DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
LIAN TRINDADE
ANÁLISE DA COORDENAÇÃO E SELETIVIDADE DA PROTEÇÃO DE UM ALIMENTADOR PRIMÁRIO DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Ijuí 2019
LIAN TRINDADE
ANÁLISE DA COORDENAÇÃO E SELETIVIDADE DA PROTEÇÃO DE UM ALIMENTADOR PRIMÁRIO DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista, do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Orientador: Prof. Me. Sandro Alberto Bock
Ijuí 2019
ANÁLISE DA COORDENAÇÃO E SELETIVIDADE DA PROTEÇÃO DE UM ALIMENTADOR PRIMÁRIO DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA ELÉTRICA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora.
Ijuí, dezembro de 2019
Banca Examinadora:
__________________________________________________ Me. Eng. Sandro Alberto Bock – Orientador – DCEEng / UNIJUÍ
__________________________________________________ Avaliador – DCEEng / UNIJUÍ
DEDICATÓRIA
A minha família, pelo constante apoio e incentivo.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por ter me dado saúde e força para enfrentar e superar as dificuldades.
A minha família pelo apoio constante.
A todo corpo docente do curso de Engenharia Elétrica, que contribuiu de melhor maneira para a formação dos futuros engenheiros.
Ao professor orientador Sandro Bock, quer forneceu todo suporte necessário para elaboração do presente trabalho.
Aos colegas de curso, que estiveram junto durante a longa caminhada de graduação.
A distribuidora de energia DEMEI – Departamento Municipal de Energia de Ijuí, pela fonte de informações e dados necessários.
“O sucesso é ir de fracasso em fracasso sem perder o entusiasmo”. Winston Churchill
RESUMO
TRINDADE, LIAN. Análise da coordenação e seletividade da proteção de um
alimentador primário de distribuição de energia elétrica. Trabalho de conclusão de
curso. Curso de Engenharia Elétrica. Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ. Ijuí, 2019.
As redes aéreas de distribuição de energia elétrica ficam expostas a fatores externos que causam interrupções no fornecimento de energia elétrica. Para diminuir o impacto deste acontecimento, são instalados dispositivos de proteção para que operem limitando a área restringida pela falta o mais próximo ao defeito. O estudo da proteção desses sistemas tem a finalidade proteger as redes, melhorar a continuidade e confiabilidade do serviço, fornecendo qualidade e segurança para os consumidores. Para ocorrer isso é necessário o correto dimensionamento de todos equipamentos de proteção para que atuem em coordenação e seletividade, assim o sistema se torna seguro, rápido e confiável. Desta forma, o presente trabalho tem como objetivo encontrar a coordenação e seletividade conveniente para um alimentador primário de distribuição de energia elétrica de 23 kV, localizada em zona urbana na cidade de Ijuí-RS, pertencente a concessionária DEMEI, realizando a análise dos equipamentos de proteção existentes e comparando com os valores do estudo.
ABSTRACT
TRINDADE, LIAN. Analysis of the coordination and selectivity of the protection
of a primary electricity distribuition feeder. Completion of course work. Electrical
engineering course. Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ. Ijuí, 2019.
Overhead eletrical energy distribuiton networks are exposed to external factores that cause interruptions in the supply of eletrical energy. To reduce the impact of this event, protection devices are installed to operate by limiting the area restricted by de fault as close to the defect. The study of the protection of these systems has the purpose of protecting networks, improving the continuity and reliability of the service, providing quality and security for consumers. In order for this to occur, the correct dimensioning of all protective equipment is necessary so that they act in coordination and selectivity, so the system becomes safe, fast and reliable. In this way, the present work aims to find the coordination and selectivity convenient for a 23 kV primary electricity distribuition feeder, located in na urban area in the city of Ijuí-RS, owned by the DEMEI concessionaire, performing the analysis of the equipament of protection and comparing with the study values.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Circuito seletivo. ... 16
Figura 2 - Circuito não seletivo. ... 17
Figura 3 - Sistema elétrico de potência (SEP)... 19
Figura 4 - Componente de sequência positiva. ... 23
Figura 5 - Componente de sequência negativa. ... 24
Figura 6 - Componente de sequência zero. ... 24
Figura 7 - Disposição dispositivo protetor e protegido. ... 25
Figura 8 - Chave fusível. ... 27
Figura 9 - Elo Fusível. ... 27
Figura 10 – Religador. ... 29
Figura 11 – Relé. ... 30
Figura 12 - Conexão entre relé, TCs e disjuntor na rede. ... 30
Figura 13 - Diagrama unifilar de circuito seletivo. ... 31
Figura 14 - Avaliação da coordenação entre dispositivos de proteção. ... 32
Figura 15 - Posição elo protegido e protetor. ... 33
Figura 16 - Diagrama de alocação de elo (primário) e relé (retaguarda). ... 36
Figura 17 - Diagrama de alocação de elo (retaguarda) e relé (primário). ... 37
Figura 18 - Corrente X Tempo (elo no primário) ... 37
Figura 19 - Corrente X Tempo (relé no primário). ... 38
Figura 20 - Curva característica religador x elo (lado da fonte). ... 40
Figura 21 - Curva característica religador x elo (lado da carga). ... 41
Figura 22 - Curva de coordenação entre religadores. ... 43
Figura 23 - Rede em análise ... 44
Figura 24 – Localização dos pontos de corrente de curto-circuito. ... 45
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Coordenação entre elos fusíveis tipo K. ... 34
Tabela 2 - Coordenação entre elos fusíveis tipo T. ... 35
Tabela 3 - Coordenação entre elos fusíveis tipo K e H. ... 35
Tabela 4 - Coordenação entre elos fusíveis tipo T e H. ... 36
Tabela 5 - Fator K (coordenação religador e elo fusível no lado da fonte). ... 39
Tabela 6 - Fator K (coordenação religador e elo fusível no lado da carga). ... 41
Tabela 7 - Valores de correntes de curtos-circuitos. ... 46
Tabela 8 - Elos de proteção para transformadores ... 48
Tabela 9 - Coordenação entre elos fusíveis. ... 49
Tabela 10 - Valores de correntes em pontos específicos ... 51
Tabela 11 - Parâmetros do relé ... 52
Tabela 12 - Parâmetros do religador ... 53
LISTA DE SIGLAS
A Ampére
AL Alimentador
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
AT Alta Tensão
BT Baixa Tensão
CAA Condutor com Alma de Aço
CC Curto-circuito
CF Chave Fusível
CPFL Companhia Paulista de Força e Luz
DEC Duração Equivalente de Interrupções por unidade consumidora DEMEI Departamento Municipal de Energia de Ijuí
FEC Frequência Equivalente de Interrupções por unidade consumidora Icc3Ø Corrente de Curto-Circuito Trifásica
Icc2Ø Corrente de Curto-Circuito Bifásica Icc1Ø Corrente de Curto-Circuito Monofásica
Icc1ØFTmín Corrente de Curto-Circuito Fase-Terra Mínimo IEC International Eletrotechinical Comission
K Fator de Crescimento
MT Média Tensão
PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional
RTC Relação de transformação do transformador de corrente SEP Sistema Elétrico de Potência
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 14 1.1 Objetivo geral ... 17 1.2 Objetivos específicos ... 18 1.3 Estrutura do trabalho ... 18 2 EMBASAMENTO TEÓRICO ... 19
2.1 Sistema de distribuição de energia elétrica ... 19
2.2 Falhas e faltas ... 20 2.2.1 Faltas transitórias ... 20 2.2.2 Faltas permanentes ... 21 2.3 Tipos de proteção ... 21 2.3.1 Proteção de sobrecorrente ... 21 2.3.2 Proteção de sobretensões ... 22
2.4 Técnicas de análise de proteção ... 22
2.4.1 Componentes de sequência positiva ... 23
2.4.2 Componentes de sequência negativa ... 23
2.4.3 Componentes de sequência zero ... 24
2.5 Dispositivo protetor e protegido ... 25
2.6 Equipamentos de proteção de rede aérea ... 26
2.6.1 Chave fusível ... 26
2.6.2 Religadores ... 28
2.6.3 Relés ... 29
3 ANÁLISE DA COORDENAÇÃO E SELETIVIDADE ENTRE DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO ... 31
3.1 Coordenação entre elos fusíveis ... 33
3.2 Coordenação entre elos fusíveis e relés ... 36
3.3 Coordenação entre elos fusíveis e religadores ... 38
3.4 Coordenação entre relés e religadores ... 42
3.5 Coordenação entre religadores ... 42
4 ESTUDO E ANÁLISE DA PROTEÇÃO – ESTUDO DO CASO ... 44
4.1 Características da rede de distribuição ... 44
4.3 Dimensionamento dos elos fusíveis ... 47
4.3.1 Coordenação e seletividade entre os elos fusíveis ... 48
4.4 Parametrização do ajuste de proteção do religador ... 51
4.4.1 Função 51 F (temporizada de fase) ... 51
4.4.2 Função 51 N (temporizada de neutro) ... 52
4.4.3 Coordenação e seletividade do religador ... 52
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 54
6 CONCLUSÃO ... 55
6.1 Trabalhos futuros ... 56
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 57
APÊNDICE 1 – DIMENSIONAMENTO DOS ELOS NOS RAMAIS ... 60
1 INTRODUÇÃO
A energia elétrica atualmente é essencial para a maioria das atividades realizadas pela sociedade, tornando-se assim o principal elemento para o seu desenvolvimento. Com isso, as redes de distribuição necessitam alto grau de qualidade na performance técnica deste serviço, pois necessita corresponder as exigências de alta dependência da sociedade pela energia elétrica (OIZIMAS, 2015).
