Congreso Internacional de Distribución Eléctrica CIDEL 2014 Aplicabilidade de Transformadores de Corrente de Baixa Relação de Transformação Acoplados a Relés de Sobrecorrente Digitais em Circuitos com Altas Correntes de Falta, Considerando o Efeito da Saturação. Rogério Eduardo Sonza 1,2, Matias Rossato Muraro 1,3, Ghendy Cardoso Junior 1, Lenois Mariotto 1 1 Universidade Federal de Santa Maria UFSM, 2 STEMAC S/A Grupos Geradores, 3 IFRS - Câmpus Restinga E-mail: rsonza@ibest.com.br; matiasmuraro@yahoo.com.br; ghendy@ufsm.br; Universidade Federal de Santa Maria, Campus Universitário, 1000, Camobi, CT, Prédio 10, LAPES, Sala 509, Santa Maria Rio Grande do Sul - Brasil Palavras-Chave: Saturação, Transformador de Corrente, TC, RTC, Relé de sobrecorrente. RESUMO O dimensionamento de transformadores de corrente (TCs) é fator fundamental para o correto funcionamento dos relés de proteção, entretanto quando a corrente nominal do sistema a ser protegido é muito inferior a corrente de curto-circuito no ponto de instalação a precisão da medição fica comprometida. Para melhorar a resolução dos valores de corrente lidas pelos relés de proteção, propõemse a redução da relação de transformação do TC, de modo a garantir maiores correntes absolutas nos intervalos de carga nominal, porém sem perder as garantias de sensibilização do relé de proteção para as altas correntes de curto-circuito. A metodologia proposta neste trabalho parte da premissa de que os ajustes da proteção do sistema sejam proporcionais ao seu pequeno tamanho em relação ao sistema elétrico em que está conectado. Desta forma, quando o TC é submetido a uma corrente elétrica maior que a corrente primária multiplicada pelo fator de sobrecorrente, garante-se uma corrente mínima secundária para sensibilizar o pickup do relé de sobrecorrente instantâneo, mesmo com a ocorrência de saturação do fluxo magnético do núcleo do TC. As simulações mostram que como a região de atuação da proteção de sobrecorrente temporizada fica limitada ao máximo ajuste da proteção de sobrecorrente instantânea, o seu desempenho não sofre alteração dentro deste intervalo. Como resultado final se obtém uma maior resolução de leitura da corrente para o intervalo de atuação da função de proteção de sobrecorrente temporizada, podendo-se realizar um ajuste mais fino no que se refere a sobrecargas e proteções de detecção de ilhamento da geração distribuída. 1
1. Introdução A utilização de transformadores de corrente (TCs) para replicar altas correntes do sistema elétrico de potência para medidores e relés de proteção em menor escala é o método amplamente utilizado pelos projetistas de sistemas elétricos. Para a correta aplicação dos TCs, busca-se garantir que os mesmos suportem as altas correntes de falta sem deixar de disponibilizar no seu secundário corrente elétrica proporcional a corrente elétrica que está submetido o enrolamento primário, dentro dos valores de precisão declarados pelo fabricante, ou seja sem ocorrer a saturação do TC. Caso os TCs não sejam bem dimensionados, estes poderão estar sujeitos ao fenômeno de saturação, deixando de replicar a corrente secundária com a fidelidade esperada levando os TCs a operar fora da classe de exatidão para qual foram construídos Para TCs de proteção, objetivo de estudo desse trabalho, é determinado por [5] que para aplicação no Brasil, que para correntes superiores a 20 vezes a corrente nominal do TC o mesmo não mais atenderá a precisão declarada visto que entra na região não linear de excitação devido aos efeitos da saturação de seu núcleo. Sendo a mesma situação apresentada pelas normas IEEE [3-5]. Porém, em sistemas onde a corrente nominal de carga é muito menor que a corrente nominal dos TCs, abaixo de 50%, pode se ter dificuldades de garantir a atuação da proteção de sobre-carga. Outro problema decorrente de se utilizar TCs com grandes relações está na relacionado aos ajustes das proteções relacionadas à geração distribuída, podendo levar os ajustes a serem realizados em uma faixa inferior a 10% da corrente nominal do TCs, não possibilitando uma correta medição e