik1 entre fase e terra ser praticamente um curto-circuito entre fase e neutro, logo de valor elevado (fig. 1).O trip feito na primeira falha de isolao.

Vantagensb Este esquema ideal para a eliminao das sobretenses.b Ele permite o emprego de materiais com nvel de isolao dimensionado para a tenso fase-neutro.b No h protees especficas: as protees normais de sobrecorrentes de fases podem ser solicitadas para eliminar as falhas fase-terra espontneas.

Inconvenientesb Este esquema provoca todos os inconvenientes e perigos de uma corrente elevada de fuga terra: danos e distrbios so elevados.b No h continuidade de servio do alimentador em falha.b O perigo para o pessoal alto durante a falha, pois as tenses de contato que se desenvolvem so elevadas.

Proteo A deteco de falhas impedantes feita pela funo de proteo de fuga terra temporizada (ANSI 51N), sendo a regulagem da ordem da corrente nominal.

Aplicaesb Este tipo de esquema no utilizado nas redes de MT europias areas ou subterrneas. Por outro lado amplamente utilizado nas redes de distribuio eltrica norte-americanas. Nestas redes (areas), outras particularidades intervm para justificar esta escolha:v existncia de um condutor neutro distribudo,v distribuio de 3 fases ou 2 fases e neutro ou fase e neutro,v utilizao do condutor neutro como condutor de proteo com aterramento sistemtico em cada poste.b Este tipo de esquema pode ser utilizado quando a potncia de curto-circuito da fonte for baixa.

DE5

7213

Fig. 1: fuga terra em rede com neutro diretamente aterrado

Ic

Ik1IN


Correntes de curto-circuito Introduo aos curtos-circuitos 0

O curto-circuito um dos incidentes que mais afetam as redes eltricas.Este captulo descreve os curtos-circuitos, seus efeitos nas redes e suas interaes nos materiais.Tambm fornecido o mtodo de clculo de correntes e tenses na ocorrncia de curtos-circuitos e indica as frmulas principais.

Definiesb Um curto-circuito uma ligao acidental entre condutores com impedncia zero (curto-circuito espontneo) ou no (curto-circuito impedante).b Um curto-circuito pode ser interno se for localizado em um equipamento ou externo, se ocorrer nas ligaes. b A durao de um curto-circuito varivel. O curto-circuito auto-extinguvel se a falha for muito curta para disparar a proteo; transiente, se for eliminado aps o trip e religamento da proteo; permanente, se no desaparecer aps o trip da proteo.b As causas de curto-circuito podem ser: mecnica (golpes de mquinas, galhos de rvore, animais); eltrica (degradao do isolante, sobretenso); humana (erro de operao).

. Efeitos das correntes de curto-circuitoAs conseqncias dos curtos-circuitos so freqentemente graves, quando no so dramticas:b o curto-circuito perturba o ambiente da rede nas proximidades do ponto de falha, ocasionando uma queda de tenso brusca,b requer a desconexo, pelos dispositivos de proteo apropriados, de uma parte freqentemente importante da rede,b todos os equipamentos e conexes (cabos, linhas) sujeitos a curto-circuito so submetidos a um forte esforo mecnico (foras eletrodinmicas) que pode causar rupturas, e a um esforo trmico, que pode provocar a queima dos condutores e a destruio dos isolantes,b no ponto da falha, onde freqentemente ocorre arco eltrico de forte energia, cujos efeitos destruidores so muito grandes e podem ser propagados muito rapidamente.Embora seja cada vez menor a probabilidade de aparecimento de curtos-circuitos nas instalaes modernas, projetadas e operadas eficientemente, as conseqncias graves que poderiam resultar, fazem com que seja incentivada a instalao de dispositivos para deteco e eliminao rpidas de qualquer curto-circuito.O conhecimento do valor da corrente de curto-circuito em diferentes pontos da rede um dado indispensvel para definir os cabos, barramentos e todos os dispositivos de interrupo e de proteo, como tambm suas regulagens.

Caracterizao dos curtos-circuitosDiversos tipos de curtos-circuitos podem ocorrer em uma rede eltrica:b curto-circuito trifsico: corresponde a uma falha entre as trs fases. Este tipo geralmente provoca as correntes mais elevadas (fig. 2).b curto-circuito monofsico terra: corresponde a uma falha fase-terra. Este tipo o mais freqente (fig. 3).b curto-circuito bifsico isolado: corresponde a uma falha entre duas fases em tenso fase-fase. A corrente resultante menor do que no caso do curto-circuito trifsico, exceto quando a falta se situar nas proximidades de um gerador (fig. 4).b curto-circuito bifsico terra: corresponde a uma falha entre duas fases e a terra (fig. 5).

A corrente de curto-circuito em um ponto de uma rede expressa pelo valor eficaz Ik (em kA) de seu componente CA (fig. 6).O valor instantneo mximo que pode atingir a corrente de curto-circuito o valor de pico Ip do primeiro meio ciclo. Este valor de pico pode ser muito mais elevado do que 2 Ik devido ao componente CC IDC amortecido, que pode ser sobreposto ao componente CA.Este componente CC depende do valor instantneo da tenso no momento inicial do curto-circuito e das caractersticas da rede. Esta rede definida pela potncia de curto-circuito, segundo a equao: Scc = 3 Un Ik (em MVA).Este valor terico no tem nenhuma realidade fsica; uma grandeza convencional prtica que se assemelha a uma potncia aparente.

DE5

7355

DE5

5356

Fig. 1: caracterizao de uma corrente de curto-circuito: esquema equivalente

DE5

5229

Fig. 6: curva tpica da corrente de curto-circuito

A

B

IccZcc

R X

E

I

Ia = I sen( t + )

Momento da falha

Icc = Ia + Ic

Ic = I sen e

t

R tL

Ip

2 2 Ik

Componente CC

Tempo(t)

Corrente (I)

DE5

7215

Fig. 2: curto-circuito trifsico (5% dos casos) Fig. 4: curto-circuito bifsico isolado

DE5

7216

Fig. 3: curto-circuito monofsico (80% dos casos) Fig. 5: curto-circuito bifsico terra

Ph 1

Ph 2

Ph 3

Ph 1

Ph 2

Ph 3

Ph 1

Ph 2

Ph 3

Ph 1

Ph 2

Ph 3


Correntes de curto-circuito Introduo aos curtos-circuitos 0

Componentes simtricasEm funcionamento normal simtrico e equilibrado, a anlise das redes trifsicas similar de uma rede monofsica equivalente, caracterizada pelas tenses fase-neutro, as correntes de fase e as impedncias da rede (denominadas impedncias cclicas). Quando aparecer uma assimetria significativa na configurao ou no funcionamento da rede, a simplificao no mais ser possvel: no possvel estabelecer simplesmente as relaes eltricas nos condutores utilizando impedncias cclicas. empregado o mtodo das componentes simtricas, que consiste em conduzir o sistema real sobreposio de trs redes monofsicas independentes, denominadas:b sistema positivo (d) ou em seqncia positiva (1),b sistema negativo (i) ou em seqncia negativa (2),b sistema zero ou em seqncia zero (0).Para cada sistema (respectivamente d, i, 0), as tenses Vd, Vi, V0 e as correntes Id, Ii, I0 so ligadas pelas impedncias Zd, Zi, Z0 do mesmo sistema.As impedncias simtricas so funo das impedncias reais, principalmente indutncias mtuas.A noo de componentes simtricas tambm aplicvel s potncias.

