Proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica Introdução à Proteção de Sistemas de Distribuição

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1 Proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica Introdução à Proteção de Sistemas de Distribuição Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen 1

2 APRESENTAÇÃO Esta Disciplina tem como objetivo: - Apresentar recomendações de ordem prática sobre a aplicação de dispositivos de proteção contra sobrecorrentes (em sistemas de distribuição trifásicos); - Dispositivos tais como: - religadores - seccionadores - relés - elos fusíveis em suas várias combinações. 2

3 INTRODUÇÃO Sistema Elétrico de Potência (SEP) inclui: Geração; Transmissão; Subtransmissão; Distribuição de energia elétrica. 3

4 INTRODUÇÃO Estações de Geração Classificação de um SEP Subtransmissão kv Distribuição Primária 4-35 kv Distribuição Secundária V 4

5 Dentre as etapas de produção, transmissão e distribuição de energia, o sistema de distribuição mostra-se o mais vulnerável à ocorrência de distúrbios geradores de interrupções no fornecimento. Isso se deve ao fato da proximidade com os centros urbanos, extensão dos alimentadores e à características aérea de instalação dos condutores. A rede de distribuição é bastante ampla, já que a energia é entregue aos consumidores concentrados em cidades, em subúrbios e em regiões muito distantes. Poucos lugares no mundo industrializado não recebem energia de um sistema de distribuição prontamente disponível. Os sistemas de distribuição são encontrados ao longo de ruas e estradas. Em meios urbanos eles podem ser subterrâneos ou aéreos sendo que em alguns casos podem ser de forma mista, já em meios rurais, eles são totalmente aéreos. 5

6 Todo sistema elétrico requer um sistema de proteção, visto que este é uma das partes mais importantes de qualquer sistema de potência, e com o sistema de distribuição não poderia ser diferente. A proteção deve garantir uma boa confiabilidade e segurança na operação e no fornecimento de energia. A qualidade no fornecimento de energia é influenciada pelo número de interrupções e afundamentos de tensão, é diretamente afetada pelo sistema de proteção. Por essas razões a responsabilidade dos engenheiros de proteção é extremamente grande. 6

7 Os consumidores são afetados por vários tipos de distúrbios nos sistemas de distribuição, tais como: sobretensões provocadas por surtos de manobras descargas atmosféricas problemas estruturais da rede problemas de natureza térmica atos de vandalismo curto-circuito. 7

8 Sistema de Distribuição Exposto aos Agentes Externos Descargas atmosféricas: uma das principais causas de faltas nos Sistemas de Distribuição. 8

9 Sistema de Distribuição Exposto aos Agentes Externos Animais/Árvores 9

10 Sistema de Distribuição Exposto aos Agentes Externos Pessoas (Vandalismo)

11 Sistema de Distribuição Exposto aos Agentes Externos Contaminação 11

12 Arco elétrico em um Poste do Sistema de Distribuição 12

13 Dentre os problemas citados anteriormente os efeitos das correntes de curto-circuito (térmicos e dinâmicos) são os que trazem mais prejuízos ao sistema elétrico. Uma boa coordenação dos dispositivos de proteção de sobrecorrente é um fato essencial para a manutenção da confiabilidade e a integridade do sistema elétrico de distribuição. 13

14 As faltas mais comuns e nocivas nas linhas são os curtos-circuitos, ou faltas transversais. Durante essas faltas, há o contato de dois pontos da linha com potencial diferente. Isso inclui a estrutura de suporte da linha. 14

15 Tipos de Curto-Circuito na Distribuição 15

16 Exemplo de Sistema de Distribuição - Os números do diagrama acima mostram os nós onde deseja-se as correntes de curto-circuito com a finalidade de coordenação do sistema. 16

17 Proteção dos Sistemas de Distribuição Subestação de Distribuição Transformador de Potência; Barramento. Alimentadores Transformadores de Distribuição Banco de Capacitores Reguladores - A proteção do sistema de distribuição inclui a proteção de todos os elementos do sistema de distribuição. 17

18 Os dispositivos de proteção de sistemas de distribuição que interrompem correntes de falta, tais como: disjuntores (por meio da ação do relé), religadores, fusíveis limitadores de corrente e de expulsão, possuem uma função vital ao bom desempenho da proteção nos sistemas de distribuição (SHORT, 2004). A operação desses equipamentos de proteção deve ser precisa e rápida. A confiabilidade de qualquer sistema de potência requer a continuidade de serviço do sistema em meio a condições críticas de faltas sem causar colapsos. Assim, é necessário que haja uma operação rápida e confiável do sistema de proteção (ANDERSON, 1999). 18

