Cap 03 - Proteção diferencial

PROTEÇÃO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO

TEORIA E PRÁTICA

Parte I: Conceitos e Definições

Cap 03 : Proteção Diferencial

Resumo

Este texto apresenta os conceitos de proteção diferencial aplicadas a elementos do sistema elétrico.

1. INTRODUÇÃO

O conceito de proteção diferencial constitui uma alternativa simples e eficiente para proteção de linhas de transmissão, tendo em vista sua natural seletividade, isto é, só é sensibilizada para defeitos no elemento protegido. Há várias formas de implementação de uma proteção diferencial, variando em função do comprimento da linha e da tecnologia empregada.

Para linhas muito curtas, podem ser utilizados os esquemas convencionais onde os TCs das duas extremidades são conectados em paralelo, formando uma malha diferencial. Neste arranjo, o relé diferencial é instalado num dos terminais e ligado em paralelo com a malha. No caso de linhas não tão curtas, onde a interligação dos TCs se torna inviável, a proteção por fio piloto é uma alternativa de aplicação do conceito diferencial.

Quando se dispõe de tecnologia digital, é possível a implementação de proteções diferenciais, qualquer que seja o comprimento da linha, desde que se disponha de meios de comunicação eficientes.

Outra modalidade de proteção diferencial é a comparação de fase. Este tipo de proteção também pode ser aplicado a linhas de transmissão de qualquer comprimento.

A seguir, serão abordados os esquemas mais comuns de proteção diferencial.

2. PROTEÇÃO DIFERENCIAL CONVENCIONAL

Esta proteção baseia-se na primeira lei de Kirchhoff, ou seja, a somatória das correntes que entram num determinado elemento do sistema (linha, barra etc.) é igual à somatória das correntes que dele saem. A proteção diferencial, portanto, compara as correntes de entrada com as correntes de saída e eventuais diferenças entre elas são indícios de condições anormais no equipamento protegido. A figura 1 ilustra o conceito básico da proteção diferencial.

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Figura 1. Esquema básico de proteção diferencial.Em condições normais de operação

ou de falta externa (falta em F, por exemplo), as correntes I’1 e I’2

permanecem iguais entre si e, portanto, I1 será igual a I2.

Se o elemento protegido é uma linha de transmissão, os TC’s 1 e 2 têm relações de transformação iguais. Neste caso, a corrente diferencial que circula pelo relé 87 é nula e ele não opera:

(1)

Na ocorrência de faltas internas (na região situada entre os dois TC’s), as correntes de entrada e saída deixam de ser iguais, resultando numa corrente diferencial não nula. Neste caso, o relé opera e isola o equipamento protegido. A figura 2 mostra um exemplo de falta interna, com inversão da corrente I’2

(alimentação bilateral).

Figura 2. Circulação de corrente na malha diferencial para falta interna.

Este esquema opera corretamente, mesmo não havendo contribuição do terminal da direita para a falta (terminal fraco ou sistema radial).

3. PROTEÇÃO DIFERENCIAL PERCENTUAL

A exposição acima é válida para condições ideais.

Na prática, é preciso considerar erros próprios dos TCs e curvas de saturação diferentes implicando em correntes I1 e I2 desiguais, o que resultaria em corrente diferencial diferente de zero, podendo provocar a operação do relé para faltas externas. A solução clássica para este problema é a aplicação de relés diferenciais percentuais.

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Figura 3. Proteção diferencial percentual.Esta proteção baseia-se no mesmo

princípio (compara as correntes de entrada e saída do equipamento protegido e opera em função da diferença entre elas), mas inclui um “conjungado” de restrição proporcional à média das correntes de entrada e saída. O relé é ajustado para operar quando a corrente diferencial alcançar uma determinada percentagem da corrente média de restrição. A figura 3 mostra o arranjo típico dessa proteção.

