Proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica

Proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica Proteção de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica - COORDENAÇÃO RELIGADOR-FUSÍVEL- Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen 1

Coordenação Religador-Fusível Coordenação Religador Fusível (Fusível no lado da carga) A coordenação entre um religador e um fusível (dispositivo que está mais próximo da carga) pode ser obtida usando métodos baseados em curvas características ajustadas por um fator multiplicativo K. A primeira abertura do religador permite que cerca de 80% das faltas temporárias sejam eliminadas e na segunda, em torno de 10%. Se a falta ainda persistir, o que caracteriza uma falta permanente, o fusível se funde antes da terceira abertura do religador, interrompendo assim a falta permanente (McGRAW-EDISON COMPANY). 2

Coordenação Religador-Fusível Um religador convencional é dotado de dois tipos de curva: uma curva rápida e uma família de curvas temporizadas. Na Figura a seguir para um religador ajustado em quatro operações (duas rápidas e duas lentas), a curva A representa a primeira e a segunda operação, a curva B, a terceira e quarta operação, respectivamente, para esse religador (GÖNEN, 1986). 3

Coordenação Religador-Fusível Tempo (s) C - Temporizada Extra B - Temporizada A - Instantânea Corrente (A) Típicas curvas características do religador (GÖNEN, 1986) 4

Coordenação Religador-Fusível Para que se consiga obter a proteção contra faltas permanentes, os fusíveis devem ser instalados nas entradas e ao longo dos ramais do alimentador principal. O uso de um religador como proteção de retaguarda contra faltas temporárias pode eliminar muitos desligamentos desnecessários, que ocorreriam caso fossem utilizados somente os fusíveis. Nesse caso, o religador, como dispositivo de retaguarda, pode ser instalado tanto na subestação, geralmente com a seqüência de uma operação rápida e duas temporizadas, ou em ramais laterais do alimentador principal, com duas operações rápidas e duas temporizadas (GÖNEN, 1986). 5

Coordenação Religador-Fusível O religador é ajustado para disparar no caso de uma falta temporária antes que qualquer fusível possa fundir, religando em seguida o circuito. Entretanto, se a falta for permanente, ela é eliminada pela fusão do fusível antes que o religador possa operar na sua seqüência temporizada depois de ter operado em uma ou duas seqüências rápidas (GÖNEN, 1986). A coordenação é obtida em menor sucesso quando a seqüência de operações do religador é ajustada em uma operação rápida e três temporizadas. Nessa seqüência, cerca de 80% das faltas são eliminadas na primeira abertura, mas, geralmente essa seqüência é usada com a inclusão de um seccionalizador em algum ponto intermediário entre o religador e o fusível (McGRAW-EDISON COMPANY). 6

Coordenação Religador-Fusível A Figura a seguir mostra um trecho de um sistema de distribuição em que o religador é instalado a montante do fusível. A figura também mostra a superposição das curvas do fusível C com as do religador. Se houver uma falta temporária além do ponto de instalação do fusível C, a operação rápida do religador protegerá o fusível de qualquer dano. Isto pode ser observado na figura pelo fato da curva rápida A do religador estar abaixo da curva do fusível para correntes menores desde o ponto de intersecção representado por Ib. 7

Coordenação Religador-Fusível Religador b Ib - Corrente máxima no ponto b C a Ia - Corrente mínima no ponto a Tempo (s) Curva de tempo mínimo do Fusível Curva de tempo total do Fusível Curva A Instantânea do Religador Curva B Temporizada do Religador Região de coordenação Ia Ib Corrente (A) Superposição de curvas características do Religador e Fusível (GÖNEN, 1986). 8

Coordenação Religador-Fusível Entretanto, se a falta além do fusível C for permanente, o fusível elimina a falta enquanto o religador caminha para a nova seqüência de operação (temporizada B). Na figura, isto pode ser observado pelo fato que a curva temporizada do religador estar acima da curva de tempo total do fusível para correntes maiores do que Ia. A distância entre os pontos de intersecção Ia e Ib dá o intervalo de coordenação entre o fusível e o religador. É preciso que, na coordenação entre as operações de disparo do religador e as curvas de tempo total do fusível, seja possível evitar que o fusível sofra danos durante as operações instantâneas do religador. Para isso é necessário que se leve em conta outros fatores relevantes tais como: pré-carregamento, temperatura ambiente, tolerância nas curvas, aquecimento e resfriamento dos fusíveis durante a(s) operação rápida(s) do religador. Isto, conseqüentemente, irá tornar o intervalo de coordenação mais estreito. 9