conseqüente correta atuação das proteções de detecção de ilhamento. Dessa forma, por métodos de ajustes tradicionais, não se consegue garantir o correto funcionamento das proteções que necessitam de leituras de corrente devido a duas situações antagônicas: altas relações de transformação dos TCs podem levar a não leitura de baixos valores de corrente e baixos valores de relação de transformação, o que possibilita a leitura de baixos valores de corrente, pode levar a erros que afetarão o tempo de atuação das proteções para grandes valores de corrente. Assim. considerando os estudos realizados para averiguação da resposta de relés digitais de sobrecorrente, acoplados em TCs submetidos a corrente elétricas que promovam o efeito de saturação [1-2;6-9], é elaborada uma proposta de aplicabilidade em conjunto de TCs e relés de proteção, visando garantir a operação segura em toda faixa de ajuste das proteções de sobrecorrente, considerando que, mesmo que o TCs venha a saturar, existirão garantias de funcionamento das proteções temporizada e instantânea. 2. Proteção de sobrecorrente As proteções de sobrecorrente possuem geralmente dois tipos distintos de curvas que podem operar simultaneamente, com ajustes independentes para cada uma delas. São a proteção de sobrecorrente temporizada (51/51N) e a proteção de sobrecorrente instantânea (50/50N), para fase e para neutro respectivamente. Em relés de proteção microprocessados ambas as proteções utilizam os valores RMS das correntes para a determinação dos tempos de atuação. Para o ajuste da função de sobrecorrente temporizada (51/51N) geralmente é utilizada uma curva padronizada (IEC) do tipo tempo dependente, cujas permitem sobrecargas momentâneas antes do efetivo comando de abertura dos circuitos protegidos de acordo com suas respectivas características. Já para o ajuste da função de sobrecorrente instantânea (50/50N), o ajuste é do tipo tempo definido (0 segundos) para qualquer valor de corrente acima do ajustado. Essa combinação de ajustes resulta em uma curva de proteção como a mostrada na Figura 1. 2
Figura 2 Figura 1 Deste modo, pode-se verificar que qualquer valor de corente RMS que atinja o valor do pickup do ajuste da proteção de sobrecorrente instantânea irá sensibilizar o relé de proteção e ocasionará o comando de abertura do circuito a ser protegido. A função de sobrecorrente temporizada somente irá atuar para o caso de faltas de menor magnitude que a valor ajustado para o pickup da função de proteção instantânea e maior que o pickup da proteção temporizada. Com base em [11] foi simulada a resposta de um TC com relação de transformação (RTC) de 40 vezes e máxima tensão nominal secundária de 100V, considerando uma corrente de falta de 4kA, com relação X/R igual a 1 e burden de 0,6Ω. O resustado da corrente secundária refletida por este TC fica dentro da resposta ideal esperada, sem que ocorra qualquer tipo de saturação. Como mostrado na Figura 2. Mantendo as características da primeira simulação e aumentando o burden do TC para 1,5Ω, pode ser observado que a reposta do TC, não mais acompanha a resposta ideal esperada, indicando que ocorreu saturação, o resustado obtido é apresentado na Figura 3. 3. Causas da saturação de TC A saturação dos TCs pode ocorrer devido a vários fatores, dentre eles o elevado valor da carga secundária burden, o elevado valor do curto-circuito, pela presença de componentes assimétricas (offset DC) na corrente de falta e pelo fluxo remanescente [10]. Sempre que ocorre a saturação do TC a forma de onda da corrente refletida no secundário do TC sofre alteração quando comparada com a forma de onda esperada de um TC ideal. Essa alteração no formato de onda implica diretamente na alteração do valor RMS fundamental do sinal, diminuindo seu valor em relação ao sinal esperado do TC ideal. 3 Figura 3 Mantendo as características da primeira simulação e aumentando a amplitude da corrente de curto circuito para 12kA também ocorre a saturação do TC como pode ser visto na Figura 4. Este tipo de saturação gera uma resposta muito similar à saturação que ocorre quando aumentado o burden.