No Brasil, para que os sistemas operem com elevado nível de qualidade e desempenho a ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, órgão regulador do sistema de energia elétrica, tem regulamentado e fiscalizado seu uso (ANEEL, 2018). A fiscalização é realizada através de indicadores de continuidade, onde a confiabilidade do fornecimento é avaliada. Os mais conhecidos no Brasil são o DEC (Duração Equivalente de Interrupções por unidade consumidora, expressa em horas) que apresenta a duração de cada interrupção e o FEC (Frequência Equivalente de Interrupções por unidade consumidora, expressa pelo próprio número de interrupções) que aponta quantas interrupções aconteceram em determinado tempo. Estes devem atender as exigências da regulamentação, com número mínimo de DEC e FEC, para que as concessionárias não sofram punições (PRODIST – MÓDULO 8, 2018).
Mesmo com toda esta regulamentação de confiabilidade, eficiência e qualidade, é impossível que as redes de distribuição sejam imunes a defeitos ou falhas. Tanto em alimentadores urbanos como em rurais, a exposição à prejuízos externos é muito grande, como acidentes de carro, galhos de árvores, descargas atmosféricas, entre outros. Essas condições anormais resultam em falta de fornecimento de energia, podendo danificar a própria rede e equipamentos ligados à mesma (ARAÚJO, 2005). Estes danos são causadores de diversos prejuízos, sendo os principais, às instalações e financeiro. Prejuízos nas instalações estão ligados aos custos de trocar os equipamentos ou sistemas danificados. Já o financeiro é, em outras palavras, o custo do tempo, este é relacionado ao tempo que as pessoas ou empresas deixam de lucrar devido a interrupção de fornecimento de energia. Logo, quanto maiores os danos e tempo, mais significante irão ser os prejuízos (SANTOS, 2014).
Com grande exposição a defeitos, faltas e falhas, é fundamental, para que os indicadores de segurança sejam altos, a aplicação do projeto de proteção em sistemas
de distribuição, em que os equipamentos tem que ter uma relação entre si para operar com coordenação e seletividade. O projeto tem o intuito de proteger as redes de distribuição, localizando onde foi a falta e removendo essa parte do restante do sistema, para que a partir de tal ponto a rede ou equipamentos não sejam afetados (MIRESKI, 2019).
Para que o projeto de proteção tenha efetividade, este deve ser munido de dispositivos que sejam devidamente dimensionados e posicionados para que atue quando qualquer ação indesejada se manifeste no sistema de distribuição. De modo geral a proteção deve possuir as seguintes características fundamentais:
Seletividade: para detectar e isolar somente a porção do sistema sob a condição de falta;
Coordenação: para manter todo o restante do sistema intacto e permitir a continuidade do suprimento de energia;
Sensibilidade: para detectar toda e qualquer condição anormal, por menor que ela seja, e operar corretamente antes que a falha cause danos irreparáveis;
Agilidade (ou rapidez): para operar rapidamente, evitando a propagação dos danos pelo sistema;
Confiabilidade: para os equipamentos de proteção atuarem somente quando for requerido, e seguro, não podendo atuar indevidamente (NEGRÃO, 2015).
Com essa concepção, a coordenação e seletividade dos dispositivos de proteção, são projetadas para reduzir os efeitos que as falhas podem causar na rede, ou seja, eliminando a falha da maneira mais rápida, ativando o menor número de equipamento de proteção possível. Tendo essas características ao detectar um comportamento faltoso, e garantindo, principalmente, que somente a parte faltosa vai ser excluída, o sistema pode ser chamado de seletivo (HEWITSON, 2004).
A Figura 1 é um exemplo fácil de ser entendido como circuito seletivo, notando que a falha ocorre após o disjuntor 3, e apenas ele é acionado, assim, a carga 1 continua funcionando normalmente, sendo o disjuntor 3 seletivo com o disjuntor 1.
Figura 1 - Circuito seletivo.
Fonte: Revista O setor elétrico (2014, ed. 96, p. 74).
Já na Figura 2 é um circuito não seletivo, pois ocorre a falha após o disjuntor 3 e o disjuntor 1 é acionado, eliminando todas as cargas do sistema, o que acarretaria em prejuízo, pois a carga 1 estava operando normalmente e mesmo assim foi desconectada. Prejuízos esses, que para consumidores residenciais podem parecer nulos, mas para consumidores industriais, que tem inúmeras cargas ligadas na rede de distribuição, quanto mais tempo de interrupção de fornecimento de energia, acarreta em um elevado valor de prejuízo financeiro. Além do consumidor não ter uma qualidade adequada de fornecimento de energia, a concessionária também sofre com os erros, diminuindo seus indicadores de confiabilidade.
Figura 2 - Circuito não seletivo.
Fonte: Revista O setor elétrico (2014, ed. 96, p. 75).
Os dispositivos de proteção utilizados para proteger a rede área de distribuição normalmente são; relés, chaves fusíveis, religadores e/ou disjuntores. Cada um deles têm suas características próprias, o que não os impedem de serem coordenados e seletivos entre eles.
Um bom projeto de proteção com dispositivos de proteção coordenados e seletivos, atuando ativamente nas redes de distribuição, permite minimizar os impactos das faltas, assegurando uma rápida atuação e consequentemente exclusão de tais problemas. Portanto, a proteção do sistema de distribuição é planejada para atender todas as unidades consumidoras, sejam residenciais ou industriais, de forma que os custos operacionais associados à falta de fornecimento de energia sejam os mínimos possíveis e que a concessionária tenha uma boa imagem de qualidade de energia perante seus consumidores, fazendo que seus indicadores sejam elevados (CASTRO, 2016).
1.1 Objetivo geral
O objetivo principal deste trabalho é realizar o estudo da proteção de um alimentador primário de distribuição de energia elétrica, verificando se o sistema está coordenado e seletivo, adicionando uma carga e fazendo uma breve comparação com
os dados atualmente utilizados pela concessionária com os dados calculados para que sejam os ideais de uma rede de distribuição.
.
1.2 Objetivos específicos
Realizar pesquisas, estudos e revisão bibliográfica referente ao tema definido;
Coletar, juntamente à concessionária, dados para aplicação do estudo; Analisar a eficácia da coordenação e seletividade;
Através do método comparativo, realizar a análise entre os dados calculados e existentes;
Disponibilizar a concessionária os estudos com melhorias do sistema de proteção da rede de distribuição.
1.3 Estrutura do trabalho
O presente trabalho está dividido em seis capítulos, contando este como introdutório, apresentando o tema da pesquisa e os objetivos.
No segundo capítulo apresenta-se o embasamento teórico sobre o sistema de distribuição de energia elétrica, tipos de proteção, técnicas de análise e equipamentos usados para a proteção de alimentadores.
No terceiro capítulo encontra-se a análise da coordenação e seletividade dos dispositivos de proteção, analisando as regras que devem ser seguidas para obter-se coordenação e seletividade entre elos fusíveis, religadores e relés.
No quarto capítulo foi mencionado o estudo de caso, realizando a prática da teoria previamente estudada. São efetuados e apresentados os cálculos para o dimensionamento dos dispositivos de proteção e em seguida é realizado a análise comparativa entra a proteção existente e a calculada.
No quinto capítulo são mostrados os resultados obtidos.