A decomposio em componentes simtricas no somente um artifcio de clculo, mas corresponde bem realidade fsica dos fenmenos: possvel medir diretamente as componentes simtricas tenses, correntes, impedncias de um sistema desbalanceado.As impedncias de seqncia positiva, negativa e zero de um elemento de rede so as impedncias apresentadas por este elemento submetido a sistemas de tenso respectivamente trifsico positivo, trifsico negativo, fase-terra em trs fases em paralelo.Os geradores produzem o componente positivo da potncia e as falhas podem produzir os componentes negativo e em seqncia zero.No caso dos motores, o componente positivo cria o campo rotativo til, enquanto que o componente negativo cria um campo rotativo de frenagem.Para os transformadores, uma fuga terra cria um componente em seqncia zero, que produz um campo em seqncia zero que passa pela carcaa.

V1 Vd Vi V0+ +=

V2 a2 Vd a Vi V0+ +=

V3 a Vd a2 Vi V0+ +=

a ej 23-------=com

Vd 13--- V1 a V2 a2+ V3+( )=

Vi 13--- V1 a2 V2 a+ V3+( )=

V0 13--- V1 V2 V3+ +( )=

a ej 23-------=com

DE5

5214

Decomposio de um sistema trifsico em componentes simtricas

V3d

V1d

V10

V20 t

tV30

V1i

V3 i

V2 iV1

V2

V3

V2d

Positivo Negativo Seqncia zero

t t


Correntes de curto-circuito Tipos de curtos-circuitos 0

Curto-circuito trifsico entre condutores de fase (fig. 1)O valor da corrente de curto-circuito trifsico em um ponto F da rede :

onde U designa a tenso fase-fase no ponto F antes do aparecimento da falha e Zcc a impedncia equivalente da rede a montante vista do ponto de falha.Este clculo simples em princpio; sua complexidade prtica resulta da dificuldade de calcular Zcc, impedncia equivalente a todas as impedncias unitrias em srie e em paralelo dos componentes da rede situados a montante da falha. Estas impedncias so determinadas atravs da soma quadrtica de reatncias e resistncias:

Os clculos podem ser feitos de modo muito simples ao conhecer a potncia de curto-circuito Scc no ponto de conexo da rede do distribuidor. possvel deduzir a impedncia Za equivalente a montante deste ponto:

Do mesmo modo, a fonte de tenso pode no ser nica; pode haver diversas fontes em paralelo, especialmente motores sncronos e assncronos que, ao ocorrer curto-circuito, se comportam como geradores.A corrente de curto-circuito trifsico geralmente a corrente mais elevada que pode circular na rede.

Curto-circuito monofsico entre condutor de fase e terra (fig. 2)O valor desta corrente depende da impedncia ZN situada entre o neutro e a terra; esta impedncia pode ser virtualmente nula se o neutro for diretamente aterrado (em srie com a resistncia de aterramento) ou, ao contrrio, virtualmente infinita se o neutro for isolado (em paralelo com a capacitncia fase-terra da rede).O valor da corrente de falha fase-terra :

Este clculo necessrio nas redes onde o neutro ligado terra por uma impedncia ZN, para determinar a regulagem das protees a terra que devem intervir para cortar a corrente de fuga terra.Quando Zd, Zi e Z0 forem insignificantes em relao a ZN, ento:

, por exemplo, o caso de uma limitao de Ik1 a 20 ampres em uma rede MT alimentada por um transformador de alimentao de alta potncia (10 MVA).

DE5

7217

Fig. 1: curto-circuito trifsico

FIk3

ZN

Zcc

Zcc

Zcc

U

DE5

5219

Modelo de curto-circuito trifsico utilizando componentes simtricas

Ik3 U3 Zcc

------------------------=

Zcc R2 X2+=

Za U2

Scc-----------= IccU

3 Za--------------------=

Id EZd-------=

Ii I0 0= =Vd Vi V0 0= = =

Id

Vd

Ii

Vi

I0

V0

Zd

Zi

Z0

E

DE5

7218

Fig. 2: curto-circuito fase-terra

ZNIk1

Zcc

Zcc

Zcc

U

DE5

5220

Modelo de curto-circuito monofsico utilizando componentes simtricas

Ik1 3 UZd Zi Z0 3ZN+ + +( )---------------------------------------------------------=

Ik1 U3 ZN

---------------------=

Id Ii I0 EZd Zi Z0 3Z+ + +-----------------------------------------------= = =

Vd E Zi Z0 3Z+ +( )Zd Zi Z0 3Z+ + +-----------------------------------------------=

Vi Zi EZd Zi Z0 3Z+ + +-----------------------------------------------=

V0 Z0 EZd Zi Z0 3Z+ + +-----------------------------------------------=

Id

Vd

Ii

Vi

I0

V0

Zd

Zi

Z0

3Z

E


Correntes de curto-circuito Tipos de curtos-circuitos 0

Curto-circuito bifsico entre condutores de fase (fig. 1)O valor da corrente de curto-circuito bifsico em um ponto da rede :

No caso de uma rede alimentada por um transformador (falha distante das fontes), o valor da corrente de curto-circuito bifsico em um ponto da rede :

A corrente de curto-circuito bifsico ento mais fraca do que a do trifsico, na relao de 3/2, isto , aproximadamente 87%.No caso de falha prxima de um gerador (Zi Zd), a corrente pode ser superior ao caso da falha em curto-circuito trifsico.

Curto-circuito bifsico entre condutores de fase e terra (fig. 2)Em caso de falha espontnea distante das fontes, o valor da corrente de curto-circuito bifsico terra :

DE5

7221

Fig. 1: curto-circuito bifsico

ZN

Ik2

Zcc

Zcc

Zcc

U

DE5

5224

Modelo de curto-circuito bifsico utilizando componentes simtricas

Ik2 UZd Zi+-------------------=

Ik2 U2 Zcc--------------------=

IdE

Zd Zi Z+ +------------------------------=

IiE

Zd Zi Z+ +------------------------------=

I0 0=

VdE Zi Z+( )

Zd Zi Z+ +------------------------------=

ViE Zi

Zd Zi Z+ +------------------------------=

V0 0=

Id

Vd

Ii

Vi

I0

V0

Zd

Zi

Z0

E

Z

DE5

7222

Fig. 2: curto-circuito bifsico terra

ZNIkE2E

Ik2E

Zcc

Zcc

Zcc

UD

E552

25

Modelo de curto-circuito bifsico terra utilizando componentes simtricas

IkE2E 3 UZd 2Z0+( )------------------------------=

Id E Zi Z0 3Z+ +( )Zd Zi 3Z Z0+( ) Zd Zi+( )+----------------------------------------------------------------------------------=

Ii E Z0 3Z+( )Zd Zi 3Z Z0+( ) Zd Zi+( )+----------------------------------------------------------------------------------=

I0 E ZiZd Zi 3Z Z0+( ) Zd Zi+( )+----------------------------------------------------------------------------------=

Id

Vd

Ii

Vi

I0

V0

Zd

Zi

Z0

E

3Z


Correntes de curto-circuito Curto-circuito nos terminais de um gerador 0

O clculo da corrente de curto-circuito nos terminais de um gerador sncrono mais complexo do que nos terminais de um transformador conectado rede.Isto devido ao fato de que no se pode considerar a impedncia interna da mquina como constante aps o incio da falha. Ela aumenta progressivamente, logo, a corrente diminui, passando por trs estgios caractersticos:b subtransitrio (0,01 a 0,1 s aproximadamente): a corrente de curto-circuito (valor eficaz do componente CA) elevada; 5 a 10 vezes a corrente nominal permanente.b transitrio (entre 0,1 e 1 s): a corrente de curto-circuito diminui at atingir entre 2 a 6 vezes a corrente nominal.b permanente: a corrente de curto-circuito cai entre 0,5 e 2 vezes a corrente nominal.Os valores dados dependem da potncia da mquina, de seu modo de excitao e, para a corrente permanente, do valor da corrente de excitao, logo, da carga da mquina no momento da falha.Alm disso, a impedncia de seqncia zero dos alternadores geralmente 2 a 3 vezes mais baixa que sua impedncia de seqncia positiva; a corrente de curto-circuito fase-terra ser ento mais elevada do que a corrente trifsica.A ttulo de comparao, o curto-circuito trifsico permanente nos terminais de um transformador varia de 6 a 20 vezes a corrente nominal segundo a potncia.Pode-se ento concluir que os curtos-circuitos nos terminais dos geradores so difceis de caracterizar, particularmente por seu valor baixo e decrescente dificultar a regulagem das protees.

