Proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica

Transcrição

1 Proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica Proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica - PROTEÇÃO DE ALIMENTADORES- Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen 1

2 Serão discutidas as funções de vários dispositivos usados para proteção da distribuição, incluindo: Relés de distribuição Religadores Seccionalizadores Fusíveis Serão abordados: características dos dispositivos, problemas comuns e soluções, além de regras práticas para ajustes e coordenação. 2

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6 Uma prática comum nos Estados Unidos é a de usar alimentadores de distribuição trifásicos a quatro fios, com diversas derivações e subderivações formando uma configuração em árvore. Algumas derivações, e a maioria das subderivações, podem ser linhas trifásicas, bifásicas ou monofásicas. Transformadores de distribuição trifásicos e monofásicos compõem a carga do sistema de distribuição. Muitos transformadores monofásicos são conectados em bancos com dois ou três transformadores. Os sistemas de distribuição da Europa ou Japão normalmente têm linhas curtas com três fios e cargas compostas por transformadores de distribuição trifásicos. 6

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8 Relés e disjuntores são normalmente usados para proteger os alimentadores principais numa subestação de distribuição. A limitação da sensibilidade dos relés de sobrecorrente pode impedir que eles detectem faltas no fim do alimentador protegido. Religadores podem ser instalados ao longo do alimentador para possibilitar uma cobertura total das faltas no alimentador. Os religadores também podem ser aplicados para melhorar a proteção de derivações importantes. Seccionalizadores são usados normalmente em derivações e subderivações do sistema de distribuição. As chaves-fusíveis também são usadas na proteção de derivações, subderivações, transformadores de distribuição e bancos de capacitores dos sistemas de distribuição. 8

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10 O religamento automático propicia a restauração do serviço automaticamente após a eliminação de faltas fugitivas nas linhas de distribuição aéreas. As chaves de seccionamento e interligação reduzem o tempo de interrupção do serviço através da isolação de linhas com faltas permanentes. Os sistemas de distribuição modernos possuem chaves com operação remota. Esta flexibilidade aumenta a continuidade do serviço mas cria problemas para a proteção. A seleção dos dispositivos de proteção e os ajustes têm que acomodar as alterações na configuração do sistema de distribuição. Grupos de ajustes disponíveis nos relés digitais e controladores dos religadores fornecem a base para uma solução adaptativa para esse problema. Em um sistema de distribuição automatizado, o grupo de ajuste requerido pode ser selecionado automaticamente para cada configuração do sistema. 10

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12 Fusíveis devem ser tolerantes com as condições de carga máxima. Os fusíveis também devem suportar, sem danos, as correntes transitórias não causadas por curto-circuitos. Essas correntes incluem a corrente de inrush do transformador e a corrente de partida do motor. A capacidade de condução de corrente em regime contínuo de um fusível está relacionada ao seu tipo de construção. Em geral, os elos T e K construídos com elementos de estanho possuem uma capacidade de condução de corrente em regime contínuo igual a 150% da nominal, enquanto os elos feitos com elementos de prata possuem uma capacidade de condução de corrente em regime contínuo igual a 100% da nominal. 12

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15 De acordo com as Normas NEMA, os religadores de circuito automáticos são dispositivos fechados e independentes ( selfcontained ) para interrupção e religamento automáticos de um circuito de corrente alternada. Os religadores podem detectar sobrecorrentes, interromper essas correntes e religar automaticamente para reenergizar a linha. O ciclo típico de operação do religador, ou sequência, consiste de (até) quatro trips e três religamentos. 15

16 Um religador pode ser ajustado para ter características tempo-corrente diferentes durante a respectiva sequência de operação. 16

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18 A figura detalha a oscilografia da corrente resultante da operação típica de um religador. Os religadores têm capacidade de temporização dual. A primeira ou as duas primeiras interrupções da corrente de falta ocorrem usando a operação rápida. Para as interrupções remanescentes, é inserida uma temporização intencional usando uma curva tempo-inverso mais lenta. O religador também pode ter um elemento que opere para a corrente de terra, adicionalmente ao elemento de sobrecorrente de fase. A curva temporizada também é chamada de curva lenta. O intervalo de religamento é de 1 a 2 segundos para os religadores hidráulicos e é ajustável para os religadores eletrônicos. 18