No sexto capítulo, finalizando, é apresentado as conclusões referentes aos resultados obtidos e sugestões de trabalhos futuros.
2 EMBASAMENTO TEÓRICO
Neste capítulo serão apresentados importantes conceitos à respeito da literatura básica do tema, para auxiliar na elaboração do projeto. Entre os itens abordados estão o sistema de distribuição de energia elétrica em zona urbana, métodos de proteção, equipamentos de proteção e determinados dados necessários para o estudo.
2.1 Sistema de distribuição de energia elétrica
O sistema elétrico têm uma formação básica dividida em três principais partes. A primeira etapa é a geração de energia elétrica, obtida predominantemente através de usinas hidrelétricas. A segunda etapa é a transmissão, que transporta a energia em altas tensões até as subestações de distribuição. E a última etapa é a distribuição, encarregada de levar a energia até os consumidores finais (ARAÚJO, 2005). A Figura 3 mostra essas três principais divisões do sistema elétrico.
Figura 3 - Sistema elétrico de potência (SEP).
Fonte: Abradee, 2015.
O sistema de distribuição pode ser dividido em duas partes: rede primária, que são as redes provenientes das subestações, operando em faixas de tensão de 13,8 kV ou 23 kV, sendo classificada como média tensão. Essas redes de distribuição
podem ser áreas ou subterrâneas, a primeira muito mais utilizada principalmente por seu menor custo e por poder trabalhar em diversas configurações como: radial, radial com recurso, anel e anel com recurso, e rede secundária, considerada de baixa tensão, fornece tensão padronizada em 127/220 V e 220/380 V aos consumidores (KAGAN, 2010).
2.2 Falhas e faltas
As falhas ocorrem quando algo não cumpre a sua finalidade, ou seja, não realiza o que foi proposto e assim não satisfaz a sua principal função. O termo falta se aplica aos fenômenos acidentais que impossibilita o funcionamento de um sistema ou equipamento elétrico, normalmente ocorre por arco elétrico ou contato entre os condutores energizados (CPFL, 2016).
Esses termos não tem ligação entre si, mas podem apresentar uma relação quando ocorrem os seus fatos. Por exemplo, um equipamento ao ser realizado um teste e este apresenta uma falha, não causará um defeito e nem uma falha, mas se este mesmo equipamento estiver em funcionamento em uma rede e falhar ele causará uma falta no sistema. (GIGUER, 1988).
Segundo o mesmo autor na ocorrência de faltas, elas devem ser removidas o mais rápido possível pois sua permanência pode causar estragos na rede e em seus equipamentos. Assim, conforme seu tempo, as faltas podem ser descritas em transitórias e permanentes.
2.2.1 Faltas transitórias
Grande parte das faltas nas redes de distribuição são de origem transitórias. As faltas transitórias são aquelas que afetam o circuito temporariamente, ou seja, se encerra automaticamente. Após a abertura do circuito, e depois de um determinado tempo pode ser fechado, e o sistema é reestabelecido ao original, sem danos (CPFL, 2016).
As causas mais comuns das faltas transitórias são: Contato momentâneo entre cabos;
Abertura de arco elétrico;
Isolação precária dos materiais.
2.2.2 Faltas permanentes
A falta não se encerra automaticamente, necessita de intervenção (manutenção) após a abertura do circuito, o que ocasiona um maior tempo de recuperação. Eventualmente, uma falta transitória pode virar uma falta permanente (CPFL, 2016).
Algumas causas das falhas permanentes são:
Queda de uma árvore em cima da rede de distribuição; Acidentes de trânsito envolvendo postes;
Atos de vandalismo.
2.3 Tipos de proteção
As redes de distribuição estão sujeitas a acontecimentos inesperados que podem causar falhas constantemente e que devem ser controladas ou simplesmente eliminadas. Então para ter elevada confiabilidade no sistema, torna-se necessária a aplicação de um conjunto de proteções, específicas para cada tipo de evento inesperado (GIGUER, 1988).
2.3.1 Proteção de sobrecorrente
Sobrecorrente é o evento inesperado que ocorre com maior frequência nos sistemas elétricos, ela é uma proporção de corrente superior a máxima permitida da rede. Ocorre normalmente por duas situações: sobrecarga e curto-circuito.
Sobrecargas são alterações na corrente que acontecem no sistema elétrico, que deve ser projetado para suportar estas, sem prejudicar o funcionamento. A projeção é que em um tempo de até 15 segundos com sobrecarga a rede opere normalmente, pois há cargas como motores de indução que tem uma elevada corrente de partida, tendo sempre uma pequena sobrecarga. Mas caso esse valor de sobrecorrente
exceda os 15 segundos, os equipamentos de proteção irão atuar detectando algum tipo de falha. (MAMEDE, 2013).
Os curto-circuitos são manifestações de quando ocorre uma diferença de potencial entre dois ou mais pontos que se conectam intencionalmente ou acidentalmente ao longo do sistema.
Quando existe ocorrência de curto-circuito, os dispositivos devem atuar de forma rápida e os equipamentos de manobra devem conseguir agir sob condições extremas de corrente para evitar que os componentes elétricos ligado à rede sofram algum tipo de dano. O tempo de duração é bem menor que o de sobrecorrente, sendo limitado em até 1 segundo para que os dispositivos de proteção comecem atuar (MAMEDE, 2013).
2.3.2 Proteção de sobretensões
Sobretensões são elevações no nível da tensão do sistema elétrico que ultrapassam os limites da tensão nominal. Durante a ocorrência de uma falta o limite de operação é a máxima tensão que está ocorrendo no sistema, este limite máximo não pode passar de 110% da sua tensão nominal, sendo considerado o sistema em regime permanente. Esse efeito normalmente é causado por descargas atmosféricas, que podem acontecer em todas as fases do sistema ou apenas em uma (PRODIST – MÓDULO 8, 2018).
2.4 Técnicas de análise de proteção
O recurso utilizado para determinar os valores de curto-circuito é através do método dos componentes simétricos. Este método é usado para calcular uma falta no regime permanente, usando diagramas de sequência positiva, negativa ou zero. Para que seja possível efetuar o cálculo é necessário que todas que todas as grandezas estejam em mesma base, normalmente sendo expressa em “pu (por unidade)” (GIGUER, 1988).
O autor ainda salienta que quando o circuito está equilibrado, é representado pelo diagrama de sequência positiva. Quando se torna desequilibrado surgem as representações de sequência negativa e zero. As faltas não alteram as condições de
simetria do circuito, logo se o circuito é equilibrado antes da falta, continuará equilibrado após acontecer a mesma.
2.4.1 Componentes de sequência positiva
Para condições normais de operação, o circuito pode ser considerado equilibrado, ou seja, três fasores balanceados, defasados de 120º entre si e com mesma sequência de fase do sistema original desbalanceado, com sequência de fase determinada em a, b, c.
Os fasores de tensão são apresentados como Va, Vb e Vc enquanto a de
sequência positiva emprega Va1, Vb1 e Vc1, conforme Figura 4. De mesmo modo os
fasores da corrente são apresentados como Ia, Ib e Ic, enquanto na sequência positiva
utiliza Ia1, Ib1 e Ic1 (GIGUER, 1988).
Figura 4 - Componente de sequência positiva.
Fonte: Autor.
2.4.2 Componentes de sequência negativa
São representados com as mesmas propriedades da sequência positiva, três fasores balanceados, mesmo módulo e defasados de 120º entre si, mas com a sequência de fase oposta, determinada em a, c, b. Os fasores são apresentados como Va, Vb e Vc e Ia, Ib e Ic. Enquanto na sequência negativa são Va2, Vb2 e Vc2 e Ia2, Ib2 e Ic2
Figura 5 - Componente de sequência negativa.
Fonte: Autor.
2.4.3 Componentes de sequência zero
São representados por um sistema de três fasores de mesmo módulo, com mesmo ângulo e mesma sequência de fase do sistema original, com sequência de fase a, b, c. Os fasores são apresentados como Va, Vb e Vc e Ia, Ib e Ic. Enquanto na
sequência zero são Va0, Vb0 e Vc0 e Ia0, Ib0 e Ic0 (GIGUER, 1988).
Figura 6 - Componente de sequência zero.
Fonte: Autor.
