SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA ARCO VOLTAICO EM PAINÉIS DE MÉDIA E BAIXA TENSÃO

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1 SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA ARCO VOLTAICO EM PAINÉIS DE MÉDIA E BAIXA TENSÃO Geraldo Rocha Schweitzer Egieerig Laboratories, Ic. Rodovia Campias Mogi- Mirim, km 118,, Prédio 11 Campias, São Paulo , Brasil Eduardo Zairato Schweitzer Egieerig Laboratories, Ic. Rodovia Campias Mogi- Mirim, km 118,, Prédio 11 Campias, São Paulo , Brasil Ferado Ayello Schweitzer Egieerig Laboratories, Ic. Rodovia Campias Mogi- Mirim, km 118,, Prédio 11 Campias, São Paulo , Brasil Roberto Taiaga Schweitzer Egieerig Laboratories, Ic. Rodovia Campias Mogi- Mirim, km 118,, Prédio 11 Campias, São Paulo , Brasil Resumo Este artigo apreseta uma solução ova e cofiável baseada a detecção da luz do arco voltaico supervisioada pela proteção de sobrecorrete, visado reduzir o risco de arcos voltaicos em paiéis de média e baixa tesão e equipametos de cubículos, além de elimiar falsos trips causados pela preseça de luz e propiciar detecção e abertura tão rápidas quato possível. O trabalho também apreseta as vatages da detecção rápida de sobrecorrete combiada com a medição do arco-voltaico, tedo como objetivo produzir um esquema de abertura sesível, rápido e seguro. Palavras Chave Relé de proteção, paiel de média tesão, paiel de baixa tesão, arco voltaico, arco elétrico, seguraça pessoal. I. INTRODUÇÃO Atualmete, uma das maiores preocupações de uma empresa cosiste a seguraça de suas equipes de trabalho, especialmete operadores de subestações e eletricistas de mauteção. A simples execução de tarefas cotidiaas em uma subestação, tais como a iserção de um disjutor, pode dar origem ao arco voltaico. Este eveto pode resultar em efeitos egativos irreversíveis a saúde do operador, icluido queimaduras graves, ialação de gases tóxicos e quetes, altíssimos íveis de ruídos, laçameto de peças e materiais derretidos, e odas de pressão que podem arremessar o operador através do ar por vários metros de distâcia, batedo os equipametos existetes a subestação. Estudos coduzidos os Estados Uidos mostram que 0% das pessoas eviadas às uidades de tratameto de queimaduras possuem lesões devidas a ocorrêcias de arco voltaico e que uma ou duas etre cico pessoas ão sobrevive às cosequêcias dessas lesões [1]. O arco voltaico cosiste uma codição perigosa com liberação de eergia causada por um arco elétrico que se movimeta em alta velocidade (cerca de 100 metros por segudo) e atige elevadas temperaturas. Ele pode provocar a destruição total dos equipametos e paiéis metálicos, bem como causar graves lesões físicas, algumas vezes letais, as pessoas presetes a área afetada. Algumas defiições importates do arco-voltaico e aspectos associados podem ser ecotradas a orma IEEE IEEE Guide for Performig Arc-Flash Hazard Calculatios. Defiições similares são ecotradas a orma NFPA 70E: Stadard for Electrical Safety i the Workplace [] [3]. Cosiderado que são liberadas grades quatidades de eergia e calor um espaço de tempo muito curto, os evetos com arco voltaico toraram-se o foco de estudos para melhoria da seguraça das equipes de operação e mauteção e miimização dos daos aos equipametos e paiéis de cubículos. A orma IEEE forece iformações sobre como calcular a eergia do arco e estabelecer distâcias limite para as equipes técicas quado estiverem trabalhado perto de equipametos elétricos eergizados. A eergia produzida por um eveto com arco voltaico é proporcioal à tesão, correte e duração do eveto (V I t). A orma IEEE coclui que o tempo do arco tem um efeito liear a eergia icidete. Portato, a redução dos tempos de elimiação da falta reduz proporcioalmete o arco voltaico [4] []. Existem diversos procedimetos para proteção das equipes de trabalho, icluido o uso de roupas especiais, cubículos resistetes ao arco e cotrole remoto via paiéis de IHM (Iterface Homem-Máquia). Recetemete, cotudo, observa-se um movimeto crescete para uma maior utilização de relés de proteção que possam detectar a formação de um arco