ANÁLISE DOS MÉTODOS DE PROTEÇÃO CONTRA FALTAS À TERRA NOS SISTEMAS DA DISTRIBUIÇÃO ATERRADOS, NÃO ATERRADOS E COMPENSADOS

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1 ANÁLISE DOS MÉTODOS DE PROTEÇÃO CONTRA FALTAS À TERRA NOS SISTEMAS DA DISTRIBUIÇÃO ATERRADOS, NÃO ATERRADOS E COMPENSADOS Jeff Robets, D. Hecto J. Altuve e D. Daqing Hou Schweitze Engineeing Laboatoies, Inc. Pullman, WA USA RESUMO Este pape analisa os métodos de detecção e poteção conta faltas à tea nos sistemas da distibuição. Em pimeio luga, vamos analisa e compaa os métodos de ateamento dos sistemas de média tensão da distibuição. Em segundo, vamos desceve os elementos diecionais adequados paa fonece poteção conta faltas à tea nos sistemas da distibuição solidamente ateados e ateados atavés de baixa impedância. Analisaemos, então, o compotamento dos sistemas não ateados diante de condições de faltas à tea e intoduziemos um novo elemento diecional de tea paa estes sistemas. Em seguida, vamos analisa o compotamento de sistemas compensados duante faltas à tea e desceve métodos tadicionais de detecção de faltas. A conclusão seá feita com a intodução de novos métodos de detecção de faltas à tea nos sistemas compensados. INTRODUÇÃO As magnitudes das coentes de faltas à tea dependem do método de ateamento do sistema. Sistemas solidamente ateados e ateados atavés de baixa impedância podem te níveis elevados de coentes de faltas à tea. Esses níveis elevados nomalmente equeem a abetua da linha paa emove a falta do sistema. Os elés de sobecoente de tea e de sobecoente diecional de tea são as soluções típicas de poteção conta faltas à tea nesses sistemas. Entetanto, a detecção de faltas à tea de alta impedância é difícil nos sistemas a quato fios, multiateados, nos quais o elé mede a coente de falta à tea combinada com a coente de desbalanço geada pela configuação e faseamento da linha, e pelo desbalanço de caga. Os sistemas não ateados não possuem tea intencional. Paa uma falta fase-tea nesses sistemas, o único caminho paa ciculação da coente de tea é atavés da capacitância fase-tea distibuída do sistema adjacente e das duas fases boas emanescentes do cicuito sob defeito. Nas edes de distibuição compensadas ou com ateamento essonante, o sistema é ateado atavés de um eato de impedância vaiável conectado ao neuto do secundáio do tansfomado de potência ou ao neuto de um banco de ateamento. Esse eato compensa a capacitância fase-tea do sistema de foma que o diagama de seqüência-zeo se tona um caminho com impedâncias muito elevadas. O eato, conhecido como bobina de Petesen, pemite o ajuste do valo da indutância paa peseva a condição de sintonia do sistema paa difeentes topologias da ede. O ateamento essonante popicia a auto-extinção do aco da falta em linhas aéeas paa apoximadamente 80% das faltas à tea tempoáias [1]. Consideando que apoximadamente 80% das faltas à tea são tempoáias, concluímos que mais de 60% das faltas à tea nas linhas aéeas são eliminadas sem a abetua do disjunto. Os sistemas ateados atavés de alta impedância são ateados atavés de um eato ou esisto de alta impedância, cujo valo é igual ou ligeiamente meno do que a eatância paa tea capacitiva total do sistema. O esisto do neuto é de um valo elevado de tal magnitude que as faltas à tea em tais sistemas têm caacteísticas muito similaes às dos sistemas com ateamento essonante. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 1/39

2 Uma vez que faltas à tea em sistemas não ateados, compensados e ateados atavés de alta impedância não afetam o tiângulo de tensões ente fases, é possível continua a opeação mesmo com o sistema sob a condição de defeito. Logo, o sistema tem de te um nível de isolação ente fases e todas as cagas têm de esta conectadas ente fases. Paa esses sistemas, é necessáio que os elés de tea tenham alta sensibilidade pois a coente de falta é muito baixa se compaada aos sistemas solidamente ateados. Muitos métodos de detecção de faltas à tea usam os componentes de coente e tensão com a feqüência fundamental. O método vamético [2] é a solução tadicional paa detecção de faltas à tea em sistemas não ateados. Podemos também usa esse método nos sistemas ateados atavés de alta impedância. O método watimético [2][3] é uma solução comum com elementos diecionais paa sistemas compensados, poém sua sensibilidade é limitada paa esistências de falta da odem de alguns quiloohms. Podemos também usa o método watimético nos sistemas ateados atavés de alta impedância e sistemas com neuto isolado. Outos métodos baseados na feqüência fundamental paa sistemas compensados (tal como o método da admitância [4][5]) fonecem uma sensibilidade aumentada mas equeem infomações sobe todos os alimentadoes, sobe a possibilidade de se efetua ações de contole na bobina de Petesen, ou ambas. Existem também métodos que usam o conteúdo de hamônicos de tensão e coente efeentes ao estado de egime paa detecta faltas à tea [6][7]. Um outo gupo de métodos detecta os componentes tansitóios de coente e tensão geados pela falta [6][8]. Estes métodos possuem sensibilidade limitada, pois as faltas com alta esistência eduzem o nível dos hamônicos efeentes ao estado de egime e amotecem os componentes tansitóios de coente e tensão. MÉTODOS DE ATERRAMENTO PARA SISTEMAS DE MÉDIA TENSÃO DA DISTRIBUIÇÃO Os pincipais objetivos do ateamento do sistema são: minimiza os stesses témico e de tensão nos equipamentos, popicia seguança paa as equipes de tabalho, eduzi as intefeências nos sistemas de comunicação e contibui paa a detecção e eliminação ápidas de faltas à tea. Com exceção do stess de tensão, a opeação de um sistema do tipo não ateado, ateado atavés de alta impedância ou com ateamento essonante estinge as magnitudes das coentes de falta à tea e pemite atingi a maioia dos objetivos elacionados acima. O inconveniente desses métodos de ateamento é que eles também geam poblemas na sensibilidade de detecção de faltas (poteção). Podemos cia um ateamento do sistema que eduza o stess de tensão ao custo de magnitudes elevadas da coente de falta. Potanto, em tal sistema o cicuito defeituoso tem de se desenegizado imediatamente paa evita o stess témico, intefeência no canal de comunicação e iscos paa a seguança humana. A desvantagem desse sistema é que o seviço pecisa se inteompido mesmo paa faltas tempoáias. A segui, uma descição sucinta dos métodos de ateamento nomalmente usados nos cicuitos de média tensão da distibuição. A Tabela 1 esume as pincipais caacteísticas desses métodos de ateamento. Sistema Não Ateado ou com Neuto Isolado Em um sistema com neuto isolado (ve Figua 1), o neuto ( Neutal N) não tem conexão intencional com a tea ( Gound G): o sistema é conectado à tea atavés de capacitâncias fasetea. As faltas fase-tea deslocam a tensão do neuto do sistema poém deixam o tiângulo de tensões ente fases intacto. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 2/39

3 Figua 1 Sistema com Neuto Isolado Paa estes sistemas, dois fatoes pincipais limitantes da magnitude da coente de falta à tea são a esistência de falta e a capacitância fase-tea de seqüência-zeo. Uma vez que o tiângulo de tensões não é, elativamente, afetado, esses sistemas podem pemanece opeacionais duante faltas sustentadas de baixa magnitude. A auto-extinção de faltas à tea nas linhas aéeas não ateadas é possível paa valoes baixos da coente de falta à tea. Paa magnitudes maioes da coente de falta, as faltas têm uma meno pobabilidade de se auto-extinguiem na passagem pelo zeo natual da coente de falta devido à elevada tensão tansitóia de estabelecimento. Posteiomente, discutiemos como um sistema com ateamento essonante amotece esta elevação da tensão de estabelecimento, aumentando, dessa foma, a pobabilidade de povoca a auto-extinção da falta à tea. Os elés de tensão de seqüência-zeo [9], ou tifásica, podem detecta faltas à tea nos sistemas não ateados. Este método de detecção de faltas não é seletivo e eque isolação ou desligamento seqüencial dos alimentadoes paa detemina o alimentado sob defeito. Um elemento diecional de tea vamético sensível é a altenativa típica paa desconexão seqüencial [2]. Esses elementos espondem à componente em quadatua da coente de seqüência-zeo em elação à tensão de seqüência-zeo. Posteiomente, intoduziemos um novo elemento diecional que usa a impedância medida como gandeza de medição paa difeencia faltas à tea nas dieções à fente e evesa. Ateamento Sólido ou Efetivo O ateamento efetivo, ou sólido, é popula nos Estados Unidos. Paa se classificado como ateamento sólido, o sistema tem de te (X 0 / X 1 ) 3 e (R 0 / X 1 ) 1, onde X 0 e R 0 são a eatância e a esistência de seqüência-zeo, e X 1 é a eatância de seqüência-positiva do sistema de potência [10]. Na pática, os sistemas solidamente ateados possuem todos os neutos do sistema de potência conectados à tea, sem qualque impedância intencional ente o neuto e a tea. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 3/39

4 Tabela 1 Compaação dos Métodos de Ateamento paa Sistemas de Média Tensão da Distibuição Método de Ateamento Tópicos Neuto Isolado Ateamento Sólido (Ateamento Único) Ateamento Sólido (Ateamento Múltiplo) Ateamento Atavés de Baixa- Impedância Ateamento Atavés de Alta- Impedância Ateamento Ressonante Alguns Países com Aplicação Itália, Japão, Ilanda, Rússia, Peu, Espanha Gã-Betanha Estados Unidos, Canadá, Austália, Améica Latina Fança, Espanha Note e Leste da Euopa, China, Isael Conexão de Cagas Pemissível Fase-fase Fase-fase (3 fios) e faseneuto (4 fios) Fase-fase e fase-tea Fase-fase Fase-fase Fase-fase Nível de Isolação Requeido Fase-fase Fase-neuto Fase-neuto Fase-neuto Fase-fase Fase-fase Limitação de Sobetensões Tansitóias Ruim Boa Boa Boa Boa (Ateamento- R), Média (Ateamento- L) Média Opeação Possível com uma Falta à Tea Auto-Extinção de Faltas à Tea Nem sempe Nem sempe Não Não Não Nem sempe Quase sempe Não Não Não Nem sempe Quase sempe Seguança Humana Stess Témico dos Equipamentos Intefeência nas Linhas de Comunicação Sensibilidade da Poteção paa Faltas à Tea Média Boa Ruim Boa Média Boa Baixo Alto Alto Alto Baixo Muito Baixo Média Alta Alta Alta Baixa Muito Baixa Média Boa Ruim Boa Média Média Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 4/39

