Métodos de Protecção de Reactâncias

Faculdade de Engenharia Universidade do Porto Métodos de Protecção de Reactâncias (Metodologia geral) José Eduardo Martins de Carvalho Miguel Freitas ~ LEEC (Energia) - 5º Ano Sistemas de Protecção Novembro/Dezembro 2005

Protecção de Reactâncias 2 ÍNDICE 1. Introdução: Tipos de Ligação e Funções...3 2. Exemplos de Aplicação...4 3. Noções Gerais de Protecção de Reactâncias...6 4. Tipos de Protecção...7 1) Reactâncias Série... 7 1.a) Protecção diferencial - defeitos fase-fase e fase-terra... 7 1.a.i) Protecção diferencial + protecção backup contra sobre-intensidades.. 8 1.a.ii) Protecção diferencial + protecções backup contra sobre-intensidades e defeitos fase-terra... 8 1.b) Relé Buchholz Rate-of-Rise-of-Pressure Protection... 9 1.c) Protecção Térmica dos Enrolamentos...10 2) Reactâncias shunt (paralelo)...11 2.a) Protecção diferencial defeitos fase-fase e fase-terra...11 1.a.i) Protecção diferencial de reactâncias monofásicas + protecções backup contra defeitos à terra...11 2.b) Protecção contra sobre-intensidades e defeitos à terra...12 2.c) Relé Buchholz Rate-of-Rise-of-Pressure Protection + Protecção térmica dos enrolamentos...13 2.d) Intertripping Sinalização remota de actuação...13 2.e) Esquema de protecção integral de uma reactância shunt...13 5. Bibliografia... 14

Protecção de Reactâncias 3 1. Introdução: Tipos de Ligação e Funções Um pouco à semelhança do que se passa com os transformadores, existem dois tipos construtivos para estes aparelhos, reactâncias monofásicas ou trifásicas podendo ser imersas em óleo ou com isolamento seco. Os valores nominais variam de 3 a 125 MVA a níveis de tensão desde 4,6 a 765kV. As reactâncias, ou bancos de reactâncias, são aparelhos que vêm a sua aplicação e ligação nos sistemas eléctricos de energia dividida em duas principais categorias: Reactâncias série + A intensidade da corrente que alimenta um hipotético defeito, num ponto qualquer da rede, é determinada pela impedância do sistema vista do ponto de defeito. A colocação de reactância(s) num ponto específico da rede pode ser crucial para diminuir a intensidade da corrente de defeito para valores admissíveis, ou seja, para o valor máximo da corrente de defeito admissível. + A utilização destes dispositivos podem ser um factor de interesse económico no dimensionamento de uma rede, pois pode originar situações em que não seja necessário investir em aparelhagem mais complexa e mais cara como condutores especiais ou disjuntores de altas capacidades de modo a suportar as correntes de curto circuito que então se verificariam. Um dos inconvenientes é o aumento da regulação do sistema eléctrico, nomeadamente em casos de alimentação de cargas com baixos factores de potência. Contudo, estes ajustes podem ser conseguidos através do uso de reguladores de tensão. Reactâncias shunt + Assumem um papel importante na redução das elevadas capacitâncias que sobrecarregam as linhas de transmissão. Estas capacitâncias criam energia reactiva que o sistema não consegue, geralmente, absorver por si só. As reactâncias shunt têm a capacidade de introduzir correntes em atraso que compensam o aumento da energia reactiva da rede. A energia reactiva aumenta com o quadrado da tensão e são função do comprimento e configuração da linha. É por vezes necessário recorrer a controladores de tensão, em ambos os terminais da linha, de modo a absorver a energia reactiva capacitiva. Assim, as reactâncias shunt são geralmente utilizadas para compensar as grandes correntes capacitivas que tendem a estar presentes nas redes eléctricas.