O relé, neste caso, tem dois ajustes: pickup e slope. O ajuste de pickup define a mínima corrente diferencial necessária para operar o relé. O ajuste de slope define a relação entre a corrente diferencial e a corrente média de restrição, isto é, para uma dada corrente média de restrição, o slope determina a corrente diferencial necessária para operar o relé. O slope é dado pela equação abaixo:

(2)

Normalmente o slope é expresso em percentagem, multiplicando-se a relação acima por 100 (cem). Assim, para

que o relé opere, a corrente diferencial deve atingir o ajuste de pickup e, simultaneamente, exceder uma certa percentagem da corrente média de restrição. Esta característica pode ser representada por uma reta cuja inclinação é dada pelo slope, conforme mostra a figura 4.

Figura 4. Característica do relé diferencial percentual.

A relação entre a ordenada e a abscissa é o slope ou declividade da característica. Em geral, o slope é ajustado entre 5% e 20%. Quando se trata de proteção de transformadores, o ajuste situa-se entre 10% e 50%.

A figura 5 mostra as ligações de uma proteção diferencial percentual para as três fases de uma linha de transmissão.

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Figura 5. Ligação dos relés diferenciais percentuais nas três fases.

4. PROTEÇÃO POR FIO PILOTO

A proteção por fio piloto é uma modalidade de proteção diferencial. É adequada como alternativa para linhas curtas onde a aplicação de proteção diferencial convencional se torna inviável devido à distância.

Com dois relés, um em cada extremidade da linha de transmissão, é possível protegê-la contra faltas entre fases e faltas fase-terra. Um relé em cada terminal supervisiona o fio piloto. A idéia básica da proteção é mostrada no esquema da figura 6.

Figura 6. Proteção diferencial de linhas, usando fio piloto.

As correntes I1 e I2 oriundas dos TCs, após circular por um transformador, dá origem às tensões V1 e V2, proporcionais às correntes e à impedância de transferência dos transformadores. Estas

tensões são aplicadas às bobinas de restrição e, através das bobinas de operação, ao fio piloto, o qual interliga os relés de cada extremidade da linha.

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Observando a figura 6, conclui-se que o conjugado de restrição em cada relé é proporcional à respectiva tensão. O conjugado de operação, entretanto, é proporcional à diferença entre as tensões V1 e V2.

Supondo uma condição normal de operação ou uma falta externa, as tensões serão aproximadamente iguais e opostas. Assim, a restrição será muito grande e praticamente não haverá circulação de corrente nas bobinas de operação. No caso de uma falta interna, V1 e V2 ficarão diferentes, podendo inclusive ser aditivas (mesmo sentido), se o sistema não for radial. Desse modo, o conjugado de operação será maior que o conjugado de restrição e os dois relés operarão, desligando a linha de transmissão.

5. PROTEÇÃO DIFERENCIAL DIGITAL

A proteção diferencial percentual estudada anteriormente pode ser facilmente implementada graças ao estágio atual da tecnologia digital, com a vantagem de se aplicar a qualquer comprimento de linha de transmissão.

Admitindo que amostras da corrente em cada terminal sejam obtidas simultaneamente, uma relação diferencial percentual, amostra por amostra, pode ser calculada para identificar a presença de uma falta. Um relé em cada terminal aquisita a amostra da corrente local e a amostra da corrente do terminal remoto, transmitida, por exemplo, por um canal ótico. De posse das amostras local e remota, o relé executa o seguinte algoritmo:

id (k) = i1 (k) + i2 (k) ir (k) = i1 (k) - i2 (k) id (k) < K ir (k), não desliga

o disjuntor id (k) > K ir (k), desliga o

disjuntor,

Onde: i1 (k) e i2 (k) = k-ésima amostra das correntes I1 e I2 ;

id (k) = corrente diferencial;ir (k) = corrente de restrição;K = slope da característica

diferencial percentual;

A direção de referência é considerada positiva quando as correntes fluem para dentro da zona protegida, isto é, da barra para a linha de transmissão. A corrente de restrição pode ser determinada também a partir da média das correntes em cada terminal da linha.

Se a estimação das correntes diferencial e de restrição é feita numa base amostra por amostra, conforme exemplificado acima, é necessário executar o algoritmo com várias amostras consecutivas para confirmar a ocorrência de uma falta interna e garantir que a corrente diferencial calculada não foi resultante de uma amostra anormal de uma das correntes.

Uma decisão mais segura pode ser obtida se a comparação for feita com fasores estimados a partir de i1 (k) e i2 (k).

