Relés Numéricos de Proteção

Escrito por Daniel BarbosaTer, 26 de Agosto de 2008 11:59 - Última atualização Sex, 12 de Setembro de 2008 16:06

Os relés de proteção são dispositivos compactos que são conectados ao SEP e possuemcaracterísticas de projeto e funcionamento interessadas na detecção de condições anormais deoperação que excedam limites toleráveis, e na inicialização de ações corretivas quepossibilitem o retorno do SEP a seu estado normal. Tais equipamentos, sejam analógicos e oudigitais, são responsáveis pela análise das grandezas elétricas associadas à rede elétrica epela lógica necessária à tomada de decisão pelo sistema de proteção, caso algum distúrbioseja encontrado.

Embora a principal função do relé seja mitigar os efeitos dos curtos-circuitos e de outrascondições anormais de operação, estes exercem uma função importante na determinação dotipo de distúrbio que está ocorrendo no sistema, como a sua localização, possibilitando umaanálise mais ampla do problema e suas possíveis soluções.

Entretanto, o sistema de proteção não é composto apenas pelo relé, mas por um conjunto desubsistemas integrados que interagem entre si com o objetivo de produzir a melhor atuaçãosobre o sistema, ou seja, isolar a área defeituosa sem que esta comprometa o restante doSEP. Estes subsistemas são formados basicamente por relés, disjuntores, transformadores deinstrumentação e pelo sistema de suprimento de energia. A Figura 1 a seguir, ilustra ossubsistemas do sistema de proteção como foi caracterizado.

Figura 1: Subsistemas do sistema de proteção.

As principais funções de cada subsistema supracitado são:

- Relés: responsáveis pela lógica de atuação do sistema de proteção, que através dascondições dos sinais de entrada, sejam tensão e/ou corrente, atuam ou não sobre osdisjuntores locais ou remotos associados. - Disjuntores: interrompem a passagem de corrente e isolam o ramo defeituoso do restodo sistema elétrico. Estes são caracterizados como as chaves de disjunção que interligam todo

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o sistema. - Transformadores de instrumentação (transdutores): realizam a redução dos níveis detensão e/ou corrente, reproduzem as formas de onda presentes no sistema elétrico e isolam osequipamentos a estes conectados, sem que haja perda de informação. - Baterias (suprimento auxiliar): fornecem energia ao sistema de proteção em caso defalha do sistema supridor, de modo a garantir o funcionamento dos outros subsistemasassociados.

Na realidade, os relés de proteção são considerados os mais importantes componentes dosistema de proteção, uma vez que a decisão lógica sobre a atuação em uma determinadaregião é feita por estes equipamentos. Por causa dessa importância para o sistema, os relésdevem ser equipamentos extremamente confiáveis e robustos, pois suas funções só serãoexigidas em condições anormais de operação, não sendo requeridos durante a operaçãonormal do SEP.

Contudo, o funcionamento dos relés depende diretamente dos transformadores deinstrumentação a estes associados, ou seja, dos sinais fornecidos nos secundários dostransdutores que são a base de operação dos relés, sejam estes analógicos (TCs e TPs) oudigitais (TCs ópticos). Sobre os sinais aquisitados, sejam diretamente ou através decombinações, são efetuadas as operações de comparação com os limiares previamenteestabelecidos. A Figura 2 ilustra uma representação lógica dos relés de proteção, na qualcada bloco representa uma etapa a ser executada pelo relé, seja este eletromecânico oudigital.

Figura 2: Representação lógica dos relés de proteção.

É importante salientar que a tomada de decisão de um relé de proteção, isto é, o envio do sinalde abertura do disjuntor (trip), é determinada pelo tipo de função que o relé está executando ede suas configurações, já que cada aplicação exige uma parametrização específica de acordocom a topologia da rede elétrica, da filosofia de proteção adotada e da porção do sistema quese deseja proteger. A parte do sistema elétrico a qual o relé deverá atuar no sentido deprotegê-la é conhecida como zona de proteção.

