INSTITUTO UNIFICADO DE ENSINO SUPERIOR OBJETIVO - IUESO

Proteo de Sistemas Eltricos de Potncia aplicado na Subestao Carajs 225MVA

GOINIA-GO 2009

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Antnio Marcelino, Bruno R. Pucci, Darly B.R. Neto, Diogo J. dos Santos

Proteo de Sistemas Eltricos de Potncia aplicado na Subestao Carajs 225MVA

GOINIA-GO 2009

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Antnio Marcelino, Bruno R. Pucci, Darly B.R. Neto, Diogo J. dos Santos

Proteo de Sistemas Eltricos de Potncia aplicado na Subestao Carajs 225MVA

Trabalho de Concluso de Curso apresentado como requisito parcial para concluso do Curso de Engenharia Eltrica ao Instituto Unificado de Ensino Superior Objetivo. Orientador: Asley Stecca Steindorff

GOINIA-GO 2009

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Antnio Marcelino, Bruno R. Pucci, Darly B.R. Neto, Diogo J. dos Santos Proteo de Sistemas Eltricos de Potncia Aplicados a Subestao Carajs Trabalho de Concluso de Curso apresentado ao Instituto Unificado de Ensino Superior Objetivo como requisito parcial para a Concluso do Curso de Engenharia Eltrica Goinia, dia, ms e ano Nota ____________ ________________________________________________ Prof. (titulao) ......................................(orientador) Exemplo: _________________________________________________ Examinador _________________________________________________ Prof. (titulao) ......................................(membro da banca) Examinador

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O valor do homem determinado, em primeira linha, pelo grau e pelo sentido em que se libertou do seu ego Albert Einstein

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SUMRIO 1 - INTRODUO GERAL 1.1 Problematizao 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivos Especificos 1.3 - Justificativa 2 - INTRODUO A FILOSOFIA DE PROTEO 3 - ELEMENTOS COMPONENTES DO SISTEMA DE PROTEO 3.1 Transformadores para Instrumentos 3.1.1 Transformador de Corrente 3.1.1.1 Saturao de TC 3.1.1.2 - Procedimento para seleo de transformadores de corrente 3.1.1.3 - Clculo do Burden do Transformador de Corrente 3.1.1.4 - Estatstica da assimetria 3.1.2 - Transformador de potencial 3.1.3 Exemplo de Aplicao de TC e TP 3.2 Rels de Proteo 3.2.1 - Rels Eletromecnicos 3.2.1.1 - Rels de Atrao Eletromagntica 3.2.1.2 - Rels de Induo Eletromagntica 3.2.1.3 - Rel Primrio 3.2.1.4 - Rel Secundrio 3.2.1.5 - Rel de Atuao Direta 3.2.1.6 - Rel de Atuao Indireta 3.2.2 - Rels Eletrnicos ou Estticos 3.2.3 - Rels Digitais 3.2.4 - Rels Numricos 3.3 Equipamentos de Manobra 3.3.1 - Disjuntores de Alta Tenso 3.3.1.1 - Unidade de comando 3.3.1.2 - Sistema de Acionamento 3.3.1.3 - Unidade interruptora 3.3.1.4 - Sinalizao e Estado Disjuntor 8 8 9 9 9 10 13 13 13 14 14 15 15 16 18 20 20 21 21 22 22 23 23 23 24 24 25 25 25 25 26 26

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3.3.2 - Chaves de Alta Tenso 3.3.2.1 - Tipos Construtivos 3.3.2.2 - Mecanismo de Operao 3.3.2.3 - Sinalizao e Estado da Chave 3.3.3 - Condies de Manobra 4 INTRODUO A PROTEO DE EQUIPAMENTOS 4.1 Introduo a Proteo de Barras 4.2 Introduo a Proteo de Transformadores 4.2.1 Proteo Diferencial 4.2.2 Proteo Diferencial Percentual 4.2.4 Exemplo de Aplicao 4.3 Proteo de Sobrecorrente 4.3.1 Conceitos Bsicos 4.3.2 Ajuste de Tempo de Operao 4.3.3 Exemplo de Aplicao 4.3.3.1 - Clculo da unidade de fase Sobrecorrente Temporizado (51) 4.3.3.2 - Clculo da unidade de fase Sobrecorrente Instantneo (50) 4.3.3.3 - Clculo da unidade de Neutro Sobrecorrente Temporizado (51N) 4.3.3.4 - Clculo da unidade de Neutro Sobrecorrente Instantneo (50N) 4.3.3.5 Resumo geral das unidades 50/51 e 50/51N 4.4 Introduo a Proteo de Linhas 4.4.1 Rel de distncia (21) 4.4.2 Rel de Distncia Eletromecnico 4.4.3 Rel de Distncia impedncia 4.4.3.1 Rel de distncia impedncia modificada 4.4.4 - Rel de distncia reatncia 4.4.5 Rel de distncia admitncia 4.4.6 Rel de Distncia Digital 4.4.6.1 Unidade de medida de distncia 4.4.6.2 Unidade de superviso para frente e para trs 4.4.7 Exemplo de utilizao do Rel de Distncia para Proteo de Linhas 4.4.7.1 - Dados das linhas de transmisso 4.4.7.2 Definio do grau de confiabilidade proteo de distncia

27 27 27 28 28 30 30 30 31 33 37 38 38 39 41 42 45 45 47 48 50 50 53 55 58 58 60 61 62 62 63 63 67

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4.4.7.3 Definio das zonas 4.4.7.4 Clculo das zonas 4.4.7.5 Clculo das resistncias de falta 4.4.7.6 Correntes de curto-circuito 1, fase-terra em 85% da LT Carajs Anhanguera II Z1 4.4.7.7 Correntes de curto-circuito 3, fase-fase em 85% da LT Carajs Anhanguera II Z1 4.4.7.8 Correntes de curto-circuito 1, fase-terra na barra de Anhanguera 230kV zona 2 4.4.7.9 Correntes de curto-circuito 3, fase-fase na barra de Anhanguera 230kV zona 2 4.4.7.10 Correntes de curto-circuito 1, fase-terra na barra de Anhanguera 230kV zona 3 4.4.7.11 - Correntes de curto-circuito 3 fase-fase na barra de Anhanguera 230kV zona 3 4.4.7.12 - Correntes de curto-circuito 1, fase-terra em 50% da LT 230kV ANH-CJA I zona 4 4.4.7.13 - Correntes de curto-circuito 3 fase-fase em 50% da LT 230kV ANH-CJA I - zona 4 4.4.7.14 - Zona 1 4.4.7.15 - Zona 2 4.4.7.16 - Zona 3 4.4.7.17 - Zona 4 4.4.7.18 - Resumo das impedncias das zonas 4.4.7.18.1 - Sem resistncia de falta 4.4.7.18.2 - Com resistncia de falta fase-fase 4.4.7.18.3 - Com resistncia de falta fase-terra 5 CONCLUSO 6 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS Anexo A Anexo B -

68 69 69 70 71 72 73 73 74 75 75 76 78 79 81 82 82 83 83 84 85 86 87

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1 - INTRODUO GERAL O objetivo de um Sistema Eltrico de Potncia (SEP) fornecer energia eltrica s vrias cargas existentes em uma rea de servio. Quando adequadamente projetado e operado, ele deve atender aos seguintes requisitos: Deve fornecer energia praticamente em todos os locais exigidos pelos consumidores; A carga alimentada necessita de potncia ativa e reativa, variveis com o tempo. O sistema deve estar apto a fornecer essa demanda varivel; A energia fornecida deve obedecer a certas condies mnimas, relacionadas com a qualidade. Trs fatores bsicos determinam essa qualidade; a) freqncia constate; b) tenso constante; c) alta confiabilidade; O sistema deve fornecer energia com custos mnimos, tanto econmicos como ecolgicos. Para atender os requisitos supracitados, os sistemas se armaram de diversos recursos e mtodos, como a interligao dos sistemas eltricos, novos projetos e manuteno de cada componente do SEP, e por ltimo, porem no menos importante, a utilizao da teoria da Proteo dos Sistemas Eltricos de Potncia, que visa controlar e minimizar os efeitos de quaisquer faltas que possam ocorrer. A Subestao (SE) Carajs, se insere neste sistema de proteo. Com 225MVA de potncia, seu objetivo principal aliviar a sobrecarga dos transformadores da SE Anhanguera e SE Xavantes que atualmente esto com 20% de sobrecarga. No presente momento, a SE Carajs aliviou somente cargas ligadas no sistema de 13.8kV da SE Atlntico, mas futuramente com a entrada das Linhas de Transmisso (LT) de 138kV do vo Goy Atlntico Independncia - Campinas poder aliviar cargas nas SE Anhanguera e SE Xavantes. Outra futura linha de transmisso, a LT Palmeiras Carajs com tenso de 230kV, aliviar tambm o transformador da SE Palmeiras que tambm se encontra com 20% de sobrecarga. 1.1 - Problematizao Atualmente, o consumidor de energia eltrica est cada vez mais exigente com a qualidade do produto adquirido por ele, ou seja, a energia eltrica. Dessa forma, as tcnicas de Filosofia de Proteo aplicadas em Sistemas de Potncia desempenham papel fundamental para atender os requisitos destes consumidores, a fim de prover energia eltrica sem variaes de tenso ou freqncia, quer seja por oscilaes, quer seja por interrupes.

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Tendo conhecimento destes fatos, elaboram-se as seguintes questes: a) Quais etapas devem ser seguidas para se implementar um esquema de proteo adequado? b) Como aplicar estes estudos de proteo em situaes reais (subestaes)? 1.2 -Objetivos

O objetivo deste estudo apresentar os conceitos tericos de Filosofia de Proteo aplicados na Subestao Carajs, com foco nos ajustes dos rels e demais equipamentos de proteo. 1.2.1 - Objetivos Especficos a) Apresentar a teoria e clculos para dimensionar os Transformadores para Instrumentos; b) Apresentar definies tcnicas dos equipamentos de proteo, clculos e ajustes necessrios para o estudo da Proteo e Coordenao; c) Descrever os clculos dos ajustes da Proteo da Barra 230 kV; d) Descrever os clculos dos ajustes da Proteo Diferencial do Trafo IV; e) Descrever os clculos dos ajustes da Proteo de Sobrecorrente do Trafo IV; f) Descrever os clculos dos ajustes da Proteo da Linha, do Vo Anhanguera II; 1.3- Justificativa Esperams mostrar o estudo e as caractersticas de parte da subestao Carajs com foco nos ajustes dos rels e demais equipamentos de proteo, relacionando estes clculos com as tcnicas de Filosofia de Proteo abordadas nas obras literrias de Engenharia Eltrica e de Sistemas de Potncia.

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2 - INTRODUO FILOSOFIA DE PROTEO Sistemas de proteo so sistemas aos quais esto associados todos os dispositivos necessrios para detectar, localizar e comandar a eliminao de um curto-circuito ou uma condio anormal de operao de um sistema eltrico, diminuindo os danos aos equipamentos defeituosos, com conseqente reduo do tempo de indisponibilidade e menor custo de reparo. A eficcia de um esquema de proteo tanto maior quanto melhor forem atendidos os seguintes princpios: Sensibilidade - capacidade do sistema de proteo atuar nas condies anormais do para o qual foi projetado; Seletividade a proteo deve ter a capacidade de restringir a rea de interrupo ao mnimo necessrio para isolar completamente o elemento defeituoso, ou seja, um curto-circuito em um ponto do sistema no deve afetar outras partes; Coordenao os rels esto coordenados se seus ajustes so tais que, ao segundo dispositivo, permitido eliminar a falta caso o primeiro falhe na atuao. Segurana a pronta atuao dos esquemas de proteo diminui os efeitos destrutivos dos curtos-circuitos, aumentando a segurana pessoal; Confiabilidade o esquema de proteo deve ter operao correta e precisa somente nas condies para as quais foi projetado, no devendo atuar para qualquer outras condies. Velocidade a capacidade do sistema desligar o trecho ou equipamento defeituoso no menor tempo possvel. Segundo Caminha (1977), a principal funo de um sistema de proteo a de causar rpida retirada de operao de qualquer elemento de um sistema, quando ele sofre um curto-circuito, ou quando operar sob condies anormais que possa causar dano ou interferir na operao do sistema. Alm disso, outra atribuio do sistema de proteo indicar a localizao e o tipo da falta, possibilitando a anlise das caractersticas de mitigao da proteo adotada. O dispositivo eltrico que sente a anormalidade no sistema e comanda a retirada do elemento defeituoso o rel. De acordo com Kindermann (2005), os rels so os elementos mais importantes do sistema de proteo, uma vez que estes equipamentos so capazes de identificar os defeitos, alertar a quem opera o sistema, e promover a abertura de disjuntores de modo a isolar a falha. Dessa forma, pode-se dizer que os princpios que regem a Filosofia de Proteo esto relacionados com a teoria dos rels.

