Tópicos Especiais em Sistemas de Potência. Proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica - RELIGADOR AUTOMÁTICO -

Transcrição

1 Tópicos Especiais em Sistemas de Potência Proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica - - Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen 1

2 Os religadores automáticos são considerados pelas empresas elétricas do mundo inteiro como um equipamento essencial para o fornecimento de energia elétrica em condições confiáveis e seguras. O desenvolvimento dos religadores foi se acelerando na medida em que os inconvenientes e as limitações dos elos fusíveis aumentavam os índices de interrupções. Os elos fusíveis podem ocasionar interrupções prolongadas, embora desnecessárias, porque são incapazes de diferenciar faltas permanentes de faltas temporárias. Isso pode resultar em um elevado custo operacional devido ao deslocamento da equipe de reparo a pontos muito distantes para substituir um simples fusível queimado. Com isso, podem-se avaliar os altos gastos anuais decorrentes desses serviços. 2

3 Considera-se ainda a perda de receita durante uma interrupção e os inconvenientes causados aos consumidores. Além deste inconveniente, a seletividade entre os elos fusíveis é limitada, não permitindo dessa forma aplicações em esquemas automáticos ou manuais de controle a distância, como seccionamento remoto ou transferência de carga. O religador é um dispositivo ideal na medida em que interrompe as faltas transitórias, evitando queima de elos fusíveis ou, se bem coordenado com elos fusíveis, seccionando apenas o trecho sob defeito, permanecendo os demais energizados (GIGUER, 1988). 3

4 Basicamente, o religador é um dispositivo interruptor automático de defeitos, que abre e fecha seus contatos repetidas vezes na eventualidade de uma falta no circuito por ele protegido. Possui características sofisticadas, podendo ser monofásico ou trifásico. Os interruptores propriamente ditos ficam submersos em óleo ou sob o vácuo (ELETROBRAS,1982; GIGUER,1988). A operação de um religador não se limita apenas a sentir e interromper defeitos na linha e efetuar religamentos. Ele também é dotado de um mecanismo de temporização dupla. 4

5 No instante em que o religador sente uma condição de sobrecorrente na linha, a circulação dessa corrente é interrompida pela rápida abertura dos seus contatos. Os contatos são mantidos abertos durante determinado tempo (chamado de tempo de religamento) após o qual se fecham automaticamente para a reenergização da linha. Se, no momento do fechamento dos contatos, a falta persistir, a seqüência abertura/fechamento é repetida até três vezes consecutivas e após a quarta abertura dos contatos, estes permanecem abertos e bloqueados sendo somente possível nesse momento um fechamento manual. 5

6 Isto proporciona mais tempo para eliminar defeitos permanentes e, sua combinação com as interrupções rápidas, permite coordenação efetiva com outros dispositivos de proteção existentes no sistema, tais como elos fusíveis e seccionalizadores. A característica de operação rápida reduz ao mínimo as possibilidades de danos ao sistema, evitando ao mesmo tempo a queima de fusíveis entre o local de defeito e o religador. O religamento dar-se-á dentro de poucos segundos ou frações destes, o que representa uma interrupção mínima do serviço. 6

7 As operações de um religador podem ser combinadas nas seguintes seqüências: Se for ajustado para quatro operações: uma rápida e três lentas; duas rápidas e duas lentas; três rápidas e uma lentas; todas rápidas; todas lentas. Para qualquer número de operações menor que quatro em combinação similares de operações rápidas e temporizadas. 7

8 A partir dessa característica de temporização dupla, pode-se coordenar o dispositivo com os fusíveis dos ramais de um alimentador ou outros dispositivos localizados a jusante. As aplicações de religadores com vistas a estabelecer proteção de sobrecorrente coordenada e seccionamento automático de linhas defeituosas são bastante numerosas. Considera-se que 80 a 95% das faltas existentes são temporárias. Portanto, a importância dos religadores aumenta sensivelmente caso se queira obter um ótimo custox benefício (GIGUER, 1988). 8

9 Analisando o quadro abaixo pode-se constatar que as faltas temporárias são na maioria dos casos monofásicas. No caso, o curto-circuito fase-terra é o mais provável de ocorrer. Faltas Permanentes Duração Temporárias Trifásicas 95% 5% Bifásicas 70% 30% Fase-terra 20% 80% 9