19 Regra Prática: Uma abordagem comum consiste em usar uma combinação das curvas lenta e rápida para implementação de um esquema com preservação dos fusíveis. Como exemplo, use duas operações rápidas seguidas por duas lentas. Circunstâncias diferentes podem impor o uso de uma sequência de operação diferente. Um exemplo é instalar um seccionalizador a jusante de um religador; nesse caso, o religador pode ter uma sequência de funcionamento com uma operação rápida e três lentas. 19

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21 Os estudos mostram que 80 a 95% das faltas em linhas aéreas de distribuição são temporárias. (Nota: Esses dados são baseados em várias fontes; ver referências na página 1.) Uma falta temporária (fugitiva) é aquela eliminada completamente com a abertura do disjuntor. Por exemplo, considere a sequência seguinte: 1. Um animal provoca um curto-circuito num poste; 2. O disjuntor correspondente abre; 3. O animal cai ou morre; 4. A falta deixa de existir. Primeira Tentativa de Religamento: Se for usado o religamento automático, a falta é eliminada completamente antes do primeiro religamento em 80% das vezes, restabelecendo, consequentemente, o serviço para todos os consumidores da linha afetada. 21

22 Segunda Tentativa de Religamento: Se o religador for equipado com mais de uma operação de religamento, aproximadamente 10% das faltas são eliminadas antes do segundo religamento e o serviço é restabelecido automaticamente. Terceira Tentativa de Religamento: Se houver uma terceira tentativa de religamento, aproximadamente 5% das faltas são eliminadas antes da tentativa de religamento. Dessa forma, na média, três operações de religamento devem possibilitar a restauração automática do serviço em aproximadamente 95% das faltas temporárias. Portanto, recomenda-se o uso de três operações de religamento, ou tentativas ( shots ), quando estiver projetando um esquema de religamento automático. Isso explica por que os religadores hidráulicos tradicionais eram configurados com três tentativas de religamento. Os religadores microprocessados mais novos têm um número flexível de operações de religamento e podem ser ajustados pelo usuário para melhorar a proteção de acordo com condições específicas. 22

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24 As características tempo-corrente do religador, para dois religadores coordenados, são mostradas acima. Quando usado num esquema de preservação de fusíveis, o religador terá uma curva rápida e uma curva lenta. Em uma sequência típica, o religador faz uma ou mais operações rápidas e completa as operações remanescentes, até o bloqueio, usando a curva temporizada. Quando dois dispositivos estão em série e ambos usam operações rápidas e lentas, uma coordenação de sequência é necessária. A coordenação de sequência possibilita que o dispositivo a montante conte as operações mesmo que ele não opere. Isso permite que os dispositivos a montante e a jusante chaveiem ao mesmo tempo para as respectivas curvas temporizadas, eliminando, consequentemente, a necessidade de coordenar a curva rápida do dispositivo a montante com a curva lenta do dispositivo a jusante. 24

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27 Um seccionalizador é um dispositivo de proteção que isola automaticamente uma seção de linha defeituosa nos sistemas de distribuição. Como os seccionalizadores não interrompem correntes de falta, eles são usados em combinação com um religador ou com um disjuntor com relé, com religamento automático. O seccionalizador conta, durante uma falta, as operações do disjuntor ou religador de retaguarda. Após um número pré-selecionado de operações de interrupção de corrente, e enquanto o dispositivo de interrupção está aberto, o seccionalizador abre para isolar a seção da linha defeituosa. 27

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30 O controle do seccionalizador pode ser realizado usando um sistema hidráulico ou eletrônico. Os seccionalizadores controlados hidraulicamente têm uma bobina-série, um êmbolo montado com duas válvulas de check e um pistão de trip. Os movimentos do êmbolo resultantes do aparecimento e subsequente interrupção da corrente de falta forçam o óleo no pistão de trip. O pistão de trip avança sequencialmente rumo à atuação final do mecanismo de trip do seccionalizador durante o intervalo de corrente igual a zero. O seccionalizador pode ser ajustado para operar após uma, duas ou três contagens. A figura ilustra a posição do pistão de trip de um seccionalizador controlado hidraulicamente durante um ciclo típico de operação. 30

