Estudo de proteção e seletividade de uma subestação elétrica de média tensão
4 DESENVOLVIMENTO - Estudo de curto-circuito
Foi elaborado o estudo de curto-circuito das instalações de média tensão da planta industrial, seguindo os procedimento e critérios da norma 60909-2001 do International Electrotechnical Commission[12] (IEC). Esse procedimento forneceu dados de corrente elétrica e permitiu o dimensionamento dos dispositivos de proteção determinando assim o poder de corte de disjuntores e fusíveis que foram instalados, bem como os dados para a determinação da Coordenação e Seletividade das proteções.
Segundo Mardegan[13], as correntes de falta em um sistema trifásico podem ser equilibradas através de todas as três fases ou desequilibradas. Faltas desequilibradas envolvem uma ou duas fases conforme demonstra a figura 1, nunca as três como é possível observar na figura 2. Mardegan[12]
também afirma que a corrente de falta trifásica simétrica eficaz (falta equilibrada) é frequentemente considerada a máxima corrente de falta na barra, a figura 2 representa esta falta.
Entretanto, em certas condições de sistemas, a falta desequilibrada pode apresentar maior valor de corrente que a falta trifásica.
Curto-circuito assimétrico
Figura 1 Diagrama multifilar da falha de curto-circuito assimétrico Mehta.[14]
Revista Espaço Transdisciplinar
Volume 4 – Número 1 – 2020 – ISSN: 2526-6470
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Curto-circuito simétrico
Figura 2 Diagrama multifilar da falha de curto-circuito trifásico simétrico.
Fonte: Mehta.[15]
Para efetuar o estudo de curto-circuito é necessário calcular a potência de um possível curto-circuito trifásico na entrada conforme demonstra a fórmula 1. As impedâncias de sequência utilizando os dados fornecidos pela concessionária foram calculadas com as fórmulas 2 e 3 e a impedância de base utilizando fórmula 4 descritas a seguir.
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Fórmula 1: Cálculo da potência de Curto-Circuito MVAcc3Ø= Potência de curto-circuito kVn= Tensão nominal
Icc3Ø= Corrente de curto-circuito trifásica da concessionária
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Fórmula 2: Cálculo da impedância de sequência positiva MVABASE= Potência de base
MVAcc= Potência de curto-circuito
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Fórmula 3: Cálculo da impedância de sequência zero E= Tensão de curto-circuito
Icc1Ø= Corrente de curto-circuito monofásica da concessionária
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Fórmula 4: Cálculo da impedância de base kV= Tensão nominal
MVABASE= Potência de base
Para a obtenção dos valores de impedância de sequência nominal dos cabos e transformadores, que serão utilizados na subestação, deve-se recorrer ao catálogo do fabricante e, em seguida, converter as grandezas elétricas para valores por unidade (pu) conforme as formulas a seguir.