10 Classificação do Religadores Quanto ao Número de Fase Monofásicos: São utilizados para proteção de linhas monofásicas ou ramais alimentadores trifásicos (um para cada fase), onde as cargas são predominantemente monofásicas, pois, na eventualidade de ocorrer uma falta permanente para terra, será bloqueada somente a fase sob falta, enquanto é mantido o serviço aos consumidores ligados às outras fases. Normalmente, a saída de um ramal sob essas condições não deverá introduzir suficiente desequilíbrio no alimentador para a operação de um dispositivo de proteção de retaguarda. 10

11 Trifásicos: São utilizados onde é necessário o bloqueio das três fases simultaneamente, para qualquer tipo de falta permanente, a fim de evitar que cargas trifásicas sejam alimentadas com apenas duas fases. Podem ser: Trifásicos com Operação Monofásica e Bloqueio Trifásico. São constituídos de três religadores monofásicos, montados num único tanque, com os mecanismos interligados apenas para ser processado o bloqueio trifásico. Cada fase opera independentemente em relação às correntes de defeito. Se qualquer uma das fases operar com o número pré-ajustado para seu bloqueio, as duas outras fases também serão abertas e bloqueadas por meio do mecanismo que as interliga. 11

12 Trifásicos com Operação Trifásica e Bloqueio Trifásico. São constituídos de um único religador, que opera e bloqueia trifasicamente, independentemente do tipo de falta ocorrida, isto é, mesmo que a falta afete apenas uma das fases, todos os contatos realizam a operação de abertura e religamento. Religadores Monofásico (a) e Trifásico (b) (a) (b) 12

13 Classificação do Religadores Quanto ao Tipo de Controle Controle Hidráulico: Em religadores com esse tipo de controle, as correntes são detectadas pelas bobinas de disparo que estão ligadas em série com a linha. Quando, através da bobina, flui uma corrente igual ou superior à corrente mínima de disparo (pickup) do religador, o núcleo da bobina é atraído para o seu interior, provocando a abertura dos contatos principais do religador. O mecanismo de fechamento dos religadores com controle hidráulico pode ser de dois tipos: 13

14 nos religadores com corrente nominal de até 200 A, são empregadas molas de fechamento, que são carregadas pelo movimento do núcleo da bobina-série; nos religadores de correntes nominais de 250, 280, 400 e 560 A, o fechamento é realizado pela bobina de fechamento, que é energizada pela tensão da linha. 14

15 O sistema de controle hidráulico é econômico, simples, eficiente e de grande longevidade. Essas características são extremamente importantes para circuitos rurais ou instalações distantes que não requeiram níveis de precisão acentuados na operação do equipamento, com corrente de disparo muito pequena, tanto para fase, como para neutro ou grande velocidade de interrupção, onde o equipamento não pode ser inspecionado e testado com freqüência e de forma conveniente. Sua manutenção pode ser feita facilmente, no campo ou na oficina, sem necessidade de ferramentas e treinamentos especiais ou equipamento dispendioso. 15

16 Para algumas aplicações, porém, o controle hidráulico não é suficientemente exato e veloz para interromper rapidamente correntes de defeito. De modo a superar essas limitações do controle hidráulico, surgiu o controle eletrônico, que por sua vez, proporciona um vasto número de religadores para serem escolhidos. 16

17 Controle Eletrônico: Com esse tipo de controle, o religamento apresenta maior flexibilidade e mais facilidades para ajustes e ensaios, além de ser mais preciso em relação ao de controle hidráulico. Contudo, essas vantagens devem ser economicamente avaliadas antes de ser realizada a escolha entre um religador com controle hidráulico e um com controle eletrônico. O controle eletrônico é abrigado numa caixa separada do religador e permite as seguintes modificações e ajustes no equipamento, sem que seja necessária sua abertura: Características tempo x corrente; Níveis de corrente de disparo; Seqüência de operação 17

18 Para que estas alterações sejam efetuadas, não é preciso desenergizar o religador nem retirar o seu mecanismo do interior do tanque. Os sinais para o controle eletrônico são obtidos a partir de transformadores de corrente tipo bucha, montados internamente. O circuito eletrônico controla as funções de disparo e religamento do mecanismo do religador. No lugar das bombas e pistões utilizados nos sistemas de controle hidráulico, no controle eletrônico são utilizados circuitos impressos, constituídos de componentes estáticos. Os principais benefícios do controle eletrônico são: flexibilidade, versatilidade e intercambilidade operacionais. 18

