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7/26/2019 proteo descargas

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_____________ Prof. Ghendy Cardoso Junior_____________________

CAPTULO 1

INTRODUO PROTEO DE SISTEMAS ELTRICOS

1 INTRODUO PROTEO DE SISTEMAS ELTRICOS........................................................................ 1

1.1 OQUE PROTEO?...................................................................................................................................... 11.2 CONSIDERAES ESTRUTURAIS DOS SISTEMAS DE POTNCIA...................................................................... 11.3 ATERRAMENTO DO NEUTRO EM SISTEMAS DE POTNCIA............................................................................... 1

1.3.1 Sistema isolado ou no-aterrado............................................................. .............................................. 11.3.1.1 Mtodos para deteco de falhas a terra em sistemas no aterrados ....................................................4

1.3.1.1.1 Trs transformadores de tenso (TPs) ....................................................................................................41.3.1.1.2 Um nico transformador de tenso (TP) .................................................................................................51.3.2 Sistema efetivamente aterrado (solidamente aterrado)..................................................................... 71.3.3 Sistema no efetivamente aterrado.................................................................................................... 10

1.3.3.1 Aterramento de alta impedncia por meio de reator................................................................................. 101.3.3.2 Aterramento de alta impedncia por meio de Resistor............................................................................ 121.3.3.3 Aterramento de baixa impedncia por meio de reator ou resistor ..........................................................18

1.4 CONFIGURAO DOS SISTEMAS DE POTNCIA............................................................................................. 211.5 ANATUREZA DA PROTEO.......................................................................................................................... 24

1.5.1 Confiabilidade......................................................... ................................................................... ............. 241.5.2 Seletividade................................................... .................................................................. ........................ 251.5.3 Velocidade...................................................... .................................................................. ....................... 251.5.4 Proteo primria e de retaguarda....................................................... ............................................... 25

1.6 ESTATSTICA DOS DEFEITOS......................................................................................................................... 271.7 DESLIGAMENTO MONOFSICO,TRIFSICO E RELIGAMENTO........................................................... .............. 281.8 ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE PROTEO................................................................................................. 29

1.8.1 Zonas de sobreposio de TCs (live tank x dead tank)................................................................... 29


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1 Introduo Proteo de Sistemas Eltricos

1.1 O que proteo?

Projeto e operao de equipamentos que detectam condies anormais dos SPs; Aes corretivas o mais rpido possvel retornar o sistema ao seu estado normal;

Resposta de tempo na ordem de ms (interveno humana impossvel); Ao deve ser automtica, rpida, e deve desligar o menor nmero de equipamentos; Objetivos dos rels:

o Diagnosticar corretamente o problema (analisar todos os tipos de falta e condiesanormais);

o Resposta rpida;o Minimizar os impactos na rede eltrica.

Rels de proteo podem falharprever protees de retaguarda.

1.2 Consideraes estruturais dos sistemas de potncia

Equipamentos de potncia geram, transformam e distribuem a energia carga;

Equipamentos de controle mantm a tenso, freqncia, carga, economia tima, segurana.o Funes de Controle local e centralizada;o Ajusta as variveis do sistema (tenso, corrente, fluxo de potncia);o Mudam o estado de operao da rede sem mexer na sua topologia.

Equipamentos de proteo:o Atuao mais rpida que os equipamentos de controle;o Abre ou fecha CBs, mudando a topologia da rede;

1.3 Aterramento do neutro em sistemas de potncia

Afeta os nveis da Icc nos defeitos que envolvem a terra; No existe Ig em sistemas no aterrados;

o Razo principal para operar os SPs sem aterramento;o A maioria dos curtos-circuitos para terra diminuindo o n de interrupes de servio.o Porm, aumentando o n de LTs, o acoplamento capacitivo dos condutores dos

alimentadores com a terra favorece um caminho para a terra. Uma falta a terra nestessistemas produz uma Icc 1capacitiva.

o Problema para a proteo detectar a Ig de baixa magnitude; Sistemas no aterrados so sujeitos a grandes sobretenses nas fases ss para faltas g; Nveis de E mais baixos, o nvel de isolao de equipamentos baseia-se em surtos (+alto quesobre tenso devido a curto-circuito). Nveis de E mais altos (> 100 kV), as sobretenses provocadas por faltas assumemimportncia. Geralmente, o neutro solidamente aterrado.

Em sistemas malhados, 69 e 138 kV, Icc1

pode ser muito alta, devido a uma baixa Zo.o Se Icc 1> capacidade de interrupo dos CBso Necessrio introduzir uma indutncia no neutro para limitar a Icc 1.o Mais efetivo do que R, pois Zth muito indutivo, e no h significante perda I2R durante a

falta.

1.3.1 Sistema isolado ou no-aterrado

A referncia a terra efetivada atravs das capacitncias naturais das linhas (impednciade alto valor). Se uma das fases for colocada em contato com a terra, haver um deslocamentodas outras fases em relao a ela, ocasionando nestas fases, tenses iguais as de linha (aumento

de 3 ), conforme mostra a Fig. 1.1. Neste caso, os equipamentos (transformadores, pra-raios,

entre outros) devem ser projetados para suportar a tenso fase-fase. O baixo valor da correntefase-terra no permite um esquema tradicional de proteo baseado em correntes.


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FIGURA 1.1 Deslocamento do neutro para uma falta fase-terra na fase a de um sistema no aterrado: (a)sistema balanceado em condies normais de operao; (b) curto-circuito franco na fase a.