Protecção de Reactâncias 4 2. Exemplos de Aplicação Reactâncias série limitadoras de corrente As reactâncias limitadoras de corrente usam-se essencialmente para limitar as correntes de curtocircuito, ou seja, para evitar que as correntes de defeito atinjam valores perigosos que possam danificar os equipamentos. A utilização destas reactâncias permite que sejam usados, disjuntores e condutores do tipo standard sem haver a necessidade de recorrer a outros que tolerem uma maior potência de curto-circuito, que são necessariamente mais onerosos. Uma reactância série é formada por bobinas trifásicas, normalmente colocadas umas sobre as outras, utilizando isoladores de suporte entre elas. Os isoladores de suporte garantem o espaço suficiente entre fases de forma a assegurar que a indutância mútua ente bobinas seja desprezável comparada com a indutância principal. Reactâncias de choque para baterias de condensadores As perturbações transitórias e as sobrecorrentes provocadas por baterias de condensadores em paralelo podem-se limitar mediante o uso de reactâncias de choque (damping reactors) em série com essas mesmas baterias. As reactâncias de choque são similares às reactâncias série mas com uma impedância um pouco mais baixa. No entanto, as condições de esforços de tensão a que estão geralmente sujeitas são mais altas do que nas reactâncias série. Reactâncias de neutro à terra Uma reactância de neutro à terra é inserida entre o neutro de um sistema trifásico e a terra. A sua função é limitar a corrente entre uma linha de transmissão directamente ligada à terra, ou reduzir a corrente entre a linha e a terra numa rede de neutro isolado até um valor seguro que garanta a sua protecção.

Protecção de Reactâncias 5 Reactâncias shunt (paralelo) As reactâncias em paralelo utilizam-se para compensar a potência reactiva capacitiva gerada por linhas de transmissão muito compridas sujeitas a um baixo regime de carga. Estas reactâncias são colocadas ou retiradas de serviço mediante a utilização de disjuntores próprios e estão normalmente conectadas ao enrolamento terciário do transformador principal, ou, em alguns casos, directamente ao circuito de transmissão. Reactâncias controladas por tirístores (TCR) As reactâncias controladas por tirístores, também denominadas por TCR (Thyristor controlled reactors), utilizam-se nos compensadores estáticos de energia reactiva. As TCR são muito semelhantes às reactâncias shunt, mas o controlo da corrente é feito de uma forma contínua através das válvulas dos tirístores. A reactância trifásica liga-se em triângulo. Cada fase da reactância divide-se em duas bobinas e os tirístores são colocados entre as referidas bobinas. Reactâncias filtro Os filtros têm duas funções, produzir potência reactiva capacitiva à frequência básica e filtrar harmónicos. Um filtro harmónico é desenhado para ter uma baixa impedância entre fase terra, ou entre fases à frequência harmónica pretendida. Consequentemente, a corrente harmónica fluirá no sentido do filtro e não no sentido da rede eléctrica. Normalmente cada frequência harmónica necessita de um filtro independente. Para as frequências harmónicas mais elevadas utilizam-se filtros de banda larga. Algumas destas reactâncias filtro possuem tomadas que permitem ajustar a frequência que se pretende filtrar.

Protecção de Reactâncias 6 3. Noções Gerais de Protecção de Reactâncias Devido ao facto das reactâncias terem alguns aspectos construtivos semelhantes aos dos transformadores, nomeadamente no que respeita à técnica de aplicação dos enrolamentos, não é de estranhar que os métodos utilizados para protecção destes aparelhos sejam algo parecidos. No entanto, a protecção de reactâncias resulta mais simples devido à existência de um único enrolamento e à ausência de correntes transitórias de magnetização do núcleo aquando da sua colocação em serviço. No desenho e projecto de um determinado tipo de protecção para uma reactância, o tamanho e a importância da unidade, assim como o arranjo e o número de terminais acessíveis, são factores a ter em conta no momento da decisão. Nalguns casos as reactâncias são inseridas em zonas já protegidas o que faz com que não seja necessário nenhuma protecção adicional específica para a reactância. Exemplos desta situação podem ser o caso em que as reactâncias são ligadas a barramentos de alimentação que já incluem protecção para esses barramentos (disjuntores, seccionadores, relés, etc.), ou no caso das reactâncias serem ligadas em séries com as cargas que por sua vez também se encontram protegidas por outros aparelhos (disjuntores, relés, etc.). Os tipos de defeitos mais usuais que envolvem reactâncias são os defeitos de fase à terra, curto-circuitos entre fases no caso de estarem as três montadas no mesmo tanque, curto-circuitos entre as espiras das bobinas e sobreaquecimento dos enrolamentos devido a sobrecargas ou falhas nos sistemas de refrigeração. Normalmente não se considera necessário proteger as reactâncias contra os curto-circuitos das espiras, uma vez que está testado que esse tipo de defeitos rapidamente se escoa pela terra e são então detectados pela protecção de defeitos à terra.