Com isso, obtém-se o seguinte sistema de equações: Para tensões:
𝑉𝑎 = 𝑉𝑎1 + 𝑉𝑎2 + 𝑉𝑎0 𝑉𝑏 = 𝑉𝑏1 + 𝑉𝑏2 + 𝑉𝑏0
𝑉𝑐 = 𝑉𝑐1 + 𝑉𝑐2 + 𝑉𝑐0
Para correntes:
𝐼𝑎 = 𝐼𝑎1 + 𝐼𝑎2 + 𝐼𝑎0 𝐼𝑏 = 𝐼𝑏1 + 𝐼𝑏2 + 𝐼𝑏0 𝐼𝑐 = 𝐼𝑐1 + 𝐼𝑐2 + 𝐼𝑐0
Este método consiste em determinar os componentes simétricos quando ocorre uma falta, podendo determinar os valores de tensão e corrente em diversos pontos do sistema, sendo um método preciso sobre o comportamento da rede (GIGUER, 1988).
2.5 Dispositivo protetor e protegido
O dispositivo protetor é instalado no lado da carga realizando a primeira proteção e é especificado para eliminar um falta temporária ou permanente antes que o dispositivo de retaguarda atue e interrompa o circuito no caso de elos fusíveis ou seja obstruído no caso de religadores e disjuntores associados a relés de religamento.
O dispositivo protegido fica instalado no lado da fonte fazendo a proteção de retaguarda e deve atuar sempre que o dispositivo protetor vier a falhar.
A Figura 7 mostra o posicionamento dos dispositivos em um circuito elétrico, ressaltando que para este caso foi utilizado dois religadores apenas para ilustração. No entanto, pode-se utilizar qualquer outro dispositivo em uma combinação protetor-protegido.
Figura 7 - Disposição dispositivo protetor e protegido.
Fonte: Autor.
2.6 Equipamentos de proteção de rede aérea
Devido à extensão e exposição da rede de distribuição, é possível que haja falhas e faltas de diversas naturezas, tornando indispensável o uso de equipamentos de proteção ao longo da rede, os mais conhecidos são: fusíveis, relés e religadores. Tendo como principal função desacoplar o circuito onde ocorreu uma falha, tendo como objetivo minimizar qualquer tipo de dano ocorrido devido à anomalia.
2.6.1 Chave fusível
Os dispositivos de proteção que estão presentes em maior quantidade nas redes aéreas de distribuição de energia são as chaves fusíveis. Isso acontece devido ao seu menor custo quando comparado a outros dispositivos de proteção, e por atender com satisfação um dos maiores problemas da rede de distribuição, as sobrecorrentes.
Sendo um equipamento de proteção do tipo fusível, seu funcionamento baseia-se em um elo metálico com características específicas de tempo x corrente, isto é, quando se atinge a máxima corrente tolerável o calor produzido funde o elemento ativo e libera a abertura da chave. Porém, como nos sistemas de altas tensões a corrente pode seguir circulando pelo arco elétrico que se forma entre os terminais durante a fusão devido à ionização do ar no local, o elo fusível tem uma cobertura que ao ser queimada libera gases desionizantes para o ambiente assim garantindo que não haverá arco elétrico (MAMEDE, 2013).
A constituição de uma chave fusível divide-se em três principais elementos, conforme pode ser visualizado na Figura 8 e na Figura 9. Os elementos estão descritos a baixo:
Base: Constituída por uma material isolante (geralmente cerâmico) e serve como interligação entre os elementos moveis e a estrutura de suporte da chave;
Porta-fusível: Constituído de material isolante, serve como suporte para o elo fusível e é a parte móvel que promove a abertura entre os terminais quando da fusão do elo;
Elo-fusível: Constituído de ligas metálicas com características especificas de temperatura de fusão, é o elemento ativo de proteção do equipamento.
Figura 8 - Chave fusível.
Fonte: S&C ELETRIC COMPANY, 2019.
Figura 9 - Elo Fusível.
Fonte: S&C ELETRIC COMPANY, 2019.
Devido a necessidade de diferentes tipos de proteção e condições de funcionamento, são fabricados diferentes tipos de elos fusíveis, os três principais são:
Tipo H: elos fusíveis denominados de alto surto com tempo de atuação lenta, geralmente empregados na proteção primária de transformadores de distribuição de pequeno porte. Fabricados com correntes nominais de 0,5, 1, 2, 3 e 5 A.
Tipo K: elos fusíveis com tempo de atuação rápida, utilizados na proteção das redes de distribuição. Classificados em preferenciais e não preferenciais. Essa divisão indica somente que fusíveis do mesmo grupo podem ser coordenados.
Tipo T: elos fusíveis com tempo de atuação lenta, utilizados nos ramais primários de redes de distribuição. Consegue obter uma boa proteção sendo coordenado com outros dispositivos de proteção instalados ao longo da rede de distribuição.
2.6.2 Religadores
Comparados com as chaves fusíveis, os religadores têm um custo relativamente maior, porém são dispositivos muito mais sofisticados e oferecem recursos mais amplos de proteção.
O religador quando detecta a passagem da corrente de curto-circuito em seus contatos interrompe a passagem dela, abrindo os seus contatos, ficando abertos por tempo a ser determinado, chamado de tempo de religamento, após o tempo os contatos se fecham automaticamente para energizar novamente a rede. Caso a corrente de defeito não esteja mais presente no instante do fechamento dos contatos, o religador tem o tempo de rearme, e logo retorna a condição normal. Mas se a corrente de defeito ainda estiver no circuito, a sequência de religamento e desligamento será repetida três vezes e após a quarta tentativa os contatos ficam abertos e travados, transformando a operação em manual ou telecomandada (MAMEDE, 2013).
O autor ainda coloca que os religadores são indispensáveis principalmente em redes de distribuição aérea de zona rural, onde tem grande exposição à faltas transitórias, logo, o tempo de reconstituição de rede é somente o tempo entre os
religamentos, não sendo necessário que uma equipe de manutenção se desloque até o local e reative o equipamento, como ocorreria com chave fusível.
Figura 10 – Religador.
Fonte: Rockwill Eletric, 2019.
2.6.3 Relés
Os relés de proteção são equipamentos que pertencem a família dos dispositivos microprocessados. Porém, sua utilização não é individual na rede, onde está conectada aos disjuntores. O relé é responsável pela detecção de falha ou defeito e o disjuntor é o responsável por seccionar a rede. A utilização dos relés de proteção ocorrem em todos os níveis de tensão do sistema elétrico, desde os motores de baixa tensão, geradores, rede de distribuição e também em linhas de transmissão em alta tensão (MAMEDE, 2013).
Figura 11 – Relé.
Fonte: (SEL, 2019).
Os relés de sobrecorrente são quem detectam as faltas, mas eles não podem ser conectados direto na rede. Na maioria dos modelos, os relés tem uma corrente nominal máxima de 5A, existindo também alguns outros modelos com níveis de corrente próximo a esse. Desta forma existe a necessidade de TCs (Transformadores de Corrente) para transformar a corrente para os níveis adequados do relé de proteção. A conexão entre relé, TCs e disjuntor está representada na Figura 12 (BOASKI, 2018).
Figura 12 - Conexão entre relé, TCs e disjuntor na rede.
3 ANÁLISE DA COORDENAÇÃO E SELETIVIDADE ENTRE DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO
O principal objetivo de um sistema de proteção em uma rede de distribuição é isolar o mais rápido possível o trecho onde ocorrer a anomalia. Para o sistema de proteção ser eficaz, é preciso cinco requisitos básicos, que são: seletividade, coordenação, sensibilidade, agilidade e confiabilidade. O estudo de coordenação e seletividade é executado com imposição das curvas características de tempo X corrente dos equipamentos, comparando o tempo de atuação de cada um e definindo as temporizações adequadas para cada equipamento (GIGUER, 1988).
A finalidade da seletividade é fazer com que o dispositivo de proteção mais próximo a falha opere, independente da falta ser permanente ou transitória. A seletividade é uma técnica no estudo da proteção, na qual só o dispositivo de proteção mais próximo de onde ocorreu a falha deverá ser acionado, assim desacoplando o sistema elétrico com defeito.
Na Figura 13, mostra um simples exemplo de circuito seletivo. A falha ocorre no trecho A e mesmo assim nos outros trechos do sistema seguem levando energia aos consumidores.
Figura 13 - Diagrama unifilar de circuito seletivo.
O objetivo da coordenação no sistema de proteção, é impedir que em faltas transitórias os equipamentos de proteção sem religamento automático atuem e em caso de faltas permanentes o menor trecho possível da rede fique desligada.