voltaico e reduzir os tempos de elimiação da falta, uma vez que os três métodos citados acima ão evitam a destruição causada por um arco, mas somete miimizam os efeitos de uma explosão. A lista seguite destaca os métodos mais comus para redução do risco de arcos voltaicos: Evitar a área de risco. Istalar um cubículo resistete a arcos voltaicos. Adicioar dispositivos limitadores de correte. Reduzir os ajustes da coordeação de tempo dos relés. Melhorar os esquemas de proteção: usar proteção diferecial de barras de baixa e alta impedâcia e esquemas de trip de barras rápido usado relés de sobrecorrete e sistemas de comuicação. Habilitar os elemetos istatâeos durate a mauteção. Todos esses métodos são aalisados detalhadamete em [4] []. A adoção de medidas de proteção, tais como um cubículo resistete a arcos, ão resolve o problema da liberação de gases tóxicos e ão elimia a ecessidade de utilização de roupas especiais se a mauteção for efetuada através de termovisão. O uso de relés de proteção para detecção de arco voltaico tem mostrado ser muito eficiete, pois além da proteção das equipes de trabalho, isso também evita explosões e destruição do paiel. A redução dos tempos de elimiação da falta reduz proporcioalmete o arco voltaico. Como é impossível evitar 100% dos casos de formação de arcos voltaicos, o relé de 1

2 detecção de arco cosiste uma maeira eficiete e cofiável de redução dos valores de eergia liberada durate o eveto, reduzido, cosequetemete, os daos causados aos equipametos e idivíduos. Os avaços tecológicos recetes toraram os relés de detecção de arco voltaico ecoomicamete viáveis para istalação em diversos tipos de paiéis idustriais usados os cetros de distribuição de média e baixa tesão. A Tabela I detalha os tipos dispoíveis de proteção cotra arco voltaico e suas cosequêcias para o operador e equipametos do cubículo. TABELA I TIPOS DE PROTEÇÃO CONTRA ARCO VOLTAICO E CONSEQUÊNCIAS Tipo de Proteção Cotra Arco Voltaico Equipametos de Proteção Idividual (EPI) e/ou roupas especiais Cubículo resistete a arcos voltaicos Operação remota Relé de detecção de arco voltaico Operador Proteção idividual Melhoria a proteção (durate operação ormal) Seguro, proteção adequada Proteção avaçada Cosequêcias Equipametos Destruição total Destruição parcial Destruição total Proteção avaçada Além disso, cosiderado o tempo ecessário para substituição de um paiel de média tesão após sua destruição, ou a perda irreparável de uma vida humaa, a istalação de detectores de arco torou-se obrigatória as subestações elétricas, da mesma forma que os citos de seguraça são idispesáveis os automóveis. II. EXEMPLO DO RISCO DE ARCO VOLTAICO Este artigo usa o modelo da orma IEEE 184 para cálculo dos riscos de arco voltaico [3]. O sistema usado para exemplo mostrado a Fig. 1 tem como objetivo ajudar a aálise dos riscos de arco voltaico. Os detalhes podem ser ecotrados em [4] []. Fig. 1 Sistema Usado com Exemplo A. Determiar as Corretes de uma Falta Sólida O primeiro passo cosiste em calcular a máxima correte de falta trifásica dispoível. A cocessioária de eergia elétrica foreceu o valor da falta igual a 83 MVA da fote dispoível com uma relação X/R igual a 1. Use (1) para fazer a coversão em uma impedâcia porcetual, baseado-se os valores MVA e kv do trasformador. X R kv u MVAt 1 %Z = 100 Ta kv t MVAu %Z = impedâcia da cocessioária como um valor porcetual, baseado-se a base do trasformador kv u = base da tesão da cocessioária kv t = base da tesão do trasformador MVA u = MVA da falta a cocessioária MVA t = base MVA do trasformador X R = relação X da cocessioária R A impedâcia está mostrada em () %Z = 100 Ta = 1.8% 86 = j1.8% ( ) Cosiderado que o cubículo do exemplo ão tem a impedâcia do cabo, somete a impedâcia do trasformador de 4.1% precisa ser adicioada. Assumido que a impedâcia do trasformador é totalmete idutiva, a impedâcia total para a barra está mostrada em (3). (1) ()