5 Existem duas implementações páticas difeentes do ateamento sólido nos sistemas de média tensão da distibuição: uniateados e multiateados. Nos sistemas uniateados, somente podem existi tês fios com todas as cagas conectadas ente fases (ve Figua 2(a)), ou podem existi quato fios com um neuto isolado e todas as cagas conectadas fase-neuto (ve Figua 2(b)). Nesta última aplicação, a coente de desbalanço de caga etona atavés do neuto enquanto a coente de falta à tea etona atavés da tea paa o neuto da subestação. Nos sistemas multiateados com quato fios e cagas fase-neuto (ve Figua 2(c)), o sistema é ateado na subestação e em cada localização dos tansfomadoes ao longo do cicuito. Em alguns exemplos, algumas cagas monofásicas em deivação são conectadas de uma fase paa a tea, sem a existência do conduto no neuto. Nesses sistemas, ambas as coentes de desbalanço de caga e de falta à tea são divididas ente o conduto do neuto e a tea. A detecção de faltas à tea de alta esistência nesses sistemas é difícil pois o elé de poteção mede a coente de falta à tea com alta esistência combinada com a coente de desbalanço. Faltas à tea nesses sistemas podem poduzi coentes de alta magnitude que equeem a abetua de todo o cicuito e inteupção da caga paa muitos consumidoes. Apoximadamente 80% das faltas à tea que ocoem nas linhas aéeas da distibuição são tansitóias. O eligamento automático com váias tentativas é amplamente usado nesses sistemas. O ciclo esultante de inteupção/estabelecimento pode epesenta um poblema paa os consumidoes com cagas otativas elevadas ou aqueles com cagas que sejam intoleantes aos afundamentos de tensão. O ateamento sólido eduz o isco de sobetensões duante faltas à tea. Essas faltas não deslocam o neuto do sistema (ve Figua 2(e)). Logo, o sistema não eque um nível de isolação de tensão tão elevado quanto eque um sistema com neuto isolado. Em geal, os sistemas de tansmissão são solidamente ateados ao edo do mundo. Os sistemas da distibuição são nomalmente uniateados na Gã-Betanha e multiateados na Améica do Note, Austália e alguns países da Améica Latina. A poteção típica conta faltas à tea nos sistemas solidamente ateados consiste de elés de sobecoente diecionais e não diecionais com conexão esidual (ou uma soma matemática equivalente). A detecção de faltas à tea de alta impedância é difícil nas aplicações de elés não diecionais em instalações a quato fios com cagas fase-neuto, pois é necessáio ajusta a sensibilidade mínima do elé maio do que o desbalanço nomal de caga. A coodenação com os fusíveis dos cicuitos adjacentes, dimensionados inicialmente paa condução de cagas, é ainda um outo fato limitante paa a sensibilidade da poteção de tea nesses sistemas [10]. Como esultado, muitos condutoes caídos têm pemanecido enegizados po um tempo significante, sem seem detectados. Melhoias efetuadas ecentemente nos elés diecionais levam em consideação os desbalanços nomais da linha e da caga e não equeem uma degadação significativa da sensibilidade do elé de tea. Esta nova tecnologia dos elementos diecionais aumenta enomemente a sensibilidade duante condições de caga baixa, quando compaada à poteção não diecional, poém ela ainda tem de limita a sensibilidade do elé duante peíodos de fluxo de caga muito elevado. Ateamento Atavés de Baixa Impedância Neste tipo de ateamento, o sistema é ateado atavés de um eato ou esisto de baixa impedância com o objetivo de limita a coente de falta à tea. Ao limita as magnitudes das coentes de faltas à tea em dezenas ou centenas de ampees, você eduz o stess témico nos equipamentos, pemitindo que cubículos de meno custo possam se adquiidos. Este método é, sob váios outos aspectos, equivalente ao ateamento sólido, incluindo os métodos de poteção conta faltas à tea. Na Fança, muitos dos sistemas de distibuição são ateados atavés de baixa esistência. Nas edes de distibuição uais, a coente de falta à tea é limitada em A pimáios, e nas edes ubanas, que têm coentes capacitivas maioes, o esisto é selecionado paa limita a coente de falta à tea em um valo máximo de A [8]. Os engenheios de usinas industiais também usam ateamento atavés de baixa impedância nos cicuitos de distibuição e nas usinas. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 5/39

6 Ateamento Atavés de Alta Impedância Neste método, o sistema é ateado atavés de um eato ou esisto de alta impedância, cujo valo é igual ou ligeiamente meno do que o da eatância paa tea capacitiva total do sistema. O método do ateamento atavés de alta impedância limita a coente de falta à tea em 25 A ou menos. O ateamento atavés de alta esistência limita as sobetensões tansitóias em valoes seguos duante faltas à tea. O esisto de ateamento pode se conectado no neuto de um tansfomado de potência ou ateamento, geado ou baa de ateamento do geado, ou atavés de uma conexão em delta abeto ( boken delta ) dos tansfomadoes da distibuição [10]. Figua 2 Sistemas Solidamente Ateados: (a) Sistema Uniateado a Tês-Fios, (b) Sistema Uniateado a Quato-Fios, (c) Sistema Multiateado a Quato-Fios, (d) Diagama Fasoial paa Opeação Nomal, (e) Diagama Fasoial paa uma Falta à Tea Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 6/39

7 Da mesma foma que nos sistemas com neuto isolado, faltas à tea nestes sistemas deslocam a tensão do neuto do sistema sem modifica o tiângulo de tensões ente fases. Novamente, este método de ateamento pemite que a concessionáia de enegia elética continue opeando o sistema duante faltas à tea sustentadas. A detecção não seletiva de faltas à tea é possível efetuando-se a medição da magnitude da tensão de seqüência-zeo e compaando o valo encontado com o valo limite de sobetensão, ou medindo todas as tês tensões fase-tea e compaando cada magnitude de tensão com um valo limite de subtensão. Paa enconta o alimentado sob defeito, você tem de usa elementos diecionais de seqüência-zeo sensíveis ou desconecta alimentadoes paa detemina quando a tensão de seqüência-zeo cai a um nível nomal. O elemento diecional tadicional é o do tipo watimético [2][3], que esponde à componente em-fase, ou ativa, da coente de seqüência-zeo em elação à tensão de seqüência-zeo. Paa sistemas ateados atavés de eatância, você pode também usa um elemento diecional vamético que esponde à componente eativa ou em quadatua da coente de seqüência-zeo [2]. As áeas típicas paa aplicação do ateamento atavés de alta esistência incluem geadoes conectados em uma unidade geado-tansfomado [10] e sistemas de média tensão da distibuição de usinas industiais [11]. Ateamento Ressonante Neste método de ateamento, o sistema é ateado atavés de um eato de alta impedância, pefeitamente sintonizado com a capacitância fase-tea total do sistema (ve Figua 3). O eato de impedância vaiável é denominado bobina de Petesen em homenagem a seu invento, que intoduziu o conceito em Ele é também conhecido como bobina de supessão de aco ou neutalizado de faltas à tea. A bobina é nomalmente conectada ao neuto do tansfomado da distibuição ou a um tansfomado de ateamento zigzag. Os sistemas com este tipo de ateamento são feqüentemente efeidos como sistemas compensados ou com ateamento essonante. Quando a capacitância do sistema fo igualada pela indutância da bobina, o sistema está totalmente compensado, ou a uma sintonia de 100%. Se a indutância do eato não se iguala à capacitância do sistema, o sistema está foa de sintonia. Ele pode esta sobecompensado ou subcompensado, dependendo da elação ente a indutância e a capacitância. Figua 3 Sistema Compensado As instalações mais antigas usam um eato de baixo custo com valo fixo. Nestes sistemas, a condição de sintonia, seja um sistema subcompensado ou sobecompensado, muda com a configuação da ede de distibuição. Os eatoes com comutação de tap pemitem o contole manual ou automático das condições de sintonia. As instalações modenas incluem um eato com núcleo móvel (êmbolo) equipado com um sistema de contole paa popicia uma sintonia de quase 100% paa todas as condições de opeação do sistema. Esses sistemas com êmbolos também popiciam um meio suave paa egula a sintonia do sistema. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 7/39

8 O ateamento essonante de um sistema pode eduzi a coente de falta à tea paa apoximadamente 3 a 10% daquela de um sistema não ateado. Paa uma sintonia de 100%, as pedas ativas na bobina, os hamônicos do sistema e a coente de dispesão ativa do sistema deteminam a magnitude da coente de falta [1]. Os métodos de compensação da coente esidual injetam uma coente no sistema atavés do eato, duante a falta, eduzindo a coente de falta a quase zeo [12]. A ação da auto-extinção do aco depende não somente da magnitude da coente de falta, mas também da taxa da tensão de estabelecimento tansitóia após a extinção do aco com sucesso na passagem da coente pelo zeo. Nos sistemas compensados, este tempo de estabelecimento da tensão é muito mais lento do que nos sistemas não ateados. A detecção de faltas de alta impedância nos cicuitos compensados da distibuição eque um dispositivo com uma entada de coente esidual muito sensível. O método do diecional watimético, descito posteiomente neste pape, é o tipo de elemento diecional que é nomalmente mais usado. Entetanto, a cobetua desse elemento paa faltas à tea esistivas é limitada pelo ajuste do elemento de sobetensão de seqüência-zeo de supevisão. As concessionáias que desligam as linhas paa faltas pemanentes feqüentemente detectam a falta atavés da medição da tensão de seqüência-zeo e, em seguida, efetuam a mudança automática da condição de ateamento do sistema. Esta opeação de chaveamento tem o objetivo de melhoa a sensibilidade da poteção seletiva conta faltas à tea. A opeação de chaveamento tem uma tempoização intencional de alguns segundos paa possibilita que o sistema compensado efetue a extinção do aco paa faltas tempoáias. O valo nominal témico da bobina de Petesen define essa tempoização. Em alguns sistemas, [13] a pática é efetua o bypass do eato atavés de um disjunto monopola. Uma outa altenativa é a de conecta um esisto em paalelo com a bobina de Petesen ou com um enolamento auxilia da bobina de Petesen. Um poblema com esses métodos é que a conexão do esisto eduz a tensão de seqüência-zeo sem necessaiamente aumenta de foma significativa a magnitude da coente de seqüência-zeo da falta. O esultado é que a ação efetuada paa aumenta a sensibilidade na detecção de faltas pode eduzi a sensibilidade do elemento diecional de tea watimético. ELEMENTOS DIRECIONAIS PARA PROTEÇÃO CONTRA FALTAS À TERRA EM SISTEMAS SOLIDAMENTE ATERRADOS E ATERRADOS ATRAVÉS DE BAIXA IMPEDÂNCIA Os modenos sistemas da distibuição estão se tonando sistemas ligados em anel ou com váias fontes de alimentação devido ao aumento de unidades de geação distibuída e à necessidade da ligação em anel dos sistemas paa melhoa a confiabilidade na alimentação de cagas cíticas no nível da distibuição. As faltas à tea nos sistemas solidamente ateados e ateados atavés de baixa impedância podem gea níveis elevados de coente que equeem a abetua do cicuito. Os elementos diecionais podem se usados paa fonece poteção conta faltas à tea nesses sistemas. Os tadicionais elés diecionais de tea ( gound diectional elays GRDs) espondem às gandezas de seqüência-negativa ou seqüência-zeo. Paa esses GRDs convencionais, temos de seleciona quais as gandezas de seqüência que vão se usadas em cada aplicação e condições paticulaes de opeação do sistema. Uma vez que você tenha selecionado um tipo de modelo de GRD, com gandezas de opeação e polaização fixas, os tadicionais GRDs vão usa essas gandezas em todas as situações. Esta estição pode esulta numa opeação incoeta do elemento diecional diante de alteações nas configuações do sistema. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 8/39