Para calcular os fasores, utiliza-se algum algoritmo que elimine a influência da componente CC das correntes de falta. A equação diferencial percentual em termos de fasores é semelhante à versão amostra por amostra vista acima:

Id = |I1 + I2| Ir = |I1 - I2|

Onde:Id < K Ir , não desliga o disjuntorId > K Ir , desliga o disjuntor,

Esta proteção apresenta algumas vantagens tais como a possibilidade de aplicação a linhas multiterminais, insensibilidade a oscilações de potência, impedâncias mútuas, compensação série capacitiva, etc. Por outro lado, é muito exigente em termos de comunicação (fibra ótica) e requer um esquema eficiente de sincronização das amostras entre terminais remotos. A figura 7 mostra um exemplo de arranjo da proteção.

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Figura 7. Proteção diferencial digital.

6. PROTEÇÃO POR COMPARAÇÃO DE FASE

Esta proteção, semelhante aos esquemas diferenciais, consiste em comparar o ângulo de fase das correntes nos dois terminais da linha de transmissão para identificar a existência de faltas internas. A figura 8 mostra o conceito de comparação de fase, supondo uma condição normal de operação ou a ocorrência de uma falta externa.

Observando-se a figura 8, conclui-se que a corrente de carga normal ou de uma falta externa produz correntes secundárias em oposição de fase entre os dois terminais, em razão da ligação dos TCs. Cada uma dessas correntes senoidais é transformada em onda quadrada, tendo como nível de chaveamento o eixo “zero”, e são transmitidas, via carrier ou outro meio de comunicação, para o terminal remoto, para comparação.

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Figura 8. Princípio de comparação de fase: falta externa.

Neste estudo inicial, não se considera o tempo de retardo do equipamento de comunicação nem a defasagem produzida pela característica complexa da linha de transmissão.

Cada terminal da linha compara, por exemplo, através de uma lógica “E”, a forma de onda local, quadrada, com a onda quadrada recebida do terminal remoto. Na condição mostrada na figura 8 (operação normal ou falta externa), as entradas do comparador estão em oposição de polaridade e a sua saída permanece continuamente em zero, pois

não ocorre coincidência lógica (nível “1” simultaneamente nas duas entradas). Desse modo, a proteção não produz saída e não desliga a linha, pois se trata de falta externa ou condição normal de operação.

A figura 9 ilustra uma condição de falta interna, onde os dois terminais alimentam a falta, de forma que, no terminal da direita, a corrente se inverte em relação ao seu sentido normal de suprimento da carga.

Figura 9. Princípio de comparação de fase: falta interna.Neste caso, as duas correntes

secundárias ficam em fase e produzem ondas quadradas também em fase. Como resultado, cada terminal obterá coincidência (saída “1” na lógica “E” que compara os sinais Local e Remoto), produzindo a abertura dos dois terminais da linha.

A figura 10 apresenta uma condição de falta interna que mantém corrente de saída (outfeed) no terminal da direita, devido às características próprias da falta e do sistema elétrico (fonte fraca do lado direito).

Uma proteção de comparação de fase convencional conforme descrita acima não é capaz de detectar este tipo de falta, pois as correntes dos dois terminais da linha possuem amplitudes muito diferentes, mas conservam a oposição de fase. Esta proteção faz o quadramento da senóide no eixo “zero” e, assim, vê esta falta como se fosse externa, erroneamente.

Neste caso, portanto, não ocorre coincidência, pois as formas de onda estão em oposição de fase.

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Figura 10. Princípio de comparação de fase: falta interna com outfeed.

A condição de falta com “outfeed” não é comum, mas pode surgir principalmente nas seguintes situações:

linhas radiais de alta potência; terminais fracos ou de baixa

potência; linhas com mais de dois terminais; faltas monofásicas para a terra,

com alta resistência; rompimento de condutor e falta

monofásica para a terra, num dos lados do condutor;

linhas paralelas com compensação série;

7. COMPARAÇÃO DE FASE COM CHAVEAMENTO DESLOCADO

A solução para faltas internas com outfeed e a melhoria da confiabilidade das proteções de comparação de fase são obtidas através da geração de ondas quadradas com níveis de chaveamento distintos e deslocados em relação ao eixo “zero”.