3 %Z = j1.8 + j4.1 total = j.9 =.9% 89 Calcular a correte de falta através de (4) e (). I MVA 773 (3) t f = (4) kv t %Ztotal If = = 4.7 ka () I f = correte máxima de falta a barra kv t = base de tesão do trasformador MVA t = base MVA do trasformador %Z total = impedâcia total a base do trasformador para a barra como um valor porcetual B. Determiar as Corretes de uma Falta com Arco A adição da impedâcia do arco reduz a correte da falta com arco para um valor abaixo do ível de uma falta sólida. As equações (6) e (7) são usadas para calcular a correte de arco. I = 10 a a a LogI = LogI (6) LogI a a ( ) LogI = Log 4.7 = I = 10 = 3.6 ka I bf = correte máxima de falta a barra em ka I a = correte máxima do arco em ka 8% desse valor é também ecessário para verificar de que forma a correte de falta meor têm impacto os tempos de abertura, o que pode, a verdade, aumetar a eergia. O valor de 8% é 0 ka. C. Determiar os Tempos de Operação do Relé de Proteção A coordeação do relé para este sistema foi extraída das curvas de coordeação de tempo. O tempo do disjutor de ciclos foi adicioado para obter o tempo total de abertura. O tempo de trip do relé da barra para a correte de 3.6 ka está mostrado em (8). bf (7) = 0.77 s (8) 60 O tempo de trip do relé da barra para a correte de 0.0 ka está mostrado em (9) = 0.96 s (9) 60 D. Documetar as Tesões do Sistema, Classes de Equipametos e Distâcias de Trabalho A orma IEEE iclui tabelas que forecem os espaçametos de barrametos típicos e as distâcias de trabalho para cubículos de baixa tesão, de 1 kv e kv, além de cetros de cotrole de motores de baixa tesão, paiéis elétricos e cablagem. Para um cubículo de kv, o espaçameto etre os codutores é assumido igual a 10 milímetros, e a distâcia de trabalho é assumida igual a 910 milímetros. Outros fatores, como a cofiguração do cubículo, cablagem, ou aterrameto do sistema ou ivólucro são levados em cosideração. E. Determiar a Eergia Icidete O modelo derivado empiricamete apresetado a orma IEEE forece duas equações para cálculo da eergia icidete do arco voltaico. A primeira é a eergia icidete ormalizada e a seguda é a eergia icidete com parâmetros específicos. A eergia icidete ormalizada assume uma distâcia de trabalho típica de 610 milímetros e uma duração do arco de 0. segudo. A equação deste exemplo está mostrada em (10) e (11). LogE = K1 + K LogIa G (10) LogE E = 10 (11) E = eergia icidete ormalizada em J/cm K 1 = 0. para uma cofiguração em caixa K = 0.0 para um sistema aterrado por resistêcia I a = máxima correte do arco em ka G = espaçameto etre codutores = 10 mm O cálculo da eergia icidete ormalizada para a correte de arco de 3.6 ka deste exemplo está mostrado em (1) ( ) LogE = Log LogE = E = 10 = 11 J/cm (1) A eergia icidete para a correte de arco de 0.0 ka deste exemplo está mostrada em (13). E C E 0. D x t 610 = f x (13) E = eergia icidete em J/cm E = eergia icidete ormalizada em J/cm C f = 1.0 para tesões acima de 1.0 kv t = tempo do arco em segudos D = distâcia do provável poto do arco = 910 mm x = expoete da distâcia = para o cubículo de.0 kv A eergia icidete deste sistema, para 3.6 ka, está mostrada em (14) E = = 10 J/cm A eergia icidete para 0.0 ka está mostrada em (1) E = = 1 J/cm (14) (1) Observe que 8% da correte tem, a verdade, maior eergia icidete devido ao tempo maior de trip do relé da barra. Coverter a eergia do arco em cal/cm usado a coversão mostrada em (16)..0 J/cm = 1. cal/cm (16) A eergia do arco voltaico a barra para a correte de 3.6 ka está mostrada em (17). 1. E = 10 = 9 cal/cm (17) 3

4 F. Determiar a Froteira da Proteção cotra Arco Voltaico A froteira do arco voltaico é calculada a partir de (18). x t 610 Db = C f E 0. E b 1 x (18) E b = eergia icidete a froteira em J/cm =.0 para pele desprotegida C f = 1.0 para tesões acima de 1.0 kv t = tempo do arco em segudos D b = distâcia da froteira a partir do poto do arco em milímetros x = expoete da distâcia = para cubículos de.0 kv E = eergia icidete ormalizada em J/cm A froteira do arco para este sistema está mostrada em (19). b Db = D = 3867 mm = 4 m (19) Isso idica que detro do limite de 4 metros do arco voltaico, qualquer pessoa desprotegida pode sofrer queimaduras de segudo grau através da eergia icidete da falta. III. FILOSOFIA DA NOVA