Da Figura 1.1b deduz-se:

Vbg = Vbn + Vng

Vcg = Vcn + Vng

Van = - Vng

Vag +Vbg + Vcg = 3Vo

Van +Vbn + Vcn = 0

Subtraindo estas duas ltimas equao, e substituindo as outras equaes e lembrandoque Vag = 0:

Vag - Van +Vbg - Vbn + Vcg - Vcn = 3Vo

0 ( - Vng) +Vng + Vng = 3Vo Vng = Vo

Logo, o deslocamento do neutro (n) igual a Vo. Num sistema balanceado, n = g e Vo = 0,no havendo deslocamento do neutro.

O circuito tpico para uma falta monofsica na fase a de um sistema em mostrado naFigura 1.2, sendo o diagrama de seqncia mostrado na Figura 1.3.


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3

FIGURA 1.2 Falta fase-terra na fase a de um sistema no aterrado.


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4

FIGURA 1.3 Diagramas de seqncia para uma falta fase-terra em um sistema no aterrado.

Note que X1C, X2Ce X0C>> X1S, XT, X2Se X1L. Logo X1C curto-circuitado por X1Se XT, naseqncia positiva, e similarmente na negativa.

I1= I2 = I0 = VS/ X0C

Sa 0

OC

3VI 3I

X

Lembre que VS(tenso da fonte) e todas as outras impedncias so valores fase-neutro.

1.3.1.1 Mtodos para deteco de falhas a terra em sistemas no aterrados

A tenso fornece a melhor informao sobre a existncia de uma falta envolvendo terra, j

que a corrente atinge uma magnitude bastante baixa. Os esquemas das Figuras 1.4 e 1.5 socapazes de indicar a ocorrncia de uma falta para terra, mas no a sua localizao.

1.3.1.1.1 Trs transformadores de tenso (TPs)

A conexo Y (aterrada) - delta (aberto) a preferida (Fig. 1.4).


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.

FIGURA 1.4 Deteco de falta para terra por meio da Vo, utilizando trs TPs conectados em Y (aterrado) - (aberto).

Vpq = 3Vo = Vag + Vbg + Vcg = Vbg + Vcg = ( 3 VFNcos 30).2 = 3. VFN

Logo, a tenso disponibilizada ao rel para uma falta fase-terra no sistema no-aterrado igual a trs vezes a tenso fase-neutro. Normalmente, a RTP do TP VFN: 69,3 V, o querepresenta uma tenso mxima sobre o rel de tenso solidamente aterrado de 3*69,3 = 208 V.Valores tpicos para a resistncia de Ballast (do circuito secundrio) podem ser vistos na Tabela1.1.

TABELA 1.1 Valores tpicos para a resistncia de Ballast.Resistor

Tenso nominal do

sistema (kV)

RTP Ohms Watts (para 208 V)

2,4 2400:120 250 175

4,16 4200:120 125 350

7,2 7200:120 85 510

13,8 14400:120 85 510

1.3.1.1.2 Um nico transformador de tenso (TP)

A Fig. 1.5 mostra um esquema tpico para deteco de falta para terra com um nico TP.

Este esquema sujeito a ferroressonncia caso a resistncia secundria no seja adequada. Semesta resistncia:


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6

FFbg

C e

3VV

3 (X / X )

Caso a diviso Xc (a reatncia capacitiva do sistema) por Xe (reatncia de excitaoindutiva do TP) for igual a 3, ento, teoricamente, Vbg = . A saturao do TP ir evitar isto,porm possvel que o tringulo de tenso abc tenha seu ponto de terra (g) fora de sua superfcie(inverso de neutro), conforme mostra a Figura 1.6.

FIGURA 1.5 Deteco de falta para terra por meio da Vo, utilizando um nico TP.

Na Figura 1.6 Xc = -j3 e Xe = j2, portanto, a razo Xc/Xe = 1,5, que resulta em Vbg = 2,0p.u. Para efeitos de simplicidade, no foram consideradas as resistncias. Podem surgir tensesfase-terra 4 vezes maiores. Logo, esta conexo no recomendada (problemas deferroressonncia e inverso de neutro), mas caso seja utilizada, deve-se utilizar o resistor.

Ao ocorrer uma falta na fase b (rel de tenso normalmente aberto), a tenso nesta fasediminui e rel de subtenso fecha o seu contato. Caso a falta seja nas fases a ou c, a tenso

sobre o rel da fase b aumenta at aproximadamente 1,73 vezes, levando o rel de sobretenso aoperar. Qualquer rel 27 ou 59 aciona um alarme indicando defeito para terra.


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FIGURA 1.6 Diagrama de fasores mostrando a inverso do neutro para um TP em vazio conectado nafase b (exemplo com Xc = -j3 p.u. e Xe = j2 p.u.).

1.3.2 Sistema efetivamente aterrado (solidamente aterrado)

O sistema considerado efetivamente aterrado quando para todos os pontos do mesmo e

para qualquer configurao do sistema, a 0

1

X 3X

e 01

R 1X

. Esta definio permite que mesmo

um sistema no qual existam resistncias ou reatncias de aterramento entre o neutro e terraintencionalmente colocados, possa ser considerado efetivamente aterrado. No caso de uma faltapara terra, esse tipo de sistema admitir fluxos de corrente aprecivel e no apresentar grandeselevaes de tenso nas fases ss. Logo, o nvel de isolamento dos equipamentos(transformadores, pra-raios, entre outros) pode ser especificado para tenses fase-neutro.

As Icc1 prximas aos pontos de aterramento podem ser maiores que as Icc3, sendonecessrio especificarmos a capacidade de interrupo do dispositivo de abertura, levando-seesta possibilidade em considerao.