Coordenação Religador-Fusível O método exposto na Figura anterior não leva em consideração tais fatores. Assim, torna-se necessário a inclusão desses fatores para que se assegure a integridade do fusível durante as operações instantâneas do religador (McGRAW-EDISON COMPANY). Existem duas regras que viabilizam o uso de fusíveis como dispositivo protetor e religadores como dispositivo protegido, ou seja: Para todos os valores possíveis de correntes de falta no trecho protegido pelo fusível, o tempo mínimo de fusão do fusível deve ser maior que o tempo de abertura do religador na curva rápida de operação multiplicada pelo fator K, fator este característico do religador. Esses fatores de multiplicação permitem uma adaptação no tempo entre o tempo de operação do religador na curva rápida e o tempo mínimo de fusão do elo-fusível de forma a prevenir os elosfusíveis de danos e fadigas. A magnitude desses fatores varia com o número de operações rápidas e com o tempo de religamento do religador como mostra a Tabela a seguir. Note que para os valores de religamento mais curtos mostrados na Tabela, menos tempo terá o fusível para se resfriar e, portanto, maior será o fator multiplicativo. 10

Coordenação Religador-Fusível Para todos os valores possíveis de correntes de falta no trecho protegido pelo fusível, o tempo total de fusão do fusível deverá ser menor que o tempo de abertura do religador na curva temporizada. Tempo de Religamento em ciclos Fator Multiplicativo K 1 Rápida 2 Rápidas 25-30 1,2 1,8 60 1,2 1,35 90 1,2 1,35 120 1,2 1,35 Fator multiplicativo para seqüências em função do número de operações do religador com o fusível no lado da carga (ELETROBRAS, 1982). 11

Coordenação Religador-Fusível O intervalo de coordenação entre religador e fusível descrito pelas regras acima fixa novas extremidades do intervalo de coordenação como mostra a Figura a seguir. A regra 1 estabelece a máxima corrente de coordenação, enquanto que a regra 2 estabelece a mínima corrente de coordenação. A corrente máxima de coordenação é aquela obtida da intersecção entre e curva de tempo mínimo de fusão do fusível com a curva rápida do religador deslocada do fator K. A corrente mínima de coordenação é aquela obtida pela intersecção da curva do tempo total de fusão do elo fusível com a curva temporizada do religador. Quando não houver intersecção entre da curva de tempo total de fusão do fusível com a curva temporizada do religador, a corrente mínima de intersecção será a corrente de disparo de fase do religador (McGRAW-EDISON COMPANY). A seletividade é assegurada se a interseção dessas curvas coincidir com a corrente de pick-up da unidade temporizada do religador. 12

Coordenação Religador-Fusível K x Curva A Curva de tempo mínimo do Fusível Curva de tempo total do Fusível Curva A Instantânea do Religador Curva B Temporizada do Religador Curva A Instantânea do Religador multiplicada pelo fator K Tempo (s) Novo Região de Coordenação Ia Ic Ib Corrente (A) Coordenação Religador Fusível (Corrigida para aquecimento e resfriamento) (GÖNEN, 1986). 13

Coordenação Religador-Fusível Os critérios de coordenação de fase são válidos também para a coordenação do neutro. Entretanto, em alguns casos, a coordenação de neutro torna-se difícil tendo em vista os valores reduzidos das correntes de curto-circuito apresentadas, sobretudo, pelos sistemas não-efetivamente aterrados (ELETROBRAS, 1982). Quando o fator K não for conhecido, o limite superior da faixa de coordenação é obtido pela interseção entre a curva de tempo mínimo de fusão do elo fusível e a curva de operação do religador na curva retardada, quando aplicados fatores de correção às curvas. Da seguinte maneira: Onde: t' MIN FUSÃO ELO = Tempos mínimos de fusão do elo corrigidos ao longo da curva. t MIN FUSÃO ELO = Tempos mínimos de fusão do elo ao longo da curva. t' OPER. RLG. CURVA RÁP. = Tempos de operação corrigidos do religador na curva rápida. t OPER. RLG. CURVA RÁP. = Tempos de operação do religador na curva rápida. N OPER. RÁP. RLG = Número de operações rápidas do religador. 14

Coordenação Religador-Fusível Sempre que possível deve-se escolher a seqüência de operação que permita ao religador realizar 2 operações rápidas seguidas de 2 operações temporizadas, evitando a queima de um número maior de elos fusíveis, devido à faltas transitórias. 15