De modo resumido, a coordenação visa o comportamento ao longo das curvas de atuação entre os dispositivos. O processo está exemplificado na Figura 14 para que garanta-se a correta sequência de operação, o tempo de atuação do dispositivo de retaguarda deve ser maior, atendendo uma diferença mínima de tempo com o tempo do equipamento do primário. Assim o dispositivo de retaguarda só atuará depois da proteção primária e no caso de falha desta (BOASKI, 2018).
Figura 14 - Avaliação da coordenação entre dispositivos de proteção.
Fonte: (BOASKI, 2018).
Para ser realizada a utilização de diferentes equipamentos de proteção nas redes de distribuição, é fundamental ter o conhecimento das características e das especificações de coordenação de cada equipamento. Somente assim será possível
elaborar os estudos necessários para melhorias no desempenho das redes de distribuição (GUIGER, 1988).
3.1 Coordenação entre elos fusíveis
O ajuste entre elos fusíveis com a perspectiva da coordenação é simples por possuir um número delimitado de combinações, porque as curvas de atuação são fixas e necessitam somente do tipo e valor do elo. Apesar dessa simplicidade, há uma complicação, devido ao alto número de chaves fusíveis ligadas em série, para atender o tempo mínimo entre as ações devido a essa limitação. (RAMOS, 2014)
Para a seletividade entre duas chaves fusíveis serem suficientes é preciso que o tempo máximo de interrupção do elo protetor (que está mais perto da carga), não ultrapasse 75% do tempo mínimo de atuação do elo protegido (que está antes do elo protetor), conforme Equação (3):
𝑇𝑚á𝑥𝑓𝑑 ≤ 0,75 × 𝑇𝑚í𝑛𝑓𝑎 Onde:
Tmáxfd – Tempo máximo de atuação do elo fusível protetor. Tmínfa – Tempo mínimo de atuação do elo fusível protegido.
Figura 15 - Posição elo protegido e protetor.
Fonte: Autor.
Segundo Mamede (2013), há outros parâmetros que são empregados, como ter no máximo dois elos fusíveis em série, inserindo, caso necessário, outros equipamentos para complementar a proteção. Sempre que possível, reduzir o número
de chaves fusíveis da rede de distribuição para favorecer a coordenação entre eles. Permanentemente deve haver a coordenação entre o elo fusível protegido e o elo fusível protetor. Quando há três ou mais chaves fusíveis em cascata, deve ser levado em conta a seletividade entre os dois primeiros apenas, pois a coordenação se torna irrealizável.
Os fabricantes fornecem as tabelas para todos os tipos de fusíveis, que mostram o níveis de coordenação adotados entre os elos fusíveis, tendo como base a corrente de curto circuito nos pontos de instalação do equipamento.
A Tabela 1 exibe os valores de coordenação entre elos fusíveis protetores e protegidos do tipo K.
Tabela 1 - Coordenação entre elos fusíveis tipo K.
Elo fusível protetor
Elo fusível protegido
10K 12K 15K 20K 25K 30K 40K 50K 65K 80K 100K 140K 200K 6K 190 350 510 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 8K 210 440 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 10K 300 540 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 12K 320 710 1050 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 15K 430 870 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 20K 500 1100 1700 2200 2800 3900 5800 9200 25K 660 1350 2200 2800 3900 5800 9200 30K 850 1700 2800 3900 5800 9200 40K 1100 2200 3900 5800 9200 50K 1450 3500 5800 9200 65K 2400 5800 9200 80K 4500 9200 100K 2000 9100 140K 4000 Fonte: MAMEDE (2013).
A Tabela 2 mostra os valores de coordenação entre elos fusíveis protetores e protegidos do tipo T.
Tabela 2 - Coordenação entre elos fusíveis tipo T.
Elo fusível protetor
Elo fusível protegido
10T 12T 15T 20T 25T 30T 40T 50T 65T 80T 100T 140T 200T 6T 350 680 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 8T 375 800 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 10T 530 1100 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 12T 680 1280 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 15T 730 1700 2500 3200 4100 5000 6100 9700 15200 20T 990 2100 3200 4100 5000 6100 9700 15200 25T 1400 2600 4100 5000 6100 9700 15200 30T 1500 3100 5000 6100 9700 15200 40T 1700 3800 6100 9700 15200 50T 1750 4400 9700 15200 65T 2200 9700 15200 80T 7200 15200 100T 4000 13800 140T 7500 Fonte: MAMEDE (2013).
A Tabela 3 apresenta os valores de coordenação entre elos fusíveis protetores e protegidos do tipo K e H.
Tabela 3 - Coordenação entre elos fusíveis tipo K e H.
Elo fusível protetor
Elo fusível protegido
8K 10K 12K 15K 20K 25K 30K 40K 50K 65K 80K 100K 140K 200K 1H 125 230 380 510 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 2H 45 220 450 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 3H 45 220 450 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 5H 45 220 450 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 8H 45 220 450 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 Fonte: MAMEDE (2013).
A Tabela 4 exibe os valores de coordenação entre elos fusíveis protetores e protegidos do tipo T e H.
Tabela 4 - Coordenação entre elos fusíveis tipo T e H.
Elo fusível protetor
Elo fusível protegido
8T 10T 12T 15T 20T 25T 30T 40T 50T 65T 80T 100T 140T 200T 1H 400 520 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 2H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 3H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 5H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 8H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 Fonte: MAMEDE (2013).
3.2 Coordenação entre elos fusíveis e relés
Antes de fazer a análise da coordenação desses equipamentos, deve-se ter cuidado da forma que estes serão alocados. Quando o fusível for a primeira proteção, mais próximo da carga, ele deverá atuar antes da proteção de retaguarda, que será o relé (GUIGER, 1988) conforme Figura 16.
Figura 16 - Diagrama de alocação de elo (primário) e relé (retaguarda).
Fonte: GUIGER, 1988.
O autor ainda relata o caso de o relé ser o protetor primário e o fusível o de retaguarda, este deverá ser acionado somente após o relé atuar, fazendo assim a reparação da falta.
Figura 17 - Diagrama de alocação de elo (retaguarda) e relé (primário).
Fonte: GUIGER, 1988.
Segundo Giguer (1988), para garantir a seletividade entre os equipamentos, é necessário que a diferença entre as curvas de tempo e corrente do relé e a maior curva de atuação do elo em todo intervalo de coordenação seja no mínimo 0,2 segundos, conforme mostra a Figura 18 quando o fusível é a proteção primária e a Figura 19 quando o relé atua como proteção primária.
Figura 18 - Corrente X Tempo (elo no primário).
Figura 19 - Corrente X Tempo (relé no primário).
Fonte: GIGUER, 1988.
O relé de sobrecorrente de fase não deve atuar para corrente de magnetização de transformadores de distribuição ou particulares. A corrente de magnetização fica aproximadamente 8 vezes a soma das correntes nominais, conforme a Equação 4: (MAMEDE, 2013)
𝐼𝑚𝑟𝑡 > 8 × Σ 𝐼𝑛𝑡
Onde:
Imrt – Corrente máxima de magnetização dos transformadores Int – Corrente nominal dos transformadores
3.3 Coordenação entre elos fusíveis e religadores
Assim como na coordenação entre elos e relés, a coordenação entre elos fusíveis e religadores podem ser analisadas de duas formas, quando existe coordenação entre religador e elo no lado da carga e quando há coordenação com religador e elo no lado da fonte.
A ligação do elo no lado da fonte geralmente ocorre nas saídas das subestações, quando a proteção primária dos transformadores é feita através do fusível. Para o estudo da correta coordenação deste caso, o tempo da operação ágil do religador deve ser menor que o tempo da queima do fusível, sendo indispensável que o elo suporte os efeitos do calor gerado pelas operações do religador no lado da carga. (GIGUER, 1988)
Giguer (1988) ainda relata que o tempo de abertura do religador multiplicado pelo fator K, deve ser menor que o tempo mínimo de queima do elo fusível, conforme Equação 5:
𝑇𝑓𝑢𝑠ã𝑜𝑒𝑙𝑜 > 𝐾 × 𝑇𝑐𝑢𝑟𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑟𝑒𝑙𝑖𝑔𝑎𝑑𝑜𝑟
Tabela 5 - Fator K (coordenação religador e elo fusível no lado da fonte).
Tempo de religação em ciclos Fator K (multiplicador) Sequência de operação 2 rápidas 2 lentas 1 rápida 3 lentas 4 lentas 25 2,7 3,2 3,7 30 2,6 3,1 3,5 60 2,1 2,5 2,7 90 1,85 2,1 2,2 120 1,7 1,8 1,9 240 1,4 1,4 1,45 600 1,35 1,35 1,35 Fonte: GIGUER, 1988.