E CONFIÁVEL PROTEÇÃO CONTRA ARCO VOLTAICO Um sistema de proteção cotra arco voltaico deve ser extremamete rápido, seguro e cofiável. Isso sigifica que o sistema deve atuar istataeamete, propiciado a detecção em alta velocidade do arco o iterior do cubículo e a abertura do disjutor em poucos milissegudos para extição do arco. Cotudo, o sistema de proteção ão deve atuar caso ão haja arco voltaico detro do paiel. A adoção de uma filosofia que combie a detecção de luz o iterior do cubículo (idicado a formação de um arco voltaico) com a detecção de aumetos sigificativos os valores omiais da correte de carga (cofirmado a preseça de um curto-circuito etre as partes vivas iteras ao cubículo) elimia falsos trips causados pela preseça de luz e proporcioa detecção e abertura tão rápidas quato possível. Para garatir e melhorar a cofiabilidade dessa filosofia, o relé de proteção pricipal do circuito é usado com uidades adicioais de sesores de luz, os quais são istalados em potos estratégicos dos cubículos ou paiéis de média e baixa tesão e itercoectados através de cabos de fibra óptica com este relé, elimiado a ecessidade de outros compoetes o iterior desses cubículos. A utilização de apeas um equipameto para operar como relé de proteção e detecção de arco voltaico permite que esta filosofia foreça as seguites vatages adicioais: Não há ecessidade de trasformadores de correte (TCs) adicioais ou coexões em série de circuitos de correte para alimetar as etradas do dispositivo de detecção de arco voltaico. Os relatórios de eveto propiciam a aálise do eveto com arco voltaico, permitido verificar a operação apropriada do detector de arco através dos registros oscilográficos da medição da itesidade da luz, siais de atuação do elemeto detector de arco e valores de correte presetes durate o eveto. Relatórios da Sequêcia de Evetos ( Sequece of Evets SOE), icluido a atuação do elemeto de detecção de arco. Uma iterface Etheret habilita a comuicação com o sistema de supervisão e cotrole e permite a visualização de iformações do detector de arco voltaico (ex., alarme, trip), assim como a atuação de qualquer outra fução de proteção relacioada ao relé. Mesages de trip/alarme podem ser eviadas via IEC 6180 GOOSE (Geeric Object-Orieted Substatio Evet) para os demais equipametos coectados à rede Etheret. Utilização de um programa de software úico para cofiguração do detector de arco voltaico e relé de proteção. Um úico programa de software para efetuar os ajustes, aquisição de evetos, data logs e modificação de ajustes e parâmetros de forma local e remota. O equipameto oferece uma fução de autodiagose através de um cotato de alarme para comuicar uma falha itera, propiciado alta cofiabilidade do sistema (watchdog). Há uma redução as peças sobressaletes e tempo de treiameto dos equipametos, uma vez que o relé pricipal executará todas as fuções. O sistema usa três ou quatro sesores em cada cubículo, cada qual coectado via cabo de fibra óptica ao relé de proteção pricipal que opera como uidade "mestre". O relé é fácil de ser itegrado ao sistema de supervisão e cotrole, permite ajustes e cofigurações remotas e possui tempo de atuação de alta velocidade (cerca de milissegudos), excelete seguraça cotra falsos trips (a preseça de luz ão é suficiete; tato a luz quato a correte têm que estar presetes), além de um meor custo. A lista seguite resume as pricipais características do sistema de proteção cotra arco voltaico: Elimiação de TCs adicioais o paiel. Iformações sobre itesidade da luz, medição de correte, atuação do elemeto de trip e valores de correte forecidos pelos relatórios de eveto (oscilografia) e SOE. Itegração com outros IEDs ( Itelliget Electroic Devices Dispositivos Eletrôicos Iteligetes ). Troca de mesages GOOSE. Software úico. Acesso remoto. Uma úica uidade para fuções de proteção e detecção de arco voltaico. Tempo de operação de aproximadamete milissegudos. Seguraça: uso de luz mais correte para ativar a operação do sistema. Autodiagose do circuito óptico com capacidade para gerar alarmes. IV. COMPONENTES DO SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA ARCO VOLTAICO O sistema de proteção cotra arco voltaico é ilustrado a Fig.. Ele é formado por uma uidade mestre (relé de 4