19 A necessidade de otimizar a aplicação de investimentos, tem servido como estímulo para inúmeras pesquisas, tais como: alocação de dispositivos de proteção no alimentador e ramais de distribuição, automatização do estudo de coordenação e seletividade, monitoramento remoto com ajustes adaptativos em tempo real, e desenvolvimento de relés eletrônicos multifuncionais, com capacidade de englobar inúmeras funções de proteção em único (e compacto) dispositivo. A velocidade da evolução da tecnologia neste aspecto, não libera o profissional de proteção de alguma forma da necessidade de conhecer profundamente aspectos relativamente básicos de proteção de sistemas de distribuição. Isso se deve ao fato de que, no âmbito da engenharia elétrica, a engenharia de proteção não se mostra necessariamente uma ciência exata, mas sim como uma filosofia. 19

20 O problema de maior prioridade para as companhias de energia elétrica está relacionado à confiabilidade no fornecimento, uma vez que tradicionalmente, os níveis de confiabilidade são definidos através de normas reguladoras. No Brasil, a ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica, órgão do governo federal responsável por regular e fiscalizar a atuação das concessionárias, estabelece os indicadores de continuidade, métricas da qualidade do fornecimento de energia, apuradas nos períodos mensal, trimestral e anual. 20

21 Resoluções específicas estipulam metas para cada concessionária e grupos de consumidores, sendo que no caso de violação das mesmas, a concessionária sofre penalização na forma de multas. Além desse fator e do prejuízo social sofrido pelas concessionárias este de difícil mensuração, o baixo desempenho do sistema de distribuição afeta de modo direto o custo operacional da empresa do ponto de vista do não faturamento de energia durante as interrupções, principalmente quando os desligamentos afetam grande número de consumidores ou consumidores de grande porte. Este aspecto do problema gera uma segunda abordagem para a estimação da confiabilidade. 21

22 Em sistemas aéreos de distribuição, os esquemas de proteção devem atender aos seguintes aspectos: Salvaguardar a integridade física de operadores, usuários do sistema e animais. Proteger materiais e equipamentos contra os danos causados por sobrecorrentes e sobrecargas (efeitos térmicos e mecânicos). Melhorar a confiabilidade dos circuitos de distribuição, em conseqüência da possibilidade de restringir os efeitos de uma falta ao menor trecho possível do circuito, diminuindo o número de consumidores afetados e deste modo, melhorando os índices de avaliação na qualidade do fornecimento de energia (DEC, FEC, etc.). Racionalização dos custos com manutenção corretiva. Uma rede primária de distribuição típica é mostrada na Figura (SHORT, 2004), e os elementos que constituem uma rede de distribuição são (norma Bandeirante): 22

23 Exemplo de sistemas aéreos de distribuição (rede de distribuição típica) 23

24 Estação Transformadora de Distribuição (ETD) Subestação alimentada em tensão de transmissão ou subtransmissão, através da qual são alimentados os circuitos de distribuição primária. Estação Transformadora (ET) Subestação aérea constituída de um ou mais transformadores de distribuição, alimentados em tensão primária, dos quais são derivados os circuitos de distribuição secundária. Estação Transformadora de Iluminação Pública (IP) Subestação aérea do tipo ET para serviço de iluminação pública. Entrada Primária (EP) Consumidor alimentado em tensão primária. Poderão ser aplicados os esquemas com 2 ou 3 relés de sobrecorrente secundários (um para cada fase), mais o relé de Neutro. 24

25 Rede Primária: Conjunto qualquer de circuitos primários alimentados por uma ou mais ETDs. Circuito Primário: Parte da rede elétrica destinada a alimentar diretamente ou por intermédio de ramais ou sub-ramais as cargas elétricas conectadas a ETs, IPs e EPs. Tronco de Alimentador: Circuito primário principal, alimentado através de um ETD, do qual poder ser derivados ramais para distribuição de energia elétrica. Normalmente é aplicado o esquema 2 (dois) relés de fase (ou três) + 1 (um) relé de neutro, em conjunto com um relé de religamento (79), que é um relé auxiliar usado para comandar o religamento do disjuntor correspondente após a abertura do mesmo, devido à atuação dos relés de sobrecorrente. 25

26 Ramal de Alimentador (Ramal): Parte de um circuito primário derivado diretamente de um tronco de alimentador. Sub-Ramal: Parte de um circuito primário que deriva diretamente de um ramal de alimentador. Existem basicamente duas configurações para aterramento dos sistemas de distribuição trifásicos, ou seja: os a quatro fios multi-aterrados (padrão norte americano) os a três fios mono-aterrados (padrão europeu). 26