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Fórmula 5: Cálculo da resistência do cabo em pu R1pu= Resistência em pu
R1= Resistência nominal do cabo L= Comprimento
Zbase= Impedância de base
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ܼ௦
Fórmula 6: Cálculo da reatância do cabo em pu X1pu= Reatância em pu
X1= Reatância nominal do cabo L= Comprimento
Zbase= Impedância de base
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Fórmula 7: Cálculo da impedância de sequência positiva do transformador em pu
Z%= impedância percentual do transformador MVATR= Potência nominal do transformador 2
2
89
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Fórmula 8: Cálculo da resistência de sequência positiva do transformador em pu
Z1TRpu= Impedância do transformador em pu X/R= Relação entre a reatância e a resistência
ܺଵ்ோ௨ൌܴଵ்ோሺȀሻ
Fórmula 9: Cálculo da reatância de sequência positiva do transformador em pu
R1TRpu= Resistência de sequência positiva do transformador em pu
X/R= Relação entre a reatância e a resistência
்ܼோ௨ൌͲǤͺͷܼଵ்ோ௨
Fórmula 10: Cálculo da impedância de sequência zero do transformador em pu
Z1TR pu= impedância de sequência positiva do transformador em pu
Para análise de curto-circuito trifásico, representada pela figura 2, temos a seguinte formula:
ܫଷ]ൌ ܧ
ܼ
Fórmula 11: Cálculo de curto-circuito trifásico
E= Tensão quando submetido a um curto-circuito
Zeq= impedância equivalente
Conforme a figura 1 para situações de curto-circuito monofásico e bifásico é apresentado as fórmulas 12 e 13:
ܫଵ]ൌ ܧ
ሺܼܼଵܼଶ ͵ܼሻ
Fórmula 12: Cálculo de curto-circuito monofásico E= tensão quando submetido a um curto-circuito
Z0eq= impedância equivalente de sequência zero
Z1eq= impedância equivalente de sequência positiva
Z2eq= impedância equivalente de sequência negativa
Zg= impedância de aterramento
ܫଶ]ൌξ͵
ʹ ܫଷ]
Fórmula 13: Cálculo de curto-circuito bifásico Icc3ø= corrente de curto-circuito trifásico
- Proteção e seletividade
Para a aplicação e configuração correta dos relés de proteção, é necessário o conhecimento da corrente de falta em cada parte do circuito.
Diante disto foram utilizados os resultados obtidos pelo estudo de curto-circuito.
Segundo Mardegan[13], para o estudo de proteção e seletividade devem ser levado em consideração alguns critérios como:
O ajuste de pick-up dos relés devem estar acima da corrente nominal do transformador, acrescida da corrente de partida do maior motor conectado ao barramento.
O ajuste de pick-up deve estar acima da corrente inrush do maior transformador conectado ao barramento.
O ajuste de pick-up deve estar abaixo do ponto ANSI do menor transformador conectado ao barramento.
Deve-se calcular a corrente nominal do transformador através da formula 14 e o valor de corrente de pick-up como determina a formula 15.
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Fórmula 14:Cálculo da corrente nominal primária do transformador
2 2
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kVA= potência do transformador kV= tensão nominal
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Fórmula 15: Cálculo da corrente de pick-up da unidade de fase (I>)
In-prim= Corrente nominal primária do
transformador
Para o cálculo da corrente de inrush foi necessário buscar os dados junto ao fabricantes e considerar então a formula 16.
ܫ௨௦ൌܫିൈ ͺ
Fórmula 16:Cálculo da corrente de magnetização(inrush) do transformador
In-prim= Corrente nominal primária do
transformador
Como a planta da unidade dispõe de 4 transformadores, o relé instalado na cabine de entrada deve se aplicar o valor de inrush total.
Sabe-se que a corrente de inrush não pode ser maior que a de curto-circuito, tendo em vista que a concessionaria irá limitar a corrente. Sendo assim, é necessário calcular a impedância equivalente da corrente inrush utilizando a formula 17, somar a impedância da concessionária e em seguida calcular a corrente inrush real do sistema aplicando a formula 18.
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Fórmula 17: Cálculo de impedância equivalente da corrente inrush.
VL= tensão de linha em volts
Iinrush = corrente de magnetização do transformador
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Fórmula 18: Cálculo da corrente inrush equivalente.
VL= tensão de linha em volts Ztotal= impedância total
Outro ponto observado foi o intervalo de coordenação responsável por garantir que o dispositivo de proteção instalado mais próximo a falha operará primeiro e a proteção instalada a montante não operará ou só opere caso a proteção mais próxima falhar. [12]
Para ter o valor mínimo do intervalo de coordenação, observam-se os seguintes dados:
Tempo de interrupção do disjuntor (8ciclos) 133ms
Tolerância do fabricante/erro/overtravel -100ms
Fator de segurança 67ms
Os relés de entrada devem ser ajustados, no máximo, em 1 segundo, pois o dimensionamento dos equipamentos são dimensionado para a corrente de curto-circuito com duração de 1 segundo.[16] Além disso a proteção configurada no relé de entrada deve estar coordenada com a proteção da concessionária.