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Os rels de proteo contra falta, permitem distinguir logicamente a diferena entre correntes de curtos-circuitos e de carga normal e, em alguns casos, distinguir diferentes locais de falta. Os trs indicadores que do as informaes necessrias que permitem distinguir entre as correntes de carga e de curto-circuito so: a) tenso, b) corrente e c) ngulo entre a corrente e a tenso. As correntes de curto-circuito so geralmente maiores que as correntes de carga; as tenses do sistema durante o curto-circuito so menores que as normais, e o ngulo de atraso da corrente em relao tenso em geral maior para correntes de curto-circuito do que para corrente normal. Por essa razo, os rels de proteo contra falta usam a tenso e a corrente como grandezas caractersticas de entrada. Uma vez que as correntes de falta esto sempre atrasadas, o ngulo entre a tenso e a corrente, alm de indicar o tipo de corrente, mostra a direo da corrente de falta. A razo entre a tenso e a corrente determina a distncia entre o local do rel e a falta. Quanto localizao do rel, faltas prximas provocam correntes grandes, baixas tenses, enquanto defeitos mais distantes provocam correntes menores e tenses no to baixas. Ocorrendo uma anomalia no sistema, de modo que o parmetro sensvel do rel ultrapasse o seu ajuste, o mesmo atua. De modo geral, a atuao de um sistema de proteo se d em trs nveis, que so conhecidos como: proteo principal (ou primria), de retaguarda e auxiliar. A proteo principal aquela que dever atuar primeiro, enquanto que a proteo de retaguarda se encarregar da proteo no caso de a proteo primria falhar na eliminao da falta. Nestas condies, desejvel que o releamento de retaguarda seja arranjado independentemente das possveis razes de falha do releamento primrio. Geralmente, a fim de atender este requisito, comum que a proteo de retaguarda fique localizada em uma subestao diferente de onde est instalada a proteo principal. Duas regras bsicas devem ser observadas pelos equipamentos de proteo, a saber: se no h defeito, a proteo no deve atuar, uma vez que desligamentos desnecessrios podem ser piores que a falha de atuao e caso haja defeito na zona de controle do rel, as ordens devem ser precisas [9]. Dessa forma, ao melhorar a continuidade do servio, um sistema de proteo melhora, conseqentemente, os indicadores de continuidade estabelecidos pela Aneel - Agncia Nacional de Energia Eltrica, junto s concessionrias de energia eltrica. Estes ndices so conhecidos como: DIC Durao de Interrupo por Unidade Consumidora, FIC Freqncia de interrupo por Unidade Consumidora, DEC Durao Equivalente de Interrupo por Unidade, FEC Freqncia Equivalente de Interrupo por unidade Consumidora e DMIC Durao Mxima de Interrupo por Unidade Consumidora).

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Na limitao dos defeitos, algumas providncias que pode ser tomadas so: limitao da corrente de curto-circuito atravs do uso de reatores, projetar os equipamentos a fim de que os mesmos suportem os efeito mecnicos e trmicos das corrente de falta, geradores de reserva, observao humana, utilizao de oscilgrafos, e existncia de releamento [9]. De acordo com Caminha (1977), as medidas mais comuns na preveno contra as falhas so: isolamento adequado, uso de cabos pra-raios, baixa resistncia de p-de-torre e instrues de operao e manuteno bem elaboradas.

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3 - ELEMENTOS COMPONENTES DO SISTEMA DE PROTEO O diagrama unifilar exposto no anexo A e B, contm o Sistema de Proteo, instalado na Subestao Carajs, objeto de estudo deste trabalho. 3.1 - TRANSFORMADORES PARA INSTRUMENTOS Como os nveis de tenses e de correntes em um sistema eltrico de potncia so elevados, utilizamos Transformadores de Corrente (TC) e Transformadores Tenso (TP), para diminuir estas grandezas a valores seguros de manipulao pelos equipamentos de medio, controle e proteo conforme explica [1]. 3.1.1 - Transformador de Corrente O TC, destina-se a reproduzir proporcionalmente em seu circuito secundrio, uma rplica em menor escala da corrente de seu circuito primrio com sua posio fasorial mantida, conhecida e adequada para uso em instrumentos de proteo, medio e controle. Os TCs, fornecem uma corrente padronizada em seu secundrio, geralmente 5A ou 1A, com o objetivo de adaptar as correntes para equipamentos como rels, ampermetros, wattmetros e transdutores. De acordo com sua finalidade, os TCs so divididos em dois grupos: TCs de medio, que devem operar corretamente em condies de regime permanente e dentro da faixa de 0 a 2 vezes o valor da corrente nominal e TCs de proteo, que devem transformar a corrente primria, dentro de determinados limites de exatido, tanto em condies normais de operao, quanto sob curtos-circuitos de at 20 vezes o valor da corrente nominal. Os TCs de proteo, de acordo com suas caractersticas construtivas, so divididos em TCs de Baixa reatncia e TCs de Alta Reatncia. TCs de baixa reatncia possuem esta caracterstica por possuir o enrolamento secundrio distribudo uniformemente sobre o ncleo toroidal.Figura 3.1.1 TC de Baixa Reatncia

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Sua baixa reatncia de disperso de fluxo magntico no influencia significativamente no erro de relao de transformao, como indica a figura 3.1.1. J os TCs de alta reatncia, que possuem como caracterstica uma alta reatncia de disperso de fluxo magntico por possuir ncleo com outras geometrias, tendo o enrolamento secundrio concentradoFigura 3.1.2 TC de Alta Reatncia

em partes desse ncleo, conforme indica figura 3.1.2.

3.1.1.1 - Saturao de TC Reconhecendo que a tenso nominal 20 vezes a tenso na carga padro para uma corrente nominal. Em seguida, se expressarmos a corrente de falta IF em pu da corrente nominal, e a carga ZB em pu da carga padro, torna-se um critrio simples para evitar a saturao [7].

Zb 20 ( X R ) IfOnde:

(3.1.1)

If a corrente mxima de falta em pu da corrente nominal do TC. Zb a carga do TC em pu da carga padro. X/R a relao X/R do circuito primrio sob defeito. 3.1.1.2 - Procedimento para seleo de transformadores de corrente O procedimento para seleo do TC, usando a equao 3.1.1 em qualquer aplicao de rel de proteo de linhas deve: 1. Determinar a mxima corrente de falta If em amperes primrios; 2. Determinar a relao X/R do circuito primrio correspondente; 3. Selecionar a tenso nominal do transformador de corrente. Em seguida, determinar a carga total em pu da carga padro;

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4. Usando a equao 3.1.1, calcular If, que a corrente de falta em pu do valor nominal TC; 5. Dividir a mxima corrente primria de falta If pela corrente em pu para determinar a corrente nominal do TC. Selecionar o valor nominal padro mais prximo e maior do que o valor calculado. O fato da equao 3.1.1 poder ou no ser atendida depende da relao X/R e da magnitude da mxima corrente de falta, utilizando-se esta relao, calcula-se a mxima corrente de falta para uma determinada relao do TC. 3.1.1.3 - Clculo do Burden do Transformador de Corrente Quando da seleo dos TCs, empenha-se em minimizar a carga total instalada no secundrio deste equipamento. Esta carga consiste na resistncia interna do prprio enrolamento do TC, da resistncia dos cabos de conexo entre o TC e o rel e da carga dos rels conectados. Os TCs com relaes mais altas, da ordem de 3000:5 contribuem com uma resistncia de 0,0025 ohm-por-espira. Em relaes mais baixas, da ordem de 300:5 contribui com 0,005 ohm-porespira, conseqentemente, aplicando um TC de 600 espiras de alta relao, a contribuio de uma resistncia interna de 1,5 ohm. O logaritmo da resistncia por 1000 ps de cabo proporcional bitola AWG do cabo. A referncia para um cabo de cobre de 0,9989 ohms/1000 ps com bitola #10AWG, ou seja, diminuindo a bitola em trs nmeros, reduz a resistncia pela metade, e aumentando a bitola em trs nmeros, dobra-se, a frmula conveniente para a resistncia versus a bitola do cabo AWG :

(1000 ) = e 0, 232G 2,32

(3.1.2)

Onde: /1000 a resistncia em ohms por 1000 ps e G o nmero da bitola AWG. Uma prtica adequada a de dimensionar os cabos para limitar a resistncia do cabo em 0,5 ohms ou menos. De acordo como esta regra, o cabo com bitola #10 AWG seria escolhido se os TCs estivessem instalados a 250 ps dos rels [7]. 3.1.1.4- Estatstica da assimetria Quando a corrente for menor do que 20 vezes o valor nominal do TC e a carga for menor do que a carga nominal padro, no ocorrer saturao para correntes de falta simtricas. Alm disso, mais provvel a ocorrncia de uma falha na isolao ou de flashover para a tenso de pico, onde a

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corrente reativa localiza-se no zero natural. Conseqentemente, faltas fase-terra tem maior probabilidade de serem faltas simtricas [7]. 3.1.2 - Transformador de potencial O TP destina-se a reproduzir proporcionalmente em seu circuito secundrio, uma rplica em menor escala da tenso de seu circuito primrio com sua posio fasorial mantida, conhecida e com o menor erro possvel, adequada para uso em instrumentos de proteo, medio e controle. Os TPs so unidades monofsicas, podendo seus agrupamentos produzir as mais diversas configuraes, com o objetivo de adaptar as tenses a valores menores, geralmente 115Vca, para equipamentos como rels, ampermetros, wattmetros e transdutores. A norma NBR 6855 estabelece que os TPs tenham polaridade nos enrolamentos primrios, a figura 3.1.3 ilustra a ligao Y-Y.

Figura 3.1.3 Ligao de TPs em Y-Y

Carga nominal do TP definida como sendo a mxima potencia aparente em VA que se pode conectar no seu secundrio, o mesmo, no ultrapasse o erro de relao de sua classe de exatido. A soma das potncias aparentes em VA solicitadas pelos diversos instrumentos ligados em paralelo ao secundrio do TP, no deve ultrapassar a carga nominal de placa do TP, sob pena de exceder o erro admissvel de sua classe de exatido. As classes de exatido para os TPs so: 0,1; 0,3; 0,6; 1,2; e 3% [1].

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Classe de exatido 0,1% 0,3% 0,6%

Aplicaes Calibraes de equipamentos em laboratrios TP padro. Medies de grandezas para fins de faturamento. Medio de grandezas sem finalidade de faturamento, apenas para o acompanhamento das condies operativas do sistema.

1,2% 3,0%

Rels de proteo Em TPs com ligao em aberto para a proteo residual de defeitos 1-terra. Tabela 3.1.1 - Cargas Nominais Comuns de TPs pela NBR 6855 e ANSI

Tipos de TPs:

Figura 3.1.7 TP Indutivo

Figura 3.1.8 TP Capacitivo

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3.1.3 Exemplo de Aplicao de TC e TP. O exemplo a seguir, trata-se da definio dos ajustes dos TCs e TPs utilizados no vo Carajs II, 230kv da SE Carajs. (Ver como citar este relatrio).

