Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Elaborao de um Guia para a Seleo de Rels em Redes Isoladas

Ribamar Nelson Ferreira

VERSO FINAL

Dissertao realizada no mbito do Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotcnica e de Computadores

Major Energia

Orientador: Professor Doutor Hlder Filipe Duarte Leite

Setembro de 2012

ii

" A vida, nos nossos dias, no se compreende sem a eletricidade.

Cada vez esta conquista maior campo de ao e faculta maiores comodidades."

Ezequiel de Campos, 1924

iii

Ribamar Nelson Ferreira, 2012

iv

Resumo

Em sistemas eltricos de energia (SEE) a preservao de qualidade e continuidade de

servio essencial. Por vezes a continuidade de servio afetada pela ocorrncia dos mais

variados defeitos, responsveis pela ocorrncia de avarias nos geradores, transformadores,

linhas e outros componentes do sistema.

O sistema eltrico de energia dotado de sistemas de proteo prprio que assume um

papel importante no funcionamento e explorao da rede eltrica. O sistema de proteo

apesar de no evitar defeitos, fundamental para minimizar a sua propagao.

As redes isoladas so redes de dimenso relativamente pequena, possuindo pouca carga e

alimentada por geradores sncronos de pequena dimenso. Sendo redes eletricamente fracas,

sistema de proteo desempenha o papel preponderante. Assim, indispensvel uma aposta

em sistema de proteo eficaz, para a melhoria de continuidade de servio.

Esta dissertao visa a elaborao de um documento que sirva de guia para seleo de

rels de proteo para redes eltricas isoladas. Assim, este trabalho sugere solues de rels

de proteo multifunes de tecnologia digital para a proteo de pequenas redes eltricas

isoladas.

Palavras-Chave: Curto-circuito, Mdia Tenso, Qualidade de Servio, Redes isoladas, Rel de proteo, Rede

de Distribuio, Rede area, Rede subterrnea, Sistemas de proteo.

v

vi

Abstract

In power systems preservation of quality and continuity of service is essential.

Sometimes the continuity of service is affected by the occurrence of various defects,

responsible for the occurrence of faults in generators, transformers, lines and other system

components. The electric power system is equipped with protection systems which itself

plays an important role in the operation of the power grid. The protection system does not

prevent defects, but it is essential to minimize its spread.

The isolated networks are networks of relatively small size, low power and having

fed by small diesel generators. Being electrically weak networks, protection system plays the

leading role. Thus, it is essential to have a bet on effective protection system, to improve

service continuity.

This thesis aims drafting a document that serves as a guide for selection of

protective relays for isolated grids. Thus, this work suggests solutions multifunction

protection relays of digital technology for the protection of small isolated grids.

vii

viii

Agradecimentos

Ao meu orientador, Professor Doutor Hlder Filipe Duarte Leite, pela dedicao, apoio e

disponibilidade manifestada ao longo da realizao da dissertao.

Ao DEEC, o meu agradecimento pelo apoio prestado.

A minha famlia pelo carinho, motivao e inspirao, tornando possvel a realizao do

meu percurso acadmico.

Agradeo a todos os docentes que me ajudaram na minha vida acadmica.

Aos colegas e amigos e todos que de uma forma direta ou indireta contriburam para a

realizao deste trabalho.

ix

x

ndice

Resumo ............................................................................................. iv

Abstract ............................................................................................. vi

Agradecimentos ................................................................................. viii

ndice ............................................................................................... x

Lista de Figuras .................................................................................. xii

Lista de tabelas .................................................................................. xv

Abreviaturas e Smbolos ....................................................................... xvi

Captulo 1 .......................................................................................... 1

Introduo ........................................................................................................ 1 1.1 - Consideraes Iniciais ................................................................................. 1 1.2 - Motivao e Objetivos ................................................................................ 2 1.3 - Estrutura da Dissertao ............................................................................. 2

Captulo 2 .......................................................................................... 3

Redes Isoladas: Caraterizao ................................................................................. 3 2.1 - Introduo .............................................................................................. 3 2.2 - Caratersticas das redes isoladas em relao tenso e estrutura topolgica ............. 4 a) - Nveis de Tenso ..................................................................................... 4 b) - Funo ................................................................................................. 5 c) - Estrutura Topolgica ................................................................................ 5 2.3 - Redes de Distribuio em Mdia Tenso ........................................................... 6 2.4 - Subestao e Posto de transformao ............................................................. 7 2.4.1 - Subestao ........................................................................................... 8 2.4.2 - Posto de transformao .......................................................................... 13 2.5 - Resumo ................................................................................................ 18

Captulo 3 ......................................................................................... 19

Sistemas de proteo em redes eltricas de energia ................................................... 19 3.1 - Introduo e Consideraes Gerais ............................................................... 19 3.2 - Evoluo das Protees ............................................................................. 20 3.3 - Constituio e princpios de funcionamento dos sistemas de proteo .................... 22 3.3.1 - rgos de entrada do sistema de proteo ................................................... 22 3.3.2 - Rels de proteo ................................................................................. 23

xi

3.3.3 - Classificao dos rels de proteo ............................................................ 24 3.3.4 - rgos de acionamento .......................................................................... 33 3.3.5 - Fontes de alimentao auxiliar ................................................................. 34 3.4 - Requisitos do sistema de proteo ............................................................... 34 3.4.1 - Zonas de proteo e redundncias ............................................................. 34 3.4.2 - Seletividade ........................................................................................ 35 3.4.3 - Sensibilidade ....................................................................................... 36 3.4.4 - Rapidez .............................................................................................. 37 3.4.5 - Segurana ........................................................................................... 38 3.4.6 - Fiabilidade .......................................................................................... 38 3.4.7 - Economia............................................................................................ 39 3.5 - Resumo ................................................................................................ 39

Captulo 4 ......................................................................................... 40

Potncia de Curto-Circuito versus Sistemas de proteo ............................................... 40 4.1 - Introduo ............................................................................................. 40 4.2 - Potncia de curto-circuito em redes isoladas .................................................. 41 4.3 - Pequenos geradores sncronos e suas caratersticas ........................................... 43 4.3.1 - Aspetos construtivos e princpio de funcionamento ........................................ 43 4.4 - Influncia do Baixo Potncia de Curto-Circuito nos sistemas de Proteo em redes

isoladas ................................................................................................ 46 4.6 - Resumo ................................................................................................ 47

Captulo 5 ......................................................................................... 48

Guia para Seleo de Rels de Proteo em Redes Isoladas ........................................... 48 5.1 - Introduo ............................................................................................. 48 5.2 - Aplicao de tecnologia digital na proteo da rede eltrica ............................... 48 5.2.1 - Arquitetura de um rel digital .................................................................. 49 5.3 - Proteo Digital de Gerador Sncrono ............................................................ 51 5.3.1 - Funo de proteo para o gerador ............................................................ 53 5.4 - Proteo digital de transformador de potncia ................................................ 59 5.4.1 - Funo de proteo para o transformador.................................................... 60 5.5 - Proteo digital dos Barramentos ................................................................. 64 5.5.1 - Funo de proteo para barramento ......................................................... 64 5.6 - Proteo digital de linhas e cabos ................................................................ 67 5.6.1 - Funo de proteo para as sadas ............................................................. 67 5.7 - Proteo digital para banco de condensadores ................................................ 69 5.7.1 - Funo de proteo de proteo para banco de condensadores ......................... 70 5.8 - Resumo ................................................................................................ 71

Captulo 6 ......................................................................................... 73

Concluso e trabalhos Futuros ............................................................................... 73 6.1 - Concluses ............................................................................................ 73 6.2 - Trabalhos Futuros .................................................................................... 73 6.2.1 - Impacto da penetrao de fontes renovveis no sistema de proteo em redes

isoladas ................................................................................................ 74

Referncias ....................................................................................... 75

Anexo A ............................................................................................ 78

Classificao das Funes de Proteo pela Nomenclatura ANSI/IEEE ............................... 78

xii

Lista de Figuras

Figura 2.1 - Exemplo de esquemas de operao utilizados em redes de distribuio de mdia tenso (redes isoladas). ....................................................................... 6

Figura 2.2 - Exemplo de pequena subestao/posto de seccionamento mdia tenso ........ 10

Figura 2.3 - Exemplo de sala de comando de uma subestao ..................................... 11

Figura 2.4 - Exemplo de esquema simplificado de uma subestao (redes isoladas) ........... 13

Figura 2.5 - Interruptor-seccionador corte no ar e modular de corte em SF6 ................... 16

Figura 2.6 - Disjuntor mdia tenso de corte em SF6 ................................................ 16

Figura 2.7 - Transformador trifsico de distribuio imerso em leo ............................. 16

Figura 2.8 - Quadro Geral Baixa Tenso do posto de transformao .............................. 17

Figura 2.9 - Ligao terra no posto de transformao ............................................. 17

Figura 3.1 - Evoluo das protees ..................................................................... 21

Figura 3.2 - Esquema de um subsistema de proteo ................................................ 22

Figura 3.3 - rgos constituintes do rel de proteo ............................................... 23

Figura 3.4 - Rel elementar de atrao eletromagntica [11] ..................................... 25

Figura 3.5 - Rel de induo Eletromagntica ......................................................... 25

Figura 3.6 - Corrente induzido conjugado desenvolvido no disco do rel ........................ 26

Figura 3.7 - Princpio de funcionamento de rel esttico ........................................... 27

Figura 3.8 - Rel de tecnologia digital .................................................................. 27

Figura 3.9 - Curva caraterstico tempo instantneo .................................................. 29

Figura 3.10 - Curva caraterstico tempo definido ..................................................... 30

Figura 3.11 - Curva Caraterstico tempo inverso e tempo inverso com mnimo definido ...... 30

Figura 3.12 - Curva caraterstica dos trs grupos de tempo dependente ......................... 31

xiii

Figura 3.13 - Caraterstico tempo combinado ......................................................... 32