Protecção de Reactâncias 7 4. Tipos de Protecção 1) Reactâncias Série 1.a) Protecção diferencial - defeitos fase-fase e fase-terra Esta protecção é sucintamente formada por: três disjuntores, seis transformadores de corrente e um relé trifásico (ou três monofásicos). Os transformadores são colocados e ligados por fios piloto em dois grupos de três, um em cada lado da reactância e esses distribuídos pelas três fases. O relé é conectado diferencialmente como se pode ver no esquema. Figura 1 - Protecção diferencial para uma reactância trifásica em série. O relé usado para a protecção diferencial é um relé tripolar (ou 3 monopolares) electromagnético instantâneo de alta impedância. Uma tomada é incorporada de modo a se poder ajustar o equipamento. É necessário a utilização de uma resistência não-linear em paralelo com os relés e os componentes associados para limitar a tensão dos fios piloto na ocorrência de defeitos internos. O sistema funciona através da comparação das correntes que circulam em direcção à reactância com as correntes que dela saem princípio da circulação de correntes Merz-Price. Na ocorrência de um defeito numa das fases do equipamento protegido, as correntes de defeito circulam nos primários dos transformadores de corrente no sentido dado pelas setas vermelhas de modo a alimentar o defeito. As correntes de defeito no secundário circularão no sentido inverso ao do primário e percorrem o relé no sentido dado pelas setas a preto. Se a diferença (relé diferencial) destas correntes que percorrem a protecção for superior a um valor pré definido o relé deverá actuar fazendo disparar um disjuntor que corte o defeito. Figura 2 Protecção diferencial: operação num defeito fase-terra interno.

Protecção de Reactâncias 8 Quando ocorre um defeito fora da zona protegida, as correntes de defeito no primário do transformador irão circular no sentido dado pelas setas a vermelho, ver figura seguinte, devido à tendência de alimentarem o defeito, enquanto que as correntes no secundário irão circular com sentidos tais que fazem com que a corrente que circula no relé diferencial seja residual e este não veja o defeito. Figura 3 Protecção diferencial: não operação num defeito fase-terra externo. 1.a.i) Protecção diferencial + protecção backup contra sobreintensidades O sistema de protecção diferencial abordado na alínea anterior garante protecção contra defeitos fase-fase e fase-terra, mas, graves danos poderiam surgir no caso de ocorrer uma falha na actuação da protecção diferencial. Assim, convém adicionar protecções secundárias ou de recurso backup features para prevenir que situações dessas aconteçam. A protecção de backup consiste num relé i.m.d.t. (Inverse Definite Minimum Time) de sobreintensidades em derivação de um dos grupos de transformadores de corrente de acordo com a figura apresentada. Figura 4 Protecção diferencial de uma reactância trifásica em série com protecção backup contra sobre-intensidades. 1.a.ii) Protecção diferencial + protecções backup contra sobreintensidades e defeitos fase-terra Outra variação da protecção diferencial de uma reactância trifásica é a pequena alteração que se faz na ligação do relé de sobre-intensidade. Esta alteração adiciona a função de protecção backup contra defeitos fase-terra e consiste em conectar residualmente o elemento central do relé de sobre-intensidade e aplicar-lhe uma parametrização mais baixa para defeitos fase-terra. Este elemento central seria virtualmente idêntico aos restantes dois de sobre-intensidade mas teria tomadas de parametrização para valores entre 10 e 40% comparadas com 50 e 200% dos outros dois elementos. O esquema de montagem das protecções é a seguir apresentado.

Protecção de Reactâncias 9 Figura 5 Protecção diferencial de uma reactância trifásica em série com protecção backup contra sobre-intensidades e defeitos fase-terra. Em condições normais de funcionamento, a corrente no ponto central de ligação dos relés é residual devido ao equilíbrio das fases e ao cancelamento dos vectores das correntes. No fundo, com esta alteração o relé central passa a detectar a corrente de neutro (soma da corrente das três fases) e assim a funcionar como protecção contra defeitos monofásicos (defeito fase-terra). Os dois relés que não sofrem alteração na sua ligação desempenham a sua função de protecção contra defeitos trifásicos e/ou bifásicos. Em reactâncias de baixa envergadura estas duas protecções de backup mencionadas podem substituir totalmente a protecção diferencial assumindo o papel de protecções principais. 1.b) Relé Buchholz Rate-of-Rise-of-Pressure Protection Um banco de reactâncias imersas em óleo não está devidamente protegido se não for munido de um relé de protecção que seja actuado por fenómenos relacionados com o nível do óleo e o gás libertado. Isto porque um defeito muito pequeno que se desenvolva lentamente no núcleo da reactância, ou um defeito não visível no tanque das mesmas, não será detectado por outras formas de protecção. Uma falha que se desenvolva no interior das reactâncias é acompanhada pela libertação de gases provenientes do aquecimento do óleo. Estes gases, libertados em forma de bolhas no recipiente da protecção afectam a posição de flutuadores existentes no seu interior. Consoante a gravidade do defeito, estas bolhas provocarão o movimento dos flutuadores e o resultante actuar de um alarme (no caso de bolhas pequenas) ou provocar o disparo de um disjuntor (no caso de bolhas de maior volume). Este fenómeno serve de base ao funcionamento do relé Buchholz que é colocado num tubo que liga o tanque das reactâncias ao reservatório de expansão de óleo, ver figura 7. Na imagem seguinte apresenta-se o esquema típico desta protecção. Figura 6 Esquema construtivo e de funcionamento de um relé Buchholz.