19 Assim, por exemplo, um único tipo de controle eletrônico pode ser utilizado em vários tipos de religadores. As curvas características de operação e os ajustes de disparo são obtidos por componentes do tipo plug, acessíveis pela frente do painel de controle, podendo ser facilmente alterados sem a necessidade de retirar o religador do tanque de óleo ou removê-lo do serviço. O Intervalo de religamento e tempo de rearme são também proporcionados por componentes do tipo plug e disponíveis em muitos valores diferentes. 19

20 Para o disparo de terra e de fase existem várias combinações de operações rápidas ou retardadas, independentes entre si. O grande número de curvas características tempo x corrente para defeito fase-terra, facilita bastante os estudos de coordenação, proporcionando então um dispositivo de extremo valor para proteção de redes de distribuição. 20

21 (a) (b) Religadores de controle Hidraúlico (a) e Eletrônico (b) 21

22 Classificação do Religadores Quanto ao Meio de Extinção Quanto ao meio de interrupção, os religadores se classificam em: Religadores com interrupção a óleo; Religadores com interrupção a vácuo. 22

23 Aplicação e Dimensionamento do Religador Os religadores podem ser aplicados em qualquer lugar do sistema de distribuição. Os locais que são mais indicados para instalação são (McGRAW- EDISON COMPANY): Em subestações, como dispositivo de proteção do alimentador principal; Nos alimentadores, a uma determinada distância da subestação, com o objetivo de seccionamento ao longo dos alimentadores e assim prevenir desligamentos de um alimentador inteiro na ocorrência de faltas permanentes localizadas próximas do final do alimentador; Em ramificações estratégicas do alimentador principal para protegê-lo de interrupções e desligamentos devido às faltas nos ramais. 23

24 Para a instalação adequada de um religador, seis fatores devem ser levados em consideração (McGRAW-EDISON COMPANY): Tensão do sistema; O religador deverá ter uma tensão nominal maior ou igual que a tensão do local do sistema onde ele se encontra instalado. Máxima corrente de falta disponível no ponto de instalação do religador; A máxima corrente de curto-circuito simétrica no local de instalação deverá estar disponível ou, pode ser calculada. A capacidade de interrupção do religador deverá ser maior ou igual a essa máxima corrente de curto-circuito. Máxima corrente de carga; Mínima corrente de falta dentro da zona de proteção do religador; 24

25 A corrente nominal do religador deverá ser maior ou igual que a corrente de carga passante por ele, convenientemente medida ou avaliada na situação de maior carga do circuito, incluindo manobras usuais, devendo assim, sempre que possível, prever futuros aumentos de carga. O religador deve ser sensível à corrente mínima de curto-circuito no final do trecho protegido por ele. Sensibilidade para correntes de falta à terra; A coordenação com outros dispositivos de proteção estando o religador tanto do lado da fonte quanto do lado da carga. A coordenação com outros dispositivos de proteção (tanto a montante quanto a jusante) torna-se importante quando os quatro primeiros fatores de aplicação são satisfeitos. É de vital importância que se faça uma seleção adequada de temporizações e seqüências de operação do religador para garantir que durante uma falta, a área desligada fique restrita a menor secção possível do sistema. 25

26 O religador possui uma característica de temporização lenta e outra rápida. Uma seqüência completa (quando a falta for permanente) de operação do religador para o desligamento definitivo do trecho protegido por ele está mostrada na Figura a seguir. As primeiras interrupções (uma ou mais) da corrente de falta são denominadas de rápidas ou instantâneas, não possuindo assim intenção alguma de atraso no tempo de operação. As interrupções restantes, denominadas de temporizadas, possuem adição de atraso de tempo e que, dependendo da situação, podem levar o religador a um desligamento definitivo. Se a falta for permanente, as operações temporizadas permitem que o dispositivo mais próximo da falta interrompa a corrente de falta, limitando assim a área desligada. 26

27 Operações Rápidas (Contatos fechados) Operações Temporizadas (Contatos fechados) Corrente de Falta Corrente de Carga Religador desligado (Contatos Abertos) Início da corrente de Falta Tempo Intervalos de Religamento (Contatos abertos) Seqüência completa de operação do Religador 27