9 Um novo GRD, entetanto, seleciona as melhoes gandezas de seqüência a seem usadas paa faltas à tea de acodo com as condições do sistema. Com esse novo GRD, é possível usa um elemento diecional de seqüência-negativa paa uma falta e um elemento diecional polaizado po tensão de seqüência-zeo paa a póxima falta à tea. Esse novo elé diecional de tea consiste de uma combinação de tês elementos diecionais: Polaizado po Coente de Seqüência-Zeo (32I), Polaizado po Tensão de Seqüência-Negativa (32Q) e Polaizado po Tensão de Seqüência-Zeo (32V). O novo elé usa elementos diecionais polaizados po tensão de seqüência-negativa e seqüência-zeo que supeam os poblemas de confiabilidade e seguança dos tadicionais elementos polaizados po tensão. Elemento Diecional Polaizado po Coente (32I) O elemento 32I é o elemento diecional polaizado po coente tadicional. As gandezas de entada analógicas desse elemento são a gandeza de opeação, 3I 0, e a gandeza de polaização, I POL [14]. O elemento 32I calcula um poduto do tipo-toque baseando-se nas magnitudes e no ângulo elativo das gandezas de entada analógicas (Equação 1). O elemento 32I compaa o esultado do cálculo do toque, T, com os valoes limites pesentes. Se T fo positivo e estive acima do valo limite positivo, o elemento é ativado paa declaa uma falta à tea na dieção à fente. Se T fo negativo e estive abaixo do valo limite negativo, o elemento é ativado paa declaa uma falta à tea na dieção evesa. Onde: POL 0 ( I 3I ) T = I 3I cos Equação 1 POL 0 I POL : 3I 0 : Gandeza de polaização Gandeza de opeação: 3I 0 = I A + I B + I C Todos os elementos diecionais confiáveis necessitam de supevisão. Nós habilitamos o elemento 32I (o bit de Ativação 32IE é ativado) quando todas as seguintes condições foem vedadeias: A coente de seqüência-zeo, I 0, é maio do que a coente de seqüência-positiva, I 1, vezes o fato a 0 (I 0 > a 0 I 1 ). O fato a 0 aumenta a seguança do elemento 32I paa coentes de seqüência-zeo que ciculam devido às assimetias da linha, leve satuação do TC, etc. [15]. A gandeza de opeação, 3I 0, é maio do que o valo limite da sensibilidade de 50G. A gandeza de polaização, I POL, é maio do que o valo limite de sensibilidade pé-ajustado. A vaiável pogamável E32IV está ativada (lógica 1). A vaiável E32IV é desativada paa identifica a isolação da fonte de seqüência-zeo [16]. A vaiável pogamável pode se ajustada no local ou emotamente via comando ou contato de entada. Com essa capacidade de contole, os eventos que ocoem localmente ou em pates emotas do sistema podem contola o elé paa acomoda novas condições do sistema. Elemento Diecional Polaizado po Tensão de Seqüência-Negativa (32Q) As gandezas de entada analógicas desse elemento [17] são a tensão de seqüência-negativa, V 2, e a coente de seqüência-negativa, I 2. O elemento 32Q calcula a impedância de seqüência-negativa, Z2, vista pelo elé, atavés da Equação 2. Se Z2 estive abaixo do valo limite de Z2F, o elemento 32Q Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 9/39

10 declaa uma falta na dieção à fente. Se Z2 estive acima do valo limite de Z2R, o elemento 32Q declaa uma falta na dieção evesa. Onde: * [ V2 ( 1 θ L2 I 2 ) ] Re Z2 = Equação 2 I 2 2 V 2 : Tensão de seqüência-negativa: V 2 = (V A + a 2 V B + a V C ) / 3 I 2 : Coente de seqüência-negativa: I 2 = (I A + a 2 I B + a I C ) / 3 θ L2 : Ângulo da impedância de seqüência-negativa da linha Nós habilitamos o elemento 32Q (o bit de Ativação 32QE é ativado) quando todas as seguintes condições foem vedadeias: A coente de seqüência-negativa, I 2, é maio do que a coente de seqüência-zeo, I 0, vezes o fato k (I 2 > k I 0 ). No caso de os elementos 32Q e 32V possuíem coentes de seqüência acima de seus limites mínimos de sensibilidade de coente, o elé seleciona o elemento 32Q se I 2 > ki 0. Esta veificação assegua que o elé use as gandezas analógicas mais obustas mesmo se os ajustes da sensibilidade do elé não tiveem sido otimizados. A coente de seqüência-negativa, I 2, é maio do que a coente de seqüência-positiva, I 1, vezes o fato a 2 (I 2 > a 2 I 1 ). O fato a 2 aumenta a seguança do elemento 32Q da mesma foma que o fato a 0 aumenta a seguança do elemento 32I. A coente de seqüência-negativa, 3I 2, é maio do que o valo limite de sensibilidade de 50F ou 50R. O elé impede que decisões diecionais eadas sejam tomadas paa valoes baixos de entada de 3I 2, impondo a condição de que 3I 2 seja maio do que o limite de 50F ou 50R. Elemento Diecional Polaizado po Tensão de Seqüência-Zeo (32V) O elemento 32V é a analogia de seqüência-zeo do elemento 32Q. A Equação 3 mosta o algoitmo usado paa calcula Z0. O elemento 32V efetua as decisões diecionais da mesma foma que o elemento 32Q. O elemento compaa Z0 com os valoes limites de Z0F e Z0R paa detemina a dieção da falta à tea. * [ 0 ( 1 θ L0 3I 0 ) ] Re 3V Z0 = Equação 3 3I 2 0 Onde: V 0 : Tensão de seqüência-zeo: V 0 = (V A + V B + V C ) / 3 I 0 : Coente de seqüência-zeo: I 0 = (I A + I B + I C ) / 3 θ L0 : Ângulo da impedância de seqüência-zeo da linha Nós habilitamos o elemento 32V (o bit de Ativação 32VE é ativado) quando todas as seguintes condições foem vedadeias: A coente de seqüência-zeo, I 0, é maio do que a coente de seqüência-positiva, I 1, vezes o fato a 0 (I 0 > a 0 I 1 ). Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 10/39

11 As coentes de seqüência-zeo ciculantes, que são devidas às assimetias da linha, são nomalmente menoes do que as coentes de seqüência-negativa ciculantes paa gande pate das configuações dos condutoes de fase [15]. Logo, o fato a 0 é nomalmente meno do que o fato a 2. Devido a este fato, podemos ajusta o elemento 32V mais sensível do que o elemento 32Q nas aplicações de linhas não tanspostas onde a satuação sevea de TCs não é uma possibilidade. A coente esidual, 3I 0, é maio do que o valo limite da sensibilidade de 50F ou 50R. A vaiável pogamável E32IV está ativada (lógica 1). O GRD usa o status dos bits de Ativação 32IE, 32QE e 32VE na lógica pioitáia do elé paa seleciona o elemento diecional mais favoável a se usado. Essa lógica pioitáia seá explicada posteiomente neste pape. Opeação dos Elementos 32Q e 32V paa Faltas à Tea A foma com que os elementos 32Q e 32V declaam faltas à tea na dieção à fente e evesa é simila. Vamos analisa a opeação do elemento 32Q paa faltas à tea na dieção à fente e evesa em um sistema com duas fontes. A Figua 4 mosta a tensão de seqüência-negativa, V 2, e a coente de seqüência-negativa, I 2, do elé paa uma falta à tea no teminal emoto. I 2 é a contibuição de coente poveniente da extemidade local. Obseve que a coente pimáia I 2 está entando na maca de polaidade do TC. Na localização do elé, V 2 = I 2 Z S2. Se os ângulos da impedância de seqüência-negativa, Z S2 e θ L2, foem iguais, a gandeza Z2 calculada é Z2 = Z S2. A Figua 5 mosta as gandezas do elé, V 2 e I 2, paa uma falta à tea evesa. A polaidade de V 2 é a mesma que a de faltas à tea na dieção à fente. Paa faltas evesas, a coente I 2 do elé é a contibuição da extemidade emota. A coente pimáia I 2 está saindo da maca de polaidade do TC. Na localização do elé, V 2 = I 2 (Z L2 + Z R2 ). Se os ângulos, (Z L2 + Z R2 ) e θ L2, foem iguais, a gandeza Z2 calculada é Z2 = Z L2 + Z R2. Figua 4 Tensão de Seqüência-Negativa, V 2, e Coente de Seqüência-Negativa, I 2, do Relé paa uma Falta à Tea na Extemidade Remota da Linha Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 11/39

12 Figua 5 Tensão de Seqüência-Negativa, V 2, e Coente de Seqüência-Negativa, I 2, do Relé paa uma Falta à Tea Atás do Relé Após o cálculo de Z2, o elé compaa Z2 com os valoes limites das dieções à fente e evesa (Z2F e Z2R, espectivamente) paa efetua a declaação da dieção da falta. O limite de Z2F tem de se maio do que o esultado máximo de Z2 paa faltas à fente (Z2F > Z2). O limite de Z2R tem de se meno do que o esultado mínimo de Z2 paa faltas evesas (Z2R < Z2). O elemento 32V efetua uma compaação idêntica de Z0 com os limites de Z0F e Z0R. A Figua 6 mosta as caacteísticas de opeação dos elementos 32Q (Figua 6(a)) e 32V (Figua 6(b)), e também a impedância medida paa faltas nas dieções à fente e evesa. Paa o elemento 32Q, nós usamos Z L1 ao invés de Z L2 na Figua 6(a). Lembe-se de que Z L1 = Z L2 paa linhas. Uma das vantagens dos elementos 32Q e 32V é que a sensibilidade do elemento não depende da magnitude da tensão na localização do elé. Po essa azão, os elementos podem se aplicados em sistemas muito fotes, onde as magnitudes de V 2 e V 0 são muito pequenas. Selecionando o Elemento Diecional Mais Favoável ( Best Choice Diectional Element ) Cada um dos tês elementos diecionais, 32I, 32Q e 32V, tem vantagens e desvantagens paa difeentes condições do sistema [18]. O elé seleciona o elemento diecional mais favoável paa uma configuação paticula do sistema de acodo com a seqüência de pocessamento selecionada e com as vaiáveis de habilitação, 32IE, 32QE e 32VE. Figua 6 Caacteísticas de Opeação dos Elementos Diecionais 32Q e 32V Um ajuste denominado ORDER usa os bits de ativação descitos anteiomente paa detemina a seqüência de pocessamento do elemento diecional. Designe os elementos de ativação 32I, 32V ou 32Q paa essas vaiáveis na seqüência desejada. Po exemplo, se efetuamos a designação de Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 12/39