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5223

Fig. 1: curvas tpicas das correntes de curto-circuito nos terminais de um gerador

DE5

5228

Fig. 2: decomposio da corrente de curto-circuito

I2

t

I3

t

t

I1

CorrenteFenmenossubtransitrios transitrios permanentes

Aparecimento da falha

t

t

t

t

t

Corrente

Componente subtransitrio

Subtransitrio

Componente transitrio

Transitrio

Componente permanente

Permanente

Componente CC

Curva de corrente total


Correntes de curto-circuito Clculo das correntes de curto-circuito 0

Mtodo IEC (norma 60909)As regras de clculo das correntes de curto-circuito nas instalaes eltricas foram definidas na norma IEC 60909 editada em 2001.O clculo efetivo das correntes de curto-circuito em diversos pontos de uma rede pode rapidamente tornar-se um trabalho laborioso quando a instalao for complexa.A utilizao de softwares especializados permite efetuar estes clculos mais rapidamente.Esta norma, aplicvel a todas as redes trifsicas radiais ou em malha, 50 ou 60 Hz e at 550 kV, extremamente precisa e conservadora.Ela utilizada para tratar os diferentes tipos de curtos-circuitos, simtricos ou assimtricos, espontneos, que podem ocorrer em uma instalao:b curto-circuito trifsico todas as trs fases geralmente produz as correntes mais elevadas,b curto-circuito bifsico falha entre duas fases mais fraco que o trifsico,b curto-circuito bifsico terra falha entre duas fases e a terra, b curto-circuito monofsico falha entre uma fase e a terra a mais freqente (80% dos casos).No aparecimento de uma falha, a corrente de estabelecimento do curto-circuito no circuito funo do tempo e possui dois componentes (fig. 1):b componente CA, decrescente at seu valor estabelecido, devido s diferentes mquinas rotativas e funo da combinao de suas constantes de tempo,b componente CC, decrescente at zero, devido ao estabelecimento da corrente e funo das impedncias do circuito.Praticamente, pode-se definir valores de curto-circuito teis para a determinao dos equipamentos e do sistema de proteo:b I''k: valor eficaz da corrente simtrica inicial,b Ib: valor eficaz da corrente simtrica interrompida pelo dispositivo de chaveamento na separao do primeiro plo no momento tmin (retardo mnimo),b Ik: valor eficaz da corrente simtrica permanente,b Ip: valor instantneo mximo da corrente no primeiro pico,b IDC: valor contnuo da corrente.Estas correntes so identificadas por 3, 2, 2E, 1, segundo o tipo de curto-circuito, respectivamente trifsico, bifsico, bifsico terra, monofsico.

O princpio do mtodo, baseado no teorema de sobreposio de Thevenin e na decomposio em componentes simtricas, consiste em aplicar no ponto de curto-circuito uma fonte de tenso equivalente para, em seguida, determinar a corrente. O clculo feito em trs etapas: b Definir a fonte de tenso equivalente aplicada no ponto em falha. Ela representa a tenso antes do curto-circuito, levando em conta as variaes da fonte, as mudanas do tap dos transformadores e o comportamento subtransitrio das mquinas.b Calcular as impedncias, vistas do ponto em falha, de cada ramificao que chegar neste ponto; o clculo feito desconsiderando as capacitncias e admitncias em paralelo, nos sistemas de seqncia positiva e negativa.b Conhecendo a tenso e as impedncias, calcular os valores caractersticos mximos e mnimos das correntes de curto-circuito.

As diferentes grandezas de corrente no ponto de falha so calculadas segundo:b as frmulas fornecidas,b e uma relao de soma das correntes que fluem nas ramificaes conectadas ao n:v I''k: ver as frmulas de clculo de I''k nas tabelas ao lado, onde o fator de tenso c definido pela norma; soma geomtrica ou algbrica,v ip = 2 I''k, onde inferior a 2, dependendo da relao R/X da impedncia positiva da ramificao considerada; soma dos valores de pico,v Ib = q I''k, onde e q so inferiores a 1, dependendo dos geradores e motores, como tambm do tempo morto mnimo de interrupo do disjuntor; soma algbrica,v Ik = I''k, quando a falha for distante do gerador,v Ik = Ir, para um gerador, onde Ir corrente nominal do gerador e um fator que depende de sua indutncia de saturao; soma algbrica.

DE5

5226

Fig. 1: representao grfica das grandezas de um curto-circuito segundo IEC 60909

Ip

t mn

2 2 Ik2 2 Ib

2 2 I"k

IDC

Tempo(t)

Corrente (I)

Tipo de curto-circuito

I''k

Trifsico

Bifsico isolado

Bifsico terra

Monofsico

Correntes de curto-circuito segundo IEC 60909:(situao geral)

Tipo de curto-circuito

I''k

Trifsico

Bifsico isolado

Bifsico terra

Monofsico

Correntes de curto-circuito segundo IEC 60909 (falhas distantes)

c Un3 Zd

---------------------

c UnZd Zi+-------------------

c Un 3 ZiZd Zi Zi Z0 Zd Z0+ +------------------------------------------------------------------------

c Un 3Zd Zi Z0+ +---------------------------------

c Un3 Zd

---------------------

c Un2 Zd-----------------

c Un 3Zd 2Z0+

------------------------------

c Un 32Zd Z0+

------------------------------


Correntes de curto-circuito Comportamento dos equipamentos durante o curto-circuito 0

CaracterizaoSo disponveis 2 tipos de equipamentos de rede, dependendo se intervm ou no no momento da falha.

Equipamentos passivosEsta categoria abrange todos os equipamentos destinados, por sua funo, a conduzir tanto a corrente normal quanto a corrente de curto-circuito.Incluem cabos, linhas, barramentos, chaves seccionadoras, interruptores, transformadores, reatncias e capacitores, transformadores de medio.Para estes equipamentos, definida a capacidade de suportar a passagem de um curto-circuito sem danos por: b suportabilidade eletrodinmica (expressa em kA pico) que caracteriza sua resistncia mecnica aos esforos eletrodinmicos,b suportabilidade trmica (expressa em kA ef durante 1 a 5 segundos) que caracteriza o sobreaquecimento admissvel.