Para o cálculo da temporização IEC very inverse deve-se utilizar a formula 19, atribuindo o intervalo de coordenação.
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ሺܫଷÞȀܫ ሻ െ ͳൈ ܦܶ
Fórmula 19: Cálculo da temporização IEC very inverse em segundos
Icc3ø= corrente de curto-circuito trifásico DT= dial de tempo
I>=: Corrente de pick-up da unidade de fase
A unidade instantânea de fase deve ser ajustada para operar 10% acima da corrente de curto-circuito subtransitório assimétrico do secundário, referido ao primário, verificando a corrente de inrush para não atuar na energização.[16]
Para a corrente de pick-up temporizada de terra, a faixa de ajuste utilizada fica entre 20%
2 2
91
a 50% da corrente nominal do circuito ou 10%
do primário de TC.[16]
Para unidade instantânea de terra, teoricamente, poderia ser adotado o valor mínimo, porém deve-se ajustar este valor 10%
acima da unidade temporizada.[16]
- Dados de entrada
Para a elaboração do estudo de curto-circuito foram levantados dados da instalação elétrica de uma indústria situada no norte do Espírito Santo.
O diagrama unifilar da instalação foi elaborado com detalhamento dos equipamentos como disjuntores, relés de proteção, TCs e TPs, e também o comprimento e seção nominal dos condutores elétricos como mostra a tabela 4.
A indústria possui uma cabine de entrada com tensão de alimentação de 13.8kV, equipada com um relé de proteção que atua sobre o disjuntor geral da indústria. Dessa cabine de entrada, deriva um alimentador que supre a energia de três subestações elétricas dispostas ao longo da linha de produção.
A figura 3 mostra o diagrama unifilar dispondo a cabine de entrada e as subestações que fazem parte do presente estudo.
Cada subestação possui um sistema proteção elétrica, monitorado através de relé de proteção e atuando sobre o disjuntor local.
As características dos relés de proteção existente estão descritos na tabela 6.
Para o presente estudo, é fundamental ter o conhecimento da contribuição de
curto-circuito que o sistema elétrico fornece no ponto de entrega, com os valores de impedância para sequência positiva e sequência zero expressos em pu na tabela 1.
O ajuste de proteção a montante de responsabilidade da concessionaria de energia também foi solicitado para que seja possível realizar a coordenação de forma eficaz, e estão descritos na tabela 2.
Impedância equivalente em pu no ponto de entrega
Tabela 1 – Dados de impedância equivalente fornecido pela concessionária de energia elétrica.
Corrente de curto-circuito (A) no ponto de entrega
Tabela 2 – Corrente de curto-circuito no ponto de entrega fornecido pela concessionária de energia elétrica.
Foram realizadas simulações de circuito trifásico, circuito bifásico, curto-circuito monofásico no barramento de cada subestação através do software Easypower, que segue as orientações norma IEC 60909-2001.[12]
Dados dos transformadores de média tensão
Tabela 3 – Características dos transformadores instalados em cada subestação.
R1 X1 R0 X0
2,507 3,852 11,761 15,619 Sequência zero Sequência positiva
437,0 788,0 910,0 949,0
Trifásico Assimétrico Monofásico Bifásico Trifásico
ID Name Status From bus From Base kV
To Bus To Base kV
To Conn
Type kVA Z Z0 X/R
TX-1 On BUS-4 13,8 BUS-6 0,38 YG Oil 500 5,33 4,53 4,575
TX-2 On BUS-4 13,8 BUS-7 0,38 YG Oil 500 5 4,25 4,575
TX-3 On SE-02 13,8 BUS-10 0,38 YG Oil 500 5,55 4,718 4,575
TX-3_A On SE-03 13,8 BUS-11 0,38 YG Oil 500 4,88 4,148 4,575
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Diagrama Unifilar
Figura 3 Diagrama unifilar da instalação, contemplando a cabine de entrada até as subestações elétricas.