13 ORDER=32IE, 32QE, 32VE, a seqüência de pocessamento do elemento seá ajustada da seguinte foma: pimeio o 32I, em seguida o 32Q e po último o 32V. Com esta seqüência de pocessamento, o elé usa 32I quando I POL e 3I 0 estiveem acima dos valoes limites de sensibilidade. Se as coentes não excedeem esses limites, a vaiável 32IE não é ativada. O elé, então, possegue com o elemento 32Q e veifica o status de 32QE. Se 32QE não estive ativada, o elé, em seguida, veifica o status de 32VE. O elé usa o fato k na vaiável 32QE paa seleciona a coente de seqüência mais confiável, I 2 ou I 0, a se usada na decisão diecional. No modo de ajuste automático, o GDR fonece os ajustes paa os elementos diecionais 32Q e 32V. Este ecuso simplifica o pocedimento de ajustes do elé. O elé seleciona os ajustes mais adequados a pati dos paâmetos fonecidos do sistema. Po exemplo, o elé usa os paâmetos da impedância da linha paa ajusta os valoes limites de Z2F, Z2R, Z0F e Z0R usados nos elementos 32Q e 32V. A Figua 6 mosta as impedâncias de seqüência calculadas, Z2 e Z0, paa faltas à fente e evesa. Se assumimos fontes infinitas em ambas as extemidades da linha, a impedância da linha sepaa as impedâncias calculadas paa faltas nas dieções à fente e evesa. Paa discimina com seguança ente falta à fente e falta evesa, podemos ajusta os limites paa as dieções à fente e evesa com um valo igual à metade da impedância de seqüência da linha coespondente. O elé ajusta Z2F em Z L1 /2 Ω e Z2R em Z L1 /2+0,1 Ω. Z0F e Z0R são ajustados iguais a Z2F e Z2R, exceto que o elé usa a impedância de seqüência-zeo da linha, Z L0, ao invés da impedância de seqüência-positiva da linha, Z L1. Esses ajustes dos limites do elemento diecional de tensão asseguam que o elé efetue as decisões diecionais coetas paa quaisque condições de chaveamento da fonte. O modo automático do elé ajusta os fatoes a 0 e a 2 em 0,1. Esses ajustes consevadoes tonam os elementos diecionais seguos sob quase todas as configuações da linha de tansmissão, ao mesmo tempo em que possibilitam ajustes sensíveis paa 50F e 50R. O modo de seleção automática do elé ajusta 50F em 0,5 A e 50R em 0,25 A. O ajuste de 50R é mais sensível paa faltas evesas do que paa faltas à fente. Po exemplo, os esquemas de Bloqueio po Compaação Diecional ( Diectional Compaison Blocking DCB) equeem que os elementos olhando na dieção evesa sejam mais sensíveis do que os elementos olhando paa a fente. ANÁLISE DOS SISTEMAS NÃO ATERRADOS DA DISTRIBUIÇÃO Nesta seção, vamos analisa o compotamento de sistemas não ateados no estado de egime, usando tanto as componentes siméticas quanto as componentes de fase. Análise Tifásica A Figua 7 mosta uma epesentação simplificada de um sistema tifásico não ateado da distibuição. A localização do elé define a linha potegida. Todas as outas linhas da distibuição são agupadas em uma linha equivalente epesentando o estante do sistema da distibuição. Paa simplificação de nossa análise do estado de egime, consideamos fontes ideais opeando na feqüência nominal e sem caga, e desconsideamos eatância, esistência e impedâncias séie da linha. A justificativa paa não considea as cagas baseia-se no fato de que todas as cagas desses sistemas têm de se conectadas ente fases e, conseqüentemente, não geam nenhum desbalanço de seqüência-zeo. Essas consideações não intoduzem nenhum eo significativo nos esultados poém simplificam enomemente os cálculos. Na Figua 7, C AL, C BL e C CL epesentam as capacitâncias fase-tea da linha potegida, e C AS, C BS e C CS são as capacitâncias fase-tea do sistema emanescente. Nós não epesentamos as capacitâncias ente fases do sistema na Figua 7 pois elas não contibuem paa a coente esidual e, potanto, são ielevantes paa esta análise. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 13/39

14 Usando o cicuito da Figua 7, podemos esceve: I + I + I + I + I + I 0 AL BL CL AS BS CS = Equação 4 O elemento do elé mede a coente esidual 3I 0L da linha potegida. Da Equação 4: 3I = I + I + I = I + I + Equação 5 ( ) 0L AL BL CL AS BS ICS Podemos epesenta a ocoência de uma falta sólida na fase A na dieção à fente, no sistema da Figua 7, fechando a Chave S F. Neste caso, a coente de falta I F é igual a I AL : I = I = I + I + I + I + I Equação 6 F AL ( ) BL CL AS BS CS A pati da Equação 6, vemos que a coente esidual medida pelo elé é, na vedade, a coente esidual alimentada pelo estante do sistema. Isto também nos mosta que, se a linha potegida fosse o único alimentado conectado à baa, a coente esidual medida pelo elé seia igual a zeo (isto é: 3I 0 = I AL (I BL + I CL ) = 0). Paa esta configuação de chaveamento, a detecção de uma falta à tea é facilmente executada po um simples elemento de sobetensão de seqüência-zeo. Figua 7 Repesentação Tifásica Simplificada de um Sistema Não Ateado Em um sistema simético sem faltas, a coente esidual paa a linha potegida é zeo, 3I OL = 0, e o neuto N do sistema está no potencial de tea, V NG = 0, (ve Figua 8(a)). A assimetia natual do sistema poduz alguma coente de neuto e desloca o neuto do sistema do potencial de tea ideal, V NG = 0. Figua 8 Diagamas Fasoiais de Tensão paa o Sistema da Figua 7: (a) Sistema sem Defeito, (b) Sistema sob Defeito (Falta Sólida na Fase A, R F = 0) Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 14/39

15 Paa uma falta sólida fase A-tea, R F = 0, em um sistema ideal sem pedas, o potencial da fase sob defeito é igual ao de tea (ve Figua 8(b)). A tensão fase-tea das duas fases boas emanescentes iguala-se à tensão fase-fase (V BG = V BA, V CG = V CA ) e a tensão do neuto paa a tea iguala-se ao negativo da tensão fase-neuto da fonte coespondente à fase em falta (V NG = V AN ). Análise de Componentes Siméticas A análise atavés das componentes de fase fonece uma epesentação exata do sistema não ateado, a qual é válida mesmo paa os sistemas assiméticos. Entetanto, os métodos de detecção de faltas à tea são nomalmente baseados nas gandezas de seqüência-zeo. Logo, é também impotante efetua uma análise na áea das componentes siméticas paa sistemas não ateados opeando no estado de egime. Se consideamos que um elé diecional de tea que depende das gandezas de fase está sendo alimentado po tansfomadoes de coente (TCs) de fase com elação alta, nós pecebeemos imediatamente que a necessidade de dimensiona a elação do TC de fase paa sustenta a coente de caga total vai, automaticamente, tona tal aanjo menos sensível do que aquele que usa TC somado do fluxo no núcleo, com elação mais baixa. A impedância de seqüência-zeo de um sistema não ateado tem uma magnitude muita elevada. Este valo elevado nos pemite ignoa as impedâncias de seqüência-positiva e seqüência-negativa, sem uma peda de pecisão significativa, quando da avaliação de faltas monofásicas. A Figua 9 mosta uma epesentação apoximada do diagama de seqüência-zeo paa a falta à tea na dieção à fente no sistema detalhado da Figua 7 (Chave S F fechada). Nós assumimos que o sistema é simético (C AL = C BL = C CL = C L, C AS = C BS = C CS = C S ), e consideamos que a tensão de Thevenin, a tensão de péfalta no ponto da falta, é igual à tensão nominal fase-neuto do sistema, V nom. Figua 9 Diagama de Seqüência-Zeo paa a Falta à Tea à Fente no Sistema da Figua 7 Na Figua 9, obseve que o elé mede V 0 em tono de XC 0S e a coente I 0 atavés de XC 0S, onde XC 0S é a eatância capacitiva de seqüência-zeo do sistema emanescente da Figua 7. A coente pimáia I 0 está entando na maca de polaidade do TC. Na localização do elé, V 0 = I 0 ( jxc 0S ) = jxc 0S I 0. Se o elé calcula Z0 de acodo com a Equação 3, com θ L0 = 90º, o valo esultante de Z0 paa essa falta à fente é +XC 0S. A Figua 10 mosta o diagama de seqüência-zeo coespondente a uma falta evesa no sistema detalhado na Figua 7. O elé mede V 0 em tono da combinação séie Z 0L jxc 0L, e a coente I 0 atavés da mesma combinação séie, onde Z 0L é a impedância de seqüência-zeo da linha e XC 0L é a eatância capacitiva de seqüência-zeo da linha potegida. A coente pimáia I 0 está saindo da maca de polaidade do TC paa essa falta evesa. Na localização do elé, V 0 = I 0 (Z 0L jxc 0L ). Nomalmente, XC 0L >> Z 0L, potanto, uma apoximação adequada é V 0 = jxc 0L I 0. O valo esultante de Z0 paa a falta evesa é XC 0L. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 15/39