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Os equipamentos para aplicação em sistemas de proteção, incluindo os relés, devem observaralgumas características básicas para a realização satisfatória da proteção do sistema. Aspropriedades demandadas para o sistema de proteção são:

- Confiabilidade: assegurar que a proteção atuará corretamente quando for necessária,distinguindo entre situações de falta e condições normais de operação. - Seletividade: maximizar a continuidade do serviço de fornecimento de energia,desconectando o mínimo do sistema em situações de falta. - Velocidade de operação: minimizar o tempo de duração da falta e conseqüente perigopara os equipamentos. - Simplicidade: mínimo de equipamentos de proteção e circuitos elétricos associados paraexecutar os objetivos da filosofia de proteção desejada. - Economia: máxima proteção com o mínimo de custo.

É factível observar que algumas dessas premissas citadas são diretamente influenciadas pelocomportamento dos relés presentes no sistema de proteção, de modo que as mudanças dascaracterísticas do SEP e suas respectivas cargas, como a presença de harmônicos, interferemno funcionamento dos relés e provocam possíveis erros de atuação. Desta forma, fica claroque os dispositivos de proteção necessitaram e continuam dependentes de uma evoluçãodurante os anos para assegurar os níveis de confiabilidade exigidos.

1 Breve evolução histórica dos relés numéricos

A presença de relés de proteção é essencial no funcionamento do SEP moderno, sendo suaoperação diretamente dependente da filosofia e dos tipos comercialmente disponíveis. Destaforma, a evolução contínua desses dispositivos é uma conseqüência da necessidade doestabelecimento de novas condições operacionais, aumentando a confiabilidade e reduzindoos prejuízos causados por problemas que ocorrem na rede elétrica.

Os primeiros relés desenvolvidos com finalidades específicas para atuações pela variação dealguma grandeza elétrica eram baseados, geralmente, na atuação de forças produzidas pelainteração eletromagnética entre as correntes e o fluxo magnético sobre um condutor móvel.Este constituído por um disco ou um cilindro, como se fosse um motor. Estes dispositivos,devido à sua principal característica de operação, são conhecidos como relés de proteçãoeletromecânicos. Entretanto, alguns desses equipamentos utilizam a força produzida pelaexpansão de metais causada pelo aumento de temperatura devido à passagem da correnteelétrica. A Figura 3 ilustra os principais componentes que constituem um relé eletromecânico.

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Relés Numéricos de Proteção

Escrito por Daniel BarbosaTer, 26 de Agosto de 2008 11:59 - Última atualização Sex, 12 de Setembro de 2008 16:06

Figura 3: Principais componentes de um relé eletromecânico de corrente RSA da CdC.É importante salientar que os relés eletromecânicos atuam por forças criadas da combinaçãode sinais de entrada (correntes, tensões, etc), energia armazenada em molas espirais ou emdispositivos de amortecimento de choques e vibração. Tais equipamentos podem utilizarmúltiplos sinais de entrada, porém só executam um determinado tipo de função, ou seja, sãomonofuncionais.A expansão, o aumento da complexidade e a mudança das características das cargas no SEPmoderno causam um aumento da necessidade de um sistema de proteção cada vez maisconfiável e seguro, o que se reflete no acréscimo de velocidade e de sofisticadascaracterísticas dos relés de proteção. Nesse sentido, com o desenvolvimento dos componentessemicondutores e de estudos das suas aplicabilidades, iniciou-se o projeto de relés deproteção mais rápidos que utilizavam componentes discretos ou integrados, ao contrário doseletromecânicos que aplicavam componentes mecânicos, sendo posteriormente conhecidoscomo relés de estado sólido ou estáticos. A Figura 4 mostra uma possível configuração de umrelé de estado sólido para a função de sobrecorrente instantânea, na qual evidencia-se autilização de componentes eletrônicos e o atraso na resposta do relé. Figura 4: Esquema de um relé de estado sólido.Além do aumento de velocidade na tomada de decisão, a implantação destes novosequipamentos eletrônicos possibilitaram a diminuição do espaço físico das cabines de proteçãonas subestações, aumento da flexibilidade nas filosofias de proteção e a alteração dascaracterísticas pelo ajuste dos elementos lógicos. Todavia, estes dispositivos apresentavamalguns problemas em relação ao ambiente de instalação, uma vez que a capacidade detolerância à temperatura e à umidade era limitada, além da necessidade de fonte extra desuprimento de energia, induzindo a implantação de sistemas adicionais de alimentação.Com a crescente evolução tecnológica e a utilização de microprocessadores, os relés deproteção sofreram uma grande evolução, tanto nos aspectos construtivos quanto na suaconcepção de funcionamento, o que possibilitou um aumento considerável no desempenho ena confiabilidade dos sistemas de proteção.Os relés microprocessados ou numéricos, assim como os ditos convencionais(eletromecânicos), usam correntes e tensões provenientes do SEP como sinais de entrada.Contudo, estes necessitam da representação digital dos mesmos, ou seja, que os sinaisanalógicos sejam amostrados e condicionados para o início do processamento do relé. AFigura 5 ilustra um diagrama funcional simplificado do relé numérico, incluindo as principaisetapas do fluxo da informação obtida dos transdutores, desde os filtros passa-baixa na entradaaté o processamento efetivo através da utilização de microprocessadores.

