PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS

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Universidade do Estado de Mato Grosso

Campus Sinop

Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas

ROGÉRIO LÚCIO LIMA

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Relés diferenciais Introdução

O relé diferencial caracteriza-se pela operação por diferença de correntes. A sua atuação é restrita a defeitos compreendidos na região entre os TCs que envolvem o equipamento protegido.

1) Relé diferencial amperimétrico

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Relés diferenciais

Quando há um defeito no equipamento, a corrente de entrada deixa de ser igual à de saída e, consequentemente a corrente de operação será diferente de zero, ocorrendo a atuação da proteção.

Erros prováveis de ocorrer na proteção diferencial amperimétrica: a) Casamento imperfeito dos TCs;

b) Existência de componente contínua da 𝐼_{𝑐𝑢𝑟𝑡𝑜} em duas fases, pelo menos (e que não serão vistas pelo relé);

c) Erro próprio dos TC;

d) Quando o elemento protegido é um Trafo, a corrente de magnetização pode causar desequilíbrios.

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Relés diferenciais

2) Relé diferencial à porcentagem

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Relés diferenciais

A corrente diferencial na bobina de operação é proporcional a 𝐼₁ − 𝐼₂. E a corrente nas bobinas de restrição é proporcional a 𝐼1+𝐼₂ 2 .

Isso quer dizer que, os amperes – espiras totais nas bobinas de restrição são: 𝐼₁. 𝑁₂ + 𝐼₂. 𝑁₂ = 𝑁 𝐼1+𝐼2

2 →

𝐼₁+𝐼₂

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Relés diferenciais

Para uma falta externa ou em condições normais de operação: 𝐼₁ − 𝐼₂ = 0 e 𝐼1+𝐼2

2 = 𝐼1 = 𝐼2, ou seja, nessas condições, há “RESTRIÇÃO”.

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Relés diferenciais

Quando há falta interna, I₂ é negativo e, na bobina de operação ter-se-á a seguinte corrente de operação:

𝐼_𝑜𝑝𝑒 = 𝐼₁ − 𝐼₂ = 𝐼₁ − −𝐼₂ = 𝐼₁ + 𝐼₂ - isso deve fazer com que o relé atue.

Por outro lado, é bom salientar que, para o relé atuar é necessário que o torque causado pela bobina de restrição seja MENOR que o torque causado pela bobina de operação.

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Relés diferenciais

Equação do relé diferencial à porcentagem Tomando a equação universal dos relés:

C = K₁𝐼2 + 𝐾₂𝑈2 + 𝐾₃𝑈𝐼𝑐𝑜𝑠 𝜃 − 𝑇 + 𝐾₄

E aplicando-a para o relé diferencial percentual tem-se: C = K₁(𝐼₁ − 𝐼₂)2−𝐾₂ 𝐼1 + 𝐼2

2

− 𝐾₃

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Relés diferenciais

Equação do relé diferencial à porcentagem

o Desconsiderando-se o efeito da mola, 𝐾₃ = 0. Por outro lado, no inicio da atuação do relé: C = 0. Nessas condições:

(𝐼₁−𝐼₂) = 𝐼1 + 𝐼2 2

𝐾₂

𝐾₁ → 𝑦 = 𝑎𝑥

o Considerando o efeito da mola (em C = 0): (𝐼₁−𝐼₂)2 = 𝐾2 𝐾₁ 𝐼₁ + 𝐼₂ 2 2 + 𝐾3 𝐾₁

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Relés diferenciais

Equação do relé diferencial à porcentagem Se fizermos 𝐼1+𝐼₂ 2 → 0: 𝐼₁ − 𝐼₂ = 𝐾_𝐾3

1. Esta expressão indica que a mola é um parâmetro

de ajuste de sensibilidade do relé.

Um outro ajuste esta relacionado a declividade da linha que divide as regiões de torques positivos e negativos dos relés diferenciais percentuais:

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Relés diferenciais

Equação do relé diferencial à porcentagem

Dessa figura observa-se que, quando ocorre uma falta externa à zona de proteção, o relé não deverá atuar, porque para tal, exigir-se-á uma grande 𝐼_{𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜} para superar 𝐼_{𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛çã𝑜}.

Para que o relé atue, seria necessário que o torque C fosse maior que zero (𝐶 > 0 → 𝐼₁ − 𝐼₂ > 𝐼1+𝐼2

2 ) e isso não deverá ocorrer pois 𝐼𝐶𝐶 e 𝐼2𝐶𝐶 serão iguais.

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Relés diferenciais

2) Relé diferencial à porcentagem Exemplo:

A figura abaixo mostra um relé diferencial percentual aplicado para proteção do enrolamento do estator de um gerador. O relé requer uma corrente de atuação mínima (também conhecida por corrente de pick-up) de 0,1 [A] e está regulado para uma declividade de 10%. Uma falta à terra ocorre neste enrolamento, próxima ao local onde o neutro está aterrado.