16 Figua 10 Diagama de Seqüência-Zeo paa a Falta à Tea Revesa no Sistema da Figua 7 A Figua 11(a) mosta o diagama fasoial paa faltas à fente e evesa no sistema mostado na Figua 7. A Figua 11(b) mosta a caacteística do elemento diecional com patente pendente paa sistemas não ateados (32U). A função de um elemento diecional é detemina as condições de dieção à fente e evesa: isto é, difeencia +XC 0S de XC 0L. Este novo elemento efetua esta difeenciação atavés de dois valoes limites ajustados ente estes dois valoes de impedância. Se a impedância medida estive acima do limite paa a condição à fente (e todas as condições de supevisão foem atendidas), a falta é declaada na dieção à fente. Figua 11 Caacteística do Novo Elemento Diecional de Tea (32U) paa Sistemas Não Ateados O Desbalanço do Sistema Afeta a Sensibilidade As impecisões dos TCs podem afeta de foma advesa a sensibilidade dos elementos diecionais. De foma simila, se as capacitâncias fase-tea não foem iguais, o sistema gea gandezas de seqüência-zeo estabilizadas ou sem a pesença de defeito. Nomalmente essas gandezas são pequenas, poém em sistemas de gande pote o efeito cumulativo de capacitâncias desiguais pode gea uma tensão consideável de seqüência-zeo. Paa peseva a sensibilidade paa esistências de falta, não deve se usado um elemento de sobetensão de seqüência-zeo paa supevisiona o elemento diecional. Vamos analisa o efeito da supevisão po tensão de seqüência-zeo na sensibilidade dos elés de tea. Paa este exemplo, considee que a falta à tea na extemidade emota da linha mostada na Figua 12 fonece uma coente secundáia de 5 ma paa o elé em um sistema onde a tensão faseneuto nominal secundáia é 66,4 V. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 16/39

17 Da Figua 12(b): Figua 12 Exemplo da Sensibilidade do Sobetensão de Seqüência-Zeo 1 = I Equação 7 jω C V0 0 C I 0 = Equação 8 jω V0 Em seguida, ajuste o valo mínimo de V 0 em 2 V paa um cálculo inicial de C na Equação 8, dado o valo mínimo de I 0 de 5 ma. Se isto fo efetuado paa um sistema de 60 Hz, C = 6,63 µf. Em seguida, vamos avalia um outo sistema simila, poém com o Disjunto 3 (52-3) fechado paa aumenta C. Consideando que este novo sistema somente geou 5 ma secundáios e a capacitância igualou-se a 13,26 µf, então V 0 = 1 V secundáio. Fonecido um valo limite de 3V 0 de 6 V secundáios, o elé que estive usando sobetensão de seqüência-zeo paa supevisão não vai opea devido a um ajuste incoeto da supevisão. Olhando novamente na Figua 12, podemos calcula R F como: R V V NOM 0 F = Equação 9 3 I 0 Confome mostado na Equação 9, o aumento do valo limite de V 0 eduz o numeado e, conseqüentemente, eduz a cobetua disponível paa esistência de falta, ou sensibilidade, paa uma magnitude mínima de I 0 fonecida. Uma altenativa paa a supevisão de seguança de 3V 0 é o equisito de que a elação da coente esidual pela coente de seqüência-positiva ultapasse um valo limite escala mínimo. O benefício dessa supevisão é que a sensibilidade mínima de cada elé de alimentado não depende do desbalanço total do sistema. PERFORMANCE DO NOVO ELEMENTO DIRECIONAL PARA SISTEMAS NÃO ATERRADOS Paa demonsta a pefomance deste novo elemento diecional de tea paa sistemas não ateados, nós modelamos um sistema de potência da distibuição usando o EMTP ( Electomagnetic Tansients Pogam ). A Figua 13 mosta o sistema simulado e a localização da falta fase A-tea com R F = 10 kω. Todos os sete alimentadoes são linhas aéeas com compimentos difeentes. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 17/39

18 Figua 13 Diagama Monofásico de um Sistema Não Ateado A Figua 14 mosta a coente e tensão de seqüência-zeo vistas pelo elé do Alimentado L400. O início da falta é no ciclo 18. A pati do gáfico supeio (V 0 = 1,5 V), obseve que o valo elevado de R F estingiu a tensão 3V 0 disponível paa somente 4,5 V secundáios. Figua 14 Coente e Tensão de Seqüência-Zeo da Linha L400 paa uma Falta A-Tea na Extemidade Remota da Linha, R F = 10 kω A Figua 15 mosta os esultados dos cálculos do novo elemento diecional paa essa falta (os esultados efeentes ao peíodo anteio ao início da falta são eôneos pois não existe coente de seqüência-zeo de pé-falta). Obseve que a decisão diecional à fente é bastante estável após a magnitude da coente te aumentado, ultapassando o limite mínimo de 5 ma (indicado pela linha mais fina no gáfico). Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 18/39

19 Figua 15 O Novo Elemento Diecional (32U) do Relé da Linha L400, paa Sistemas Não Ateados, Calcula a Dieção à Fente Independentemente da Resistência de Falta ANÁLISE DOS SISTEMAS COMPENSADOS DA DISTRIBUIÇÃO A análise da opeação de sistemas compensados da distibuição é impotante paa identifica as altenativas disponíveis paa detecção de faltas à tea nesses sistemas. Nesta seção, vamos analisa o compotamento dos sistemas compensados duante o estado de egime, consideando o uso tanto das componentes siméticas quanto das componentes de fase. Vamos também faze um sumáio do conteúdo de hamônicos e do compotamento tansitóio desses sistemas. Análise Tifásica A Figua 16 mosta uma epesentação simplificada de um sistema tifásico compensado da distibuição, no qual todos os alimentadoes apaecem como um cicuito simples. Novamente, paa simplificação de nossa análise do estado de egime, consideamos fontes ideais opeando na feqüência nominal e sem caga, e desconsideamos eatância, esistência e impedâncias séie da linha. Nós epesentamos a bobina de Petesen na Figua 16 como uma combinação paalela de uma indutância (L N ) e uma esistência (R N ). Essa configuação é o cicuito paalelo equivalente da bobina (na vedade, a esistência e a indutância da bobina estão em séie). Essa mesma combinação pode também epesenta o cicuito equivalente paa o caso em que conectamos um esisto em paalelo com a bobina de Petesen ou com um enolamento auxilia da bobina. Na Figua 16, C A, C B e C C epesentam as capacitâncias fase-tea do sistema. As esistências R A, R B e R C epesentam as esistências de dispesão fase-tea. Ambos os valoes das capacitâncias e das esistências de dispesão podeiam se difeentes paa as fases difeentes, especialmente paa linhas aéeas, o que significa que o sistema pode se assimético. Valoes típicos das esistências de dispesão fase-tea são apoximadamente dez a 20 vezes as eatâncias capacitivas fase-tea [3]. Nós não epesentamos as capacitâncias ente fases do sistema na Figua 16 pois elas não contibuem paa a coente esidual e, potanto, são ielevantes paa esta análise. Podemos epesenta a ocoência de uma falta na fase A, no sistema da Figua 16, atavés do fechamento da Chave S F. R F epesenta a esistência de falta. Paa faltas sólidas, R F = 0. Paa discutimos os pincípios básicos do ateamento essonante [19], podemos desconsidea todas as pedas ativas no cicuito equivalente da Figua 16 (R N = R A = R B = R C ). Usando o cicuito da Figua 16, podemos calcula a coente atavés do ateamento do sistema, I NG, usando as coentes de fase da seguinte foma: Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 19/39

20 ING + IAG + IBG + ICG = 0 Equação 10 I NG ( I + I + I ) = Equação 11 AG BG CG Figua 16 Repesentação Tifásica Simplificada de um Sistema Ateado Ressonante Num sistema simético sem defeito, a coente no neuto é zeo (I NG = 0) e o neuto N do sistema está no potencial de tea (V NG = 0), simila ao do diagama fasoial de tensão do sistema não ateado mostado na Figua 8(a). A assimetia natual do sistema gea alguma coente no neuto e desloca o neuto do sistema do potencial de tea ideal, V NG = 0. Paa uma falta sólida fase A-tea (R F = 0) em um sistema ideal sem pedas, o potencial de tea e da fase defeituosa são iguais. A tensão fase-tea das duas fases boas emanescentes iguala-se à tensão fase-fase (V BG = V BA, V CG = V CA ) e a tensão neuto-paa-tea iguala-se ao negativo da tensão fase-neuto da fonte coespondente à fase defeituosa (V NG = V AN ). Paa a falta sólida da Figua 16, calcule a coente de falta total, I F : I = I = I I + I Equação 12 F AG NG ( ) BG CG Obseve que I NG está 180 gaus defasada em elação a (I BG + I CG ) num sistema ideal sem pedas. Efetuando a seleção adequada da indutância da bobina de Petesen, podemos eduzi teoicamente a coente de falta a zeo. Esta é a condição de sintonia, ou compensação, na qual o sistema está em essonância paalela: I NG = I + I Equação 13 BG CG Paa um sistema foa de sintonia ou, em outas palavas, um sistema que não está 100% sintonizado, as duas condições possíveis de opeação são: I NG > I + I (sistema sobecompensado) Equação 14 BG CG I NG < I + I (sistema subcompensado) Equação 15 BG CG Em um sistema com pedas, a condição de sintonia de 100% não esulta numa condição de falta com zeo ampee. Paa esses sistemas, as pedas ativas do sistema e da bobina, e a quantidade de R F, deteminam a magnitude das coentes de faltas à tea. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 20/39

21 Se R F 0, a coente atavés da falta é somente uma poção da coente na fase defeituosa (isto é, I F I AG paa uma falta na fase A). Podemos epesenta o início da falta como uma alteação na admitância da fase defeituosa [19[[20]. Neste caso, a magnitude do deslocamento da tensão de neuto como esultado da falta é meno do que a tensão fase-neuto da fonte (V NG < V AN ). A tensão neuto-paa-tea nomalizada [12][19] paa o sistema da Figua 16 é dada po: v V 2 NG YA + a YB + ayc = Equação 16 V Y + Y + Y + Y nom N A B C Onde V nom é a tensão nominal do sistema, a = 1 120º, a 2 = 1 120º, e Y Y A N = G = G A N + jb + jb A N = = 1 R A 1 R N + jϖc 1 + jϖl A N (Admitância fase A-tea) Equação 17 (Admitância do neuto) Equação 18 R L N N R 2 + ϖ 2L2 = Equação 19 R R 2 + ϖ 2L2 = Equação 20 ϖ 2L onde R e L são a esistência e a indutância da bobina de Petesen, espectivamente. Paa o sistema sob defeito (Chave S F da Figua 16 fechada), todos os paâmetos pemanecem inalteados exceto a admitância da fase A (Y A ). Repesentamos Y A paa o sistema sob defeito como: Y A = 1 R F + 1 R A + jϖc A Equação 21 Como esultado, a falta altea a magnitude e a fase da tensão neuto-paa-tea, V NG. Entetanto, as alteações de fase não são um indicado clao da falta e as mudanças de magnitude podem se muito pequenas ou até negativas paa faltas com alta esistência. Como esultado, as faltas podem melhoa o equilíbio do sistema ao invés de pejudica o mesmo. Isto epesenta um limite paa a sensibilidade da detecção de faltas baseada na magnitude da tensão neuto-paa-tea. A vaiação dessa tensão, tensão neuto-paa-tea incemental, é um indicado melho da falta. O valo dessa tensão está live do desbalanço nomal do sistema na pé-falta; entetanto, a tensão pode se afetada pelas opeações de chaveamento no sistema tais como conexão ou desconexão de linhas da distibuição, opeações de comutação de tap ou pela inseção do esisto na bobina de Petesen. Análise de Componentes Siméticas Os métodos de detecção de faltas à tea são nomalmente baseados nas gandezas de seqüênciazeo. Logo, é também impotante efetua uma análise na áea das componentes siméticas dos sistemas compensados opeando no estado de egime. A impedância de seqüência-zeo de um sistema compensado tem uma magnitude muita elevada. Este valo elevado nos pemite ignoa as impedâncias de seqüência-positiva e seqüência-negativa, sem uma peda de pecisão significativa, quando da avaliação de faltas monofásicas. Potanto, nós epesentamos a falta à tea conectando uma fonte equivalente de Thevenin em séie com uma esistência no ponto da falta no diagama de seqüência-zeo. A Figua 17 mosta uma epesentação apoximada do diagama de seqüência-zeo paa uma falta à tea no sistema detalhado na Figua 16. Nós assumimos que o sistema é simético (C A = C B = C C = C), desconsideamos as esistências de Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 21/39