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32 O slide mostra os princípios de proteção aplicáveis à proteção da linha. Proteção de sobrecorrente, a mais simples e mais econômica, é geralmente limitada a linhas radiais. Proteção de sobrecorrente é amplamente utilizada em sistemas industriais de distribuição e de concessionárias. A adição de direcionalidade (proteção de sobrecorrente direcional) amplia a aplicação da proteção de sobrecorrente para os sistemas de duas fontes e linhas em anel. A proteção de distância também é aplicável aos sistemas de duas fontes e linhas em anel. Para diminuir o tempo de eliminação da falta, podemos utilizar um canal de comunicação para troca de informações entre os elementos direcionais ou de distância. Este tipo de arranjo é conhecido como proteção piloto por comparação direcional. Finalmente, podemos também proteger as linhas utilizando a proteção diferencial ao longo de um canal de comunicação. Uma variante do princípio diferencial é o princípio de comparação de fase, em que os ângulos de fase das correntes de linha em ambas as extremidades são comparados. 32

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34 Proteção de sobrecorrente utiliza apenas as informações de corrente para detectar faltas no elemento protegido. A idéia básica é que as correntes de curto-circuito são maiores do que as correntes normais de carga (veja a figura). Na maioria dos casos, existe uma separação entre a região da corrente normal de operação e a região da corrente de falta. Portanto, é possível ajustar o relé de sobrecorrente tornando-o capaz de distinguir entre estas duas regiões. 34

35 Em sistemas fortemente carregados ou longos alimentadores de distribuição, a corrente de falta, na extremidade do alimentador, poder apresentar um valor menor do que a corrente de carga na condição normal de operação. Para tais casos, os elementos de sobrecorrente (50/51) de fase não podem ser configurado para detectar defeitos desse tipo. Porém, usando um elemento de sobrecorrente de sequência negativa (50Q/51Q) pode-se eliminar essa limitação da sensibilidade da proteção de sobrecorrente de fase. A corrente de carga equilibrada contém somente componente de sequência positiva e, portanto, um elemento de sequência negativa pode ser ajustado para uma corrente de pickup muito baixa. Este elemento responde para as faltas desequilibradas. Correntes de falta à terra podem ser limitadas, pelas impedâncias de falta, à valores próximos ou mesmo inferiores a corrente de carga. Um elemento de sobrecorrente de sequência-zero (50N/51N), pode ser ajustado abaixo da corrente de carga, melhorando a sensibilidade da proteção de faltas à terra no sistema. 35

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37 Relés de sobrecorrente são os relés mais utilizados na proteção do sistema de potência. Relés de sobrecorrente são sensíveis às corrente de entrada e emitem um sinal de trip para os disjuntores quando a corrente está acima de um limite prédefinido pelo usuário (pickup do elemento). De acordo com suas características de tempo de operação, relés de sobrecorrente podem ser classificados em: Relés de sobrecorrente instantânea (50, 50Q, 50N) Relés de sobrecorrente temporizada (51, 51Q, 51N) Relés de sobrecorrente de tempo definido Relés de sobrecorrente de tempo inverso 37

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39 O relé de sobrecorrente instantâneo fecha seus contatos num tempo muito pequeno, assim que a corrente ultrapassa o valor limite. No campo da proteção, instantâneo significa sem temporização intencional. Em outras palavras, esses relés são projetados para operar com a máxima velocidade propiciada pela tecnologia usada. Tipicamente, o tempo de operação fica entre 0,5 e 1,5 ciclo. A corrente de pickup (valor limite) é ajustável e o usuário pode escolher o ajuste em uma faixa relativamente ampla. 39

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41 O tempo de funcionamento de um relé de sobrecorrente de tempo inverso diminui à medida que a corrente de entrada aumenta a magnitude. A característica resultante de tempo-corrente é do tipo inverso: quanto maior a corrente, mais rápido o relé opera. Os elementos de sobrecorrente de tempo inverso são amplamente utilizados em concessionárias norte-americanas para conseguir coordenação com fusíveis de proteção a jusante. 41

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43 A figura compara as diferentes características de tempo inverso de acordo com a IEEE C para uma determinada ajuste de TD (time-dial). As constantes A, B, P controlam o do grau de inversão da curva. Todas estas características, bem como as características da IEC, estão disponíveis em relés digitais. Em relés eletromecânicos, cada relé tem apenas um tipo de característica. 43

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45 A figura mostra uma característica de tempo-corrente típica de uma relé de sobrecorrente digital. Este dispositivo tem os seguintes elementos: - Um elemento de curva inversa com três configurações (famílias de curva, corrente de pickup IPU, e dial de tempo TD). - Um elemento de tempo definido com duas configurações (corrente de pickup IPUDT, delay de tempo DT). - Um elemento instantâneo, com apenas um ajuste (corrente de pickup IPUI). 45