Figura 3.1.9 Curto-Circuito a 1% da Barra 230kV da SE Carajs

Pela figura 3.1.9, verifica-se que a mxima corrente de falta If Prim = 5337 A O ngulo da linha fornecido pelo Setor de Linhas de Transmisso e de 76.883 A relao X/R do circuito corresponde a tan(76.883) e equivale a 4,291 A especificao do TC utilizado na relao 500 - 1000/5 A/A 10B800 Pr-seleo da relao de TC: TC Prim = 1000 A In TC = 5A (3.1.3) (3.1.4)

Segundo dados do Setor de Estudos da Operao da Concessionria CELG Distribuio S/A (DT-SEO CELG), ser liberado 550A de corrente em regime normal e 800A de corrente em regime de emergncia portando a corrente secundria liberada pelo TC ser:

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O projeto contempla a utilizao dos seguintes materiais e equipamentos: 1- 280m de cabo 4mm2, de fabricao Pirelli, com 4.61 /km de resistncia para interligao do TC com o painel de equipamentos;

2- Uma unidade de oscilografia com 0,003

de resistncia;

3- Duas unidade de proteo como consumo a regime permanente de 0,35VA

Portanto a carga total (burden) instalada no secundrio do TC, ser dada pela soma das cargas dos equipamentos e materiais utilizados.

Consideranto a impedncia de carga padro igual a :

E:

Podemos avaliar o critrio de saturao atravs da inequao 3.1.1:

Portanto a saturao no ocorrer

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3.2 - RELS DE PROTEO Rels de proteo so dispositivos que vigiam o Sistema Eltrico de Potncia (SEP), comparando os parmetros reais com o seu pr-ajuste, e ao detectar anormalidades atua diretamente sobre um equipamento ou um sistema, retirando de operao os equipamentos e/ou componentes envolvidos com a anormalidade, alm de acionar circuitos de alarme quando necessrio. Por outro lado, tambm pode ser o elemento que, satisfeitas certas condies de normalidade, ir dar a permisso para a energizao de um equipamento ou de um sistema. Em resumo sua finalidade : Medir as grandezas atuantes; Comparar os valores medidos com os valores pr-ajustados; Operar (ou no) em funo do resultado dessa comparao; Acionar a operao de disjuntores ou de rels auxiliares; Sinalizar sua atuao via indicador de operao visual e/ou sonoro. O rel consiste basicamente de um elemento de operao (bobina) e um jogo de contatos. O elemento de operao recebe a informao de corrente e/ou tenso atravs dos transformadores de instrumentos, TPs e TCs, compara a grandeza medida com um ajuste pr-estabelecido e transforma o resultado num movimento dos contatos se necessrio [4]. De uma maneira geral, a classificao dos rels, feita da seguinte forma: Aspectos construtivos - rels eletromecnicos, eletrnicos ou estticos, digitais e numricos. Atuao no circuito a proteger - atuao direta e indireta. Instalao - rel primrio e secundrio. Corrente de ajuste - tracionamento na mola; variao de entreferro; mudana de tap na bobina magnetizante; variao de elementos no circuito; controle por software. Tempo de Atuao - rel instantneo e temporizado, podendo este ser de tempo definido ou inverso, moderadamente inverso, muito inverso e extremamente inverso. 3.2.1 - Rels Eletromecnicos Rels eletromecnicos so os pioneiros da proteo, elaborados, projetados e construdos com predominncia dos movimentos mecnicos proveniente dos acoplamentos eltrico e magnticos. Os movimentos mecnicos acionam o rel, fechando os contatos correspondentes. Em relao ao

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princpio bsico do funcionamento, o rel eletromecnico atua fundamentalmente de dois modos: atrao eletromagntica ou induo eletromagntica [1]. 3.2.1.1 - Rels de Atrao Eletromagntica So rels mais simples, seu princpio de funcionamento idntico ao do eletrom. Neste caso, sempre um mbolo ou uma alavanca ser movimentada. Estes rels se dividem em duas categorias: rels de mbolo e de alavanca, conforme ilustra as figuras abaixo [1].

Figura 3.2.3 a) Rel de mbulo. b) de induo por bobina de sombra

3.2.1.2 - Rels de Induo Eletromagntica So rels que usam o princpio de um motor de induo, onde um torque gira um rotor que produz o fechamento de contatos NA de rels que ativam o circuito ou mecanismo que provoca a abertura do disjuntor. Operam somente em correntes alternadas. Alguns tipos de rels que utilizam a interao eletromagntica de dois ou mais fluxos magnticos para a produo de torque girante so: rel de disco de induo por bobina de sombra; rel tipo medidor de kWh; rel tipo cilindro de induo, rel tipo duplo lao de induo.

Figura 3.2.2 Rel de induo por bobina de sombra

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Figura 3.2.3 a) Rel de induo kWh com 2 grandezas de atuao. b) Rel tipo Cilindro de Induo. c) Rel de Duplo Lao de Induo

3.2.1.3 - Rel Primrio So todos os rels que tem sua bobina magnetizante esta diretamente conectada na rede eltrica. Deste modo, a corrente de carga ou de curto-circuito passa diretamente pela bobina magnetizante do rel. um rel mais simples, robusto e barato, usado principalmente em circuito terminais de cargas industriais de porte mdio [1]. 3.2.1.4 - Rel Secundrio So rels cujas bobinas magnetizante so energizadas via secundrio de TCs ou TPs. Este esquema possibilita a padronizao dos rels porque podem ser utilizados em sistemas eltricos diferentes, onde a adequao da corrente feita pela relao de transformao do TC.

Figura 3.2.4 a) Rel Primrio b) Rel Secundrio

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3.2.1.5 - Rel de Atuao Direta So rels de atuao direta no dispositivo de destrava da mola ou da vlvula do disjuntor. Ou seja, o prprio rel que libera a energia a ser utilizada na destrava do disjuntor. 3.2.1.6 - Rel de Atuao Indireta So rels de atuao indireta no dispositivo de destrava do disjuntor, ou seja a atuao apenas fecha um contato, que ativa, energiza ou transfere para outro circuito a responsabilidade de providenciar a destrava da mola ou abertura da vlvula do sistema pneumtico ou hidrulico para a liberao do disparo do disjuntor.

3.2.2 - Rels Eletrnicos ou Estticos Rels estticos so rels construdos com dispositivos eletrnicos, prprios e especficos aos objetivos da proteo. Nestes rels, no h nenhum dispositivo mecnico em movimento, todos os comandos e operaes so feito eletronicamente. Neste rel feito um circuito eletrnico (hardware) prprio ao objetivo a que se destina. Qualquer regulagem efetuada pela mudana fsica no parmetro de algum componente, tal como: variao no reostato; variao na capacitncia; mudana do lao no circuito e etc. A maioria dos rels estticos, no final sempre acaba operando mecanicamente um rel auxiliar que ao fechar o seu contato provoca a abertura ou ativa abertura do disjuntor. Muitos so chamados de rel semi-estticos porque h alguns componentes mecnicos associados. O termo esttico foi originado em confronto aos rels eletromecnicos, j que o rel esttico caracterizado a princpio pela ausncia de movimento mecnicos [1]. Unidade conversora a unidade de entrada do rel. Sua funo adaptar as grandezas (tenses e /ou correntes) a nveis compatveis com a eletrnica do rel. Geralmente existem transformadores nos circuitos de entrada, possibilitando o isolamento entre o secundrio dos transformadores de instrumentos com os circuitos eletrnicos de rel.

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Unidade de medio a unidade onde se realiza a comparao dos sinais de entrada com valores pr-determinados (ajustes). Unidade de sada a unidade onde se encontram os contatos que iniciaro o processo de eliminao do defeito. Unidade de alimentao a unidade responsvel pela energizao dos circuitos eletrnicos (corrente contnua). 3.2.3 - Rels Digitais So rels eletrnicos gerenciados por microprocessadores. So especficos a este fim, onde sinais de entrada das grandezas e parmetros digitados so controlados por um software que processa a lgica da proteo atravs de um algoritmo. O rel digital pode simular um rel ou todos os rels existentes num s equipamento, produzindo ainda outras funes, tais como, medies de suas grandezas de entradas e/ou associadas e realizando outras facilidades sendo por isto designado de rel de multifuno [1]. A tecnologia digital tem se tornado a base da maioria dos sistemas de proteo de uma subestao, atuando nas funes de proteo, medio, controle e comunicao. Desta forma, alm das funes de proteo, o rel digital pode ser programado para desempenhar outras tarefas, como, por exemplo, medir correntes e tenses dos circuitos. Outra importante funo deste tipo de rel o autodiagnstico ou autoteste. Esta funo faz com que o rel realize uma superviso contnua de seu hardware e software, detectando anormalidades que venham a surgir e que possam ser reparadas antes que o rel opere incorretamente ou deixe de faz-lo na ocasio certa [4]. Podemos citar algumas vantagens dos rels digitais: Oscilografia e anlise de seqncia de eventos; Localizao de defeitos; Deteco de defeitos incipientes em transformadores; Monitorao de disjuntores 3.2.4 - Rels Numricos So rels digitais com um refinamento tecnolgico que utiliza um especializado Processador Digital de Sinal (PDS) incorporado ao microprocessador otimizado tecnologicamente de acordo com o algoritmo de proteo utilizado [1].

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3.3 - EQUIPAMENTOS DE MANOBRA 3.3.1 - Disjuntores de Alta Tenso O disjuntor de alta tenso pode ser definido como um dispositivo mecnico de manobra capaz de estabelecer, conduzir e interromper correntes nas condies normais de circuito, assim como estabelecer, conduzir durante um tempo especificado e interromper correntes sob condies anormais especificadas do circuito, tais como as de curto-circuito [8]. De forma geral, pode-se dizer que um disjuntor de alta tenso composto por: a) unidade de comando; b) sistema de acionamento; c) unidade interruptora; d) aparato de sinalizao e identificao de seu estado atual.Figura 3.3.1 Disjuntor de Alta tenso

A figura 3.3.1 ilustra um disjuntor de alta tenso e a localizao de seus componentes. 3.3.1.1 - Unidade de comando o conjunto de elementos de comando, controle e superviso do disjuntor. Devido variedade de meios extintores do arco eltrico e dos sistemas de acionamento no h apenas um tipo e sim uma grande variedade deste elemento [8]. 3.3.1.2 - Sistema de Acionamento A funo primria do sistema de acionamento a de abrir e/ou fechar os contatos principais de disjuntor. Cabe comentar que esse sistema de vital importncia, uma vez que a maioria dos disjuntores aps ser colocado em operao permanece fechado por longos perodos de tempo, logo, quando for solicitado a abertura, o mesmo deve ser capaz de faz-lo de forma confivel e sem atraso de tempo extra. Existem diferentes tipos de sistemas de acionamento, contudo, todos eles possuem em comum o fato de armazenar energia potencial em algum meio elstico, o qual carregado por uma fonte de energia de auxiliar [8].

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Os acionamentos podem ser mono ou tripolares, ou seja, cada plo do disjuntor pode receber comando de abertura ou fechamento independentemente dos outros plos e essa uma chamada originada pela necessidade, em alguns SEPs de religamento monopolar [8]. J para o caso tripolar, apenas um comando gerado e transmitido a todos os plos simultaneamente, uma vez que existe apenas um sistema de acionamento para todos eles. Os principais tipos de acionamento so: acionamento por solenide, acionamento por mola, acionamento a ar comprimido e acionamento hidrulico [8]. 3.3.1.3 - Unidade interruptora a cmara de extino ou unidade interruptora, responsvel pela extino do arco eltrico originado no processo de separao dos contatos principais do disjuntor. Este elemento representa o estado da arte na produo e pesquisa deste tipo de equipamento, uma vez que as demais partes que o compe no variam sobremaneira de fabricante fabricante pois atingiram adequada maturidade. Os principais tipos de cmaras de extino utilizadas na construo de disjuntores de alta tenso so: Sopro magntico, Ar comprimido, Grande volume de leo, Pequeno volume de leo, SF6 (hexafluoreto de enxofre) e Vcuo [8]. 3.3.1.4 - Sinalizao e Estado Disjuntor O disjuntor um elemento biestvel, ou seja, necessita de duas aes de controle distintas, aplicadas em pontos fsicos diferentes, as quais so caracterizadas pela bobina de abertura, ou BA, e a bobina de fechamento, ou BF, permitindo que exista mudana em seu estado final, sendo caracterizado como aberto ou fechado. Eletricamente, a posio do disjuntor supervisionada com o uso de seus contatos auxiliares, 52a (tipo concordante) e 52b (tipo discordante) [8]. A sinalizao do disjuntor, ou seja, se o mesmo se encontra em estado aberto ou fechado, ocorre de forma indireta, uma vez que os contatos principais esto inseridos nos plos do equipamento e, portanto no possvel observar diretamente o afastamento entre eles. Usualmente so utilizados os contatos auxiliares, 52a e 52b do equipamento para indicar em que posio o disjuntor se encontra. Existe ainda uma sinalizao mecnica na unidade de comando para disjuntores de mdia tenso. Para disjuntores de alta a extra-alta tenso existe uma sinalizao mecnica em cada plo do disjuntor indicando seu estado [8].