A incluso de resistores e reatores de aterramento torna possvel diminuir a Icc1 sem

alterar a condio de efetivamente aterrado do sistema, desde que este continue preenchendo ascondies estabelecidas pela definio. Desta forma, teremos Icc10,6 Icc3.Num sistema de potncia medida que nos afastamos do transformador, a relao xo/x1

aumenta, pois o xo da LT maior que x1. Para se garantir um bom aterramento, muitas vezes necessrio ter mais de um neutro aterrado. Entretanto o multi-aterramento deve ser examinadocom cuidado, pois se diminumos muito a relao xo/x1, poderemos ter correntes de curto-circuitopara terra muito elevadas.

1: EXEMPLO

Determine as tenses nas fases durante um Icc1para um sistema que apresente: X1= X2, X0= 3X1

1

1 2 0 1 1

3 3 0,6IccX X X 5X X

Va0 = - X0 Ia0 Va1 = Ea - X1 Ia1 Va2 = - X2Ia2


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8

Ia1 = Ia2 = Ia0 =1

1

Icc 0, 2

3 X

Va0 = 11

0,23X 0,6X

Va1 = 11

0,21 X 0,8X

Va2 = 11

0,2X 0, 2

X

VA = Va0 + Va1 + Va2 = - 0,6 + 0,8 - 0,2 = 0VB = Va0 + a2Va1 + aVa2 = - 0,6 + 0,8-1200- 0,21200= 1,252240VC = Va0 + aVa1 + a2Va2 = - 0,6 + 0,81200- 0,2-1200= 1,251360

X1 = X2, X0 = 2X1

1

1 2 0 1 1

3 3 0,75Icc

X X X 4X X

Va0 = - X0 Ia0 Va1 = Ea - X1 Ia1 Va2 = - X2Ia2

Ia1 = Ia2 = Ia0 =1

1

Icc 0, 25

3 X

Va0 = 11

0,252X 0,5

X

Va1 = 1

1

0,251 X 0,75

X

Va2 = 11

0,25X 0, 25

X

VA = Va0 + Va1 + Va2 = - 0,5 + 0,75 - 0,25 = 0

VB = Va0 + a2Va1 + aVa2 = - 0,5 + 0,75-1200- 0,251200= 1,152290VC = Va0 + aVa1 + a2Va2 = - 0,5 + 0,75+1200- 0,25-1200= 1,151310

Nota: Conforme visto no exemplo quanto menor for a relao xo/x1 menor ser asobretenso nas fases ss.

Note que caso: 1 30

1

X1 Icc Icc

X

As correntes de falta para terra variam consideravelmente, podendo ser maiores oumenores que a Icc 3. A magnitude ir depender da configurao do sistema (parmetros), local dodefeito e resistncia de falta. Portanto, como a I de falta varia com o local do defeito, este pode serfacilmente discriminado e isolado por meio de rels de sobrecorrente de neutro.

2: EXEMPLO

Considere que o sistema da Figura 1.7 solidamente aterrado (X e R = 0). Para uma faltano ponto F, X1 = X2 = j0,0583 p.u. e Xo = j0,052 p.u., todos na base 20 MVA e 13,8 kV.


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FIGURA 1.7 Exemplo de aplicao com sistema solidamente aterrado.

1 2 0

a 0

j1,0I =I =I = 5,934 p.u. = 4965,8 A p/ 13,8 kV

j0,1685

20kIbase= 836,74 A

3.13,8

I 3.I 17,8 p.u. = 14897,5 A p/ 13,8 kV

Note que Io 37 vezes maior que 400 A (caso a corrente de falta para terra fosse limitadapor uma X = 19,38 ) " faz referncia ao exemplo 6".

Para uma falta trifsica em F:

1

j1,0I 17,17 p.u.=14364,6 A p/ 13,8 kV

j0,0583

Logo, a Icc1> Icc3. Esta diferena pequena, pois a fonte muito forte comparada como transformador de entrada. Caso a impedncia da fonte seja aumentada (torna a fonte maisfraca), as correntes de curto-circuito (1e 3) diminuem, mas em compensao a relao Icc1/Icc3vai ser bem maior.

3

1

11 0

1,0I = p.u.

X

3.1,0I = p.u.

(2X X )

Se a impedncia da fonte for desprezada, ento X1= X2= X0, ou seja:

3 1

1

1I =I p.u.

X

Se a impedncia da fonte for considerada, ento X1= X2> X0, ou seja:

1 3I > I

Se X0 > X1= X2, tem-se:1 3I < I


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Note que este ltimo caso ocorre para faltas ao longo do alimentador, pois Xo da linha geralmente igual a 3 - 3,5 * X1. Isto implica na possibilidade de correntes de falta para terra debaixa magnitude, difceis de serem detectadas e isoladas por rels de sobrecorrente. Portanto, recomendado aterrar solidamente os transformadores de distribuio que alimentam linhas

longas, rurais ou urbanas.

1.3.3 Sistema no efetivamente aterrado

Qualquer sistema que no atenda s condies estabelecidas para um sistema

efetivamente-aterrado, ou seja, 0

1

X3

X e 0

1

R1

X . O nvel de isolamento do sistema deve ser

especificado para a tenso de linha no caso de aterramento de alta impedncia; e pode serespecificado para a tenso fase neutro no caso de aterramento de baixa impedncia. Emconseqncia de sua definio, este pode ser aterrado por reator ou por resistor.

1.3.3.1 Aterramento de alta impedncia por meio de reator

mais efetivo para reduo de corrente que o resistor, entretanto o seu custo maiselevado.