5 proteção pricipal), sesores de luz potuais (ver Fig. 3) e sesores de luz regioais. Fig. Relé de Proteção com Sesores de Luz Potual e Regioal Fig. 3 Sesor de Luz Potual Os sesores de luz potuais são istalados em potos específicos que teham risco elevado de formação de arco voltaico, tais como as partes móveis do paiel (ex., iserção/remoção de um disjutor). Os sesores regioais são recomedados para cobrir uma área maior e são ormalmete istalados o compartimeto do barrameto pricipal do paiel. Um relé de proteção típico para etradas de paiéis ou alimetadores pode usar até quatro sesores. A. Sesores de Luz Potuais Uma formação de arco voltaico gera luz que é capturada pelas letes ópticas dos sesores de luz potuais (localizados apropriadamete o paiel) e trasmitida através de um cabo de fibra óptica plástica de micrômetros até o detector óptico istalado o relé de proteção. Esses sesores são ormalmete istalados os potos de coexão iteros a cada cubículo (ex., os compartimetos de iserção do disjutor e as coexões de cabos e coexões de trasformadores de potecial [TP]). Os sesores de luz potuais ão possuem compoetes eletrôicos e são facilmete fixados o paiel e substituídos quado da ocorrêcia de um arco voltaico. B. Sesores de Luz Regioais Outra opção para detecção de um arco voltaico utiliza um cabo de fibra óptica plástica descoberta de micrômetros de diâmetro que captura a luz emitida durate um eveto com arco voltaico. Esses sesores de luz regioais cobrem uma área maior do paiel e podem ser istalados ao logo de todo o comprimeto do barrameto pricipal do paiel. C. Relé de Proteção O relé de proteção pricipal utilizado esse sistema de proteção cotra arco voltaico cosiste um dispositivo multifucioal para aplicações em alimetadores de média e baixa tesão. Além da fução de detecção de arco voltaico, o relé tem diversos outros recursos, icluido as seguites fuções de proteção: Sobrecorrete de fase istatâeo de alta velocidade para detecção de arco voltaico (0PAF) Sobrecorrete de eutro istatâeo de alta velocidade para detecção de arco voltaico (0NAF) Elemetos de sobrecorrete de fase istatâeos e temporizados (0/1) Elemetos de sobrecorrete residual istatâeos e temporizados (0/1G) Elemetos de sobrecorrete de terra ou eutro istatâeos e temporizados (0/1N [ou GS]) Elemetos de sobrecorrete de sequêcia-egativa istatâeos e temporizados (0/1Q [46]) Elemeto térmico (49) Sub/Sobrefrequêcia e taxa de variação dos elemetos de frequêcia (81) Elemetos de subtesão e sobretesão fase-eutro ou fase-fase (7/9) Fator de potêcia () Perda de potecial (60) Elemeto de sobretesão de sequêcia-egativa (fase reversa) (9Q [47]) Elemeto de sobretesão de sequêcia-zero, quado utilizados 3 TPs com coexão a quatro fios (9N) Bloqueio (86) Falha de disjutor (0/6BF) Religameto automático (quatro tetativas) (79) Check de sicroismo () As gradezas medidas o relé icluem corretes; tesões; potêcia ativa, reativa e aparete trifásica; fator de potêcia trifásico; eergia ativa e reativa trifásica; demada; frequêcia; e temperaturas via detectores de temperatura da resistêcia. Os recursos de moitorameto do relé icluem o seguite: Sequêcia de evetos com armazeameto dos mais recetes 1.04 evetos e relatórios do perfil de carga. Mesages os displays frotais e LEDs de sialização com iformações dos evetos, icluido a iterrupção dos circuitos ópticos. Relatórios de eveto (oscilografia) com iformações sobre a itesidade da luz, medição de correte e atuação do elemeto de detecção de arco voltaico. O relé de proteção pricipal pode ter até 1 etradas/saídas quado equipado com detecção de arco voltaico ou um máximo de 37 etradas/saídas quado equipado com um módulo adicioal. O uso de equações lógicas e botões de pressão do relé tora fácil a execução de testes do sistema. Por exemplo, podem ser criadas lógicas de testes para bloquear itecioalmete o detector de arco por solicitação do operador. O relé possui lógicas para evio do sial de trip para o disjutor mais próximo do arco voltaico detectado. Isso é ecessário, pois um relé possui quatro etradas distitas de