Figura 3.14 - Exemplo de sala de baterias de uma subestao ..................................... 34

Figura 3.15 - Zonas de proteo [5] ..................................................................... 35

Figura 3.16 - Diferentes zonas de atuao de um rel ............................................... 35

Figura 3.17 - Seletividade por zonas de proteo [13] ............................................... 36

Figura 4.1 - Esquema unifilar de Thevenin da rede a montante (grupo gerador) ............... 41

Figura 4.2 - Esquema unifilar simplificado de grupo geradores ligados em paralelo ........... 42

Figura 4.3 - Geradores acionados por motores diesel [14] ........................................ 43

Figura 4.4 - Corte mquina sncrona de polos salientes e polos lisos [15] ........................ 44

Figura 4.5 - Exemplo de mquina sncrono operando como gerador [3] .......................... 45

Figura 5.1 - Modelo de organizao dos sistemas de proteo, comando e controlo das subestaes de distribuio [19] ................................................................... 49

Figura 5.2 - Constituio de um rel digital de proteo [9] ........................................ 50

Figura 5.3 - Esquema unifilar de ligao de pequenos e mdios geradores rede [11] ........ 51

Figura 5.4 - Esquema representativo de sistema que envolve o funcionamento do gerador .. 51

Figura 5.5 - Ligao de neutro do gerador terra .................................................... 52

Figura 5.6 - Esquema unifilar de proteo de pequeno gerador sncrono com ligao direto ao barramento ................................................................................. 58

Figura 5.7 - M-3425 Rel digital multifuno para a proteo do gerador sncrono [23] ...... 59

Figura 5.8 - Princpio de funcionamento do rel Buchholz .......................................... 61

Figura 5.9 - Proteo de transformador por rel digital Multifunes [24] ....................... 62

Figura 5.10 - TPU TC420 Rel digital multifuno para a proteo do transformador ......... 63

Figura 5.11 - Esquema de proteo de barramento ................................................... 66

Figura 5.12- TPU B420 Rel digital multifuno para a proteo de barramento ............... 66

Figura 5.13 - TPU S420 Rel digital multifuno para a proteo de linhas e cabos subterrneos ........................................................................................... 68

Figura 5.14 - Tringulo de potncia ..................................................................... 69

Figura 5.15 - Esquemtica de uma unidade de condensador tpico [13] e banco de condensadores ......................................................................................... 70

Figura 5.16 - TPU C420 Rel digital multifuno para a proteo de banco de condensadores ......................................................................................... 71

xiv

xv

Lista de tabelas

Tabela 2.1 Equipamentos dos postos de transformao areos [8] .............................. 14

Tabela 2.2 Potncia dos transformadores [8] ........................................................ 14

Tabela 2.3 Potncia instaladas dos transformadores ............................................... 15

Tabela 3.1 Evoluo das protees .................................................................... 21

Tabela 3.2 Valores de e k segundo norma IEC 60255-3 .......................................... 31

Tabela 3.3 Valores tpicos de eliminao de defeitos (tempo de atuao das proteces) . 37

Tabela 5.1 - Defeitos e proteces do gerador [22] ................................................... 58

Tabela 5.2 - Principais defeitos de um transformador ............................................... 63

xvi

Abreviaturas e Smbolos

ANSI American National Standards Institute

AT/MT Alta Tenso para Mdia Tenso. Representa as subestaes de Alta Tenso

para Mdia Tenso

AT Alta Tenso

BT Baixa Tenso

DST Descarregador de Sobretenso

Fe Fora eletromagntica

Fm Fora mecnica da mola

f Frequncia

IED Intelligent Electronic Device

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IEC International Electrotechnical Commission

Corrente de curto-circuito mnimo

Coeficiente de sensibilidade

kV kilovolts

km kilometro

MT Mdia tenso

MT/BT Mdia Tenso para Baixa Tenso. Representa os postos de transformao de

mdia Tenso para Baixa Tenso

MVA Mega volt-ampere

P Potncia Ativa

PT Posto de Transformao

Q Potncia Reativa

QGBT Quadro Geral de Baixa Tenso

S Potncia aparente

SPCC Sistema de Proteo Comando e Controlo

Scc Potncia de curto-circuito

SEE Sistema Eltrico de Energia

TI Transformador de Intensidade

TT Transformador de Tenso

xvii

Captulo 1

Introduo

1.1 - Consideraes Iniciais

A dependncia da sociedade moderna energia eltrica torna indispensvel o

cumprimento da nobre misso dos sistemas eltricos de energia - garantia de qualidade e

continuidade de servio. O sistema de proteo desempenha papel preponderante no

cumprimento dessa misso.

Os principais defeitos que ocorrem numa rede de distribuio de energia eltrica so:

Curto-circuito;

Sobrecarga;

Sobretenso;

Subtenso;

Variao de frequncia;

Desequilbrio de cargas;

Oscilao de potncia.

A ocorrncia de um defeito num Sistema Eltrico de Energia poder causar danos nos

fornecedores e utilizadores de energia e ainda, provocar interrupo no fornecimento da

energia eltrica, pelo que este dever ser detetado, localizado e rapidamente eliminado.

Para a eliminao dos defeitos indispensvel um sistema de proteo eficaz. O sistema

de proteo projetado de acordo com as caratersticas e os requisitos do sistema de

energia, sendo constitudo essencialmente pelos seguintes rgos:

rgo de medida (TI e TT);

Rel de proteo;

rgo de acionamento (disjuntor).

2

1.2 - Motivao e Objetivos

Ao contrrio do que acontece na europa, onde a maior parte das redes eltricas so

interligadas, ainda existem um nmero muito significativo de pases continentais e ilhas

(Madeira, Aores, Creta, Canarias, Chipre, entre outras) e localidades onde as redes so

isoladas (no dispem de ajuda de redes vizinhas que a possam socorrer em situaes mais

criticas). tambm o caso da maioria das redes eltricas dos pases africanos, onde as redes

so isoladas e dispersas por grandes cidades (grandes centros de consumo).

As redes isoladas so redes de dimenso relativamente pequena, com poucas cargas,

geralmente alimentada por geradores sncronos de pequena potncia, quando comparado

com as redes interligadas. Sendo redes eletricamente fracas, esto muito suscetveis a

variaes de frequncia resultantes de desequilbrio entre carga e produo.

Apesar da evoluo tecnolgica na rea de sistemas de protees, muitas destas redes,

mais concretamente as redes eltricas dos pases africanos, s utilizam sistemas de protees

baseados em rels eletromecnicos.

objetivo desta dissertao, elaborar um guia para a seleo de rels digitais de

proteo para as redes eltricas isoladas. Apresentando requisitos necessrios para facilitar a

migrao da tecnologia de proteo eletromecnica para a tecnologia digital. Aproveitando

assim, as vantagens e as valncias oferecidas por rel digital.

A instalao de rels de tecnolgica digital pode contribuir para melhoria da continuidade

de servio e, consequentemente, da qualidade de servio prestada.

1.3 - Estrutura da Dissertao

Esta dissertao constituda por seis captulos e um anexo.

O Capitulo 1, o atual captulo feito uma breve introduo aos assuntos que iro ser

abordados nos restantes captulos.

O Capitulo 2, apresentam-se as redes eltricas isoladas e suas principais caratersticas.

Tambm so descritos postos de transformao e subestaes.

O Capitulo 3, dedicado descrio do sistema de proteo em redes de energia

eltricas, so igualmente descritos neste captulo os requisitos e a constituio de um

sistema de proteo.

O Capitulo 4, centra-se na descrio de potncia de curto-circuito em redes eltricas

isoladas e a sua influncia em sistemas de proteo.

O Capitulo 5, consiste na elaborao de guia para a seleo de rels digitais em sistemas

eltricos isolados.

O sexto e ltimo Capitulo, apresentam-se as concluses mais importantes que possvel

retirar do trabalho desenvolvido, propondo-se tambm possveis trabalhos futuros.

Captulo 2

Redes Isoladas: Caraterizao

Neste captulo ser descrita a constituio de uma rede isolada genrica, na sua estrutura

topolgica, modo de explorao e nveis de tenso. Sero igualmente caraterizadas as

subestaes e os postos de transformao.

2.1 - Introduo

O sistema eltrico de energia (SEE) definido como sistema que converte em energia

eltrica outras formas de energia, transportando a energia desde os locais de gerao at aos

pontos de consumo, com finalidade de garantir os seguintes requisitos, segundo [1]:

Controlar o equilbrio entre potncia ativa e reativa;

Fornecer energia ao mais baixo custo, respeitando o ambiente;

Satisfazer padres mnimos de fiabilidade e estabilidade da tenso e frequncia.

SEE constitudo por instalaes de servio destinado produo, transporte e

distribuio de energia eltrica. No caso das pequenas redes isoladas (caso de pequenas ilhas

ou algumas redes de pequena dimenso), esta definio pode-se restringir apenas produo

e distribuio, no havendo necessidade de efetuar transporte de energia, devido

proximidade entre o local da gerao e o centro de consumo.

As redes isoladas so pequenas redes individuais, com poucas cargas, alimentadas por

mquinas de pequena dimenso quando comparada com as redes interligadas, no dispem

de ajuda das redes vizinhas que as possam socorrer em situaes mais criticas. comum

encontrar, em redes com estas caratersticas, um grupo gerador de emergncia, fazendo o

papel de reserva. As redes isoladas tm especificidades que as caraterizam, uma delas a

baixa potncia de curto-circuito (devido pouca gerao).

Normalmente as redes isoladas, so redes vulnerveis a severas perturbaes e pouca

capacidade de promover uma explorao econmica dos meios de produo da energia

4

eltrica. Numa rede com estas caratersticas a sada de um grupo gerador poder provocar

um forte desequilbrio na gerao-carga do sistema, e consequentemente pode fazer com que

a variao da frequncia atinja valores inaceitveis caso no haja reserva girante suficiente

[2].