Protecção de Reactâncias 10 De referir que os flutuadores mencionados estão munidos de sistemas que permitem quantificar a quantidade de óleo existente e, desse modo, detectar qualquer tipo de perdas que possam estar a ocorrer. Dependendo da gravidade da perda poderá ser activado o tripping de modo a accionar a protecção, ou pelo menos alertar de que é necessário intervir. Figura 7 Esquema de montagem de um relé Buchholz. 1.c) Protecção Térmica dos Enrolamentos À semelhança do que acontece com os transformadores, os enrolamentos de uma reactância conseguem tolerar curtos períodos em sobrecarga sem que ocorram danos para o equipamento. No entanto, o sobreaquecimento derivado de uma sobrecarga prolongada ou uma falha no sistema de refrigeração, irá resultar, se for permitido por não actuação de protecções, numa deterioração prematura do isolamento e numa consequente drástica redução do tempo de vida útil da máquina. Para se aplicar uma protecção contra o sobreaquecimento do enrolamento, utiliza-se um termómetro como o esquematizado na figura seguinte. Este mecanismo faz uma medição da temperatura do óleo do tanque que por sua vez é condicionada por uma resistência de aquecimento colocada junto ao termómetro e alimentada por um transformador de corrente localizado nos enrolamentos da reactância. A constante de tempo do termómetro é ajustada de maneira a tirar o máximo partido do tempo que os enrolamentos podem estar sujeitos a sobrecarga sem haver danificação dos isolamentos. Figura 8 Esquema de medição de temperatura dos enrolamentos da reactância e respectivo mecanismo de protecção.

Protecção de Reactâncias 11 Para além de assinalar a temperatura dos enrolamentos este mecanismo inclui dois interruptores de mercúrio. Um que inicia um processo de alarme se a temperatura atingir um valor predeterminado (100ºC valor típico) e outro que completa o accionamento do circuito de tripping quando se verifica o atingir de outra temperatura de referência, digamos 120ºC. De realçar que actualmente já se aplica a protecção térmica dos enrolamentos às reactâncias com isolamento seco. O processo consiste na introdução de uma sonda no seio dos enrolamentos da bobina. Essa sonda é conectada a um sistema medidor de temperatura que, dependendo dos níveis que registar, emite alarmes ou emite uma ordem de actuação às protecções. 2) Reactâncias shunt (paralelo) 2.a) Protecção diferencial defeitos fase-fase e fase-terra Se os seis terminais da reactância trifásica estiverem acessíveis é possível aplicar um sistema de protecção diferencial similar ao que se apresentou anteriormente. Figura 9 Protecção diferencial para uma reactância shunt trifásica. 1.a.i) Protecção diferencial de reactâncias monofásicas + protecções backup contra defeitos à terra Como protecção de backup à protecção diferencial podemos ter um relé de tensão homopolar para detecção de defeitos fase-terra. Uma montagem desse género é apresentada no esquema seguinte onde se apresenta uma protecção diferencial no caso de 3 reactâncias shunt monofásicas.