Equipamentos ativosNesta categoria, so classificados os equipamentos destinados a eliminar a corrente de curto-circuito: disjuntores e fusveis. Esta propriedade determinada pelo poder de interrupo e, se necessrio, pelo poder de fechamento por falha.Poder de interrupo (fig. 1) Esta caracterstica bsica de um dispositivo de interrupo a corrente mxima (em kA ef), que capaz de interromper nas condies especficas definidas pelas normas; trata-se geralmente do valor eficaz do componente CA da corrente de curto-circuito. Ocasionalmente, especificado para certos dispositivos o valor eficaz da soma dos 2 componentes, CA e CC, neste caso, a corrente assimtrica.O poder de interrupo depende de outros fatores:v tenso,v relao R/X do circuito interrompido,v freqncia natural da rede,v nmero de interrupes em corrente mxima, por exemplo o ciclo: O - C/O - C/O (O = abertura; C = fechamento),v estado do dispositivo aps o teste.O poder de interrupo uma caracterstica relativamente complexa para definir e no surpreendente que ao mesmo dispositivo seja atribudo um poder de interrupo diferente, dependendo da norma que o define.Poder de fechamento por curto-circuitoGeralmente, esta caracterstica implicitamente definida pelo poder de interrupo: um dispositivo deve ter a mesma capacidade de fechamento por curto-circuito que a de interrupo. Ocasionalmente, o poder de fechamento deve ser mais elevado, por exemplo, para os disjuntores de alternador.O poder de fechamento definido em kA pico, pois o primeiro pico assimtrico o mais restritivo do ponto de vista eletrodinmico.Por exemplo, segundo a norma IEC 60056, um disjuntor utilizado em 50 Hz deve ser capaz de responder a: I pico fechamento = 2,5 x I eficaz de interrupoCorrente de curto-circuito presumida interrompidaCertos dispositivos tm a propriedade de limitar a corrente a ser interrompida. Seu poder de interrupo definido como corrente mxima presumida interrompida, que se desenvolveria em um curto-circuito espontneo estabelecido nos bornes a montante do dispositivo.

Caractersticas especficas do dispositivoAs funes preenchidas pelos diferentes dispositivos de interrupo, assim como as principais restries associadas, so resumidas na tabela a seguir.

DE5

5227

IAC: pico do componente peridicoIDC: componente aperidico

Fig. 1: poder de interrupo nominal de um disjuntor em curto-circuito segundo a norma IEC 60056

IAC

IDCTempo (t)

Corrente (I)

Dispositivo Funoisolao

Funo de chaveamento de corrente

Restries principais

Em servio Na falhachave seccionadora

sim no no Isolao de entrada-sada longitudinalChave seccionadora de aterramento: poder de fechamento por falha

interruptor no sim no Interrupo e estabelecimento da corrente normal de cargaPoder de fechamento por curto-circuitoAssociado a fusvel: poder de interrupo na rea de no queima do fusvel

contator nosim, se extravel

sim no Poderes nominais de interrupo e de fechamentoPoderes mximos de carga em interrupo e em fechamentoCaractersticas de servio e resistncia

disjuntor nosim, se extravel

sim sim Poder de interrupo por curto-circuitoPoder de fechamento por curto-circuito

fusvel no no sim Poder de interrupo mnimo por curto-circuitoPoder de interrupo mximo por curto-circuito


Sensores Sensores de corrente de fase (TC) 0

Os dispositivos de proteo ou de medio precisam receber informaes sobre as grandezas eltricas dos equipamentos a serem protegidos. Por razes tcnicas, econmicas e de segurana, estas informaes no podem ser obtidas diretamente na alimentao de alta tenso dos equipamentos. necessrio utilizar dispositivos intermedirios denominados redutores de medio ou sensores:b sensores de corrente de fase,b torides para a medio das correntes de falta terra,b transformadores de potencial (TP).Estes dispositivos preenchem as seguintes funes:b reduo da grandeza a ser medida(ex: 1500/5 A),b isolao galvnica,b fornecimento da energia necessria para o processo da informao e para o prprio funcionamento da proteo.

A funo de um sensor de corrente de fase fornecer a seu enrolamento secundrio uma corrente proporcional corrente do primrio medida. Isto utilizado tanto na medio quanto na proteo.So disponveis 2 tipos de sensores:b TC (transformadores de corrente),b LPCT (TCs com sada de tenso).

Caractersticas gerais (fig.1)O transformador de corrente constitudo por dois circuitos, primrio e secundrio, acoplados por um circuito magntico.Com diversas espiras no primrio, o dispositivo do tipo bobinado.Quando o primrio um simples condutor que atravessa o sensor, o transformador pode ser do tipo primrio passante (primrio integrado composto de uma barra de cobre) ou do tipo suporte (primrio composto de um condutor no isolado da instalao) ou do tipo toride (primrio composto de um cabo isolado).

Os TCs so caracterizados pelas seguintes grandezas (segundo a norma IEC 60044)(1):Nvel de isolao nominal do TC a mais elevada tenso aplicada ao primrio do TC.Observe que o primrio est no potencial da AT e o secundrio tem geralmente um de seus bornes aterrados.Como para qualquer equipamento, tambm so definidos:b uma tenso mxima de suportabilidade de 1min em freqncia industrial,b uma tenso mxima de suportabilidade onda de choque.Exemplo: em 24 kV de tenso nominal, o TC deve suportar uma tenso de 50 kV durante 1min a 50 Hz e uma tenso de impulso de 125 kV.Relao nominal de transformao geralmente dada como relao entre as correntes primria e secundria Ip/Is.A corrente secundria nominal geralmente 5 A ou 1 A.Preciso definida pelo erro composto pela corrente limite de preciso.O fator limite de preciso (FLP) a relao entre a corrente limite de preciso e a corrente nominal.b Para classe P:5P10 significa 5% de erro para 10 In; 10P15 significa 10% de erro para 15 In,5P e 10P so as classes de preciso normalizadas para os TCs de proteo,5 In, 10 In, 15 In, 20 In so as correntes limites de preciso normalizadas.b A classe PR definida pelo fator de remanescncia, a relao do fluxo remanente e o fluxo de saturao, que deve ser inferior a 10%. 5PR e 10PR so as classes de preciso normalizadas para os TCs de proteo.b A classe PX corresponde a um outro modo de especificar as caractersticas de um TC atravs de sua tenso do ponto de joelho, a resistncia secundria e a corrente de magnetizao (ver pgina seguinte, fig.1: resposta de um TC em regime saturado).Potncia de precisoEsta a potncia aparente em VA, que o TC pode fornecer ao circuito secundrio na corrente secundria nominal para a qual a preciso garantida.A potncia consumida por todos os dispositivos conectados e os cabos de ligao.Se um TC carregado com um potncia inferior sua potncia de preciso, sua preciso real ser superior preciso nominal, do mesmo modo, um TC muito carregado perde preciso.Corrente de curta durao admissvelExpressa em kA eficaz, a corrente (Ith) mxima admissvel durante 1 segundo (com o secundrio em curto-circuito) representa a suportabilidade trmica do TC s sobrecorrentes. O TC deve suportar a corrente de curto-circuito durante o tempo necessrio sua eliminao. Se o tempo de eliminao t for diferente de 1 s, a corrente que o TC pode suportar ser A suportabilidade eletrodinmica expressa em kA pico no mnimo igual a 2,5 IthValores normais das correntes primrias nominais (em A): 10 - 12,5 - 15 - 20 - 25 - 30 - 40 - 50 - 60 - 75 e seus mltiplos ou submltiplos decimais.

(1) Tambm devem ser considerados os elementos ligados ao tipo de montagem, s caractersticas do local (exemplo: temperatura), freqncia da rede etc.

DE5

7330

Ip: corrente no primrioIs: corrente no secundrio (imagem de Ip e em fase)Fig. 1: transformador de corrente

IsS1

S2

IpP1

P2

Ith t


Sensores Sensores de corrente de fase (TC) 0

Resposta de um TC em regime saturadoO TC satura ao ser submetido a uma corrente primria muito elevada. A corrente secundria desproporcional corrente primria. Conseqentemente, o erro de corrente que corresponde corrente de magnetizao torna-se muito significativo.Tenso do ponto de joelho (fig.1)Corresponde ao ponto da curva de magnetizao de um transformador de corrente para o qual um aumento de 10% da tenso E requer um aumento de 50% da corrente de magnetizao Im.