22 dispesão (R A = R B = R C ), e consideamos que a tensão de Thevenin, tensão de pé-falta no ponto da falta, é igual à tensão nominal fase-neuto do sistema, V nom. Figua 17 Repesentação da Seqüência-Zeo de uma Falta à Tea no Sistema da Figua 16 Da Figua 17, obtemos: V 0 1 = Equação 22 Vnom R F j3r F ϖc R N 3ϖL N Paa faltas à tea, a tensão de seqüência-zeo do sistema iguala-se à tensão neuto-paa-tea [10]. Logo, a Equação 22 é a vesão de seqüência-zeo da Equação 16 paa um sistema simético se nós desconsideamos as esistências de dispesão. A Figua 18(a) mosta o diagama unifila de um sistema adial compensado da distibuição, no qual a localização do elé define a linha potegida. Todas as outas linhas da distibuição são agupadas em uma impedância equivalente epesentando o estante do sistema da distibuição. A Figua 18(b) é uma epesentação apoximada da seqüência-zeo do sistema. C 0L e R 0L epesentam a capacitância e a esistência de dispesão de seqüência-zeo da linha potegida, espectivamente. C 0S e R 0S são os valoes coespondentes do emanescente do sistema. Neste caso, C 0 = C 0L + C 0S e 1/ R 0 = 1 / R 0L + 1 / R 0S, onde C 0 e R 0 são a capacitância e a esistência de dispesão de seqüência-zeo do sistema, espectivamente. Novamente, epesentamos a falta atavés da conexão de uma fonte equivalente de Thevenin em séie com a esistência. Na Figua 18(b), nós fechamos a Chave S F paa epesenta uma falta à tea na linha potegida (dieção da falta à fente sob a pespectiva do elé) e fechamos a Chave S R paa epesenta uma falta à tea em outo luga do sistema (falta na dieção evesa). Podemos, também, epesenta de foma apoximada o desbalanço no sistema atavés da conexão de uma fonte equivalente de Thevenin em séie com uma impedância no diagama de seqüência-zeo. Na Figua 19(a), Z LU epesenta o desbalanço da linha potegida e Z SU é a impedância de desbalanço coespondente ao esto do sistema. No lado do elé, o desbalanço inclui a assimetia do neuto do sistema pimáio e o desbalanço adicional intoduzido pelos tansfomadoes de coente. Na conexão esidual típica do elé com tês tansfomadoes de coente (TCs) de fase, a coente de seqüência-zeo mensuável é coompida pelos eos dos TCs; o eo do ângulo de fase do TC é paticulamente influente neste caso. A conexão Holmgeen dos TCs é uma conexão esidual do elé aos TCs de fase que são especialmente compatibilizados paa eduzi o eo de medição da coente esidual. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 22/39

23 Figua 18 Sistema Compensado da Distibuição: (a) Diagama Unifila, (b) Diagama de Seqüência-Zeo do Sistema Decididamente, a melho solução é o TC somado de fluxo ou do tipo janela, pois ele tansfoma dietamente a coente de seqüência-zeo e, potanto, não incopoa o eo cumulativo dos TCs de fase. Além disso, a elação do TC pode se da odem de 10:1, popiciando, dessa foma, um aumento significativo da coente secundáia fonecida paa o elé de poteção. Logo, o aumento da coente de seqüência-zeo significa uma maio sensibilidade paa faltas à tea. É possível detemina as impedâncias de desbalanço Z LU e Z SU ou suas admitâncias coespondentes Y LU e Y SU. O método de admitância paa detecção sensível de faltas à tea nos cicuitos compensados da distibuição [4] eque que os instumentos de poteção calculem esses valoes das admitâncias do sistema na pé-falta paa seem usados como uma efeência. O mesmo cálculo é também uma efeência paa o método de compensação da coente esidual em sistemas essonantes [12]. Paa calcula as admitâncias de desbalanço, é necessáio te as infomações do sistema paa duas condições difeentes de sintonia. Nomalmente, isto significa que o instumento de poteção tem de contola a bobina de Petesen. Uma estição óbvia paa este equisito é que o instumento de poteção tem de esta instalado dento da subestação, a não se que seja incluído um sistema de comunicação extena, ápido e seguo, no esquema de poteção. Uma nova abodagem paa este poblema é a exclusão do efeito do desbalanço do diagama de seqüência-zeo usando gandezas incementais, ou delta [21]. As vantagens desse método são que ele não eque o contole da bobina de Petesen e que ele usa as infomações da linha potegida. Logo, o novo tipo de elé de poteção pode se localizado em qualque ponto do sistema sem a necessidade de canais de comunicação dedicados. A coente ( I 0 ) e a tensão ( V 0 ) incemental de seqüência zeo são: V = V, V Equação 23 I 0 0 FALTA 0, PRÉ FALTA 0 = I0, FALTA I0, PRÉ FALTA Equação 24 Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 23/39

24 Figua 19 Diagama de Seqüência-Zeo do Sistema da Figua 18(a) Consideando o Desbalanço do Sistema: (a) Gandezas Totais, (b) Gandezas Incementais A Figua 19(b) detalha o diagama de seqüência-zeo do sistema paa gandezas incementais. Obseve que somente são apesentados os componentes necessáios paa o cálculo das gandezas de falta. Os esultados são independentes da assimetia natual do sistema e dos eos dos TCs. Este último ecuso possibilita que o elé que tenha esse novo meio de detecção de faltas à tea seja usado com TCs convencionais. Emboa as gandezas incementais eduzam o eo de medição da coente de seqüência-zeo, este método não pode supea o poblema da coente de seqüência-zeo extemamente baixa sendo fonecida paa o elé, esultante das elações altas usadas paa os TCs de fase. Faltas à Tea nos Sistemas Compensados da Distibuição O mecanismo da auto-extinção do aco de faltas à tea nos cabos subteâneos não é tão eficaz como nas linhas aéeas pois os danos à isolação do cabo são gealmente definitivos. Mesmo se houve a auto-extinção do aco duante a passagem da coente pelo zeo, a isolação danificada vai falha novamente quando a tensão instantânea fase-tea alcança um nível maio do que o nível de supotabilidade dielética. O esultado é o estabelecimento da falta. Faltas à tea estabelecidas poduzem sobetensões epetitivas nas fases boas que podem eventualmente causa defeitos nessas fases bem como gea uma falta coss-county. Consideando a baixa pobabilidade de autoeliminação das faltas, muitas concessionáias de enegia elética abem, sem eligamento, as linhas subteâneas da distibuição quando a poteção detecta uma falta à tea. Uma outa solução é intoduzi a compensação da coente esidual no sistema de contole da bobina de Petesen [12]. Este sistema eduz a coente de falta à tea paa zeo, eduzindo, conseqüentemente, o mecanismo de eignição. Dessa foma, é possível opea o sistema com um cabo sob defeito. Em esumo, os tipos básicos de faltas à tea nos sistemas compensados da distibuição são faltas com auto-extinção, faltas estabelecidas e faltas sustentadas. Faltas estabelecidas são faltas com auto-extinção que se tonam epetitivas como esultado do dano pemanente à isolação. Faltas sustentadas incluem todas as faltas pemanentes e algumas faltas tempoáias não eliminadas pelo mecanismo de extinção de aco do ateamento essonante. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 24/39

25 MÉTODOS DE DETECÇÃO DE FALTAS À TERRA NOS SISTEMAS COMPENSADOS DA DISTRIBUIÇÃO Os métodos paa detecção de faltas à tea nos sistemas compensados da distibuição podem se classificados de acodo com os componentes dos sinais de entada do elé que são usados paa detecta a falta. Paa esta discussão, nós agupamos os métodos dento de quato classificações mostadas a segui: 1. Feqüência fundamental 2. Baseado em hamônicos 3. Baseado nos componentes tansitóios 4. Outos Os métodos incluídos nos pimeios dois gupos usam infomações coespondentes ao estado de egime do sistema da distibuição sob defeito; alguns desses métodos também equeem as infomações de pé-falta do estado de egime. Os métodos do gupo 3 utilizam infomações sobe o pocesso tansitóio geado pela falta. O gupo 4 inclui métodos que usam basicamente as infomações sobe o estado de egime, poém equeem ações de contole da bobina de Petesen seja po injeção de coente ou saída tempoáia de sintonia. Detecção de Tensão As faltas à tea nos sistemas compensados eduzem a tensão fase-tea da fase defeituosa e deslocam o neuto do sistema, aumentando a tensão de seqüência-zeo do sistema em gande pate dos casos. Tanto a tensão de seqüência-zeo quanto a tensão fase-tea têm sido usadas como indicadoes de faltas à tea [3][9]. Entetanto, paa faltas com alta esistência, a alteação na tensão pode se muito pequena. Alguns pesquisadoes popuseam o uso da tensão de seqüência-zeo incemental com o objetivo de aumenta a sensibilidade de detecção [19]. Um outo poblema é que a tensão de seqüência-zeo tem quase o mesmo valo em toda a ede de distibuição. As quedas de tensão causadas pelas coentes de seqüência-zeo ciculantes atavés das impedâncias de seqüência-zeo das linhas e tansfomadoes são muito pequenas quando compaadas às quedas de tensão nas impedâncias fase-tea do sistema. Em outas palavas, os métodos paa detecção de faltas à tea baseados em tensão não são seletivos. Eles detectam a falta à tea, mas não deteminam o elemento defeituoso. É necessáio, então, desconecta e eliga manualmente cada alimentado da subestação paa localiza a falta. Essas inteupções cutas do seviço epesentam um poblema na qualidade de enegia. Po essa azão, a detecção de tensão é nomalmente usada como uma função de patida de métodos seletivos paa detecção de faltas à tea nos sistemas compensados da distibuição. Método Watimético Os métodos seletivos paa detecção de faltas à tea equeem infomações de coente. Os elés diecionais de seqüência-zeo constituem uma solução tadicional [2][3][9]. Paa sistemas não ateados, o elé vamético esponde à componente em quadatua (imagináia) da coente de seqüência-zeo em elação à tensão de seqüência-zeo [2][9]. Paa sistemas compensados, o elé watimético usa a componente em-fase (eal) da coente de seqüência-zeo [2][3]. Podemos analisa esses métodos de detecção de faltas efetuando uma efeência ao sistema detalhado da Figua 18(a). A Figua 18(b) mosta a epesentação apoximada da seqüência-zeo paa a vesão balanceada do sistema. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 25/39