o TC não entre em saturação. O aumento da RTC para satisfazer o fator de sobrecorrete normatizado faz com que a corrente nominal de carga fique abaixo de 10% do valor da corrente primária, gerando imprecisões na medição. Figura 4 Mantendo as características da primeira simulação e aumentando a relação de X/R para 20, ocorre a assimetria no inicio da falta que implica em uma elevada corrente inicial, esse fato implica na saturação do TC como pode ser visto na Figura 5. Figura 5 4. Aplicabilidade de TCs de baixa RTC acoplados a relés de sobrecorrente digitais em circuitos de distribuição com altas correntes de falta Para o dimensionamento de TCs de proteção alguns critérios são observados, entre eles a verificação da corrente nominal do sistema a ser protegido, bem como o valor das correntes de falta. Entretanto, em sistemas de distribuição, muitas vezes é necessário realizar a proteção de pequenos sistemas, que estão conectados em redes de distribuição onde valor da corrente de falta muitas vezes ultrapassa 20 vezes a corrente nominal de carga. Quando este fato ocorre, muitas vezes é necessário elevar a RTC do TC para garantir que Como a ordem de grandeza dos ajustes das proteções são proporcionais a pequena carga do sistema a ser protegido, a análise proposta é que o TC a ser utilizado deve garantir, mesmo durante a saturação, no mínimo a corrente ajustada para o pickup da função de sobrecorrente instantânea (ANSI 50). Ou seja, para correntes desde zero até a corrente ajustada para o pickup da função ANSI 50 o TC não poderá saturar, pois estes valores de corrente devem ser precisos para não comprometer o desempenho da função de sobrecorrente temporizada (ANSI 51). O ajuste da função ANSI 50 do sistema a ser protegido, por ser proporcional a carga ou dependente da corrente de inrush dos transformadores é baixo, o que implica em garantir a não saturação do TC em uma pequena faixa de correntes de curto circuito. Para correntes maiores que a ajustada para a função ANSI 50, o TC poderá saturar desde que mantenha em seu secundário a mínima corrente do pickup ajustado. Um exemplo de aplicação para elucidar o método proposto é o dimensionamento dos TCs para a proteção de um consumidor com potência instalada de 500kVA em, conectado a um sistema de distribuição de 13,8kV, com corrente de falta de 6kA e valor de X/R igual a 4. Será utilizada como carga de burden de 0,5Ω e o secundário deverá ser 5A. Se o dimensionamento do TC for executado com base na corrente de curto circuito e o fator de sobrecorrente, a mínima corrente primária do TC deverá ser de 300A, ou seja, a corrente de falta dividida pelo fator se sobrecorrente, perfazendo uma RTC de 60. Caso se utilize esta RTC para que não ocorra a saturação do secundário é necessária utilizar um TC com tensão de saturação de 200V. A resposta deste TC é apresentada na Figura 6. 4
Figura 6 Pode se observar que o TC praticamente não satura em nenhum ponto da curva, tanto em seu valor de pico, como o valor RMS. A análise alternativa proposta parte da premissa que o máximo valor RMS que o TC necessita replicar em seu secundário é o valor da corrente de pickup do ajuste da função ANSI 50, (acrescido de um fator de segurança) e manter esse valor para a sensibilização do relé. Deste modo a analise inicia a partir da corrente nominal da instalação, de 20,92A e a corrente de magnetização do transformador (Inrush), que pode ser considerada como sendo 8 vezes a corente nominal (valor médio, visto que cada concessionária possui uma premissa para o cálculo deste valor, que é a base do ajuste da função ANSI 50), ou seja 167,36A. Os valores típicos a serem atribuído para os ajustes de pickup das proteções ANSI 50 e ANSI 51 são 120% da corrente de magnetização e 110% da corrente nominal respectivamente. Do ponto de vista dos valores das correntes de pickup das proteções ANSI 50 e ANSI 51 (200A e 23A respectivamente) a corrente primária do TC pode ser definida com sendo 50A. Para essa demonstração será utilizada uma tensão de saturação de 50V. A resposta de um TC com RTC de 10 e tensão de saturação e 50V pode ser visualizada na Figura 7. Figura 7 Facilmente é percebida a saturação do se secundário, entretanto, para sabermos se o sistema de proteção será afetado pela saturação será acrescentado