O secundrio do TC atende equao:(RTC + Rcarga + Rfiao) FLP Isn2 = constante onde Isn = corrente nominal secundriaFLP = fator limite de precisoIsat = FLP Isn

TC para proteo de sobrecorrente de fasePara protees de sobrecorrente com tempo definido (constante), se a saturao no for atingida em 1,5 vezes o valor da corrente de regulagem, o funcionamento ser assegurado, qualquer que seja a corrente da falha (fig. 2).Para protees de sobrecorrente com tempo inverso, a saturao no deve ser atingida em 1,5 vezes o valor de corrente correspondente ao mximo da parte til da curva de funcionamento (fig. 3).

TC para proteo diferencial (fig. 4)Os TCs devem ser especificados para cada aplicao em funo do princpio de funcionamento da proteo e do componente protegido. Consultar o manual tcnico da proteo relacionada.

DE5

7331

Fig. 1: esquema equivalente do circuito secundrio de um TC e curva de magnetizao de um TC

Is

VsS1

S2

IpP1

P2

EImLm

RTC

Rcarga

Rfil

Isat Isn Im a Vk 1,5 Im

ImagnetizaoIsecundrio

E

Vk 10%

50%

RTC + Rfiao + Rcarga

DE5

5332

Fig. 2 Fig. 3

DE5

7334

Fig. 4

t

I

Iregulagem Isaturao

x 1,5

t

I

Iccmx Isaturao

x 1,5

Proteo diferencial

rea protegidaP1 P2 P2 P1


Sensores Sensores de corrente de fase (LPCT) 0

Transformadores de corrente de baixa potncia tipo LPCT (fig.1)So sensores especficos de corrente com sada direta em tenso tipo low power current transducers, conforme a norma IEC 60044-8. Os LPCT so utilizados para as funes de medio e de proteo. So definidos pela:b corrente primria nominal,b corrente primria estendida,b corrente primria limite de preciso.Eles tm uma resposta linear em uma ampla faixa de corrente e somente comeam a saturar acima das correntes a serem interrompidas.Exemplo de caractersticas de medio segundo a norma IEC 60044-8 b Corrente primria nominal Ipn = 100 Ab Corrente primria estendida Ipe = 1250 Ab Tenso secundria Vsn = 22,5 mVb Classe 0,5:v preciso 0,5% de 100 A a 1250 A,v preciso 0,75% a 20 A,v preciso 1,5% a 5 A.Exemplo de caractersticas de proteo segundo a norma IEC 60044-8b Corrente primria Ipn = 100 Ab Tenso secundria Vsn = 22,5 mVb Classe 5P de 1,25 kA a 40 kA (fig. 2).

DE5

7336

Fig.1: transformador de corrente tipo LPCT

S1

S2Vs

IpP1

P2

DE5

5337

Fig. 2: caracterstica de preciso de um LPCT

5%

1,5%

0,75%

0,5%Ip

Mdulo(%)

Mdulo

5 A

Ip

Fase(min)

Fase

20 A 100 A 1 kA 1,25kA

40kA

10kA

90

45

30

60


Sensores Sensores de corrente residual 0

Corrente de seqncia zero - corrente residualA corrente residual que caracteriza a corrente de fuga terra igual soma vetorial das trs correntes de fase (fig.1).A corrente residual igual a 3 vezes a corrente de seqncia zero I0.

Deteco da corrente de fuga terraA corrente de fuga terra pode ser detectada de diversas maneiras.

DE5

5338

Fig. 1: definio da corrente residual

I1

I2

Irsd

I3

Irsd 3 I0 I1 I2 I3+ +==

Sensores de medio

Preciso Nvel de ajuste mnimo sugerido para proteo terra

Montagem

Toride especfico

+++ Alguns ampresD

E573

39

DE5

7340

Medio direta por toride especfico de seqncia zero conectado diretamente ao rel de proteo. um transformador que engloba condutores ativos e cria diretamente a corrente residual.

Pode tambm ser instalado para ligao terra no neutro acessvel. O resultado uma alta preciso de medio; um nvel de deteco muito baixo, da ordem de alguns ampres, pode ser utilizado.

TC toroidal + toride adaptador

++ 10% de InTC (DT)5% de InTC (IDMT)

DE5

7341

DE5

7342

Medio diferencial por TC toroidal clssico, que instalado em torno dos condutores ativos e gera a corrente residual; um toride especfico de seqncia zero tem a funo de adaptador para o rel de proteo.

A montagem do TC toroidal possvel para ligao terra no neutro acessvel com adaptador. O resultado uma boa preciso de medio e uma grande flexibilidade na escolha dos TCs.

3 TCs de fase+ toride adaptador

++ 10% de InTC (DT)5% de InTC (IDMT)

DE5

7343

Medio das correntes nas trs fases com um TC por fase e medio da corrente residual por toride especfico.

Praticamente, o nvel de corrente residual deve ser:b Is0 10% InTC para proteo com tempo definido,b Is0 5% InTC para proteo com tempo inverso.

3 TCs de faseIrsd calculado pelo rel

+ Sem restrio H2 (2 harmnica)30% InTC (DT)10% de InTC (IDMT)

Com restrio H2 (2 harmnico)10% de InTC (DT)5% de InTC (IDMT)

DE5

7344

Clculo a partir das medies de corrente nas trs fases com um TC por fase.b A corrente residual calculada pelo rel de proteo.b A preciso da medio tem muitos erros; soma dos erros dos TCs e das caractersticas de saturao, corrente calculada.b A montagem mais simples que no caso anterior, mas a preciso de medio inferior. Na prtica, a regulagem dos nveis da proteo terra deve respeitar as seguintes condies:b Is0 30% InTC para proteo com tempo definido (10% InTC com rel de proteo equipado com restrio de 2 harmnica),b Is0 10% InTC para proteo com tempo inverso.

51GIrsd

51GIrsd

Neutro

51G1 ou 5 A

Irsd

51G1 ou 5 A

Neutro

Irsd

1 ou 5 AI1I2I3

Irsd

51N

I1I2I3

51N


Sensores Transformadores de potencial (TP) 0

A funo de um transformador de potencial fornecer a seu secundrio uma tenso proporcional quela aplicada no primrio. Os transformadores de potencial so utilizados para medio e proteo.

Medio da tenso fase-faseO transformador de potencial constitudo por dois enrolamentos, primrio e secundrio, acoplados por um circuito magntico; as conexes podem ser feitas entre fase-fase ou fase-terra.

Os transformadores de potencial so caracterizados pelas seguintes grandezas:(publicao IEC 60186, IEC 60044-2 e NFC 42-501) (1)b freqncia da rede em geral 50 ou 60 Hz,b a mais elevada tenso primria da rede,b tenso secundria nominal 100, 100/3, 110, 110/3 Volts dependendo do tipo de conexo,b fator de tenso nominal utilizado para definir as caractersticas de aquecimento,b potncia aparente, em VA, que o transformador de potencial pode fornecer ao secundrio, sem causar erro superior sua classe de preciso quando ligado em sua tenso primria nominal e conectado em sua carga nominal; observar que nunca deve ser curto-circuitado no secundrio de um TP, pois a potncia fornecida aumenta e h deteriorao por sobreaquecimento,b classe de preciso que define os limites de erros garantidos na relao de tenso e a defasagem nas condies especificadas de potncia e de tenso.