Quando uma fase entra em contato com a terra, circula no circuito fase-terra uma correnteindutiva; ao mesmo tempo, uma corrente capacitiva circula da linha para terra. Como estas duascorrentes esto praticamente defasadas de 1800, a corrente que flui para terra ser a diferenaentre estas, e pode ser reduzida zero, caso a corrente indutiva e capacitiva sejam virtualmenteigual. Nestas condies a corrente de curto-circuito to pequena que praticamente se extingue,eliminando a falta. Por esta razo este tipo de aterramento dito ressonante (bobina de Peterson)

Sua aplicao em sistemas de distribuio dificultada devido as freqentes mudanastopolgicas. O nvel de isolao do sistema deve ser a V de linha.

A experincia mostra que pode ocorrer um grande numero de faltas entre fases, alm da

grande incidncia de faltas simultneas. Quando utilizado, um rel 51 bastante sensvel disparaum alarme e aps aproximadamente 10-20 s, caso a falta ainda persista, o reator curto-circuitado. Isto implica em uma grande corrente de falta que por sua vez opera o rel isolando afalta.

Esta aplicao mais favorvel para o aterramento de geradores, permitindo que o mesmocontinue operando mesmo na presena de uma falta fase-terra, at que um adequadodesligamento da unidade seja providenciado (organizado da maneira mais favorvel).

Para que se possa entender o princpio de funcionamento da bobina de Peterson, veja asFiguras 1.8, 1.9 e 1.10.

(a)(b)

FIGURA 1.8 Curto-circuito monofsico na fase a de um sistema trifsico em Y aterrado por uma X de altaimpedncia. (a) diagrama trifilar, e (b) diagrama de fasores.


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(a) (b)

FIGURA 1.9 Curto-circuito monofsico na fase a de um sistema trifsico em Y no aterrado. (a) diagramatrifilar, e (b) diagrama de fasores.

(a)

(b)

FIGURA 1.10 Sobreposio das Figuras 1.8 e 1.9. (a) diagrama trifilar, e (b) diagrama de fasores.

A Fig. 1.11 mostra de maneira mais detalhada a distribuio de correntes em um sistematrifsico aterrado por um reator de alta impedncia.


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1

FIGURA 1.11 Aterramento ressonante.

1.3.3.2 Aterramento de alta impedncia por meio de ResistorNo to eficiente na reduo da corrente de curto-circuito quanto o reator (o sistema de

potncia predominante indutivo). Entretanto, tem a vantagem de no apresentar problemas deressonncia com as capacitncias do sistema.

A utilizao da resistncia de aterramento implica em: Diminuio da corrente de falta fase-terra; Possibilidade de se utilizar esquemas de proteo com atuao baseada em I0; Dependendo do valor da resistncia, o neutro poder ficar completamente deslocado; Necessrio especificar transformadores e pra-raios para os valores da tenso fase-fase.

A vantagem do resistor a capacidade de dissipar altos valores de potncia na ocasio dafalta. Isto ajuda a melhorar a estabilidade do sistema no caso de faltas para terra, pois a potnciadissipada no resistor ajuda a reduzir a acelerao das mquinas.


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Normalmente procura-se instalar um Resistor para diminuir a Icc1a valores bem inferioresa Icc3 todavia ainda suficientes para operao seletiva dos rels, ou seja, procura-se obter

1

3

Icc0,1

Icc

. Geralmente a Icc1 limitada para valores entre 1 at 10 A.

A conexo da Figura 1.12 indicada em situaes que se tem uma unidade geradora eem sistemas industriais que utilizam um nico transformador de suprimento. Quando se tem variasunidades geradoras conectadas a uma mesma barra, ou sistemas com mais de uma fonte desuprimento, o esquema da Figura 1.17 preferido.

FIGURA 1.12 Aterramento de alta impedncia com resistor de neutro.

3: EXEMPLO

Considere o sistema apresentado na Fig. 1.13 e determine o valor da resistncia a serutilizada no secundrio do transformador de modo a limitar a Icc1 . Na Fig. 1.14 mostrado odiagrama de seqncia e fluxo de correntes para uma falta fase-terra. Os dados das capacitnciaspor fase do sistema so apresentados na Tabela. 1.2.


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FIGURA 1.13 Sistema utilizado no exemplo de aplicao sobre aterramento de alta impedncia comresistor no secundrio de um transformador de distribuio.


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FIGURA 1.14 (a) Diagrama de seqncia do sistema teste e (b) fluxo de correntes.

TABELA 1.2 Valores das capacitncias por fase do sistema da Fig. 1.13.Capacitncias para terra em F/ fase

Enrolamentos do gerador 0,24Capacitncia do gerador 0,25

Fiao gerador-transformador 0,004

Enrolamento BT do trafo de fora 0,03

Trafo auxiliar enrolamento AT 0,004

Enrolamentos do TP 0,0005

Capacitncia total para terra 0,52856 610 10

Xc j j 5019,08 / fase2 fC 2 .60.0,5285

Na base de 100 MVA, 18 kV:

2

100(5019)

1549,1p.u.18 Ou, na base do gerador:160(5019) / 182=2478,56 p.u.O resistor de aterramento (3R) selecionado de tal modo que ele seja igual a reatncia

capacitiva de sequncia zero, na base de 100 MVA, ou seja, 3R = 1549,1 p.u.Zo = 3R // Xco

oo1549,1(1549,1 90 )Zo 1095,38 45 p.u.