Em cada terminal, a proteção gera, por exemplo, os sinais LP e LN (local positivo e local negativo), com deslocamentos negativos, isto é, com níveis de chaveamento abaixo do eixo “zero” da corrente da linha. O

deslocamento de LN é maior que o de LP. Estes sinais são comparados com os sinais recebidos pelo carrier ou outro meio de comunicação adequado. Um terceiro sinal de onda quadrada, IKEY, é também gerado em cada terminal e transmitido para o terminal remoto. O sinal IKEY tem deslocamento positivo, ou seja, nível de chaveamento acima do eixo “zero”, com módulo maior que LP e menor que LN. O sinal IKEY recebido do terminal remoto dá origem a dois sinais: TP e TN (trip positivo e trip negativo). O sinal TP é o próprio IKEY, com o retardo de tempo introduzido pelo canal. O sinal TN é o inverso de TP, a menos de um retardo de meio milisegundo, para aumento de segurança, quando ambos os sinais possuem nível lógico “zero”.

Em cada terminal, a proteção incorpora dois comparadores, COMP P e COMP N, que podem ser, cada um deles, uma lógica “E”. O COMP P compara os sinais LP (local) com TP (remoto). O COMP N compara os sinais LN (local) e TN (remoto).

A figura 11 mostra as comparações realizadas pela proteção nos dois terminais, para uma condição normal ou falta externa. Neste estudo, não estão sendo considerados os retardos de tempo introduzidos pelo canal de comunicação.

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Figura 11. Comparação de fase com chaveamento deslocado: falta externa.

Na hipótese de falta externa, as saídas dos comparadores P e N ficam continuamente em “zero” lógico, pois não ocorre simultaneidade entre os sinais locais e remotos.

A geração dos sinais deslocados do eixo dos zeros aumenta a segurança, pois, nessa condição de falta externa, o deslocamento dispõe as entradas dos comparadores da seguinte forma: no COMP P, o sinal TP só vai para “1” um tempo t1 depois de o sinal LP descer para “0”; analogamente, no COMP N, o sinal LN só vai para “1” um tempo t2 depois de TN descer para “0”.

Em ambas as situações, as duas entradas ficam em “zero” durante os respectivos tempos t1 e t2. Isto produz saída lógica "zero". Esses tempos possibilitam a manutenção das saídas em

"zero", mesmo em condições extremas de falta externa, aliada à defasagem produzida pelas características complexas da linha, tanto no semiciclo positivo, como no semiciclo negativo.

Como se mostra na figura 11, a proteção do terminal da direita, de maneira análoga, mantém a saída dos comparadores em "zero" nos dois semiciclos da senóide de corrente, de forma a não produzir abertura para faltas externas ou fluxo normal de carga.

A figura 12 mostra a comparação desempenhada pelos dois terminais da linha, na presença de uma falta interna, alimentada pelas duas extremidades. Neste caso, ocorre o alinhamento em fase das duas senóides de corrente, isto é, a comparação de fase devido à inversão do fluxo de corrente no terminal da direita.

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Figura 12. Comparação de fase com chaveamento deslocado: falta interna.

Pela análise da figura, observa-se saída nos comparadores P dos dois terminais no semiciclo positivo, bem como saída nos comparadores N dos dois terminais no semiciclo negativo. Assim, cada terminal gera dois pulsos de saída por cada ciclo da senóide de corrente. Esse sinal de saída deve produzir

abertura (trip), nos dois terminais da linha.

A figura 13 mostra a comparação executada pelo terminal da esquerda (terminal forte) e terminal da direita na presença de uma falta interna com outfeed no terminal da direita.

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Figura 13. Comparação de fase com chaveamento deslocado: falta interna com outfeed.Neste exemplo, o terminal da direita

não alimenta a falta por se tratar de um terminal fraco, de forma que as correntes continuam em oposição de fase, de maneira semelhante a uma condição de carga normal ou de falta externa.

Admitindo, inicialmente, que a corrente no terminal fraco não ultrapasse o nível de LP, IKEY e LN permanecem continuamente em "0" e LP continuamente em "1".