Em muitos casos, as redes isoladas so consideradas como uma opo economicamente

vivel para satisfazer as necessidades energticas. So normalmente utilizadas em locais

como:

Zonas de baixa densidade populacional, onde o custo de instalao de uma rede

pblica se torna muito alto;

Locais onde no seja vivel o fornecimento de energia eltrica atravs dos grandes

grupos Alternadores/geradores, como por exemplo: ilhas;

Aldeias rurais longe de grandes redes eltricas;

Industrias longe de grandes centros de consumo.

O sistema produtor das redes isoladas baseia-se essencialmente na explorao de centrais

equipadas com geradores sncronos de funcionamento contnuo, utilizando o gasleo e o fuel

como combustvel [2].

2.2 - Caratersticas das redes isoladas em relao tenso e

estrutura topolgica

Para o estudo das protees, as caratersticas das redes que mais influenciam as

correntes de curto-circuito so:

Composio da rede (area e/ou subterrnea);

Potncia de curto-circuito no barramento da subestao;

Comprimento da linha;

Nveis de tenso.

Segundo [3], as redes eltricas podem ser classificadas segundo os trs critrios

seguintes:

a) - Nveis de Tenso

A tenso nominal de uma rede eltrica pode variar das dezenas de volts at aos milhares

de volts. As redes isoladas de pequena dimenso, sem necessidade de rede de transporte, so

usadas dois nveis de tenso:

Baixa tenso, tenso inferior a 1000 volt (V), com valores tpicos (valores eficazes em

corrente alternada) de 400 V tenso entre fases e 230 V tenso entre fase e neutro.

Mdia tenso, nas redes de distribuio urbana ou rural usa-se: 6kV, 10kV, 15kV e 30 kV.

Nas redes industriais so 6 Kilovolt (kV). Por razes econmicas, a maioria dos alternadores

existentes nas centrais so em geral constitudos para este nvel de tenso, tenso entre 1 e

45 kV, em funo da sua potncia.

b) - Funo

As redes isoladas so essencialmente redes de distribuio, com funo de levar a energia

at junto dos consumidores, domsticos e industrias (geralmente pequenas industrias). Para

estas redes usam-se dois nveis de tenso: a baixa tenso, a qual esto ligados os aparelhos

de consumo e a mdia tenso que alimenta os postos de transformao.

c) - Estrutura Topolgica

Objetivo principal de qualquer rede eltrica assegurar a transmisso de energia desde

as instalaes de produo at aos consumidores finais [3], garantindo continuamente as

melhores condies de explorao da rede, em situao normal ou de perturbao, com

garantias de melhor qualidade de servio.

Um aspeto de fundamental importncia na explorao de redes eltricas a sua

fiabilidade. Os elementos da rede esto naturalmente sujeitos a avarias que originam

interrupes no fornecimento de energia, se no houver redundncia. A redundncia implica

aumento dos custos de investimento, havendo que estabelecer um compromisso entre estes

custos e os benefcios que acarretam, o qual se reflete na estrutura topolgica da rede [3].

A topologia de uma rede de distribuio definida por um conjunto de parmetros que

so estabelecidos com base em estudos tcnicos. De acordo com [4], a soluo adotada para

a topologia da rede dever cumprir os seguintes objetivos:

Garantir a segurana de pessoas e bens;

Garantir nveis de qualidade de servio predefinidos;

Atingir os nveis de rentabilidade econmica desejados.

As redes de distribuio devero ainda satisfazer os seguintes requisitos:

Adequar-se densidade de clientes/consumo (MVA/km2);

Adequar-se s caratersticas geogrficas e s restries impostas pela construo

humana ou envolvente natural;

Adequar-se s condies climatricas.

As redes isoladas sendo essencialmente redes de distribuio em MT e BT, quase nunca

tm redundncia ativa, ou seja, so exploradas radialmente. Assim, as redes isoladas podem

ser de estrutura radial ou de estrutura emalhada (em anel) com explorao radial.

6

2.3 - Redes de Distribuio em Mdia Tenso

As redes de distribuio em Mdia Tenso (MT) so constitudas por linhas areas e cabos

subterrneos. As subestaes, postos de seccionamento e de transformao e instalaes de

iluminao pblica, so as principais infraestruturas que integram a rede eltrica.

Quanto topologia, as redes de distribuio podem ser areas ou subterrneas, so

solues com custo de instalao e nveis de qualidade de servio distintos, de acordo com

[5], as redes subterrneas so implementadas em ambientes urbanos com comprimentos

mdio entre os 3 e 10 km, enquanto as redes areas so utilizado maioritariamente em zonas

rurais e apresentam comprimentos entre 10 e 35 km.

As redes de distribuio areas esto mais expostas a foras de naturezas diversas, como

tal, apresentam menor fiabilidade quando comparada com redes subterrneas, constitudos

por cabos subterrneos.

Relativamente ao modo de explorao e configurao, as redes de distribuio

apresentam diversos esquemas de explorao, sendo os mais destacados, estrutura radial e

anel aberto.

A Figura 2.1 ilustra esquemas de operao habitualmente utilizados em redes de

distribuio de mdia tenso em SEE isolado.

PTn1

PTn..

PTn..

Abertura do Anel

Alimentao do PT n1

Alimentao dos restantes PTs

ANEL ABERTO

RADIAL

MTMT

MTMT

Figura 2.1 - Exemplo de esquemas de operao utilizados em redes de distribuio de mdia

tenso (redes isoladas).

As redes radiais, podendo tambm ser designadas como redes em antena, so

caraterizadas por possurem um nico ponto de alimentao. As linhas da rede vo

ramificando. Por serem monoalimentadas, a realimentao dos consumidores na ocorrncia

de defeitos fica condicionada. Existe apenas um caminho para o fluxo de potncia entre a

gerao e o consumidor. Quando existe um curto-circuito, a corrente tem somente uma

origem e um sentido, sempre do gerador para o local do defeito. Para o sistema de proteo

esta caraterstica torna mais fcil a coordenao e mais barato o sistema. As redes de

distribuio areas radiais, so ideais para zonas de muita baixa densidade de carga e de

grande disperso de consumo.

De modo geral, as principais caratersticas do sistema eltrico radial so:

Baixo custo de instalao e explorao;

Estrutura topolgica mais simples;

Menor fiabilidade;

Menor continuidade de servio;

Maior queda de tenso;

Coordenao fcil;

Sistema de proteo mais simples;

Baixa densidade de clientes/consumo.

As estruturas da rede em anel aberto, com explorao radiais so dotadas de duas linhas

ou dois caminhos distintos de alimentao. Apenas uma alimentao utilizada em condies

normais, ficando o outro caminho para alimentao dos consumidores em caso de defeito ou

indisponibilidade do primeiro. Deste modo, apresenta maior continuidade de servio,

consequentemente maior fiabilidade. So particularmente utilizada nas redes de distribuio

subterrneas em reas urbanas com elevada densidade de carga ou na alimentao de cargas

que exigem maior continuidade de servio. Tal como nas redes radiais, em redes exploradas

em anel aberto, o fluxo da corrente quer em regime de funcionamento normal ou anormal

(em defeito) da rede apresenta um nico sentido.

Como se pode constatar na Figura 2.1, esta estrutura s pode ser conseguida mediante a

utilizao se instalao de transformao de energia. Uma das vantagens da utilizao de

corrente alternada no SEE que se torna possvel alterar o valor da tenso com a utilizao

do transformador, assunto que ser tratado na seco seguinte.

2.4 - Subestao e Posto de transformao

Por razes de ordem econmica, tcnica e de segurana, o SEE constitudo por nveis de

tenso distintos, nveis de tenso esses que se vo adaptando de acordo com as necessidades.

Para a obteno desses nveis de tenso, indispensveis ao bom desempenho de sistema

8

eltrico, so utilizados instalaes de transformao de energia (subestao e posto de

transformao), cujo elemento principal o transformador de potncia (mquina esttica).

2.4.1 - Subestao

Em [6], uma subestao definida como instalao de alta tenso destinada aos

seguintes fins:

Transformao da corrente eltrica por meio de um ou mais transformadores

estticos, quando o secundrio de um ou mais desses transformadores se destina a

alimentar postos de transformao ou outras subestaes;

Transformao da corrente por retificadores, onduladores, conversores ou mquinas

conjugadas;

Compensao do fator de potncia por compensadores sncronos ou condensadores.

Os nveis de tenso padronizados para as subestaes AT/MT so: 60/30 kV, 60/15 kV ou

60/10 kV e para uma potncia de transformao mxima de 2 40 MVA. Considera-se ainda

um nmero previsto de painis de linha de AT e MT para interligao rede - 6 painis de AT,

12 painis de 30 kV, 20 painis de 15 kV e 24 painis de 10 kV [7].

As redes isoladas pelas suas caratersticas, dimenso e especificidades, so utilizadas

nveis de tenso mais baixos, e por conseguinte, as subestaes neste tipo de rede apresenta

nveis de tenso baixo quando comparadas com as subestaes mais comuns encontradas nas

redes interligadas.

Para as redes isoladas de pequena dimenso, sem necessidade de rede de transporte,

podemos encontrar subestao de tipo MT/MT, onde os circuitos apresentam mesmo nvel de

tenso, uma vez que a gerao e distribuio so feitas em MT. Subestao com estas

caratersticas podem servir como posto de corte e seccionamento ou para elevar a tenso.

Em redes eltricas isoladas comum encontrar subestaes de pequenas dimenses com

seguintes nveis de tenso: 0,4/15 kV; 6/10 kV; 10/15 kV; 30/10 kV; 30/15 kV entre outas.

Estas instalaes podem ser integradas nas reas rurais, urbanas ou semiurbanas em redes de

distribuio.