1549,1 j1549,1

Desprezando a X1e X2do sistema (j0,066 p.u.):

o

o

1,0I1 I2 Io 0,00091 45

1095,38 45

100kIbase 3207,5 p /18kV

3.18

I1 I2 Io 0,00091(3207,5) 2,92A p /18kV

In 3Io 3(2,92) 8,76A p /18kV

3R = 5019,08 na base de 18 kVR = 5019,08 / 3 = 1673,03 O valor da resistncia no lado secundrio do transformador :

2240

R 1673, 0218k

=0,2974

Para uma corrente de 6,19 A * (18k/240) = 464,38 A no secundrio do trafo de distribuioVo = (464,38).(0,2974) = 138,12 VA potncia de R : 2P (464,38) (0,2974) 64,14kW A potncia aparente do trafo de distribuio :

18kS 6,19 64,33kVA

3

A corrente capacitiva que flui para a terra :18k

Ic 2,07 A/fase para 18 kV3.5019

A utilizao do transformador de distribuio com uma resistncia de aterramentosecundria ao invs do resistor diretamente conectado ao neutro uma considerao econmica.

As correntes de sequncia e de fase do sistema podem ser vistas na Figura 1.15.


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FIGURA 1.15 Distribuio de correntes de fase e seqncia para um defeito slido na fase a para terra.

4: EXEMPLO

A Fig. 1.16 mostra um esquema para aterramento de alta resistncia por meio de trstransformadores de distribuio.


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1

FIGURA 1.16 Exemplo de aplicao sobre aterramento de alta impedncia por meio de trstransformadores de distribuio sistema industrial.

Neste caso, tanto o gerador local ou o enrolamento estrela do transformador de suprimento

poderiam ter o neutro aterrado por resistor, mas tanto o transformador como o gerador poderiaestar fora de servio. Logo, o sistema ser aterrado conforme a Fig. 1.17.

FIGURA 1.17 Exemplo de aplicao sobre aterramento de alta impedncia com resistor no secundrio detransformadores de distribuio.

Os das capacitncias por fase do sistema da Fig. 1.16 so dados na Tabela 1.3.

TABELA 1.3 - Valores das capacitncias por fase do sistema da Fig. 1.16.Capacitncias para terra em F/ fase

Transformador de suprimento 0,004

Gerador local 0,11

Motor 0,06

Transformadores de fora do centro de carga 0,008

Cabos de conexo total 0,13

Surge capacitor 0,25

Capacitncia total para terra 0,562

6 610 10Xc j j 4719,9 / fase

2 fC 2 .60.0,562


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13,8kIc 1,69 A / fase p /13,8kV

3.4719,9

Xc em p.u. na base de 20 MVA e 13,8 kV:

220(4719,9)Xc 495,68p.u.

13,8

No caso do aterramento de alta resistncia, R = Xc (ver Figura 1.17), logo R = 495,68 p.u.

o

1 2

o

1 2 o

1 2

a

(495,7)( j495,7)Zo 350,5 45

495,7 j495,7

despresando Z e Z , pois


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FIGURA 1.18 Aterramento de baixa impedncia com impedncia no neutro.

Caso o neutro do sistema no esteja disponvel (), o aterramento efetuado por meio deum transformador Y (aterrado) - (aberto) ou um transformador zig-zag. Estes transformadoresno podem ser utilizados para suprir energia carga.

O transformador zig-zag consiste de trs transformadores 1:1, conectados de modo apassar somente a corrente de seqncia zero (Ia0 = Ib0 = Ic0= I0). Logo, as correntes de seqnciapositiva e negativa no conseguem passar pelo transformador zig-zag (Ia1 Ib1 Ic1e Ia2 Ib2 Ic2).A impedncia para o caminho de seqncia zero a reatncia de disperso do transformador XT.Para uma tenso de 1 p.u. fase-neutro, a tenso em cada enrolamento 0,866 p.u.. Como aresistncia do enrolamento do transformador de aterramento zig-zag muito pequena, este

constitui um aterramento por reatncia. Se XT for muito pequeno e no for capaz de limitar acorrente de falta para terra, uma resistncia poder ser utilizada, conforme mostra a Figura 1.19.


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FIGURA 1.19 Aterramento de baixa impedncia com transformador zig-zag.

5: EXEMPLO

Para o sistema da Figura 1.20 desejado limitar a corrente de falta em 400 A primrio pormeio de um reator de neutro de baixa impedncia. Usar a base 20 MVA durante os clculos.

FIGURA 1.20 Exemplo de aplicao sobre aterramento de baixa impedncia.

base1 2

real

1 2

0

MVA 20Fonte : X X j0,00625 p.u.MVA 3200

Tranformador: XT = j0,052 p.u.

Total: X =X =j(0,0063+0,052)=j0,0583 p.u.

Total: X =j(0,052+3X) p.u.

Para 400 A primrios:

1 2 0

1 2 0

1 2 0

400I =I =I = 133,33 A p/ 13,8 kV

3

20kIbase= 836,74 A

3.13,8133,33

I =I =I 0,159 p.u.836,74

Z +Z +Z j(0,1685 3X)

2

j1,00,159 2,036 p.u.

j(0,1685 3X)

13,8 (2,036)X 19,38 p/ 13,8 kV

20

6: EXEMPLO


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Para o sistema da Figura 1.20 desejado limitar a corrente de falta em 400 A primrio pormeio de uma resistncia de neutro de baixa impedncia. Usar a base 20 MVA durante os clculos.

0

1 2 0

j1,0I =I =I =0,159 A

3R+j0,1685

Resolvendo pelo mtodo da soma dos quadrados, tem-se:

0

2 2 2

2

j1,03R+j0,1685

0,159 A

(3R) (0,1685) (6, 29)

13,8 (2,09)R 2,09 19,91 p /13,8 kV

20

Comparando os valores do exemplo anterior (X = 19,38 ) e atual (R = 19,91 ) nota-seque em muitos casos o ngulo Aopode ser ignorado e o resistor adicionado aritmeticamente, aoinvs de vetorialmente. Isto simplifica os clculos e introduz um erro muito pequeno. Logo, quando

o valor do resistor for muito grande com relao a impedncia do sistema, pode-se usar aseguinte equao:

FN

13,8V 3

R 19,92I 400

A Tabela 1.4 apresenta de maneira resumida os tipos de aterramento recomendados.