6 sesores que podem estar istalados em diferetes potos de um cubículo ou mesmo em cubículos adjacetes. Como exemplo, quatro compartimetos de saídas de cabos moitorados por apeas um relé. O relé vai abrir o disjutor o qual o sesor de arco voltaico foi ativado. A ordem de trip emitida pelo detector de arco voltaico pode ser iserida o esquema de falha do disjutor. O relé bloqueia o fechameto do disjutor até que os sesores de luz detectem codições ormais de operação (ou seja, itesidade de luz isuficiete para ativar o circuito de trip baseado a detecção de arco voltaico). Múltiplas portas seriais, uma porta Etheret, e vários protocolos de comuicação são icluídos o relé. O relé facilita a trasmissão de iformações proveietes do detector de arco voltaico (alarme, trip, etc.) através de uma rede de comuicação, uma vez que o relé já faz parte de um sistema supervisório. Ele tem a capacidade de eviar mesages de trip e alarme via mesages IEC 6180 GOOSE para os demais equipametos da rede Etheret. O relé moitora cotiuamete os circuitos dos sesores de luz e pode eviar um alarme para o sistema supervisório o caso de qualquer iterrupção esses circuitos, facilitado o trabalho das equipes de mauteção. Ele usa um programa de software úico para parametrização local e remota e permite o acesso local e remoto da egeharia para aquisição de evetos, data logs e alterações os ajustes e parâmetros. a seguraça combiada é muito maior do que em qualquer sistema idividual. A partir deste poto, o operador usa os ajustes do relé de proteção para defiir quais as ações que deverão ser tomadas após a detecção de um arco voltaico, tais como a emissão de um comado de trip para o disjutor ou o evio de alarmes remotos visado a extição do arco voltaico tão rápido quato possível. Um obstáculo o uso dos sesores de luz é a ecessidade de medir e ajustar de acordo com as variações os íveis de luz do ambiete. A medição da luz e correte o relé de proteção pode utilizar medições aalógicas e recursos dos relatórios de eveto do relé. Ao moitorar a luz recebida como um sial aalógico, o usuário pode visualizar e ajustar os íveis ormais de luz para a aplicação. Os relatórios de eveto também forecem uma ferrameta para solução de problemas através de evetos com estampas de tempo, icluido os íveis de luz dos sesores de arco. V. PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA ARCO VOLTAICO A. Itrodução O objetivo da detecção de um arco voltaico é miimizar o tempo ecessário para desligar o disjutor e iterromper a falta. A detecção do arco o relé de proteção miimiza o tempo de trip, custo e complexidade. A possibilidade de detecção de arco pelo relé permite utilizar o moitorameto da correte e a proteção já existete o circuito. O pricípio de operação do sistema de proteção cotra arco voltaico associa uma variação da itesidade da luz (capturada por até quatro sesores ópticos idepedetes) com uma elevação das corretes de fase e eutro medidas pelo relé de proteção (ultrapassado as corretes de fase e eutro previamete ajustadas). A vatagem adicioal do processameto da detecção de arco voltaico o relé de proteção é a capacidade de usar uma medição de sobrecorrete real como elemeto de supervisão para melhorar a seguraça. Elemetos de sobrecorrete de alta velocidade (0PAF e 0NAF) são usados para obter tempos de trip mais rápidos. Esses elemetos são separados daqueles baseados em corretes de curto-circuito. A correte utilizada para acioar um trip é derivada por meio de amostragem da correte do alimetador e usado um algoritmo de detecção rápida para idicar que houve uma falta. Esta falta é etão comparada com os íveis de trip dos sesores de detecção de arco para determiar se um trip por arco voltaico é válido. Diversos elemetos de sobrecorrete padroizados têm tempos de resposta etre 6 e 0 milissegudos. Este retardo é iaceitável para supervisão da detecção de arco voltaico. Para evitar a itrodução de um retardo adicioal, a proteção de sobrecorrete de alta velocidade