28 As faltas envolvendo o neutro são geralmente menos severas do que as faltas bifásicas e trifásicas. Entretanto, é estimado que, em termos de probabilidade de ocorrência, de cada 5 faltas, 4 envolvem a terra. Além disso, as faltas faseterra ocorrem seis ou sete vezes com mais freqüência do que os outros dois tipos possíveis de faltas que envolvem a terra. As faltas à terra podem ser detectadas tanto por sistemas aterrados quanto pelos não-aterrados. Entretanto, o circuito pode não ser retirado imediatamente de serviço. Se o sistema for trifásico e possuir uma impedância de aterramento baixa, a falta à terra pode produzir uma corrente de falta considerável, tendo a magnitude variações da ordem do valor da corrente de carga normal podendo ir até a múltiplos desse valor de corrente. Geralmente, as faltas dessa natureza são detectadas e eliminadas em menos de um ou alguns segundos a fim de prevenir ou minimizar os danos aos equipamentos. 28

29 Ajustes dos Religadores Os religadores instalados em subestações e ao ar livre devem ser ajustados de modo a atender aos seguintes critérios: Ajuste do Disparo de Fase A corrente mínima de disparo de fase do religador deve ser menor que a corrente mínima de falta fase-fase dentro da zona de proteção deste, incluindo sempre que possível, os trechos a serem adicionados; e deve ser maior ou igual à máxima corrente de carga incluindo manobras usuais no ponto de instalação do religador multiplicado por um fator K, prevendo futuros aumento de carga. FC I I cc2f min * carg a pickupf I FS 29

30 FC I I cc2f min * carg a pickupf I FS Onde: I pickupf é a corrente de pickup de fase do religador; FC é o fator de crescimento da carga. I carga é a corrente de carga máxima atual passante no ponto de instalação, já se levando em consideração as manobras; I CC2Fmin é o curto-circuito bifásico do trecho protegido pelo religador (CPFL, 2003); FS é um fator de segurança usado no ajuste de relés de fase (1,5 a 2). 30

31 Ajuste de Disparo de Neutro A corrente mínima de disparo de neutro do religador deve ser menor que a menor corrente de falta fase-terra mínima, dentro da zona de proteção deste, e deve ser maior que a máxima corrente de desbalanço para o neutro. I I I desbalanço pickupn ccft min Onde: I desbalanço é a máxima corrente de desequilíbrio admitido pela empresa; I pickupn é a corrente de disparo (pickup) de neutro do religador; I CCFTmin é a corrente de curto-circuito fase-terra mínima no final do trecho protegido pelo religador. 31

32 Curvas características de tempo corrente (Fase e Neutro) Esta característica deve ser escolhida para atender aos seguintes requisitos: A curva de operação do religador, para toda a faixa de valores de curtocircuito, deve estar sempre abaixo da curva de recozimento de condutores e capacidade de equipamentos do circuito; A curva escolhida deve permitir a coordenação com os equipamentos de proteção a montante e a jusante. Na maioria das vezes existe uma única curva rápida de fase, nessa situação, não há nenhuma escolha a ser feita. Entretanto, existem alguns religadores que possuem várias curvas rápidas. Neste caso, sempre que possível, escolhe-se a mais rápida entre elas, porque isso irá permitir uma região de coordenação maior com os elos-fusíveis (CPFL, 2003). Alguns religadores possuem poucas curvas temporizadas, enquanto que outros possuem uma gama muito variada de curvas. Entretanto, qualquer que seja o caso, deve-se dar preferência para a curva lenta mais próxima de curva rápida, desde que isso não prejudique a coordenação e a seletividade com os outros dispositivos (CPFL, 2003). 32

33 Sequência de Operação A seqüência de operação deve ser definida de modo a permitir a coordenação seletiva dos equipamentos de proteção ao longo do circuito. Tempo de Religamento Deve ser ajustado de modo a permitir a coordenação com os equipamentos de proteção situados a montante e a jusante, cuja operação dependa desse tempo. A aplicação de religadores num sistema de distribuição é assegurada se os seguintes princípios de coordenação forem considerados: O dispositivo do lado da carga deve eliminar uma falta permanente ou temporária antes que o dispositivo do lado da fonte interrompa (caso seja um fusível) ou desligue (caso seja um religador ou disjuntor) o circuito; Desligamentos causados por faltas permanentes devem ser restringidos a menor secção possível do sistema. 33

34 A priori, esses princípios influenciam a seleção de curvas e seqüências de operação dos dispositivos que se encontram tanto no lado da fonte quanto no lado de carga no sistema de distribuição. O posicionamento e o número de dispositivos de proteção usados para restringir os desligamentos à menor secção possível de um alimentador são restritos ao uso prático de cada concessionária (McGRAW-EDISON COMPANY). 34