Supervisão e Proteção de Diodos Retificador de Tração

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2 Resumo O retificador de tração é um equipamento de vital importância para o sistema de suprimento de energia elétrica utilizados por metrôs e trens metropolitanos. Em sua construção são utilizados dezenas de unidades de diodos de potência. Este trabalho tem como objetivo fazer a supervisão correta destes diodos, sinalizando e desligando o grupo retificador, quando da avaria de um ou mais fusível destes diodos, respeitando a condição segura de funcionamento do mesmo. Desta maneira, pode-se obter melhor operacionalidade do sistema e evitar ultrapassagens de demanda elétrica em subestações adjacentes, onde os valores de multas cobrados pelas concessionárias de energia são muito elevados. 2

3 1. Introdução O sistema de suprimento de energia elétrica de tração de um transporte metropolitano é de fundamental importância para uma ferrovia ou metrô. Este sistema é composto pelas subestações, cabines e um meio de transmissão de energia que pode ser catenária ou terceiro trilho. Um dos equipamentos mais importantes numa subestação de tração é o retificador, por onde a energia elétrica de forma alternada recebida da concessionária, é transformada em energia contínua utilizada pelos trens, na malha metroferroviária. Ao longo de uma linha metroferroviária há várias subestações de energia, bem como cabines de seccionamento e paralelismo. Lembrando que somente as subestações são fontes de energia elétrica ao sistema e as cabines cabem o papel de interligar uma linha a outra fazendo o equilíbrio de potência ou seu respectivo seccionamento. 2. Objetivo O objetivo deste trabalho é atuar no retificador de tração da subestação, fazendo a proteção dos diodos, garantindo uma sinalização e desligamento de forma correta, não comprometendo as características do retificador em relação á potência fornecida. Desta maneira estaremos assegurando um melhor desempenho operacional e protegendo as subestações adjacentes numa possível ultrapassagem de demanda elétrica por desligamentos desnecessários de uma das subestações. 3. Metodologia Um retificador de tração metroferroviário é composto geralmente por duas pontes trifásicas retificadoras ligadas em série, obtendo assim a energia elétrica retificada à utilização dos trens em sua região metropolitana. Dependendo da potência do retificador, pode se utilizar um determinado número de diodos em paralelo nesta ponte. Para este trabalho, nosso retificador é composto de 7 diodos em paralelo na ponte retificadora, e para cada diodo há um fusível ligado em série, conforme figuras 01 e 02. Figura 1 retificador de tração lado delta 3

4 Figura 2 retificador de tração lado estrela A saída dos dois retificadores das figuras 1 e 2 são ligados em série, obtendo-se na saída a tensão necessária a tração elétrica. Se cada ponte retificadora tiver 1500 Vcc, na saída teremos 3000 Vcc. Para cada um dos 6 diodos, numerados de 1 a 6, que vemos nas pontes retificadoras das figuras 1 e 2, há 7 diodos em paralelo, e para cada diodo destes há um fusível com disparador em série e este acoplado com um contato normalmente fechado, conforme desenhado abaixo das pontes retificadoras nas figuras 1 e 2. Os sete diodos em paralelo da ponte são assim configurados, pelo motivo da potência do retificador, que é da ordem de 3 a 5 MW por grupo. É praticamente impossível se obter um diodo com elevada capacidade de potência. 3.1 Sistema de supervisão de fusíveis queimados: Queima 1 desarma Situação encontrada: Neste sistema de supervisão de fusíveis, todos os contatos do disparador de fusíveis do retificador como um todo estão em série. Se houver queima de qualquer um dos 84 fusíveis de proteção do retificador, o mesmo desarma o relé RL, e através de seu contato aberto ou fechado, que dependerá da configuração do circuito de desliga do disjuntor do grupo retificador, o mesmo será desarmado; conforme figura 3. Nesta situação onde a queima de um fusível desliga o grupo retificador, pode trazer muitos malefícios ao sistema: 1) Perda de um grupo retificador. Se a subestação tiver apenas um grupo, significa a perda da subestação. Esta situação trará outro prejuízo, que é o aumento da demanda elétrica à subestação adjacente e consequente multa elevada, pela respectiva ultrapassagem da demanda contratada. 4