TABELA 1.4 Tipos deaterramento e recomendaes.

1.4 Configurao dos sistemas de potnciaA Fig. 1.21 mostra um sistema radial.


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FIGURA 1.21 Sistema radial.

Uma nica fonte, mltiplas cargas, geralmente associado aos SDs (< 100 kV); Construo mais econmica, menos confivel; Esquema de proteo menos complexo, j que a Icc flui numa nica direo; |Icc| no varia muito com as condies de gerao longe da gerao;

Um sistema malhado apresentado na Fig. 1.22.

FIGURA 1.22 Sistema malhado.

Vrias fonteso Subtransmisso (100-200 kV) e Transmisso (> 200kV);

Mais flexibilidade e maior confiabilidade no fornecimento do servioo Sada de um gerador ou LT no implica em grande impacto na confiabilidade do sistema;

Necessrio considerar a contribuio de Icc em cada direo; O |Icc| influenciado pela configurao do sistema e capacidade de gerao;

7: EXEMPLO

Considere que a carga da barra 2 da Fig. 1.23 suportada no caso de perda de umelemento do sistema malhado. Determine a Icc3 na barra 2 para: todas as LTs em servio, esada da LT 2-3. Considere ainda a sada do transformador 2-4, o sistema normal, e a perda deum dos geradores, e determine a Icc3na barra 9.


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FIGURA 1.23 Sistema de potncia para anlise do comportamento da corrente de curto-circuito.

Na transmisso:o Todas as LTs em servio Icc 32 = -j20 puo Sada da LT 2-3 Icc 32 = -j10 pu

Na distribuio:o Sada do transformador 2-4 perda de todas as cargas do alimentador;o Com o sistema normal Icc 39 = -j0,23 puo Perda de um dos geradores Icc 39 = -j0,229 pu

Logo, o SD v a fonte quase como uma fonte de Z constante, sendo pouco sensvel smudanas topolgicas sofridas pelo sistema de transmisso.

A Fig. 1.24 mostra alguns arranjos de SEs.

FIGURA 1.24 Arranjo de subestaes. (a) barra simples, disjuntor simples (b) barra dupla, disjuntorsimples (c) dupla barra, duplo disjuntor (d) anel (e) disjuntor e meio.

Barra simples e CB mais simples, mais barato, menos flexvel.o Manuteno na barra, CB, seccionadora desligar todas as LTs

Barra dupla e CB manuteno no CB sem desligar as LTs


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o Algumas LTs ligadas barra 1 e outras barra 2 (transferncia) evita maiores impactossobre o sistema durante uma falta na barra;

o Manuteno do CB (1 por vez) as linhas so transferidas para a barra 1 exceto a linhaconectada ao CB em manuteno, que transferida para a barra 2 e o CB de interligao

passa a ser o disjuntor da linha.o O sistema de proteo associado ao disjuntor em manuteno deve ser repassado para o

CB de interligao, de modo a acomodar a nova configurao. Barra dupla, duplo CB qualquer CB ou barra pode ser removida de servio;

o Requer a operao de 2 CBs para uma falta na linha ;o Falta numa barra no afeta a outra, nem as LTs;o Oferece uma maior flexibilidade (operao e manuteno), mais caro (n CB = 2*n LT)

Anel flexibilidade semelhante ao anterior, enquanto o anel est intacto;o Quando um CB estiver em manuteno o anel quebrado e perde-se a flexibilidade.

CB e meio mais usado na EAT;o Proporciona a mesma flexibilidade do arranjo dupla barra, duplo CB, ao custo de 1,5 CB/LT.

1.5 A natureza da proteo

Rels no previnem defeitos minimizam os danos (materiais e humanos);o Retiram o componente defeituoso do sistema;o Aumentam a integridade e estabilidade do resto do sistema;o Ajudam a configurar o sistema num ponto de operao aceitvel (aspecto de controle).

1.5.1 Confiabilidade = disponibilidade + segurana

Mede o grau de certeza com que o equipamento satisfaz a funo prevista, ou seja, ahabilidade do sistema de proteo atuar corretamente quando necessrio (dependability) e noatuar indevidamente (segurana). Note que ao aumentar a dependability, diminui-se a segurana,

e vice-versa.Muitas vezes, o trip desnecessrio menos desagradvel que uma falta sustentada.Sistemas radiais e SP em estado de operao de emergncia esta filosofia no muitoapropriada, j que as alternativas para transferncia de potncia so limitadas.

Em sistemas maduros (bastante malhados), tende-se a optar pela dependability. Por outrolado, quando se trata de sistemas novos (pouco malhados), tende-se a optar pela segurana.

8: EXEMPLO

Considere uma falta no ponto F da Fig. 1.25 E analise a confiabilidade do sistema deproteo considerando os termos segurana e dependability.

FIGURA 1.25 Confiabilidade do sistema de proteo.

Um defeito em F deve ser eliminado pelos rels R1 (B1) e R2 (B2); Se R2 no operar

o No confivel por perda de dependability; Se R5 operar (B5) antes de B2 eliminar a faltao No confivel por perda de segurana;


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Note que se nico rel do sistema de proteo perder a confiabilidade, ento todo oesquema de proteo ser no confivel.

