Proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica

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1 Proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica Proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica - CÁLCULOS PRELIMINARES- Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen 1

2 Correntes de curto-circuito Os valores das correntes para os curtos-circuitos trifásicos e bifásicos serão calculados como valores máximos, ou seja, a impedância de contato será zero. As correntes de curto-circuito fase-terra deverão ser calculadas com impedância de contato igual à zero (curto-circuito fase-terra máximo), que será usada para o dimensionamento de equipamentos; e com impedância de contato igual a 40 ohms (curtocircuito fase-terra mínimo), que será usado para as verificações de coordenação e seletividade entre os dispositivos. Deve-se observar que o valor calculado com 40 ohms não será usado para o ajuste dos pick-ups dos dispositivos de proteção de terra, uma vez que o valor da corrente do curtocircuito, quando ocorrem faltas de alta impedância, pode ser muito menor que o calculado. Deve-se calcular o curto-circuito simétrico e o assimétrico. Se o valor de X/R não for conhecido pode-se usar 1,35 como fator de assimetria, para curtos-circuitos até 2 ou 3 km da S/E; para pontos mais distantes o valor do fator de assimetria será 1 (CPFL, 2003). 2

3 Curto-circuito trifásico: 63,77 A 4000 A A 13,8 kv / 220 V a (AT) / (BT) 63,77 A 4000 A 63,77 A C B c b 4000 A Sendo t em ciclos 3

4 Curto-circuito bifásico: Para uma das fases: Para outras duas fases: 63,77 A 3464,1 A A 13,8 kv / 220 V a (AT) / (BT) 31,88 A 0 A 3464,1 A 31,88 A C B c b 0 A 4

5 Curto-circuito bifásico com terra: Em uma da fase: Na outra fase associada à falta: 5

6 Curto-circuito monofásico: 0,14 12,7 A A 13,8 kv / 220 V a (AT) / (BT) Rf 12,7 A 0,14 A 0 A 0 A C B c 12,7 A b 0 A 6

7 Abertura mono e bipolar: Quanto uma das fases do secundário do transformador de força abre, a corrente nas fases são de um motor trifásico pode teoricamente ser 1,73 vezes a corrente de carga pré-falta (ver Figuras1 e 2). Esse aumento da corrente pode ser ainda 2 vezes maior (200%) devido a mudança no fator de potência. Em aplicações onde a carga aplicada ao eixo do motor apresenta grande inércia, a corrente pode se aproximar da corrente de rotor bloqueado. Figura 1 7 Desequilíbrio de corrente devido a abertura de uma das fases do secundário do transformador. (motor em delta ou em estrela)

8 Figura 2 - Desequilíbrio de corrente devido a abertura de uma das fases do secundário de um transformador, considerando um motor em delta com carregamento de 65% da corrente nominal. 8

9 A Figura 3 e Figura 4 mostram que as correntes de linha que alimentam um motor trifásico podem chegar a 115% (duas fases) e 230% (uma fase) do valor da corrente de carga pré-falta, no caso de uma abertura em uma das fases no lado primário do transformador de força. Figura 3 Desequilíbrio de corrente devido a abertura de uma das fases do primário de um transformador para um motor conectado em delta 9

10 Figura 4 - Desequilíbrio de corrente devido a abertura de uma das fases do primário de um transformador para um motor conectado em estrela. 10

11 Correntes de Inrush Um fenômeno transitório, característico da corrente de magnetização de transformadores é o alto surto de corrente observado ocasionalmente quando um transformador é energizado. Isto pode causar uma queda momentânea da tensão se a impedância da fonte for considerável, e também pode causar a atuação de equipamentos de proteção contra sobrecorrentes, se esses forem ajustados com valores muito baixos. A este surto de corrente chamamos inrush. Se um transformador pudesse ser energizado no instante em que o valor da onda de tensão correspondesse ao fluxo magnético real do núcleo nesse instante, a energização seria uma suave continuação da operação anterior, sem que ocorresse um transiente magnético. Mas na prática, o instante do chaveamento não está sob o controle e assim um transiente magnético é praticamente inevitável. 11

12 O cálculo da corrente de inrush é extremamente complicado e impreciso. Complicado devido à necessidade de se calcular graficamente a densidade de fluxo para valores altos de densidade, o que nem sempre é possível, devido à indisponibilidade de laços de histerese para esses valores. E impreciso, porque laços de histerese obtidos com valores médios não são exatamente aplicáveis a cada transformador em particular. Levando-se em conta a dificuldade de cálculo e a aleatoriedade de valor da corrente de inrush (ela depende do exato instante da energização do transformador e do valor da densidade de fluxo residual em cada transformador), foram desenvolvidos meios práticos para o cálculo provável da corrente de inrush. O método geralmente utilizado leva em conta o número de transformadores que serão energizados pelo fechamento de um dispositivo. A Tabela 1 fornece um coeficiente a ser multiplicado pela corrente nominal do grupo de transformadores que serão energizados, em função do tamanho do grupo. A aplicação desta tabela fornecerá a corrente de inrush esperada em um tempo de 0,1 segundos. 12