27 Sistema trifásico a quatro fios com neutro multi-aterrado 27

28 Sistema trifásico a três fios com neutro mono-aterrado 28

29 TERMINOLOGIA Esta seção apresenta os principais termos utilizados em estudos de proteção e seletividade de sistemas de distribuição. Bloqueio: Condição em que um dispositivo automático permanece, uma vez tendo efetuado uma ou mais operações de abertura de seus contatos, não os fechando novamente. Capacidade de interrupção ou abertura: É a maior corrente que um equipamento pode interromper sem sofrer danos. Capacidade nominal: É o valor da corrente, tensão, potência ou outra grandeza que o equipamento ou circuito pode suportar continuamente, sem sofrer danos. 29

30 TERMINOLOGIA Característica de operação: É definida por uma curva tempo x corrente que descreve o modo como o religador, relé, elo fusível ou outro dispositivo de proteção atuará. Controle eletrônico ou hidráulico: Dispositivo interno ao equipamento automático de proteção que conta o número de operações automaticamente, hidráulica ou eletronicamente, com a finalidade de estabelecer a condição de bloqueio do equipamento. Coordenação: Ato ou efeito de dispor dois ou mais equipamentos de proteção segundo certa ordem, de modo a atuarem numa seqüência de operação préestabelecida, permitindo o restabelecimento automático para faltas temporárias e seletividade para faltas permanentes. 30

31 TERMINOLOGIA Seletividade: Capacidade do sistema de proteção mais próximo da falta (dispositivo protetor) de antecipar, sempre, a atuação do equipamento de retaguarda (dispositivo protegido), independentemente da natureza da falta ser temporária ou permanente. Sobrecorrente: Corrente elétrica de intensidade superior à máxima permitida para um sistema, equipamento ou componente elétrico. Corrente de curto-circuito: Sobrecorrente que resulta de um curto-circuito. Curto-circuito: Ligação intencional ou acidental entre dois ou mais pontos de um circuito, através de impedância desprezível. 31

32 TERMINOLOGIA Correntes de inrush: Correntes transitórias de valor elevado que circulam no momento da energização de transformadores e bancos de capacitores. O tempo de permanência dessa corrente é definido como sendo de 0,1 segundo. Dispositivo protegido: Também chamado dispositivo de proteção de retaguarda. É qualquer dispositivo de proteção localizado a montante (antes) do dispositivo protetor, considerando o barramento da subestação como origem. Dispositivo protetor: Também chamado de dispositivo de proteção principal. É qualquer dispositivo de proteção automático ou não localizado imediatamente antes do ponto de curtocircuito, considerando o barramento da subestação como origem. Faixa ou intervalo de coordenação: É o intervalo de valores de corrente que determina a região (faixa ou intervalo) onde a coordenação está assegurada. 32

33 TERMINOLOGIA Defeito: Termo utilizado para descrever uma alteração física prejudicial, que não impeça necessariamente o funcionamento do sistema ou equipamento. Por exemplo: transformador com pequeno vazamento de óleo ou relé mal calibrado. Falha: Termo utilizado quando algum dispositivo deixa de cumprir sua finalidade. Por exemplo: relé que não operou no instante devido. Falta: Termo que se aplica a todo fenômeno acidental que impede o funcionamento de um sistema ou equipamento elétrico. Por exemplo: isolador perfurado em uma linha em funcionamento poderá causar arco elétrico, tornando-se uma falta no sistema em conseqüência de falha na isolação. 33

34 TERMINOLOGIA Falta temporária, momentânea ou transitória: Evento temporário que gera um curto-circuito sustentado pela ocorrência de arco elétrico. Por exemplo: dois condutores tocam-se temporariamente, ocorrendo formação de arco elétrico sustentado mesmo quando os condutores afastam-se. Essa falta é eliminada com um rápido desligamento do circuito por um equipamento de proteção apropriado. Geralmente são causadas por fatores externos (umidade, chuva, salinidade, galhos de árvores), ou seja, ocorre um curto-circuito na rede sem haver um defeito físico na mesma. Falta permanente ou sustentada: Toda falta que não é possível de ser eliminada com o desligamento temporário do circuito. Necessitam de reparo para haver o restabelecimento do circuito. Por exemplo: condutor caído no solo. 34

35 TERMINOLOGIA Interrupção temporária, momentânea ou transitória: É aquela cuja duração é limitada ao período necessário para restabelecer o serviço através de operação automática do equipamento de proteção que desligou o circuito ou parte dele. Interrupção permanente ou sustentada: Toda interrupção não classificada como momentânea. Pick-up do relé: Menor valor de corrente que ao passar pela bobina do relé faz com que o mesmo opere. É a menor de todas as correntes que deixam o relé no limiar de operação. Se [< pickup ]o relé em hipótese alguma ita fechar o seu contato NA. Drop-out do relé: Termo que se refere a desoperação do relé. É a maior corrente que inicia o processo de desativação do relé, ou seja, restitua a posição inicial aos seus contatos, liberando-o para uma nova operação. Se [> drop-out] o relé em hipótese alguma irá abrir o seu contato NA que no momento está fechado. Reset ratio: Ou relação de rearme, corresponde a grandeza que mede a capacidade de recomposição do relé. Para relés eletromecânicos (65% e 92%). Para relés estáticos (85% e 98%). R mede a qualidade de um relé (100%). 35