So possveis diversos conjuntos de medio:b montagem de 3 transformadores em estrela (fig. 1) (requer 1 borne de alta tenso isolado por transformador)Relao de transformao: por exemplo

b montagem de 2 transformadores em V (fig. 2) (requer 2 bornes de alta tenso isolados por transformador)Relao de transformao: por exemplo

Em regime de neutro isolado, todos os TPs fase-neutro devem ser carregados convenientemente para evitar os riscos de ferrorressonncia.(1) Tambm devem ser considerados os elementos ligados ao tipo de montagem, s caractersticas do local (ex: temperatura) etc.

Medio da tenso residualA tenso residual que caracteriza o potencial do ponto neutro em relao terra, igual soma vetorial das trs tenses fase-terra.A tenso residual igual a 3 vezes a tenso de seqncia zero V0:

(fig. 3)O aparecimento desta tenso indica a existncia de uma fuga terra.Ela obtida:b por medio, utilizando trs transformadores de potencial com os primrios ligados em estrela e os secundrios ligados em tringulo aberto, que fornece a tenso residual (fig. 4),b por clculo pelo rel atravs de trs transformadores de potencial, cujos primrios e os secundrios so ligados em estrela (fig. 5).

DE5

7345

Fig. 1: TP instalado em estrela

DE5

7346

Fig. 2: TP instalados em V

DE5

5347

Fig. 3: definio da tenso residual

V1

V2

Vrsd

V3

DE5

7348

DE5

7349

Fig. 4: medio direta de tenso residual Fig. 5: clculo de tenso residual

Un 3100 3---------------------

Un 100

Vrsd 3 V0 V1 V2 V3+ +==

59N

Vrsd

V1 59N

V2

V3


Funes de proteo Caractersticas gerais 0

Os rels de proteo que monitoram permanentemente as grandezas eltricas da rede, incluem associaes de funes bsicas, cuja combinao adaptada aos componentes de rede monitorados.

FuncionamentoO rel inclui (fig. 1):b a entrada analgica de medio da varivel observada, recebida do sensor,b o resultado lgico do processamento da medio (denominado S),b a sada lgica instantnea da funo de proteo, utilizada para indicao, por exemplo (denominado Si),b sada lgica temporizada da funo de proteo, utilizada para acionar o comando de trip do disjuntor (denominado St).

Caractersticas (fig. 2)O modo de trabalho de uma funo de proteo envolve tempos caractersticos (IEC 60255-3):b o tempo de funcionamento (operating time): o tempo decorrido entre a aplicao da grandeza caracterstica (duas vezes o nvel de regulagem) e o chaveamento do rel de sada (sada instantnea),b o tempo de ultrapassagem (overshoot time): a diferena entre o tempo de funcionamento e o tempo mximo de aplicao da grandeza caracterstica sem trip,b o tempo de retorno (reset time): o tempo decorrido entre a diminuio brusca da grandeza caracterstica e o chaveamento do rel de sada.Nota: Encontra-se usualmente outros termos no normalizados, cujas definies podem diferir segundo o fabricante: tempo de liberao, tempo de no resposta, tempo de trip instantneo, tempo de memria.

Para sua estabilidade, a funo tem uma porcentagem de liberao d em % do nvel de regulagem: no exemplo, figura 3, S passa de 1 a 0 para I = d Is

DE5

7270

Fig. 1: princpio de funcionamento de um rel (exemplo de rel de proteo de sobrecorrentede fase ANSI 51)

I > IsI S StSi

0D

E552

72

Fig. 2: tempo caracterstico de uma funo de proteo

DE5

5271

Fig. 3: porcentagem de liberao

Nvel Is

2 IsI eficaz

Tempo defuncionamento

Tempo deretorno

Tempo de ultrapassagem

Tempo mximo sem trip

t

0

1

Si

t

Is

2 IsI

t

Is

d Is

0

1

S

t

I

t


Funes de proteo Caractersticas gerais 0

RegulagensCertas caractersticas das funes de proteo so regulveis pelo usurio, principalmente:b nvel de trip: ele fixa o limite da grandeza observada que determinar a atuao da proteo.b tempo de trip:v temporizao com tempo definido ou tempo constante (DT: Definite Time)O exemplo da figura 1 aplicado a um rel de corrente, mostra que o tempo de trip da proteo constante (regulagem da temporizao T) acima do nvel de corrente Is,

v temporizao com tempo inverso (IDMT: Inverse Definite Minimum Time)O exemplo da figura 2 aplicado a um rel de corrente, mostra que o tempo de trip da proteo to curto quanto a corrente elevada, acima do nvel de corrente Is.

Existem diversos tipos de curvas, determinadas por equaes e definidas segundo diferentes organismos de normalizao: por exemplo, a IEC define (fig. 3):- tempo inverso (SIT, standard inverse time),- tempo muito inverso (VIT, very inverse time),- tempo extremamente inverso (EIT, extremely inverse time).

b tempo de manuteno: tempo de retorno regulvel,b restrio: bloqueio do trip em funo da taxa de 2 harmnica,b constantes de tempo (exemplo sobrecarga trmica ANSI 49RMS),b ngulo caracterstico (exemplo direcional de sobrecorrente ANSI 67).

DE5

5273

Fig. 1: princpio do trip com tempo definido

Nvel de correntet

I

T

Is

Temporizao

Nofuncionamento

Funcionamentotemporizado

DE5

5274

Fig. 2: princpio de trip com tempo inverso

DE5

5275

Fig. 3: curvas de trip com tempo inverso

Nvel de correntet

I

T

Is 10 Is

Nofuncionamento

Funcionamentotemporizado

Temporizao

t

EIT

VIT

SIT

I

T

Is 10 Is


Funes de proteo Lista das funes 0

As principais funes de proteo so indicadas com uma breve definio na tabela abaixo. A classificao feita em ordem numrica pelo cdigo ANSI C37.2.

Cdigo ANSI Nome da funo Definio12 Sobrevelocidade Deteco de sobrevelocidade das mquinas rotativas14 Subvelocidade Deteco de subvelocidade das mquinas rotativas21 Proteo de distncia Deteco de medio de impedncia21B Subimpedncia Proteo de back-up dos geradores contra curtos-circuitos fase-fase24 Controle de fluxo Controle de sobrefluxo25 Controle de sincronismo Controle de autorizao de chaveamento de duas partes da rede26 Termostato Proteo contra as sobrecargas27 Subtenso Proteo para controle de uma queda de tenso27D Subtenso de seqncia positiva Proteo dos motores contra funcionamento em tenso insuficiente 27R Subtenso remanente Controle de desaparecimento da tenso mantida pelas mquinas rotativas depois de uma

desconexo da alimentao27TN Subtenso residual (3 harmnica) Deteco de falha de isolao terra dos enrolamentos estatricos (neutro impedante)32P Direcional de sobrepotncia ativa Proteo de controle de transferncia de sobrepotncia ativa32Q Direcional de sobrepotncia reativa Proteo de controle de transferncia de sobrepotncia reativa37 Subcorrente de fase Proteo trifsica contra subcorrente37P Direcional de subpotncia ativa Proteo de controle de transferncia de subpotncia ativa37Q Direcional de subpotncia reativa Proteo de controle de transferncia de subpotncia reativa38 Superviso da temperatura Proteo contra os aquecimentos anormais dos mancais das mquinas rotativas40 Perda de excitao Proteo das mquinas sncronas contra falha ou perda de excitao46 Desbalano / corrente de seqncia negativa Proteo contra os desbalanos das correntes das fases47 Sobretenso de seqncia negativa Proteo de tenso negativa e deteco da direo de rotao inversa de mquina rotativa48 - 51LR Partida longa, rotor bloqueado Proteo dos motores contra partida com sobrecarga ou tenso reduzida,

e para cargas que podem ser bloqueadas49 Sobrecarga trmica Proteo contra as sobrecargas49T Superviso de temperatura Proteo contra os aquecimentos anormais dos enrolamentos das mquinas50 Sobrecorrente de fase instantnea Proteo trifsica contra curtos-circuitos fase-fase50BF Falha de disjuntor Proteo de controle da no-abertura do disjuntor aps um comando de trip50N ou 50G Fuga terra instantnea Proteo contra fugas terra:

50N: corrente residual calculada ou medida por 3 TCs50G: corrente residual medida diretamente por um nico sensor (TC ou toride)

50V Sobrecorrente instantnea de fase com restrio de tenso

Proteo trifsica contra curtos-circuitos fase-fase, com nvel dependente da tenso

50/27 Energizao acidental do gerador Deteco de energizao acidental do gerador51 Sobrecorrente de fase temporizada Proteo trifsica contra sobrecargas e curtos-circuitos fase-fase51N ou 51G Fuga terra temporizada Proteo contra fugas terra:

51N: corrente residual calculada ou medida por 3 TCs51G: corrente residual medida diretamente por um nico sensor (TC ou toride)

51V Sobrecorrente de fase com restrio de tenso temporizada

Proteo trifsica contra curtos-circuitos fase-fase, com nvel dependente da tenso

59 Sobretenso Proteo de controle de tenso muito elevada ou suficiente59N Sobretenso residual Proteo de deteco de falha de isolao63 Presso Deteco de falha interna do transformador (gs, presso)64REF Diferencial de fuga terra restrita Proteo contra fugas terra dos enrolamentos trifsicos acoplados em estrela com neutro

aterrado64G 100% de falta terra no estator do gerador Deteco de falhas de isolao terra dos enrolamentos estatricos

(rede com neutro impedante)66 Partidas por hora Proteo que controla o nmero de partidas dos motores67 Direcional de sobrecorrente de fase Proteo trifsica contra curtos-circuitos segundo a direo de escoamento da corrente67N/67NC Direcional de fuga terra Proteo contra fugas terra segundo a direo de escoamento da corrente

(NC: Neutro Compensado)78 Salto de vetor Proteo de chaveamento com salto de vetor78PS Perda de sincronismo (pole slip) Deteco de perda de sincronismo das mquinas sncronas em rede79 Religador Automao de fechamento de disjuntor aps trip por falha transiente de linha81H Sobrefreqncia Proteo contra freqncia anormalmente elevada81L Subfreqncia Proteo contra freqncia anormalmente baixa81R Taxa de variao de freqncia (df/dt) Proteo de chaveamento rpido entre duas partes da rede87B Diferencial do barramento Proteo trifsica contra falhas internas no barramento87G Diferencial do gerador Proteo trifsica contra falhas internas no gerador87L Diferencial da linha Proteo trifsica contra falhas internas na linha87M Diferencial do motor Proteo trifsica contra falhas internas no motor87T Diferencial do transformador Proteo trifsica contra falhas internas no transformador


Funes de proteo Funes associadas 0

As funes de proteo so completadas por:b funes de controle adicionais,b funes de monitorao de operao,b funes de operao,b funes de sinalizao,b funes de medio,b funes de diagnstico,b funes de comunicao, para permitir um melhor controle do sistema eltrico.Todas estas funes podem ser fornecidas pela mesma unidade de proteo digital.

Controle dos dispositivos de interrupoEsta funo assegura o controle dos diferentes tipos de bobinas de fechamento e de trip dos dispositivos de interrupo.

Superviso do circuito de tripEsta funo indica a falha do circuito de trip do dispositivo de interrupo.

Comandos lgicosEsta funo utilizada para implementar o princpio de seletividade lgica, por emisso e/ou recepo de comandos de espera lgica entre diferentes unidades de proteo.

Funes lgicasEstas funes realizam operaes de equaes lgicas para gerar informaes ou comandos complementares teis aplicao.

Funes de operaoEstas funes tornam a operao mais conveniente para o usurio.b Reguladores do tap de transformadores,b Regulao da energia reativa,b Localizador de falha (ANSI 21FL, Fault Locator),b Controle dos capacitores,b Tempo de funcionamento antes do trip por sobrecarga trmica.

Funes de medioEstas funes fornecem as informaes requeridas para um bom conhecimento do funcionamento da rede eltrica e de sua operao.b Corrente de fase,b Corrente de trip,b Corrente residual,b Correntes diferenciais e passantes,b THD de corrente (taxa global de distoro harmnica),b Tenses fase-neutro e fase-fase,b Tenso residual e de seqncia positiva e negativa,b THD de tenso (taxa global de distoro harmnica),b Freqncia,b Potncias ativa, reativa e aparente,b Fator de potncia (cos ),b Energias ativa e reativa,b Demanda de corrente, potncias ativa e reativa de pico,b Temperatura,b Tempo de partida do motor,b Registro de distrbios.

Funes de diagnstico do equipamentob Contadores de operaes do dispositivo de interrupo de fechamento e trip por falha,b Tempo de operao,b Tempo de reset,b Superviso de sensores (TP, TC); esta funo monitora a cadeia de medio dos transformadores de potencial ou de corrente para ao nas funes de proteo afetadas,b Correntes acumuladas de curto de disjuntores (kA2).

Funes de comunicaoEstas funes permitem as trocas teis de dados disponveis entre os diferentes componentes da rede (medies, estados, comandos).


Seletividade Seletividade cronomtrica 0

As funes de proteo formam entre si um conjunto consistente que depende da estrutura da rede e de seu regime de neutro. Portanto, devem ser consideradas sob o ngulo de um sistema baseado no princpio de seletividade, que consiste em isolar o mais rapidamente possvel a parte da rede afetada por uma falha e, somente esta parte, deixando energizadas todas as outras partes da rede. Diferentes meios podem ser utilizados para assegurar uma boa seletividade na proteo de uma rede eltrica:b seletividade cronomtrica pelo tempo,b seletividade amperimtrica pelas correntes,b seletividade por troca de informaes, denominada seletividade lgica,b seletividade por utilizao de protees direcionais,b seletividade por utilizao de protees diferenciais,b seletividades combinadas para garantir uma melhor performance global (tcnica e econmica), ou um nvel de segurana (back-up).

PrincpioA seletividade cronomtrica consiste em atribuir temporizaes diferentes s protees de sobrecorrente distribudas ao longo da rede.Estas temporizaes sero to longas quanto mais prximo estiver o rel da fonte.

Modo de funcionamentoAssim, no esquema (fig. 1), a falha representada vista por todas as protees (em A, B, C e D). A proteo temporizada D fecha seus contatos mais rapidamente que a proteo instalada em C. Esta por sua vez, mais rpida que aquela instalada em BAps a abertura do disjuntor D e o desaparecimento da corrente de falha, as protees A, B, C que no so mais solicitadas, voltam sua posio de stand-by.A diferena dos tempos de funcionamento T entre duas protees sucessivas o intervalo de seletividade. Ele deve considerar (fig. 2):b o tempo de interrupo Tc do disjuntor a jusante, que inclui o tempo de resposta do dispositivo na abertura e o tempo de arco,b as tolerncias de temporizao dT,b o tempo de ultrapassagem da proteo a montante: tr,b uma margem de segurana m.T deve ento satisfazer relao:T Tc + tr + 2dT + mConsiderando as performances atuais dos equipamentos e dos rels, adotado um valor de 0,3 s para T.Exemplo: Tc = 95 ms, dT = 25 ms, tr = 55 ms; para o intervalo de seletividade 300 ms, a margem de segurana ser de 100 ms.