A Figura 20 apresenta as curvas de atuação do religador e indica onde fica a faixa em que ele é seletivo com o elo fusível.
Figura 20 - Curva característica religador x elo (lado da fonte).
Fonte: HEWITSON, 2004.
Quando é feita a análise da coordenação entre o religador e o elo fusível no lado da carga, a operação torna-se coordenada quando o fusível não queima enquanto o religador faz seu procedimento de proteção e queima durante a operação temporizada. Geralmente após a segunda e antes da terceira operação de abertura do religador que o fusível funde e elimina a falta.
Irá existir coordenação quando o tempo que o elo fusível demora para fundir for maior que o tempo da curva rápida do religador multiplicado por um fator K. O valor de K varia de acordo com o número de operações rápidas e o tempo de religação entre as ações e assim determina o maior ponto de coordenação entre os equipamentos, conforme a Equação 6: (GIGUER, 1988)
Já o cruzamento da curva do tempo máximo de interrupção do elo fusível com a curva temporizada do religador, determina o ponto de mínima coordenação, conforme a Equação 7:
𝑇𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑢𝑝çã𝑜𝑒𝑙𝑜 < 𝐾 × 𝑇𝑐𝑢𝑟𝑣𝑎𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎𝑒𝑙𝑖𝑔𝑎𝑑𝑜𝑟
Tabela 6 - Fator K (coordenação religador e elo fusível no lado da carga).
Tempo de religação em Fator K (multiplicador)
Segundos Ciclos 1 Operação
rápida 2 Operações rápidas
0,5 30 1,2 1,8
1 60 1,2 1,35
1,5 90 1,2 1,35
2 120 1,2 1,35
Autor: GIGUER, 1988.
Figura 21 - Curva característica religador x elo (lado da carga).
Fonte: HEWITSON, 2004.
3.4 Coordenação entre relés e religadores
A análise da coordenação entre relés e religadores é feita de uma única forma, pois neste caso o religador deve ser coordenado com o equipamento localizado tanto do lado da fonte quando do lado da carga. Para a coordenação estar adequada é necessário que a soma dos avanços do relé em meio ao tempo de ação com os rearmes dele nos tempos de religação do religador, seja menor que o total avanço da operação do relé. Sendo necessário utilizar 0,2 segundos, no mínimo, para afastar a curva de atuação do religador da curva do relé de fase e de neutro. Essa utilização é dada como fator de garantia de coordenação (GIGUER, 1988).
𝑇𝑎𝑡𝑢𝑎çã𝑜𝑟𝑒𝑙é > 𝑇𝑑𝑖𝑠𝑝. 𝑟𝑒𝑡𝑎𝑟𝑑. 𝑟𝑒𝑙𝑖𝑔𝑎𝑑𝑜𝑟 + 0,2𝑠
Quando é usado relé eletro mecânico, deve-se utilizar os tempos de rearme por avanços do relé durante as atuações do religador. A soma em porcentagem dos avanços do relé diminuído do tempo de rearme, deve ser inferior a 80%. Este método é usado quando os relés tem um alto tempo de rearme (MAMEDE, 2013).
3.5 Coordenação entre religadores
Para os religadores estarem em correta coordenação, a corrente mínima de acionamento do religador protegido deve ser maior que o valor da corrente de acionamento do religador protetor, assim o protetor deve operar antes do protegido.
A curva do religador protegido deve ser 0,2 segundos maior que a curva do religador protetor. O tempo de rearme do protegido deverá ser igual ou maior que o tempo de rearme do protetor (GIGUER, 1988).
𝑇𝑟𝑒𝑙𝑖𝑔𝑎𝑑𝑜𝑟𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑔𝑖𝑑𝑜 > 𝑇𝑟𝑒𝑙𝑖𝑔𝑎𝑑𝑜𝑟𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑡𝑜𝑟 + 0,2𝑠
GIGUER (1988) ainda relata que quando dois religadores estiverem ligados em série, somente haverá coordenação ou seletividade se eles trabalharem juntos na curva rápida, mas não na temporizada. E a seletividade só será válida caso o religador protegido tenha a curva de operação maior que a curva do protetor, além de a coordenação estar de acordo também.
(8)
Figura 22 - Curva de coordenação entre religadores.
4 ESTUDO E ANÁLISE DA PROTEÇÃO – ESTUDO DO CASO
O estudo de caso que será apresentado neste capítulo é feito baseado na configuração de proteção que já existe na rede de distribuição de energia elétrica e está em funcionamento, adicionando uma carga de 500 kVA e um religador para aumentar a eficiência da proteção, e efetuar a análise de seletividade e coordenação de toda rede. Ao final da análise efetuar um comparativo dos resultados encontrados no desenvolver desta atividade. Assim, com intuito de propor melhor desempenho no sistema e fazer com que os indicadores de DEC e FEC da concessionária fiquem sempre dentro do adequado.
4.1 Características da rede de distribuição
A rede de distribuição de energia elétrica tem atuação na zona urbana na cidade de Ijuí-RS, com tensão de 23 kV, que pertence a concessionária DEMEI. Figura 23 apresenta o mapa da rede em análise.
Figura 23 - Rede em análise
4.2 Correntes de curtos-circuitos
Para realizar adequada proteção ao sistema é necessário ter conhecimento das correntes de curtos-circuitos em todos os pontos aonde há elos fusíveis instalados e no final dos trechos da rede. Na Figura 24 é mostrado a localização dos pontos que é necessário ter conhecimento da corrente de curto-circuito e a Tabela 7 apresenta os valores de curto-circuito.
Figura 24 – Localização dos pontos de corrente de curto-circuito.
Tabela 7 - Valores de correntes de curtos-circuitos.
Locali-zação Trecho
Distância
SE (km) Cabo
Corrente de curto-circuito Simétrico (A) 3Ø 2Ø 1Ø Ftmin AL-13 Sub. - - 4645,4 4023 6395 983,58 1 CF 4005 0,909 1/0 CAA 3873,6 3354,5 4198,6 926,24 2 CF 4005 FIM 1,187 2 CAA 3814 3303 4075,4 919,76 3 CF 4010 1,296 4 CAA 3746,9 3244,8 3937,9 915,92 4 CF 4010 FIM 1,654 4 CAA 3463,4 2999,3 3415,7 875,97 5 CF 4011 1,271 2 CAA 3655,9 3166 3768,2 906,53 6 CF 4011 FIM 1,454 2 CAA 3629,9 3143,6 3720,8 903,66 7 CF 4012 1,445 2 CAA 3619,2 3134,3 3699,3 904,82 8 CF 4012 FIM 1,503 2 CAA 3605,3 3122,2 3674,3 903,26 9 CF 4015 1,865 4 CAA 3373,6 2921,6 3276,1 880,97 10 CF 4015 FIM 2,128 4 CAA 3189 2761,7 2994,9 854,14 11 CF 1000 1,938 2 CAA 3301,8 2859,4 3166 874,52 12 CF 1000 FIM 2,093 2 CAA 3237,1 2803,4 3069,9 866,9 13 CF 4035 2,051 4 CAA 3257 2820,6 3095,5 869,32 14 CF 4035 FIM 2,338 2 CAA 3077 2664,7 2838 844,41 15 CF 4030 2,061 4 CAA 3161,1 2737,5 2953,2 854,83 16 CF 4030 FIM 2,343 2 CAA 3072,4 2660,7 2832 843,65 17 CF 4045 2,318 4 CAA 3015 2611 2749,9 839,72 18 CF 4045 FIM 2,522 4 CAA 2985,6 2585,6 2711,6 835,37 19 CF 4040 2,313 4 CAA 3075,5 2663,4 2831,3 848,72 20 CF 4040 FIM 2,42 4 CAA 3053,7 2644,5 2801,6 845,42 21 CF 4200 2,681 2 CAA 2862,2 2478,7 2552,3 823,28 22 CF 4200 FIM 2,829 2 CAA 2835,3 2455,4 2519,6 819,89 23 CF 4120 3,977 4 CAA 2457,2 2127,9 2037,3 778,38 24 CF 4144 4,202 4 CAA 2337,8 2024,6 1919 757,51 25 CF 4144 FIM 4,371 2 CAA 2283,9 1977,9 1866,4 749,2 26 CF 4125 4,216 4 CAA 2388,3 2068,4 1953,1 768,88 27 CF 4125 FIM 4,276 4 CAA 2369,6 2052,1 1934,8 765,45 28 CF 4131 4,316 1/0 CAA 2361,6 2045,1 1917,6 766,61 29 CF 4131 FIM 4,754 4 CAA 2201,9 1906,8 1767,2 737,44 30 CF 1047 4,681 1/0 CAA 2275 1970,1 1824,4 753,93 31 CF 1047 FIM 4,705 1/0 CAA 2269,4 1965,3 1818,7 753,08
32 CF 4080 2,968 1/0 CAA 2792,5 2418,3 2456,2 820,77 33 CF 4080 FIM 3,4 4 CAA 2568,8 2224,6 2202,3 785,02 34 CF 4095 3,216 4 CAA 2612,7 2265,5 2247,2 794,98 35 CF 4095 FIM 3,37 4 CAA 2610,9 2261,1 2243,4 794,24 36 CF 4096 3,215 2 CAA 2649,6 2294,6 2286,6 802,24 37 CF 4096 FIM 3,578 2 CAA 2527,8 2189,2 2152,2 785,08 38 CF 4100 3,429 1/0 CAA 2599 2250,8 2221,4 797,17 39 CF 4110 3,616 4 CAA 2541,4 2200,8 2156,3 788,92 40 CF 4110 FIM 3,894 4 CAA 2399,8 2078,3 2009,4 764,83 41 CF 4105 3,585 1/0 CAA 2557,9 2215,1 2174 791,88 42 CF 4105 FIM 3,806 2 CAA 2471,3 2140,2 2078,1 780,02 43 CF 4140 3,83 1/0 CAA 2490,5 2156,8 2079,4 783,73 44 CF 4140 FIM 3,887 1/0 CAA 2481,9 2149,3 2069,9 782,57 45 CF 4136 4,462 4 CAA 2226,1 1927,9 1809,6 741,47 46 CF 4138 4,799 4 CAA 2121,6 1837,3 1714 722,43 47 CF 4138 FIM 5,196 2 CAA 1993,6 1726,5 1597,1 701,12 48 CF 4160 3,968 4/0 CAA 2448,9 2120,7 2020,3 778,59 49 CF 4160 FIM 4,551 4 CAA 2304,8 1995,9 1856,6 756,46 50 CF 4165 4,12 2 CAA 2389,1 2069 1969,2 768,5 51 CF 4165 FIM 4,431 4/0 CAA 2282,3 1976,6 1861,6 751,89 Fonte: Autor.