13 Tabela 1 - Fator de multiplicação para se determinar a corrente de inrush em 0,1 s 13

14 Exemplo 1: Um grupo composto por 3 transformadores de 15kVA mais 3 transformadores de 30kVA forem energizados pelo fechamento de uma chave, a corrente de "inrush" esperada será calculada conforme segue: kva = = 135 n = 6 da tabela, para n=6 o coeficiente é 6,6 I_inrush = 6,6*5,65 = 37,3 A OBS: a corrente de inrush não pode ser maior que a corrente de curto-circuito trifásico no ponto em consideração. Portanto, se o cálculo indicar que a corrente de inrush é maior que a corrente do curto-circuito trifásico, considere a corrente de inrush igual à corrente de curto-circuito trifásico (CPFL, 2003). 14

15 Locação dos equipamentos (norma Bandeirante) O sistema de proteção dos circuitos aéreos de distribuição é constituído de dispositivos de proteção contra sobrecorresntes que, estando coordenados entre si, e deverão possibilitar um grau satisfatório de continuidade do serviço de fornecimento de energia elétrica. A locação dos equipamentos de proteção deve objetivar basicamente os seguintes pontos: minimizar o número de consumidores atingidos por uma de falta no sistema de distribuição primária; possibilitar condições de religamento do sistema em tempo programado, na ocorrência de faltas transitórias; na ocorrência de defeitos permanentes, restringir o desligamento apenas ao ramal em curto-circuito, permitindo a continuidade de serviço ou religamento dos demais ramais ou troncos de alimentadores; 15

16 estabelecer esquemas de proteção econômicos em função das particularidades de cada sistema de distribuição primária, tais como: tipos de carga; importância dos consumidores; densidade dos alimentadores ou ramais; trajeto dos circuitos por zonas de risco. Os critérios a seguir prescritos têm o objetivo de orientar a escolha inicial e a localização dos equipamentos de proteção de acordo com cada circuito. Saídas dos Circuitos Provenientes das ETDs Tais circuitos são protegidos por disjuntores comandados por relés de sobrecorrente, de fase e neutro, havendo um relé de religamento. Os relés de fase atuam sobre a bobina de desligamento do disjuntor para curtocircuito entre fases ou entre as fases e a terra. Por outro lado, o relé de neutro atuará sobre a bobina de desligamento do disjuntor para defeitos à terra, somente. O relé de religameneto tem como função religar o disjuntor após a abertura do mesmo devido à ocorrência de sobrecorrentes. Poderá haver um ou mais religamentos. 16

17 A Tabela 2 apresenta os critérios a serem considerados durante a escolha de equipamentos de proteção para os circuitos aéreos de distribuição primária. A escolha deve ser feita em função da importância do circuito dos consumidores atendidos, assim como da disponibilidade de equipamentos mais sofisticados, como religadores seccionalizadores. Acerca dos critérios apresentados valem as seguintes observações: Nos troncos deve ser evitada a aplicação de dispositivos de proteção, podendo porém ser aceita nos casos dos critérios A e B; Deve-se evitar: emprego de religadores em série; emprego de religadores e chaves fusíveis em ramais interligáveis; não é necessária a limitação do número de chaves fusíveis em série; deve-se verificar que haja seletividade entre os elos para os níveis de curto previstos; em relação às entradas primárias (critério H) os elos fusíveis usados deverão ser até 140 A; Para casos mais elevados, deve-se usar chave seccionadora apenas com a finalidade demanobra. 17

18 A Tabela 2 Critérios para seleção dos dispositivos de proteção CRITÉRIO SITUAÇÃO EQUIPAMENTO A B C D Início de trechos extensos, onde o nível mínimo de curto seja insuficiente para sensibilizar o dispositivo de proteção de retaguarda. Logo após cargas de grande importância, e cuja continuidade de serviço deva ser elevada, caso o circuito a seguir seja extenso. Início de ramais que alimentem cargas classificadas como especiais de grande importância. Início de ramais de certa importância, que supram áreas sujeitas a alta incidência de falhas temporárias E Início de ramais ou sub-ramais com extensão inferior a 150m, não classificáveis nos critérios C ou D. F Início de ramais ou sub-ramais com extensão inferior a 150m mas que estejam sujeitos a alta incidência de faltas. Religador ou Fusível Religador, seccionalizador ou Fusível Religador ou Seccionalizador Religador ou Seccionalizador Fusível Fusível G Meio de trechos extensos protegidos por religador no início. Fusível H Entrada primária com corrente nominal até 140 A Fusível I Estação transformadora (ET) Fusível J Banco de Capacitores Fusível Fusível 18