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3.3.2 - Chaves de Alta Tenso As chaves podem desempenhar diversas funes no SEP, sendo a mais comum delas a de seccionamento, e a chave de terra. Pode-se dividir as chaves utilizadas em alta tenso como: Seccionadoras, que servem para contornar, ou no ingls, bypass, equipamentos, seja por necessidade de manuteno ou por uma questo operativa, isolar equipamentos para execuo de manuteno e manobrar circuitos modificando assim a topologia do SEP. Chave de terra, que serve para aterrar componentes do SEP que iro sofrer uma interveno de manuteno, servindo ainda para aterrar a linha de transmisso (LT), barramentos e bancos de capacitores em derivao. Chave de operao em carga, utilizada para abrir ou fechar determinados circuitos em carga, manobrar reatores ou banco de capacitores. Chave de aterramento rpido, utilizada para aterrar componentes energizados do SEP normalmente com o intuito de causar uma falta intencional na rede de forma a sensibilizar esquemas de proteo. 3.3.2.1 - Tipos Construtivos Existem vrios tipos de chaves aplicadas em subestaes de alta extra-alta tenso, sendo a escolha de cada uma determinada por uma srie de fatores, como por exemplo, nvel de tenso, esquema de manobra da subestao, funo desempenhada, distncias eltricas de isolamento, etc. A figura 3.3.2 exibe um resumo dos tipos mais comuns de chaves encontradas no SEP [8]. 3.3.2.2 - Mecanismo de Operao O mecanismo de operao pode ser manual ou motorizado. A operao manual realizada por uma manivela localizada na base da chave seccionadora. A operao motorizada pode ser feita por um nico mecanismo que, atravs de hastes, comanda a operao conjunta dos trs plos, ou por mecanismos independentes para cada plo do seccionador [8].

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3.3.2.3 - Sinalizao e Estado da Chave Estas chaves tambm representam equipamentos biestveis. A diferena em relao aos disjuntores reside no fato de que para as chaves de alta tenso no existem as BA e BF, e sim um motoredutor que ora possui seu sentido de giro para a esquerda, ora para a direita, atravs de uma chave reversora de fase [ULISSES] O estado final de uma chave seccionadora, aberto ou fechado, visvel, uma vez que o contato fixo e o contato mvel da mesma no aparente. A sua sinalizao realizada, como no caso do disjuntor, atravs de seus contatos auxiliares, concordante) 89a e 89b (contato (contato

discordante). Existe ainda uma sinalizao mecnica, em geral, colocada sobre a haste deFigura 3.3.2 - Tipos construtivos de chaves de alta tenso

acionamento [8] 3.3.3 - Condies de Manobra As chaves seccionadoras somente podem operar quando houver uma variao de tenso insignificante entre seus terminais, ou nos casos de restabelecimento ou interrupo de correntes insignificantes. Assim, evita-se o risco de dano aos seus contatos principais, pois estes devem ser preservados em boas condies, afim de que no se produzem pontos quentes quando a chave seccionadora estiver fechada conduzindo corrente [8].

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Essa condio de manobra se deve ao fato de que em oposio ao disjuntor, a chave seccionadora possui capacidade de interrupo praticamente nula, pois no possui cmara de extino. Quanto chave de terra, essa s pode ser fechada aps o circuito a ser aterrado estar desligado [8].

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4 INTRODUO PROTEO DE EQUIPAMENTOS 4.1 Introduo a Proteo de Barras Em termos de circuito, uma barra de um sistema eltrico representa um n eltrico. Na pratica, a barra um elemento da subestao, que pode ser constituda de cabos ou tubulaes (vergalhes) de alumnio ou cobre, lembrando em termos visuais uma verdadeira barra [1]. O sistema eltrico trifsico, desse modo um barramento constitudo de 3 barras, no qual so conectadas as linhas de transmisso, transformadores, banco de capacitores e etc. O conjunto de todos os equipamentos de um elemento eltrico que se conecta a uma barra conhecido por bay. Por exemplo, o bay de uma linha de transmisso, constitudo de todas as ferragens, prticos, TCs, TPs, seccionadoras, disjuntores, pra-raios, e os dispositivos de superviso, controle, medio e proteo [1]. Dependendo do porte da subestao e da quantidade de bays, a barra pode ter uma grande dimenso e dependendo da sua importncia, a subestao pode ser constituda de diversas barras, para possibilitar manobras visando a continuidade dos servios, em decorrncia de inspeo, manuteno preventiva, corretiva, ou de emergncia devido a problemas (defeitos mecnicos ou eltricos) nos equipamentos [1]. 4.2 Introduo a Proteo de Transformadores Em geral os transformadores tm baixos ndices de falhas, porm, quando estas ocorrem, inevitavelmente levam a desligamento, forados ou no, implicando em substituies, paralisaes, manobras, riscos e manutenes corretivas demoradas [1]. Dependendo da potncia do transformador a ser protegido, vrias tcnicas podem ser aplicadas (fusveis, rels de sobrecorrente instantneos, rels diferenciais, etc.). Para a aplicao da proteo diferencial percentual com restrio harmnica, normalmente, tem-se associados equipamentos superiores a 10MVA, onde algumas consideraes devem ser feitas. A anlise da importncia do equipamento protegido dentro do SEP, se o transformador faz parte de um grande e/ou complexo sistema, provavelmente rels mais sofisticados em termos de projeto e filosofias de proteo so desejveis [3] Alm da proteo por rels, as protees especficas, ou intrnsecas do transformador so tambm utilizadas como:

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Proteo de terra restringida Proteo de gs (63) Vlvula de alvio de presso (20) Proteo trmica (26, 49) Proteo de baixo nvel de leo (71) Proteo de sobrecorrente (50, 51) Proteo de sobreexcitao (24) 4.2.1 Proteo Diferencial O rel diferencial um dispositivo de proteo de equipamentos que se baseia no princpio da comparao de corrente eltrica de entrada e sada, podendo haver vrias possibilidades de conexes, sendo simbolicamente representada pela figura 4.2.1.

Figura 4.2.1 Principio de Proteo Diferencial

A funo de proteo fundamenta-se na 1 Lei de Kirchhoff aplicada ao equipamento, isto : I entrada = I sada + I rel I rel = I entrada I sada E o dispositivo de proteo somente atuar se:

(4.2.1)

Portanto, h um defeito no elemento protegido. A proteo diferencial denotada pelo nmero de funo 87, e a comparao das correntes eltricas feita por meio de TCs, sendo largamente empregada na: - Proteo de transformadores de potncia; - Proteo de cabos subterrneos; - Proteo de mquinas sncronas; - Proteo de barras;

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- Proteo de cubculos metlicos - Proteo de linhas de transmisso curta. Observa-se algumas possibilidades do emprego da proteo 87 como no Rel Diferencial Comum e no Rel Diferencial Proporcional. Rel Diferencial Comum uma proteo em que se utiliza um rel de sobrecorrente 50 ou 51, fazendo a funo 87. A figura 4.2.2 mostra o esquema genrico desta proteo, em que os TCs tm relao 1:1.

Figura 4.2.2 Proteo Diferencial Comum na Operao Normal do Sistema Eltrico

Esta proteo pode ser empregada em sistemas eltricos radiais e em anis, sendo que sua zona seletiva de atuao entre os dois TCs, portanto no devendo operar para defeitos fora de sua zona. A figura 4.2.3 apresenta o caso de um curto-circuito fora da zona protegida pelos dois TCs, as corrente que suprem o curto-circuito vm dos dois lados, mas como o defeito ocorre fora da zona protegida pela proteo diferencial, os dois TCs vm a mesma corrente I1, e o rel no opera.

Figura 4.2.3 Defeito Fora da Zona Protegida

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J a figura 4.2.4 apresenta um curto-circuito interno ligao diferencial. Se o sistema for radial a corrente I2=0, mas se for em anel a corrente I2 ser uma corrente de curto-circuito., portanto corrente que passar pela bobina magnetizante do rel ser I1 + I2 e a proteo atuar.

Figura 4.2.4 Defeito Dentro da Zona Protegida

Apesar da utilizao de rels de sobrecorrente para proteo 87 serem freqentemente usadas, estes apresentam problemas na ocorrncia de elevado curto-circuito fora da zona seletiva, mas muito prximo ao TC. Isto se d devido a: - no ser perfeito o casamento dos TCs - saturao dos TCs - carregamento (burden) nos secundrios dos TCs, que causam saturao no ncleo; - outros problemas inerentes ao equipamento protegido. Para contornar esses problemas melhor utilizar o rel diferencia percentual.

4.2.2 - Rel Diferencial Percentual

Figura 4.2.5 Rel Diferencial Percentual

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A figura 4.2.5 apresenta o esquema de proteo diferencial percentual e baseia-se na interao de duas bobinas, que so: - bobina de restrio, que tem uma derivao central. O campo magntico gerado nesta bobina de restrio atua atraindo um mbolo produzindo um torque negativo, isto , contrrio ao torque de operao. - bobina de operao, cujo campo magntico atrai um mbolo que produz o torque permissivo. O funcionamento bsico do rel diferencial percentual da figura 4.2.5 baseia-se os torques gerados nas bobinas de restries e de operao. Na operao normal do sistema eltrico ou defeito fora da zona protegida, as corrente I1 e I2 so iguais, produzindo um campo magntico concordante que atrai com bastante fora o mbulo da bobina de restrio, produzindo um forte torque negativo. J na bobina de operao, a corrente resultante I1 I2 = 0, ou seja, o torque ser nulo. Assim o forte torque negativo (restrio) garantir a no operao do rel 87. Entretanto, quando o defeito (curto-circuito) interno, ou seja, dentro da zona limitada pelos dois TCs, as correntes I1 e I2 dirigem-se ao ponto do defeito. Deste modo, o campo magntico gerado pela corrente I2, na meia bobina de restrio, tem sentido oposto ao campo criado pela corrente I1, assim, o campo magntico de restrio nulo, conseqentemente no existe torque de restrio. J a corrente resultante I1 + I2 = 2I1, passa totalmente pela bobina de operao, produzindo um elevado torque positivo. Portanto a grande vantagem deste rel traduz em: - defeitos externos, o rel fortifica a restrio e enfraquece a operao, garantindo a no atuao do rel. - defeitos internos, o rel enfraquece a restrio e fortifica a operao, garantindo a atuao do rel. A expresso analtica de operao do rel diferencial percentual, considerando que as correntes I1 e I2 estejam referenciadas como na figura 4.2.5 so: (4.2.2) Portanto o torque da restrio ser dado por: (4.2.3) J na bobina de operao, a corrente resultante da por: (4.2.4) Portanto o torque da operao ser dado por:

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(4.2.5) Portanto, desprezando-se a restrio da mola restauradora, o torque resultante que age no balancim do rel diferencial percentual dado pela expresso: (4.2.6)

Fazendo-se a =

tem-se: (4.2.7)

Fazendo-se y =

ex=

tem-se a expresso reescrita como sendo uma equao

de uma reta que passa pela origem dos eixos cartesianos y x. Em que: que chamado de inclinao, ou declividade (slope) da reta do limiar de operao do rel 87 e est representada na figura 4.2.6.

Figura 4.2.6 Curva de Operao do Rel Diferencial Percentual

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Outra maneira de representar o rel diferencial percentual em um grfico da corrente I1 em funo da corrente de reteno I2 representando a seguir na figura 4.2.7.

Figura 4.2.7 Zona de Atuao do Rel Diferencial Percentual em Forma de Gravata

Para isso definido outro termo que a percentagem da corrente diferencial I1 I2 em relao menor das correntes de reteno I1 e I2. Supondo-se I2 < I1, assim a percentagem diferencial p dada por: (4.2.8) Desenvolvendo: (4.2.9) Supondo I1 < I2: (4.2.10) Desenvolvendo: (4.2.11) Usando-se no rel diferencial percentual, o percentual p de 10% e 25%, o grfico da zona de atuao do rel apresentado na figura 4.2.7. Nota-se que a reta superior da gravata dada pela expresso 4.2.9 e a reta inferior pela expresso 4.2.11.