Principais constituintes de uma subestao e suas funes

A conceo de uma subestao deve satisfazer em simultneo os princpios bsicos, como

a segurana geral de pessoas e bens, facilidade de explorao e manuteno. A proteo

garantida por dispositivos capazes de detetar os diferentes tipos de defeitos que ocorrem no

sistema, isolando as partes em defeito a fim de garantir continuidade de servio.

A subestao pode ser uma instalao mista, com aparelhagens montada no exterior do

parque e no interior do edifcio de comando.

1. Parque exterior

No parque exterior de aparelhagem encontra-se normalmente instalados um ou mais

transformadores de potncia, disjuntores, seccionadores, barramentos, linhas, os

equipamentos complementares de MT, tais como as baterias de condensadores (podem ser

instalados no interior, numa sala prpria), os descarregadores de sobretenses, os

transformadores auxiliares e as impedncias limitadoras de corrente de defeito terra.

Barramentos

Os barramentos tm a funo de interligar as entradas existentes como se fosse um ponto

comum (barramento de entrada da subestao), que por ligao intermdia de um

transformador ou mais transformadores, se obtm uma tenso diferente tambm ligada a um

ponto comum (barramento de sada da subestao). Para as pequenas instalaes,

normalmente de baixa potncia e reduzido nmero de linhas, utilizam-se barramentos

simples.

Disjuntor

Dispositivo eletromecnico que protege os circuitos contra sobreintensidades (curto-

circuitos ou sobrecargas). O corte efetuado de forma automtica, separando dois contactos

numa cmara de corte, que possui material dieltrico com excelentes propriedades de

extino do arco eltrico voltaico. O dieltrico pode ser: o gs hexafluoreto de enxofre (SF6),

pequeno volume de leo ou tecnologia recente em vcuo.

Seccionador

destinado a interromper ou estabelecer a continuidade de um condutor. um

equipamento de corte visvel mas que no possui poder de corte em carga. O corte visvel

importante e fundamental na segurana de pessoas. Na posio aberta, garante uma

distncia de isolamento que satisfaz requisitos de segurana especificados.

Isolador

Responsvel pelo afastamento das partes em tenso, das suas estruturas de suporte. O

tamanho do isolador reflete no nvel de tenso em jogo. Quanto menor o nvel de tenso

menor o tamanho do isolador.

Transformador

O transformador de potncia o elemento responsvel pela alterao de tenso numa

subestao. O secundrio de transformador conta com regulao de tomadas de carga

10

(possibilidade seleo do enrolamento consoante a carga imposta). Nveis de tenso tpicos

de uma subestao em redes isoladas: 6/10 kV; 10/15 kV; 30/10 kV; 30/15kV.

Transformadores de medida

O transformador de corrente (TI) e transformador de tenso (TT) so responsveis pela

leitura de corrente e tenso, a partir dessa leitra avaliada a necessidade ou no de

abertura do disjuntor.

Descarregadores de sobretenso

Os Descarregadores de Sobretenses (DST) so usados para proteger equipamentos e

instalaes, das eventuais descargas atmosfricas e de sobretenses de manobra. So

classificados pela sua capacidade de descarga de corrente para a terra.

Rede de terras

A rede geral de terra de uma subestao deve ser concebida de forma a construir uma

rede equipotencial, reduzindo os riscos de tenses de passo e de contacto e limitando-as a

valores no perigosos, em caso de defeito a terra, as suas ligaes sero formados por:

Terra de proteo, destinada a contribuir para a segurana das pessoas nas

proximidades de um objeto metlico da instalao suscetvel de colocao acidental

sob tenso em caso de defeito de isolamento;

Terra de servio, destinada a influenciar o comportamento da rede em caso de

defeito a terra;

Cabo de guarda, para proteo da instalao contra descargas atmosfricas diretas.

A Figura 2.2 ilustra o exemplo de um pequeno poste de seccionamento comum em

pequenas redes eltricas isoladas.

Figura 2.2 - Exemplo de pequena subestao/posto de seccionamento mdia tenso

2. Edifcio de comando

O edifcio de comando ser constitudo por uma sala dotado de sistema de proteo,

comando e controlo (SPCC), para assegurar o comando e superviso da subestao, no local e

a distncia, atravs das funes de proteo e automatismo. A Figura 2.3 mostra uma sala de

comando onde est instalado o quadro metlico que com as respetivas celas de MT.

SALA DE COMANDO

Figura 2.3 - Exemplo de sala de comando de uma subestao

O quadro metlico inclui todos os painis de sada MT, Baterias de condensadores,

reactncias de neutro e transformadores de servios auxiliares.

Sadas MT

A cela de Linha MT permite fazer a distribuio da alimentao do sistema eltrico pelas

vrias linhas de mdia tenso que compem um dado sistema dado que esto penduradas

no barramento de MT da Subestao. A cela de linha MT tem a particularidade de permitir,

ora alimentar a rede, ora alimentar o prprio barramento seja atravs de um produtor isolado

ou do fecho em anel da prpria rede. Este tipo de configurao confere ao painel de linha

uma grande versatilidade que ter de ser levada em linha de conta no estudo de coordenao

para a sua proteo, avaliada mais adiante.

Retificador

Cela onde se aloja o equipamento que converte a alimentao a tenso alternada em

tenso continua, que ir carregar as baterias de tenso contnua.

12

Bateria de tenso contnua

Serve para alimentar os circuitos de comando e proteo porque estes funcionam a

tenso contnua. Faltando a energia as baterias asseguram o comando funcional da

subestao durante o tempo da capacidade das baterias, tal como, a alimentao das

unidades de proteo e o comando dos motores dos rgos comandveis.

Bateria de Condensadores

A cela de bateria de condensadores responsvel pela ligao do barramento de mdia

tenso a um ou mais bancos de baterias de condensadores que tm como funo permitir a

compensao do fator de potncia do sistema a que se encontra ligado ora de uma forma

manual ora de uma forma automtica e programada no tempo.

Transformador de Servios Auxiliares

A cela de transformador de servios auxiliares assegura a ligao do barramento de mdia

tenso a um transformador MT/BT responsvel por alimentar todo o sistema de baixa tenso

existente na subestao.

Comunicaes

Armrio onde se acomoda o equipamento de telecomunicaes, que permite que a

subestao seja comandada remotamente, sem a presena fsica de tcnicos.

Interbarras

A cela de interbarras permite a ligao de dois semibarramentos. A explorao do SEE

poder assim optar por um sistema de barramento nico ou de dois semibarramentos.

Numa rede eltrica isolada, o edifcio central compreende todos os elementos acima

referidos, assim em resumo podemos encontrar os seguintes elementos numa subestao:

Sala de Mquinas;

Sala de comando;

Parque exterior da Subestao;

Parque de refrigerao e combustvel;

Armazns

Sala de bateria

A Figura 2.4 ilustra um exemplo de esquema simplificado de uma subestao de pequena

dimenso em redes eltricas isoladas.

6kV

10kV

0,4 kV 1406 kVA1300 kVA1500 kVA1300 kVA

906 kVA

Sn=3150 kVA

0,4 kV

625 kVA

Sn=5000 kVASn=5000 kVA

Neutro Impedante

Neutro Isolado

3Io=1000 AZo = 10

Sn=630 kVA

Figura 2.4 - Exemplo de esquema simplificado de uma subestao (redes isoladas)

2.4.2 - Posto de transformao

O Posto de transformao (PT) definido segundo [6], como instalao de alta tenso

destinada a transformao de corrente eltrica por um ou mais transformadores estticos,

quando a corrente secundaria de todos os transformadores for utilizada diretamente nos

recetores, podendo incluir condensadores para compensao do fator de potncia. De acordo

com a definio, no necessrio qua a tenso secundaria esteja no domnio de baixa tenso

(BT), mas sim, que essa corrente alimente diretamente os recetores (cargas de elevada

potncia alimentadas at 6 kV).

Normalmente, as principais transformaes MT/BT, so: 30/0,4 kV; 10/0,4 kV;

6,6/0,4kV; 6/0,4kV e 5/0,4 kV.

Atendendo a definio acima referida, os PTs so inseridos nas redes prximos dos

centros de consumo, nas zonas rurais, urbanas e semiurbanas, zonas industriais, loteamentos

e urbanizaes.

14

Assim, os PTs podem ser classificados por seguinte: i. Quanto instalao

De interior - em edifcio prprio ou em edifcio para outros usos;

De exterior.

ii. Quanto ao modo de alimentao

Radial;

Em anel aberto;

Com dupla derivao.

iii. Quanto ao tipo de servio prestado

Pblicos;

Privado.

Com o intuito de simplificar e facilitar o projeto dos PTs, encontra-se normalizado os

seguintes tipos:

1) Postos de exterior, areos, PT-A:

Geralmente os transformadores (imersos em leo) so montados em postes de beto,

apoiados numa plataforma. So identificados pela forma como feita a sua conexo a rede

area MT: Tipo A - ligao direta;

Tipo AS - ligao feita atravs de seccionador;

Tipo AI (AI1-1poste e AI2-2postes) - ligao feita atravs de interruptor-seccionador.

As Tabelas 2.1 e 2.2 mostram respetivamente os equipamentos que constituem diferentes

postos de transformao area e as suas potncias nominais.

Tabela 2.1 Equipamentos dos postos de transformao areos [8]

Tipo de PT Proteo contra

sobretenses

Seccionador Interruptor-

Seccionador

A - - AS - AI -

Tabela 2.2 Potncia dos transformadores [8]

Tipo de PT Potncia kVA

A 25 50 100 - -

AS 25 50 100 - -

AI - - - 160 250

Os postos de transformao areos so utilizados em redes areas, geralmente em zonas

rurais. Deve-se evitar a sua implementao em locais frequentados pelo pblico. O local

escolhido deve permitir a obteno, de boa terra e garantir que os valores das resistncias de

terra no sofram grandes alteraes ao longo do tempo. So tipos de PTs que por questes

esttico e urbanstico se deve ponderar a sua utilizao.