Protecção de Reactâncias 12 Figura 10 Protecção diferencial para três reactâncias monofásicas ligadas em paralelo com protecção backup contra defeitos à terra. 2.b) Protecção contra sobre-intensidades e defeitos à terra No caso das reactâncias shunt não é necessário que os seis terminais dos enrolamentos fiquem acessíveis, e, por motivos económicos, é usual efectuar uma ligação estrela no interior da reactância trifásica ficando só acessíveis quatro terminais. Desta forma, torna-se impossível aplicar um sistema de protecção diferencial como aqueles referidos anteriormente pelo que se recorre a um sistema composto por apenas quatro transformadores de corrente aplicando um a cada uma das fases e o outro ao neutro. Este sistema protege as reactâncias somente contra defeitos fase-terra. Como aproximadamente 75% dos defeitos verificados são defeitos à terra, ou pelo menos começam por o ser, esta protecção não se revela tão desvantajosa como parece e a protecção contra defeitos fase-fase pode ser sempre feita recorrendo a um relé independente. Assim, a protecção para esses defeitos pode ser feita através da utilização de um relé i.m.d.t. (Inverse Definite Minimum Time) de sobre-intensidades tripolar. Este relé tem um funcionamento relativamente lento pelo que tem de ser ajustado de maneira a ser selectivo com outros equipamentos de protecção. O esquema de montagem para este tipo de protecção é apresentado na imagem seguinte. Figura 11 Esquema de ligação para protecção contra defeitos fase-terra e com backup contra sobre-intensidades.

Protecção de Reactâncias 13 2.c) Relé Buchholz Rate-of-Rise-of-Pressure Protection + Protecção térmica dos enrolamentos Reactâncias shunt imersas em óleo são passíveis de serem protegidas por um relé Buchholz idêntico ao que foi descrito para as reactâncias série. A protecção térmica dos enrolamentos deve também ser implementada e é em tudo idêntica à apresentada para as reactâncias série. 2.d) Intertripping Sinalização remota de actuação Como o próprio termo indica, intertripping é um meio utilizado para efectuar o tripping de um disjuntor que esteja localizado num ponto remoto em relação ao qual ocorreu o defeito. Para tal é necessário transmitir sinais com a devida informação de actuação desde o ponto de defeito até às extremidades dos circuitos e recebê-la de maneira a fazer actuar correctamente os disjuntores independentemente do estado em que se encontra a rede nesse instante. A transmissão deste tipo de informação faz-se através de fios piloto, através de ondas portadoras enviadas directamente no condutor de potência ou através de dispositivos de emissão e recepção de sinais rádio. Uma alternativa convencional às técnicas de protecção intertripping para reactâncias é o uso de um interruptor unipolar criador de um defeito fase-terra. A actuação da protecção diferencial ou da protecção Buchholz dão o comando de actuação tripping do disjuntor local e inicia o fecho do interruptor unipolar de maneira a criar intencionalmente um defeito fase. As correntes resultantes para alimentação deste defeito serão detectadas nos extremos do circuito e dá-se a actuação dos disjuntores para abrir o circuito e interromper o defeito. É uma solução simples e robusta e que não depende de canais de transmissão nem de outro tipo de equipamentos mas que apresenta a grande desvantagem que é sujeitar o sistema eléctrico a uma falha, possivelmente mais severa, do que aquela que está prestes a ser eliminada. 2.e) Esquema de protecção integral de uma reactância shunt Figura 12 Esquema de ligação para protecção contra sobre-intensidades. Neste esquema podemos observar um sistema de protecção correcto e devidamente ajustado para uma reactância imersa em óleo e dois barramentos MT. Temos uma protecção diferencial, protecção Buchholz, protecção térmica dos enrolamentos, protecções backup (os dois relés de sobre-intensidade superiores) e aplicações de intertripping. Esta montagem protege a reactância de todos os defeitos que possam ocorrer quer sejam no interior do equipamento ou na rede de interligação.

Protecção de Reactâncias 14 5. Bibliografia The Electricty Council; Power System Protection Vol. 1: Introduction; ; 1969 - Macdonald & Co. London. Capítulo 14 - Power System Protection. Vol. 2: Application; The Electricty Training Association; 1995 - Elecricity Association Services Limited. Caminha, Amadeu Introdução à Protecção dos Sistemas Eléctricos; 1977 Editora Edgard Blücher Ltda.. Protective Relaying Theory & Applications; Edited by Elmore, A. Walter; 2003 ABB. Holland, Arthur Power Factor (Online); 2002 Process Heating. Stebbins, Wayne Power Distribution Systems and Power Factor Correction (Online); 2000 Energy and Power Management. Nokian Capacitors Ltd. Reactors Brochure (Online); 2004. Ferreira, José Rui da Rocha Pinto; Acetatos de apoio às aulas de Sistemas de Protecção do 5º ano da LEEC (Online).