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Assim, para qualquer operao que produza um ponto dentro da regio hachurada o rel 87 no atua. Qualquer ponto de operao fora da gravata representa uma corrente diferencial alm do ajustado no rel 87 e a proteo atua. 4.2.3 Exemplo de Aplicao Para a proteo do Trafo IV da SE Carajs, utilizou-se uma unidade de proteo numrica de fabricao Arteche, modelo PD300. Adotou-se como partida um valor baseado em porcentagem do defeito fase-terra entre as barras 230kV e 138kV do Trafo IV. Este ajuste mais alto a fim de se evitar disparo indevido. Para alcance de cerca de 80% do transformador, utilizou-se:

Portanto:

Utilizou-se a sensibilidade de:

Passo 1 a partir de 2,6 Passo 2 a partir de 5,2 Slope 1 de 25% Slope 2 de 45%, especialmente para evitar disparo indevido para faltas externas Temporizao instantnea Por fim, ajustou-se a restrio por 2 e 5 harmnicos para 50 da corrente de partida.

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4.3 Proteo de Sobrecorrente Como o prprio nome indica, so todos os rels que incorporam um sensor de corrente, que atuam para uma corrente maior que a do seu ajuste, promovendo a abertura do disjuntor e eliminando o defeito. a proteo mnima que deve ser garantida em qualquer sistema eltrico. So amplamente utilizados na proteo de equipamentos, assumindo funes como direcionalidade e partida de outras unidades de proteo alm de funes secundrias de proteo como na proteo de transformadores. 4.3.1- Conceitos bsicos Pick-up o termo genrico designado para a menor corrente que possvel para fazer o rel operar, ou seja, a menor de todas as corrente que deixam o rel no limiar de operao, j Drop-out, o termo genrico que se refere a desoperao do rel, ou seja, a maior corrente que produz a desativao do rel. Estes dois termos produzem a segurana e garantia de se: I < Ipick-up, o rel em hiptese alguma no ir operar, e; I > Idrop-out, o rel em hiptese alguma no ir desoperar. No SEP, em caso de defeito, para ter-se uma segura e adequada operao do rel, necessrio ajustar a corrente de modo a atender a inequao abaixo:

(4.3.1) Onde: a = 1,5 para rels eletromecnicos e 1,1 para rels digitais. O rel deve suportar, sem operar, as variaes de carga rotineira do sistema. Deste modo, de acordo com a inequao 4.3.1, deve-se deixar uma folga de 40% a 50% na corrente de carga, para o rel absorver sem operar, as flutuaes de carga sendo uma margem para possibilitar as transferncias de carga devido a monobras na configurao da rede do SEP em operao e de futuras expanses, devido principalmente ao crescimento da carga. [kindermann] O rel deve atuar com absoluta garantia em relao a qualquer curto-circuito no trecho protegido. Esta garantia satisfeita obedecendo a inequao 4.3.1; mas na prtica, esta garantia melhorada, porque se escolhe a corrente de ajuste o mais prximo possvel da limitao inferior da ineguao 4.3.1. Deste modo, a mnima corrente de curto-circuito, isto , a corrente de curto no final do alimentador, muitas vezes maior que o limiar da operao do rel. O 1,5 ou 1,1 que aparece dividindo

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o ltimo elemento da inequao 4.3.1 para garantir, no pior caso, que a menor corrente de curtocircuito, seja 1,5 ou 1,1 vezes o limiar de operao do rel. [kindermann] 4.3.2- Ajuste de Tempo de Operao O tempo de operao de um rel de sobrecorrente pode seguir um tempo fixo, caracterizando operao por tempo definido, seguir curvas de tempo inverso, conforme normalizaes dos pases, e mesmo seguir uma curva desenvolvida para aplicaes especiais, desde que garantida a coordenao de tempos para a mesma corrente de curto-circuito, que tambm garante uma seqncia de seletividade na abertura dos disjuntores, sempre objetivando eliminar o defeito, deixando sem energia o menor nmero de consumidores. [kindermann] Os fabricantes: demarcam as curvas de atuao dos rels em percentagem ou na base 10. Assim as curvas podem ser: Curva: 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10, ou; Curva: 5% - 10% - 20% - 30% - 40% - 50% - 60% - 70% - 80% - 90% - 100%. As curvas so referidas a curva de 100%, sendo que as outras curvas tem o seu tempo referido da curva de 100%. Ou seja, para um respectivo curto-circuito, o tempo de atuao do rel corresponde percentagem em relao ao tempo da curva 100%. Para melhor compreenso, supondo um curto-circuito, e um rel ajustado com mltiplo 3, teremos os seguintes tempos de atuao: Mltiplo 3 Tempo curva 100% = 6s Mltiplo 3 Tempo curva 50% = 3s Mltiplo 3 Tempo curva 10% = 0,6s As curvas inversas dos rels eletromecnicos so dadas a partir de mltiplo 1,5, que corresponde a um torque do rel 50% superior ao torque para o do limiar da operao a qual o fabricante garante a repetitividade de atuao dos rels na curva correspondente. Entre o mltiplo 1 e 1,5, o rel eletromecnico opera com um pequeno torque, no produzindo um bom desempenho no fechamento do seu contato e no garantindo eficincia na atuao da proteo. Portanto no se tem repetitividade na curva de tempo, impossibilitando a sua confiana na coordenao, como pode ser observado na figura 4.3.1. J nos modernos rels digitais, os fabricantes garantem que as curvas de atuao comeam no mltiplo 1,1. O rel de sobrecorrente de tempo inverso pode ter diferentes inclinaes nas suas curvas. As inclinaes mais conhecidas esto ilustradas na figura 4.3.2.

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Como os rels eletromecnicos, eram os nicos utilizados no passado, as suas curvas receberam ao longo dos tempos normalizaes de acordo com suas inclinaes. Estas normalizaes foram feitas e introduzidas nas normas de diversos pases. Por exemplo, foram padronizadas pela IEC, IEEE/ANSI, IAC e pela I2t, deste modo, para cada denominao de curvas, possibilitou-se referir e enquadrar as curvas de atuao dos rels, mesmo sendo de fabricantes diferentes. Os rels digitais opera associando a curva a uma funo que reproduz a curva normalizada. Esta funo dada pela equao demonstrada a seguir:

(4.3.2) Onde: Tcurva - mltiplo de tempo Tatuao do rel - tempo de atuao do rels em segundos M - mltiplo do rel, dado por: (4.3.3) I = corrente real que entra no rel Iajuste - corrente de ajuste do rel K, , L, so coeficientes da expresso 4.3.2, fornecidos pela tabela 4.3.1.

NORMA

TIPO DE CURVA Curva Inversa

K 0,14 0,05 13,5 80 0,515 196,1 282 100 0

0,02 0,04 1 2 0,02 2 2 2 -

L 0 0 0 0 1,14 4,91 1,217 0 Qualquer

1 1 1 1 1 1 1 0 1

IEC

Moderadamente Inversa Muito Inversa Extremamente Inversa Moderadamente Inversa

IEEE

Muito Inversa Extremamente Inversa

I2t Todas

Curva I2t Tempo Definido

Tabela 4.3.1 Coeficientes da Expresso 4.3.2

As inclinaes das curvas de tempo pela IEC, tambm, so conhecidas por: Classe A, curva Inversa, Classe B, curva Muito Inversa e Classe C, curva Extremamente Inversa.

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J as curvas de tempo x mltiplo definido pela IAC, so dadas pela equao abaixo:

(4.3.4)

Onde os coeficientes A, B, C, D e E esto na tabela 4.3.2

CURVA IAC Pouca Inversa Inversa Muito Inversa Extremamente Inversa

A 0,428 2,078 0,9 0,04

B 0,609 8,63 7,955 6,379

C 6,2 8 1 6,2

D -0,01 -4,18 -12,885 17,872

E 0,221 1,947 79,586 2,461

Tabela 4.3.2 Coeficientes da expresso 4.3.3

4.3.3- Exemplo de aplicao Dados Gerais O Transformador IV da SE Carajs, a que se aplica essa proteo secundria de sobrecorrente, possui os seguintes dados de base para a temperatura de 75 C: VPrim = 138kV Snominal = 33,3MVA Inominal = 139,3A Z% = 13,05%

(4.3.5) (4.3.6) Mudando a base para 100MVA, Zpu%, passa a ser: (4.3.7)

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Segundo dados do relatrio de estudos, do Setor de Estudos da Operao da Concessionria CELG Distribuio S/A, ser adotado:

4.3.3.1 - Clculo da unidade de fase Sobrecorrente Temporizado (51) Segundo dados do DT-SEO CELG-D, ser liberado 140A de corrente no lado AT desta unidade transformadora, portanto temos que a Corrente de Partida (TAPAT) e dada por:

(4.3.7)

Devido ao baixo valor desta corrente de partida, a limitao de carregamento do transformador ser feita no lado da baixa tenso, portanto:

-30.0 930.9 1 -57.7 69.5 30.2 9309.2 1 92.3

CARAJAS 13B 0.0 1 0.0 0.0 0.0 9309.2 -87.7

Figura 4.3.1 Curto-cicuito trifsico na barra de 13,8kV

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Para o curto-circuito trifsico na barra BT, no vo do T4, considerando as linhas da SE Carajs radialmente, definindo o tempo de operao do vo de alta tenso como e a curva IEC muita inversa, defini-se o dial de fase como: ,

(4.3.8) (4.3.9)

-30.0 0.0 1 0.0 0.0 0.0 7270.8 -86.3 0.0 1 0.0

CARAJAS 13B 0.0 1 0.0 0.0 0.0

Figura 4.3.2 Curto-circuito trifsico na barra AT

Considerando agora o curto-circuito na barra AT, conforme indica a figura 5.4, temos:

Observando a limitao da corrente de carga anteriormente citada, a corrente de partida do lado de baixa (TAPBT), dado por:I liberada _ BT = 1400 A

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Com base no curto-circuito trifsico na barra da baixa tenso do Trafo IV com as linhas de 138kV de Carajs radialmente e considerando os dados da unidade de sobrecorrente de fase do lado AT, para clculo do dial de fase, ser definido um tempo de operao no vo da baixa tenso do Trafo IV de:tT 4 _ BT = 0.5s

E o tipo de curva adotada ser:curva fase _ BT =" IEC _ muito _ inversa"

Deste modo, o dial de fase ser:

A figura abaixo ilustra as curvas de coordenao entre os vos da AT e BT do Trafo IV, para um curto-circuito no lado BT do Trafo IV, com os mltiplos de tempo e diais calculados anteriormente.

Figura 4.3.3 Curva Tempo x Mltiplos da corrente de partida de fase

Deste modo, o ajuste sugerido de dial de fase est adequado coordenao com as demais protees.