2) Postos instalados no interior, a sua dimenso depende do tipo de

alimentao e da potncia:

PT-CA: CA1 e CA2 - transformador (imerso em leo) alimentado atravs de linhas

areas - instalados em cabine alta.

PT-CB: - transformador (imerso em leo) alimentados atravs cabos subterrneas -

instalados em cabine baixa, possui duas variantes consoante a disposio das suas

celas em U (CBU) ou em L (CBL).

Tabela 2.3 Potncia instaladas dos transformadores

Tipo de PT Potncia (kVA)

CA1 160 250

CA2 - CBU- CBL 400 630

Constituio do posto de transformao

O equipamento fundamental de um posto de transformao o transformador, mas,

atendendo aos nveis de tenso envolvida e segurana necessria, utilizada um conjunto de

aparelhagem adicional com funo de seccionamento, contagem e proteo quer de pessoas,

quer dos prprios equipamentos e bens.

Em geral, um posto de transformao constitudo essencialmente por trs

equipamentos:

1. Aparelhagem de MT - interrupo, seccionamento e proteo;

Interruptor - destina-se a ligar ou desligar o circuito em carga, dotado de poder de corte

garantido e tem duas posies, uma de abertura e outra de fecho, nas quais se mantem na

ausncia de aes exteriores.

Seccionador - aparelho destinada a interromper ou estabelecer a continuidade de um

condutor ou isol-lo de outros condutores, no tem poder de corte, no deve ser manobrado

em carga. Quando utilizado para proteo de pessoas, a separao dos contactos deve ser

visvel e facilmente verificvel do local de manobra.

Interruptor - seccionador, interruptor em que a separao dos contactos visvel,

geralmente dotado de poder de corte reduzido, mas suficiente para a manobra em carga.

16

A figura 2.5 apresenta o seccionador e o Interruptor-seccionador corte no ar e modular de

corte em SF6.

Aparelhagem de corte no ar Uso interior In at 400A Un at 36kV Icc ate 16 kA/3s

Aparelhagem modular de corte em SF6 Uso interior Interuptor- seccionador de corte em SF6 Manuteno necessria reduzida Un at 36 kV In at 636 A Icc at 25 kA

Figura 2.5 - Interruptor-seccionador corte no ar e modular de corte em SF6

Disjuntor o interruptor no qual a abertura do circuito se produz automaticamente, em

condies predeterminadas.

Disjuntor MT de corte em SF6 Uso interior Utiliza principio Auto pneumtico de

duplo corte em SF6 Simplicidade de instalao e manobra Un at 36 kV In at 2.500A Icc at 25 kA

Figura 2.6 - Disjuntor mdia tenso de corte em SF6

2. Um ou mais transformadores de potncia, responsveis pela transformao da tenso;

Transformadores trifsicos de distribuio Uso interior e exterior Imersos em leo mineral Un at 36 kV Sn de 50 ate 6300 kVA

Figura 2.7 - Transformador trifsico de distribuio imerso em leo

3. Quadro geral de baixa tenso (QGBT), de onde partem os diversos ramais da rede de

BT.

PT publico: Quadro Aberto(CA2) interruptor na entrada 5 sadas por triblocos 1 sada iluminao publica PT privado: quadro fechado configurao em funo da instalao

Figura 2.8 - Quadro Geral Baixa Tenso do posto de transformao

Proteo das pessoas contra contacto acidentais

Os equipamentos usados nos postos de transformao so concebidos de forma a impedir

que as partes sob tenso estejam diretamente acessveis a quem tem acesso a ele, como

consequncia de uma avaria esses nveis de tenso podem encontrar-se em partes dos

equipamentos que habitualmente no esto sob tenso.

Terra de servioTerra de proteo

Figura 2.9 - Ligao terra no posto de transformao

As ligaes terra so utilizadas nas redes e instalaes eltricas, seja para influenciar o

comportamento da rede em caso de defeito terra - terra de servio, seja para contribuir

para a segurana das pessoas nas proximidades do local do defeito e bens - terra de proteo

[8]. i. Terra de servio

A terra de servio tem como funo estabelecer um potencial de referncia, de forma a

garantir, por exemplo, que o neutro dos sistemas monofsicos tenha uma resistncia igual a

zero e potencial nulo. Como exemplo de terra de servio, tem-se a ligao terra dos pontos

neutros ou dos condutores neutros das redes de distribuio de energia eltrica em baixa

tenso.

18

Segundo [6], a terra de servio definida como:

Circuito de terra a que so ligados unicamente pontos dos circuitos eltricos para

influenciar as suas condies de explorao, quer limitando o potencial dos

condutores em relao ao solo, quer permitindo o funcionamento das protees;

Os pontos neutros ou terminais dos circuitos de alta tenso ligados diretamente a

circuitos exteriores zona de influncia da terra de proteo;

Nas instalaes existe normalmente uma terra de servio por cada transformador, qual

se devem ligar os pontos neutros dos circuitos polifsicos.

Para os PTs areos, a ligao terra do neutro de baixa tenso ser feita, pelo menos em

duas sadas, no primeiro ou primeiros apoios de cada sada da rede de distribuio, devendo a

rede ser executada com condutores isolados em feixe at aos apoios e onde localizaremos

eltrodos da terra de servio [8].

ii. Terra de proteo

Tm como objetivo limitar as tenses perigosas que possam ser aplicadas a uma pessoa

que venha a ficar em contacto com esses elementos, e favorecer a interveno dos

dispositivos de proteo, melhorando as condies de segurana.

Ainda de acordo com [6], a terra de proteo definida como o circuito de terra a que

so ligados todos os elementos condutores da instalao normalmente sem tenso ou com

tenses no perigosas mas sujeitas a uma passagem fortuita de corrente que provoque

diferenas de potencial perigosas e no previstas entre esses elementos.

Nas instalaes dever sempre existir uma, e uma s, terra de proteo, qual se devem

ligar: suportes metlicos dos aparelhos, redes, ferragem de apoio e fixao dos quadros,

canalizaes metlicas, estrutura metlica dos edifcios e as bainhas metlicas dos cabos MT

e BT, enrolamentos secundrios dos transformadores de medida, para-raios de MT.

Para os PTs areos, as massas da aparelhagem de MT sero ligadas entre si e aos pontos

de ligao do poste ou dos postes, consoante se trate de PT tipo AI-1 ou AI-2 [8].

2.5 - Resumo

Neste captulo, foram caraterizadas as redes isoladas, com especial ateno a nveis de

tenso e estrutura topolgica. Foram tambm feitas abordagens sobre sistemas de terra,

fazendo referencia aos diferentes tipos de sistema de terras nas subestaes e nos postos de

transformao. Finalmente, na ltima seco deste captulo, abordou-se a proteo de

pessoas contra contactos acidentais e segurana dos sistemas de terras.

Captulo 3

Sistemas de proteo em redes eltricas de energia

Sero apresentadas neste captulo a evoluo tecnolgica das protees, a constituio e

princpio de funcionamento de sistemas de proteo, e por fim, os requisitos do sistema de

proteo.

3.1 - Introduo e Consideraes Gerais

Segundo [9], o objetivo fundamental de um sistema de proteo o de promover uma

utilizao e explorao segura do sistema eltrico de energia (SEE).

Os sistemas eltricos de energia, esto frequentemente sujeitos a perturbaes tais

como:

Sobreintensidade curto-circuito e sobrecarga;

Variao do nvel de tenso - sobretenso e subtenso;

Variao do valor de frequncia.

Alguns equipamentos que integram o sistema eltrico de energia, so sensveis a

pequenas perturbaes e defeitos. Por isso, o funcionamento do sistema sob estas anomalias,

podem conduzir a danos graves aos fornecedores e aos utilizadores de energia, se no forem

rapidamente corrigidos. Torna-se necessrio proteger os equipamentos para garantir a

segurana e continuidade de servio no fornecimento de energia.

As principais funes de um sistema de proteo podem ser resumidas nos seguintes

pontos:

Vigiar o funcionamento da rede;

Detetar a ocorrncia de situaes anmalas;

Limitar o impacto das situaes anmalas;

Promover uma explorao segura do SEE;

Promover a qualidade e continuidade de servio.

O sistema de proteo deve ser sensvel a diversas situaes de perturbao, tais como:

Defeitos de isolamento originando diversos tipos de curto-circuito;

As sobretenses que tambm podem causar danos nos isolamentos;

20

As condies anormais de operao associadas a sobrecargas de longa durao, a

ligao ou corte simultneo de cargas de valor elevado;

Sobretenso de manobra associado a abertura das linhas longas.

A escolha da configurao da rede est relacionada com o tipo de consumidores que as

redes devem servir, caraterizando estes pelo nvel de potncia instalada e pelo grau de

exigncia da qualidade de servio, a qual depende do tipo de atividade do consumidor. Pode-

se concluir que a escolha das caratersticas do sistema de proteo, depende de diversos

fatores entre os quais se incluem a estrutura da rede, a potncia eltrica veiculada e o tipo

de consumidores alimentados [9].

3.2 - Evoluo das Protees

Os dispositivos de proteo sofreram ao longo dos ltimos anos, alteraes significativas

quanto s tecnologias utilizadas no seu fabrico, as quais evoluram a partir das antigas

unidades eletromecnicas, dcadas 30 60 para as atuais digitais numricas (a partir dos

anos 80) passando por tecnologia intermedirias como foram por exemplo, as protees

esttico, dcadas 70, atualmente em fase de extino.

Todavia, importante salientar que apesar da evoluo tecnolgica das protees a

maioria das funes de proteo por elas utilizadas e desenvolvidas, permanece ainda hoje

em uso corrente, disponveis e aperfeioadas. As tecnologias mais recentes dos modernos

dispositivos de proteo digital permitem a implementao de mais recursos operacionais e

mltiplas funes simultaneamente.