No terminal forte (esquerda), deve ocorrer coincidência de nível lógico "1" entre LN e TN (contínuo em "1"), no semiciclo negativo. Isto produz saída "1" no COMP N, enquanto LN for nível lógico "1", o suficiente para gerar abertura local.

Nessas condições, o terminal fraco produz saída "1" através do COMP P, enquanto TP estiver em "1", tendo em vista que o sinal LP fica continuamente em "1", pois o nível de corrente não ultrapassa LP. Essa saída do comparador P é suficiente para produzir abertura local (terminal da direita).

Supondo que a corrente de outfeed ultrapasse o nível de LP, não haverá coincidência no terminal da direita (saída no comparador P) e, portanto, a proteção não produzirá comando de abertura local.

Entretanto, mesmo nessas condições raras de falta com outfeed, o terminal fraco poderá ser aberto por transferência de disparo, comandada pelo outro terminal (terminal forte).

8. VANTAGENS DA PROTEÇÃO POR COMPARAÇÃO DE FASE

O sistema de comparação de fase estudado baseia-se no princípio de proteção diferencial. Os ângulos de fase relativos das correntes nos terminais de uma linha são comparados para determinar se a somatória das correntes que entram na linha de transmissão é diferente de zero. Um relé diferencial real, seguro, exigiria também uma verificação da magnitude da somatória. Entretanto, os requisitos de canal de comunicação podem ser mantidos num nível modesto se apenas a informação de fase é trocada.

Um esquema de comparação de fase segregado aplica o critério de comparação para cada uma das correntes de fase, ao passo que um sistema de comparação de fase combinado usa uma grandeza CA única derivada de todas as três correntes de fase para realizar a

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comparação. Obviamente, no último caso os requisitos de comunicação são substancialmente reduzidos.

Um sistema de proteção de comparação de fase é particularmente adequado no caso de linhas de transmissão com compensação série capacitiva. Também, já que a comparação é feita apenas com correntes, nenhuma entrada de tensão é necessária para tais sistemas. É importante lembrar que, se o sistema de comunicação falhar, a função de comparação de fase torna-se totalmente inoperante.

De uma maneira geral, a proteção por comparação de fase apresenta algumas vantagens, entre as quais se destacam as seguintes:

a comparação de fase é processada a cada meio ciclo, proporcionando um funcionamento em base de tempo real;

pode ser aplicada para proteção de qualquer linha de transmissão que requeira alta velocidade de atuação e elevado grau de confiabilidade;

não é afetada pela freqüência do sistema de potência;

não requer filtros, defasadores, compensadores ou circuitos detectores de componentes simétricas, os quais, além de introduzirem retardo de tempo, são dimensionados para trabalharem apenas na freqüência fundamental;

- opera corretamente tanto em regime permanente como em regime transitório;

- utiliza apenas a corrente da linha para comparação, portanto não precisa de DCPs;

- não é afetada por tensões reversas, como ocorre em linhas com compensação série;

- não está sujeita à operação por falta de tensão, como ocorre em geral com relés de distância;

- não opera por oscilação de potência, dispensando o uso de relés de bloqueio contra tais oscilações;

- utiliza a corrente tal como ela é, permitindo que a componente CC e componentes de freqüência da corrente de falta ajudem na rápida operação;

- opera normalmente para faltas trifásicas com tensão nula;

- não é afetada por corrente reversa, após a eliminação de falta em linha paralela;

- pode ser implementada com tecnologia analógica ou digital.

9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

PHADKE, Arun G., e THORP, James S., Computer Relaying for Power Systems, John Wiley & Sons Inc., EUA, 1993.

CEPEL, Curso de Introdução à Proteção Digital, RJ, 1995.

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WEEDY, B. M., Sistemas Elétricos de Potencia, Universidade de São Paulo, SP, 1973.

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FALCUCCI, Francisco Carlos, Apostila de Proteção por Fio Piloto, Furnas, 1987.

RODRIGUES, Celso, Apostila de Proteção de Proteção de Sistemas Elétricos, Furnas.

BARBOSA, Ivan Júlio, Notas de Aulas.

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