tem que atuar tão rápido quato a detecção de arco. A combiação da detecção de arco e sobrecorrete rápida tem que ocorrer simultaeamete; Fig. 4 Pricípio de Operação do Sistema de Proteção Cotra Arco Voltaico Na Fig., a liha idetificada com IB represeta a sobrecorrete o caal da Fase B do relé. A liha idetificada com LS (1) represeta a variação da itesidade de correte o Sesor Óptico 1 do Relé LS (1). A liha tracejada vertical represeta o istate exato em que o elemeto de sobrecorrete de alta velocidade, 0AF, foi ativado. A variação da liha TOL1 mostra o istate em que o ível de luz atigiu o ível previamete ajustado. O tempo ecessário para elimiar a falta depede do tempo de abertura do disjutor. Fig. Registro Oscilográfico de um Relé de Proteção com Fução de Detecção de Arco Voltaico Adicioalmete, uma mesagem IEC 6180 GOOSE pode ser eviada ou um sistema de comuicação digital relé-relé pode ser usado para coordear com o relé de etrada do 6

7 paiel se o sial permaecer ativo por um período de tempo previamete ajustado. Fig. 6 Use a Comuicação Digital Relé-Relé para Coordeação da Proteção B. Autodiagose Uma técica de loop óptico executa a autodiagose do sistema de detecção de arco voltaico. Um LED trasmissor o relé de proteção emite pulsos lumiosos em itervalos regulares. Os pulsos são moitorados o circuito óptico (testes de loopback) por um detector óptico e refletidos as letes dos sesores de luz. O moitorameto cotíuo deste loop óptico permite que o relé evie alarmes via cotato, display, ou comuicação Etheret ou serial, caso o circuito seja iterrompido. A Fig. 7 ilustra este loop óptico. Fig. 7 Esquema de Autodiagose do Sistema de Detecção de Arco Voltaico com Sesores de Luz Potuais e Regioais VI. RECALCULANDO A ENERGIA DO ARCO VOLTAICO A adição dos sesores de arco voltaico reduz o tempo total de elimiação da falta. A redução do tempo tem um efeito dramático a eergia do arco voltaico, causado uma redução sigificativa da mesma. O tempo de trip do relé da barra para a correte de 3.6 ka está mostrado em (0).. ms + s = s (0) 60 O tempo do disjutor de ciclos foi adicioado para obter o tempo total de abertura. A ova eergia icidete deste sistema para 3.6 ka está mostrada em (1) e () E = = 13.4 J/cm (1).0 J/cm = 1. cal/cm () A ova eergia de arco voltaico a barra para a correte de 3.6 ka está mostrada em (3). 1. E = 6. = 3. cal/cm (3) A ova froteira do arco voltaico deste sistema está mostrado em (4). b Db = D = 0 mm =. m VII. BENEFÍCIOS DA UTILIZAÇÃO DA PROTEÇÃO CONTRA ARCO VOLTAICO INTEGRADA AOS RELÉS PRINCIPAIS (4) O pricipal beefício do sistema proposto este artigo cosiste o fato de que a redução dos tempos de elimiação da falta reduz proporcioalmete o arco voltaico. Além disso, as vatages do sistema icluem: Flexibilidade Ao istalar em paiéis existetes, recomeda-se um retrofit da proteção pricipal existete de forma a obter outras vatages dos relés de proteção de tecologia avaçada (ex., oscilografia, SOEs, itegração em rede). Para um retrofit de um paiel ou moderização de subestações idustriais, todo o sistema de proteção covecioal pode ser substituído e o sistema de detecção de arco voltaico deve ser icluído este coceito como um todo. Ao istalar ovos paiéis, o relé de proteção pricipal pode ser defiido como uma uidade mestre para a detecção de um arco voltaico. Cofiabilidade O uso de apeas um dispositivo para as fuções de proteção e detecção de arco voltaico reduz o úmero de compoetes do cubículo. Os compoetes idividuais do sistema de proteção cotra arco voltaico apresetam baixas taxas de falhas. Além disso, o sistema como um todo garate a operação somete se houver uma combiação da itesidade de luz e correte. Portato, se apeas for detectada a preseça de luz o iterior do cubículo ou apeas a correte de falta for detectada o circuito, o sistema de proteção cotra arco voltaico ão será ativado. Os recursos de autodiagose do relé de proteção e loop ótico do sistema de detecção de arco voltaico geram alarmes o caso de ocorrêcia de problemas as fibras ópticas/sesores. 7