Os sistemas de proteo tm evoludo desde as simples proteo por fusveis ou rels de

mxima intensidade com tempo escalonado, passando pelas protees direcionais,

diferenciais e de distncia, baseada inicialmente em rels eletromecnicos e que depois

passaram a integrar rels estticos, que so muito mais rpidos e eficazes. Com a

possibilidade da converso das grandezas analgicas em digitais, deu-se mais um passo na

evoluo dos Sistemas de Proteo (SP), com a construo de rels digitais [9].

Apenas para dar uma ideia geral da evoluo das diferentes tecnologias de protees, a

Figura 3.1 mostra etapas e progressos alcanados nas protees.

1900 1960 1980 1985 2009

Protees Eletromecanicas

Protees Estaticas

Protees Digitais

Protees Numericas

Sem telecomando Capacidade de telecomando

Evoluo t

ecnologica

Figura 3.1 - Evoluo das protees

A evoluo acima referida trs muitas vantagens e alguns inconvenientes, que sero

resumidos na Tabela 3.1. Tabela 3.1 Evoluo das protees

Tecnologia Vantagens Desvantagens

Protees Eletromecnicas Durabilidade e Robustez;

Tolerncia a altas temperaturas;

Baixa sensibilidade a surtos eletromagnticos.

Custo de instalao;

Preciso;

Manuteno;

Limitao de funcionalidades.

Uma nica funo de proteo;

Protees Estticas Maior velocidade;

Fcil manuteno;

Fiabilidade.

Envelhecimento precoce;

Sensibilidade a surtos eletromagnticos e a temperaturas elevadas.

Protees Digitais Telecontrolo remoto; "Watchdog";

Fiabilidade igual ou superior as anteriores tecnologias;

Multifunes.

Capacidade de processamento reduzida;

Memria limitada;

Software no portvel;

Sensibilidade a surtos eletromagnticos e a temperaturas elevadas.

Protees Numricas Telecontrolo remoto; "watchdog";

Multifunes;

Microprocessador de elevado rendimento;

Capacidade de memria elevada;

Fiabilidade.

Software no Portvel;

Sensibilidade a surtos eletromagnticos e a temperaturas elevadas.

22

3.3 - Constituio e princpios de funcionamento dos sistemas

de proteo

Os sistemas de proteo (SP) so projetados de acordo com as caratersticas e os

requisitos do SEE onde vo ser inseridos, so constitudos essencialmente pelos seguintes

rgos: rgo de entrada, rel de proteo, rgo de acionamento e fonte auxiliar de

alimentao, tal como mostra a figura 3.2.

Disjuntor Rel

Circuito Protegido

TI

TT

Bateria

Sinal de corrente

Sinal de tenso

Sinal de disparo

TSA Transformador de

Servio Auxiliar

Figura 3.2 - Esquema de um subsistema de proteo

A proteo realizada por um conjunto de equipamentos, sendo os principais, os

transformadores de medida (cujas grandezas do lado secundrio devero ser uma imagem fiel

das grandezas supervisionadas), os rels e os disjuntores.

3.3.1 - rgos de entrada do sistema de proteo

Os transformadores de medida servem para converter para a gama dos rels, a tenso e a

corrente do sistema. Os transformadores de intensidade (TIs) e transformadores de tenso

(TTs) so bastante importantes na constituio dos SP, porque garantem o isolamento

galvnico entre os circuitos de potncia e o circuito de proteo.

Por isso, importante uma elevada preciso e uma transformao eficaz para o bom

desempenho de sistemas de proteo. Geralmente, o secundrio dos transformadores de

intensidade so de 1 A ou 5 A e transformadores de tenso 110 ou 120V respetivamente [10].

A escolha dos TIs e TTs depende de muitos fatores, tais como:

A localizao,

Funo,

Nvel de tenso

Ligao nos diferentes tipos de proteo.

3.3.2 - Rels de proteo

O rel o elemento principal de um sistema de proteo, que serve para monitorizar o

funcionamento do sistema eltrico, ou seja, vigiar as grandezas como: tenso, intensidade de

corrente, frequncia ou uma combinao dessas grandezas (fluxo de potncia, impedncia,

ngulo de fase, entre outras) e, face a condies anormais, atue sobre aparelhagem de corte

(Disjuntor) de modo a isolar o defeito. Esta ao deve ser feita com a rapidez suficiente para

impedir o alastramento de danos, desligando apenas a alimentao dos equipamentos

defeituosos e, assim, restringir ao mnimo as zonas afetadas do sistema.

Os rels so basicamente constitudos por trs rgos distintos, como ilustra a Figura 3.3,

cada bloco representa uma etapa a ser executado pelo rel.

rgo de

Converso

rgo de

Medida

rgode

Sada

REL DE PROTEO

Sinal de entrada(simples ou Mltiplo)

Sinal de sada (simples ou Mltiplo)

Figura 3.3 - rgos constituintes do rel de proteo

rgo de converso, converte os sinais ou grandezas de entrada antes de serem

processados.

rgo de medio, onde so processadas as comparaes de nveis entre as

grandezas supervisionadas e as suas referncias ajustadas ("setting point"), assim

como, uma unidade auxiliar de temporizao e sinalizao, quando aplicvel.

24

rgo de Sada, a qual permitir o interface de rel com a sua unidade recetora de

comando e ou de controlo (bobinas de abertura ou de fecho de disjuntores, ou rels

auxiliares de controlo, sinalizao, alarmes).

3.3.3 - Classificao dos rels de proteo

i. Classificao quanto ao princpio de funcionamento

Quer os rels principais quer os rels suplementares, de acordo com as caratersticas

tecnolgicas ou construtivas podem ser: eletromecnicos (atuando de acordo com os

princpios da converso eletromecnica de energia), estticos (cujos elementos so

semicondutores no programveis), digitais (baseados em microprocessadores) e numricos

(possvel de programar).

A. Rels eletromecnicos

Os rels de tipo eletromecnico baseiam-se na atuao de foras produzidas devido s

interaes eletromagnticas entre intensidades de corrente e fluxos. Estas foras so criadas

por variaes das intensidades de corrente e tenses, ou atravs duma combinao das

variveis de entrada (tenso e intensidades de corrente) ou armazenamento de energia em

alguns dos seus elementos constituintes. A atuao dessas foras movimenta algumas partes

mecnicas do rel originando a sua atuao.

Os rels eletromecnicos so rels tradicionais, subdividem-se em rels de atrao

eletromagntica e de induo eletromagntica.

Rel de atrao eletromagntica

A Figura 3.4 mostra um circuito monofsico, contendo uma fonte de tenso que alimenta

uma carga Z, do que resulta uma corrente circulante I. No circuito foi introduzido um rel

elementar, do tipo eletromecnico: uma estrutura em charneira, composto por um ncleo

fixo e uma amadura mvel a qual esto solidrios, o contacto mvel e a mola, que obriga o

circuito magntico a ficar aberto numa posio regulvel. O ncleo percorrido por um fluxo

proporcional corrente do circuito, circulando na bobina do rel, e isso faz com que seja

possvel que o contacto mvel feche um circuito operativo auxiliar, neste caso uma fonte de

corrente contnua alimentando um alarme ou/e o disparador do disjuntor colocado no

circuito principal, sempre que [11].

A Figura 3.4 apresenta algumas caratersticas construtivas e operacionais desse tipo de

rel.

CA

ZCarga

Disjuntor

Fonte Ncleo

Circuito Operativo

Mola

Contacto

Disparador

Armadura

Alarme

Bobina

Fe

Fm

Iop

I

Figura 3.4 - Rel elementar de atrao eletromagntica [11]

Pelo princpio de converso eletromecnica sabe-se que a fora eletromagntica ( )

desenvolvida atravs do entreferro () pelo fluxo no ncleo, e provocada pela corrente I na

bobina do rel neste tipo de estrutura dada pela expresso:

(1)

Onde K depende da taxa de variao da permencia do entreferro, nmero de espiras. Por

outro lado existe uma fora da mola( ) opondo-se ao deslocamento da armadura [11].

Rels de induo eletromagntica

O funcionamento deste tipo de rel baseado na ao exercida por campos magnticos

alternativos (circuito indutor fixo), sobre as correntes induzidas por esses campos num

condutor mvel constitudo por um disco ou corpo metlico, como ilustrado na figura 3.5.

Contacto Fixo EixoBobina

Nucleo

Anel de desfasagem

Contacto Move

Disco

Figura 3.5 - Rel de induo Eletromagntica

26

i2 i2

i1

i1 F2

F1

i2 i1

Figura 3.6 - Corrente induzido conjugado desenvolvido no disco do rel

O fluxo varivel induz uma tenso da forma:

(2)

Que aplicada ao disco metlico de resistncia R, faz circular uma corrente de forma:

(3)

A fora dada pela expresso: .

O rel de induo eletromagntica atua a partir do binrio gerado sobre um disco, pela

interao entre fluxo magnticos, estes gerados pelas correntes obtidas ou geradas pela

tenso dos transformadores medida, TI e TT [11].

Atualmente, os rels eletromecnicos sendo os mais obsoletos, esto a ser substitudos

por rels eletrnicos e digitais efetuando-se essa substituio com maior evidncia nas redes

de tenso mais elevada.

B. Rels estticos ou eletrnicos

Fruto de desenvolvimento dos semicondutores e o aparecimento de dispositivos

eletrnicos, como por exemplo componentes discretos e circuitos integrados, fazem com que

as funes e caratersticas j disponveis com os rels eletromecnicos sejam melhoradas. Os

rels estticos so extremamente rpidos porque no possuem partes mveis, tendo assim,

tempo de resposta baixa [11].

Neste tipo de rel, o rgo de converso constitudo por pontes retificadoras com ou

sem filtragem, convertendo sinais analgicos convencionais em pulsaes tipo ondas

quadradas, o rgo de medida constitudo por exemplo, por um circuito Trigger Schmitt

realizando a comparao entre o sinal medido e o de referncia obtendo-se um sinal binrio

que amplificado no rgo de sada por forma a obter-se ou no ordem de disparo a enviar

ao disjuntor.