45

4.3.3.2 - Clculo da unidade de fase Sobrecorrente Instantneo (50) Para o lado da alta tenso, ser considerado o curto-circuito nas barras de 138kV (AT) e 13.8kV (BT) do trafo IV:I cc _ T 4 _ AT = 7270 .8 A I cc _ T 4 _ BT = 9309 .2 A I cc _ T 4 _ BT _ ref = 930.9 A

Icc no lado AT Icc no lado BT Icc no lado BT referido a AT

Para alcance de cerca de 70% do transformador:I cc _ T 4 _ AT + (1 porcentage m ) (I cc _ T 4 _ AT I cc _ T 4 _ BT _ ref ) = 8999 .057 A (4.3.11)1.2 I cc _ T 4 _ AT + (1 porcentagem ) (I cc _ T 4 _ AT I cc _ T 4 _ BT _ ref RTC AT _ ped

I inst _ fase _ AT =

[

)] = 44.995 A (4.3.12)

Para o lado da baixa tenso, a unidade instantnea de fase ser mantida bloqueada para evitar descoordenao com os alimentadores e o rele 51. 4.3.3.3 - Clculo da unidade de Neutro Sobrecorrente Temporizado (51N)178.5 CARAJAS 13B 0.0 1 0.0 0.0 0.0 0.0 1 0.0 0.0 1 0.0 0.0 0.0 CAJ_ALIM_T1 0.0 1 0.0 0.0 1 0.0 0.0 0.0 CAJ_ALIM_T2

1

70.7 178.5 7680.5 -85.7

Figura 4.3.4 Curto-circuito monofsico na barra de 138kV

Adotando-se um desequilbrio de 40%, a corrente de partida do lado de alta, ser dada por: (4.3.13)

46

Com base no curto-circuito monofsico na alta tenso do Trafo IV, com as linhas de 138kV de Carajs radialmente e definido um tempo de operao no vo AT do Trafo IV de:

E o tipo de curva :curva neutro _ AT =" IEC _ muito _ inversa "

De modo que o dial de neutro AT seja:

Considerando agora o curto-circuito na barra BT, conforme indica a figura 4.3.5, e um desequilbrio de cerca de 30% relativo ao tap de fase, tem-se:

0.0 CARAJAS 13B 9724.1 1 92.2 7.3 -179.9 9724.1 -87.8 0.0 1 0.0 0.0 1 0.0 7.3 -179.9 CAJ_ALIM_T1 0.0 1 0.0 0.0 1 0.0 7.3 -179.9 CAJ_ALIM_T2

1

0.0 0.0

Figura 4.3.5 Curto-circuito monofsico na barra de 13,8kV

Para clculo do dial de neutro, ser definido um tempo de operao no vo da baixa tenso do trafo IV de:tT 4 _ BT = 0.5s

E o tipo de curva:curva neutro _ BT =" IEC _ muito _ inversa"

47

De modo, que o dial de neutro BT seja:

A figura abaixo ilustra as curvas de coordenao entre os vos da AT e BT do Trafo IV, para um curto-circuito no lado BT do Trafo IV, com os mltiplos de tempo e diais calculados anteriormente.

Figura 4.3.6 Tempo x Mltiplos da corrente de partida de neutro

Deste modo, o ajuste sugerido de dial de neutro est adequado coordenao com as demais protees. 4.3.3.4 - Clculo da unidade de Neutro Sobrecorrente Instantneo (50N) Para o lado da alta tenso, ser considerado o curto-circuito nas barras de 138kV (AT) e 13.8kV (BT) do Trafo IV:I cc _ T 4 _ AT = 7270 .8 A

Icc no lado AT

Como parmetro de corrente de partida do instantneo ser considerado uma porcentagem de 40% da corrente de curto-circuito monofsico na barra de 138kV de Carajs:

48

I inst _ neutro _ AT =

porcentagem I cc _ T 4 _ AT RTC AT _ ped

= 13.002 A

(4.3.15)

Para o lado da baixa tenso, a unidade instantnea de fase ser mantida bloqueada para evitar descoordenao com os alimentadores e o rele 51. 4.3.3.5 Resumo geral das unidades 50/51 e 50/51N Sobrecorrente de fase - T4 ATRTC AT _ ped = 1200 1A 5A

I partida _ AT _ fase = 2 A dial fase _ AT = 0.05s curva fase _ AT =" IEC _ muito _ inversa" I inst _ fase _ AT = 45 A

Sobrecorrente de neutro - T4 ATRTC AT _ ped = 1200 1A 5A

I partida _ AT _ neutro = 0.8 A dial neutro _ AT = 0.29 s curva neutro _ AT =" IEC _ muito _ inversa " I inst _ neutro _ AT = 13 A

Sobrecorrente de fase - T4 BTRTC BT _ ped = 2000 1A 5A

I partida _ BT _ fase = 3.5 A dial fase _ BT = 0.21s curva fase _ BT =" IEC _ muito _ inversa" I inst _ fase _ BT =" bloqueado"

Sobrecorrente de neutro - T4 BTRTC BT _ ped = 2000 1A 5A

49

I partida _ BT _ neutro = 1A dial neutro _ BT = 0.87 s curva neutro _ BT =" IEC _ muito _ inversa" I inst _ neutro _ BT =" bloqueado "

50

4.4 Introduo a Proteo de Linhas Uma proteo de linhas deve garantir que todo defeito seja eliminado to rapidamente quanto possvel, sendo tambm desligada uma nica seo, de mnima extenso possvel. Os defeitos mais importantes a eliminar so os curtos-circuitos entre fases e terra. Entre os mltiplos sistemas de proteo possveis, alguns constituem hoje solues padro nos vrios tipos de redes [9]. Assim, uma classificao grosseira das redes, pode ser feita com base na tenso: 1- Rede ou linha de transmisso acima de 69kV, fornecendo em grosso; 2- Rede de subtransmisso entre 13,8 e 115kV, fornecendo a granel; 3- Rede de distribuio entre 2,2 e 34,5kV, fornecendo a granel aos consumidores diversos. Na proteo de linhas so usadas diversas classes de rels; em ordem crescente de complexidade cita-se: rels de sobrecorrente instantneos, rels de sobrecorrente de tempo inverso e/ou definido, rels de sobrecorrente direcionais, rels de balano de corrente, rels de distncia e rels piloto (fio piloto, onda portadora e microonda). Ou seja, basicamente h proteo com rels de sobrecorrente e de distncia [9]. O ajuste e a coordenao dos rels de sobrecorrente que atuam na proteo de SEP, modifica se houver mudana na configurao da rede. Isto implica num problema em relao operao do sistema que est fazendo manobras para garantir a continuidade e qualidade do fornecimento da energia eltrica. O rel de distncia supre a deficincia dos rels citados, e produzem uma proteo fcil de ajustar e coordenar. O rel de distncia opera medindo o parmetro de linha de transmisso at o ponto do curto-circuito ou da carga. O rel de distncia recebeu este nome genrico, devido sua filosofia de funcionamento se basear na impedncia, admitncia ou reatncia vista pelo rel. 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 [1]. 4.4.1 Rel de distncia (21) O valor da corrente de curto-circuito, varia de acordo com a impedncia medida desde a fonte at o ponto de defeito. Quando se trata de linhas de transmisso de comprimento longo, existe dificuldade no emprego da proteo de sobrecorrente, para um tempo T para atuao no final da linha, ao se ajustar o rel em funo da corrente de defeito nas proximidades do barramento. Pois a corrente de defeito no final da linha significativamente inferior ao valor obtido no ponto inicial da linha.

51

Neste caso, o tempo T ajustado para a atuao se tornaria excessivamente longo, trazendo graves conseqncias ao sistema e s cargas a ele ligadas. Em funo dessa dificuldade, emprega-se os rels distncia cujo tempo de atuao proporcional distncia entre o ponto de instalao do rel e o ponto de defeito. Outra forma de tornar clara a utilizao dos rels distncia entender que a tenso no ponto de defeito praticamente nula; porm, medida que se afasta do ponto de defeito no sentido da fonte, esta tenso tende a aumentar devido queda de tenso na linha de transmisso. Assim, os rels distncia comparam a tenso aplicada em seus terminais, ligados atravs de TPs ao sistema de potncia, com a corrente que circula no mesmo ponto, resultando na conhecida expresso V/I, origem do nome do rel, j que essa grandeza permite determinar a distncia de um trecho qualquer de um alimentador a partir da impedncia unitria do condutor utilizado. Numa linha de transmisso a impedncia Z diretamente proporcional distncia entre o ponto de instalao do rel e o ponto de defeito, por isso, a denominao rel distncia, que um nome genrico dado aos aparelhos que de um modo ou de outro utilizam este principio para proteger uma linha de transmisso. Existem, na realidade, vrios rels baseados neste princpio, a saber:

Rel de impedncia; Rel de reatncia; Rel de admitncia;

A aplicao de um ou outro rel de distncia est condicionada caracterstica do sistema no qual ir proteger, ou seja: O rel de impedncia indicado para a proteo de linhas de transmisso consideradas de comprimento mdio para o seu nvel de tenso. No caso de uma linha de transmisso de 230kV, podese considerar como mdia aquela de comprimento igual a 200 km, j o rel de reatncia indicado para a proteo de linhas de transmisso consideradas de comprimento curto para o seu nvel de tenso, pois foi desenvolvido para reduzir o efeito do arco no ponto de balano do rel, durante a ocorrncia de um defeito. O rel de admitncia indicado para a proteo de linhas de transmisso consideradas de comprimento longo para o seu nvel de tenso [5]. O ajuste do rel de distncia dever ser realizado de forma a se obter torque positivo para valores de impedncia abaixo do valor ajustado, normalmente tomado como porcentagem do comprimento da linha de transmisso. O entendimento do funcionamento do rel de distncia ser mais bem entendido a partir do exame da Figura 4.4.1. O sistema eltrico principal constitudo de duas linhas de transmisso (L1 e L3), protegidas pelos rels de distncia R1, R2, R3 e R4 associados aos seus respectivos disjuntores para qualquer

52

defeito ocorrido em qualquer ponto das referidas linhas. Para um defeito no ponto P da linha 1-3 temos as seguintes consideraes [5]. No momento do defeito a tenso no ponto P nula e as correntes I1 e I2 que circulam nas linhas L1 e L3 podem ser consideradas constantes ao longo das respectivas linhas; A tenso cresce a partir do ponto de defeito das fontes G1 e G2, considerando desprezvel a resistncia do arco e a impedncia cresce a partir do ponto de defeito a direo das fontes G1 e G2, tal como ocorre com a tenso. Na presena do defeito no ponto P os rels indicados na figura 4.4.1 reagiro da seguinteFigura 4.4.1 - Representao de um sistema de potncia

forma:

1234-

Inicio da contagem de tempo de acordo com o esquema de proteo utilizado; Atuao da unidade de seleo de fases, de acordo com a figura 4.4.2; A unidade de seleo aciona as unidades direcionais e de medida; A unidade direcional recebe da unidade de seleo os valores da corrente de defeito e da tenso de polarizao, a partir de quais informaes a unidade direcional abre ou fecha seus contatos liberando o rel para operao;

5-

A unidade de medida recebe da unidade de seleo os valores da tenso e da corrente de defeito.

A partir dessas consideraes a atuao dos reles ocorrer de acordo com a seguinte lgica, previamente definida no projeto de proteo. 1- O rel R3 dever operar primeiramente, pois a impedncia vista por ele menor do que a impedncia vista pelos demais; 2- Em seguida ir operar o rel R4, obedecendo o valor da impedncia; 3- O rel R1 considerado rel de segunda contingncia, isto , na falha de operao do conjunto disjuntor da barra B mais o rel R3, o rel R1 operaria; 4- Os rels R2 e R3 vem a impedncia de defeito com praticamente o mesmo valor e devem ser ajustados de forma a atuar somente o rel R3, j que a atuao do rele R2 implicar a desenergizao das linhas L4 e L5. Para que os rels R2 e R3 sejam coordenados nesse tipo de evento necessrio que sejam equipados com unidades direcionais.

53

De forma geral, os rels de distncia apresentam os aspectos funcionais mostrados na figura 4.4.2.

Figura 4.4.2 Aspectos funcionais dos rels de distncia

4.4.2 Rel de Distncia Eletromecnico Estes rels utilizam unidades de operao do tipo convencional, atravs de bobinas de tenso e corrente, uma armadura de ferro e um disco de induo. Cada rel possui duas ou mais unidades hmicas. A unidade hmica utiliza a impedncia (R+jX), medida desde o incio da linha, onde est instalado, at o ponto de defeito. Esse tipo de unidade apresenta um torque expresso pela Equao 4.4.1.

(4.4.1)

Onde: I corrente do circuito; ngulo de defasagem entre V e I; ngulo de projeto do rel; K3 constante da mola de restrio. Observa-se que a parcela K1 x F diretamente proporcional ao quadrado da corrente circulante, enquanto a parcela K2 x V x I x cos ( - ) diretamente proporcional tenso, a corrente circulante e ao co-seno do ngulo ( - ) [5].