4.3 Dimensionamento dos elos fusíveis
No sistema de distribuição de energia elétrica em rede primária, os fusíveis são alocados para proteção nos ramais de derivações e nos transformadores. Por suas características, serão utilizados elos do tipo H para os transformadores com potência inferior à 150 kVA e tipo K para potências superiores, para tensão de 23 kV, e do tipo K para os ramais.
A concessionária utiliza como elos fusíveis preferenciais os valores de: 15K, 25K, 40K e 60K. Logo, o menor elo a ser usado em zona urbana é o de 15K, é sugerido esse valor para dificultar a queima dos elos que estão nos ramais de derivação e para facilitar a coordenação com os elos de proteção ao transformador.
A corrente nominal do elo fusível irá precisar ser maior ou igual a 1,5 vezes o valor da corrente de carga máxima e menor ou igual a 0,25 vezes a corrente de
curto-circuito fase terra mínimo, onde é considerado o ponto mais distante da proteção. (MIRESKI, 2018). A Equação 10 mostra como dimensionar da maneira ideal.
1,5 × 𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑚á𝑥 ≤ 𝐼𝑒𝑙𝑜 ≤ 0,25 × 𝐼𝑐𝑐𝑓𝑡𝑚𝑖𝑛
A partir da Equação 10, foram realizados os cálculos para identificar qual valor de elo fusível mais adequado para serem utilizados nos ramais de derivação da rede de distribuição. Os valores obtidos estão apresentados no APÊNDICE 2.
Para os elos de proteção dos transformadores, têm-se valores predestinados a partir da sua potência, conforme mostra a Tabela 8.
Tabela 8 - Elos de proteção para transformadores
POTÊNCIA TRANSFORMADOR
TRIFÁSICO (kVA)
Tensões primárias
13,8 kV 23 kV
In (A) ELO In (A) ELO
15 0,63 1H 0,39 1H 30 1,26 2H 0,79 1H 45 1,88 3H 1,18 1H 75 3,14 5H 1,97 2H 112,5 4,71 6K 2,95 5H 150 6,28 8K 3,94 5H 225 9,41 10K 5,9 6K 300 12,55 15K 7,87 10K 400 16,73 20K 10,04 12K 500 20,91 25K 12,55 15K Fonte: MAMEDE, 2013
A partir destes valores, foram estimados os modelos de elos para proteção dos transformadores, apresentados no APÊNDICE 3.
4.3.1 Coordenação e seletividade entre os elos fusíveis
A partir das Tabelas 1 e 3, onde mostram os valores de correntes para os elos K e H, foi realizada a análise da coordenação e seletividade entre os elos fusíveis que estão apresentados nos APÊNDICES 2 e 3.
A Tabela 9 apresenta os fusíveis que deverão ser coordenados entre si, apontando modelo do elo e até qual corrente máxima eles serão coordenados.
Tabela 9 - Coordenação entre elos fusíveis.
Este fusível Deve coordenar com este
Chave Fusível Elo Chave Fusível Elo Até corrente de
CF 4005 15K 5047 5H 450 A CF 4010 15K 462 2H 450 A 212 5H CF 4011 15K 431 2H 450 A CF 4012 15K 5074 2H 450 A CF 4015 15K 136 5H 450 A 137 5085 2H CF 4035 15K 138 5H 450 A 503 2H 470 CF 1000 15K 380 5H 450 A 454 CF 4030 15K 139 5H 450 A 437 560 487 CF 4040 15K 140 5H 450 A CF 4045 15K 141 5H 450 A CF 4080 25K 151 6K 510 A 512 5H 840 A 152 2H 200 333 CF 4096 15K 5144 5H 450 A 265 522 521 2H CF 4100 65K CF 4105 40K 1100 A CF 4110 25K 2200 A CF 4110 25K 5049 15K 430 A 201 5H 840 A CF 4105 40K 1053 15K 1340 A 5010 6K 1032 5H
537 444 2H CF 4040 15K 270 2H 450 A CF 4065 25K 1067 15K 430 A 1060 2H 840 A 453 CF 4060 40K 5102 10K 1340 A 159 5H 403 218 2H 5055 N. CARGA 15K CF 4136 25K CF 4138 15K 430 A 320 5H 840 A 5052 CF 4138 15K 511 1H 510 A 1029 301 5H 450 A 5054 158 2H CF 4200 15K 440 5H 450 A CF 1047 15K 446 5H 450 A 12 CF 4125 15K 1004 6K 510 A 31 5H 450 A CF 4144 15K 1056 6K 510 A 504 5H 450 A CF 4120 15K 1066 5H 450 A 1068 395 2H 5090 CF 4131 15K 433 5H 450 A 475 399 Fonte: Autor.
4.4 Parametrização do ajuste de proteção do religador
Neste tópico serão mostrados os cálculos de ajuste da parametrização do religador que será alocado. A Tabela 10 apresenta alguns valores de corrente de curto-circuito em locais específicos que serão utilizados nos cálculos.
Tabela 10 - Valores de correntes em pontos específicos.
Ponto instalação religador Final do trecho 1º disp. jusante
I Sim. (A) Assim. (A) Sim. (A) Assim. (A) Sim. (A) Assim. (A) 3Ø 2957,63 3203,11 1993,59 2055,39 2792,48 3024,25 2Ø 2561,43 2774,03 1726,53 1780,05 2418,34 2619,07 1Ø 2671,52 2893,26 1597,12 1646,63 2458,18 2660,04 Ftmin 835,76 905,13 701,12 722,85 820,77 888,9
Fonte: Autor.
A concessionária forneceu o valor do fator de crescimento (K) de 1,2. Caso fosse necessário calcular o valor deste fator, seria através da Equação 11:
𝐾 = (1 + 𝑎% 100)
𝑛
Onde:
a% - Taxa de crescimento
n – Número de anos de previsão
4.4.1 Função 51 F (temporizada de fase)
O ajuste desse parâmetro fica ajustado próximo ao valor de corrente de carga máxima e usando a curva de atuação IEC, normalmente inversa. A definição do valor da corrente visa a coordenação com o seu equipamento protetor (CASTRO, 2016).