A figura 3.7 traduz o princpio de funcionamento de um rel do tipo esttico ou

eletrnico.

Circuito operativo (bobina disjuntor, alarme, sinalizao)

Figura 3.7 - Princpio de funcionamento de rel esttico

O sinal fornecido por um transformador de medida aplicado aps ter sido retificado, por

um transstor. Quando esse sinal supera o nvel de polarizao fornecido pela fonte A, o

transstor conduz e a corrente produzida pela fonte P estabelece o circuito pelo rel B. Pela

excitao do rel B, atravs de um dos seus contactos, alimentado um rel auxiliar BA cuja

misso enviar a ordem de abertura ao disjuntor, de sinalizao e de alarme

correspondentes.

A tecnologia esttica apresenta algumas vantagens comparado com o rel convencional

eletromecnico, tais como:

Baixo custo;

Dimenses mais reduzidas;

Consumo reduzido;

Maior flexibilidade permitindo um melhor ajustamento dos respetivos parmetros de

regulao em funo da variao da configurao do SEE ou das cargas, mais exatos e

seguros dentro das tolerncias especificadas para os parmetros de regulao.

C. Rels digitais

O desenvolvimento de microprocessadores permitiu que um novo e significativo passo

tenha sido dado no domnio das protees de SEE. Os rels digitais so rels eletrnicos

controlados por microprocessadores.

A Figura 3.8 ilustra rel digital multifuno, ainda possui funo de medio e de

controlo. Rele Digital

Figura 3.8 - Rel de tecnologia digital

28

Os rels digitais possuem excelentes caratersticas de funcionamento tais como [9]:

Possibilidade de modificao automtica dos seus parmetros de regulao em funo

das alteraes do SEE;

A grande utilizao de tecnologias digitais em algumas funes do SEE, tais como

medies, comunicao, telemedidas e controlo;

A possibilidade de serem programados para executarem funes distintas para alm

da funo de proteo;

Capacidade de autoteste, ou seja, programados para monitorizar continuamente o

seu estado de funcionamento colocando-se fora de servio se ocorrer alguma

anomalia, e enviando de imediato um sinal de alarme para o centro de controlo. Esta

performance do rel digital aumenta a sua fiabilidade assim como do SEE onde est

integrado, porque diminui a probabilidade do rel no atuar por avaria numa situao

de defeito.

Os rels digitais so considerados o futuro de sistemas de proteo, mas ainda h muito a

evoluir com esta tecnologia de proteo.

Atualmente, a maioria dos rels instalados so de tipo eletromecnico, no permitindo

utilizar grande parte das vantagens da tecnologia digital.

D. Rels Numricos

O princpio bsico de funcionamento de operao dos rels numricos consiste numa

amostragem peridica dos sinais de entrada, atuando nas sadas com o intuito de proteger e

controlar o sistema no qual estes rels esto inseridos. Depois do sinal de entrada ser

amostrado, so realizados clculos que permitem converter os valores das sucessivas

amostragens num valor final que corresponda s grandezas do sinal de entrada.

O carcter multifuncional de grande parte destes rels levou a que fossem designados

atualmente por Dispositivos Eletrnicos Inteligentes (IEDs). Para que todas as funcionalidades

sejam utilizadas de forma adequada e personalizada ao sistema, os IEDs disponibilizam uma

plataforma de programao lgica de forma a tornar ainda mais flexvel para o operador a

utilizao e implementao das suas funcionalidades. Assim, garante-se um maior nvel de

personalizao das funes de proteo, tendo em vista satisfazer os requisitos do sistema

que se pretende proteger.

ii. Classificao quanto ao tipo de resposta

O tempo de atuao fundamental para a preservao dos equipamentos do SEE e para a

coordenao da proteo. Embora se espera que o rel atue mais rapidamente possvel, por

questo de seletividade, torna-se necessrio permitir aos rels uma certa temporizao antes

da ordem de abertura do disjuntor. O tempo de atuao do rel pode ser instantneo ou

temporizado, este ltimo com tempo definido ou tempo inverso.

a) Rel instantneo

Sero considerados como tais, aqueles que no apresentam atraso intencional no tempo

de atuao. frequente utilizar protees de tempo instantneo nas redes radiais,

coordenadas atravs de atraso uniforme (a proteo deteta o defeito e d indicao

instantnea para abertura do aparelho de corte).

tempo

grandeza

to

gmin

Figura 3.9 - Curva caraterstico tempo instantneo

O atraso existente devido inercia natural do mecanismo de funcionamento e das suas

caratersticas construtivas. Este tipo de temporizao no pode ser utilizado em esquemas

seletivos, com os valores das correntes de curto-circuito nos diferentes pontos da rede.

b) Rels Temporizado

Sero considerados como tais, aqueles que permitirem controlo no seu tempo de

operao. Para o efeito de coordenao so induzidos atrasos propositados para permitir a

atuao das protees que tenha menor atraso definido.

Rel de tempo definido (constante) ou independente

Uma vez regulado o tempo de atuao (to) e a corrente mnima de atuao ( ), o rel

ir atuar neste tempo para qualquer valor de corrente igual ou maior do que o mnimo

ajustado, ou seja, o tempo de atuao constante independentemente da magnitude da

grandeza que ele sensvel. A figura 3.10 apresenta a curva de temporizao com atraso

independente.

30

tempo

grandeza

to

gmin

Figura 3.10 - Curva caraterstico tempo definido

Rels de tempo dependente ou inverso

Os rels temporizados com atraso dependente so os mais utilizados em SEE. A Figura

3.11, mostra a curva temporizado normalmente inversa, cujo atraso funo do valor da

grandeza a qual sensvel. O tempo de atuao do rel inversamente proporcional

magnitude da grandeza que o sensibiliza.

tempo

grandezagmin

to

Figura 3.11 - Curva Caraterstico tempo inverso e tempo inverso com mnimo definido

O rel ira atuar em tempos decrescentes para valores de corrente igual ou maior do que a

mnima de atuao (corrente de partida ou starting current), ou seja garantido que a sua

atuao mais rpida para correntes mais elevadas.

As curvas de tempo dependente so classificadas em trs grupos: Normalmente Inversa

(NI), Muito Inversa (MI) e Extremamente Inversa (EI).

tempo

grandeza

NIMI EI

Figura 3.12 - Curva caraterstica dos trs grupos de tempo dependente

Para os rels de tempo inverso com a intensidade de corrente, o tempo de atuao

(temporizao) vem definido na norma IEC 60255-3 (1989-05) por:

( )

(

)

(6)

Onde:

T o tempo de atuao em segundos,

K e so constantes,

TMS o time multiplier setting (multiplicador de tempo)

IPK a corrente de disparo do rel, a corrente mnima que provoca o disparo.

Os valores de e k para os trs curvas mais frequente vem apresentados na Tabela 3.2.

Tabela 3.2 Valores de e k segundo norma IEC 60255-3

Tipo de curva k

Normalmente inverso 0,02 0,14 Muito inverso 1,0 13,5

Extremamente inverso 2,0 80,0

Rels de caratersticas combinadas

Esta caraterstica resulta da combinao de formas acima referidas, no caso do rel de

mxima intensidade, uma combinao de duas caratersticas, temporizado com elemento

instantneo.

32

tempo

grandezagmin

Figura 3.13 - Caraterstico tempo combinado

iii. Classificao quanto a grandeza a que so sensveis

Rels de corrente

So aqueles cuja grandeza caraterstica de atuao ou de acionamento uma corrente

fornecida ao rel, seja diretamente ou atravs de um transformador de corrente da rede

[10], so sensveis ao valor eficaz da intensidade de corrente eltrica, atuam para uma

corrente maior que a corrente qual foi regulado. Atuao do rel pode ser instantnea ou

temporria, conforme a necessidade. De todo o tipo de rels o mais utilizado, tornando o

seu uso obrigatrio, em consequncia das anomalias da corrente eltrica que circula numa

instalao.

Rels de tenso

So rels sensveis ao valor eficaz da tenso do circuito que monitorizam. A sua grandeza

caraterstica de acionamento uma tenso obtida, seja diretamente ou atravs de um

transformador de tenso da rede e compara seu valor com o valor ajustado para operao.

Geralmente, a tenso numa instalao estvel, ao contrrio da corrente. S atinge valores

elevados aquando da ocorrncia de fenmenos externos instalao, como, por exemplo,

descarga atmosfrica ou perturbao na gerao.

Rels direcionais

So aqueles que respondem ao fluxo nominal de potncia ou corrente. Tm sensibilidade

direcional em relao ao sentido do fluxo de energia. Este tipo de rels tem usualmente

caratersticas temporizadas para impedir operao indesejvel durante as momentneas

reverses de energia, como, por exemplo, quando dos "surtos" de potncia sincronizante dos

geradores ou das reverses de energia quando ocorrem curto-circuitos [3].

Rels de distncia

Rels sensveis a uma variao de impedncia, em particular uma variao da reactncia

ou da resistncia. Como esses parmetros so proporcionais distncia, da a origem do

nome do rel. Na verdade o rel v o parmetro da linha ou sistema e no a distncia

propriamente dita [12].

Rels frequncia

Rels sensveis variao de frequncia na rede, comparando-a com o valor regulado

para operao. Assim, se houver uma queda de frequncia para um valor abaixo da

frequncia nominal, fecha-se o contacto de rel e disparado o disjuntor.

iv. Rels suplementar

Os rels suplementares, por sua vez, podem ser classificados de acordo com a sua funo

na parte lgica da proteo. Assim consideram-se:

Rels temporizadores

A funo desses rels diferir a ao de um outro rel, sendo esse valor de retardo

regulvel e independente das variaes das grandezas eltricas da rede. So rels que

recebendo sinais lgicos dos medidores introduzem um determinado atraso na sua atuao.