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Relés diferenciais

2) Relé diferencial à porcentagem Exemplo:

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Relés diferenciais

Admitindo-se que os transformadores de corrente têm relação 400/5A e nenhuma imprecisão, pergunta-se:

a) O relé operará para atuar o disjuntor do gerador, nas condições dadas?

b) Poderia o relé operar sob o dado valor de corrente de defeito, se o gerador não estivesse fornecendo corrente à carga (disjuntor aberto)?

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Relés de Frequência Considerações Gerais

o Quedas de frequência resultantes por perda parcial de geração não podem ser toleradas por longo tempo;

o Em geradores acionados por turbina a vapor, caso a frequência caia abaixo de 56 Hz, corre-se o risco da quebra das palhetas devido à rotação na faixa de ressonância mecânica;

o Rejeição de cargas tornou-se evento rotineiro nas operações;

o Em geral, usa-se os relés estáticos por serem independentes da tensão para faixa normal de queda de tensão.

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Relés de Frequência

Relé de frequência tipo RF2 ASEA

Este é constituído por duas bobinas (indutor fixo e quadro móvel); o indutor é alimentado a partir do circuito de tensão através do resistor R e forma um circuito oscilante paralelo, no qual um dos braços tem um capacitor C e, no outro, além do enrolamento indutivo bipartido, há uma bobina ou indutor ajustável.

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O quadro móvel é percorrido pela soma 𝐼_𝐸 das corrente 𝐼_𝐶 (no capacitor C) e 𝐼_𝑆 (no indutor L). O indutor variável permite ajustar convenientemente o circuito oscilante , tal que, o comparador tem conjugado nulo, quando 𝐼_𝑆 e 𝐼_𝐸 são defasadas 90°,

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o Para F < N: 𝐼_𝑠_𝑓 (ramo indutivo) é preponderante em relação 𝐼_𝑐_𝑓(ramo capacitivo): • 𝐼_𝐸_𝑓 está defasada de 𝐼_𝑠_𝑓 em ângulo menor de 90°;

• Conjugado desloca bobina num certo sentido.

o Para F> N: a corrente 𝐼_𝑐_𝑓 é preponderante em relação 𝐼_𝑠_𝑓: • Ângulo entre 𝐼_𝐸_𝑓 e 𝐼_𝑆_𝑓 é maior que 90°;

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Relés de tempo

A função desses relés é diferir ação de um outro relés, sendo esse valor de retardo regulável e independente das variações das grandezas elétricas da rede, temperatura ambiente, etc. Entre os inúmeros sistemas de temporização, alguns dos quais estão mostrados esquematicamente abaixo, citam-se: o mecanismo de relojoaria, tipo balanceiro, o motor síncrono com engrenagens, o freio eletromagnético, tipo disco de Foucault, as ampolas de mercúrio com orifício calibrado, a descarga de capacitor, etc.

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Relés auxiliares ou intermediários São denominados, correntemente:

a) Repetidores – no caso de pequenos relés destinados sobretudo para a multiplicação do número de contatos do relé principal;

b) Contatores – quando se destinam a manobrar um ou diversos contatos de grande poder de corte ou fechamento (além do regime dos contatos do relé principal).

Tais relés são essencialmente instantâneos, robustos, do tipo corrente ou tensão, com contatos normalmente abertos e/ou fechados.

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Relés diferenciais, auxiliares ou intermediários Exemplo:

A figura (a) mostra um relé diferencial percentual aplicado para proteção do enrolamento do estator de um gerador. O relé tem um valor de picape mínimo (corrente de atuação) de 0,1 A e está regulado para uma declividade de 10%.

Uma falta à terra, como mostra a figura (b), ocorreu no enrolamento do gerador, próxima ao extremo correspondente ao neutro aterrado solidamente, quando o gerador alimentava uma certa carga.

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Relés diferenciais, auxiliares ou intermediários

Em consequência, as correntes fluindo em cada extremo do enrolamento do gerador são mostradas nas figuras (a) e (b), em magnitude (ampères) e direção. Admitindo-se que os transformadores de corrente em relação 400/5𝐴 e nenhuma imprecisão, pergunta-se:

a) O relé operará para atuar o disjuntor do gerador, nas condições dadas?

b) Poderia o relé operar sob o dado valor de corrente de defeito, se o gerador não estivesse fornecendo corrente à carga (disjuntor aberto)

c) Em um mesmo diagrama, pede-se representar a característica de operação e os pontos que representam as correntes de operação e restrição no relé, nas duas condições acima.

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Referência Bibliográfica

CAMINHA, A. C. Introdução à proteção de Sistemas Elétricos, Editora Edgard Blucher, 1ª Edição, 1977, 9ª Reimpressão.

KINDERMANN, G. Proteção de Sistemas Elétricos de Potência. Volume 1, Florianópolis: 2ª Edição, 2005.

HEWITSON, L.; BROWN, M.; RAMESH, B. Practical Power Systems Protection. Elsevier, Oxford, 2004.