𝐾 × 𝐼𝑐𝑚á𝑥 𝑅𝑇𝐶 ≤ 𝐼𝑑𝑖𝑠𝑝𝐹 ≤ 𝐼𝑐𝑐2∅ (𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑡𝑟𝑒𝑐ℎ𝑜) 𝑅𝑇𝐶 1,2 × 59,15 50 ≤ 𝐼𝑑𝑖𝑠𝑝𝐹 ≤ 1726,53 50 1,419 ≤ 𝐼𝑑𝑖𝑠𝑝𝐹 ≤ 34,53 𝐼𝑑𝑖𝑠𝑝𝐹 = 1,5 𝐴 (12) (11)
4.4.2 Função 51 N (temporizada de neutro)
No ajuste da curva temporizada de neutro, a corrente mínima de atuação deve ser ajustada para ter valor menor que a corrente de curto-circuito fase-terra mínimo dentro da sua zona de proteção (CASTRO, 2016).
0,2 × 𝐼𝑐𝑚á𝑥 𝑅𝑇𝐶 ≤ 𝐼𝑑𝑖𝑠𝑝𝑁 ≤ 𝐼𝑐𝑐𝐹𝑇𝑚𝑖𝑛 (𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑡𝑟𝑒𝑐ℎ𝑜) 𝑅𝑇𝐶 0,2 × 59,15 50 ≤ 𝐼𝑑𝑖𝑠𝑝𝑁 ≤ 701,12 50 0,236 ≤ 𝐼𝑑𝑖𝑠𝑝𝑁 ≤ 14,022 𝐼𝑑𝑖𝑠𝑝𝑁 = 1 𝐴
4.4.3 Coordenação e seletividade do religador
A Tabela 11 contém as indicações de parametrização dos relés da subestação SE Ijuí -1. O alimentador onde será feito o projeto de ampliação de potência da estação transformadora é o AL 13.
Tabela 11 - Parâmetros do relé.
AJUSTES 50F (A)
51F 51N
50N (A)
RTC TAP (A) CURVA TAP (A) CURVA
AL-11 160 15x160=2400 2,5x160=400 =0,14(NI) 0,65x160=104 =0,26(NI) - AL-12 160 15x160=2400 2,5x160=400 =0,14(NI) 0,65x160=104 =2(NI) -
AL-13 160 15x160=2400 2,5x160=400 =0,14(NI) 0,65x160=104 =0,26(NI) 10x160=1600
AL-17 80 25x80=2000 3,75x80=300 =0,1(NI) 0,75x80=60 =1(EI) 25x80=2000
Fonte: DEMEI, 2019.
O Tabela 12 contém a parametrização do religador a ser instalado no alimentador AL-13 em substituição da chave seccionadora CS 680.
Tabela 12 - Parâmetros do religador.
AJUSTES 50F 51F 51N 50N
RTC TAP CURVA TAP CURVA
Religador 50 - 1,5x50=75 A =0,05(NI) 1,0x50=50 A =0,05(NI) - Fonte: Autor.
As funções 50F e 50N do religador foram bloqueadas para garantir a seletividade e coordenação com o relé que atua como proteção principal de retaguarda do alimentador AL-13 da subestação SE-Ijuí 1, conforme apresenta a Figura 25.
Figura 25 - Coordenação religador x relé.
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
O presente trabalho foi realizado com base em uma rede de distribuição, em zona urbana, na cidade de Ijuí-RS. O trecho em que foi feito o estudo da proteção foi definido com base em novas cargas que serão instaladas no município, neste caso, a loja Havan, na Avenida David José Martins próximo à BR-285, será instalada com uma carga de 500 kVA.
Foi colocado em prática dois métodos de pesquisa, dedutiva e comparativa, a primeira para trazer os conceitos de proteção das redes de distribuição como prática específica e a segunda para realizar a comparação do sistema existente e o sugerido neste estudo.
Para fazer a investigação da rede existente, no capítulo 4, foi obtido o dimensionamento dos dispositivos de proteção existentes no sistema (chaves fusíveis e a alocação do religador), trazendo a possibilidade de analisar a eficiência da coordenação e seletividade destes.
Realizando o estudo comparativo, nota-se a divergência de diversos valores de chaves fusíveis. Essa discordância de valores resulta em uma proteção não coordenada e não seletiva em alguns pontos do sistema. Os casos mais críticos estão apresentados na Tabela 13, tanto em ramais de derivação como na proteção dos transformadores, os elos estão subdimensionados e superdimensionados.
Tabela 13 - Casos críticos.
Descrição elo fusível Fusível existente Fusível escolhido CF 4005 100K 15K CF 4131 100K 15K CF 4140 65K 15K CF 4138 40K 15K 1067 2H 15K 5015 3H 10K 5058 6K 1H Fonte: Autor.
6 CONCLUSÃO
O sistema de proteção das redes de distribuição de energia elétrica propõe-se a elevar a qualidade dos serviços prestados pelas concessionárias, levando em consideração requisitos de coordenação, seletividade, agilidade, confiabilidade e sensibilidade. Tais requisitos foram apresentados ao transcorrer do presente trabalho para realizar as corretas escolhas de proteção para rede de distribuição em questão. Com a exposição à faltas temporárias e permanentes, este trabalho recomendou o estudo da proteção da rede de zona urbana para que o sistema não tenha interrupções desnecessárias no fornecimento, mantendo os indicadores coletivos DEC e FEC dentro do exigido pela ANEEL.
Em cada período teve-se a oportunidade de assimilar separadamente o funcionamento de cada equipamento, os cálculos para parametrização, os critérios para definir a escolha e alocação destes equipamentos e os ajustes que permitem projetar o sistema de proteção adequado, garantindo que cada dispositivo que foi parametrizado atue em conjunto e aumente a segurança do sistema elétrico.
Com as análises realizadas, constata-se que algumas alterações devem acontecer no estudo da proteção existente, para assim resultar em equipamentos de proteção coordenados e seletivos, elevando o índice de confiabilidade e qualidade de todo sistema de distribuição. Visando o aumento da confiabilidade da proteção do sistema de distribuição, foi sugerido a instalação de um religador, localizado na esquina das Ruas Manaus e Siqueira Couto.
Com os resultados apresentados, é comprovado a eficiência dos ajustes oferecidos para o progresso do sistema de proteção seletivo, onde os dispositivos que devem operar como protetor do protegido cumpram seu serviço, assim, os únicos pontos que podem ter interrupção de fornecimento de energia é realmente onde há problemas pontuais, mostrando a eficácia do sistema de proteção.
6.1 Trabalhos futuros
Expandir os estudos para os outros alimentadores primários da cidade e alongar os ajustes para englobar a parametrização dos dispositivos de proteção dos ramais de derivação de todo sistema.
Avaliar diferentes locais para a instalação de religador com intuito de aumentar a confiabilidade do sistema de proteção.
Realizar avaliação das mudanças, tendo em vista os indicadores de confiabilidade.
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL. Procedimentos de Distribuição de
Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST. Módulo 8 – Qualidade
da Energia Elétrica. Disponível em: < http://www.aneel.gov.br/modulo-8>. Acesso em: 03 abril 2019.
Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL. Qualidade da distribuição. Disponível em: < http://www.aneel.gov.br/qualidade-na-distribuição>. Acesso em: 03 abril 2019.
ARAÚJO, Carlos André S.; SOUZA, Flávio Camara de; CÂNDIDO, José Roberto R.; DIAS, Marcos Pereira. Proteção de Sistemas Elétricos de Potência. 2ª ed. São Paulo: Interciência, 2005.
BOASKI, Marco Antônio Ferreira. Metodologia para Coordenação e Seletividade
da Proteção em Sistemas de Distribuição Incluindo Avaliação de Confiabilidade.
Dissertação de mestrado, Engenharia Elétrica – Universidade Federal de Santa Maria. Santa Maria, RS. 2018.
CASTRO, Jorge Luís da Silva. Análise de Coordenação e Proteção Elétrica de
Alimentadores de Distribuição Instalados em Área Rural. Trabalho de Conclusão
de Curso, Engenharia Elétrica – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. Santa Rosa, RS. 2016.
CPFL. Proteção de Redes Aéreas de Distribuição – Sobrecorrente. Norma técnica, 2016.
GIGUER, Sergio. Proteção de Sistemas de Distribuição. Porto Alegre: SAGRA, 1988.