54

Analisando a posio de equilbrio da unidade, isto , a posio em que esta unidade est no limite de sua atuao, ponto de balano, onde T = 0, obtm-se, em conseqncia, para K3 = 0:

K1 K 2 = V I cos( )Como V/I vale a impedncia do circuito, logo se tem:

K 1 K 2 = Z cos( )

(4.4.2)

A equao 4.2.2 representa uma reta num plano R X, conforme mostrado na figura 4.4.3. Ela indica o lugar geomtrico para o torque nulo do rel. O torque positivo ocupa o semiplano inferior limitado pela reta, e o negativo, o semiplano superior. Se os valores de K1 e K2, forem mantidos constantes e se variar o ngulo de projeto , obtm-se diversas retas tangentes ao circulo, cujo raio definido por K1/K2, conforme mostra a figura 4.4.4. Se forem modificados os valores de K1 e K2 e mantido constante o ngulo , obtm-se uma famlia de curvas paralelas, de conformidade com a figura 4.4.4 [5].

Figura 4.4.3 a)Caractersticas bsicas do rel de distncia; b) Caractersticas dos rels de distncia para ngulo varivel

Figura 4.4.4 Caractersticas dos rels de distncia para K1 e K2 constantes

55

4.4.3 Rel de Distncia impedncia So rels que apresentam o seguinte torque: T = K1 V 2 + K 2 F Para a posio de equilbrio, obtm-se: (4.4.3)

Z = K 2 K1O rel de impedncia constitudo normalmente das seguintes unidades: 1- unidade de partida, em geral do tipo direcional; 2- unidade de medida de impedncia; 3- unidade de temporizao; 4- unidade de bandeirola e selagem.

(4.4.4)

A equao 4.4.4 apresenta um circulo com centro na origem cuja representao grfica mostrada na figura 4.4.5. Os rels de distncia so caracterizados pelas zonas de proteo que podem atingir em funo dos ajustes empregados. Essas zonas so evidenciadas atravs de crculos com origem num sistema de coordenadas R X, cujo raio mede o valor da impedncia considerada [5]. A figura 4.4.6 mostra o diagrama de comando simplificado de um rel de impedncia. J a figura 4.4.7 mostra o escalonamento da proteo, relacionado o comprimento da linha de transmisso com o tempo de atuao do rel. O rel de distncia impedncia consiste basicamente em uma armadura em charneira e duas bobinas, sendo uma de tenso e outra de corrente. O fluxo produzido pela bobina de tenso tende a abrir os contatos do rel, enquanto o fluxo originado da bobina de corrente tende a fechar esses contatos. O valor dos fluxos depende da distncia entre o ponto de instalao do rel e o ponto de defeito. H, no entanto, uma situao particular em que se ocorrer um defeito num ponto situado ligeiramente antes do ponto de balano, considerando o sentido fonte-carga, o rel fechar os seus contatos. Desta forma, pode-se ajustar o escalonamento de atuao e no-atuao dos rels a partir do seu ponto de balano [5].

56

Figura 4.4.5 a) Diagrama Eltrico; b) Caracterstica do rel de distncia

Figura 4.4.6 Diagrama de zonas de cobertura

importante frisar que a atuao do rel de impedncia independe do valor da capacidade de gerao do sistema. Para melhor o entendimento, um rel de distncia ajustado, por exemplo, para atuar em decorrncia de uma falta na primeira zona, que compreende 80% a 90% do comprimento da linha de transmisso (L1 = 0,80 x L). Este ajuste feito na unidade Z1, cujo tempo muitas vezes definido para T1 = 0, que corresponde apenas ao tempo prprio (inrcia do rel). Da mesma forma se ajusta a unidade de medida de impedncia Z2, para atuar com 50% do comprimento da referida linha, o que corresponde ao tempo de atuao de T2 = 0,50s normalmente admitida na prtica. E, finalmente, procede-se o ajuste da unidade Z3 para a terceira zona, considerando 200% do comprimento da linha, conforme figura 4.4.5 [5]. Para uma falta, por exemplo, no ponto mdio da linha de transmisso (50%), portanto sob influncia da primeira zona de proteo, fecham-se os contatos Z1, Z2 e Z3, visto na figura 4.4.5-a, energizando-se a bobina de temporizao BT, depois de o sinal ser dado pela unidade direcional de sobrecorrente atravs do fechamento do seu contato 67/DIR. Como o contato auxiliar 52a do disjuntor est fechado (disjuntor ligado), a sua bobina de abertura, 52/TC, energizada, fazendo-o disparar. Ao mesmo tempo, a unidade de bandeirola e selagem energizada, fazendo (67/DIR) atuar ao mesmo tempo que as unidades Z2 e Z3 fecham os

57

seus contatos. A unidade Z1 no sensibilizada neste caso. Sendo o tempo ajustado T2 inferior a T3, a bobina do disjuntor energizada atravs de (Z2 CT2 BS), sendo CT2 e CT3 os contatos do rel de tempo RT [5]. A terceira zona de operao Z3 por abranger as zonas Z1 e Z2 sempre atuar, mesmo que o defeito ocorra nas zonas Z1 e Z2. Deve-se observar que em todos os casos a bobina de bandeirola e selagem fecha o contato de selo CBS, garantindo o disparo do disjuntor e protegendo os contatos mveis do rel para a condio de baixas correntes de acionamento. Sinaliza ainda, em que zona o rel operou e o semiplano que limita os torques positivo e negativo (restrio) da direcionalidade, como ilustra a figura 4.4.5-b. O ngulo de torque mximo ajustado na fabrica, sendo, em geral, de 75, com corrente em atraso da tenso. Quando se trata de linha de transmisso, esse ajuste permanece, j que nesse caso o ngulo geralmente superior a 65 (condio de curto-circuito). Para situaes diferentes necessrio que sejam feitos ajustes de acordo com o caso. Os ajustes do rel de impedncia podem ser feitos com base na seguinte equao:Z s = Z p RTC RTP K

(4.4.5)

Onde: Zs = impedncia do sistema de potncia referida ao circuito secundrio dos transformadores de medida em ; Zp = impedncia primria do sistema de potncia, em . K = valor em pu do comprimento da linha que se quer proteger; Quando ao longo do sistema h um transformador de potencia, o seu valor hmico pode ser calculado por:

Z t = (10 Vnt Z tr ) Pnt2

(4.4.6)

Onde: Vnt = tenso nominal primria do transformador em kV; Pnt = potncia nominal do transformador, em kVA; Ztr = impedncia percentual do transformador, em %.

58

4.4.3.1 Rel de distncia impedncia modificada Quando for necessrio um rel de impedncia de caracterstica cujo centro no passe pelo centro do diagrama R-X, pode-se empregar o rel direcional de distncia impedncia modificada, cuja caracterstica operacional est ilustrada na figura 4.4.7. Essa caracterstica pode ser obtida a partir do rel de impedncia polarizando o circuito de reteno por tenso [5].

Figura 4.4.7 Caracterstica do rel impedncia modificada

4.4.4 - Rel de distncia reatncia Este rel, doravante chamado de rel de reatncia, utiliza a reatncia medida desde o incio da linha, onde est instalado o rel, at o ponto de defeito. Os rels de reatncia so empregados nos sistemas em que a variao da resistncia de arco considerada significativa, j que esses rels no levam em considerao a influncia dessa resistncia. Neste caso particular, o emprego do rel de impedncia seria inadequado porque ele contempla o valor da resistncia de arco. Qualquer variao no valor desta resistncia, no momento do defeito, no prejudicar o desempenho do rel de reatncia [5]. A resistncia do arco pode ser dada pela equao a seguir:1, Ra = 287 La I cc4

(4.4.7)

La = comprimento do arco, em cm; Icc = corrente de curto-circuito, em A; O comprimento de arco La corresponde distncia entre os dois pontos de fases diferentes onde ocorre o defeito. No caso de uma falta entre duas fases de uma linha de transmisso de 69kV, onde os condutores se aproximaram de uma distncia de 240cm e a corrente de curto-circuito foi de 500A, a resistncia de arco vale:

59

Ra = (287 x 24)/5001,4 = 1,14 O rel de reatncia esta baseado na relao entre o componente indutivo da queda de tenso na linha de transmisso devido ocorrncia do curto-circuito e a corrente de defeito correspondente, ou seja: X = ( V sen ) I cc (4.4.6)

A figura 4.4.8 mostra as partes funcionais tpicas de um rel de reatncia. Destacam-se a unidade direcional de sobrecorrente, caracterizada por uma bobina de tenso, e a unidade de sobrecorrente. O disco de induo montado no circuito magntico tem a finalidade de exercer sobre o eixo um pequeno torque, a fim de manter, em bases aproximadamente constantes, a reatncia para uma grande faixa de correntes de defeito [5]. Seu funcionamento est baseado no fluxo produzido pelos enrolamentos de tenso e de corrente, cujo valor proporcional s grandezas presentes. Com base na equao 4.4.1 faz-se o ngulo igual a 90, o que resulta na equao 4.4.7, considerando a condio de balano, isto , T=0.Figura 4.4.8 Rel de reatncia eletromecnico

K1 K 2 = Z cos( 90)Como cos (-90) = sen , logo tem-se:

K1 K 2 = Z senFinalmente, tem-se:

K1 K 2 = Xvisto na figura 4.4.9.

(4.4.7)

Esta equao representa uma reta paralela ao eixo da resistncia num plano R X, como

Figura 4.4.9 Caracterstica do rel de distncia

60

Esta reta representa a condio para T = 0. No semiplano acima da reta, tem-se a condio de torque negativo e, no semiplano abaixo, a condio de torque positivo. O torque mximo do rel obtido para = 90, enquanto se verifica tambm que o torque de operao tanto maior que quanto menor for a tenso presente, portanto o ajuste do rel de reatncia pode ser feito a partir de: X S = X P RTC RTP K Onde: XS reatncia do sistema de potncia referida ao circuito secundrio dos transformadores de medida, em ; XP reatncia primria do sistema de potncia, em ; K valor em pu, do comprimento da linha que ser protegida; 4.4.5 Rel de distncia admitncia Estes rels so particularmente indicados na proteo de fase de linhas de transmisso longas. Da mesma forma que os rels de distncia impedncia, os rels de distncia admitncia so sensveis resistncia de arco, devido corrente de curto-circuito. Os rels de distncia admitncia so tambm conhecidos como rels MHO e aqui sero tratados apenas como rels admitncia. So rels que apresentam um conjugado que varia segundo:T = K 1 V 2 + K 2 V I cos( ) K 3

(4.4.8)

(4.4.9)

Observa-se que a parcela K 1 V 2 diretamente proporcional ao quadrado da tenso, e a parcela K 2 V I cos( ) diretamente proporcional tenso, corrente e ao co-seno do ngulo ( ). Analisando-se a posio de equilbrio do rel, isto , a posio em que o rel est no limite de sua operao (ponto de balano), onde T = 0 obtm-se, em conseqncia, para K3 = 0.

V I = K 2 [ K1 cos( )]Finalmente, tem-se:

Z = K 2 [ K1 cos( )]

(4.4.10)

Esta equao 4.4.10 representa uma expresso polar de uma circunferncia, conforme ilustra afigura 4.4.10-a. Ela representa o lugar geomtrico para o torque nulo do rel. O torque positivo est caracterizado para os pontos situados no interior da circunferncia, enquanto o torque negativo est caracterizado pelos pontos situados fora da referida circunferncia.

61

Figura 4.1.10 a,b,c) Caractersticas do rel distncia

Se os valores de K2 e K1 forem mantidos constantes e se variar o ngulo de projeto , obtm-se uma famlia de circunferncias passando pelo ponto comum no plano R X, conforme ilustra a figura 4.1.10-b. Se modificados os valores de K2 e K1 e mantido constante o ngulo , obtm-se uma famlia de circunferncias passando pelo ponto comum no plano R-X, conforme ilustra a figura 4.1.10-c O rel distncia admitncia constitudo normalmente das seguintes unidades: 1- unidade de partida, em geral do tipo direcional; 2- unidade de medida de admitncia (1/Z), composta por trs unidades M1, M2 e M3. Como os rels de distncia impedncia, os rels de distncia admitncia so caracterizados pelas zonas de proteo que podem atingir em funo dos ajustes empregados nas unidades MHO. O diagrama de comando simplificado e a lgica de funcionamento a mesma descrita para o diagrama da figura 4.4.5a, trocando-se a Z1, Z2 e Z3 por M1, M2 e M3. Se certas precaues no forem tomadas, o rel pode apresentar dificuldades na sua operao para defeitos muito prximos barra de sua instalao. que, nessas condies, a tenso no sistema chega muito prxima a zero, sem contar a queda de tenso de arco. Como o torque proporcional tenso, o rel no apresentaria um torque operacional capaz de fechar os seus contatos. Para compensar essa anomalia, os rels so dotados de uma ao de memria, como comumente chamada, que se constitui num capacitor que se descarrega imediatamente aps o defeito no sistema, polarizando a bobina de tenso do rel. 4.4.6 Rel de Distncia Digital Os rels digitais contm funes similares s dos seus antecessores eletromecnicos. Combinam unidades de medida de distncia com unidades de medida de tenso e de sobrecorrente direcional. Em geral, os rels digitais incluem as funes de superviso de disjuntor para registro do nmero de disparo e superviso de circuitos de comando de um determinado nmero de disjuntores.