5 2) A manutenção corretiva do sistema terá que atuar de forma muito rápida, onde por muitas vezes a equipe responsável se encontra distante da localização da subestação; ou até mesmo em horários em que não há equipes para o pronto atendimento. 3) O sistema elétrico perde uma ou mais de suas unidades de potência ao sistema. Dependendo da gravidade e horário, até o suprimento de alguns trens da região daquela subestação, para se evitar o efeito em cascata das outras subestações. Figura 3 circuito de disparo: queima 1 - desarma 3.2 Sistema de supervisão de fusíveis queimados: sinaliza e desliga Situação proposta: Neste sistema quando da queima de um fusível do diodo, o grupo retificador continua energizado normalmente contribuindo para a alimentação do sistema de suprimento de energia a tração; ou seja o primeiro fusível queimado de cada ponte (42) irá apenas sinalizar neste primeiro estágio. Isto é conseguido pelo relé RLs, que será desatracado pela queda de tensão em seus terminais, quando inserido um dos resistores no circuito. Quando houver a queima do segundo ou mais fusíveis da mesma ponte, delta ou estrela, aí sim o relé RLd será desatracado, fazendo com que o disjuntor responsável pelo grupo retificador seja desligado; vide figuras 4 e 5, que são as pontes do lado triangulo e estrela do grupo retificador. Se queimar dois fusíveis, um de cada ponte, ou seja desatracando apenas os dois relés RLs, não haverá o desligamento do grupo retificador. Apenas haverá o desligamento do grupo, quando um próximo fusível queimar e inserir mais uma resistência ao circuito. Nesta situação, contrária a 3.1, temos os seguintes benefícios: 1) Não haverá perda do grupo retificador com a queima de um fusível de diodo. Pode até queimar dois, se for um fusível para cada ponte. Ainda nestas situações, não haverá prejuízos às subestações adjacentes e consequentemente a não ultrapassagem da demanda e seus elevados custos de multas contratuais. 2) No caso da queima do diodo, no estágio de sinalização, a manutenção poderá se programar para o atendimento num horário que não prejudique a operacionalidade do sistema. 5

6 3) Evita-se o prejuízo operacional, garantindo mais potência ao sistema, principalmente se a queima de um fusível do diodo acontecer num horário de pico. Figura 4 = circuito de disparo sinaliza/desarma Figura 5 circuito de disparo sinaliza/desarma 6

7 Nota: Para os relés RLs e RLd, ambos são atracados com o mesmo valor de corrente; ou seja quando não há queima de nenhum fusível e não há nenhuma resistência inserida. Para a informação de sinalização de fusível queimado deverá haver primeiro o desatracamento do relé RLs.. Quando da queima do primeiro fusível e do respectivo incremento da resistência r, temos a seguinte condição: R equivalente = rrl rrl s s rrl + rrl D D ( Ω) I V 125 Requivalent e + r Requivalente + r ( sin alização) = = ( A) Neste primeiro estágio, o valor da corrente será o suficiente para desligar apenas o relé RLs, enquanto o outro relé RLd permanecerá atracado. Para a informação de desligamento deverá haver o desatracamento do relé RLd, onde RLs já se encontrava desatracado.. Quando da queima do segundo ou mais fusíveis e do respectivo incremento de duas ou mais resistência r, temos a seguinte condição: I V 125 Requivalente + 2 r Requivalente + 2r ( desarme) = = ( A) onde : rrl s = resistência do relé RL s rrl D = resistência do relé RL D rrl s rrl D 7

8 4.Trabalhando com valores reais: 4.1 características do Relé RLs R = 1032 Ω Liga com 7 ma Desliga com 5,6 ma Característica do Relé RLd R = 1012 Ω Liga com 7 ma Desliga com 3,5 ma Alimentação da fonte = 125 Vcc 4.2 Condição Normal: Nenhum fusível de diodo do retificador queimado Calculamos o valor de Rx, para se ter 7mA nos relés e seu atracamento, Como RLs é aprox. igual a RLd = 1K Ω Temos: = Rx = 16,86KΩ Rx R = 16,86 + = aprox 18KΩ braço Condição de queima de dois fusíveis de diodo queimados: Cálculo da resistência r, que fica em paralelo com os contatos de fusíveis queimados, figuras 4 e 5. Para haver a sensibilidade do relé Rld, a corrente que deve passar por ele para o desligamento é 3,5 ma. Para se ter esta corrente no braço, teremos a seguinte condição: 8

9 Para a corrente I = 3,5 ma, teremos a corrente total aprox. = 7mA. Como Rbraço=18K Ω, temos Req = 9K Ω Com isso, calculamos o valor de r, que corresponde à resistência ôhmica que deverá ser inserida no circuito para o desarme do relé RLd. V I = =, como I = 7 10 A, teremos 7 10 =, então r = 8, 85KΩ 3 3 R r r Utilizaremos o valor de r = 10K Ω Lembrando que este valor equivale ao valor para desarme, O valor para sinalizar, será a metade deste valor, ou seja: r = 5 K Ω O valor de cada resistor (figuras 4 e 5) serão todos = 5 K Ω. Inserindo 1 resistor no circuito desliga o relé RLs e sinaliza fusível queimado. Quando for inserido mais que 2 fusíveis, desliga o relé RLd e desliga o disjuntor do grupo retificador. 9

10 5. Conclusão Podemos observar que na situação que se encontrava, ítem 3.1, havia a proteção do grupo retificador; no entanto com a queima de apenas um fusível do grupo era o suficiente para desligar o grupo retificador. Porém a proposta do trabalho é além da proteção existente, tornar o sistema mais operacional e desligando o grupo retificador quando da queima do segundo ou mais fusível da mesma ponte, conforme item 3.2. Desta maneira podemos obter os seguintes benefícios: Menor custo de energia elétrica, por menos ultrapassagens de demandas elétricas de subestações adjacentes. Melhor desempenho no atendimento de falha, sendo possível o desligamento para atuação em horários pré-combinados com a operação. Maior operacionalidade ao sistema de trens, garantindo mais potência elétrica ao sistema. Menos usuários prejudicados no sistema, não sendo necessário em muitas situações o suprimento de algumas unidades dos trens. 10