Coordenação Fusível-Religador Coordenação Fusível Religador (Fusível no lado da fonte) Normalmente em redes de distribuição não se aconselha a utilização de elos fusíveis a montante de religadores. Esse tipo de configuração é utilizada em subestações (geralmente rurais) onde as saídas são equipadas com religadores e a proteção do(s) transformadore(s) de força é feita com fusíveis no primário do(s) mesmo(s), conforme é mostrado na Figura a seguir (ELETROBRAS, 1982). V p Fusível Coordenação entre Fusível (no lado da fonte) e Religador V s Religador 16

Coordenação Fusível-Religador Os fusíveis situados no lado da fonte de um religador, ou protegem o sistema de faltas internas no transformador, ou protegem o transformador de faltas no barramento secundário (McGRAW-EDISON COMPANY). Esse tipo de coordenação requer que os tempo de operação rápidas do religador sejam menores que os tempo de fusão do elo para acorrentes em toda a faixa de coordenação, além disso, requer que o elo fusível seja capaz de suportar o efeito acumulativo do calor produzido por sucessivas operações do religador no lado da carga. 17

Coordenação Fusível-Religador Esses efeitos são avaliados utilizando-se as curvas de aquecimento/resfriamento dos fusíveis, ou através de fórmulas numéricas baseadas no fator de resfriamento. Essas análises podem ser simplificadas pela utilização de fatores multiplicativos que levam em conta a situação pré-carga, tolerância e efeito pré-danificação. A tabela abaixo mostra os diferentes fatores de multiplicação K, utilizados na coordenação elo fusível religador, em função do tempo de religamento e seqüência de operação do religador. Tempo de Fator Multiplicativo K Religamento em ciclos 2 Rápidas + 2 1 Rápida + 3 4 Temporizadas temporizadas temporizadas 25 2,7 3,2 3,7 30 2,6 3,1 3,5 60 2,1 2,5 2,7 90 1,85 2,1 2,2 120 1,7 1,8 1,9 240 1,4 1,4 1,45 600 1,35 1,35 1,35 Fator multiplicativo para seqüências em função do número de operações do religador com o fusível no lado da fonte 18

Coordenação Fusível-Religador As curvas características podem ser usadas para coordenar o religador com o fusível, considerando as seguintes regras: Para a máxima corrente de falta (rms - assimétrica) no ponto de instalação do religador, o tempo mínimo de fusão do fusível deve ser maior que o tempo de interrupção da curva temporizada do religador multiplicado por um fator K, cujo valor varia com a seqüência de operação do tempo de religamento. Esses fatores de multiplicação estão ilustrados na Tabela anterior. A curva característica do fusível deverá ser rebatida para o secundário do transformador multiplicando-se seus valores pela relação de transformação (V (AT) /V (BT) ). A Figura a seguir mostra o gráfico de coordenação para o caso Fusível-Religador. 19

Coordenação Fusível-Religador Tempo (s) Região de Coordenação K x Curva B Curva de tempo mínimo de fusão do Fusível referida ao o lado BT Curva de tempo máximo de fusão do Fusível referida ao o lado BT Curva de tempo mínimo de fusão do Fusível referida ao o lado AT Curva de tempo máximo de fusão do Fusível referida ao o lado AT Curva B Temporizada do Religador Multiplicada pelo fator K Curva A Instantânea do Religador Curva B temporizada do Religador B - Temporizada Curvas características para o fusível (no lado primário e secundário do transformador) e Religador A - Instantânea Limite mínimo de Coordenação Limite máximo de Coordenação Corrente (A) 20

Coordenação Fusível-Religador As curvas de tempo mínimo de fusão do fusível no lado primário do transformador estão plotadas em linhas verdes sólidas e tracejadas no gráfico da Figura anterior. Devido a coordenação ser baseada em correntes de falta no lado secundário do transformador, as curvas do fusível devem ser transpostas por meio de um fator, que é a relação de transformação (V (AT) /V (BT) ). Com isso, as curvas do fusível são rebatidas para o lado secundário e estão plotadas em linhas alaranjadas sólidas e tracejadas no gráfico anterior. A interseção da curva mínima de fusão do elo fusível com a curva de atuação lenta do religador multiplicada pelo fator K determina a máxima corrente de coordenação. Quando o fator K não for conhecido, verifica-se a coordenação para uma dada corrente de falta aplicando-se fatores de correção ao tempo mínimo de fusão do elo fusível e ao tempo de operação do religador na curva temporizada. Esse último depende do número de religamentos e tempos de operação retardada e rápida do religador, da seguinte maneira: 21