VantagensEste sistema de seletividade possui duas vantagens:b garante sua prpria segurana; por exemplo, se a proteo D estiver em falha, a proteo C ativada T mais tarde,b simples.

InconvenientesEntretanto, quando o nmero de rels em cascata for grande, devido ao fato de que a proteo situada mais a montante tem a maior temporizao, o tempo de eliminao da falha torna-se proibitivo e incompatvel com a suportabilidade dos equipamentos com a corrente de curto-circuito e com as necessidades externas de operao (por exemplo, conexo rede eltrica de um distribuidor).

DE5

7241

Fig. 1: princpio da seletividade cronomtrica

51 TA = 1,1 sA

B51 TB = 0,8 s

C51 TC = 0,5 s

D

Falha entre fases

51 TD = 0,2 s

DE5

5242

Fig. 2: decomposio de um intervalo de seletividade

dTB TcB m t r A

t

dTA

TB TA

Intervalo de seletividade T


Seletividade Seletividade cronomtrica 0

AplicaoEste princpio utilizado nas redes radiais. (fig. 1)As temporizaes reguladas para obter a seletividade cronomtrica so ativadas quando a corrente ultrapassa os nveis dos rels. Conseqentemente, necessrio que as regulagens dos nveis sejam coerentes.So ilustrados dois casos segundo o tipo de temporizao utilizado.

Rel a tempo definido (fig. 2)As condies a serem respeitadas so: IsA > IsB > IsC e TA > TB > TC.O intervalo de seletividade T classicamente da ordem de 0,3 segundos.

Rel a tempo inverso (fig. 3)Se os nveis forem regulados para a corrente nominal In, a proteo de sobrecarga ser assegurada juntamente com a proteo de curto-circuito, e a coerncia dos nveis ser assegurada.InA > InB > InCIsA = InA, lsB = InB, e IsC = InCAs regulagens de temporizao so determinadas para obter o intervalo de seletividade T para a corrente mxima vista pela proteo a jusante; utilizado para isto a mesma famlia de curvas para evitar seu cruzamento em um grfico tempo x corrente.

DE5

7243

Fig. 1: rede radial com seletividade cronomtrica

51 IsA, TAA

51 IsB, TBB

51 IsC, TCC

DE5

5244

Fig. 2: seletividade cronomtrica com rels com tempo definido

DE5

5245

Fig. 3: seletividade cronomtrica com rels com tempo inverso

Ct

I

TA

TB

TC

B A

IsC IccCmx

IccBmx

IccAmx

IsB IsA

T

T

Ct

I

B A

IsC IccCmx

IccBmx

IccAmx

IsB IsA

T

T


Seletividade Seletividade amperimtrica 0

PrincpioA seletividade amperimtrica baseia-se no princpio de que em uma rede, a corrente de falha menor quanto mais distante for a falha da fonte.

Modo de funcionamentoUma proteo amperimtrica instalada no alimentador de cada seo: seu nvel regulado a um valor inferior ao valor de curto-circuito mnimo provocado por uma falha na seo monitorada, e superior ao valor mximo da corrente provocada por uma falha situada a jusante (fora da rea monitorada).

Vantagens Com estas regulagens, cada proteo somente funciona para as falhas situadas imediatamente abaixo de sua posio, dentro da rea monitorada; ela insensvel s falhas que aparecem acima.Para sees de linhas separadas por transformador, este sistema vantajosamente utilizado, pois simples, de custo reduzido e rpido (trip sem retardo).Um exemplo dado (fig.1):IccBmx < IsA < IccAmnIsA = corrente de regulagemI ccB no primrio do transformador proporcional corrente de curto-circuito mxima no secundrio.As temporizaes TA e TB so independentes e TA pode ser mais curta que TB.

InconvenientesA proteo situada a montante (A) no garante a segurana da proteo situada a jusante (B).Alm disso, na prtica, difcil definir as regulagens de duas protees em cascata que assegurem uma boa seletividade, quando a corrente no decresce de modo significativo entre duas reas vizinhas. Este o caso de sistemas em mdia tenso, exceto para sees com transformador.

AplicaoO exemplo seguinte refere-se proteo amperimtrica de um transformador entre duas sees de cabo.A regulagem Is da proteo de sobrecorrente verifica a relao:1,25 IccBmx < IsA < 0,8 IccAmnA seletividade entre as duas protees garantida.

DE5

7246

Fig. 1: funcionamento de uma seletividade amperimtrica

51 IsA, TA

IccAmn

A

51 IsB, TBB

51 IsA, TA

IccBmx

A

t

I

TB

TA

B A

IccBmx

IccAmn

IsB IsA

Curvas de seletividade

CondioIsA > IccBmx

CondioIsA < IccAmn


Seletividade Seletividade lgica 0

PrincpioEste sistema foi desenvolvido para remediar os inconvenientes da seletividade cronomtrica.Este princpio utilizado quando se deseja obter um tempo curto de eliminao da falha (fig. 1).

Modo de funcionamentoA troca de dados lgicos entre protees sucessivas permite a eliminao dos intervalos de seletividade, logo, reduz consideravelmente o retardo de trip dos disjuntores situados mais prximos da fonte.Conseqentemente, em uma rede radial, so solicitadas as protees situadas a montante do ponto de falha, e as que esto a jusante no so solicitadas. Isto permite localizar claramente o ponto de falha e o disjuntor a ser desligado.Cada proteo solicitada por uma falha envia:b um comando de espera lgica ao nvel a montante (comando de aumento da temporizao do rel a montante),b um comando de trip ao disjuntor associado, exceto se este j recebeu um comando de espera lgica do nvel a jusante.Um trip temporizado previsto como back-up.Este princpio ilustrado na figura 2:b na ocorrncia de uma falha a jusante de B, a proteo em B bloqueia a proteo em A,b somente a proteo em B provocar o trip aps TB, se contudo ela no tiver recebido o comando de espera,b a durao do comando de espera para a proteo em A limitado a TB + T3, com T3 tempo de abertura e de interrupo de arco do disjuntor B (tipicamente 200 ms),b assim, em caso de no disparo do disjuntor B em falha, a proteo A d o comando de trip em TB + T3,b na ocorrncia de uma falha entre A e B, a proteo A dispara aps TA.

VantagensO tempo de trip independe da posio da falha na cascata de seletividade ou do nmero de protees em cascata.Deste modo, possvel obter a seletividade entre uma proteo a montante com temporizao baixa e uma proteo a jusante com temporizao elevada. Por exemplo, possvel prever uma temporizao mais reduzida na fonte, do que prximo dos receptores.Alm disso, este sistema possui tambm um back-up projetado.

InconvenientesEste dispositivo requer a transmisso dos sinais lgicos entre os diferentes nveis de proteo, logo, deve ser instalada fiao suplementar. Esta pode ser uma considervel restrio quando as protees forem distantes, por exemplo, no caso de ligaes longas (muitas centenas de metros de comprimento).Esta dificuldade pode ser contornada utilizando a combinao de funes: seletividade lgica nos quadros prximos e seletividade cronomtrica entre reas distantes (consultar o captulo seletividades combinadas lgica + cronomtrica).

AplicaoEste princpio freqentemente utilizado para proteger redes de MT que possuem conexes radiais com diversos nveis de seletividade.

DE5

7247

Fig. 1: princpio da seletividade lgica

DE5

7248

Fig. 2: funcionamento de uma seletividade lgica

51

Espera lgica

51

51

51

Falhaentre fases

inst.TB

IsA

IsB

inst.TA

B

A

Espera lgica

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