26 Paa uma falta na dieção à fente, tal como com a Chave S F fechada e a Chave S R abeta na Figua 18(b), a coente de seqüência-zeo do elé, I 0, é: I 0 = V 0 1 R 0S + 1 3R N + j ωc 0S 1 3ωL N (Falta à fente) Equação 25 Paa uma falta evesa, tal como com a Chave S F abeta e a Chave S R fechada na Figua 18(b), a coente do elé é: I 1 = V0 + jω 0L R 0L 0 C (Falta evesa) Equação 26 Em sistemas não ateados (R N = L N ), a Equação 26 não muda. Paa sistemas não ateados, a Equação 25 assume a foma: I 1 = V0 + jω 0S R 0S 0 C (Falta à fente) Equação 27 Nos sistemas compensados, a dieção da componente em quadatua de I 0 pode muda paa faltas à fente, dependendo das condições de sintonia do sistema (ve Equação 25). Essa dieção depende dos valoes da capacitância de seqüência-zeo equivalente das linhas não submetidas ao defeito, C 0S, e da indutância de seqüência-zeo do equivalente paalelo da bobina de Petesen, 3L N. A Figua 20 mosta o diagama fasoial paa faltas à tea em sistemas compensados. Paa faltas evesas, I 0 apesenta o mesmo compotamento do que paa sistemas não ateados. Paa faltas à fente, a posição angula de I 0 em elação a V 0 pode vaia enomemente. A componente em quadatua de I 0 é negativa, como nos sistemas não ateados de uma ede subcompensada (sistema subsintonizado), e positiva nas edes sobecompensadas. Po outo lado, o sinal da componente de I 0 em-fase, ativa, é sempe positivo paa faltas evesas e negativo paa faltas à fente. Podemos usa um elé diecional watimético que tenha a seguinte gandeza de saída (* = conjugado complexo): W = Re[ V0 I0 *] = V0I 0 cos ϕ0 Equação 28 Podemos compaa W com os valoes limites positivo e negativo (+ε e ε). Logo, W < ε indica uma falta à fente e W > ε indica uma falta evesa. A caacteística de opeação do elé watimético é também epesentada na Figua 20. A Figua 21 detalha o diagama lógico simplificado de um elemento watimético. A componente ativa de I 0 é muito pequena duante faltas à tea, de foma que o elé deve se muito sensível (ε deve se muito pequeno). Paa evita opeações incoetas do elé duante condições nomais do sistema, acescente uma função de patida espondendo à magnitude de V 0. Logo, a sensibilidade do elé watimético é deteminada pela sensibilidade do elemento V 0. O valo limite de V 0 deve se maio do que o valo de V 0 paa desbalanços nomais do sistema. Um ajuste típico é o de 20% da tensão nominal do sistema. O método watimético tem sido usado po muitos anos nos sistemas compensados. Ele é simples, seguo e confiável paa faltas à tea com baixa esistência. Entetanto, o equisito da detecção de V 0 limita a sensibilidade do método watimético paa faltas com alta esistência. Um outo inconveniente é que o método é muito sensível aos poblemas de pecisão dos TCs. Em uma conexão esidual típica do elé com tês TCs, os eos do ângulo do TC podem poduzi uma mudança no sinal do elemento de saída, W. Uma calibação adequada dos TCs é uma solução possível, poém os TCs somadoes de fluxo são bastante ecomendados paa os elés watiméticos. Algumas concessionáias usam elés de tensão de seqüência-zeo paa detecta faltas à tea nos sistemas compensados e conectam automaticamente um esisto em paalelo com a bobina de Petesen ou com um enolamento auxilia da bobina. Paa faltas com alta esistência, a conexão do Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 26/39

27 esisto eduz a tensão de seqüência-zeo sem aumenta, necessaiamente, a coente de falta de seqüência-zeo; na vedade, a saída do elemento watimético é eduzida. A outa limitação desse método é a sensibilidade eduzida esultante do uso da tensão de seqüência-zeo paa detecção de faltas. Podemos aplica o método watimético paa detecção de faltas à tea em todos os tipos de sistemas da distibuição que tenham valoes baixos de coentes de falta à tea. Isto inclui os sistemas com neuto isolado, ateados atavés de alta impedância e compensados. Entetanto, paa os sistemas com neuto isolado o método vamético popicia maio sensibilidade do que o método watimético, uma vez que a componente em quadatua da coente de seqüência-zeo é sempe maio do que a componente em-fase quando da ocoência de faltas à tea nesses sistemas. Figua 20 Diagama Fasoial Típico paa Faltas à Tea e Caacteísticas de Opeação do Relé Watimético (32W) em um Sistema Compensado Figua 21 Diagama Lógico Simplificado de um Elemento do Relé Watimético (32W) NOVOS MÉTODOS DE DETECÇÃO DE FALTAS NOS SISTEMAS COMPENSADOS DA DISTRIBUIÇÃO Os componentes de tensão e coente com a pesença da feqüência fundamental fonecem infomações mais confiáveis e significantes paa a detecção de faltas com alta esistência nos sistemas compensados da distibuição. O conteúdo de hamônicos da coente de falta à tea é pequeno e vaiável, especialmente paa faltas com alta esistência. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 27/39

28 Os componentes tansitóios de tensão e coente são seveamente amotecidos paa faltas com alta esistência. Os métodos que necessitam algum tipo de contole da bobina de Petesen ou injeção de coente popiciam alta sensibilidade, poém equeem equipamentos de alto custo. Todos os métodos conhecidos que usam a feqüência fundamental e que popocionam alta sensibilidade equeem infomações de todos os alimentadoes e/ou algum tipo de contole da bobina de Petesen ou injeção de coente. Po exemplo, o método da admitância eque infomações de todos os alimentadoes. O método da admitância também pecisa do contole da bobina de Petesen ou injeção de coente. O método watimético é uma boa solução paa faltas com baixa esistência, poém tem limitações de sensibilidade na detecção de faltas com alta esistência. Podemos popicia a cobetua paa alta esistência atavés da medição da condutância de seqüênciazeo ou da esistência de seqüência-zeo do alimentado potegido. Os novos métodos que estamos intoduzindo neste pape usam somente as infomações do alimentado e não equeem contole da bobina de Petesen ou injeção de coente. Os métodos são adequados paa dispositivos standalone de alta sensibilidade que podem se instalados em qualque ponto da ede de distibuição. Uma aplicação típica é na unidade de contole de um eligado automático. Método da Condutância Nós usamos o sistema da distibuição detalhado na Figua 18(a) paa desceve o método da condutância. Pimeio, desconsideamos o desbalanço do sistema. A Figua 18(b) mosta o diagama de seqüência-zeo paa o sistema equilibado. As Equações 25 e 26 descevem a coente de seqüência-zeo do elé, I 0, paa faltas nas dieções à fente e evesa. Podemos, então, usa também as Equações 25 e 26 paa calcula a admitância apaente de seqüência-zeo, Y 0, medida pelo elé paa faltas à fente e evesa: Y 0 Y I0 = V I 0 = 1 1 R 0S + 1 3R 0 0 = = + jωc 0L V R 0 0L N + j ωc 0S 1 3ωL Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 28/39 N (Falta à fente) Equação 29 (Falta evesa) Equação 30 Obtendo a pate eal das Equações 29 e 30, podemos detemina a condutância, G 0, medida pelo elé paa ambas as faltas: I 1 1 G + ( G ) 0 0 = Re = = 0S G 0N V + R 0 0S 3R N I 1 G = 0 0 = Re = G 0L V R 0 0L (Falta à fente) Equação 31 (Falta evesa) Equação 32 onde G 0L = 1/R 0L é a condutância de dispesão de seqüência-zeo do alimentado potegido, G 0S = 1/R 0S é a esistência de dispesão de seqüência-zeo equivalente dos alimentadoes estantes, e G 0N = 1/3R N é a condutância de seqüência-zeo coespondente ao equivalente paalelo da bobina de Petesen. Podemos usa um elemento de condutância espondendo à pate eal da elação I 0 /V 0 paa detecta faltas à tea. O elemento compaa a condutância medida, G 0, com os valoes limites positivo, ε, e negativo, ε. Logo, G 0 < ε indica uma falta à fente, e G 0 > ε indica uma falta evesa. Paa faltas à fente (ve Equação 31), o elemento de condutância mede a condutância equivalente atás do elé. Isto inclui a condutância dos alimentadoes emanescentes e a do equivalente paalelo da bobina de Petesen. Paa faltas evesas (ve Equação 32), o elemento de condutância mede a condutância do alimentado potegido.