8 Otimização dos equipametos. Não há ecessidade de istalação de TCs adicioais ou coexões em série de circuitos de correte para alimetar as etradas de equipametos adicioais se o detector de arco for istalado fora do relé de proteção. Otimização do software. O uso de um tipo de software para cofiguração das fuções do relé de proteção e detector de arco facilita o trabalho da equipe de mauteção que rotieiramete efetua a parametrização dos relés de proteção microprocessados. Otimização das peças sobressaletes. Esta solução reduz o úmero de ites sobressaletes, que, este caso, será apeas o relé pricipal. VIII. CONCLUSÕES Algumas idústrias de grade porte já cosideram o sistema de proteção cotra arco voltaico apresetado este artigo como sedo o sistema de proteção mais eficiete para a seguraça das equipes de trabalho, istrumetos e equipametos. A filosofia do sistema de proteção cotra arco voltaico de alta velocidade (detecção em aproximadamete milissegudos) permite a itegração em redes de alta cofiabilidade e a otimização dos equipametos e motagem de paiéis. IX. REFERÊNCIAS [1] L. K. Fischer, The Dagers of Arc-Flash Icidets, Maiteace Techology, fevereiro de 004. Dispoível em: [] NFPA 70E, Stadard for Electrical Safety i the Workplace, 004 Editio. [3] IEEE Stadard , IEEE Guide for Performig Arc-Flash Hazard Calculatios. [4] M. Zeller ad G. Scheer, Add Trip Security to Arc-Flash Detectio for Safety ad Reliability, proceedigs of the 3th Aual Wester Protective Relay Coferece, Spokae, WA, outubro de 008. [] J. Buff ad K. Zimmerma, Applicatio of Existig Techologies to Reduce Arc-Flash Hazards, proceedigs of the 33rd Aual Wester Protective Relay Coferece, Spokae, WA, outubro de 006. X. BIOGRAFIAS Geraldo Rocha recebeu seu diploma de egeharia elétrica da UNESP (Uiversidade Estadual Paulista de Bauru) em 001 e se especializou em proteção de sistemas de potêcia a UFRJ (Uiversidade Federal do Rio de Jaeiro). Ele trabalhou como egeheiro de proteção e automação a CPFL Geração de Eergia SA, ode suas resposabilidades icluíam mauteção, comissioameto, especificação e estudos de proteção e automação de usias hidroelétricas. Em 007, igressou a Schweitzer Egieerig Laboratories, Ic. como egeheiro de aplicação, cobrido todo o Brasil. Suas resposabilidades icluem treiametos e suporte aos clietes os serviços de automação e proteção de subestações, evolvedo as áreas de geração, trasmissão e distribuição. Eduardo Zairato é um egeheiro de aplicação e vedas, tedo obtido seu diploma da Escola Federal de Egeharia de Itajubá. Desde 00, ele trabalha a Schweitzer Egieerig Laboratories, Ic. Sua experiêcia iclui cotrole e proteção de sistemas de eergia elétrica, bem como suporte técico e comercial para projetos de idústrias de petróleo, gás e petroquímica. Ferado Ayello recebeu seu diploma de egeharia elétrica da Uiversidade Muicipal de Taubaté em Em 198, cocluiu o mestrado em egeharia elétrica a Escola Federal de Egeharia de Itajubá e, em 000, recebeu o certificado de pós-graduação em Marketig da Fudação Getúlio Vargas. Etre 198 e 1991, ele trabalhou como egeheiro de proteção a CPFL Eergia, ode foi resposável pelos estudos e aálises de sistemas de proteção. Etre 1991 e 199, trabalhou como egeheiro de vedas a divisão de relés de proteção da ABB e, etre 199 e 000, como egeheiro de marketig a área de relés de proteção e medidores de qualidade de eergia da Scheider Electric Brasil. Desde 000, trabalha a Schweitzer Egieerig Laboratories, Ic., ode ocupa o cargo de gerete regioal de vedas e marketig do Brasil. Ele é autor de iúmeros artigos técicos publicados em semiários e coferêcias acioais. Roberto Taiaga recebeu o diploma de egeharia elétrica da Escola Politécica da Uiversidade de São Paulo em 1998, com especialização em egeharia de sistemas de potêcia. Ele começou a trabalhar como estagiário e egeheiro cosultor a FIGENER S/A, sedo resposável pela aálise de sistemas de potêcia idustriais. Trabalhou também como egeheiro de vedas a SEG, fabricate alemã de relés de proteção. Desde 006, trabalha como egeheiro de aplicação e vedas a Schweitzer Egieerig Laboratories, Ic., ode é resposável pelo mercado idustrial do Brasil. 8