1.5.2 Seletividade

A segurana definida em termos de regies. O sistema de proteo seguro se houverdisparo para faltas dentro de sua zona de atuao, limitada pelos TCs (os CBs isolam a falta).Portanto, todos os elementos do sistema de potncia devem pertencer a pelo menos uma zona deproteo. Os elementos mais importantes devem pertencer a pelo menos 2 zonas de proteo.

As zonas de proteo devem ser sobrepostas de modo a evitar que algum componente dosistema eltrico no esteja protegido. A regio de sobreposio deve ser pequena de modo adiminuir a probabilidade de uma falta nesta regio, o que implicaria no desligamento de mais deum componente. As zonas de atuao de rels podem ser: Fechada, diferencial, ou absolutamente seletiva (limitada por TCs). Aberta (no limitada pelos TCs), irrestrita, relativamente seletiva. O limite das zonas varia deacordo com a Icc (proteo de LT sem teleproteo)

9: EXEMPLO

Considere a Fig. 1.26 e para as situaes de falta em F1, F2 e F3, determine a seqnciade operao dos disjuntores.

FIGURA 1.26 Zonas de proteo fechada e aberta.

Falta em F1(zona fechada) B1 e B2 devem abrir;Falta em F2(zona de sobreposio) B1, B2, B3, e B4 devem abrir;Falta em F3(duas zonas abertas) B6 deve abrir; B5 o CB de retaguarda e deve operar

caso B6 no elimine o defeito.Note que o defeito deve ser sempre eliminado pela atuao do rel e disjuntor mais

prximo a ele.

1.5.3 VelocidadeAs formas de onda de E e I so distorcidas devido a fenmenos transitrios decorrentes da

falta, havendo necessidade de processar informaes relevantes a partir destas formas de onda.Portanto, o tempo de resposta do rel inversamente proporcional ao grau de certeza na suadeciso (opera ou no opera). Quanto ao tempo de operao, os rels podem ser: Instantneo: no introduzido um atraso de tempo intencional (caracterstica construtiva).

o Rel opera to logo uma deciso segura seja alcanada (1 6 ciclos). Temporizado: introduzido um atraso de tempo intencional para incio da ao de trip Alta velocidade: opera em um tempo < 50 ms (3 ciclos) Ultra-alta velocidade: 4 ms (1/4 ciclo).

1.5.4 Proteo primria e de retaguardaA proteo primria ou proteo principal opera o mais rpido possvel, desliga a menor

quantidade de equipamentos (seletiva). Na EAT comum o uso de proteo primria duplicada


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(muitas vezes chamadas de alternada). Esta deve, de preferncia, ser composta por rels dediferentes fabricantes e princpios de operao. O tempo de operao da proteo primria eduplicada igual. Recomenda-se, sempre que possvel, conectar estas protees a TPs e TCscom a mnima interdependncia entre si. Porm, comum no se duplicar tudo, pois transdutores

e disjuntores so muito caro.

10: EXEMPLO

Para um defeito no transformador da Fig. 1.27, o rel 87 considerado a proteoprincipal, pois o mais rpido e seletivo. Os rels 50/51 do lado AT so considerados comoproteo de retaguarda local para defeitos no transformador e nos alimentadores de sada dasubestao.

FIGURA 1.27 - Proteo principal e retaguarda local.

11: EXEMPLO

Na Figura 1.28 as protees 21A1 e 21B1 so consideradas protees primrias e ainda21A2 e 21B2 so as alternadas. Para defeitos no trecho BC (alm dos TCs) as protees

principais so 21B1 e 21B2, pois possuem ao rpida (20 - 80 ms) e so seletivos. Os rels21A1 e 21A2 so considerados de retaguarda, pois possuem atuao temporizada (400 ms) e noso seletivos, pois desligam o trecho AB sem defeito. Os rels 21A1 e 21A2 so consideradosproteo de retaguarda remota para defeitos no trecho BC.

FIGURA 1.28 Proteo primria, alternada e retaguarda remota.

A proteo de retaguarda supervisiona a operao da proteo principal, e pode ser local(prxima do equipamento ou circuito protegido) ou remota (em um ponto remoto).

Geralmente, em nveis de tenso mais baixa utilizada a proteo de retaguarda remota,que por sua vez mais lenta e remove uma maior poro do sistema. Por outro lado, em nveis detenso mais alta, so utilizados os dois esquemas de retaguarda.

A proteo de retaguarda local (localizada na mesma SE) pode falhar pelas mesmasrazes da proteo primria, enquanto que a remota completamente independente,(transdutores, baterias entre outros) e dificilmente falha pelas mesmas razes da primria.

A proteo para falha de disjuntores (BF) funciona como retaguarda local para falhaestritamente em disjuntores. Esta composta por um temporizador cuja bobina energizada todavez que a bobina de disparo do disjuntor for energizada; e desenergizada quando a Icc


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2

desaparece. A sua atuao implica no disparo de CBs locais e remotos, ou seja, todos osdisjuntores necessrios para isolar o defeito.

12: EXEMPLO

Considere uma falta no ponto Fentre as barras A e B da Fig. 1.29 e determine as funesdos rels (primria, alternada e retaguarda).

FIGURA 1.29 Proteo primria duplicada, retaguarda local e remota.

R5 e R1 (primria)o Devem operar abertura de B5 e B1;

R2 (alternada)o a duplicao da proteo primria (R1) opera com o mesmo tempo que R1 e poder

utilizar os mesmos elementos da cadeia de proteo.o Na EAT

TCs separados;

Mesmo dispositivo de potencial com enrolamentos separados; CB no duplicado; Alimentao dc (baterias) duplicada.

o Em nveis de E mais baixos comum compartilhar os transdutores e circuitos dc; R3 (retaguarda local)

Mais lento que R1 e R2; Enxerga defeitos mais longe; Tenta o trip de B1 e aciona o rel BF: No caso de falha do B1 o rel BF manda abrir B5, B6, B7, B8.