Coordenação Fusível-Religador Onde: t' MIN FUSÃO ELO = Tempo mínimo de fusão do elo corrigido para a corrente de falta. t MIN FUSÃO ELO = Tempo mínimo de fusão do elo para a corrente de falta. t' OPER. RLG. CURVA LENTA = Tempo de operação do religador na curva temporizada corrigido para a corrente de falta. t OPER. RLG. CURVA LENTA = Tempo de operação do religador na curva temporizada para a corrente de falta. N OPER. LENTA. RLG. = Número de operações temporizadas do religador. t OPER. RLG. CURVA RÁP. = Tempo de operação do religador na curva rápida para a corrente de falta. N OPER. RÁP. RLG = Número de operações rápidas do religador. 22

Coordenação Fusível-Religador Para haver coordenação: t' MÍN FUSÃO ELO t' OPER. RLG CURVA RET. Sempre que possível deve-se escolher a seqüência de operação que permita ao religador realizar 2 operações rápidas seguidas de 2 operações temporizadas, evitando a queima de um número maior de elos fusíveis, devido à faltas transitórias. 23

Coordenação Religador-Religador Coordenação Religador Religador A coordenação de religadores em série é efetuada de acordo com o modo de operação dos mesmos: Religadores operados somente pela bobina série (tipos 4H, 6H e R sem ground trip). Religadores operados por bobina série e bobina de fechamento (tipos R e RV). Religadores operados por controle eletrônico (tipos KF e RVE). 24

Coordenação Fusível-Religador Coordenação Religador Religador Todos os métodos de coordenação religador x religador são baseados na suposição de que na base de 60 ciclos, dois religadores em série com curvas tempo x corrente separadas menos que 2 ciclos (0,033s) operarão sempre simultaneamente. Se separados entre 2 e 12 ciclos (0,2s) poderão operar simultaneamente e se separados mais de 12 ciclos não operarão simultaneamente. Religadores operados somente por bobina série: Por ordem crescente de aplicação os métodos são os seguintes: 25

Coordenação Religador-Religador Bobinas de capacidades nominais diferentes e mesma seqüência de operação: Neste caso a corrente máxima em que haverá coordenação é obtida pela identificação do ponto em que a separação entre as curvas de no mínimo 0,2s. 26

Coordenação Religador-Religador Bobinas de mesma capacidade nominal e diferentes seqüências de operação: As diferentes seqüências de operação podem ser obtidas das seguintes maneiras: Ajustando-se o religador protetor com maior número de operações rápidas em relação ao protegido. 27

Coordenação Religador-Religador Reduzindo-se o número total de operações do religador protetor em relação ao protegido. Bobinas de capacidades nominais e seqüência de operação diferentes 28

Coordenação Religador-Religador Religadores operados por bobina série e bobina de fechamento: Neste tipo de religadores, a coordenação através dos sensores fase-terra poderá ser obtida (verificando limitações de coordenação a montante) através da escolha de curvas mais retardadas para o religador protegido, para uma mesma ligação e tipo de TC. Religadores operados por controle eletrônico: Coordenar as unidades pela seleção adequada dos níveis de disparo mínimo e curvas tempo x corrente, respeitando o tempo de coordenação de 0,2s. Escolher os intervalos de religamento de modo que o religador de retaguarda esteja fechado no instante do fechamento do religador protetor. Escolher os intervalos de rearme de modo que cada religador possa cumprir a sua seqüência predeterminada de operações, para todas as condições de falta. 29

Coordenação Religador-Religador A corrente mínima de disparo do religador de retaguarda deve ser igual ou maior que a do religador protetor, de modo que este opere antes do religador de retaguarda. Os intervalos e rearme devem ser coordenados com a seqüência de operação de cada religador, para impedir rearme durante a seqüência de operações com corrente próxima da de disparo mínimo. O valor teórico para o tempo de rearme pode ser calculado da seguinte maneira: Tempo de rearme = 1,1 x (tempo total de todas as operações de abertura para a corrente de disparo mínimo) + 1,15 x (total de intervalos de religamento) O intervalo de rearme do religador de retaguarda deve ser igual ou maior que o tempo de rearme do religador protetor. Como o tempo de abertura para as curvas de terra é geralmente maior do que para as de fase, aquelas são geralmente utilizadas para calcular o tempo de rearme teórico, quando o religador é equipado com acessório de disparo para defeitos de terra. 30