ao valor do ajuste da função ANSI 50 um fator de segurança de 20% e comparada a corrente RMS mínima necessária para sensibilizar o relé de proteção. Para isso foi adicionado ao gráfico de resposta obtido anteriormente, a projeção da corrente de pickup, acrescida do fator de segurança. Na Figura 8 pode ser observado uma ampliação da Figura 7 adicionada da linha de ajuste de pickup. Figura 8 Claramente se percebe que o valor necessário para sensibilizar o pickup ajustado no relé de proteção função ANSI 50 é atingido tanto pelo TC em estado de saturação quanto pelo TC ideal no mesmo instante o que não ocasiona atraso de atuação desta função. Também foram simulados outros níveis de curto circuito, 5
variando no intervalo do valor de pickup do ajuste da função ANSI 50 até 6kA. Para curtos circuitos de magnitude inferior ao do valor de pickup da proteção ANSI 50 (200A) o TC em questão não sofre efeitos de saturação como demonstrado na Figura 9. Figura 9 Como nos valores de corrente de falta situados no intervalo compreendido entre o valor da corrente de pickup da função ANSI 51 (23A) e do valor de pickup da proteção ANSI 50 (200A), não ocorre a saturação do TC a função de proteção ANSI 51 não é sofre alteração no seu desempenho. 5. Conclusão O método de análise proposto visa garantir maior precisão de medição dentro dos intervalos nominais, sem perder a garantia de sensibilização do relé durante as altas correntes de falta. Esse ganho de precisão propicia a utilização dos mesmos TCs quando do acréscimo de proteções de sobrecorrente direcional (ANSI 67) e potência reversa (ANSI 32R), necessárias quando da utilização de geração distribuída (GD). Com base nos resultados das simulações pode-se garantir que mesmo durante o estado de saturação do TC o mesmo garante a sensibilização das proteções ANSI 50 e ANSI 51, sem que as mesmas sofram prejuízos em seus desempenhos, entretanto cabe resaltar que o método deve ser revisto caso qualquer premissa de dimensionamento seja alterada. 6. Referências [1] I. M. El-Amin e N. H. Al-Abbas, "Saturation of current transformers and its impact on digital overcurrent relays," in Proc. 2006 Transmission and Distribution Conference and Exposition: Latin America, Caracas, Venezuela, 15-18 de Agosto, pp. 1-6. [2] Lj. A. Kojovic, "Impact of current transformer saturation on overcurrent protection operation," in Proc. 2002 IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, vol. 3, pp. 1078-1083. [3] IEEE Standard Requirements for Instrument Transformers, IEEE Standard C57.13-2008, Julho 2008. [4] IEEE Guide for the Application of Current Transformers Used for Protective Relaying Purposes, IEEE Standard C37.110-1998, Janeiro 1999. [5] Associação Brasileira De Normas Técnicas. NBR 6856: Transformadores de corrente. Rio de Janeiro, 1992. [6] R. Cossé, D. Dunn and R. Speiwak, CT Saturation calculations are they applicable in the modern world? Part I, the question, in IEEE PCIC Conference Record, 2005 [7] R. Cossé, D. Dunn, R. Speiwak, S. Zocholl, T. Hazel, D. Rollay CT saturation calculations are they applicable in the modern world? Part II, Proposed responsibilities, in IEEE PCIC Conference Record, 2007 [8] R. Cossé, D. Dunn, R. Speiwak, J. Bowen CT saturation calculations are they applicable in the modern world? part iii, low-ratio, high-current CT/microprocessor relay comparisons at a high-current testing laboratory, in IEEE PCIC Conference Record, 2008 [9] R. Cossé, D. Dunn and R. Speiwak, CT saturation calculations are they applicable in the modern world? part iv: CT sizing as per iec standards and the benefits of non-conventional instrument transformers, in IEEE PCIC Conference Record, 2009 [9] R. Cossé, D. Dunn and R. Speiwak, CT saturation calculations are they applicable in the modern world? Part IV: CT sizing as per IEC standards and the benefits of non-conventional instrument transformers, in IEEE PCIC Conference Record, 2009 [10] A. L M Coelho, P. M. Silveira, Análise da resposta transitória de transformadores de corrente de proteção e o impacto em relés de sobrecorrente numéricos, in The International Conference on Advanced Power System Automation and Protection, 2011. [11] SWIFT, G. CT saturation Theory and Calculator. IEEE Power System Relaying Committe (PSRC), pp 1-9, 2001. 6