Rels auxiliar

Rel cuja funo excitar o circuito de disparo dos disjuntores. Estes rels tm de ter

poder de fecho, o que no acontece nos restantes (sejam eles medidores ou suplementares).

Muitas das vezes os rels auxiliares destinam-se apenas interligao dos elementos da

proteo, no necessitando neste caso de exibir poder de fecho.

Rels de sinalizao

Geralmente utilizado para sinalizar e registar a operao das protees.

3.3.4 - rgos de acionamento

O disjuntor um dispositivo de manobra capaz de estabelecer, conduzir e interromper

correntes normais e anormais especificadas do sistema. Num sistema de proteo, o disjuntor

tem a funo de interromper a corrente de curto-circuito do sistema e isolar a parte do SEE

sob defeito, retirando o elemento com defeito do circuito. composto basicamente por um

circuito de controlo, pelos contactos, por um sistema de abertura dos contactos, por um

sistema de extino do arco eltrico e por um sistema de fecho dos contactos.

As operaes de abertura e de fecho so realizadas a partir de um comando, que pede ser

dado por um rel ou por um operador.

Na proteo do SEE existem diversos tipos de disjuntores, que diferem essencialmente

pelo dieltrico utilizado e sua aplicao na cmara de extino do arco eltrico:

Disjuntor a sopro magntico, usado em MT at 24 kV.

Disjuntor a leo (grande e pequeno volume), aplicado na MT e AT at 230kV.

Disjuntores a vcuo, aplicado em MT

Disjuntores de ar comprimido, embora possam ser usados em toda a gama de tenses,

so mais utilizados na AT e MAT.

Disjuntores Gs SF6 mais moderno e com melhores caratersticas, a tendncia

atual nas reas de AT e MAT.

34

3.3.5 - Fontes de alimentao auxiliar

Consiste em vrias baterias formando uma associao at chegar tenso nominal de

operao do circuito de corrente contnua (DC) na ordem de 115 a 125 Volts.

O circuito de comando de abertura ou fecho do disjuntor alimentado em corrente

contnua, isto torna o controlo independente das tenses e correntes do sistema eltrico que

sofrem constantemente variaes e mudanas no seu estado. Uma sala especial dedicada ao

banco de baterias, Figura 3.14, por causa das reaes eletroqumicas internas das baterias

que podem gerar gases explosivos venenosos [12].

Banco de Baterias

Figura 3.14 - Exemplo de sala de baterias de uma subestao

O banco de baterias responsvel pelo auxlio em corrente contnua dos servios

auxiliares da subestao. O seu carregador consiste numa ponte retificadora projetada

especialmente para o efeito.

3.4 - Requisitos do sistema de proteo

Os critrios bsicos que norteiam o projeto e implementao de sistemas de proteo

so: velocidade de atuao, seletividade e coordenao, sensibilidade, fiabilidade e

segurana. Assim, sero descritos estas caratersticas funcionais essenciais devido a sua

importncia.

3.4.1 - Zonas de proteo e redundncias

Para a garantir a melhor coordenao e execuo do sistema de proteo, necessrio

definir as zonas de proteo. Geralmente, para os defeitos que afetam diretamente os

equipamentos, como os curto-circuitos, uma zona de proteo corresponde a um

equipamento especfico do sistema (linha, barramento, transformador, motor).

Normalmente, existe sempre alguma sobreposio entre zonas de proteo, que por

vezes, visa proporcionar uma ou mais reservas de atuao face eventualidade de

funcionamento incorreto da proteo responsvel, em primeira mo, pelo equipamento

respetivo (proteo primaria) ou dos disjuntores por ela comandados. A Figura 3.15 mostra

um pequeno sistema com as zonas de proteo correspondentes.

Proteo do gerador

Proteo de barramento de saida

do gerador

Proteo do transformador

Proteo de linha de transmisso

Proteo de barramento

Proteo de saidas

Proteo do transformador

Proteo de barramento

Figura 3.15 - Zonas de proteo [5]

A sobreposio de zonas de proteo vizinhas, garante que nenhuma parte do sistema

fique sem proteo. Por vezes, tal sobreposio visa garantir uma duplicao redundante,

quando os equipamentos do sistema o justificam. A redundncia implica que a unidade de

proteo dever servir de backup unidade existente a jusante. Um equipamento de

proteo deve cobrir diversas zonas, efetuando proteo primria na sua zona, onde deve

atuar primeiro e mais rapidamente. A Figura 3.16 mostra que o rel A realiza proteo

primria na zona A, e proteo secundria ou backup nas zonas B e C.

Zona A Zona B Zona C

A B C

Figura 3.16 - Diferentes zonas de atuao de um rel

A coordenao entre a proteo primria e secundria realizada atravs de um atraso

na atuao de backup. O atraso dever ser o mnimo possvel, mas que permita a correta

atuao da proteo primria [13].

3.4.2 - Seletividade

A seletividade a propriedade que o sistema de proteo deve possuir de modo a isolar

apenas o equipamento defeituoso quando da ocorrncia de um defeito, com o objetivo de

minimizar a perda de funcionalidade do sistema de energia [13]. Este requisito exige que a

cada zona de proteo se associem disjuntores terminais que permitam o referido isolamento

36

especfico. Com ela, pretende-se garantir que, em caso de defeito, atue a proteo que

esteja localizada mais prximo do local onde ocorreu esse defeito. Assim, ser possvel

minimizar as consequncias e os reflexos sentidos pelos utilizadores do sistema. Observa-se

na Figura 3.16, um exemplo de eliminao seletiva de defeito.

Proteo do gerador

Proteo de barramento de

sada do gerador

Proteo do transformador

Proteo de linha de

transmisso

Proteo de barramento

Proteo de sadas

Proteo do transformador

Proteo de barramento

Figura 3.17 - Seletividade por zonas de proteo [13]

No caso de um curto-circuito no transformador, as protees devem ordenar a abertura

dos disjuntores mais prximo do defeito (disjuntores imediatamente a montante e a jusante

do transformador). Para garantir maior segurana, cada disjuntor est includo em duas zonas

de proteo vizinhas. A seletividade uma das caratersticas funcionais mais importantes dos

sistemas de proteo, a no atuao ou a atuao indevida deste mecanismo de proteo,

pode conduzir a uma interrupo desnecessria em certas zonas da rede.

3.4.3 - Sensibilidade

As protees devem ser suficientemente sensveis para operarem nas condies de

defeito associadas as menores intensidades de corrente de curto-circuito na sua zona de

atuao, e permanecerem estveis nas condies mximas de carga (no atuar nas condies

de carga que originam as mximas intensidades de corrente).

As protees devem atuar no s em caso de defeitos francos (na sua zona de atuao),

como tambm no caso de defeitos resistivos, quaisquer que sejam as condies da rede e

sempre que as caratersticas dos defeitos caem no seu campo de medida [13].

A sensibilidade da proteo deve ser tal que quando, da ocorrncia de curto-circuito

resistivo esta opere na parte final da sua zona de atuao. usualmente expresso atravs do

fator de sensibilidade ( ) definida na equao 5 como:

(5)

Em que: Corrente de curto-circuito mnimo (calculada para o curto-circuito

franco no extremo mais afastado da linha, e sob condio de gerao mnima)

Menor corrente que faz operar a proteo (valor mnimo de corrente de

acionamento exigido pelo fabricante do rel)

A seletividade e a sensibilidade so requisitos fundamentais de sistemas de proteo, muitas

vezes em conflito. A seletividade deve ser considerada como prioritria, como um requisito

fundamental do projeto do sistema de proteo, enquanto a sensibilidade ser um objetivo a

maximizar.

3.4.4 - Rapidez

O sistema de proteo deve atuar to rpido quanto possvel de modo a reduzir os danos

nos equipamentos devido ao funcionamento inadequado, aquecimento ou instabilidade do

sistema, quando da ocorrncia de um defeito. A rapidez do sistema permite ainda reduzir o

intervalo de tempo em que a tenso assume valores diferentes do nominal, assim como,

manter a estabilidade do sistema. de referir que o tempo mximo admissvel pela

manuteno da estabilidade, para a eliminao de um defeito numa rede primria, depende

de diversos fatores, sendo o mais importante o valor da tenso nos barramentos das centrais

e subestaes durante o defeito.

A Tabela 3.3. mostra os tempos tpicos de eliminao de defeitos para diferentes nveis

de tenso da rede, onde se pode verificar que os tempos decrescem com o aumento do nvel

de tenso. Tabela 3.3 Valores tpicos de eliminao de defeitos (tempo de atuao das protees)

300 - 500 kV 100 - 120ms

110 - 220 kV 150 - 300ms

6 - 15 kV 1,5 - 30s

Um sistema de proteo eficaz quando a sua atuao seletiva e rpida, ou seja,

quando tem uma atuao correta. O tempo total de eliminao de um defeito depende do

tempo de atuao das protees somado ao tempo de atuao dos disjuntores, contado desde

a ordem de abertura at extino do arco ( ).

(6)

38

De salientar que, com o aparecimento no mercado de equipamentos modernos e

sofisticados o tempo de eliminao de defeito tem vindo a decrescer. Assim, o sistema

equipado com estes aparelhos melhora significativamente a sua rapidez [13]. Os rels rpidos

devem ser associados a disjuntores rpidos, de modo a dar um tempo de operao total

pequeno [11].

3.4.5 - Segurana

O sistema de proteo no deve operar sob condies em que no esteja previsto que

atue, ou seja, ele deve operar fielmente no caso da ocorrncia de um curto-circuito na sua

zona de atuao. A segurana das protees depende, por um lado, da sensibilidade ( ), e

por outro lado, da sua coordenao (temporizao, regulao da intensidade).

Uma operao incorreta poder dever-se:

Instalao incorreta

Deteriorao do equipamento

Geralmente, a segurana est em contradio com a rapidez e sensibilidade das

protees. Por exemplo, uma proteo segura no deve atuar devido a um pico de corrente

de arranque de um motor de induo.