62

Alm disso, esses rels possuem registro oscilogrfico, localizador de defeito, registro de eventos e histricos de medidas de corrente, tenso e potncia. Da mesma forma que os rels eletromecnicos, os rels digitais apresentam as seguintes unidades: 4.4.6.1 Unidade de medida de distncia Os reles digitais dispem, geralmente, de quatro zonas de proteo independentes com as seguintes caractersticas bsicas: a) Caractersticas de impedncia Esta caracterstica utilizada pelos rels para realizar a medio de distncia das faltas. A impedncia do sistema ajustada atravs da resistncia e reatncia desde o ponto de instalao do rel at o ponto onde ocorreu a falha monopolar. b) Caractersticas de reatncia Neste caso, o ajuste a considerar leva em conta somente a reatncia do sistema. Em geral, os rels digitais de reatncia so polarizados pela corrente de seqncia negativa, correspondente fase considerada. Este tipo de polarizao permite eliminar a influncia da resistncia de falta. Em geral, os rels so dotados de trs unidades direcionais, sendo uma para cada fase e comuns para as quatro zonas, porm sempre operando para defeitos ocorridos para frente. c) Caracterstica MHO Em geral, os rels digitais do tipo MHO so polarizados pela corrente de seqncia positiva correspondente fase considerada. 4.4.6.2 Unidade de superviso para frente e para trs Os rels digitais possuem uma unidade de sobrecorrente que tem a funo de supervisionar a operao das unidades de medida de distncia, estabelecendo um valor mnimo de corrente de atuao. Essas unidades de superviso so compostas por uma subunidade de superviso para a frente e uma subunidade de superviso para trs. A unidade de superviso referida essencialmente uma unidade de sobrecorrente, sendo sensibilizada pela corrente de fase cujo valor supere o valor de ajuste. No tem a funo de detectar a direo da falta. Caracteriza-se pela funo de operao das unidades de medida de cada zona, coordenando o ajuste de direo relacionado no rel.

63

4.4.7 Exemplo de utilizao do Rel de Distncia para Proteo de Linhas O exemplo a seguir, trata-se da definio dos ajustes da proteo distncia utilizada na LT vo Anhanguera II, 230kv da SE Carajs 4.4.7.1 - Dados das linhas de transmisso Trecho 1 Carajs Anhaguera II Cabo 605 MCM: z1 _ 605 MCM _ km = (0.1156 + j 0.4961) km kmImpedncia de seqncia positiva

z 0 _ 605 MCM _ km = (0.4061 + j1.4893)

Impedncia de seqncia zero

s1 _ 605 MCM _ km = 305.851k km

Susceptncia de seqncia positiva

s 0 _ 605 MCM _ km = 454.533k km

Susceptncia de seqncia zero

LT1 : LT 230kV Carajs II Anhanguera 2

c1 = 16.2kmImpedncia mtua em km Relativamente do circuito 1 LT 230kV Anhanguera Carajs sobre o circuito 2: km

z 0 _ mutua _ km = (0.2774 + j 0.9213)

Seqncia positiva:

64

z1 _ prim _ 1 = c1 z1 _ 605 MCM _ km = (1.873 + 8.037i ) prim

z1 _ prim _ 1 = 8.252

z1 = arg( z1 _ prim _ 1 ) = 76.883 deg

z1 _ sec_ 1 =

z1 _ prim _ 1 k rele

= (0.187 + 0.804i )

sec

z1 _ sec_ 1 = 0.825

z1 _ % pu _ 1 =

z1 _ prim _ 1 z base

100% = (0.354 + 1.5192i )%

s1 _ prim _ 1 =

s1 _ 605 MCM _ km c1

= 1.888 10 4

s1 _ MVAr _ 1 =

vbase s1 _ prim _ 1

= 2.802 MVA

VAr

Sequncia zero:z 0 _ prim _ 1 = c1 z 0 _ 605 MCM _ km = (6.579 + 24.127i )

prim

z 0 _ prim _ 1 = 25.008

z 0 = arg( z 0 _ prim _ 1 ) = 74.747

z 0 _ sec_ 1 =

z 0 _ prim _ 1 k rele

= (0.658 + 2.413i )

sec

z 0 _ sec_ 1 = 2.501

z 0 _ % pu _ 1 =

z 0 _ prim _ 1 z base

100% = (1.2436 + 4.5608i )%

65

s 0 _ prim _ 1 =

s 0 _ 605 MCM _ km c1

= 2.806 10 4

s0 _ MVAr _ 1 =

Vbase

2

s 0 _ prim _ 1

= 1.885MVA

VAr

Mtua:z 0 _ mutua _ prim _ 1 = c1 z 0 _ mutua _ km = ( 4.494 + 14.925i )

prim

z 0 _ mutua _ sec_ 1 =

z 0 _ mutua _ prim _ 1 k rele

= (0.449 + 1.493i )

sec

z 0 _ mutua _ % PU _ 1 =

z 0 _ mutua _ prim _ 1 z base

100% = (0.8495 + 2.8214i )%

Trecho 2 LT 230kV Anhanguera Goinia Lestez1 _ % pu _ 2 = (0.26 + 1.24i )% pu

z1 _ prim _ 2 =

z1 _ % pu _ 2 z base100

= (1.375 + 6.56i )

primrios

z1 _ prim _ 2 = 6.702

z1 _ 2 = arg( z1 _ prim _ 2 ) = 78.158

z 0 _ % pu _ 2 = (0.93 + 3.35i )% pu

z 0 _ prim _ 2 =

z 0 _ % pu _ 2 z base100

= ( 4.92 + 17.722i )

66

z 0 _ prim _ 2 = 18.392

z 0 _ 2 = arg( z 0 _ prim _ 2 ) = 74.485

z1 _ sec_ 2 =

z1 _ prim _ 2 k rele

= (0.138 + 0.656i )

z1 _ sec_ 2 = 0.67

secundrios

z 0 _ sec_ 2 =

z 0 _ prim _ 2 k rele

= (0.492 + 1.772i )

z 0 _ sec_ 2 = 1.839

secundrios

Trecho 3 Anhanguera Carajs I C 3 = 16.2km

z1 _ prim _ 3 = (1.873 + 8.037 j )

z1 _ prim _ 3 = 8.252

z1 = arg( z1 _ prim _ 3 ) = 76.882

z 0 _ prim _ 3 = (6.579 + 24.127i )

z 0 _ prim _ 3 = 25.008

z 0 = arg( z 0 _ prim _ 3 ) = 74.747

z1 _ sec_ 3 =

z1 _ prim _ 3 k rele

= (0.187 + 0.804i )

67

z1 _ sec_ 3 = 0.825

z 0 _ sec_ 3 =

z 0 _ prim _ 3 k rele

= (0.658 + 2.413i )

z 0 _ sec_ 3 = 2.501

Compensao de faltas terra fator k0.

1 ( z 0 _ sec_ 1 z1 _ sec_ 1 ) k0 = 3 z1 _ sec_ 1

k 0 = 0.676 0.038i

k 0 = 0.677

arg(k 0 ) = 3.187

Compensao de impedncia mtua km. Devido LT 230kV Carajs - Anhanguera1:

km =

z 0 _ sec_ 13 z1 _ sec_ 1

k m = 1.009 0.038i

k m = 1.01

arg(k m ) = 2.136

4.4.7.2 Definio do grau de confiabilidade proteo de distncia. Para aumentar o grau de confiabilidade, foram adotados os seguintes procedimentos: 1- Utilizao das curvas MHO e quadrangular; 2- A teleproteo essencial por causa do subalcance decorrente da linha paralela e da contribuio de SE Palmeiras, portanto, ser utilizado o esquema de sobrealcance direcional permissivo, ou POTT, que permite que haja disparo instantneo seletivo em

68

ambos os terminais da LT via canal de radio digital que, posteriormente ser substitudo por fibra ptica; 3- Ativao da funo ECO, possibilitando o reenvio de sinal de teleproteo mesmo que o rel na SE Carajs no tenha partido, onde testes mostraram que no necessria temporizao para o ECO. Assim, quando receber o sinal de teleproteo, o sinal de ECO ser repassado para o terminal remoto sem atrasos. 4- Ativao da funo Fonte Fraca que ir disparar o disjuntor quando o sinal de teleproteo for recebido e haver partida da unidade 27 do rel; 5- O TDD, quando houver qualquer disparo da proteo, vai enviar qualquer sinal de disparo ao terminal remoto; 6- O bloqueio de direo inversa estar ativado na zona 4 e somente quando houver defeito na LT paralela. 4.4.7.3 Definio das zonas As zonas de operao da proteo distncia foram definidas como segue abaixo: Zona 1= 85% da LT Carajs - Anhanguera II alcance zona1 = 85% Zona 2 = 100% da LT Carajs - Anhanguera II + 20% da LT Anhanguera Goinia Leste, com direcionalidade direta.alcance zona 2 _ LTadjacent e = 20%

Observamos que, por causa dos baixos valores de contribuio de Carajs, pode haver subalcance do rel para defeitos alm do trecho bsico. Zona 3 = 100% da LT Carajs - Anhanguera II + 50% da LT Anhanguera Goinia Leste, com direcionalidade diretaalcance zona 3 _ LTadjacent e = 50%

Observamos que, por causa dos baixos valores de contribuio de Carajs, pode haver subalcance do rel para defeitos alm do trecho bsico. J a Zona 4, ser utilizada somente para o bloqueio direcional reverso, quando da ocorrncia de faltas na LT paralela, portanto: Zona 4 = 50% da LT Carajs - Anhanguera I, com direcionalidade reversaalcance zona 4 _ LTadjacent e = 50%

69

4.4.7.4 Clculo das zonas Zona 1:z1 _ sec = alcance zona1 z1 _ sec_ 1

Sem resistncia de falta:z1 _ sec = (0.159 + 0.683i ) z1 _ sec = 0.7

Com temporizao de tzona1 instantnea, portanto: t zona1 = 0.0 s Zona 2:z 2 _ sec = z1 _ sec_ 1 + alcance zona 2 _ LTadjacent e z1 _ sec_ 2

Sem resistncia de falta:z 2 _ sec = (0.215 + 0.935i ) z 2 _ sec = 0.96

Com temporizao de tzonal2 de 0,4s, portanto: t zona 2 = 0.4 s Zona 3:z 3 _ sec = z1 _ sec_ 1 + alcance zona 3 _ LTadjacent e ( z1 _ sec_ 2 )

Sem resistncia de falta:z 3 _ sec = (0.256 + 1.132i ) z 3 _ sec = 1.16

Com temporizao de tzona3 de 0,8s, portanto: t zona 3 = 0.8s Zona 4:z 4 _ sec = alcance zona 4 _ LTadjacent e ( z1 _ sec_ 3 ) z 4 _ sec = (0.094 + 0.402i ) z 4 _ sec = 0.41

Com temporizao tzona4 instantnea, portanto: t zona 4 = 0.0 s

4.4.7.5 Clculo das resistncias de falta A fim de servir como parmetro de comparao sero calculadas as resistncias de falta pelo mtodo de Warrington, onde:

70

1- Li50 - comprimento da cadeia de isoladores 230kV, e corresponde a:

2- v - velocidade do vento, dado por:

3- Fs - fator de segurana igual a:

4- Larc_T - comprimento do arco fase-terra, dado por:

5- Larc_ - comprimento do arco fase-fase, dado por:

6- Zc_guarda - impedncia de cabo guarda 30C, dado por: z c _ guarda = ( 4.35 + i1.70