Dados dos condutores elétricos
Tabela 4 – Características dos cabos em valores absolutos dos condutores
Os dados de curto-circuito foram utilizados para efetuar o dimensionamento dos disjuntores, TCs, TPs e outros equipamentos do sistema de proteção, observando o nível máximo de corrente de cada dispositivo.
Com os equipamentos de proteção atendendo os requisitos de curto-circuito, analisaram-se os dados das falhas simétricas
e assimétricas, bem como as cargas protegidas, a fim de realizar os cálculos para ajustes do relé para função de proteção sobrecorrente instantânea (ANSI 50/50N) e proteção de sobrecorrente temporizada (ANSI 51/51N). Estes cálculos de proteção 50/50N e 50/51N foram realizados nas três subestações e no relé de proteção a montante, fornecendo dados distintos e particulares.
BUS-1
BUS-2
SE-01
BUS-4
BUS-5
BUS-8
BUS-6 BUS-7
QGBT -01 QGBT -02
SE-02
BUS-10
QGBT -03
SE-03
BUS-11
QGBT -04
M-2 M-4
M-6 M-6_A
UT IL-1
L-1 L-3
L-5 L-7
T X-1 T X-2
T X-3 T X-3_A
R
R
R R
ID Name From Bus
ID To Bus ID Base
kV Type No/Ph Size Length (m)
Rating (A)
Raceway
Mtl R1 X1 R0 X0
C-01 BUS-2 ENTRADA 13,8 1/C 1 95 10 237 Steel 0,2158 0,1872 0,8630 0,7488 C-02 REDE
AEREA BUS-2 SE-01 13,8 1/C 1 35 40 200 None 0,5858 0,1459 1,1715 0,2918 C-2 BUS-8 QGBT-02 0,38 1/C 4 240 10 1280 Steel 0,0866 0,1239 0,3465 0,4956 C-03 SE-01 BUS-4 13,8 1/C 1 35 100 141 Steel 0,5858 0,2188 2,3431 0,8752 C-3 BUS-5 BUS-8 0,38 1/C 4 240 10 1280 Steel 0,0866 0,1239 0,3465 0,4956 C-04 BUS-5 BUS-6 0,38 1/C 4 240 10 1280 Steel 0,0866 0,1239 0,3465 0,4956 C-05 BUS-5 BUS-7 0,38 1/C 4 240 10 1280 Steel 0,0866 0,1239 0,3465 0,4956 C-07 BUS-8 QGBT-01 0,38 1/C 4 240 10 1280 Steel 0,0866 0,1239 0,3465 0,4956 C-08 BUS-2 SE-02 13,8 1/C 1 35 40 141 Steel 0,5858 0,2188 2,3431 0,8752 C-09 BUS-10 QGBT-03 0,38 1/C 4 185 10 1160 Steel 0,1108 0,1251 0,4431 0,5005 C-10 BUS-2 SE-03 13,8 1/C 1 50 490 177 None 0,4326 0,1672 0,8652 0,3344 C-11 BUS-12 QGBT-04 0,38 1/C 4 185 10 1160 Steel 0,1108 0,1251 0,4431 0,5005
2 2
93
Para o dimensionamento da proteção de sobrecorrente instantânea (ANSI 50/50N), efetuou o cálculo da corrente de magnetização e o maior nível de corrente suportada pelo transformador, para que a proteção não atue no momento da energização do equipamento e não exceda o valor máximo suportado, na tabela 3 estão detalhados os dados dos transformadores que estão dentro do sistema elétrico em questão.
Com os dados de proteção de sobrecorrente temporizada e instantânea de cada subestação, foi possível elaborar a coordenação e seletividade, através de simulação no software Easypower, que também possui um módulo específico para esta finalidade. Este software permite a simulação de faltas elétricas em diversos pontos da instalação, permitindo a analise do comportamento do sistema de proteção de cada uma das subestações e, com isso, realizar os ajustes necessários para que nenhuma falta elétrica atue a proteção a montante de forma indevida.
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