36 TERMINOLOGIA Tempo de arco: É o tempo em que, iniciada a fusão do elo fusível, este demora para extinguir o arco elétrico. Tempo máximo de fusão do elo fusível: Máximo tempo no qual a fusão do elo é garantida, para uma determinada sobrecorrente. Tempo máximo de interrupção do elo fusível: É a soma do tempo máximo de fusão e do tempo de arco. Para a coordenação ou seletividade entre elos fusíveis, ou entre elos fusíveis e outros dispositivos, são utilizados o tempo mínimo de fusão e o tempo máximo de interrupção. Tempo mínimo de fusão do elo fusível: Maior tempo que o elo suporta uma determinada sobrecorrente sem danificar-se. Para tempos superiores, a sobrecorrente causa uma fusão total ou parcial do mesmo. 36

37 TERMINOLOGIA Tempo de rearme: - De relés: Tempo que o relé de sobrecorrente leva para voltar à condição inicial. No caso do relé tipo disco de indução (eletromecânico), é o tempo que o disco leva para retornar ao ponto de partida, quando a corrente na bobina cai a um valor inferior à corrente de drop-out. Nos relés digitais, é o tempo que ele leva para voltar a condição de repouso após um comando de reset. - De religadores: Tempo necessário para o religador retornar à contagem zero do número de ciclos de religamento, após uma seqüência de operações completa ou incompleta. - Do seccionalizador: Tempo em que o seccionalizador perderá todas as contagens e voltará à contagem zero (tempo de memória). 37

38 TERMINOLOGIA Religamento: Operação que segue uma abertura dos equipamentos automáticos de proteção, quando os contatos são novamente fechados. Seqüência de operação: Sucessão de desligamentos e religamentos de um equipamento na tentativa de eliminar faltas de natureza temporária sem prejuízo na continuidade do serviço. Se a falta persistir o desligamento do circuito deverá ser feito pelo equipamento mais próximo do ponto de falta (dispositivo protetor). Tempo de religamento ou intervalo de religamento (reclose interval): É o tempo entre uma abertura e o religamento automático de um equipamento de proteção, isto é, o intervalo no qual o dispositivo de interrupção permanece com os contatos abertos. 38

39 TERMINOLOGIA Zona de proteção: Trecho da rede protegido por um dispositivo de proteção. Uma zona de proteção é limitada pela mínima sobrecorrente a qual o dispositivo é capaz de detectar, geralmente a corrente de curto-circuito fase-terra mínima. Zona de proteção primária: Trecho de rede situado a jusante de um dispositivo de proteção que será sensibilizado quando ocorrer uma falta (permanente ou temporária) neste. Proteção de retaguarda: É o dispositivo de proteção situado a montante daquele que está instalado na zona de proteção primária. 39

40 Coordenação e Seletividade A existência de equipamentos com capacidade de religamento automático requer que eles estejam coordenados entre si e com outros equipamentos de proteção, de acordo com a uma seqüência de operações preestabelecidas. O termo coordenação é utilizado quando estiverem envolvidos equipamentos que dispuserem de duas curvas de operação (uma rápida e uma lenta - temporizada). O objetivo da coordenação é evitar que faltas temporárias causem a operação de dispositivos de proteção que não tenham capacidade de efetuar religamentos automáticos e que, no caso de faltas permanentes, a menor extensão possível da rede permaneça fora de operação. O termo seletividade é utilizado nos casos onde somente equipamentos com uma única curva de operação (fusíveis, disjuntores) forem utilizados. O objetivo da seletividade é fazer com que o equipamento de proteção mais próximo do defeito opere independente da falta ser temporária ou permanente. 40

41 Coordenação e Seletividade A coordenação ou seletividade entre os equipamentos de proteção deverão ser obtidas dentro da faixa de corrente comum aos equipamentos que se pretende efetuar a coordenação ou seletividade. As características de atuação dos equipamentos de proteção deverão ser escolhidas e ajustadas de modo à (norma Bandeirante): Proporcionar desligamentos permanentes seletivos dos circuitos elétricos na ocorrência de sobrecorrentes anormais, minimizando o número de consumidoresatingidos por tais desligamentos; Garantir que os limites de suportabilidade térmica dos vários equipamentos de rede aérea não sejam ultrapassados durante a ocorrência de sobrecorrentes anormais. 41