R9, R10, R4 (retaguarda remota)o No h modos comuns de falha entre R1 e estes;o Mais lento que R1, R2, R3;o Tira as linhas BC, BD, BE.

1.6 Estatstica dos defeitosA seguir so apresentadas algumas estatsticas sobre ocorrncia de defeitos em sistemas

eltricos de potncia, considerando:

O tipo de falta (Tabela 1.5).

TABELA 1.5 Percentual de falhas por tipo de defeito.Falta Porcentagem (%)

Fase-terra 81

Fase-fase 10Fase-fase-terra 6

Trifsica sem terra 1,5


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Trifsica com terra 1,5

O equipamento protegido (Tabela 1.6).

TABELA 1.6 Percentual de falhas por equipamentos.Equipamento Porcentagem (%)

Linha de transmisso 69,7

Distribuio 9,2

Barramentos 6,7

Geradores 4,7

Outros equipamentos 2,6

Sistemas externos 1,0

Consumidor 0,4

Outra 5,7

A causa (Tab. 1.7).TABELA 1.7 Percentual de falhas de acordo com a causa.Causa Porcentagem (%)

Fenmenos naturais 50,2

Falha de equipamento 12,0

Falha humana 9,0

Falha operacional 8,5

Outras 20,3

1.7 Desligamento monofsico, trifsico e religamento

Nos EUA o trip ocorre para todas as 03 fases independentemente do tipo de falta. J naEU, utilizado o trip da fase em falta para falta 1g, e trip 3para faltas entre fases em LTs.Geralmente, estas prticas esto relacionadas ao comprimento das linhas (longa ou curta). Nocaso da linha curta, o desligamento e religamento monofsico para defeitos monofsicos umasoluo atrativa.

A vantagem do desligamento 1 que a maioria das faltas so temporrias e monofsicas.Portanto, estas podem ser eliminadas pela abertura e religamento do CB.

O religamento manual muito lento para restaurar o sistema ao estado pr-falta, podendoo sistema ficar instvel. O religamento automtico supervisionado por intertravamentos cujoobjetivo evitar danos indesejveis durante o religamento, ou seja: Cheque de E: pode ocorrer a situao em que determinado equipamento tenha que ser

energizado por um lado especfico.o desejvel que o transformador seja energizado pelo lado de AT. Portanto, o CB do ladoBT s dever ser fechado depois da energizao do transformador.

Cheque de sincronismo: no caso de religar um equipamento com fonte em ambos os lados,deve-se checar se os lados esto em sincronismo e aproximadamente em fase.

o Se os dois sistemas esto em sincronismo Deve-se checar se a diferena angular dos fasores em ambos os lados

limite especificado.o Se os dois sistemas no esto em sincronismo, e o fechamento do CB ir sincroniz-los

necessrio monitorar os fasores da E (mdulo e ngulo) em ambos oslados do disjuntor e fech-lo assim que os fasores se aproximarem um dooutro.

Cheque de equipamento: evita que um equipamento seja energizado indevidamente.o Manual inspecionar equipamento antes de religar o CB.o Automtico alta velocidade (< 1 s) geralmente para faltas g.


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o Temporizado vrios segundos at 1 min.

1.8 Elementos de um sistema de proteoA Fig. 1.30 mostra os principais elementos que compem um sistema de proteo, ou seja:

transdutores, rels, baterias, e disjuntores.

FIGURA 1.30 Elementos de um sistema de proteo.

Rels: so os elementos lgicos, isto , iniciam o trip e as operaes de fechamento do CB. Banco de baterias: durante a falta a tenso na SE pode ser muito baixa e a abertura do CB nopode no ser possibilitada.

o No caso de uma falta 3muito prxima da SE, a |E|ac = 0 Indisponibilidade de alimentar o circuito de disparo de CB e lgica de rels.

Um banco de baterias capaz de suprir a potncia dc por aproximadamente8-12 h no caso de blackoutna SE.

o elemento mais confivel Na EAT o banco de baterias duplicado.

o Rels eletromecnicos produzem transitrios severos na fase de energizao de suabobina, podendo causar falhas no modo de operao de outros rels ou at mesmo

danific-los. Portanto, recomenda-se ligar rels eletromecnicos em baterias separadasdaquelas que alimentam os rels estticos e digitais. Disjuntores: so os dispositivos de abertura do circuito sob defeito. Na EAT (< 800 kV) acapacidade de interrupo 100 kA.

o O meio de interrupo um dos parmetros mais importante na especificao do CB leo, gs, ar, vcuo. leo o mais barulhento, porm mais barato.

1.8.1 Zonas de sobreposio de TCs (live tank x dead tank)

A Fig. 1.31 mostra as maneiras como as zonas de proteo definidas pelos TCs podem sercompostas.


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FIGURA 1.31 Zonas de sobreposio de TCs.

13: EXEMPLO

Considere a Fig. 1.31 e analise o que ocorre com as protees de barra e linha paradefeitos em F1, F2, F3 e F4. Fig. 1.14 (b) dead-tank:

o Falta em F1 trip LT (B1 e CB remoto) e 87barra (trip B1 + CBs ligados barra) tripdesnecessrio, mas inevitvel.

o

Falta em F2trip CBs da LT; trip desnecessrio dos outros CBs da barra. Fig. 1.14 (c) live-tank:o Falta em F1proteo de barra (B1 + outros ligados barra);o Falta em F2trip CBs de barra no elimina a falta (blind spot);o Falta em F3proteo de LT e barra (trip desnecessrio);o Falta em F4proteo de LT.

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