Figura 5: Esquemático de um relé numérico.Nessa nova geração de equipamentos, diferentemente das antecessoras, a decisão deabertura do disjuntor (trip) é definida pelo resultado de operações matemáticas, o quepossibilita a integração de várias funções em um único equipamento. Além da realização demúltiplas funções, os relés microprocessados trazem algumas vantagens adicionais como: - Auto-checagem e confiabilidade: o relé computadorizado pode ser programado paramonitorar continuamente os subsistemas de hardware e software, de modo a detectarpossíveis falhas na operação e o conseqüente disparo de alertas, possibilitando sua retiradasem o comprometimento da proteção por este fornecida. - Integração de sistemas e ambiente digital: os sistemas digitais possibilitam uma maiorintegração entre seus componentes, o que permite uma maior flexibilidade e velocidade naobtenção das informações registradas pelos equipamentos, além da possibilidade de troca deinformações entre os dispositivos para a melhor tomada de decisão, por exemplo, acoordenação lógica. - Flexibilidade funcional e adaptabilidade: talvez uma das principais características dosrelés modernos é a capacidade de alteração dos seus parâmetros de configuração de acordocom a topologia atual da rede, ou seja, se o relé está programado para uma determinadacaracterística de operação do sistema elétrico, e esta muda, o relé tem a capacidade deidentificar o tipo de mudança realizada e adotar parâmetros que melhor se adaptem àquelanova situação. - Considerações de custo-benefício: o avanço da microeletrônica e a disseminação destana aplicação de relés de proteção têm orientado uma redução substancial nos custos doscircuitos digitais, embora, as despesas associadas com os softwares tenha aumentado.Todavia, é factível observar que os relés numéricos executam diversas funções em umamesma plataforma, o que diminui a razão do custo/benefício, diferentemente dos tradicionaisrelés eletromecânicos.Referências 1. BARBOSA, D.; Estimação da Freqüência em Sistemas Elétricos de Potência através deFiltragem Adaptativa. Dissertação de Mestrado, Escola de Engenharia de São Carlos -Universidade de São Paulo, 2007. ( Arquivo On-Line ) 2. CHEMIN NETTO, U.; Aplicações de controle e supervisão distribuídas em subestaçõesde energia elétrica através do uso de relés digitais de proteção. Dissertação de Mestrado,Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo, 2008. ( ArquivoOn-Line ) 3. COURY, D. V.; OLESKOVICZ, M.; GIOVANINI, R. . Proteção digital de sistemas elétricosde potência: dos relés eletromecânicos aos microprocessados inteligentes. 1. ed. São Carlos:Universidade de São Paulo, 2007. v. 1. 378 p. ( Mais Informações )

 

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