29 O método da condutância é ineentemente diecional. Ele esponde ao sinal da pate eal da admitância medida. Esta é uma vantagem quando da compaação com o método da admitância, o qual esponde à magnitude da admitância e não usa infomações de fase elevantes. O método da condutância esponde à elação coente/tensão. Sua saída é elativamente independente das magnitudes da tensão e coente de seqüência-zeo. Isso é uma vantagem desse método em elação ao método watimético, o qual falha na detecção de faltas com alta esistência causadas po valoes baixos de ambos V 0 e I 0. Lembe-se de que o elemento watimético é um elemento do tipo-poduto e o elemento de condutância é um elemento do tipo-elação. Método da Condutância Incemental O método da condutância tadicional descito acima funciona bem nos sistemas equilibados e paa eos pequenos dos TCs, tal como com o uso de TCs somadoes de fluxo, po exemplo. Os desbalanços dos TCs e do sistema intoduzem eos na condutância medida e, po conseqüência, limitam a sensibilidade. Uma solução paa este poblema é o método da condutância incemental. Usamos a coente, I 0 (Equação 24), e a tensão, V 0 (Equação 23) de seqüência-zeo incemental paa calcula a condutância de seqüência-zeo incemental, G 0 : G 0 I0 = Re V0 Equação 33 A Figua 19(b) mosta o diagama de seqüência-zeo do sistema da Figua 18(a) com gandezas incementais. Obseve que este cicuito é igual ao da Figua 18(b) paa um sistema equilibado. Então, os valoes medidos de G 0 coincidem com aqueles fonecidos paa G 0 pelas Equações 31 e 32: 1 1 G ( 0S 0N ) 0 = + = G + R G 0S 3R (Falta à fente) Equação 34 N 1 G = (Falta evesa) Equação 35 0 = G 0L R 0L O elemento de condutância incemental (32C) compaa a condutância incemental medida, a pate eal da elação da coente incemental/tensão incemental, com valoes limites positivo e negativo paa discimina as faltas à fente das faltas evesas. Este é um método diecional do tipo-elação que não é afetado pelo desbalanço do sistema e que pode se usado com TCs convencionais. A Figua 22 detalha as condutâncias incementais medidas paa faltas nas dieções à fente e evesa e a caacteística de opeação do elé de condutância incemental (duas linhas cheias paalelas). Figua 22 Caacteística de Opeação do Elemento de Condutância Incemental (32C) Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 29/39

30 A Figua 23 detalha o diagama lógico simplificado de um elemento de condutância incemental. Ele mantém as vantagens dos métodos de condutância incemental e não eque coente e tensão de seqüência-zeo incemental como infomações de entada. Figua 23 Diagama Lógico Simplificado de um Elemento de Condutância Incemental (32C) PERFORMANCE DO ELEMENTO DIRECIONAL EM UM SISTEMA COMPENSADO Paa demonsta a pefomance deste novo elemento diecional de tea, nós modelamos um sistema de potência da distibuição usando o EMTP e utilizamos os esultados atavés de um pogama de simulação do elé e um sistema de testes conectado ao elé. O sistema simulado inclui uma fonte tifásica equilibada de 138 kv, um tansfomado abaixado 138/13 kv com conexão delta-estela, uma bobina de Petesen e tês alimentadoes. Todos os tês alimentadoes de linhas aéeas têm a mesma estutua de toe (ve Figua 24) poém difeentes compimentos de linha, confome mostado na Figua 25. Com uma sintonia de 100%, a coente capacitiva total de seqüência-zeo de todos os alimentadoes iguala-se à coente indutiva fonecida pela bobina de Petesen na condição nomal do sistema sem defeito. A bobina de Petesen tem uma indutância de 5,15 henies e uma elação X/R = 30. Devido à elevada impedância de seqüência-zeo fonecida pelo sistema essonante da bobina de Petesen, os pefis de coente e tensão da falta são quase idênticos paa ambas as faltas póxima e emota. Cada um dos tês alimentadoes tem uma condutância de dispesão de cinco mico-siemens pimáios. A condutância shunt equivalente da bobina de Petesen é 5,72 mico-siemens pimáios. A pati de nossa análise anteio, paa uma falta à tea em qualque ponto do sistema de distibuição, o elé do alimentado sob defeito calcula uma condutância incemental que se iguala à soma negativa das condutâncias de todos os alimentadoes estantes mais a da bobina de Petesen. Essa soma negativa da condutância é 15,72 mico-siemens pimáios. Os elés que enxegam a falta como uma falta evesa calculam uma condutância incemental que se iguala à condutância de dispesão pópia do alimentado de cinco mico-siemens pimáios. Figua 24 Configuação da Toe do Sistema Simulado Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 30/39

31 Figua 25 Diagama Unifila do Sistema de Potência Simulado O pimeio exemplo simula uma falta fase A-tea no Alimentado 3. O sistema está, inicialmente, na condição de sintonia de 100%. A esistência de falta é de 80 kω pimáios. A falta é uma falta que se auto-extingue, com duação de um segundo. A Figua 26 mosta a tensão de seqüência-zeo, 3V 0, e a coente, IR, do Alimentado 3. A falta fase A-tea ocoe no ciclo 60 e é auto-extinta no ciclo 120. Na Figua 26, obseve que a tensão de seqüência-zeo estabilizada, 3V 0, é 26,1 V secundáios. Lembe-se de que o elemento diecional watimético tadicional eque que 3V 0 ultapasse 0,2 V nom, ou 13,9 V nesta aplicação, paa se habilitado. Essa tensão estabilizada já epesenta 62% do limite de habilitação, 59RES. Obseve, também, que 3V 0 duante a falta na fase A é até meno do que a tensão de seqüência-zeo estabilizada do sistema. Nesta situação, o método watimético tadicional não é sensível o suficiente paa detecta essa falta de 80 kω. A Figua 27 mosta os cálculos do diecional de condutância e watimético e os ajustes dos limites paa a dieção à fente (FWD fowad ) e evesa (REV evese ) paa um elé instalado no Alimentado 3. Obseve que o elemento diecional de condutância incemental detecta coetamente a falta de alta impedância: em outas palavas, ele geou um esultado negativo que supea o valo limite de faltas à fente paa a falta. Além disso, obseve que o valo de condutância incemental duante a falta é de apoximadamente 157 mico-siemens secundáios, um valo coeto consideada a elação RTP paa RTC de dez. O elemento watimético calculou um valo de potência ativa de seqüência-zeo que indicou uma tendência paa uma falta à fente (um valo negativo). Entetanto, esse valo de potência está um pouco longe de supea o limite de detecção de faltas à fente. Lembe-se que a magnitude da tensão de seqüência-zeo duante a falta é até meno do que a da tensão de seqüência-zeo estabilizada do sistema, de foma que o elemento watimético não é ativado paa esta falta. Figua 26 Gáficos de V e I de Seqüência-Zeo paa uma Falta A-Tea de 80 kω no Alimentado 3 Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 31/39

32 Figua 27 Cálculos dos Elementos de Condutância e Watimético do Alimentado 3 paa o Caso 1 O segundo caso simula uma falta fase B-tea no Alimentado 1, que é uma falta evesa paa o elé do Alimentado 3. A falta fase B-tea ocoe no ciclo 60 e se auto-extingue no ciclo 120. A esistência de falta é de 30 kω pimáios. O sistema está, inicialmente, 20% sobecompensado. A Figua 28 mosta a tensão e coente de seqüência-zeo do Alimentado 3. Na figua, obseve que a tensão de seqüência-zeo estabilizada, 3V 0, é 15,3 V secundáios, um valo muito meno do que o do Caso 1 com um sistema 100% sintonizado. A magnitude da tensão de seqüência-zeo, 3V 0, duante a falta, é muito maio do que a tensão estabilizada, poém é ainda meno do que o limite de habilitação do elemento watimético. A Figua 29 mosta os cálculos e os valoes limites do diecional de condutância e watimético paa o elé instalado no Alimentado 3. Obseve que o elemento diecional de condutância incemental calcula um esultado positivo coeto da condutância de apoximadamente 50 mico-siemens secundáios, que está acima de seu limite de detecção de faltas evesas. Potanto, o elé detectou com sucesso uma falta evesa de alta impedância. O elemento watimético não é habilitado pelo elemento de sobetensão de seqüência-zeo; seu valo de potência de seqüência-zeo também está abaixo do limite de falta evesa, e potanto o elemento falhou na detecção da falta evesa. Figua 28 Gáficos de V e I de Seqüência-Zeo paa uma Falta B-Tea de 30 kω no Alimentado 1 Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 32/39

33 Figua 29 Cálculos dos Elementos de Condutância e Watimético do Alimentado 3 paa o Caso 2 CONEXÃO MELHORADA DO TRANSFORMADOR DE TENSÃO EM DELTA ABERTO ( BROKEN DELTA ) Os elés modenos aceitam muitas configuações difeentes paa os tansfomadoes de tensão (TPs): tifásica a quato-fios, conexão em V ( open-delta ) e delta abeto ( boken delta ). Este último tipo de conexão do TP é adequado paa as aplicações do elemento diecional de tea e é muito comum em gande pate dos sistemas existentes não ateados e com ateamento essonante. Entetanto, essa conexão delta abeto padão pode apesenta um conjunto de poblemas exclusivos além da feoessonância. A Figua 30 mosta uma conexão tadicional do TP em delta abeto. Emboa a conexão do TP em delta abeto não foneça tensão de seqüência-zeo paa medição duante faltas à tea, a tensão de saída nominal paa uma falta à tea sólida em um sistema não ateado ou ateado atavés da bobina de Petesen pode se maio do que 360 V AC se a tensão nominal de cada tansfomado de fase do delta abeto fo 120 V LN. Tal valo elevado de tensão é maio de que a maioia dos valoes nominais de entada dos elés. Uma vez que a magnitude ideal da tensão de seqüência-zeo de pé-falta é zeo, é difícil detecta um fusível queimado no TP. Consideando que muitos elementos diecionais de tea equeem uma tensão de seqüência-zeo mínima, um fusível queimado no TP pode pejudica a poteção de tea. Muitas instalações equeem a pesevação da conexão do TP em delta abeto paa os dispositivos de contole existentes. Logo, o desafio é o de extai os sinais de tensão tifásica a quato fios da conexão delta abeto existente. É também bastante desejável te um sistema de poteção aplicável numa instalação com conexão padão do TP a quato fios, tifásica. A Figua 31 mosta uma solução simples com patente pendente. Essa solução eque a conexão dos tansfomadoes de entada do elé confome está mostado. Atavés dessa conexão, o elé pode medi cada tensão de fase e calcula o valo de 3V 0 necessáio paa o elemento diecional de seqüência-zeo descito anteiomente. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 33/39

34 Figua 30 Diagama de Conexão Tadicional do TP em Delta Abeto ( Boken Delta ) Figua 31 Diagama Unifila e Diagama da Nova Conexão do TP em Delta Abeto ( Boken Delta ) Os benefícios deste novo método de conexão do TP são: Nenhum tansfomado de entada do elé tem de se especificado paa 360 V AC. O sistema do elé pode, agoa, veifica fusíveis queimados no TP. Num elé que usa a conexão tadicional do delta abeto em um sistema com pouco ou nenhum desbalanço, o valo de 3V0 mensuável antes e depois do fusível queimado no secundáio é o mesmo, zeo volt. O elé pode medi cada tensão de fase individual e calcula as componentes de seqüência necessáias. Isso pemite que o elé use os mesmos TPs paa os elementos de contole diecional de fase e tea. O método não eque que sejam efetuadas alteações na fiação existente dos dispositivos que usam a saída da tensão do delta abeto. Simplesmente acescente cabos a pati das macas de polaidade das fases B e C dos secundáios dos TPs paa as espectivas entadas no elé. O método popicia diecionalidade de fase dual a pati de TPs distintos: o Pimáio 1 pode usa esta nova conexão a pati de um sistema em delta abeto ( boken delta ) enquanto o Pimáio 2 pode usa os TPs da conexão em V ( open-delta ) existente paa polaização. Av. João Ebolato, 307 Campinas/SP CEP: Tel: (19) Fax: (19) Pág. - 34/39

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